CC BY
15УДК 666.972.522; 666.972.16
В.А. НИКИШКИН, канд. техн. наук, Уральский научно-исследовательский институт архитектуры и строительства (Екатеринбург)
Условия работы цементного камня, обработанного кремнийорганическими гидрофобизаторами
В наиболее благоприятных условиях бетон находится в начале своей жизни, примерно 28 сут, строители заботятся о нем и создают комфортные условия для его существования. Когда бетон приобрел эксплуатационные свойства, о нем забывают, и дальнейшее его существование сопровождается постоянным ухудшением свойств из-за воздействия окружающей среды, снижающего долговечность. Основным фактором, усиливающим влияние среды на состояние бетона, является фильтрация воды через его тело. Остановив фильтрацию, можно существенно увеличить и долговечность. Одним из наиболее простых и эффективных способов выполнить это является обработка бетонной поверхности кремнийорганическими гидрофобизаторами (КОГ).
Существует много КОГ, обладающих разной степенью эффективности, как по технологии применения, так и по воздействию на бетонную поверхность, поэтому необходимы методы и способы, которые позволили бы оценить степень воздействия КОГ на бетон. Одним из наиболее наглядных является визуальная оценка действия КОГ, которая может быть осуществлена с помощью электронного микроскопа и позволяет заглянуть в микромир бетона и цементного камня как его структурообразующей части.
Для исследования влияния КОГ на внутреннее состояние бетона и на придание ему водонепроницаемости и водоотталкивающих свойств был использован гидрофобизатор Типром К (водный раствор силан-силоксановой эмульсии). Поверхность одной из граней образца бетона обработали этим гидрофобизатором. После выдержки его раскололи по плоскости перпенди-
Рис. 1. Внешний вид образца, подвергшегося исследованию
кулярной грани, обработанной гидрофобизатором Типром К, и поместили под микроскоп. Полученные фотоснимки позволили оценить степень влияния использованного гидрофобизатора на изменение состояния цементного камня*. В связи с тем, что действие гидрофобизатора в наибольшей степени проявляется в слоях бетона, наиболее близко расположенных к обработанной поверхности, оценка влияния действия ги-дрофобизатора может быть проведена на цементном камне одного и того же образца. Слои, расположенные у грани, противоположной обработанной, действию гидрофобизатора практически не подвергались. Рассмотрим сначала, что собой представлял исследованный образец.
На рис. 1 показан внешний вид образца при увеличении, позволяющем рассмотреть строение растворной составляющей бетона без крупного заполнителя. В состав раствора входят мелкий заполнитель (поз. 1); след-раковина от зерна мелкого заполнителя (поз. 2); образовавшийся в результате излома пузырек воздушной поры (поз. 3); капилляр, пронизывающий цементный камень (поз. 4); цементный камень (поз. 5); трещина (поз. 6). Видно, что часть элементов строения растворной составляющей бетона способна пропускать через себя воду: это капилляры, трещины, полости в месте контакта заполнителя и цементного камня (заполнитель выкалывается без разрушения цементного камня, примыкающего к нему, значит, между заполнителем и цементным камнем есть воздушная полость). Известно, что цементный камень имеет пористую структуру и количество пор значительно (количество пор в цементном кам-
г*;' г?;
^ ".: ■ А
ешт и* плботТо ТЛЮ I шид I НН№ I НУ .:'■■:: |!А | Ме:1Г РИ : Г 9 щш ■>!>!. »7 иг : М ки
Рис. 2. Внешний вид цементного камня на микроуровне
* Автор выражает благодарность Сергею Александровичу Гладкову, генеральному директору ЗАО «САЗИ» (Москва) за возможность воспользоваться фотографиями для анализа влияния кремнийорганических гидрофобизаторов на структуру цементного камня и опубликовать их.
Г; научно-технический и производственный журнал
июль 2011 79
к *
О
ч-
©
о
гит .... I " -..' Г. /Л. НУ ■-К рш-
? * ы ' 1 1.01.00(4 Г^ ЗГ'1' аеип 1 к:1.'
Рис. 3. Внешний вид цементного камня на микроуровне после обработки гидрофобизирующим составом Типром К
не может занимать 20—60 об % [1]). Поры в большинстве своем имеют шаровидную форму, трещины и капилляры пронизывают их, выходя на внутреннюю поверхность пор. Создается система связанных между собой полостей, каналов и объемов, которая служит путями, по которым проходит фильтрующаяся через бетон вода.
Если выйти на уровень увеличения, позволяющий различить частицы цементного камня размером порядка 1 мкм, то можно увидеть, что в микромире также присутствуют структурные элементы, способные проводить воду (рис. 2).
На рис. 2 поз. 1 обозначены зерна мелкого заполнителя. Пространство между зернами заполнителя занимает цементный камень, образованный гидратированными с поверхности цементными зернами (поз. 2). Во время разрыва цементного камня образовалась выщербленная поверхность (поз. 2), так как часть зерен осталась на рассматриваемой половине образца, а часть — на другой. Это произошло вследствие того, что прочность полугидрати-рованных частиц цемента выше прочности кристаллических и гелеобразных новообразований, возникших в результате гидратации цементных минералов и заполнивших межзерновое пространство полугидратированных цементных зерен [2]. Разрушение прошло по границам соприкосновения зерен. Наличие межзернового пространства в цементе предполагает, что не все оно заполнено продуктами гидратации и существует возможность существования крупнопористой структуры цементного камня, способной пропускать воду. Стрелка с поз. 3 указывает на полость, образовавшуюся между зерном заполнителя и цементным камнем. Поз. 4 обозначен капилляр, а поз. 5 — круглая пора в цементном камне.
На основании рис. 1 и 2 можно сделать вывод, что дефекты, характерные для бетона в макрообъемах, присутствуют и в микрообъемах. И те и другие способны пропускать воду, причем количество микродефектов по объему значительно превышает количество макродефектов, и если макродефекты можно эффективно уменьшить за счет лучшего уплотнения, эксплуатации без перенапряжения и т. д., то микродефекты возникают по причинам, связанным с природными особенностями строения цементного камня, поэтому устранение их требует более сложных действий.
Одним из таких действий является обработка бетона кремнийорганическими гидрофобизаторами, и в частности гидрофобизатором Типром К.
в
Г., МК^ЖИЯ 1 "
* к Г ьпЛЧ'^. ■ "Л л \ -ж - ^* ■■ АС '~
V
V '<?Ч £ ЧЁМ К»
иуд * > . -ь
'.-¡¡г» ■ |ПГ ; 'Ч „ • "ЧР;/ -Г''.-
Г-Яж * : .И ет ! & 1 а -'
к А у.р ■
V ш . . И 2 чытДвЖ!
^ *
г 0 п 1 платою 13 МРМ пил - 1с»}1 а а "и — : л- - -■
Рис. 4. Внутренняя поверхность трещины в цементном камне, необработанном гидрофобизаторами
На рис. 3 показан внешний вид цементного камня на микроуровне после обработки его составом Типром К. Гидрофобный состав, проникая в тело бетона и цементного камня по капиллярам, порам, полостям и трещинам, взаимодействует с его компонентами, в том числе с гидроксильными группами, входящими в состав кристаллогидратов цементного камня. В результате на поверхностях этих дефектов формируется и полимеризует-ся тонкая водонепроницаемая пленка, которая, с одной стороны, уменьшает размеры дефектов, утончая их и тем самым создавая дополнительное сопротивление воде при ее фильтрации через бетон, а с другой — перекрывает мелкие микродефекты, выходящие на поверхность макродефектов, возводит непреодолимый барьер для воды. Следует отметить, что утончение дефектов в основном происходит вследствие уменьшения их объема в результате сглаживания неровного рельефа поверхности дефектов, а не за счет толщины образующейся пленки. Такое сглаживание уменьшает общую поверхность возможного смачивания цементного камня, что также положительно сказывается на повышении водонепроницаемости.
Так как на рис. 3 показан тот же образец бетона, что и на рис. 2, то можно провести сравнение. На рис. 3 поверхности мелкого заполнителя (поз. 1), внутренняя поверхность воздушной поры (поз. 2), поверхность воздушной полости, имеющей вид следа-раковины от мелкого заполнителя (поз. 3), поверхности зерен цемента в составе крупнопористой массы в виде выщербленных участков или россыпи частиц цемента (поз. 4) покрыты пленкой, которая на фотографии имеет вид белого цвета. Пленка плавно и непрерывно переходит от одного структурного компонента цементного камня на другой, убирая резкие очертания между этими компонентами, характерные для рис. 2. Пленка перекрывает мелкие трещины и капилляры, закрывая их и переводя в разряд закрытой пористости. Количество связанных между собой пор, полостей уменьшается, а значит, минимизируется и количество путей, через которые может просочиться вода. Если трещины (поз. 5) и капилляры остаются, то сечения их заметно утончаются.
При изломе исследуемого образца бетона разрушение прошло по самым слабым местам, то есть по трещинам, капиллярам и порам. Электронный микроскоп позволил заглянуть внутрь трещины и оценить качественные преобразования поверхности внутри трещины. На рис. 4 показана внутренняя поверхность трещины при
5
2
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
80 июль 2011 Ы *
©
(РИ , ¡9 - |Ш| ■
■ • /V
■ &
©
№ . „ -л" «ГОД I ' ..I
ЕЦ1Г | и*-? 1 г" зга из ■л1 и пзц Щ-Л ну ■-ТО уШ-■
гл р.-ц. ■ V, 05 РМ 13 1 1КГТ ;>9 7 лп Ы»ЙУ
Рис. 5. Внутренняя поверхность трещины в цементном камне, обработанном гидрофобизатором Типром К
отсутствии обработки гидрофобизатором, а на рис. 5 — внутренняя поверхность трещины после обработки гидрофобным составом Типром К.
До обработки гидрофобизатором (рис. 4) внутренняя поверхность трещины представляет собой хаотически нагроможденные кристаллы (поз. 1) гидросульфоалюмина-тов кальция и гидросиликатов кальция, которые без затруднения прорастают в свободное пространство трещины, создавая по поверхности щетку кристаллов, или «гидросиликатную шерсть». Такая же «гидросиликатная шерсть» покрывает и внутренние поверхности пор (поз. 2). На рис. 4 длина кристаллов составляет 2—3 мкм. То есть при ширине трещины более 4—6 мкм в ней остается свободное пространство, по которому вода проходит без ограничений. Если ширина трещин будет меньше, то появится сопротивление, при ширине раскрытия трещин 1 мкм и менее вода через трещины не проходит [3]. Так как силикаты кальция и гидросиликаты кальция, алюминаты кальция и гидроалюминаты кальция, гидроксид кальция и другие минералы, входящие в состав цементного камня, хорошо смачиваемые вещества, вода без сопротивления, даже с некоторой тягой, будет перемещаться по порам и капиллярам внутрь цементного камня, заполняя все свободные поры и полости. Под внешним давлением проявится просачивание воды через тело бетона.
Качество внутренней поверхности трещин, пор и капилляров после обработки бетона поверхности гидро-фобизатором Типром К показано на рис. 5.
Внутренняя поверхность покрывается пленкой из полимеризованного кремнийорганического соединения. Пленка имеет вид гладкой равномерно матовой поверхности (поз. 1). Полимеризация идет по поверхности кристаллической щетки, а при ее отсутствии по поверхности гидратированных частиц цемента, покрытых слоями пластин тоберморита и кристаллами гидроксида кальция. В местах формирования пленки по кристаллической щетке образуется трехслойный барьер: поверхность трещины — кристаллическая щетка — полимерная пленка — выход в трещину. Отдельные кристаллы кристаллической щетки тоже покрыты полимерной пленкой. Если трещина слишком узкая, шириной до 4—6 мкм, то полимерные пленки соседних сторон трещины могут соприкасаться и слипаться. Притяжение между ними становится больше, чем прочность на растяжение кристаллической щетки, и разрушение при разломе по трещине пройдет вдоль щетки. На рис. 5 это
место обозначено поз. 2. Разрыв пленки произошел в месте, показанном стрелкой 4. Поз. 3 отмечено место разрушения по цементному камню, имеющему крупнопористую структуру, образованную спаянными между собой гидратированными с поверхности частицами цемента. На указанном участке структуры трещина отсутствует, направление уменьшения ширины трещины показано стрелкой 5. Нужно отметить, что гидрофобиза-тор, которым был обработан бетон, проник и в зону крупнопористой структуры (поз. 3), о чем свидетельствуют матовый белый цвет зерен и их округлые, мягкие поверхности без резких изломанных очертаний.
Обработка кремнийорганическим гидрофобизатором позволяет создать на поверхности трещин, пор, полостей, а также на поверхности частиц цемента в межпоровом пространстве новый слой-пленку из молекул кремнийор-ганических соединений (КОС) [4], достаточно прочно удерживающийся на цементном камне вследствие некомпенсированной поляризации краевого слоя пленки толщиной в одну молекулу, обращенного к элементам цементного камня. В результате пленка, повторяя изломанный рельеф цементного камня, на поверхность которого выходят чешуйки, пластинки, кристаллы гидратных новообразований с положительными и отрицательными углами наклона, в местах выхода ее на границу твердой или газообразной среды удерживается за счет механических сил зацепления за неровности рельефа.
В молекулах КОС на атомном и ионном уровнях структуры присутствуют углеводородные элементы, которые придают особые свойства фиксирующейся и поли-меризующейся на поверхности цементного камня пленке. Углеводородная составляющая молекул КОС увеличивает краевой угол смачивания поверхности водой [5], к ней прикрепляются молекулы. В результате образующаяся на поверхности цементного камня после обработки его гидрофобизатором Типром К пленка понижает смачиваемость стенок капилляров и полостей, и наружная вода уже не подсасывается внутрь цементного камня. Выводы.
1. Применение микроскопа для исследования изменения состояния цементного камня под действием кремнийорганических гидрофобизаторов позволяет визуально оценить эффективность и изучить природу их действия.
2. Водопроницаемость бетона и цементного камня возникает вследствие неизбежности образования дефектов в их внутренней структуре.
3. Кремнийорганические гидрофобизаторы превращают структурные компоненты бетона и цементного камня из смачиваемых материалов в несмачивае-мые, поэтому подсос воды, характерный для бетонных поверхностей, сменяется отталкиванием воды.
Ключевые слова: цементный камень, гидрофобизатор Типром К, кремнийорганическая пленка, водоотталкивающие свойства.
Список литературы
1. Рамачандран В., Фельдман Р., Бодуэн Дж. Наука о бетоне: физико-химическое бетоноведение. М.: Строй-издат, 1986. 278 с.
2. Никишкин В.А. Влияние структуры и плотности на прочность и деформативность плотного строительного бетона и его составляющих. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. 269 с.
3. Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1971. 360 с.
4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М.: Стройиздат, 1998. 768 с.
5. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах / Под ред. Е.Д. Щукина. М.: МГУ, 1988. 279 с.
ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
81
