ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ БЕТОНА НА ПОВЫШЕНИЕ ЕГО ДОЛГОВЕЧНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Раздел 02.00.01

УДК 546-123

Неорганическая химия

DOI: 10.17122/bcj-2020-4-59-63

А. С. Сахарова (к.т.н., доц.), В. Н. Сурков (к.т.н., докторант)

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ БЕТОНА НА ПОВЫШЕНИЕ ЕГО ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Инженерная химия и естествознание» 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9; тел. (812) 3101725; e-mail: assakarova@list.ru

A. S. Sakharova, V. N. Surkov

INFLUENCE OF CHEMICAL MODIFICATION OF THE CONCRETE SURFACE ON ITS DURABILITY INCREASING

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University 9, Moskovskii Prospekt Str, 190031, St. Petersburg, Russia; ph. (812) 3101725; e-mail: assakarova@list.ru

Установлено, что для повышения параметров качества бетона, вновь созданного или эксплуатируемого, целесообразно осуществлять пропитку его верхней поверхности при помощи обладающего проникающей способностью эффективного комплексного химического реагента на основе реакционно-активных нанодисперсий гидродиоксида кремния, модифицированных электролитами на основе высокоподвижного катиона, K(I). Определено, что химический реагент, глубина проникания составляет 30—40 мм, оказывает влияние на частицы непрореагировавшего цемента в структуре бетона, вовлекая их в гидратационные процессы, и способствует протеканию реакций синтеза в затвердевшем бетоне с образованием новых фаз, оказывающих уплотняющее и упрочняющее действие на существующую структуру. Подтверждено, что обработка верхней поверхности бетона эффективным комплексным химическим реагентом повышает более, чем на 20% прочность бетона, повышает до 30% плотность бетона и, как следствие, повышает долговечность бетонного сооружения, препятствуя проникновению вглубь бетона осадков различной степени агрессивности.

Ключевые слова: бетон; глубина проникновения; долговечность; комплексный химический реагент; плотность; повышение прочности; пропитка; реакции гидратации; реакции синтеза.

Одной из актуальных задач современности является создание высокоэффективных дорожных покрытий, отличающихся повышенной надежностью, долговечностью и при этом характе-

"12

ризующихся экологической чистотой .

Дата поступления 20.09.20

It was found that in order to improve the quality parameters of newly created or operated concrete it is advisable to impregnate its upper surface using an effective complex chemical reagent with a penetrating ability based on reactive nanodispersions of silicon hydroxide modified with electrolytes based on a highly mobile cation, K(I). It was determined that the penetration depth of the chemical reagent is (30—40) mm, which affects the particles of unreacted cement, involving them in hydration processes, and contributes to the synthesis reactions in the hardened concrete with the formation of new phases that have a sealing and strengthening effect on the existing structure concrete. It is confirmed that the treatment of the upper surface of concrete with an effective complex chemical reagent increases the strength of concrete by more than 20%, increases the density of concrete to 30% and, as a result, increases the durability of the concrete structure, preventing the penetration of sediments of varying degrees of aggressiveness into the concrete.

Key words: complex chemical reagent; concrete; density; durability; hydratation reactions; impregnation; increase of strength; penetration depth; synthesis reactions.

В качестве высокоэффективного материала для таких покрытий целесообразно рассматривать бетон на цементной основе, свойствами которого можно управлять .

Дорожные покрытия в процессе эксплуатации находятся в суровых условиях, они ничем не защищены и постоянно подвергаются интенсивным комплексным физико-механи-

ческим и физико-химическим воздействиям в результате интенсивного движения тяжелой автомобильной техники, а также негативному воздействию осадков, антигололедных покрытий разной степени агрессивности, резкому суточному перепаду температур, особенно в ве-сенне-осенний период, и попеременному замораживанию и оттаиванию в переходные периоды времен года

Для того чтобы выдержать комплекс указанных негативных воздействий и после этого соответствовать требуемым нормативным показателям, материал должен отличаться:

— повышенной прочностью на сжатие;

— повышенной прочностью на растяжение при изгибе с целью повышения его устойчивости к трещинообразованию в процессе эксплуатации;

— повышенной плотностью, чтобы уменьшить попадание внутрь бетонного дорожного покрытия осадков и других жидкостей разной степени агрессивности и, как следствие, обладать химической устойчивостью относительно коррозионного разрушения 5.

Решение многофункциональной задачи может быть достигнуто в результате высокоэффективного химического воздействия на верхнюю поверхность бетонного сооружения, которое в результате монолитности и целостности конструкции должно оказывать положительное влияние на повышение долговечности бетона.

Теоретической основой повышения эффективности вновь созданного или эксплуатируемого бетонного сооружения является создание сверхплотного и сверхпрочного верхнего слоя конструкции, что возможно осуществить путем обработки поверхности бетонного изделия эффективным комплексным химическим реагентом, обладающим повышенной реакционной активностью и эффектом проникающего действия 6.

Обработка бетонной поверхности подобным реагентом должна способствовать вовлечению в гидратационные процессы частиц не-прореагировавшего цемента, находящегося в порах бетона, а также возможному протеканию реакций между гидратными новообразованиями и реакционно-активными частицами

7 8

комплексного химического реагента .

Одним из путей достижения такого эффекта может быть использование технологии золирования поверхности затвердевшего искусственного камня. Для этого необходимо использовать комплексный химический реагент,

где в качестве одного из компонентов должен присутствовать содержащим наночастицы, коллоидный раствор, представленный, например, золем кремниевой кислоты, мицелла которого имеет вид [{mSiO2}-nH+-(n—x)OH-]-xOH-, т.е. использовать частицы, подобные тем, которые присутствуют в твердеющей системе на основе портландцемента.

Нанодисперсии золя, представленные диоксидом кремния, имеют сформированную поверхность, обладающую повышенной поверхностной энергией, от которой, в соответствии с законами термодинамики, они предпочитают избавиться, что возможно в результате интенсивного движения частиц внутри реакционной системы, повышающего вероятность химического взаимодействия с гидратными фазами системы, способствуя образованию новых фаз, таким образом, уплотняя и упрочняя искусственный камень в наибольшей степени со стороны поверхности.

Для проникновения реакционно-активных частиц внутрь твердеющей системы необходимо в состав комплексного химического реагента ввести компоненты, обладающие повышенной подвижностью, которые в результате эффекта диффузии могли бы не только сами проникать в поровое пространство затвердевшего камня, но и вовлекать с собой, например, нанодисперсии SiO2, обладающие повышенной реакционной активностью, способные вступать в химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента и образовывать новые контакты между компонентами укрепляемого затвердевшего камня, таким образом, придавая целостность всему сооружению.

В качестве соединений, обладающих повышенной подвижностью, могут быть рассмотрены, например, нитрит- или нитратсодержа-щие соли высокоподвижного катиона калия K+(I).

Цель данной работы заключалась в создании высокоэффективного комплексного химического реагента для укрепления поверхности бетонного сооружения и определении его влияния на физико-механические характеристики и долговечность бетона в целом.

Экспериментальная часть

Для проведения данного исследования в качестве основы рассматривали бетон класса В15, требуемая прочность которого в возрасте 28 сут составляет 19.2 МПа. В качестве сырьевых материалов для приготовления бетона использовались:

— портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108-2016;

— песок для строительных работ по ГОСТ 8736-2014 с модулем крупности Мк = 2.7;

— щебень гранитный по ГОСТ 8267-93 фракции 5—20 мм.

Для приготовления бетона использован следующий расход материалов на 1 м3 бетонной смеси, кг:

— портландцемент — 240;

— песок — 940;

— щебень — 1070;

— в/ц отношение 0.54, для создания бетонной смеси с маркой по подвижности П1 (осадка конуса, О.К. = 1—4 см).

Для обработки поверхности бетона использовали:

— золь кремниевой кислоты, плотностью р = 1.021 г/см3 и величиной водородного показателя рН = 3.5 ± 0.5. Основной фазой золя являются нанодисперсии диоксида кремния, БЮ2, размером =60 нм;

—водный раствор поликарбоксилатных полимеров, состоящий из поликарбоксилатно-го сополимера метакриловой кислоты и сополимера на основе ангидрида малеиновой кислоты, с показателем плотности р = 1.026 г/см3 и значением водородного показателя рН = 6.5 ± 0.5;

— 6%-ный водный раствор нитрата калия, 1Ш03.

Оценку эффективности действия компонентов и комплексного химического реагента в целом производили по показателю прочности на сжатие и глубине проникновения пропиточного состава вглубь бетонного образца — куба с ребром 10 см, площадь открытых пор на вер-хн2ей поверхности кот°рОг°, ^ И0Р = I3.4 см2, определенная расчетным путем, исходя из величины водопоглощения бетона = 4.9%.

Для определения глубины проникновения пропиточного состава поверхность куба подготавливалась таким образом, что она исключала возможное стекание раствора за пределы образца. Верхнюю поверхность подготовленного образца последовательно, в течение 8 ч обрабатывали исследуемым пропиточным составом. По окончании исследуемого периода определяли объем раствора, прошедшего вглубь бетонного основания, и с учетом площади открытых пор на верхней поверхности образца расчитывали глубину проникновения растворов.

Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Для подтверждения глубины проникновения комплексного химического реагента

вглубь бетонного образца, а также возможного образования новых фаз в обработанном бетонном образце были проведены такие физико-химические методы анализа, как:

— растровая электронная микроскопия (РЭМ) при помощи растрового электронного микроскопа;

— рентгенофазовый анализ (РМА) при помощи рентгеновского микроанализатора.

Методы РЭМ и РМА позволяют получить данные о морфологии, элементном и фазовом составе по сечению образцов в направлении распространения пропитывающего состава. Для этого вскрывалось сечение в центральной части и образцы анализировались указанными методами на глубине 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 мм от поверхности пропитки для получения сравнительных данных о послойных изменениях в бетоне.

Достоверность полученных данных зависит от способа вскрытия сечения, оказывающего определенное разрушающее воздействие на образец. Для минимизации этих разрушений вскрытие проводилось на специализированном отрезном станке фирмы Buchler тонким алмазным диском (0.3 мм) при низких оборотах вращения и минимальной подаче и нагрузке. Разрезанный образец тщательно обдувался, полировался всухую (без воды) на 10-микронном абразиве и в таком виде крепился на столик микроскопа.

Выбранный способ пробоподготовки (сухая полировка без пропитки эпоксидной смолой) позволяет в максимальной степени сохранить исходную структуру и состав образцов.

Оборудование, используемое для анализа

1. Растровый электронный микроскоп (РЭМ) Vega 3SBH (Tescan).

2. Рентгеновский микроанализатор (РМА) энергодисперсионного типа x-Act Energy (Oxford Instruments).

Исследованию подвергались контрольный бетонный образец и бетонный образец, обработанный комплексным химическим реагентом.

Данные послойного РМА для определения глубины пропитки образца представлены в табл. 2.

Результаты и их обсуждение

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что наибольшей глубиной проникновения, равной 3.8 см, характеризуется пропиточный состав на основе комплексного химического реагента, состоящего их 3-х исследуемых компонентов, взятых в равных количествах.

Установлено, что обработка поверхности бетонного образца оказывает положительное влияние на свойства бетона в целом, что подтверждается повышением на 21.5% прочности обработанного бетона в проектном возрасте, по-видимому, за счет уплотнения структуры образца в результате возможного дополнительного протекания реакций гидратации и синтеза.

Полученные экспериментально физико-механические параметры подтверждают, что обработка верхней поверхности бетонного образца оказывает положительное влияние на надежность бетона в целом, что заключается в повышении его прочности и плотности, что

Оценка эффективности

способствует повышению долговечности бетонного сооружения.

Анализ данных, представленных в табл. 2, показывает, что максимальная глубина пропитки составляет в среднем 30—40 мм, что отражается на изменении химического состава бетонного образца.

Глубина пропитки, определенная двумя независимыми способами, приведена в сводной табл. 3.

Наиболее корректными следует считать значения НРМА, полученные с помощью микроанализа, т.к. они связаны с локальными изменениями химического состава обработанного бетонного образца.

Таблица 1

компонентов добавки

m го Объем рас- Глубина про- Прочность

го" S Компонентный состав комплексного твора, про- никновения на сжатие в

I о химического реагента шедшего пропиточного проектном

ф ю о 1— о вглубь бетон- раствора возрасте,

№ п /п 0 1 Золь Водный 6%-ный ного образца вглубь бето- МП а/%

го о . п кремниевой кисло- раствор поликарбо- водный раствор за 8 ч, мл на, см

>s .0 го ты кси латных RNO3

I 1— ^ ф о а. а ф > ю ф . 1- полимеров

1 — — — — — 19.5/1 00

2 ю 19,2 + - - 35.7 2.7 21.6/110.8

3 m + + - 41.2 3.1 22.4/114.9

4 + + + 49.6 3.8 23.7/121.5

Таблица 2

Данные послойного РМА бетонного образца, обработанного комплексным химическим реагентом (% мас.)

Глубина пропитки, h, мм CaO SiO2 AI2O3 Fe2O3 MgO SO3 Na(K)OH

0 52.0 24.1 12.5 0.0 0.9 10.0 0.5

5 49.8 20.6 16.5 0.5 1.3 10.6 0.7

10 48.3 17.7 20.0 1.0 1.0 11.5 0.5

20 47.2 15.8 22.50 1.5 1.1 11.1 0.9

30 46.2 14.5 24.5 1.9 0.8 11.5 0.6

>40* 46.0 14.0 25.0 2.0 1.0 11.5 0.5

* — химический состав образца совпадает с составом контрольного образца

Таблица 3

Обобщенные результаты анализа бетонного образца, обработанного комплексным химическим реагентом

Образец hрма, мм h но, мм S/S0, % н/о Морфологические типы н/о

Бетон, обработанный химическим реагентом 37 27 36 + ++ + CSH Тоберморит Эттрингит

hpMA — глубина пропитки, определенная по изменению химического состава обработанного бетонного образца с помощью PMA;

hHO — максимальная глубина, на которой удалось обнаружить характерные новообразования с помощью РЭМ; S/S0 — доля площади, занимаемой микропорами и микротрещинами (характеризует степень проницаемости образца);

н/о — наличие новообразований в виде игольчатых и пластинчатых кристаллов.

Из данных РМА и РЭМ следует, что 90% пропиточного состава (частиц золя) сосредоточены в приповерхностном слое толщиной (510) мм. В этом же слое наблюдается наиболее высокая плотность новообразований. При этом с ростом глубины плотность и размер новообразований в виде частиц золя и кристаллогидратов уменьшается.

Таким образом, обобщенные физико-механические и физико-химические исследования обладают хорошей сходимостью и подтверждают, что глубина пропитки химического реагента вглубь бетонного образца составля-

Литература

1. Shohana I. Relation Between Density and Compressive Strength of Hardened Concrete // Concrete Research Letters.— 2015.— V.6(4).-Pp.182-189.

2. Noridah M., Siti Khalidah A. A., Abdul Aziz A. S., Nadjmi S., Muhammad T. L. Comparative Study on Strength of Foamed Concrete Consisting Hybrid Fiber // IOP Conference Series Earth and Environmental Science.-498:012043.

3. Сватовская Л. Б., Соловьева В. Я., Степанова И.В., Старчуков Д.С. Нанодобавки из кремне-и железосодержащего (III) золя для тяжелого бетона на рядовых цементах // Нанотехноло-гии в строительстве: научный интернет-журнал.- 2010.- Т.2, №5.- С.61-68.

4. Соловьева В.Я., Кондратов В.В., Степанова И.В., Абу-Хасан М.С. Создание высокоэффективного материала для балластного слоя // Путь и путевое хозяйство.- 2018.- №3.- С.14-16.

5. Соловьева В.Я., Абу-Хасан М.С., Ершиков Н.В., Соловьев Д.В., Мираев Г.А. Бетон повышенной коррозионной стойкости для дорожных покрытий // Транспортное строительство.-2017.- №12.- С.28-30.

6. Соловьева В.Я., Касаткин С.П., Степанова И.В., ершиков Н.В. Разработка высокопрочного бетона // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии: матер. II Между-нар. научно-практ. конф.- М: «Спутник+», 2015.- С.23-26.

7. Abu-Khasan M., Solovyova V., Solovyov D. High-strength concrete with new organic mineral complex admixture // MATEC Web of Conferences.- 2018.- P.03019.

8. Kondratov V., Solovyova V., Stepanova I. The development of a high performance material for a ballast layer of a railway track // Procedia Engineering.- 2017.- V.189.- Pp.823-828.

ет (30-40) мм и в присутствии комплексного реагента возобновляются химические процессы в затвердевшем бетоне.

Установлено, что под действием высокоэффективного химического реагента в структуре затвердевшего бетона происходит гидратация частиц непрореагировавшего цемента и дальнейшее взаимодействие между образующимися гидратными соединениями, что приводит к образованию новых фаз, новых контактов и, как следствие, к уплотнению и упрочнению структуры бетона и повышению его долговечности.

References

1. Shohana I. [Relation Between Density and Compressive Strength of Hardened Concrete]. Concrete Research Letters, 2015, vol.6(4), pp.182-189.

2. Noridah M., Siti Khalidah A. A., Abdul Aziz A. S., Nadjmi S., Muhammad T. L. [Comparative Study on Strength of Foamed Concrete Consisting Hybrid Fiber]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 498:012043.

3. Svatovskaya L.B., Solov'eva V.Ya., Stepanova I.V., Starchukov D.S. Nanodobavki iz kremne- i zhelezosoderzhashhego (III) zolya dlya tjazhelogo betona na ryadovykh tsementakh [ Nanoadditives from silicon and iron-containing (III) sol for heavy concrete on ordinary cements]. Nanotehnologii v stroitel'stve: nauchnyi internet-zhurnal [Nano-technology in construction: scientific online journal.], 2010, vol.2, no.5. pp.61-68.

4. Solov'eva V.Ya., Kondratov V.V., Stepanova I.V., Abu-Khasan M.S. Sozdanie vysokoeffektiv-nogo materiala dlya ballastnogo sloya [Creation of high-performance material for the ballast layer]. Put' i putevoe hozyaistvo [Way and track facilities], 2018, no.3, pp.14-16.

5. Solov'eva V.Ya., Abu-Khasan M.S., Ershikov N.V., Solov'ev D.V., Miraev G.A. Beton povyshennoi korrozionnoi stoikosti dlya dorozhnykh pokrytiy [Concrete with increased corrosion resistance for road surfaces]. Transportnoe stroitel'stvo [Transport construction], 2017, no.12, pp.28-30.

6. Solov'yova V.Ya., Kasatkin S.P., Stepanova I.V., Yorshikov N.V. Razrabotka vysokoprochnogo betona [Development of high-strength concrete]. Innovatsionnye tekhnologii v stroitel'stve i geoekologii: mater. II Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. [Innovative technologies in construction and geoecology: mater. of the II Int. sci. and pract. conf.]. Moscow, Sputnik+ Publ., 2015, pp. 23-26.

7. Abu-Khasan M., Solovyova V., Solovyov D. [High-strength concrete with new organic mineral complex admixture]. MATEC Web of Conferences, 2018, p.03019.

8. Kondratov V., Solovyova V., Stepanova I. [The development of a high performance material for a ballast layer of a railway track]. Procedia Engineering, 2017, vol.189, pp.823-828.