Д.т.н. Плугин А.А.

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта,

Украина,

асп. Салия М.Г., к.т.н. Костюк Т.А., к.т.н. Бондаренко Д.А.,

к.т.н. Старкова О.В.

Харьковский национальный университет строительства и архитектуры,

Украина

Обоснование выбора наполнителей для гидроизоляционных сухих смесей на основе портландцемента

Одной из причин недостаточной водонепроницаемости гидроизоляционных материалов на основе цемента является их усадка, которая обусловливает возникновение внутренних напряжений, образование микротрещин, потерю сцепления с основанием.

Выполнен аналитический обзор исследований усадки материалов на основе портландцемента. А.Е. Шейкин с соавторами как на одну из причин усадки указывают на капиллярное давление, возникающего в капиллярах цементного камня, в которых вода образует мениски [1]. Капиллярное давление p в единичном капилляре связано с поверхностным натяжением s₁₂, радиусом капилляра r и относительной влажностью воздуха j следующим образом [1]:

. (1)

Поскольку микрокапилляры рассеяны в объеме цементного камня, капиллярное давление взаимно уравновешивается и вызывает объемную усадку. Капиллярные силы являются внешними по отношению к каркасу цементного камня, поэтому объемную усадку можно описать уравнением [1]:

, (2)

где Е_V – модуль упругости цементного камня при всестороннем сжатии,

ω_п – отношение площади смоченных пор ко всей площади образца.

Следовательно, усадка цементного камня под действием капиллярных сил тем больше, чем меньше относительная влажность воздуха и модуль упругости цементного камня и чем больше площадь капилляров, в которых образуются мениски. Дж. Калоусеком показана роль межплоскостной воды тоберморитового геля в усадке цементного камня [2]. Чем меньше относительная влажность воздуха и выше температура, тем больше межплоскостной воды удаляется из тоберморитового геля (в отличие от ксонотлитового) и тем выше усадка цементного камня. Таким образом, усадка цементного камня зависит от минерального состава цемента, водоцементного отношения, условий твердения, кинетики гидратации цемента, относительной влажности и температуры воздуха.

Усадка бетона, кроме перечисленных факторов, также существенно зависит от вида и количества заполнителей, так как по [1] в условиях квазистатической сушки наличие заполнителя препятствует свободной усадке цементного камня. Усадка бетона e_у^б составляет часть усадки цементного камня e_у^ц и зависит от количества введенного заполнителя:

e_у^б = e_у^ц(1-а)ⁿ, (3)

где n - эмпирический коэффициент, находящийся в пределах от 1,2 до 1,7.
В.Л. Николаевым в Московском институте инженеров железнодорожного транспорта были получены зависимости усадки бетона от содержания и вида различных заполнителей (рис. 1 и 2) [1].

Рис. 1. Влияние содержания заполнителя по объему на отношение усадки бетона к усадке цементного камня (n =1,7)

Рис. 2. Усадка бетона на различных заполнителях: 1 – песчаник; 2 – гравий; 3 – гранит; 4 – известняк; 5 − кварц.

Из рис. 1 видно, что усадка бетона тем меньше, чем меньше в его составе цемента и больше заполнителя. Из рис. 2, можно заключить, что свойства заполнителя, а именно величина модуля упругости, также оказывают существенное влияние на величину усадки бетона. При этом величина деформации бетона находится в обратной зависимости от величины модуля упругости заполнителя. Из рис. 2 видно, что наименьшую усадку при твердении обеспечивают заполнители из кварца и известняка.

В [3, 4] показано, что модуль упругости и другие физико-механические свойства кристаллических веществ зависят от их кристаллоэнергетических характеристик. Н.З. Евзиковой и Г.В. Ициксоном [4] предложен их обобщенный показатель - структурная рыхлость (энергетическая стабильность) w, определяемый по формуле:

ω = M/n´ρ , см³/г-ат, (4)

где М - молекулярная масса;

n – количество структурных единиц;

ρ - истинная плотность.

Величина ω косвенно характеризует энергию межатомного взаимодействия минерального вещества, степень уплотнения слагающих это вещество атомов. Чем прочнее межатомные связи и больше их энергия, тем меньше величина структурной рыхлости и наоборот.

По (4) и приведенным в [3−5] формулам и данным были рассчитаны величины ω и зависящие от них количественно-прогнозные оценки физико-механических свойств:

Y = 1089,4ω-2,4 - эффективная энергия разрушения, Дж/м²;

ЭО_{кристал}.= 4,5ω-0,47 – кристаллическая электроотрицательность элементов;

E = 6692,3ω-1,86 – модуль упругости, ГПа;

Α_l = 1,4655ω – коэффициент температурного линейного расширения;

Ктр = 130,56ω-2,4 – коэффициент трещиностойкости, МПа´м^0,5.

Результаты расчетов представлены в табл. 1 и на рис. 3.

Таблица 1

Зависимость прогнозируемых свойств веществ от их энергетической стабильности

Вещество	ω	Y	ЭОкрист	E	Αl	Ктр
Доломит	6	14,77829631	1,93856972	238,8988589	8,79	2,27608
Диоксид титана	6,2	13,65989359	1,90892304	224,764055	9,083	2,11351
Портландит	6,6	11,75660496	1,85364628	200,0892153	9,669	1,83502
Кварц	6,9	10,56694758	1,81532103	184,2112257	10,109	1,65963
Андалузит	6,9	10,56694758	1,81532103	184,2112257	10,109	1,65963
Кальцит	7,4	8,933697513	1,75660294	161,7351451	10,841	1,41692
Ангидрит	7,5	8,650482638	1,74555573	157,7471244	10,988	1,37458
Корунд	10,1	4,234635889	1,51768439	90,68545699	14,797	0,70152
3СаО´Аl2O3´ ´CaCO3´12H2O	13,36	2,163973168	1,33071017	53,89833991	19,572	0,37281
12CaO´6SiO2´7H2O	14	1,934105168	1,30176424	49,4057225	20,510	0,33539
3CaO´Al2O3´6H2O	14,8	1,692619165	1,26820513	44,55419594	21,682	0,29581
Tальк	16,9	1,231003478	1,19153214	34,8101689	24,759	0,21917
Гипс	23	0,587544228	1,03086176	19,62282931	33,695	0,10922

Из табл. 1 и рис. 3 видно, что с увеличением структурной рыхлости снижаются такие физико-механические характеристики, как эффективная энергия разрушения кристалла, модуль упругости, коэффициент трещиностойкости, повышается коэффициент температурного линейного расширения. Поскольку величина усадки находится в обратной зависимости от величины модуля упругости заполнителя или наполнителя, осуществляя их выбор для гидроизоляционных материалов на основе портландцемента, следует стремиться применять минералы с минимальными значениями структурной рыхлости - доломит, диоксид титана и т.п. Аналогично при технологическом воздействии на фазовый состав продуктов гидратации цемента следует стремиться обеспечивать образование кальцита, гидрокарбоалюминатов кальция и т.п.

Выполнены сравнительные экспериментальные исследования влияния минеральных добавок наполнителей − доломита, кварца и кальцита на физико-механические свойства цементно-песчаного раствора состава 1:4. Результаты исследований представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что наилучшими показателями трещиностойкости − максимальной прочностью при изгибе и трещиностойкостью при высушивании обладает цементно-песчаный раствор с добавкой доломита, характеризующегося минимальным значением структурной рыхлости.

а		Б
в	Г

Рис. 3. Зависимость от структурной рыхлости:

а - эффективной энергии разрушения кристалла Y; б - электроотрицательности кристаллов ЭО_крист; в - модуля упругости Е; г - коэффициента трещиностойкости Ктр.

Таблица 2

Зависимость физико-механических свойств цементно-песчаного раствора (1:4) от вида тонкодисперсной минеральной добавки

Минеральная добавка		Предел прочности, кгс/см^2		Трещиностойкость при высушивании, визуально в тонком слое (5 мм) на старом бетоне
Вид добавки	ω	при сжатии	при изгибе
Без добавки	−	101,3	47,1	Волосяные трещины
Доломит	6	145	58	Без трещин
Кварц молотый	6,9	150	36	Волосяные трещины
Кальцит	7,4	98,8	57,1	Волосяные трещины

Выводы.

1. Для оценки влияния минеральных добавок наполнителей на трещиностойкость и водонепроницаемость гидроизоляционных сухих смесей на основе портландцемента предложено использовать показатель структурной рыхлости минерала, рассчитываемый по его стехиометрическому составу и величине истинной плотности.

2. Установлено, что чем ниже величина структурной рыхлости минерала, тем меньшей усадкой будет характеризоваться цементный раствор с добавкой наполнителем из этого минерала. Исходя из этого, наилучшим наполнителем является доломит, затем диоксид титана, кварц, андалузит, кальцит, ангидрит. Нецелесообразно применять корунд, тальк, гипс.

3. Для подтверждения данных выводов проводятся более детальные экспериментальные исследования.

Литература.

1. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. − М.: Стройиздат, 1979. − 332 с.

2. Kalousek G.L. Fundamental factors in the drying schrincage of concrete block / JACI, 1954. − v. 26. − №. 3.

3. Зуев В.В., Поцелуева Л.Н., Гончаров Ю.Д. Кристаллоэнергетика как основа оценки свойств твердотельных материалов, включая магнезиальные цементы. − СПб, 2006. − 137 с.

4. Евзикова Н.З., Ициксон Г.В. Структурная плотность решетки как показатель условий минералообразования // ЗВМО, 1969. − Ч. 98, № 2. − С.129−149.

5. Минералогическая энциклопедия / Под ред. К.Фрея. − Л.: Недра, 1985. − 512 с.