Модифицирование поровой структуры цементных бетонов пропиткой серосодержащими растворами

настоящее время нанотехнологии все больше приникают в строительную индустрию. Особенно значимые результаты использования нанотехнологий можно отметить в области производства строительных материалов [1, 2]. Следует отметить, что при введении наноматериалов в строительную практику возникают различные проблемы, связанные как с созданием, так и с применением наноматериалов [3]. Бетон на протяжении многих лет и по настоящее время является самым распространенным строительным материалом. Но и он, несмотря на свои прекрасные эксплуатационные характеристики, нуждается в защите, так как является пористым и гидрофильным материалом, т.е. при соприкосновении с водой он ею смачивается, в результате вода легко попадает в поровое пространство. В определенных условиях (повышенная проницаемость бетона; состав воды, контактирующей с бетоном; растворимость фаз цементного камня) возможно протекание коррозии первого вида, заключающейся в постепенном растворении и вымывании компонентов цементного камня, что снижает прочность бетона [4, с. 76]. Если же бетонные конструкции подвергаются повторяющимся циклам замораживания и оттаивания, когда вода, превращаясь в поровом пространстве в лед, увеличивается в объеме, создает внутреннее давление, вызывающее появление трещин, то процесс разрушения материала существенно ускоряется.

Проблема модифицирования порового пространства цементных бетонов с целью повышения их водонепроницаемости и снижения во-допоглощения по-прежнему остается актуальной. Решение задачи защиты бетона от проникновения воды и обеспечения работоспособности конструкций в течение всего срока эксплуатации зданий и сооружений позволяет существенно экономить средства и избегать аварийных ситуаций.

Весьма перспективным для повышения долговечности бетона является его защита пропиточным водным раствором на основе полисульфида [5, 6]. Модифицирование поровой структуры цементных бетонов растворами полисульфида заключается в том, что на стадии пропитки атомы серы, входящие в состав полисульфида кальция, попадают

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ в мельчайшие поры бетона. На этапе сушки материала после пропитки молекулы полисульфида кальция распадаются, и на поверхности пор образуется нерастворимый в воде (гидрофобный) слой элементной серы. Неорганический химический элемент – сера – обладает гидрофобными свойствами. Наличие серы в порах бетона оказывает влияние на снижение водопоглощения и повышение водонепроницаемости, слой серы на поверхности пор не вымывается в процессе многократных циклов замачивания и высушивания.

Нами были проведены исследования по изучению влияния пропитки полисульфидным раствором на поровую структуру, водопоглощение и водонепроницаемость бетона.

Согласно [7, с. 163–165], снижение объема капиллярных пор позволяет существенно снизить водопоглощение и водонепроницаемость цементного камня, а также повысить морозостойкость [7, с. 166].

Программа экспериментов включала следующие испытания.

• 1.    Измерение пористости цементного камня методом ртутной по-рометрии на порозиметре «CARLO-ERBA».

• 2.    Измерение водопоглощения проводилось по [9]. Было изготовлено 12 образцов-цилиндров из бетона класса по прочности на сжатие B22,5 диаметром 150 мм и высотой 150 мм. Водоцементное отношение составляло 0,5.

• 3.    Испытание на водонепроницаемость проводилось по [10]. Контрольные и пропитанные цилиндры испытывались при избыточном давлении воды.

Диапазон исследуемых пор – диаметром от 3,5 нм (при приложенном гидростатическом давлении ртути Р = 200 МПа) до 7,5 мкм (при атмосферном давлении). Цементный камень изготавливался из портландцемента ПЦ 400. Водоцементное отношение было равно 0,5. После 28 суток воздушно-влажностного твердения при комнатной температуре цементный камень высушивался до постоянной массы, затем половина из образцов пропитывалась погружением на 3 часа в раствор полисульфида плотностью 1,23 г/см3.

Для измерения сквозной пористости был использован «Cпособ измерения диффузионной проницаемости бетона» [8]. Под сквозной (эффективной) пористостью понимают отношение объема пор (%), служащих путями фильтрации, к объему образца. Из мелкозернистого бетона изготовлены призмы размерами 4х4х16 см. Водоцементные отношения составляли 0,4; 0,5 и 0,6. Для каждого водоцементного отношения были изготовлены по 6 контрольных и 6 образцов для последующей пропитки погружением в раствор полисульфида плотностью 1,23 г/см3 на 6 часов. При изготовлении в каждый образец установили вертикально на расстоянии от торцов 1 см и 4 см по 4 стальных электрода. Электроды представляли собой металлические стержни длиной 60 мм, изготовленные из гладкой арматурной проволоки диаметром 5–6 мм. Перед измере-

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ ниями образцы вакуумировали и в вакууме насыщали водой в течении 3-х суток. По измерениям величины тока и разности потенциалов было рассчитано удельное электрическое сопротивление бетона и водной вытяжки. По результатам определения удельного сопротивления бетона и водной вытяжки была вычислена сквозная пористость.

После 28 суток твердения при комнатной температуре и нормальной влажности образцы высушивались до постоянной массы в термошкафу при температуре 90оС, затем половина из них пропитывалась раствором полисульфида плотностью 1,23 г/см3 погружением на 6 часов. После этого пропитанные образцы высушивались 24 часа при комнатной температуре, а затем – в термошкафу до постоянной массы при температуре 60оС. В результате для пропитанных и контрольных образцов измерялось водопоглощение и водонепроницаемость.

По результатам измерений общего объема пор образцов цементного камня средствами ртутной порометрии наблюдается снижение объема пор на 25–30%. На рис.1 приведены кривые интегральной пористости контрольных и пропитанных образцов.

При пропитке раствор полисульфида проникает в поровое пространство цементного камня, затем в условиях сушки сера кристаллизуется в порах в виде наноразмерных частиц, покрывая стенки пор и заполняя их объем полностью или частично. Размер частиц, образуемых в порах, как показывают данные исследований [6, 11], находится в диапазоне от 30 до 220 нм, что обеспечивает кольматацию микропор геля (радиусом от 10 до 100 нм) и капиллярных пор (радиусом от 100 нм).

Как видно из рис. 1, общий объем пор для образца пропитанного цементного камня по сравнению с контрольным снижается на 30% – со 167,5 до 116,8 мм3/г. Снижение объема капиллярных пор (диаметром более 100 нм) составляет 34% – с 76,2 до 50,4 мм3/г.

Водонепроницаемость бетона определяется не общей, а сквозной или эффективной пористостью. Баженов Ю.М. [9] связывает эффектив-

Рис. 1. Интегральная пористость цементного камня с В/Ц = 0,5 контрольного и обработанного раствором полисульфида кальция ную пористость с электрофизическими свойствами бетона. Экспериментальные исследования электрофизических характеристик цементного камня позволяют установить зависимость удельного сопротивления цементного камня (при условии полного водонасыщения последнего) от эффективной пористости [12].

Результаты эксперимента по определению эффективной пористости контрольных и пропитанных образцов мелкозернистого бетона классов по прочности B15–B22,5 приведены на рис. 2.

В результате пропитки можно наблюдать снижение сквозной пористости образцов: при В/Ц = 0,4 эффективная пористость снизилась на 47%; при В/Ц = 0,5 эффективная пористость снизилась на 33%; при В/Ц = 0,6 эффективная пористость снизилась на 26%. Таким образом, на основе анализа полученных результатов можно предположить, что пропитка раствором на основе полисульфида является эффективным способом снижения водопоглощения и повышения водонепроницаемости бетона.

( к содержанию

2015 • Том 7 • № 1 / 2015 • Vol. 7 • no. 1

Nanob

Рис. 2. Сравнение эффективной пористости для контрольных (синий) и пропитанных (красный) образцов мелкозернистого бетона

Рис. 3. Изменение водопоглощения по массе и марке по водонепроницаемости бетонных контрольных и пропитанных раствором полисульфида кальция образцов

Результаты испытаний по изменению водопоглощения и водонепроницаемости вследствие пропитки образцов бетона раствором полисульфида приведены на рис. 3.

В результате пропитки водопоглощение по массе пропитанных образцов бетона по сравнению с контрольными снизилось на 66,4%. В то же время марка бетона по водонепроницаемости образцов увеличилась с W4 до W8. Анализ полученных результатов подтверждает, что пропитка раствором на основе полисульфида является эффективным способом снижения водопоглощения и повышения водонепроницаемости бетона.

Таким образом, результаты данных испытаний позволяют сделать заключение, что пропитка цементных бетонов водными растворами на основе полисульфида кальция модифицирует поровую структуру цементного камня в сторону уменьшения общей и эффективной пористости, снижает водопоглощение и повышает водонепроницаемость бетона. Пропитка раствором полисульфида кальция плотностью 1,23 г/см3 может быть рекомендована для повышения водонепроницаемости и снижения водопоглощения бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

У важаемые коллеги !

П ри использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё :

D ear colleagues !

T he reference to this paper has the following citation format :

Контакты