Комплексные гидрофобно-пластифицирующие добавки

Вопрос 2.

Комплексные гидрофобно-пластифицирующие добавки  

Гидрофобизация бетонов и растворов

Некоторые ПАВ  (поверхностно-активные вещества) не только пластифицируют свежеприготовленные смеси, но вместе с тем гидрофобизируют бетоны (растворы) и изделия из них.

Бетоны (и растворы) представляют собой капиллярно-пористые тела и по своей природе гидрофильны, т. е., находясь в соприкосновении  с водой, они ее впитывают. Последствия, возникающие от вредного влияния  воды, а также от попеременного  замораживания увлажненного бетона с последующим его оттаиванием становятся заметными уже через несколько лет. Бетон с низкими показателями по морозостойкости разрушается буквально на глазах.

В специализированных бетоноведческих изданиях, в качестве примера подобного разрушения, обусловленного низкой морозостойкостью примененного бетона, очень часто приводится случай разрушения летом 1976 года в Австрии моста Рейхсбрюкке через Дунай.

Дефекты в бетоне, обусловленные вредным влиянием воды не сразу достигают опасного предела, а накапливаются постепенно, — иногда этот процесс вообще визуально незаметен. Но несомненным является тот факт, что эти разрушительные процессы начинаются сразу же после изготовления бетонного изделия и заканчиваются только после его полного разрушения.

Негативное влияние воды во всех её агрегатных состояниях (водяной пар, вода, лед) вредно сказывается на сохранности бетона на всем протяжении его службы. Исключить или хотя бы значительно минимизировать его можно только уменьшением поступления этой воды в толщу бетона. Т.к. главной транспортной артерией поступления воды в бетон являются капиллярные ходы, бороться с водонасыщением бетона очень сложно. Капиллярные силы настолько сильны, что различные наружные защитные обмазки или изоляции мало эффективны – рано или поздно вода находит себе путь.

Против капиллярных  сил невозможно бороться, но оказывается  их можно попросту “выключить”. Для  этого достаточно изначально гидрофильным внутренним стенкам пор и капилляров, пронизывающих все бетонное изделие, придать гидрофобные свойства. Это с успехом делают гидрофобизирующие добавки. (см. Рисунок 1 и Рисунок 2)

Рисунок 1 Уровень воды в  гидрофобном (А) и гидрофильном (Б) капиллярах

Рисунок 2 Вода на поверхности гидрофильного (А) и гидрофобного (Б) пористого тела. 

Противокапиллярное давление гидрофобизированного пористого тела достаточно велико, и сам факт его существования подтверждает правильность часто употребляемого в этом случае термина “водоотталкивающее покрытие”. И хотя этот термин в данном контексте с терминологической точки зрения неверен (ведь никакого покрытия, по сути, нет), с физической стороны он отражает сущность происходящих явлений.

Именно благодаря  этому противокапиллярному давлению пористые (а, равно как и условно-пористые) материалы, оставаясь воздухо- и паропроницаемыми, оказываются непроницаемыми для воды в жидкой вазе, даже при достаточно высоких гидростатических давлениях.

Давление, при  котором вода начинает просачиваться  в гидрофобизованные материалы (водоупорность), определяется в основном шириной пор, так как существующие водоотталкивающие покрытия имеют примерно одинаковую степень гидрофобности. Так, например, гидрофобизованный материал, имеющий поры со средним диаметром около десяти микрон, способен противостоять гидростатическому давлению около 1/3 атмосферы, т. е. выдерживать, не впитывая в себя, столб воды высотой до трех метров. Если вспомнить, что самый сильный дождь при ураганном ветре создает гидростатическое давление около 20 — 40 см водяного столба, то становится ясным, что гидрофобизация защищает строительные материалы от проникновения в них дождевой влаги вполне надежно. Тем не менее, если гидростатическое давление воды на материал превышает противокапиллярное (например, при нахождении над поверхностью гидрофобизованного материала толстого слоя воды), то после заполнения пор водой протекает процесс фильтрации, который может идти даже легче, т. е. с меньшим коэффициентом проницаемости, чем, если бы материал был гидрофильным. Это обусловлено тем, что гидрофильные материалы сорбируют воду, проникающую в мельчайшие дефекты поверхности пор. Это вызывает явления набухания, сокращающего размеры пор, а также пептизации и расклинивания, в результате которых от поверхности отщепляются малые частицы, закупоривающие поры. У гидрофобных материалов эти явления проявляются лишь в незначительной степени или не обнаруживаются вовсе.

Благодаря противокапиллярному  давлению пропитанные водой гидрофобизованные  пористые материалы и высыхают значительно  быстрее, чем негидрофобизованные, впитавшие такое же количество воды, так как вода стремиться выйти из несмачивающихся капилляров – противокапиллярное давление её оттуда выдавливает. Чтобы выгнать же воду из гидрофильных капилляров, напротив, необходимо приложить внешнее давление. Таким образом, гидрофобизация пористых, волокнистых или порошкообразных материалов служит защитой от проникновения воды лишь при сравнительно невысоком гидростатическом давлении. Поэтому рекомендовать гидрофобизацию подводных гидротехнических сооружений, резервуаров и емкостей, водопроводных труб и прочих водотранспортных, водоизолирующих или водоудерживающих сооружений, находящихся под постоянным большим давлением воды нельзя. В этом случае следует помнить, что абсолютную водонепроницаемость, возможно, выполнить только полностью исключив в теле бетонной конструкции пор и капилляров. Это возможно только при помощи специальных высококачественных бетонов.

Для обеспечения  максимальной водоупорности (водонепроницаемости) гидрофобизованных материалов важны  не только возможно большой краевой  угол воды с водоотталкивающим покрытием и шероховатая структура поверхности, обеспечивающая наибольший кажущийся угол смачивания. Не менее существенна минимальная величина эффективного радиуса пор материала и отсутствие стремления гидрофобного покрытия к распространению па поверхности вода — воздух за счет поверхностного растворения. Необходимо также, чтобы во избежание понижения краевого угла водоотталкивающая пленка плохо впитывала в себя воду. Все эти качества могут обеспечить либо изначально водонерастворимые, либо, что технологичней, изначально водорастворимые, но в составе бетонной композиции переходящие в водонерастворимые, гидрофобизирующие добавки

Одним из убедительных практических примеров, показывающих эффективность гидрофобизации бетона, может служить состояние конструкций Карлова моста через р. Влтаву в Праге. Этот мост был построен в XIV веке. Для сооружения его шестнадцати массивных опор был применен бетон на известковом вяжущем с добавкой куриных яиц. Природная водная эмульсия олеина, других жиров и иные составные части куриного яйца являются прекрасными гидрофобизирующими поверхностно-активными веществами. Карлов мост по размерам (его длина 516 м), а главное по характеру водной среды, климатологических и других факторов, воздействующих на бетон, имеет много общего с упоминавшимся выше венским мостом Рейхсбрюкке. Однако обычный цементный бетон последнего разрушился через несколько десятилетий, а известковый (на воздушной извести!), но хорошо гидрофобизованный бетон Карлова моста, являющегося выдающимся архитектурным памятником Европы, служит уже более пятисот лет.

Объемная гидрофобизация строительных материалов с точки  зрения их долговечности эффективнее, чем поверхностная обработка  водоотталкивающими или кольматирующими  составами. Об этом, в частности, свидетельствует следующий факт. В начале текущего столетия за рубежом получили широкое распространение флюаты (растворимые соли кремнефтористоводородной кислоты), которые наносили на поверхность облицовки из природных (преимущественно карбонатных) камней или штукатурки. Исследования, проведенные в 30-х годах показали, что флюатированный камень через 20 — 25 лет оказался в худшем состоянии, чем обычный. С тех пор коренным образом изменилось отношение к флюатированию как методу поверхностной обработки материалов.

Поризация легких бетонов.

Добавки некоторых  ПАВ, вызывая вовлечение воздуха  в бетонные смеси, способствуют уменьшению объемной массы легких бетонов (на пористых заполнителях) и вместе с тем улучшают и другие свойства материала, и в  первую очередь их морозостойкость. 

            Гидрофобизированные цементы

             История применения гидрофобизирующих добавок в технологии бетонов.

Анализ научно-технической  информации по управлению технологией  цементных бетонов, в частности  с помощью химических добавок, свидетельствует о непрерывном развитии этого процесса.

Как известно, бетон  используется в качестве строительного  материала уже несколько тысячелетий. Минойцы на о. Крит, например, изготовляли  бетон из дробленых или размолотых глиняных черепков, связанных известью.

Греки и позже  римляне добавляли к составу  минойцев вулканический туф или  размолотый кирпич. Это было весьма важной ступенью, поскольку такие  добавки позволяли бетону затвердевать в воде. Они практически изменили процесс твердения цемента и связывания им бетона. Два знаменитых сооружения, свидетельствующие о гибкости и долговечности древнего бетона, сохранились до наших дней — Базилика Константина и Пантеон в Риме.

Между древними и современными цементами имеется  одно значительное различие. Греческие и римские цементы затвердевали и наращивали прочность в результате химического процесса — пуццолановой реакции, происходящей в присутствии извести и кремнистых материалов, растворяемых щелочью, подобно тем, что содержатся в туфе и глинистых черепках. Цементы же, изготавливаемые в настоящее время, состоят преимущественно из силикатов кальция, которые гидратируются самостоятельно, без добавления извести.

Современное развитие технологии строительства включает проблему повышения качества и долговечности бетона, которая может во многих практически важных случаях успешно решаться путем использования новых химических добавок. Для достижения высокой организации производства бетона и технико-экономической эффективности необходимо постоянно стремиться к расширению и усовершенствованию разработок по теоретическим и практическим основам применения комплексных органоминеральных добавок и создавать новые способы их приготовления и использования в бетоне в соответствии с требованиями рынка.

Применение  добавок эмпирически возникло несколько столетий назад при изготовлении известковых растворов и бетонов в целях повышения их прочности, водостойкости и долговечности. Так, в древнем Риме добавки свиного сала, свернувшегося молока или свернувшейся крови использовались для улучшения штукатурных растворов.

Древнерусские мастера и зодчие практиковали введение коровьего молока, ячменной мякины, бычьей крови, льняного семени, отвара древесной коры и некоторых подобных веществ для улучшения свойств  извести и строительных растворов, изготовленных на её основе.

Коровье молоко добавляли в воду при гашении  извести. В молоке, как известно, наряду с казеином, белком и молочным сахаром содержится 3 – 3.5% жира в  виде прямой эмульсии “масло в воде”. Жир молока состоит из глицеридов олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот, по своей природе относящихся к гидрофобизаторам.

Известно, что  при установке Александровской  колонны в Петербурге ее фундамент  залили скользким и своеобразным по составу раствором, о котором  архитектор Монферран руководивший строительными работами писал: “…Так как работы проводились зимою, то я велел смешать цемент с водкою и прибавить десятую часть мыла…”

В прошлом, когда  еще не была известна природа физико-химических процессов, происходящих при смешивании цемента с водой, вода добавлялась к смеси интуитивно, в зависимости от навыков людей, укладывающих бетон. Иногда бетонное покрытие было прочным, но бывали и случаи разрушения уложенного бетона. Долговечность бетона пытались повысить за счет использования оптимального количества цемента и воды при изготовлении цементной пасты. В дальнейшем было установлено, что для получения бетонов с достаточными строительно-техническими свойствами следует знать закономерности регулирования параметров цементных систем на стадии взаимодействия цемента с водой. В связи с этим возникла необходимость изучения вопросов гидратации цемента, проектирования состава бетонной смеси, роли различных добавок в ней, разработки теории водоцементного отношения и др.

Руководствуясь  теорией, исследователи старались поддерживать как можно низкое водоцементное отношение, чтобы достичь наибольших прочностей цемента, однако такой подход не всегда соответствовал строительным требованиям. Попытки добавлять больше воды, чем требовалось, приводили к снижению прочности бетона, усиленному его растрескиванию и изменению основных характеристик. Все это привело к необходимости разработки добавок, снижающих расход воды и позволяющих регулировать свойства цемента по отношению к действию воды.

Одним из убедительных практических примеров эффективного применения добавок является построенный в XIV в. Карлов мост через р. Влтаву в  Праге. Для его сооружения был  применен бетон на известковом вяжущем с добавкой куриных яиц, которые по своему составу являются прямой водной эмульсией олеина и других жиров, обеспечивающей гидрофобизирующие свойства искусственному камню. Карлов мост служит людям более пятисот лет. хотя сделан из воздушной извести, тогда как венский мост Рейхсбрюке, построенный из обычного цементного бетона и работавший почти в аналогичных с Карловым мостом эксплуатационных факторах воздействия, разрушился через несколько десятилетий (летом 1976г.).