Комплексные гидрофобно-пластифицирующие добавки

С расширением  знаний в области разработки и применения добавок возникла потребность создания бетонов большей прочности, быстротвердеющих, схватывающихся быстрее или медленнее, чем обычный, химически стойких к вредным воздействиям и т. д. Все это способствовало развитию и усовершенствованию добавок различного назначения.

С 1850 г., т. е. с  начала производства бетона на портландцементе (гидравлическом вяжущем), в него добавляли  гипс для регулирования сроков схватывания. Использование добавок хлористого кальция как ускорителя или сахара как замедлителя относится к началу века – 1919 — 1920 гг. Пластификаторы начали широко применять в 1935 г., воздухововлекающие добавки — в середине 40-х гг. Позднее появились противоморозные добавки и средства ухода за бетоном в виде пленкообразующих покрытий на его поверхности.

С 1960 г. число  добавок применяемых в строительстве  значительно увеличивается, они  становятся более разнообразными, их качество и постоянство свойств  непрерывно улучшаются. Разрабатываются  продукты, все более отвечающие требованиям современного строительства.

Проблеме разработки и внедрения различных химических добавок в бетоны и растворы в  последние годы в мировой практике строительства стало уделяться  еще большее внимание. Это обусловлено  необходимостью дальнейшего улучшения технологических и эксплуатационных свойств строительных изделий и конструкций. Применение хим. добавок позволяет гибко, просто и эффективно направленно управлять рядом важнейших параметров свежеизготовленных и отвердевших бетонов.

Судя по литературным публикациям, применение добавок позволяет изготовлять бетонные смеси и бетон, которые почти полностью удовлетворяют строительно-техническим требованиям. Одним из таких требований, предъявляемых к цементам, бетонам и растворам, является необходимость регулирования свойств цемента по отношению к действию воды.

Взаимодействие  цемента с водой имеет двойственный характер: полезный — необходимость  службы цемента в качестве вяжущего вещества из-за химического сродства с водой и вредный — его  гидрофильность, т. е. способность, как в порошкообразном состоянии, так и в виде цементного камня хорошо смачиваться водой, что, в свою очередь, приводит ко многим нежелательным явлениям. Адсорбирующая влага вызывает слипание частиц и потерю активности цемента, при приготовлении бетонных растворных смесей цемент иммобилизует избыток воды, что увеличивает пористость цементного камня и приводит к ухудшению его прочности и стойкости; кроме того, длительное воздействие воды на готовые изделия понижает их эксплуатационные свойства – в бетоне начинают развиваться коррозионные процессы.

В связи с  противоречиями, заложенными в самой  природе цемента, перед наукой встала проблема, которую хорошо сформулировал  М. И. Хигерович — : “…изменить свойства цемента так, чтобы он стал менее  гидрофилен и даже приобрел » водоотталкивающие” способность, но в то же время мог бы взаимодействовать с водой на тех стадиях применения, когда это практически нужно”. Такой цемент был назван гидрофобным (водоотталкивающим).

Понятие “гидрофобный” относится не только к цементу, но и к цементному тесту и цементному камню, полученным из такого цемента. Гидрофобность цемента достигается путем введения специальных гидрофобизирующих добавок. Однако здесь следует обратить внимание на разницу между гидрофобными и гидрофобизирующими добавками. Первые, например парафин, стеариновая кислота или кальциевые соли высших жирных или нафтеновых кислот, при смешивании с цементом не реагируют с ним и остаются в виде механической примеси. Вторые, например водорастворимые натриевые и калиевые мыла жирных, нефтяных и смоляных кислот, не гидрофобны сами по себе, но образуют гидрофобные вещества в результате химического взаимодействия с цементом – в бетонной композиции, пересыщенной гидроокисями кальция, в результате обменных реакций по кальцию они превращаются в кальциевые мыла, которые уже водонерастворимы и гидрофобны.

Многочисленные  разработки, в том числе нашедшие внедрение в практике, выполнены  с использованием гидрофобизаторов на основе кремнийорганических соединений (КОС). В структуре КОС реализуются связи Si—О и Si—С, что определяет их промежуточное положение между органическими и неорганическими соединениями. В большинстве соединений этого вида атом кремния связан только с двумя атомами кислорода, а другие связи замещены органическими группами СН3, С2Н5, С6Н5 и др., определяющими их эластичность. Степень эластичности конечных продуктов зависит не только от числа органических радикалов, но и от их величины и строения, а также от молекулярной массы.

В качестве гидрофобизаторов могут использоваться кремнийорганические соединения от мономеров до полимерных жидкостей. Кремнийорганические мономеры применяют в основном в качестве исходных компонентов для производства кремнийорганических полимеров.

Кремнийорганические полимеры условно подразделяют на две группы — олигомеры и высокомолекулярные соединения. Кремнийорганические гидрофобизаторы могут применяться для повышения морозостойкости бетонов и их коррозионной стойкости, снижения водопотребности бетонных смесей и воздухововлечения, повышения атмосферостойкости строительных материалов и изделий — кирпича, гипсовых изделий, каменных материалов, окрасочных и штукатурных составов, защиты стыков и фасадов крупнопанельных зданий, защитно-декоративной отделки здании и сооружений и т. п.

Одним из основных условий использования КОС в качеств’ гидрофобизаторов строительных материалов и конструкций является экономическая целесообразность. Поэтому в строительной практике применяются не все существующие кремнийорганические гидрофобизаторы, а лишь наиболее дешевые и доступные из них. К ним относятся, например, алкилхлорсиланы и кубовые остатки от их ректификации.

Алкилхлорсиланы — по существу, первые КОС, которые были использованы для гидрофобизации строительных материалов. Для этой цели ранее употреблялись и в отдельных случаях еще найдут свое применение выпускаемые отечественной промышленностью метил-трихлорсилан (МТС), этил-трихлорсилан (ЭТС), этил-дихлорсилан (ЭДС) и технический ди-метил-ди-хлорсилан. Наряду с алкилхлорсиланами с большим успехом применяются кубовые остатки от их ректификации на заводах-изготовителях.

Широко используются для гидрофобизации строительных материалов водные растворы омыленных натриевых (реже калиевых) метилсилоканатов (МСН), этилсиликонатов (ЭСН) и фенилсиликонатов (ФСН) – технические гостированные названия которых, соответственно ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-12. Эти составы имеют ряд преимуществ перед другими кремнийорганическими гидрофобизаторами, допускают применение в форме водных растворов, как правило, не имеют запаха, достаточно универсальны и дешевы, так как чаще всего изготавливаются из отходов производства.

Кремнийорганические соединения, как и большинство  добавок, обладают полифункциональностью  свойств, в связи с чем, оказывая в основном положительный эффект, они иногда ухудшают некоторые свойства бетонной смеси и бетона. Для устранения негативного влияния эти добавки объединяют с другими в комплексные полифункциональные модификаторы (ПФМ) для направленного изменения технологических и эксплуатационных свойств бетонов и растворов. В последнее время во всем мире разработано большое количество полифункциональных модификаторов. С большой степенью уверенности можно даже утверждать, что практически все химические добавки или модификаторы применяемые в настоящий момент в строительной индустрии — это ПФМ-ы.

Следует отметить, что примерно до 70-х гг. техническими гидрофобизирующими добавками в  цементобетонной технологии служили  преимущественно природные продукты (например, олеиновая кислота) или  некоторые отходы промышленности (например, мылонафт). Однако экономические соображения лимитировали их применение в строительстве.

Поэтому исходя из экономических соображений и  сохранения свойств бетона, которые  он приобретает в случае применения КОС или природных гидрофобизаторов типа олеиновой кислоты, в настоящее время для изготовления гидрофобизирующих добавок стали очень широко использовать продукты и отходы нефтехимического синтеза, масложировой и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности. Наибольшим распространением пользуются такие гидрофобизаторы этого типа, как окисленный петролатум, кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК), битумные дисперсии, соапстоки растительных масел и др. Эти технические вещества отличаются друг от друг происхождением и составом, но для всех них характерно наличие молекул с резко выраженным асимметрично-полярным строением. Такие молекулы представляют собой соединения дифильного характера, имеющие гидрофильную “головку” (одну или несколько полярных групп типа —ОН, —СООН, —SO3H, —OSO3H, —СООМе, —NH2 и т. д.) и гидрофобный “хвост” (как правило, алифатическую цепь, иногда включающую в нее ароматическую группу).

Гидрофобизирующие добавки повышают удобоукладываемость  бетонных смесей, увеличивают их связность, нерасслаиваемость. Это имеет особое значение при транспортировке и хранении смесей в летнее время. Кроме того, объемная гидрофобизация бетона добавками способствует снижению его водопоглощения в 1.5 – 2 раза по сравнению с бетоном без добавок.

Гидрофобизирующие добавки перед применением в  бетон, как правило, переводят в водорастворимое состояние. Это можно отнести к их недостаткам. К тому же они пластифицируют главным образом “тощие” бетонные смеси и несколько замедляют процессы твердения.

Важным шагом  в химической технологии бетона явилась  разработка М. И. Хигеровичем, Б. Г. Скрамтаевым, Г. И. Горчаковым, Х.М. Лейбович и другими составов гидрофобизирующих добавок из гидрофобизатора и гидрофолизатора. Такие добавки оказывают универсальное действие на удобоукладываемость, т. е. они пластифицируют как “тощие”, так и “жирные” бетонные смеси. Влияние компонентов такой комплексной добавки (гидрофобизатор + гидрофилизатор) на физико-технические свойства бетонов, как правило, аддитивно, — т.е они усиливают влияние друг друга. При этом такие комплексные гидрофобно-пластифицирующие добавки представляют собой поверхностно-активные вещества (ПАВ) более высокой качественной категории, чем индивидуальные гидрофилизаторы и гидрофобизаторы, взятые в отдельности. Кроме того, применение таких добавок облегчает превращение гидрофобизируюшего компонента, как правило, водонерастворимого. в водоразбавляемую жидкость, которую удобно вводить с водой затворения при изготовлении смесей.

Недостатком гидрофобно-пластифицирующих добавок, с технологической точки зрения, является то, что они замедляют сроки схватывания и темп роста прочности цементного камня. Помимо того, величины удобоукладываемости бетонной смеси, прочности и ряд других физико-технических свойств бетона, достигнутые с такой добавкой могут потребовать улучшения. В таких случаях в состав гидрофобно-пластифицирующих добавок включают вещества, позволяющие не только исключить нежелательные эффекты компонентов добавки, но и получить с помощью взаимного усиления влияния ингредиентов (эффект синергизма) в направлении значительного увеличения физико-технических свойств цементных систем. В качестве таких дополнительных компонентов к гидрофобизирующим добавкам наиболее распространены добавки ускорители схватывания и твердения, а также различного вида и степени эффективности пластификаторы-водопонизители и суперпластификаторы.

Таким образом, исходя из приведенного краткого научно-технического обзора применения гидрофобизирующих  добавок следует отметить, что  их создание и применение послужило  значительным вкладом в совершенствование  технологии бетона и железобетона.