CC BY
6
Раздел 02.00.01 Неорганическая химия
УДК 544.2 DOI: 10.17122/bcj-2021-2-90-94
В. Я. Соловьева (д.т.н., проф.), И. В. Степанова (к.т.н., доц.), Д. В. Соловьев (к.т.н.)
ВЛИЯНИЕ ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ГИДРОСИЛИКАТАМИ ПОКРЫТИЯ И ГИДРОСИЛИКАТАМИ ОСНОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ И СВОЙСТВА
МАКРОКОМПОЗИЦИИ
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Инженерная химия и естествознание» 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9; e-mail: 9046185117@mail.ru
V. Ya. Soloviova, I. V. Stepanova, D. V. Soloviov
INFLUENCE OF DONOR ACCEPTOR INTERACTION BETWEEN COATING HYDROSILICATES AND BASED HYDROSILICATES ON THE QUALITY OF THE CONTACT AREA AND PROPERTIES OF THE MACROCOMPOSITION
St. Petersburg State University of the Ways of Communication of Emperor Alexander I 9, Moskovskii Prospekt Str., 190031, St. Petersburg, Russia; e-mail: 9046185H7@mail.ru
Показано, что наиболее прочная контактная зона между покрытием и основанием формируется при использовании ремонтно-защитного покрытия, модифицированного высокоэффективной комплексной химической добавкой, обладающей проникающим эффектом действия, усиливающей процессы гидратации в покрытии и основании и способствующей возникновению прочной химической связи по донорно-акцептор-ному механизму между гидросиликатами кальция тонкослойного покрытия и вновь образованными гидросиликатами бетонного основания.
Ключевые слова: бетонное основание; гидросиликаты кальция; защитные свойства; контактная зона; макрокомпозиция; прочность; тонкослойное покрытие; химическая связь.
It has been shown that the most durable contact zone between the coating and the base is formed when using a repair-protective coating modified with a highly effective complex chemical additive that has a penetrating effect and, as a consequence, enhances the hydration processes in the coating and base and contributes to the formation of a strong chemical bond, probably by the donor-acceptor mechanism between calcium hydrosilicates of a thin-layer coating and newly formed hydrosilicates of a concrete base.
Key words: calcium hydrosilicates; chemical bonding; concrete base; contact zone; macrocomposition; protective properties; strength; thin coating.
Одной из актуальных проблем современности является создание бетонных конструкций для различных областей строительства, в том числе и для объектов специального назначения, обладающих повышенной устойчивостью. Для решения такой задачи предлагается нанесение на бетонную конструкцию высокоэффективного тонкослойного покрытия, обладающего повышенной трещиностойкостью, водоустойчивостью, коррозионной устойчивостью и другими особыми свойствами. Предпо-
Дата поступления 07.02.21
лагается, что если тонкослойное покрытие и основание создают единую макрокомпозицию, то покрытие должно защищать конструкцию и придавать ей свойства тонкослойного покрытия, которые повысят устойчивость основания к негативному воздействию 1-3.
Такой эффект действия покрытия возможен, если между покрытием и основанием будет сформирована высококачественная контактная зона (рис. 1), которая обеспечит единство всей макрокомпозиции.
контактная зона -
- тонкослойное цементное
покрытие
- бетонное основание
Рис. 1. Схема взаимодействия системы «тонкослойное цементное покрытие—бетонное основание»
Общим для тонкослойного покрытия и бетонного основания является цементная матрица, при твердении которой образуются гидросиликаты различного состава. Формирование контакта между покрытием и основанием возможно в результате химического взаимодействия между гидросиликатами, которые образуются в тонкослойном покрытии, и гидросиликатами, которые имеются в бетонном основании и образовались в процессе его твердения. Результатом такого взаимодействия будет формирование химической связи, по-видимому, по донорно-акцепторному механизму, например, по схеме (1):
1ТОИ2 + Са2+П ^ Са^ОН2 (1),
Покрытие Основание Контактная зона
или по схеме (2):
Са2+П + 1ТОН2 ^ Са0ОН2 (2)
Покрытие Основание Контактная зона
На качество формирующейся контактной зоны влияет количество образующихся гидрат-ных фаз в покрытии и в основании, а также степень нескомпенсированности связи в гидросиликатной фазе. Наиболее прочная контактная фаза будет образовываться между гидрат-ными соединениями в момент их образования, за счет их большей активности.
Увеличение степени гидратации в тонкослойном цементном покрытии возможно в результате использования новых реакционно-активных химических добавок, содержащих, например, нанодисперсии гидродиоксида кремния, 5Ю2-пН2О, которые за счет специальных свойств сформированной поверхности обладают повышенной поверхностной энергией и повышенной реакционной активностью. Такие нанодисперсии будут не только усиливать процессы гидратации, но и вступать в реакции синтеза с продуктами гидратации, образуя новые фазы в результате протекания следующих реакций.
1. При взаимодействии основного минерала портландцемента, представленного трех-кальциевым силикатом 3СаО-5Ю2 с водой протекает реакция:
3СаО-Б1О2 + (п+1)Н2О = = 2СаО- Б1О2-пН2О + Са(ОН)2.
В этой реакции кроме гидросиликата кальция образуется Са(ОН)2 — гидролизная известь, которая в присутствии нанодисперсий гидродиоксида кремния 5Ю2-пН2О будет вступать в реакции, дополнительно образуя гидросиликаты кальция:
Са(ОН)2+ Б1О2-пН2О = СаО-5Ю2-шН2О,
повышая при этом коррозионную устойчивость покрытия за счет того, что из затвердевшего покрытия на цементной основе выводится Са(ОН)2, в присутствии которого искусственный камень может подвергаться углекис-лотной или магнезиальной коррозии.
2. Нанодисперсии гидродиоксида кремния 5Ю2-пН2О за счет особого энергетического состояния и определенной реакционной активности смогут вступать в реакции синтеза и с первичными гидросиликатами кальция по реакции:
2СаО-БЮ2-пН2О + ш5Ю2-шН2О = = 2СаО-(ш+1)5Ю2-(ш+п)Н2О,
образуя гидросиликаты кальция с повышенным содержанием диоксида кремния, БЮ2, т.е. низкоосновные гидросиликаты, которые, как правило, характеризуются игольчатой или волокнистой структурой, которые способны оказывать особое микроармирующее действие на формирующуюся структуру, например, тонкослойного цементного покрытия, повышая его трещиностойкость.
Для того чтобы образовался прочный контакт между покрытием и основанием, предпочтительно, чтобы в покрытии и в основании одновременно образовывались новые гидратные фазы, так как те гидросиликаты, которые образовывались ранее в процессе твердения и формирования искусственного камня основания, уже использованы в основном для образования контактов между компонентами бетонной смеси.
Поэтому необходимо обеспечить образование новых гидратных фаз в затвердевшем камне за счет тех минералов портландцемента, которые еще не вступили в гидратационные процессы и находятся в порах искусственного камня, а также за счет проникающего эффекта действия компонентов тонкослойного покрытия. Вовлечение непрореагировавших минералов в гидратационные процессы может быть достигнуто в результате эффективного катали-
тического воздействия на систему, обеспечивая таким образом повышение величины энергии активации минералов.
Целесообразно в состав растворной смеси ввести такой компонент, который обладал бы повышенной подвижностью и, как следствие, способностью не только проникать в поры бетонного основания, но и способного вовлекать за собой нанодисперсии размером от 30 до 100 нм, а также молекулы основных минералов портландцемента и образующихся гидратных соединений из покрытия в основание.
Цель настоящего исследования заключалась в создании эффективного ремонтно-за-щитного материала на цементной основе, обладающего повышенной адгезионной прочностью к бетонному основанию и проникающим эффектом действия, что обеспечивает целостность и монолитность композиции покрытие-основание, усиливает параметры качества конструкции, обработанной ремонтно-защитным материалом.
Экспериментальная часть
На первом этапе определяли проникающую способность электролитов на основе катионов Ы+, Ка+, К+ и С8+ с анионами 5042- и N03 в бетонное основание. Для этого изготавливали бетонные образцы размером 10x10x10 см из бетонной смеси, соответствующей классу бетона В20.
Для изготовления бетонной смеси использовали следующие материалы:
— портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2016 ОАО «Сланцевский цементный завод «ЦЕСЛА»;
— песок для строительных работ по ГОСТ 8736-2014 с модулем крупности, Мк=2.6, содержание пылевидных и глинистых частиц — 0.87%, глины в комках нет;
— щебень гранитный фракции 5—20 мм, содержание пылевидных и глинистых частиц — 0.76%, глины в комках нет.
Использовали следующий расход материалов на 1 м3 бетонной смеси:
— портландцемент — 270 кг;
— песок — 918 кг;
— щебень — 1036 кг;
— В/Ц - 0.54.
Подвижность бетонной смеси соответствовала марке П2 по ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия».
Твердение бетона осуществлялось в нормальных условиях в соответствии с ГОСТ 10180-2012 п.4 в течение 28 сут. В проектном возрасте прочность на сжатие бетона составляла 26.0 МПа, водопоглощение затвердевшего бетона, определяемое по ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглоще-ния» составляло = 4.8%.
Для оценки проникающей способности исследуемых электролитов затвердевшие бетонные образцы подготавливались специальным образом, чтобы с верхней поверхности не могла стекать жидкость.
На подготовленные образцы в течение 8 ч порционно наливались растворы указанных электролитов 6% концентрации.
Результаты проведенных экспериментальных исследований по определению глубины проникания электролита в бетонное основание представлены в табл. 1.
Экспериментально установлено, что наибольшей проникающей способностью, независимо от природы аниона обладают электролиты на основе катионов калия и цезия. Разница в глубине проникновения электролитов на основе указанных катионов составляет 0.04-0.06 см.
Экспериментальные данные подтвердили высказанные предположения о том, что с увеличением радиуса катиона проникающая спо-
Таблица 1
Оценка проникающей способности электролитов на основе катионов щелочных металлов
(расчетная площадь открытых пор на поверхности куба БоТкпор = 13.21 см2)
№ Электро- Объем раствора, прошедшего в бетонное Глубина проника-
п /п лит основание за 8 ч, мл ния электролита
Время, ч за 8 ч, см
2 4 6 8
1 И 2304 10.9 18.4 23.7 27.9 2.11
2 Ма2Б04 17.0 28.4 36.8 42.2 3.19
3 К2ЗО4 24.0 40.0 52.0 57.1 4.32
4 082304 24.4 40.6 52.4 57.5 4.35
5 И N03 10.6 18.1 23.3 27.6 2.09
6 №N03 16.7 27.9 36.2 41.4 3.13
7 ^Оз 23.6 39.5 51.6 56.4 4.27
8 CsN0з 24.0 40.1 51.9 56.7 4.29
собность увеличивается в последовательности Li+^Na+^K+^Cs+ в результате повышения его подвижности. В дальнейших исследованиях использовали электролит на основе катиона K+.
Повышенную подвижность и проникающую способность катиона калия использовали в составе комплексной химической добавки на основе поликарбоксилатного полимера, обладающего повышенным пластифицирующим эффектом, модифицированного нанодиспер-сиями гидродиоксида кремния и 6%-ным раствором KNO3 3.
Разработанная добавка в рациональном количестве, равном 1.0% мас. от массы цемента вводилась в состав растворной смеси для приготовления защитного покрытия, которое в процессе исследования наносилось на специально подготовленную плиту из затвердевшего бетона В20.
После 28 сут нормального твердения определяли адгезионную прочность цементного покрытия к бетонному основанию и установили характер разрушений (табл. 2).
Полученные результаты подтверждают, что образование контактной зоны бетон— покрытие на основе эффективной модифицированной растворной смеси осуществляется за счет возникновения прочных химических связей, образующимися между гидратными соединениями, образовавшимися в покрытии, и гид-ратными соединениями вновь образованными в бетонном основании под действием компонен-
тов комплексной химической добавки проникающей из покрытия в основание.
По данным электронной микроскопии установлено, что структура бетонного основания, обработанного растворной смесью, модифицированной разработанной комплексной химической добавкой, является более плотной относительно необработанного бетона и бетона, обработанного немодифицированным покрытием на цементной основе. Поры бетонного основания заполнены мелкодисперсной фракцией, возможно, проникшей из покрытия, а также вновь образованными гидросиликатами кальция в результате реакций гидратации непрореагиро-вавшего цемента.
Экспериментально установлено, что бетонное основание, обработанное эффективной модифицированной растворной смесью, содержащей нанодисперсии диоксида кремния и катионы K+, отличается улучшенными физико-механическими показателями (табл. 3).
Ремонтно-защитное покрытие, модифицированное комплексной химической добавкой, проникая вглубь бетонного основания, оказывает положительное влияние на свойства бетона, увеличивая прочность бетонного основания на 23% и водонепроницаемость на 2 марки.
Результаты исследования подтверждают теоретические предположения о том, что наиболее прочная контактная зона между ремонт-но-защитным покрытием и бетонным основанием формируется при увеличении степени
Таблица 2
Адгезионная прочность и характер разрушения при отрыве ремонтно-защитного покрытия от бетонного основания через 28 сут после нанесения покрытия
№ п/п Наименование покрытия Адгезионная прочность, МПа Характер разрушения
1 Не модифицированное ремонтно-защитное покрытие на цементной основе 1.3 адгезионный, т.е. разрушение происходит по контактной зоне
2 Ремонтно-защитное покрытие на цементной основе, модифицированное добавкой, состоящей из поликарбоксилатного полимера и нано-дисперсий гидроксида кремния 8Ю2-пН20 1.9 смешанный - адгезионно-когезионный, разрушение происходит по контактной зоне и по основанию
3 Ремонтно-защитное покрытие на цементной основе, модифицированное разработанной комплексной химической добавкой 2.3 когезионное разрушение происходит по бетонному основанию
Таблица 3
Влияние ремонтно-защитного покрытия на физико-механические характеристики бетонного основания
№ п/п Ремонтно-защитное покрытие (РЗП), используемое для обработки бетонного основания Прочность бетонного основания, МПа/%, через 28 сут после нанесения ремонтно-защитного покрытия Водонепроницаемость, W, атм
1 Необработанное бетонное основание 26.0/100 6.0
2 РЗП контрольного состава 28.9/111 8.0
3 РЗП, модифицированное комплексной химической добавкой 32.0/123 10.0
гидратации в покрытии и в бетонном основании при использовании высокоэффективной комплексной химической добавки за счет прочной химической связи по донорно-акцеп-торному механизму между гидросиликатами кальция покрытия и вновь образованными гидросиликатами кальция бетонного основания.
Установлено, что при образовании высококачественной контактной зоны формируется единая макрокомпозиция, а тонкослойное цементное покрытие усиливает физико-механические параметры бетонного основания и эффективно защищает его от внешнего негативного воздействия.
Литература
1. Soloviova V.Y., Boykova T.I., Solovyov D.V. Effective Repair and Refurbishment Compound for the Strengthening of a Road Concrete Pavements //Procedia Engineering.— 2017.— №189.- Pp. 650-653.
2. Soloviova V.Y., Boykova T.I., Solovyov D.V. Concrete for Road Pavements // Procedia Engineering.- 2017.- №189.- Pp.800-804.
3. Соловьева В.Я., Масленникова Л.Л., Ершиков H.B., Бойкова Т.И., Касаткина А.В. и др. Механизм защитного действия ремонтных составов в дорожных покрытиях // Транспортное строительство.- 2016.- №10.- С.13-15.
References
1. Solov'eva V.Ya., Bojkova T.I., Solov'ev D.V. [Effective Repair and Refurbishment Compound for the Strengthening of a Road Concrete Pavements]. Procedia Engineering, 2017, no. 189, pp.650-653. https://doi.org/10.1016/ j.proeng.2017.05.103
2. Solov'eva V.Ya., Bojkova T.I., Solov'ev D.V. [Concrete for Road Pavements]. Procedia Engineering, 2017, no.189, pp.800-804.
3. Solov'eva V.Ya., Maslennikova L.L., Ershikov N.V., Bojkova T.I., Kasatkina A.V. Mekhanizm zashhitnogo deistviya remontnykh sostavov v dorozhnykh pokrytiyakh [Mechanism of protective action of repair compounds in pavings]. Transportnoe stroitel'stvo [Transport construction ], 2016, no.10, pp.13-15.
