Высокогидрофобные многокомпонентные малошлаковые мелкозернистые бетоны с наполнителями из нескольких горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫСОКОГИДРОФОБНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ МАЛОШЛАКОВЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С НАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Калашников В.И., д-р техн. наук, профессор;

Мороз М.Н., инженер,

Хвастунов В.Л., канд. техн. наук, доцент,

Кудашов В.Я., инженер

Новые позитивные результаты в области создания особовысокопрочных, безобжиговых, низкощелочных, бесцементных и безшлаковых материалов из осадочных и вулканических горных пород, получены в последние годы на кафедре «Технология бетонов, керамики и вяжущих» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства 1,2. Предпосылкой к выявлению твердеющих систем на основе горных пород, щелочей и модифицирующих добавок послужили экспериментальные результаты по получению малошлаковых вяжущих из горных пород 3,4.

Нами установлено, что оптимальное соотношение основного активного компонента по отношению к породе в минеральношлаковом вяжущем (МШВ) составляет 60:40. Многие регионы России не имеют металлургических заводов, поэтомуставилась задача уменьшить основные расходы на транспортировку доменных металлургических шлаков из других регионов, снизить долю шлака в композиционном вяжущем до 25-30% и оценить физико-технические свойства таких малошлаковых вяжущих.

В отличие от доменного шлака - основного твердеющего компонента смешанного вяжущего - но не столь широко распространенного, отходы горных пород различного генетического происхождения имеются во многих регионах. Огромное количество горных пород содержится в отвалах, которые ежегодно в мире пополняются на 100 млр. тонн. Эти породы требуют глубоких исследований с целью оценки их реакционной активности со шлаками, щелочами, щелочными солями в композиционных вяжущих. Способны ли они образовывать в таких смесях твердеющие структуры не только при воздействии высоких температур (150-350°С), но и при нормально-влажностных режимах твердения?

При уменьшении доли шлака до 25-30% физико-технические свойства таких новых малошлаковых геовяжущих и бетонов на их основе отличаются от свойств, высокопрочных минеральношлаковых вяжущих, разработанных в ПГУАС, при оптимальном соотношении «шлак:горная порода» - «60:40». Немаловажной является задача оценки долговечности геошлаковых вяжущих, в частности, водостойкости, трещиностойкости и морозостойкости.

Основным недостатком МШВ при пониженном содержании в нем активного компонента, является повышенное водопоглощение и низкий коэффициент водостойкости, не превышающий 0,55-0,65 в зависимости от вида породы, что не позволяет отнести такие минеральношлаковые вяжущие к достаточно водостойким системам. Учитывая неадекватное отношение к щелочам и к шлаку различных природных минералов, необходимо было расширить диапазон пород и исследовать тройные минерально-шлаковые системы, в которых в качестве компонентов вяжущего использовались две или три разновидности пород.

Для определения реакционной активности таких смешанных вяжущих были выбраны породы различного происхождения: глауконитовые и кремнеземистые песчаники (Пензенского месторождения) и граниты. Породы подвергали дроблению и последующему помолу до состояния дисперсного порошка. Удельная поверхность (по прибору ПСХ-2) для глауконита составляла - 1300 м2/кг, песчаника -300 м2/кг и для гранита - 410 м2/кг.

При исследовании процесса твердения данных пород в индивидуальном виде при затворении их 6%-ым раствором щелочи NaOH, нами было установлено, что только одна из них - порода магматического происхождения обладает низкой реакционной активностью со щелочами. Также установлено, что и воздействие сухого прогрева при t = 150°С незначительно повышает прочность гранито-щелочного вяжущего. Все остальные породы: глауконитовые и кремнеземистые песчаники и халцедоны проявляют высокую активность при воздействии температуры. В связи с полученными результатами, нами были использованы граниты как малоактивная горная порода в качестве тонкодисперсного наполнителя в системе комплексных композиционных вяжущих «гранит:шлак:глауконит» и «гранит:шлак:песчаник». Процентное массовое соотношение компонентов в таком геошлаковом вяжущем составляет - «60:24:16», соответственно.

В качестве мелкого заполнителя использовали Сурский песок. В мелкозернистом бетоне соотношение между композиционным геовяжущим и заполнителем составляло - 1:1,5. В качестве активизатора твердения системы применялась щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего при влажности смеси 8%. Образцы-балочки с размерами 40Ч40Ч160 (мм) изготавливались методом прессования при давлении 25 МПа.

Для повышения водостойкости мелкозернистых бетонов на геошлаковых вяжущих при длительном экспонировании образцов в воде и повышения коэффициента длительной водостойкости использовались: для структурной гидрофобизации - гидрофобизатор стеарат кальция [Са(С18Н35О2)2], вводимый непосредственно в тело бетона при его дозировке 2,5% от массы геовяжущего; для поверхностной гидрофобизации - гидрофобизирующая жидкость «АКВАФРИ S -100», представляющая собой смесь силанов и силоксанов и гидрофобизатор - лак «ВВМ-М-7».

Поверхностная пропитка испытуемых образцов осуществлялась следующим образом: балочки перед пропиткой обезвоживались в эксикаторе над хлоридом кальция при влажности W = 5-10% до стабилизации массы. Поверхностная пропитка лаком «ВВМ-М-7» производилась методом распыления пульверизатором в 2 слоя; гидрофобизирующую жидкость «АКВАФРИ S-100» разводили водой до соотношения 1:4 и пропитывали методом погружения в ванночку на 10 минут. После пропитки образцы хранили в нормально-влажностных условиях до подсыхания пропитанного слоя и определяли кинетику водопоглощения по массе (по ГОСТ 12730.3-78) и кинетику капиллярного подсоса.

Капиллярный подсос бетона определяли в соответствии с ЕN 1015-18:2002 на балочках того же размера, установленных в воду вертикально на глубину 7 мм. В ходе эксперимента производили наблюдение за высотой подъема воды по перемещению границы смачивания образцов.

Рис.1. Кинетика водопоглощения гидрофобизированных ГтШГлП (а) и ГтШПП (б) бетонов

Рис.2. Кинетика капиллярного подсоса гидрофобизированных ГтШГлП (а) и ГтШПП (б) бетонов

На рис 1 (а;б). показана кинетика водопоглощения песчанистого бетона на гранитошлакоглауконитовом (ГтШГлП) и гранитошлакопесчаниковом (ГтШПП) вяжущих. Сравнивая кинетические кривые капиллярного водонасыщения двух бетонов, отмечается адекватность гидрофобного действия, как стеарата кальция, так и пропитывающих жидкостей: кривые водопоглощения бетонов ГтШГлП и ГтШПАП, гидрофобизированные жидкостью «АКВАФРИ S-100» почти симбатны при наложении их на один график. Так же близки значения водопоглощения в этих двух бетонах, пропитанных лаком «ВВМ-М-7». Различный характер кривых водопоглощения бетонов со стеаратом кальция и бетонов, пропитанных жидкостью с поверхности, определяется различными механизмами гидрофобизации. Эффективность объемной (структурной) гидрофобизации стеаратами, особенно при длительном нахождении в воде, невысока. Через 10-200 суток экспонирования в воде уменьшение водопоглощения по сравнению с контрольным, не превышает 10-15%.

В этом случае, по нашему мнению, проявляется кольматационный механизм гидрофобизации. Более крупные частицы порошка перекрывают капиллярные каналы, а мелкие могут вклиниваться в стенки капилляров.

Эффективность пропитки бетонов гидрофобизирующими жидкостями, очень высокая. В начальные сроки (до 17 часов) экспонирования в воде образцов-бетонов, пропитанных гидрофобизирующей жидкостью - лаком «ВВМ-М-7», миграция воды в поры бетона практически отсутствовала. Однако через 15-17 часов водоупорные свойства снижаются, водопоглощение усиливается на значительном временном интервале и стабилизируется к 100-200 суткам на одном уровне (5,8%), но стабилизационный уровень наступает значительно раньше (через 12 суток), а значение его ниже (3,8-4,2%)

Более эффективной гидрофобизирующей жидкостью для таких бетонов при более длительном выдерживании в воде является «АКВАФРИ S-100». Хотя в начальные сроки эффективность гидрофобизации уступает лаку «ВВМ-М-7». Водопоглощение по массе гидрофобизированного бетона этой жидкостью на ГтШГл и ГтШП вяжущих в поздние сроки (через 200 суток) стабилизируется на одном уровне и снижается в 2,2 раза по сравнению с контрольным.

На рис. 2 (а;б) представлена кинетика капиллярного подсоса гидрофобизированных бетонов. Контрольный и гидрофобизированные бетоны на гранитоглауконитошлаковом вяжущем обладают меньшим капиллярным водопоглощением, чем бетоны на гранитопесчаникошлаковом вяжущем, что, вероятно, объясняется из различной капиллярно-пористой структурой. В процессе длительного капиллярного подсоса мелкозернистых бетонов контрольных составов отмечено, что к 1-м суткам высота подъема жидкости по капиллярам находится в пределах 53-60% от высоты образцов-балочек.

При введении стеарата кальция уровень подъема воды составляет 14-23% от высоты образца. На балочках, пропитанных гидрофобными покрытиями, вода практически не проникает в тело бетона: высота подъема составила лишь 1,7-2,5% от высоты образца.

В ходе длительного капиллярного подсоса в течение трех месяцев и последующего естественного высушивания отмечено полное отсутствие высолообразования на поверхности гидрофобизированных гранитошлакоглауконитопесчаного и гранитошлакопесчаникопесчаного бетонов (рис. 3).

Полученные нами высокогидрофобные малошлаковые бетоны имеют достаточные значения прочности, соответствующие многим стеновым строительным материалам. Так, прочность бетонов на осевое сжатие через 28 суток при нормальных условиях варьировала от 23 до 30МПа.

бетон малошлаковый высокогидрофобный

Рис. 3 Высолообразование на контрольных составах бетона ГтШГлП (слева) и ГтШПП (в центре) и бетона ГтШГлП пропитанного гидрофобизирующей жидкостью «АКВАФРИ S-100» (справа)

Отличие кинетических кривых водопоглощения бетонов, пропитанных жидкостями «АКВАФРИ S-100» и лаком «ВВМ-М-7», позволило высказать гипотезу о различных механизмах гидрофобизации. Можно полагать, что степень проникновения молекул полимера в поры бетона будет определяться соотношением размеров пор к размеру молекул полимера. При большой молекулярной массе полимера, миграция молекул возможна лишь в крупные поры материала. В этом случае будет проявляться лишь частичное проникновение полимера в поверхностные слои бетона. Дополнительная гидрофобизация будет обеспечиваться образованием пленки на поверхности изделия. При невысокой молекулярной массе полимера степень заполнения пор материала будет более высокой и эффект гидрофобизации будет возрастать. При этом не исключается и образование пленки полимера на поверхности изделий.

Механизм поверхностной гидрофобизации лаком «ВВМ-М-7», по нашему мнению, обусловлен лишь поверхностным покрытием образцов полимером и отсутствием сколь-либо заметного проникновения в поры материала. Это, по всей вероятности, объясняется высокой молекулярной массой полимера или развлетвленностью молекул и невозможностью проникания их в поры бетона из-за стерических условий. В данном случае имеет место поверхностно-пленочный механизм гидрофобизации.

Капиллярно-проникающий механизм гидрофобизации жидкостью «АКВАФРИ S-100» обусловлен не только проникновением полимера с меньшей молекулярной массой и малыми размерами молекул полимера, но и поверхностно-пленочной защитой материала. Правильность высказанной гипотезы подтверждается расходами полимера на 1 м2 поверхности.

Касаясь экономических показателей гидрофобизации, необходимо отметить, что несмотря на более высокую стоимость жидкости «АКВАФРИ S-100» по сравнению с лаком «ВВМ-М-7», затраты на гидрофобизацию с использованием первого гидрофобизатора значительно ниже. Гидрофобизирующая жидкость «АКВАФРИ S-100» используется после разбавления ее 4-х кратным количеством воды до рабочей концентрации. Таким образом, стоимость единицы объема снижается в пять раз. Кроме того, жидкость «АКВАФРИ S-100» экологически- и пожаро- безопасна, а лак «ВВМ-М-7», в котором растворителем является толуол, не обладает такими позитивными свойствами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих. //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. - Самара, 2004. - с. 193-196.

2. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Мороз М.Н. и др. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей//Современное состояние и перспектива развития строительного материаловеления: Восьмые академические чтения отделения строительства наук РААСН. - Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. - Самара, 2004. - с. 205-209.

3. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Москвин Р.Н., Нестеров В.Ю., Мороз М.Н. Роль и значение сильных щелочей и температурных условий в синтезе прочности минеральношлаковых и геошлаковых вяжущих. Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник статей Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2005. - с. 71-78.

4. Хвастунов В.Л., Москвин Р.Н., Хвастунов А.В., Краснощеков А.А. Влияние рецептурных, структурных и технологических факторов на основные свойства минеральношлаковых вяжущих//Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции. Пенза, 2005. - с. 194-204.

Размещено на Allbest.ru