19 Июль 2016

 

В.Ю. ШАНГИН, канд. техн. наук, Петербургский государственный университет путей сообщения

Широко используемые цементные смеси — штукатурные, гидроизоляционные, литые и самовыравнивающиеся в выравнивающих покрытиях имеют ряд отличительных особенностей. В этих покрытиях толщина слоя несоизмеримо мала по сравнению с площадью выравниваемой поверхности, высокоподвижные цементные смеси необходимо наносить тонкими слоями без специального механического уплотнения по пористому основанию — кирпичу, бетону, часто уже имеющему поверхностные трещины.

 

Известно, что цементный камень аккумулирует потенциальную энергию упругой деформации и в некоторый момент концентрация местных напряжений от усадки тонкослойной цементной композиции вызывает появление трещин. Энергия, которую высвобождает трещина, взаимосвязана с теплосодержанием компонентов или веществ, формирующих фазовое состояние материала. Согласно законам термодинамики для сложных многокомпонентных систем теплосодержание веществ, образующих искусственный камень, характеризуется молярным значением стандартной энтальпии образования соединения: -ДН0298, кДж/моль. Следовательно, при прочих равных условиях вводимые в композицию неорганические вещества как фазы различной физико-химической природы должны влиять на механические свойства цементного камня в тонкослойном покрытии, а величина параметра теплосодержания -ДН°298 вводимой фазы должна отражать закономерности этого влияния. Для проверки изложенной гипотезы были проведены настоящие исследования применительно к тонкослойным цементным покрытиям.

 

На трещиностойкость цементных композиционных материалов оказывают определяющее влияние два параметра: прочность при растяжении (ор) и усадка (е) композита. Свойства тонкослойных цементных покрытий толщиной от 5 до 15 мм являются малоизученными, поскольку стандартные методы испытания растворов не позволяют моделировать работу цементного камня в тонком слое. Приведенные ниже результаты получены по методике экспериментальных исследований тонкослойных цементных композиций [1], основанной на способе определения трещиностойкости, изложенном в [2], и параллельно подтверждены стандартными испытаниями, показавшими корреляционную взаимосвязь изучаемых параметров ор и е с одними и теми же факторами.

 

Суть методологии испытания заключалась в том, что образец-кольцо из тонкого слоя раствора толщиной 10 мм подвергался растягивающим напряжениям до разрушения, которые создаются нагнетанием воздуха в сферическую камеру, помещенную внутри кольца. Причем до испытания данного образца-кольца производились замеры его наружного диаметра для определения кинетики усадки материала. Важно обратить внимание на то, что при таком способе испытания величины прочности при растяжении и относительной деформации усадки определяются на одном и том же образце, что позволяет свести к минимуму погрешность измерений. При прочих равных условиях определяющим признаком при изготовлении образцов является равная подвижность укладываемой смеси при расплыве 25 см по вискозиметру Суттардта. Испытания по определению прочности при растяжении проводились на образцах в возрасте 14 сут. Такой возраст образцов был принят по результатам натурных исследований, которые показали, что риск появления усадочных трещин на поверхности штукатурного слоя наиболее вероятен в течение двух недель после укладки раствора. Также проводились исследования по водопоглощению (W) этих же образцов, поскольку этот параметр характеризует структуру композиционного материала.

 

Результаты испытаний тонкослойных цементных покрытий при введении оксидов CuO, PbO, NiO, PbO2, MnO2 и Fe2O3 в количестве 0,5% от массы портландцемента М 500 Д° ОАО «Осколцемент» приведены на рис. 1, 2 и 3; на рис. 4 показана гистограмма водотвердых отношений укладываемых растворов.

 

sm_02_06v-99

-∧Н0298кДж/моль

sm_02_06v-100

-∧Н0298кДж/моль

sm_02_06v-101

-∧Н0298кДж/моль

Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К — контрольный образец Рис. 2. Зависимость относительной усадки от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К -контрольный образец Рис. 3. Зависимость водопоглощения от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К — контрольный образец

 

Оказалось, что введение в композицию оксидов обеспечивает рост прочности при растяжении, снижение усадки и водопоглощения тонкослойной цементной композиции по мере снижения теплосодержания вводимых фаз при изменении значения параметра -AH°298 от 240 до 823 кДж/моль. Максимальный прирост прочности 142% получен при введении оксида Fe2O3 (рис. 1). При этом величины усадки и водопоглощения имеют минимальные значения (рис. 2 и 3). Следует отметить, что введение оксидов вызвало увеличение водотвердых отношений по сравнению с контрольным значением (рис. 4).

 

sm_02_06v-102

Рис. 4. Гистограмма водотвердых отношений при введении оксидов: 1 — Fe2O3; 2 — МПО2; 3 — PbO2; 4 — NiO; 5 — PbO; 6— CuO; 7— контрольный образец

 

Поскольку для массивных бетонных конструкций характеристиками трещиностойкости являются соотношения прочности при изгибе к сжатию и прочности при растяжении к усадке, по аналогии для тонкослойных цементных композиций были подсчитаны соотношения прочности при растяжении к сжатию (К3) и прочности при растяжении к усадке (К2), которые приведены в табл. 1. При этом параметр К1=σр/σсж является условным коэффициентом, безразмерной величиной отношения значений прочности, а параметр К2=σр/ε — характеристикой трещиностойкости.
Таблица 1

Добавка

К1 = σрсж

К2 = σр/ε, ГПа

Нет (контрольный образец Пц 500 Д0)

0,033

0,536

0,5% CuO

0,029

0,413

0,5% PbO

0,032

0,489

0,5% NiO

0,037

0,61

0,5% PbO2

0,038

0,637

0,5% MnO2

0,043

0,763

0,5% Fe2O3

0,046

0,84

 

Улучшили параметры σрε и W, а также характеристики трещиностойкости тонкого слоя композиции: К и К2 (табл. 1) следующие вводимые оксиды: NiO, PbO2, MnO2, Fe2O3.

 

Результаты дериватографического анализа при введении Fe2O3 (значение параметра теплосодержания —ЛН°298 максимально в рассматриваемой группе веществ) в возрасте образцов 1 год приведены табл. 2.
Таблица 2

Добавка

Эффекты на дериватограммах, °С

Потеря H2O, мг

Общая потеря H2O, мг

Гелевая H2O, мг

ор, МПа

130-137

310-320

495-515

800-815

850-865

Нет (контрольный образец)

38

4

10

18

3

73

80

7

1,63

0,5% Fe2O3

50

5

16

20

4

95

103,4

8,4

2,31

 

Полученные методом ДТА результаты показали увеличение химически связанной воды при введении Fe2O3 по сравнению с контрольным значением. Результаты рентгенофазового анализа также подтвердили положительное влияние Fe2O3: степень гидролиза C3S и количество Ca(OH)2 увеличилось по сравнению с контрольным образцом.

 

Таким образом, на примере оксида Fe2O3 показано, что введение оксидов металлов, у которых величина ДН°298 > 240 кДж/моль, способно повысить характеристики трещиностойкости тонкослойных цементных покрытий (табл. 2) по параметрам К до 39,4% и К2 до 56,7%.

 

Следует сказать, что быстрый набор прочности является необходимым техническим свойством многих строительных растворов, например это важно в том случае, когда раствор высокой подвижности используется для выравнивания поверхности пола. Однако практически все известные в технологии бетона добавки-ускорители увеличивают усадку и снижают трещиностойкость бетонов. С использованием описанного выше метода было установлено, что такая же тенденция сохраняется для тонкослойных цементных композиций. Использование хлоридов CuCl2, CoCl2, ZnCl2, MnCl2 и CaCl2 в количестве 0,5% от массы цемента снижает прочность при растяжении тонкослойного камня до 36%, увеличивает усадку до 40%, водопоглощение — до 14% и повышает водотвердое соотношение. Параметр К1 уменьшается при использовании хлорида кальция в тонкослойной цементной композиции на 36%, а параметр К2 — на 54%. Использование же в качестве добавки Fe2O3 позволяет получить выравнивающие покрытия с высокой ранней прочностью и повышенной трещиностойкостью.

 

Список литературы

  1. Сватовская Л.Б., Шангин В.Ю., Шангина Н.Н. и др. Особенности получения и свойства композиционных неорганических покрытий на цементной основе. СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. 2005. 98 с.
  2. Шангин В.Ю., Громов Н.А., Гогишвили Г.Б. Способ определения трещиностойкости строительного материала. Патент 2242740 РФ // Бюл. № 35. 2004. С. 775.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»