Шишкина А.А.

Криворожский технический университет,

ПЕНОБЕТОНЫ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

В цементном камне и в обычном бетоне существует развитая система пор, капилляров, трещин и других дефектов различного происхождения, размеров и формы, которые служат путями проникновения внешней среды в тело бетона. Кроме этого, эти пустотные составляющие структуры бетона оказывают влияние на его физико-механические свойства, стойкость к действию агрессивных сред и, как следствие, его долговечность. Если эти пустоты заполнить каким-либо веществом, которое имеет определенные физико-механические свойства, даже значительно отличающиеся от свойств бетона, то это в значительной мере может нейтрализовать влияние указанных дефектов структуры бетона и повысить стойкость бетона и другие его физико-механические свойства. Таким образом, улучшение эксплуатационных свойств бетонов за счет снижения их пустотности является в настоящее время одной из актуальных задач бетоноведения в сейсмических условиях.

Анализ известных исследований в данном вопросе показал, что до настоящего времени задача снижения пустотности бетона решается путем введения в его состав высоковязких жидкостей типа петролатума, разбавленных смол или битума, мономеров либо полимеров. Указанные вещества, в основном, вводятся в состав бетона двумя методами:

- пропитыванием готового бетонного изделия,

- введением полимеризующихся веществ в состав сухой смеси компонентов бетона с последующим затворением этой смеси водой.

Отдельно необходимо отметить применение солей щелочных металлов органических кислот для модификации структуры бетона. В данном случае говорить о полимеризации как о таковой можно лишь со значительными оговорками. Однако, подходя строго к определению понятия «полимеризация», и в данном случае можно использовать этот термин, так как при этом происходит соединение одинаковых по составу отдельных элементов (радикалов органических кислот) в единый комплекс через ионы кальция, которые выделяются при твердении цемента.

Наряду с высокими значениями отдельных физико-механических свойств, бетоны, содержащие полимеризующиеся составляющие, обладают целым рядом недостатков, которые не ликвидированы до настоящего времени. Так введение в состав портландцементных композиций термопластических полимеров приводит (при прочих равных условиях) к снижению их прочности при сжатии и истираемости. Кроме того, деформативность таких бетонов (например, на основе поливинилацетата и др.), в большинстве случаев, выше деформативности обычных цементных бетонов.

Достаточно высокие показатели морозостойкости полимерсодержащих бетонов объясняются, прежде всего, снижением открытой пористости бетона, однако зависят от вида термопласта, т.е. его устойчивости к действию низких температур. Данные о термической устойчивости и долговечности таких композиций практически отсутствуют, однако, исходя из известных свойств термопластов, эти показатели не должны быть высокими.

Анализ известных работ в области исследования свойств полимерсодержащих бетонов и термопластов показал, что указанные недостатки таких бетонов обуславливаются свойствами полимеров - термопластов. Это объясняется следующим.

Само определение «термопласты» относится к смолам, способным при нагревании размягчаться, а затем плавиться и при охлаждении снова затвердевать. Это свойство термопластов обусловлено линейным строением их макромолекул, представляющих собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев с гибкими связями. Кроме того, сцепление макромолекул в термопластах обусловлено силами межмолекулярного сцепления, величина которых зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше сцепление между молекулами вплоть до полного нарушения сцепления. Кроме этого, данные полимеры имеют способность, при определенной температуре, переходить в высокоэластичное состояние. При этом сегменты макромолекул этих полимеров под действием напряжений от внешней нагрузки стремятся выпрямить макромолекулы в направлении действия внешней силы, что способствует увеличению деформаций.

В рассматриваемых полимерсодержащих бетонах, очевидно, существуют три вида связей между структурными элементами: связи между минеральными компонентами, связи между органическими компонентами и связи между минеральными и органическими компонентами. Как показано выше, наиболее деформативными являются связи, в которых участвуют органические компоненты. Тогда, при приложении внешней нагрузки, согласно законам композиционных материалов, наибольшая концентрация напряжений будет на участках наименее деформативных связей, т.е. связей между минеральными компонентами системы. Это и приведет к их разрыву при относительно меньших внешних нагрузках и объясняет снижение прочности таких бетонов при сжатии, так как направление выпрямления (деформирования) макромолекул полимера не совпадает с направлением разрушающих напряжений. В термопластических полимерах наряду с кристаллической всегда присутствует и аморфная фаза. Отношение объема кристаллической фазы к общему объему характеризует степень кристалличности полимера. Чем больше степень кристалличности, тем выше теплостойкость, жесткость и прочность полимера. В тоже время, степень полимеризации (кристалличности) полимеров в полимерсодержащих бетонах величина практически не контролируемая, зависящая от условий его твердения, степени гидратации цемента и количества оставшейся свободной воды.

В общем, термопластам присущи недостатки, ограничивающие их применение в строительстве. Это низкая теплостойкость и модуль упругости, хрупкость при температурах ниже температуры хрупкости, большая ползучесть, склонность к старению. Данные недостатки термопластов переносятся на полимерсодержащие бетоны на их основе.

Известно, что полимеры с линейным строением молекул при нагревании размягчаются, в полимерах же трехмерного строения длинные цепи связаны между собой короткими поперечными цепями. Чем больше число таких связей, тем меньше их способность при нагревании размягчаться. В связи с этим имеют интерес результаты исследований, в которых доказано, что железо и его соединения обладают повышенной способностью обеспечивать полимеризацию, обеспечивая сращивание молекул солей органических кислот в значительные комплексы, которые по своим свойствам и составу близки к полимерам.

Целью проведенных автором исследований являлось изучение возможности повышения прочности пенобетонов путем введения в их состав органических веществ, которые в обычных условиях не полимеризуются.

Как известно, при взаимодействии железосодержащих химических соединений с натриевой солью олеиновой кислоты - олеатом натрия, происходит реакция присоединения ионов железа к углеводородным радикалам олеиновой кислоты, например, по реакции

СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СООNa + Fe(OH)₃ =

= Fe[СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СОО]_n(OH)_m + l∙NaOH

или

СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СООNa + Fe(OH)₂ =

= Fe[СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СОО]_k(OH)_i + j∙NaOH

или

СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СООNa + FeO + H₂O =

= Fe[СН(СН₂)₇СООН=СН(СН₂)₇СОО]_s(OH)_f + p∙NaOH

В присутствии свободного железа, происходит разрыв двойной связи в радикале ненасыщенной органической кислоты и «степень полимеризации» системы возрастает, а это, как известно, приводит к увеличению прочности и долговечности полимеров.

Таким образом, при взаимодействии соединений железа с солями органических кислот возможна полимеризация не полимеризующихся в обычных условиях производных органических соединений. Присутствие свободного железа повышает степень полимеризации таких соединений, переводя их из полимеров линейного строения в полимеры с разветвленной структурой.

Для подтверждения данного вывода автором были проведены экспериментальные исследования прочности пористого бетона (пенобетона), содержащего добавку, включающую органическую составляющую и соединения железа.

В качестве связующего в исследованиях был принят портландцемент ОАО «Кривой Рог Цемент», в качестве органической составляющей добавки была принята смесь полиспирта и натриевой соли высшей жирной кислоты, в качестве железосодержащего компонента - горные породы Криворожского месторождения. Изготовление образцов и определение прочности бетона производилось согласно стандартным методикам. При выполнении экспериментов варьируемыми параметрами были приняты содержание минерально-органической добавки и соотношение между ее органической и железосодержащей частями при постоянном составе бетона.

В результате экспериментов установлено, что введение натриевой соли высшей органической кислоты и полиспирта в состав пенобетона повышает его прочность при сжатии на 50-100%, которая достигает у бетонов плотностью 500 кг/м³ 2,6 МПа, а у бетонов плотностью 600 кг/м³ – 3,4 МПа (при твердении в нормальных условиях). Введение в состав бетона комплексной добавки, состоящей из натриевой соли высшей органической кислоты и полиспирта, а также железосодержащих горных пород, приводит к повышению прочности при сжатии на 150-200%, которая достигает у бетонов плотностью 500 кг/м³ 3,2 МПа, а у бетонов плотностью 600 кг/м³ – 3,8 МПа (при твердении в нормальных условиях).

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что введение в состав пенобетона комплексной минерально-органической добавки состоящей из смеси полиспирта, натриевой соли высшей жирной кислоты железосодержащих минералов приводит к увеличению его прочности при сжатии за счет упрочения стенок пор, что позволяет использовать такие бетоны при строительстве домов повышенной этажности без изменения теплопроводных свойств бетона.