Флюатирование – эффективный способ повышения эксплуатационных свойств бетона

Опубликовано: 02.09.2018

Проведен анализ пропиточного состава на основе гексафторсиликата магния для обработки бетонных и железобетонных изделий с целью увеличения их долговечности. Пропиточный состав «Сифтом» обеспечивает повышение прочности бетона на сжатие, морозостойкости и водонепроницаемости, снижение его водопоглощения, капиллярного водонасыщения, карбонизации и хлоридопроницаемости. Разработанный пропиточный состав по эффективности действия не уступает зарубежным аналогам, в частности Burke-0-Lith (США).

This article deals with the developing of impregnation solution on basis of hexafluorosilicate of magnesium for treatment of concrete and ferroconcrete products to improve their durability. Estimation of the protective properties of solutions was conducted fully by volume and time variation of the following characteristics: capillary water saturation, water impermeability, water saturation strength, strength during water saturation-drying and freeze-thawing tests. The developed solution are highly competitive with their american analogue Burke-0-Lith (USA).

ВВЕДЕНИЕ

Сооружения из бетона и железобетона, как из всякого другого материала, со временем подвергаются разрушению. В этой связи актуальной задачей является обеспечение проектной долговечности железобетонных конструкций.

В настоящее время разработан ряд мероприятий, обеспечивающих снижение агрессивного воздействия различных факторов на бетон, основными из которых являются: применение специальных цементов с относительно малым содержанием алита, трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита; введение в состав цемента при помоле клинкера кислых минеральных добавок вулканического или осадочного происхождения, содержащих активный кремнезем; повышение тонкости помола цемента; качественное уплотнение бетонной массы и др. Перечисленные мероприятия относятся к мерам первичной защиты бетона. Однако они не всегда приводят к желаемому результату. Поэтому возникает необходимость применения мер вторичной защиты, которые предполагают поверхностную обработку (пропитку) сформировавшегося бетона различными составами, изменяющими физико-химические и физико-механические свойства цементного камня и бетона [1].

В настоящее время для указанной цели предлагается целый ряд реагентов, начиная с растительных масел и заканчивая растворами и эмульсиями на основе неорганических и органических соединений [2, 3]. Однако широкого распространения они не получили по одной из приведенных причин: дефицитность, высокая стоимость, токсичность.

Одним из эффективных способов обработки бетона является флюатирование – введение в состав бетонной смеси гексафторсиликатов магния, кальция, цинка и других металлов (объемное флюатирование), либо обработка бетонной поверхности водными растворами указанных солей (поверхностное флюатирование). Однако и это направление не нашло практического применения из-за отсутствия в странах СНГ, в том числе и в Беларуси, производства флюатов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На кафедре химической технологии вяжущих материалов Белорусского государственного технологического университета проведены лабораторные исследования по синтезу гексафторсиликата магния, оптимизированы технологические параметры и разработан технологический процесс его получения [4–6]. Успешная реализация первого этапа работы (разработана технология получения гексафторсиликата магния) позволила решить другую задачу – разработать пропиточный состав на основе гексафторсиликата магния для повышения эксплуатационных свойств бетона.

При разработке пропиточного состава на основе MgSiF6 проводили оценку защитных свойств комплексно по величине и изменению во времени показателей капиллярного водонасыщения, водопоглощения, прочности на сжатие и изгиб, морозостойкости и атмосферостойкости.

Для проведения испытаний были изготовлены образцы-кубы с размером ребра 70 мм из бетонной смеси состава, кг/м3: цемент – 350, щебень фракции 5–20 мм – 1220, песок с модулем крупности 2,4 – 750, вода – 155. В бетонную смесь вводили пластификатор С-3 в количестве 0,7 % от массы цемента. Образцы подвергали тепловлажностной обработке и до достижения ими возраста 28 суток хранили в ванне с гидравлическим затвором в нормальных условиях. Непосредственно перед обработкой пропиточными составами производили подготовку образцов, включающую обезжиривание, очистку проволочной щеткой и обеспыливание поверхностей граней путем промывки под струей воды, а также высушивание в сушильном шкафу при температуре (70 ± 5) оС в течение одних суток.

На первом этапе работы была проведена серия экспериментов по оптимизации режима поверхностной обработки бетона водным раствором гексафторсиликата магния, то есть определены кратность пропитки и концентрация раствора MgSiF6 для каждого слоя. Установлено, что оптимальным режимом обработки бетона является его пропитка в два приема с концентрацией гексафторсиликата магния 5 мас. % и 15 мас. %. Разработанный пропиточный состав получил техническое название «Сифтом».

В настоящее время для антикоррозионной защиты наиболее ответственных бетонных и железобетонных конструкций используется пропиточный состав Вuгkе-0-Lith производства американской фирмы Вuгkе, который является монопольным продуктом этого класса на строительном рынке СНГ. Действующее вещество в Вuгkе-0-Lith – гексафторсиликат магния.

Для оценки эффективности защитных свойств пропиточного состава «Сифтом» были проведены комплексные сравнительные испытания образцов бетона, обработанных раствором Вuгkе-0-Lith. Показатели водопоглощения образцов при погружении в воду приведены в таблице 1.

Таблица 1. Водопоглощение образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами

Антикоррозионный состав Водопоглощение, %, через время 0,5 ч 1,0 ч 4,0 ч 1 сут 2 сут 3 сут 6 сут
Контрольные образцы (без пропитки) 1,9 2,2 3,0 3,1 3,2 3,2 3,4
«Сифтом» 1,2 1,5 2,5 2,9 3,0 3,0 3,1
Burke-0-Lith 1,3 1,5 2,4 2,9 2,9 3,0 3,2

Из таблицы 1 видно, что через 0,5–4 часа после пропитки бетона раствором «Сифтом» в сравнении с контрольными образцами достигается снижение водопоглощения на 36,8 % и 16,7 % соответственно. У образцов, обработанных Burke-0-Lith, водопоглощение находится на уровне пропиточного состава «Сифтом». Полученные результаты объясняются прежде всего тем, что в результате возникающих диффузионных процессов гексафторсиликат магния перемещается с поверхности бетонного образца вглубь капилляров, пустот и микротрещин в бетонном массиве, где в результате взаимодействия с гидроксидом и карбонатом кальция образуются нерастворимые соединения. Внутрикапиллярное кристаллообразование уплотняет структуру бетона, то есть обеспечивается кольматация порового пространства, что препятствует фильтрации воды и растворов.

Для изучения природы новообразований было проведено рентгенографическое исследование цементного камня, обработанного пропиточным составом «Сифтом», и контрольного (не пропитанного) образца. На рентгенограмме последнего присутствуют пики, соответствующие Са(ОН)2, в то время как у пропитанного раствором «Сифтом» они не наблюдаются, однако появляются рефлексы, характерные для MgF2 и CaF2. Таким образом, установлено, что в результате обработки цементного камня пропиточным составом «Сифтом» водорастворимый гидроксид кальция взаимодействует с гексафторсиликатом магния с образованием водонерастворимых фторидов магния и кальция.

При увлажнении бетона за счет капиллярного подсоса (таблица 2) раствор «Сифтом» также не уступает пропиточному составу Burke-0-Lith.

Таблица 2. Капиллярное водонасыщение образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами

Антикоррозионный состав Капиллярное водонасыщение, %, через время, сут 1 2 3 6
Контрольные образцы (без пропитки) 1,2 1,6 1,9 2,4
«Сифтом» 0,5 0,8 1,0 1,5
Burke-0-Lith 0,6 0,7 1,0 1,6

При однократном капиллярном водонасыщении образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами, снижение водонасыщения у образцов, обработанных раствором «Сифтом», составляет от 58,3 %до 37,5 % в течение 1–6 суток испытаний.

Последующее выдерживание капиллярно насыщенных образцов, обработанных антикоррозионными составами, на воздухе в течение 14 суток и повторное их водонасыщение (таблица 3) показало значительное увеличение защитного эффекта.

Из таблицы 3 видно, что в сравнении с контрольными (без пропитки) у образцов, обработанных антикоррозионными составами, наблюдается стабильное снижение водонасыщения в течение 1–6 суток испытаний, которое составило 55,6 %–60,0 % для «Сифтом» и 50,0 %–52,0 % для Burke-0-Lith. По мнению авторов, это может быть связано с медленно протекающими во времени процессами уплотнения структуры бетона за счет реакции основных компонентов, входящих в состав пропиточных растворов «Сифтом» и Burke-0-Lith, с продуктами гидратации цемента. Как и следовало ожидать, уплотнение структуры бетона сопровождается повышением морозостойкости и прочности на сжатие (таблицы 4 и 5).

Таблица 3. Капиллярное водонасыщение образцов бетона (повторно), пропитанных антикоррозионными составами, после 6 сут водонасыщения и последующего выдерживания на воздухе в течение 14 сут

Антикоррозионный состав Капиллярное водонасыщение, %, через время, сут 1 2 3 6
Контрольные образцы (без пропитки) 1,0 1,3 1,5 1,6
«Сифтом» 0,5 0,7 0,8 1,0
Burke-0-Lith 0,7 0,9 1,1 1,3

Таблица 4. Прочность, водо- и морозостойкость образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами

Антикоррозионный состав Прочность образцов, МПа Коэффициенты сухих водонасыщенных после замораживания–оттаивания после 10 циклов водонасыщения–высушивания ( W– C) KP KF KW – C
Контрольные образцы 37,4 32,8 32,7 * (26,3 **) 33,3 0,88 1,00 * (0,80 **) 1,02
«Сифтом» 42,2 38,3 53,3 * (47,6 **) 42,2 0,91 1,39 * (1,24 **) 1,10
Burke-0-Lith 42,8 38,9 53,0 * (48,0 **) 43,9 0,91 1,36 * (1,23* *) 1,13
* Морозостойкость F300. ** Морозостойкость F400.

Таблица 5. Прочность на сжатие образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами, после 500 циклов замораживания-оттаивания

Антикоррозионный состав Прочность на сжатие, МПа KF Примечание до замораживания после замораживания
Контрольные образцы (без пропитки) 32,8 24,1 0,73 Начальное шелушение образцов наблюдается после 300 циклов
«Сифтом» 38,3 45,7 1,19 Начальное шелушение образцов наблюдается после 400 циклов
Burke-0-Lith 38,9 46,2 1,19

Из таблиц 4 и 5 видно, что у образцов бетона, обработанного антикоррозионными составами, наблюдается повышение морозостойкости, устойчивости к циклам водонасыщения–высушивания в сравнении с контрольными образцами, которые к моменту завершения испытаний имеют тенденцию к разрушению, характеризующемуся начальным шелушением и потерей прочности. Наблюдаемый прирост прочности образцов обусловлен, с одной стороны, уплотнением структуры бетона продуктами реакции гексафторсиликата магния и гидроксида кальция, образующимся в результате гидролиза и гидратации цемента, которые представляют собой водонерастворимые фториды кальция и магния и кремнегель, с другой стороны – с кристаллизацией солей в порах бетона. Таким образом, обработка пропиточными составами оказывает существенное влияние на морозостойкость бетона.

С целью определения эффективности защиты пропиточными составами бетона, бывшего в эксплуатации, свежеприготовленные образцы были искусственно «состарены», после чего испытаны на водопоглощение, прочность на сжатие и изгиб (таблица 6).

Таблица 6. Свойства образцов бетона, пропитанных антикоррозионными составами после 50 циклов атмосферостойкости

Антикоррозионный состав Водопоглощение, %, через время, ч Прочность, МПа 0,5 1,0 4,0 24,0 48,0 на изгиб на сжатие
Контрольные образцы (без пропитки) 0,5 0,7 1,5 2,7 2,8 5,8 34,8
«Сифтом» 0,3 0,6 1,3 2,5 2,4 5,8 41,6
Burke-0-Lith 0,4 0,7 1,2 2,3 2,4 5,7 42,4

Из таблиц 6 видно, что водопоглощение контрольных непропитанных образцов выше, чем обработанных. Кроме того, наблюдается увеличение прочности на сжатие бетонных образцов, обработанных антикоррозионными составами. Таким образом, установлено, что флюатирование бетона целесообразно как в процессе эксплуатации, так и непосредственно сразу после его изготовления.

Заключительным этапом исследований явилось изучение совместимости бетонной поверхности, обработанной пропиточным составом «Сифтом», с лакокрасочными материалами. Для покраски бетона было выбрано два наиболее распространенных лакокрасочных материала – алкидная эмаль ПФ-115 на органическом растворителе и вводно-дисперсионная акриловая краска Vita polimer fassad.

Для испытаний были изготовлены бетонные образцы плитки размером 70х70х10 мм. На предварительно обработанные пропиточным составом «Сифтом» бетонные образцы методом распыления наносились лакокрасочные материалы, после чего образцы подвергались испытаниям на атмосферостойкость (количество циклов водонасыщения–высушивания–замораживания–оттаивания). Полученные результаты представлены в таблице 7.

Таблица 7. Совместимость бетонной поверхности, пропитанной химической добавкой на основе гексафторсиликата магния «Сифтом», с лакокрасочными материалами

Краска Количество циклов испытания Технология окраски Величина дефектной поверхности (отслоение окраски, шелушение поверхности), %
ПФ-115 20 Через 1 сут после пропитки раствором «Сифтом» без предварительной подготовки поверхности 60
Vita polimer fassad 40
ПФ-115 25 Через 7 сут после пропитки раствором «Сифтом» без предварительной подготовки поверхности 2
Vita polimer fassad 2
ПФ-115 25 Через 14 сут после пропитки раствором «Сифтом» без предварительной подготовки поверхности 1
Vita polimer fassad 2
ПФ-115 25 Через 14 сут после пропитки раствором «Сифтом» с предварительной промывкой поверхности водой 0
Vita polimer fassad 2
ПФ-115 25 Через 14 сут после пропитки раствором «Сифтом» с предварительной промывкой поверхности раствором моющего средства 0
Vita polimer fassad 1

Таким образом, по мнению авторов, покровную окраску бетонных и железобетонных конструкций, обработанных химическими добавками на основе гексафторсиликата магния, можно производить не ранее, чем через 7 суток после пропитки. При отсутствии на поверхности бетона высолов гексафторсиликата магния предварительную подготовку поверхности можно исключить. Кроме того, в качестве лакокрасочных материалов следует использовать алкидные, перхлорвиниловые эмали на органических растворителях и вводно-дисперсионные краски на акриловой основе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Совокупность изученных свойств позволяет полагать, что предлагаемое средство для вторичной защиты бетона и железобетона «Сифтом» является достаточно эффективным и целесообразным для использования на практике.

Пропиточный состав «Сифтом» на основе гексафторсиликата магния прошел тестирование в испытательном центре РУП «БелдорНИИ» (г. Минск) и в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона «НИИЖБ» (г. Москва), которое показало его высокую эффективность, не уступающую пропиточному составу-аналогу Burke-0-Lith.

РУП «БелдорНИИ» были проведены работы по антикоррозионной защите пропиточным составом «Сифтом» элементов мостовых конструкций через реку Зембинка на 2 км подъезда к автомобильной дороге Борисов – Вилейка – Ошмяны и через мелиоративный канал на 22 км автомобильной дороги Войнилово – Клинок – Смиловичи. БелдорНИИ систематически проводятся обследования опытных участков. Установлено, что за время эксплуатации разрушений и повреждений, связанных с воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды, не отмечено.

2 На пропиточный состав «Сифтом» разработана нормативно-техническая документация (технологический регламент на производство пропиточного состава «Сифтом» и технические условия ТУ BY 100354659.460-2006). В настоящее время в ОАО «Гомельский химический завод» организовано производство гексафторсиликата магния как в порошкообразном виде, так и в виде раствора и пропиточного состава на его основе «Сифтом».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шейнин, А. М. Об эффективности вторичной защиты дорожного бетона / А. М. Шейнин, С. В. Эккель // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2004. – № 1. – С. 19–23.

2. Степанова, В. Ф. Новые эффективные материалы для вторичной защиты железобетонных конструкций / В. Ф. Степанова, С. Е. Соколова, А. Л. Полушкин // Бетон и железобетон – пути развития: научные труды 2-й Всерос. конф. по бетону и железобетону, Москва, 5–9 сентября 2005 г. – М.: Дипак, 2005. – Т. 4. – С. 509–511.

3. Минин А. В. Защитные составы для борьбы с коррозией бетона в агрессивных средах / А. В. Минин [и др.] // Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической промышленности и производстве строительных материалов: матер. докладов МНТК, Минск, 9–10 ноября 2000 г. – Минск, 2003. – С. 233–235.

4. Хотянович, О. Е. Технология гексафторсиликата магния / О. Е. Хотянович, М. И. Кузьменков // Химическая промышленность. – 2007. – Т. 84, № 5. – С. 233–241.

5. Кузьменков, М. И. Синтез гексафторсиликата магния / М. И. Кузьменков, О. Е. Хотянович // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: сб. науч. трудов. / НАН Беларуси, Институт химии новых материалов. – Минск: Белорусская наука, 2008. – С. 161–173.

6. Способ получения гексафторсиликата магния: патент 7658 Республики Беларусь, МПК7 С 01В 33/10 / М. И. Кузьменков [и др.]; заявитель Белорусский гос. технологич. ун-т. – № а 20030011; заявл. 08.01.2003; опубл. 13.09.2005.

rss