Секция «Строительство и архитектура»

подсекция 4

Шишкин А.А., докт. техн. наук, проф. Ковальчук В.А., инженер

Криворожский технический университет

        

МИНЕРАЛЬНО-ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕМОНТА

СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Длительная эксплуатация зданий и сооружений большинства предприятий Украины предопределяет необходимость проведения работ по восстановлению их эксплуатационных свойств. В процессе выполнения работ по ремонту и восстановлению эксплуатационных свойств строительных конструкций промышленных зданий и сооружений возникает потребность восстановления геометрических размеров существующих конструкций. Для этого, чаще всего, проводят устройство дополнительного слоя бетона. При этом, должно быть обеспечено надежное соединение «старого» бетона конструкции с «новым» бетоном ремонтных элементов.

Совместная работа строительной конструкции и бетона, который на нее наносится, обеспечивается качеством их контактной зоны, что характеризуется в первую очередь цельностью контакта и его прочностью.

Процессы структурообразования в контактной зоне между материалом строительной конструкции и бетоном, который на нее наносится, отличаются от процессов структурообразования, которые проходят в объеме бетона и цементного теста. Это положение обусловливается тем, что в контактной зоне один из элементов этой системы - поверхность строительной конструкции, находится в твердом состоянии. Следовательно, большинство реакций взаимодействия между материалом строительной конструкции и компонентами бетона, который на нее наносится, будут проходить лишь на грани их деления. Степень этих взаимодействий определяет прочность их контакта (контактной прослойки). Соответственно прочность контактного слоя в первую очередь формируется за счет адгезии нанесенного бетона к поверхности строительной конструкции и их механического защемления.

Вопросом изучения влияния механического ущемления «нового» и «старого» бетонов на прочность их контакта посвященное достаточное количество работ ведущих ученых, однако на сегодняшний день нет достаточно полных данных для описания этого влияния, поэтому в работе уделенное основное внимание адгезии бетона усиления к материалам строительных конструкций. Работа адгезии может быть описана равнением  Wa = W1×n. где W1 - энергия единичной адгезионной связи; n - количество связей. Следовательно, при одной и той же величине энергии единичной адгезионной связи увеличение количества связей (контактов) приведет к увеличению адгезии. Увеличение же количества связей - n происходит при адсорбции компонентов цемента - компонента бетона, нанесенного на поверхность конструкции. Известные результаты исследований показали, что введение у портландцемент комплексной добавки, которая состоит из железосодержащего вещества и молекулярно-коллоидного щелочного поверхностно-активного вещества (ПАВ), за счет увеличения степени конденсации компонентов этой системы на поверхности строительной конструкции, обеспечивает высокую прочность сцепления «нового» бетона с материалом конструкции. При этом прочность их контакта остается достаточно высокой и при действии отрицательных температур. Анализ известных результатов исследований показал, что наиболее важную роль в процессе сцепления «старого» и «нового» бетонов играет адсорбция компонентов «нового» бетона на поверхности «старого», а также их адгезионное сцепление.

Адсорбционная активность карбоксильных ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Однако, если в ряду ксантогенатов сильными адгезионными свойствами обладают уже нижние гомологи, например этиловый и бутиловый ксантогенаты (с 2-4 атомами углерода), то среди жирных кислот заметное адсорбционное действие оказывается лишь у гомологов с 10-12 атомами углерода. Это расхождение, вероятно, объясняется разной прочностью закрепления ПАР на минеральной поверхности, что в значительной мере зависит от растворимости соединений, которые образуются на поверхности минералов, которые, в свою очередь, определяются порядком растворимости соответствующих мил. Так, мыла карбоновых кислот щелочноземельных металлов, в молекуле которых углеводородный радикал содержит менее 8 атомов углерода, отличаются сравненный высокой растворимостью, что является одной из основных причин, через которую более низкие карбону кислоты и их щелочные соли не применяются в качестве адсорбентов щелочноземельных минералов. Более высокомолекулярные жирные кислоты образуют сравнительно малорастворимые соли щелочноземельных металлов и, начиная с лауриновой кислоты (С11Н23СО2Н), имеют лучшее адсорбционное действие. Адсорбционная активность жирных кислот зависит также от ненасыщенности углеводородного радикала. Практика показывает, что при том же количестве атомов углерода в радикале, чем более ненасыщенный радикал, тем более большим адсорбционным действием владеет карбоксилсодержащий реагент. Образование полимолекулярных покрытий при взаимодействии карбоксильных ПАВ с минералами подтверждено также другими исследователями.

На основании приведенного материала можно считать установленным, что взаимодействие карбоксильной ПАВ с несульфидными минералами, которые не нуждаются в активации, представляет собой хемосорбцию или - при высоких расходах - гетерогенную химическую реакцию. При этом вторичные сорбционные прослойки в случае образования поле молекулярного покрытия, возможно, меньше крепко закрепленные на поверхности.

Учитывая известные исследования в отрасли адсорбции разных органических веществ на поверхности твердых тел, и их адгезионного сцепления, авторами разработан минерально-органический материал (МОМ), действую которого основано на повышенной адсорбции эфиров к железосодержащим веществам.

Объяснить механизм действия разработанного МОМ можно таким образом. Как известно, глицериды ненасыщенных кислот с двумя и больше двойными связками, при окислении кислородом образуют вещество – линоксин. То есть такие глицериды, поглощая кислород, самоокисляются. На первой стадии такого окисления образуются гидропероксидные группы типа:

 

 

 Потом посредством пироксидных мостиков (—О—О—) отдельные молекулы ненасыщенных глицеридов соединяются между собой с образованием пространственной полимерной структуры. Кроме этого глицериды, как сложные эфиры, с большей или меньше скоростью расщепляются водой - поддаются гидролизу. Их гидролиз усиливается гидроксид-ионами. При наличии щелочь глицериды расщепляются с образованием спирта (в данном случае глицерина) и соответствующей соли ВЖК – мыла.

Таким образом, в системе «глицерид – окись кальцию – железосодержащее вещество» происходят следующие реакции:

1. Под влиянием щелочи – окисла кальцию, глицерид поддается гидролизу с образованием глицерина и кальциевой соли ВЖК.

2. Кальциевая соль ВЖК вступает во взаимодействие с железосодержащим веществом, что содействует полимеризации соли ВЖК и образованию на поверхности железосодержащего вещества концентрированного, сильно закрепленного слоя молекул соли ВЖК. Опытами установлена более крепкая связь ионов железа, чем ионов кальция, с минералами, которые содержат силикаты. Закрепление мыл на минералах, которые содержат силикаты и ионы железа происходит, очевидно, при взаимодействии с поверхностным «силикатом железа». Возможные следующие реакции минералов, которые содержат железо, например с олеатом кальцию, можно пометить схемой:

 

 

где Ol – радикал олеата.

3. Окисел кальцию, что высвобождается, вступает во взаимодействие с глицерином, образуя глицерат кальция

 

СаО +С3Н8О3 > СаС3Н6О3 + Н2О.

 

При этом в систему выделяется вода. Эта вода содействует разрежению системы и, как следствие, уменьшения ее прочности.

Проведенными исследованиями установлено, что разработанный материал приобретает прочность при применении в качестве компонента, удерживающего кальций, мела, извести, гипса и портландцемента. Опытами установлено, что, в этом случае, прочность сцепления «старого» и «нового» бетонов достигает 8 МПа, что значительно выше чем у известных композиций, которые на это время используют для соединения бетонов.

Однако, как показали опыты, компоненты, которые содержат кальций за прочностью сцепления МОМ с бетоном можно разложить в ряд за уменьшение прочности сцепления МОМ с бетоном: портландцемент > известь > мел > гипс.

Таким образом, опытами установленная целесообразность применения в качестве носителя окисла кальция портландцементу, который в процессе своей гидратации связывает воду, что выделилась в системе, и тем самым обезводит систему. А это и будет содействовать увеличение ее прочности.

Такие реакции, очевидно, происходят не только в объеме системы «глицерид – окись кальция – железосодержащее вещество», но и на границе ее контакта, как с затвердевшим бетоном (где всегда есть свободная окись кальция), так и на границе ее контакта с бетонной смесью.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработанный минерально-органический материал на основе глицеридов, минералов, которые содержат железо, и веществ, содержащих кальций, имеет высокую прочность сцепления с цементным бетоном.

2. Посредством разработанного материала можно образовывать прочный стык между железобетонной конструкцией и бетоном усиливающих ее элементов, а также обеспечивать высокую прочность рабочих швов при бетонировании монолитных конструкций.

3. Механизм действия разработанного минерально-органического материала заключается в повышенной адсорбционной возможности компонентов глицеридов на поверхности минеральных веществ, в первую очередь тех, которые содержат железо, и образовании полиэфирных связей между бетонами, которые соединяют между собой элементы системы. За счет повышенной адгезии радикалов высших жирных кислот к ионам железа обеспечивается «сшивание» их углеводородных цепочек через ионы железа в большие комплексы. Эти комплексы одними из свободных радикалов соединяются с минералами «старого» цементного бетона, а другими с минералами новообразований «нового» цементного бетона. В последующем, такие (физические) связки переходят в химические, что и обеспечивает высокую прочность контакта.

4. Наличие в составе разработанного материала ионов кальция приближает его состав к составу поверхностного слоя цементного бетона, который покрывается продуктами взаимодействия разработанного материала с минералами на основе кальция - продуктами гидратации цементного бетона. Это обеспечивает повышение адсорбции разработанного МОМ на поверхности цементного бетона и, как следствие, повышения их адгезионной связи.