Физико-химические основы ресурсосберегающих технологий повышения прочности строительных растворов

Скальный B.C., Крыжановский И.И. (г. Орел); Косыгин Е.В. (г. Владимир)

При строительстве каменных зданий и сооружений производственного и жилищно-гражданского назначений используются в большом объеме строительные растворы на основе различных вяжущих материалов, в том числе цемента, известкового теста, карбидного ила и т.д. Свойства этих материалов хорошо известны и получаемые на их основе строительные растворы обладают определенными физико-механическими характеристиками при соответствующем составе заполнителей. В традиционных технологиях приготовления строительных растворов их прочность в большей степени зависит от процентного содержания вяжущих веществ.

В то же время с позиций физико-химической теории во взаимодействии вяжущих веществ с минеральными заполнителями прочность строительных растворов может существенно изменяться при изменении величины суммарной свободной поверхностной энергии последнего, в пределах постоянного вещественного и композиционного состава. Это обстоятельство позволяет существенно повышать прочность строительных растворов без увеличения количественного состава вяжущих, или при заданной прочности раствора снижать содержание вяжущих веществ, наиболее дорогой их составляющей.

Формирование прочности каменной кладки в стеновых конструкциях зданий и сооружений осуществляется с помощью раствора подвергаемого уплотнению сжатием до полного его схватывания. При такой технологии строительства в контактных слоях, а именно твердая поверхность каменного материала кладки и минеральных частиц раствора - вяжущее вещество наблюдается процесс образования структурных связей, которые являются основной характеристикой формирования прочности растворов и каменной кладки, и зависят от удельной и суммарной поверхностной энергии минеральных частиц заполнителя раствора.

Величина удельной свободной поверхностной энергии зависит от свойств минерала, а именно от его плотности, а суммарная свободная поверхностная энергия - от величины суммарной поверхности минеральных частиц, содержащихся в единице объема массы материала. Таким образом, для повышения прочности строительных растворов и высокой их адгезии к основному строительному материалу при неизменном объеме вяжущего, необходимо увеличивать дисперсность минерального заполнителя раствора. Большое значение в разработке ресурсосберегающих технологиях имеет использование местных вяжущих материалов, например, известкового теста или карбидного ила в известковых растворах с песчаным заполнителем. Но так как песок имеет удельную поверхность примерно 250-300 см кв./г, то он относится к грубодисперсным материалам, а потому прочность и качество каменных, конструкций получается низким и недолговечным. Поэтому известково-песчаные растворы обладают низкой эрозионной стойкостью от агрессивного воздействия грунтовой и воздушной среды каменных конструкций зданий и сооружений. Чем меньше суммарная поверхность минеральных частиц заполнителя, тем меньше их суммарная поверхностная энергия и тем меньше структурная прочность строительного раствора при одинаковой удельной поверхностной энергии минеральных частиц. Поэтому для повышения структурной прочности строительных растворов целесообразно подвергать тонкому измельчению минеральный заполнитель, например, песок до удельной поверхности 8000-9000 см кв./г. Регулируя процентное соотношение диспергированного и природной крупности песка в строительном растворе можно регулировать его прочность без изменения количества вяжущего в растворе, а следовательно, прочность и долговечность несущих конструкций каменных зданий и сооружений. При измельчении песка его частицы размалываются в тонкий порошок, увеличивается качество чистых незапыленных поверхностей. Реакционная способность измельченного песка резко повышается, и он начинает сам проявлять вяжущие свойства. В качестве вяжущего целесообразно применять вещества, обладающие высоким химическим сродством с материалом кладки. Раствор, полученный на основе гашеной карбонатной извести и смеси тонкодисперсного песка с песком природной крупности обладает повышенной пластичностью, скорость твердения его значительно возрастает. При этом введение частично немолотого природного песка способствует снижению усадочных процессов.

При ремонтно-восстановительных работах для достижения высоких результатов качества работ, необходимо удалить деструктивные вещества с поверхности камня и их трещин, препятствующие адгезионным процессам при инъекционном укреплении каменной кладки и восполнении утраченных объемов. С этой целью необходима специальная подготовка поверхности каменных материалов, восстанавливающая его физико-химическую активность. Технология приготовления раствора должна быть такой, чтобы поверхностная энергия каменного материала и растворной смеси были адекватны.
Минеральные частицы раствора, находясь в дисперсном состоянии, обладают плотной гидратной оболочной и связаны между собой через диффузионный слой взаимодействием силовых полей поверхностных энергий. Если увеличить количество воды в растворе, то активная часть этой поверхностной энергии уменьшается, а если уменьшить - то увеличивается.

Уменьшение воды в диффузионном слое повышает силовое поле поверхностных энергий, и минеральные частицы начинают сближаться. При испарении влаги у поверхности минеральных частиц остаются адсорбционные водные оболочки и связи, существующие между адсорбционными оболочками сходными со свойствами твердого тела. Но для создания структурных связей между структурообразующими элементами раствора необходимо уменьшить миграционный отток адсорбционных водных слоев. С этой целью необходимо применять высокодисперсные минеральные частицы, не имеющие на поверхности катионов с более низкой поверхностной энергией.
Аналогичные явления возможно наблюдать при взаимодействии минеральных частиц поверхности каменных материалов с минеральными частицами растворов.

Процесс сближения минеральных частиц в твердеющем растворе зависит от скорости уменьшения влажности раствора, величины удельной и общей поверхностной энергии его минерального состава, так как при твердении происходит пространственное перемещение частиц с формированием структуры твердеющей массы по принципу химического сродства, то есть сближаются в начале те частицы у которых величины удельных свободных поверхностных энергий равны или близки по величине. Поэтому частицы с большой поверхностной энергией являются кристаллизаторами для частиц с близкой по величине удельной поверхностной энергией. С другой стороны, чем больше компонентов раствора, тем меньше скорость структурообразрвания и больше время твердения растворной массы.

Нами были проведены лабораторные испытания различных строительных растворов с одинаковым вещественным составом, изготовленных по новой технологии и по действующим техническим условиям. Результаты испытаний показали, что прочность на сжатие строительных растворов, изготовленных по новой технологии увеличивается более чем в 30 раз по сравнению с типовым аналогом. А, например, обычный известковый раствор не воспринимающий изгибающие нагрузки, - при том же вещественном составе, но приготовленный по новой технологии приобретает прочность на изгиб свыше 3,5 МПа. Такая прочность на изгиб в несколько раз больше прочности на сжатие для обычного известкового раствора.

При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна.

© НПФ «Тектоника», 1991-2020.