Современные методы повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные методы повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона

Шатилова С.А., Никитина К.С., Корсун В.И.

СПбПУ, г. Санкт-Петербург, Россия

Абстракт

гидроизоляционный плотность бетон

Статья посвящена актуальной проблеме повышения плотности бетонов в конструкциях с помощью различных методов. При воздействии агрессивных сред (атмосферные явления, морская вода, грунтовые воды и др.) конструкции подвержены интенсивному процессу коррозии, что приводит к разрушению материала, а затем и самой конструкции с потерей несущей способности. В существующих нормативных документах отсутствуют указания и рекомендации по выбору того или иного способа уплотнения бетонов в конструкциях. Проведенный анализ научно-технической литературы и патентной документации позволил выявить основные направления повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона. Выявлены достоинства и недостатки каждого метода, а также сферы их применения.

Ключевые слова: Бетон, добавки, коррозионная стойкость, гидроизоляционные смеси, кольматация, плотность, водонепроницаемость.

Abstract

MODERN METHODS FOR INCREASING THE DENSITY AND WATERPROOFING PROPERTIES OF CONCRETE

SPbPU, St. Petersburg, Russia

Keywords: concrete, additive, corrosion resistance, waterproofing mixtures, colmata- tion, density, watertightness.

Введение

Начиная с 30-х годов в СССР начались исследования коррозии бетона и продолжаются в настоящее время. Первые нормы оценки агрессивности воды к бетону были разработаны в 1931 г. В период с 1950-х годов, с началом массового производства ЖБК, проблеме корродирования материалов в конструкциях стали уделять большее внимание. На основании проведенных исследований были разработаны нормативные документы в виде СНиП 2.03.11-85, в которых изложены основные методы защиты бетона от коррозии. В настоящее время это СП 28.13330-2012. Однако наука не стоит на месте, для увеличения прочности бетона и его гидроизоляционных свойств разрабатываются различные методы производства и защиты бетонов или цементного камня путем повышения плотности структуры.

Особо актуален вопрос прочности и коррозионной стойкости и долговечности для конструкций, возводимых на водоносыщенных грунтах. Для таких бетонов разработан ряд добавок (Кальматрон, Пенетрон и др.) и мероприятий по повышению плотности (инъецирование, цементация, силикатизация, смолизация, поверхностная пропитка растворами).

Целью исследования является анализ и выбор эффективных способов повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона.

В рамках исследования поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ методов повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетона;

2. Определить наиболее эффективный метод для бетонов, применяемых на слабых водонасыщенных грунтах.

0бзор литературы

Анализ литературы в общем показал, что проблема повышения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов очень актуальна, решение проблемы достигается различными методами. Источники [5, 6,16 ,25 ,33 ,34,40] дают оценку характерных свойств бетона и цементного камня, его капилярно-пористой структуре. Рассматривается влияние агрессивных сред на поровую структуру бетонов.

Основанием для разработки методов уплотнения бетонных и железобетонных конструкций являются исследования физико-химических процессов. Проведены исследования составов, служащих для повышения водонепроницаемости бетона, и сравнительные анализы смесей без введения добавок и с введением различных добавок [14, 15, 17, 33, 42, 43].

Предлагаются [14, 29-31, 36-38] новые способы решения задач повышения эффективности вяжущих путем применения комплексных функциональных добавок, что позволяет получать высокопрочные бетоны с высокими строительно- техническими свойствами для жёстких условий эксплуатации.

Одним из основных методов повышения гидроизоляционных свойств бетонных и железобетонных конструкций является применение гидроизоляционных проникающих капиллярных смесей [4, 18, 26] - гидроизоляция и антикоррозионная защита нового поколения. Влияние на гидроизоляционные свойства агрессивных сред и формирование кристаллов эттрингита в бетоне рассматриваются в статьях [18, 19, 27].

Основная аналитическая информация по составам и свойствам растворов приведена в нескольких работах. В [12] проводится рентгенографический анализ гидроизоляционных смесей, определен химический состав. Определены кинетики усадок цементно-песчаного раствора и гидроизолирующего слоя. В источнике [13] анализируются проблемы создания специализированных пропиточных составов.

Согласно испытаниям свойства и структура бетонного камня изменяется в зависимости от состава проникающей смеси. Наиболее полно исследования по этой теме для состава «Кольтматрон» приводятся в статьях [1-3] вместе с рекомендациями по применению в конструкциях. В [10-11, 35] изложены общие сведения об особенностях явления кольматации пор и капилляров цементного камня при коррозии в различных агрессивных средах. Описаны процессы, протекающие при кольматации цементных бетонов и перспективы применения кольматации [79].

Для получения долговечного искусственного камня учитывают состав отсевов дробления карбонатных пород, вызывающих микротрещины и низкую водостойкость. В исследованиях [15, 21-23, 34] признается наиболее эффективной модифицирующая добавка Пенетрон Адмикс.

Рассмотрено влияние добавки «Пенетрон Адмикс», которая при наличии в затвердевшей структуре бетона усадочных и силовых трещин, а также свободной воды активно включает процесс образования новых кристаллов, заполняющих свободные объемы между частицами бетона [20, 27, 28].

Работы [39, 41, 44], посвящены выбору оптимальной технологии «лечения» трещин в железобетонных конструкциях и зданиях. Как способ сэкономить средства при ремонте зданий и конструкций рассмотрен метод инъецирования.

Основная часть

Высокое водоцементное отношение в бетонных смесях с повышенной подвижностью влияет на водоотделение, обуславливающее образование пор и капилляров, которые снижают плотность бетона, его прочность и морозостойкость, увеличивают водопроницаемость.

Выделяют несколько способов повышения плотности и гидроизоляционных свойств бетонов:

1. Инъецирование под давлением, заполнение пор и трещин эпоксидом.

2. Пропитка или кольматация бетонов, заполнение пор и трещин раствором полученных на основе отходов производства фосфорных удобрений.

3. Использование пенетроных добавок, бетоны с модификаторами и суперпластификаторами.

Рассмотрим данные способы и проанализируем.

Повышение плотности методом инъецирования

Способ повышения плотности бетонных конструкций путём нагнетания в поры, трещины и прочие дефекты растворов - инъецирование. Инъекция раствора осуществляется посредством цементации (нагнетание цементного молока), силикатизации (нагнетание жидкого стекла) и смолизации (нагнетание синтетических смол), которые в теле бетона набирают прочность.

Технология цементации - нагнетание цементного или цементно-песчаного раствора через пробуренные в конструкции отверстия, расположенные в шахматном порядке на 2/3 толщины конструкции, что непосредственно увеличивает ее плотность, водонепроницаемость и коррозионную стойкость. Для ускорения схватывания раствора в полостях в него вводят хлористый кальций -- не более 7 % от массы цемента. Сульфитно-дрожжевая бражка повышает плотность раствора, что способствует его прониканию в поры и мелкие трещины.

Повышение плотности бетонов в конструкциях путем цементации, по результатам опытов исследователей, оказалось недостаточно эффективным, так как процессы фильтрации после цементации быстро возобновляются. Эффективность цементации значительно повышается введением в раствор высоко дисперсных магнитных веществ.

Оценка качества цементации производится через 28 дней после окончания работ путем определения удельного водопоглощения контрольных скважин при давлении 0,3 МПа.

Силикатизация - процесс нагнетания через заранее пробуренные в конструкциях отверстия или прижимную камеру жидкого стекла, которое заполняет поры и пустоты. Вслед за этим вводят раствор хлористого кальция. Реакция его с жидким стеклом приводит к образованию уплотняющего осадка из плохо растворимого гидросиликата кальция и нерастворимого геля кремнезема. Твердение гидросиликата и кремнезема происходит за четверо суток.

Процесс смолизации применяют для мелкотрещиноватого пористого бетона и осуществляют путем нагнетания водного раствора карбамидной смолы, для твердения которой вводят специально подобранный отвердитель, не агрессивный к бетону (щавелевая или кремнефтористоводородная кислоты). Первый этап - нагнетания в бетон раствора щавелевой или кремнефтористоводородной кислоты - локализует поверхностный слой карбонатов кальция и гидрата окиси кальция, создает защитную пленку нерастворимого щавелевокислого кальция, препятствующую нейтрализации кислоты из раствора. На втором этапе вводят раствор карбамидной смолы с отверждающей добавкой.

Гелеобразующий раствор приготавливается непосредственно перед нагнетанием порциями, объем которых определяется временем гелеобразования и производительностью применяемого насоса. Время гелеобразования в зависимости от количества отвердителя определяется по специальному графику.

Методы инъецирования эффективны для трещин шириной раскрытия 20 мм и более. Благодаря таким методам можно добиться повышения морозостойкости (в 1,5 - 2 раза), прочности (на 5 -10 %) и водонепроницаемости (на одну марку).

Повышение прочности методом кольматации

Кольматация - процесс проникновения дисперсных и растворенных частиц в поры, капилляры, трещины и полости бетона, которые осаждаются в них физически или химически, что приводит к омоноличиванию. Процесс кольматации протекает с образованием различных кольматантов, зависящих от среды.

При коррозии выщелачивания из цементного камня вымывается гидроксид кальция внешнего слоя во время гидролиза, когда гель кремнекислоти остается в порах, частично закупоривая их (кольматация). Так процесс коррозии выщелачивания становится частично самотормозящимся. При кислотной коррозии (в среде кислот НС1, НВг, HNO3и др.) происходит разрушение гидратных фаз в водных растворах кислот, более сильных, чем кремниевая.

Во время обменной реакции между гидросиликатами кальция и ионами магния образуется малорастворимый в воде гидроксида магния Mg(OH)2- магнезиальный кольматант.

При взаимодействии с угольной кислотой образуется кислый углекислый кальций Са(НСОз)г и гель кремнекислоти. При взаимодействии на бетон углекислого газа образуется два кольматанта СаСОз и Si02^-nH₂0. Карбонат кальция образуется в большом количестве и обладает более сильным эффектом.

В сульфатных средах коррозия сопровождается образованием эттрингита и гипса, не оказывающих кольматирующего влияния, поскольку они при застывании расширяются и вызывают расширение цементного камня, что разрушает защитный слой.

При послойной кольматации, во время движения коррозии внутрь изделия или конструкции нерастворимые продукты коррозии откладываются в пустотах и закупоривают их. Правильный химический состав используемой бетонной смеси может усилить самоторможение процесса коррозии и повысить коррозионную стойкость конструкций. Для этого часто применяют водорастворимые смолы и соли алюминия, железа и кальция, суперпластификаторы, добавляемые в бетонную смесь на стадии изготовления.

Главным преимуществом эффекта кольматации для практики является то, что он позволяет тормозить процессы коррозии. Снижая параметры проницаемости, можно повысить морозостойкость, долговечность бетона.

В зависимости от применяемого состава среднее значение прочности на сжатие Re* возрастает с 37,8 до 46,0, что составляет прирост прочности 1,3 до 10,8%. Согласно анализу экспериментальных статей можно сделать вывод о том, что среднее значение водопоглащения повышается до 5.14-^5.86, а в зависимости от расхода и состава добавки марка по водонепроницаемости увеличивалась на 1 - 2 марки с W8до W10, W12.

Повышение прочности методом проникающих добавок

Поскольку намокание конструкции происходит в процессе эксплуатации (в виде осадков, с грунтовыми водами, а также в результате конденсации влаги в материале стены из-за разницы температур). Вследствие этого происходит преждевременное разрушение железобетонных конструкций, снижаются их теплоизоляционные свойства, нарушается микроклимат в помещении.

В последние годы все более широкое распространение получают материалы проникающего действия. Чаще всего составы применяют на стадии ремонта конструкций. Материалы состоят из цемента и сбалансированной смеси химически активных компонентов.

На данный момент рынок предлагает как российские, так и импортные материалы для гидроизоляции: «Пенетрон» (США), «Ксайпекс» (Канада), «Drizoro» (Италия), «Aquafin-ІС» (Германия), «Гидротэкс» (Россия), «Стромикс» (Россия), «Антигидрон» (Россия), «Кристаллизол» (Россия).

Суть применения этих составов заключается в следующем: при нанесении на бетон составы вступают в реакцию с материалом бетона, в результате чего в его порах образуются кристаллы. По прошествии определенного времени (несколько месяцев) часть порового пространства заполняется кристаллами. За счет этого обеспечивается заполнение капиллярных пор и прекращается движение воды в теле бетона, тем самым повышается его плотность. Это существенно увеличивает прочность и водоотталкивающие свойства бетона. Широкое распространение материалов этого направления ограничивается их относительно высокой стоимостью. Необходимо также указать, что эти материалы предназначены лишь для одного типа строительных материалов - бетона. В качестве средства долговременной защиты пористых стройматериалов предлагается метод их обработки серосодержащими составами.

Несмотря на очевидные достоинства: простоту технологии и нанесения как на старых, так и на новых конструкциях данный метод имеет и сложности физико-химических процессов и механизмов работы. Согласно различным исследованиям метод может повысить марку по водонепроницаемости на 3-5 единиц. Для марки «Пенетрон» характерно снижение открытой пористости в 1,7-2 раза, марка по водонепроницаемости возрастает с W10 W12 до W16- W20. По данным исследований ГУП «НИИЖБ» в г. Москва добавки проникающего действия повышают марку водонепроницаемости до W8-W16.

Кроме того, недостатком можно считать и отсутствие эластичности, это жесткая гидроизоляция. Эффективны эти материалы будут при раскрытии трещин конструкции не более чем 0,3 мм. Составы защищают поверхность только на глубину нескольких сантиметров от воздействия агрессивных сред (бензина, масел, нефтепродуктов) и коррозии, сохраняя при этом поропроницаемость. Из исследований можно сделать вывод, что при определении водопроницаемости после 6 месяцев на поверхности обнаружены трещины, которые свидетельствуют о большой усадке гидроизоляционных материалов данного типа, что является недостатком.

4. Заключение. В ходе написания статьи, мы пришли к выводу, что наиболее эффективно применение комплексной защиты бетона от коррозии: первичная и вторичная. Первичная защита выполняется в ходе разработки проекта (применение бетонов, стойких к воздействию агрессивной среды; соблюдение дополнительных расчетных и конструктивных требований при проектировании бетонных и железобетонных конструкций.) В качестве вторичной защиты рекомендуется применять: уплотняющие пропитки; гидрофобизирующие составы; оклеенную и обмазочную изоляцию.

Согласно результатам проведенного анализа, одним из наиболее эффективных методов вторичной защиты являются проникающие добавки, главным достоинством которых является повышение марки бетонной конструкции по водонепроницаемости на 3-5 единиц. Так же метод обладает достоинствами простоты технологии нанесения и возможности применения на старых и новых бетонных элементах.

Библиографические ссылки на источники

2. Леонович С.Н., Полейко Н.Л. Пористость и морозостойкость бетона, защищенного цементным составом проникающего действия «Кальматрон»// Безопаность строительного фонда России. Проблемы и решения. 2016. - №1. - С. 31 - 37.

3. Полейко Н.Л., Осос Р.Ф., Полейко Д.Н. Гидроизоляционныйматериал «Кальматрон» - перспективы применения //Архитектура и строительство. - 2005. - №5. - С. 94 - 97.

4. Розенталь Н.К., Степанова В.Ф., Чехний Г.В. Защитные материалы проникающего действия для повышения долговечности конструкций // «Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии». - М.: Центр экономики и маркетинга. 2002. - С. 75 - 79.

5. Розенталь Н.К. Проницаемость и коррозионная стойкость бетона //Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 35-37.

6. Муртазаев С-А.Ю., Саламанова М.Ш. Высококачественные бетоны для монолитного строительства//Экономика строительства и природопользования. - 2018. - № 4(69) С.137-142

7. Герчин Д.В. Особенности применения защитного состава «Кальматрон» для повышения долговечности бетонов зданий и сооружений //Материалы Международной конференции «Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве». - СПб.: РНФ «Роза мира». - 2007. - С. 338 - 343.

8. Рахимбаев Ш.М. Кинетика процессов кольматации при химической коррозии цементных систем // Бетон и железобетон. 2012. № 6. С. 16-17.

9. Евсяков А.С. Перспективы применения кольматации для управления процессами коррозии бетонов // Молодые ученые-развитию национальной технологической инициативы (поиск). 2018 С. 302-303

10. Ю.Полейко, Н.Л. Структура порового пространства бетона с добавкой «Кальма- трон»/Н.Л. Полейко, Р.Ф. Осос, Н.Д. Полейко//Сборник статей международного научнопрактического семинара «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров РБ». -Мн.: БИТУ, 2006. - с. 126-131

11 .Полейко, Н.Л. Применение гидрофобизатора типа «Кальматрон» в производстве железобетонных труб методом виброгидропрессования//Н.Л. Полейко, Р.Ф. Осос, Н.Д. Полейко // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Наука и технология строительных материалов: состояние и перспективы развития». - Мн.: БГТУ, 2005. С. 216-219

12. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Коновалова В.С., Евсяков А.С. К вопросам теории кольматации цементных бетонов//Информационная среда ВУЗа, 2017. №1(24) С. 403-407.

13. Насрьіева Л.И. Изотов В.С., Лыгина Т.З., Шинкарев А.А Водонепроницаемость бетона после обработки гидроизоляционными пропиточными системами//Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2010, №1(13) С.319-324.

14. Массалимов И.А., Мустафин А.Г., Хусаинов А.Н., Чуйкин А.Е., Защита строительных материалов и конструкций наноразмерными покрытиями на основе се- ры//Строительные материалы, обрудование,технологии XXI века, 2012, №2(157) С.19-21

15. Кононова О.В., Черепов В.Д. Модифицированный искусственный камень на основе отсевов дробления карбонатных пород//Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 1

16. Кононова О.В., Черепов В.Д. Структурообразование искусственного камня на основе отсевов дробления карбонатных пород//Фундаментальные исследования. - 2014. - № 9-6 С.1200-1204

17. Никишин В.А. Микроструктура цементного камня и ее влияние на водонепроницаемость и прочность бетона//Технологии бетонов. - 2012. - № 5-6 (70-71) С.6-9

18. Сердюк В.Р. Лемешев М.С. Объемная гидрофобизация тяжелых бетонов//Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. - 2009. - № 2(7) С.40-43

19. Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М., Помазкин Е.П. Применение проникающей гидроизоляции для повышения коррозионной стойкости цементного камня//Технологии бетонов. - 2015. - № 3-4 (104 -105) С.44^7

20. Помазкин Е.П. Гидроизоляция ограждающих конструкций в зимний пери- од//Транспортное строительство. -2017. -№ 1 С.20-22

21. Киценко Т.П., Губарь В.Н., Балакин Д.В. Каширин А.В. Влияние гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» на формирование структуры и свойства бето- на//Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. - 2018. - №2018-4(132) С. 199-202

22. Малютин А.А. Пенетрон-гарантированная защита от проникновения вла- ги//Сборник трудов конференции Россия молодая. - 2015. - № 1 С.705

23. Балакин Д.В., Ермолаев Д.А., Исаков П.Ю., Карнет Ю.,Н. Использование гидроизоляционной добавки «Пенетрон Адмикс» для исключения внешней гидроизоляции подземных железобетонных конструкций //Промышленное гражданское строительство. - 2017. - № 2 С.55-59

24. Румянцева В.Е., Коновалова В.С., Виталова Н.М. Ингибирование коррозии железобетонных конструкций //Строительство и реконструкция. 2014. № 4 (54). С. 65-71.

25. Влияние агрессивных сред на изменение структурно-фазового состава цементных бетонов и их прочностные характеристики /В.Е. Румянцева [и др.]//Информационная среда вуза: материалы XXIII Междунар.науч.-техн. конф. Иваново: ИВГПУ, 2016. С. 372375.

26. Леонович С.Н., Полейко Н.Л. Проектирование технологии гидроизоляции и антикоррозионной защиты железобетонных конструкций нового поколения//Материалы IV Крымской Международной научно-практической конференции «Методология безопасности среды жизнедеятельности». - 2017. С.49

27. J Pazderka, ЕHajkova Crystalline admixtures and their effect on selected properties of concrete - Acta Polytechnica, 2016 - Vol 56, No 4 (2016) pp.306-311

28. J. Pazderka, "Concrete with Crystalline Admixture for Ventilated Tunnel against Moisture", Key Engineering Materials, Vol. 677, pp. 108-113,2016

29. P. Parasivamurthy, "Study of Waste Plastics as Composites Material in Cement Concrete Construction", Advanced Materials Research, Vols. 15-17, pp. 220-224,2007

30.S. S. Kiski et al., "Modification of the Fine - Aggregate Concrete by High Disperse Silica Fume and Carbon Nanoparticles Containing Modifiers", Advanced Materials Research, Vols. 941-944, pp. 430-435, 2014

31. J. T. Ma et al., "Effect of Metakaolin-Based Modifier on the Permeability of Concrete Structure in the Marine Environment", Applied Mechanics and Materials, Vols. 438-439, pp. 117-120,2013

32. E. Velichko and O. Pustylnik, "Modification of Foam Concrete with Organo-Mineral Admixtures", Materials Science Forum, Vol. 945, pp. 199-204,2019

33. Neverkovica D., Korjakins A. Influence of Additives on Reinforced Concrete Durability 11 Construction Science Vol. 2014/16, pp. 21-26,2014

34. A. Macanovskis , A. Krasnikovs , I. Spruge , G. Sahmenko , A. Lukasenoks Mechanical Properties and Self-Healing Effect of Concrete Containing Capillary Hydro Insulation Admixture// Construction Science Vol. 2016/18, pp. 17-21,2016

35. GARA, A. A.; GARA, A. A. Features of carbonating hardening of lightweight concrete/ Revista §t. Meridian Ingineresc Vol. 2017/2, pp. 22-25,2017

36. Кузьмина В.П. Нанобетоны в строительстве//Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал., Изд. Центр новых технологий «Нано Строительство», Москва, 2009 с. 71-80

37. Крамаренко А.В., Шафеев Р. Р., Применение нанобетона в строительстве // Журнал Наука. Техника. Технологии (Политехнический вестник) Изд. Общество с ограниченной ответственностью "Издательский Дом - Юг" - Краснодар, 2018 с. 261-264

38. Шеина Т.В. Маслов М.Ю. Нанобетоны с углеродными кластерами//Журнал Традиции и инновации в строительстве и архитектуре, строительные технологии сборник статей. Самарский государственный технический университет. Самара, 2017 с. 90-93

39. Шибаев С.Ю. Новые возможности инъекционных технологий//Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2014. - № 1 (180) С.21-22

40. Павлова И.Л. Игольников А.К. Способы защиты бетонных и железобетонных конструкций от действия агрессивных средств//Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2016. - № 1(15) С.6-9

41. Менейлюк А.И., Шевчук Л.А. Заделка трещин в железобетонных конструкциях и зданиях//Технологии бетонов. - 2014. - № 6(95) С.34-36

42. Цымбал В.А., Виноградов М.В., Тарасевич И.А., Абарин Е. В. Повышение коррозионной стойкости бетона // Инновационные технологии в науке и образовании. - 2017. - С.101-103

43.3айцев А.А., Максимовских А.В., Калошина С.В. Вторичная защита бетона от коррозии // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. - 2016. - С.266-272

44.Сембаев Б.Н, Грушевский К.Е. Выбор оптимальных технологий заделки трещин в железобетонных конструкциях и зданиях // Internationalinnovationresearchсборник статей IX Международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2017 - С. 29-31

Размещено на Allbest.ru