автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Антиобледенительное покрытие для мелкозернистого бетона

На правах рукописи

КОЖУХОВА МАРИНА ИВАНОВНА

АНТИОБЛЕДЕМИТЕЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород 2014

005554467

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - Строкова Валерия Валерьевна

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты — Низина Татьяна Анатольевна

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительных конструкций ФБГОУ ВПО Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

- Королева Елена Леонидовна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры производства строительных конструкций ГОУ ВПО Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Сибирская государствен-

ная аБтомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Зашита состоится « 30 » сентября 2014 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242. Телефон для справок 8(4722) 55-95-78

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http:// gos_at t. bstu .ru/d i s.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: gos.att.bstu.ru.

Автореферат разослан «30» июля 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета I_ Г.А. Смоляго

Актуальность. Вопрос повышения срока эксплуатации изделий из бетона является одним из наиболее актуальных в строительной отрасли. Ввиду высоких пористости и капиллярного водопоглощения, цементобетон становится уязвимым под действием многочисленных факторов, способствующих разрушению целостности его структуры. Попеременное замораживание-оттаивание, воздействие агрессивных жидкостей (сульфатных растворов, образующихся в результате применения противогололедных солевых реагентов) накладывают существенный отпечаток на срок службы материалов. Повышение водостойкости, а также снижение адгезии льда к поверхности бетона определяют его долговечность, что особенно актуально для дорожно-строительных материалов.

Одним из перспективных путей защиты бетона от образования наледей в зимний период является достижение антиадгезнонного эффекта системы «лед - бетонная поверхность» путем создания антиобледенительного сверх- и супергидрофобного1 слоя на поверхности цементобетонных изделий.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках: ФЦП Меропр. 1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей (согл. № 14.B37.21.i218 2012-2013 гг.); программ стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова № А-16/12 и № Б-11/14 (2012-2014 гг.).

Цель и задачи работы. Разработка комплексного антиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона, включающего высокоразвитую поверхность бетона и гидрофобную эмульсию.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение состава, свойств и морфологических особенностей высокодисперсных веществ, как компонентов антиобледенительного защитного покрытия;

- разработка составов и оптимизация технологического процесса получения гидрофобного силоксанового покрытия;

- разработка составов и технологии создания антиобледенительного поверхностного слоя для плит тротуарных на основе мелкозернистого бетона (МЗБ);

— подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований; промышленная апробация.

Научны новизна. Предложены принципы формирования антиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона со сверх- и супергидрофобными свойствами поверхности, заключающиеся в создании комплексного антиобледенительного защитного слоя: поверхность бетона с иерархической структурой и гидрофобная эмульсия. Микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость — за счет капиллярно-пористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном слое, а также гидрофобного силоксанового ком-

1 Сверхгидрофобная поверхность - поверхность, для которой характерно значение краевого угла (КУ) смачивания в диапазоне 120° < а < 150".

Супергидрофобная поверхность — поверхность, для которой харгасгерно значение (КУ) смачивания в диапазоне 150° < а < 180°, при значении критического угла скатывания (К„) не более 10°.

понента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные образующие элементы бетона.

Используя математический аппарат топологии, усгановлена закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона, заключающаяся в том, что с увеличением дисперсности уменьшается плотность упаковки дискретной системы в поверхностном слое и возрастает число тонкодисперсных частиц, что способствует повышению их поверхностной энергии и, как следствие, возрастанию энергетической активности. Наличие размерной гетерогенности в диапазоне нано-, субмикро- и микроразмерности минеральных компонентов, а также их энергетического состояния в условиях критического размера2 способствует стабилизации ограноминеральной эмульсии и формированию сил взаимодействия частиц с верхним слоем цементной матрицы.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения минеральных высокодисперсных компонентов - микрокремнезем или ме-такаолин, в качестве стабилизатора гидрофобной силоксановой эмульсии, а также элементов формирования иерархической структуры капиллярно-пористой поверхности мелкозернистого бетона. Использование ПВС-фибры в составе цементно-песчаной композиции защитного слоя бетона обеспечивает образование ворсистой структуры поверхности и вносит вклад в формирование ее микро- и макрошероховатости. Совокупный эффект этих явлений позволяет создать многоуровневую морфологию на поверхности бетона, способствуя формированию сверх- и супергидрофобных свойств антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ.

Практическая значимость работы. Разработаны составы комплексного антиобледенительного защитного покрытия (КАЗП), состоящего из: мелкозернистого фибробетона с использованием ПВС-фибры; гидрофобной эмульсии, включающей гвдрофобизатор (МНХ-1107 или ГКЖ-94М), эмульгатор (ПВС) и тонкодисперсный минеральный наполнитель (микрокремнезем или метакаолин).

Разработана технология получения антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ, позволяющая получать верхний защитный слой бетона с плотностью 2251-2400 кг/м3, пределами прочности при сжатии 43,6-71,8 МПа; марками по морозостойкости Р200-Р400, истираемостью 0,3-0,58 г/см2, водопогло-щением 4,4-5,6 %, адгезионной прочностью льда 0,03-0,057 МПа, обеспечивающая значения краевого угла смачивания поверхности 135—156° и критического угла скатывания 41,8-5,7°.

Предложена технология производства плит тротуарных с комплексным антиоб-леденительным защитным покрытием.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях проводилась на предприятии ООО «БелЭкоСтрой». Белгородской области при производстве плит тротуарных. Для внедрения результатов

2 Критический размер - размер частиц и их конгломераций, при котором проявляется не-

обычное изменение одного или комплекса свойств по сравнению со свойствами массивного тела. Необычные свойства малых частиц проявляются в интервале таких размеров, когда плотность упаковки элементов их дискретности в поверхностном слое становится заметно ниже, а количество их больше, чем в удаленных к центру их объема.

научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:

-стандарторганизации СТО 02066339-011-2013 «Покрытие силоксановое. Технические условия»;

- стандарт организации СТО 02066339-013-2014 «Плиты тротуарные гидрофо-бизированные. Технические условия»;

- технологический регламент на производство гидрофобизированных плит тротуарных с использованием защитной силоксановой эмульсии;

- рекомендации по использованию защитной силоксановой эмульсии для производства гидрофобизированных плит тротуарных.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 - «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы и трансфер технологий», а также магистров по направлению 08.04.01 - «Строительство» профиля подготовки «Наносистемы в строительном материаловедении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2011); конкурсе XI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012»: XXII International Materials Research Congress (IMRC) (Мексика, 2013); II Международной научно-практической конференции «Технические и математические науки: актуальные проблемы и перспективы развития» (Киев, Украина, 2013); The ACI Wisconsin Chapter Meeting at The Machine Shed Pevvaukee (США, 2013); IV Всероссийской школе молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология к геохимия» (Черноголовка, 2013); Международной конференции молодых ученых РАН и РААСН «Наносистемы в материаловедении. Перспективы создания и внедрения инновационных технологий» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в девяти научных публикациях, в том числе в трех статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 46 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 210 наименований, 10 приложений.

На защиту выносятся:

- принципы формирования антиобледенительного гидрофобного покрытия для МЗБ;

- закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона;

-теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности применения микрокремнезема (или метакаолина) и ПВС-фибры в качестве разноуровневых компонентов иерархической структуры КАЗП;

- составы и технология получения защитного антиобледенительного покрытия для МЗБ;

- технология производства плит тротуарных на основе МЗБ с комплексным ан-тиобледенительным защитным покрытием.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Производство материалов с водоотталкивающими характеристиками является важной задачей, в большей мере, дорожно-строительной отрасли. Цементобетон, применяемый в дорожном строительстве, как правило, подвергается внешним воздействиям, таким, как эрозия, истирание, воздействие агрессивных сред, а также замерзание-оттаивание воды при перепаде температур. Кумулятивный эффект циклического замораживания-оттаивания в конечном итоге вызывает трещинообразо-вание, разрыхление бетонного монолита и, как следствие, его разрушение. Это также способствует высокой силе адгезии льда к: поверхности покрытия, что значительно снижает действие антиго толедных средств и приводит к проблематичному удалению ледяной норки механическим способом.

На основании проанализированных механизмов деструкции бетона в процессе эксплуатации при отрицательных температурах предложены две модели разрушения ледяного слоя на поверхности цементобетона (рисунок 1).

,треч и«» >Т!>еи»ииа

->1€Д §Ч>'' у "'-,/' Цс 'У -дед

Т"

Т"

~ йетои

*ОНй !!»4 рушения

бе» она

ятшя отрыва льда

-бетон в

Рисунок 1. Модели разрушения поверхностного слоя системы «лед-бетон»: а - при а„р<и^, б- при

Модель 1 описывает развитие трещин в системе «лед - бетон» (рисунок 1, я) при условии, что разрушающее напряжение, возникающее при отрыве льда от поверхности бетона (Стад), выше напряжений, образующихся при трещинообразовании льда (сг„,/,). В этом случае система «лед - бетон» работает как единый элемент, что приводит к развитшо трещин во льду и дальнейшему разрушению поверхностного слоя бетона.

Модель II описывает развитие трещин при условии, что разрушающее напряжение, возникающее при отрыве льда от поверхности бетона (о-,,,,), ниже напряжений, образующихся при трещинообразовании льда (сгтр) (рисунок 1, б). В этом случае траектория развития трещины в ледяной корке будет проходить на границе контакта льда с бетоном, как в зоне наиболее слабых сил взаимодействия.

Таким образом, обеспечение минимальной адгезии льда к бетону позволит предотвратить последствия обледенения, минимизировав разрушение поверхностных слоев мелкозернистого бегона, а также обеспечит эффективность очистки льда с дорожных покрытий и снизит степень аварийности, возникающую вследствие образования гололеда на поверхности дорожного полотна

На сегодняшний день существует ряд способов по борьбе с обледенением бетонных сооружений. В большинстве стран Западной Европы, а также в крупных городах РФ ввиду низкой стоимости и широкой доступности распространено использование химических реагентов, которые, взаимодействуя с верхним слоем дорожного покрытия, предотвращают или разрушают сцепление между слоем льда или снежным покровом и поверхностью дорожного покрытия. Однако данный способ борьбы не позволяет решить вопросы ледяных образований в зимний период

времени без загрязнения окружающей среды. Кроме того, используемые химические реагенты вызывают деструктивные процессы в бетоне, а также способствуют коррозии транспортных средств.

В связи с этим рабочей гипотезой данной работы явилась возможность создания комплексного антиобледенительного защитного покрытия для МЗБ (эффект «лотоса»), включающего: высокоразвитую морфологию поверхности бетона (иерархическую структуру) и защитное гидрофобное покрытие, и обеспечивающим:

- повышенное значение поверхностного натяжения водяной капли на поверхности бетона;

- меньшую площадь контакта би-системы «вода/лед - бетон»;

- слабые адгезионные силы сцепления системы «вода/лед - бетон» при отрицательных температурах.

Данное КАЗП должно являться верхним слоем изделия из бетона и проектироваться с учетом требований, предъявляемых к материалу, для которого оно предназначено.

Для разработки КАЗП использовались следующие сырьевые материалы3:

- мелкий заполнитель для МЗБ — стандартный фракционированный песок со средним размером частиц 425 мм (США); песок Вяземского месторождения (Смоленская область) с модулем крупности 2,7;

- портландцемент типа I (Lafarge, США), а также портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н (ЗАО «Белгородский цемент», РФ);

-гиперпластификатор Glenium 7700 (США); Melflux 1641F (РФ);

- гидрофобизатор — полиметилгидросилоксаи МКХ-1107 (США); ГКЖ-94М (РФ);

- эмульгатор - поливиниловый спирт (Г1ВС);

- тонкодисперсные минеральные наполнители - микрокремнезем производства Elkem (США); метакаолин производства Burgess Optipozz (США);

- фибровый наполнитель - ПВС-фибра производства Kuralon (Япония).

Используемые в работе минеральные компоненты метакаолин и микрокремнезем представляют собой тонкодисперсные порошкообразные материалы (таблица 1) полидисперного состава (рисунок 2) с размерами от 300 нм до 50 мкм для метакао-лина (рисунок 4, а) и L00-600 нм для микрокремнезема (рисунок 4, б). В их составе преобладает содержание рентгеноаморфной фазы, о чем свидетельствуют ярко выраженные гало в диапазонах 15-35 и 17-30 2в (°) для мегакаолина и микрокремнезема соответственно (рисунок 3). Метакаолин представлен частицами преимущественно пластинчатой формы и их агрегатами в виде столбчатых пакетов (рисунок 4, а); микрокремнезем - хлопьеобразными формированиями, состоящими из более мелких скоплений сферических частиц (рисунок 4, б).

Используемая в качестве фибрового наполнителя ПВС-фибра представляет собой прозрачные гладкие стекловидные цилиндрические стержни диаметром 25100 мкм (рисунок 4, в, таблица 2).

Используя математический аппарат топологии, основанный на корпускулярно-геометрических свойствах дискретных систем, рассчитан наибольший эффективный

3 Исследования проводились с использованием аналитической а лабораторной базы ЦВТ БГТУ им. В.Г. Шухова (РФ) и университета Висконсин-Милуоки (США).

(критический) размер агрегаций синтезированных тонкодисперсных минеральных компонентов. Размерный диапазон этого параметра, при котором начинает проявляться их энергетическая активность, составляет 350—450 нм - для микрокремнезема и 600-700 нм - для метакаолина. Это согласуется с данными, полученными с помощью прибора №т(Ш7ег&7,е1аРЛГ,8, где были выявлены значения среднего диаметра частиц и их агрегаций: 407 нм - для микрокремнезема и 655 нм - для метакаолина.

Размер частиц, мкм t и |т в я х <i a; 5з и

Рисунок 2. Распределение частиц по Рисунок 3. Рентгенограммы минеральных

размерам минеральных компонентов компонентов

abe Рисунок 4. Форма частиц и морфология поверхности наполнителей4: а - метакаолина, б ~ микрокремнезема, в - ПВС-фибры

Таблица 1 Физико-механические характеристики минеральных компонентов

Показатель Удельная поверхность, иг/кг Насыпная плотность, кг/м3 Истинная плотность. КГ.'Д!3

Микро кремнезем 2050 174 2300

Метакаолин 1190 325 2430

Таблица 2 Физико-механическне характеристики ПВС-фибры

Диаметр, мм Длина, мм

0,04-0,1 13

Вещественный состав: поливиниловый спирт - >95%: метиловый спирт - <1%

При разработке гидрофобных покрытий определяющими параметрами в оценке

4

Съемка проводилась на РЭМ Mira 3 FesSem (рисунок 4, а, б) и оптическом поляризационном микроскопе ПОЛАМ-Р312 (рисунок 4, в).

гидрофобности поверхности является значение краевого угла (КУ) смачивания и критического угла скатывания (Кус)5.

Установлена теоретическая зависимость КУ смачивания от распределения фибрового компонента и его линейных параметров (диаметр и высота фибры) на поверхности гетерогенной минеральной системы (рисунок 5) и коэффициента шероховатости К/ поверхности. При увеличении степени шероховатости, а также диаметра и высоты выступающей фибры наблюдается повышение показателей КУ смачивания. Однако при увеличении межфибрового расстояния наблюдается тенденция снижения КУ смачивания. Согласно полученным данным, для достижения максимальных значений КУ смачивания межфибровое расстояние (/) должно быть ограничено диапазоном 600-1200 мкм, с высотой выступающей фибры (к) равной 100-250 мкм и высокой степенью шероховатости (Л/= 3).

1 г

I

Рисунок 5. Зависимости расчетных значений КУ смачивания от распределения и линейных параметров фибрового компонента на поверхности гетерогенной минеральной системы: </- средний диаметр фибры (мкм); И - высота выступающей фибры (мкм); ЯГ1 и Д/3 - коэффициенты шероховатости со значениями 1 и 3 соответственно6

Лабораторными исследованиями было установлено, что наиболее эффективной для исследуемых эмульсионных систем является ПВС-эмульгатор с молекулярным весом 16 000. Для этой эмульсии характерна более высокая степень стабильности при высокой концентрации эмульгатора. Рациональное содержание эмульгатора составило 5 %.

Наиболее эффективным для приготовления гидрофобных эмульсий был выбран способ, заключающийся в равномерном распределении тонкодисперсного минерального компонента в водном растворе эмульгатора с последующей эмульсифика-цией полученной суспензии и гидрофобного (силоксанового) компонента. Данный способ обеспечивает формирование глобулярных образований гидрофобизатора в узком размерном диапазоне (5-15 мкм) и их более равномерное распределение в объеме эмульсии.

Минеральный компонент (микрокремнезем либо метакаолин) выступает в каче-

5 Краевой угол (КУ) смачивания - угол, который образует капля жидкости на поверхности твердого вещества к данной поверхности.

Критический угол скатывания (К^ - угол наклона поверхности, при котором происходит скатывание капли жидкости.

6 Обозначение ИЩ1=50 - коэффициент шероховатости равный 1 при высоте выступающей фибры 50 мкм.

при </=50

3 900 1100 1300 1500 1700 1900 1100 Расстояние между фиброй, мкм

10 900 1100 1300 1300 1700 1900 2100 Растояние между фиброй, ыям

при ¿=100

стве эффективного стабилизатора гидрофобной эмульсии. Его рациональное содержание составляет 1 %. При повышении его концентрации увеличивается вязкость эмульсионной системы, что препятствует равномерному распределению ком-тов и созданию эмульсионной структуры.

Исходя из экспериментальных данных (рисунок 6) рациональная дозировка гидрофобной эмульсии, наносимой на поверхность МЗБ, составила 0,09 я/и2.

Выявлено, что при повышении В/Ц от 0,3 до 0,5 и Ц/П от 1:1 до 1:3 увеличивается степень шероховатости поверхности и степень гидрофобности материала. При большей шероховатости не наблюдается значительных отличий в значениях КУ смачивания при использовании метакаолин- или микрокремнеземсодержащей эмульсии. При более высокой плотности и меньшей шероховатости поверхности бетона (В/Ц = 0,3 и Ц/П = 1:1) содержание метакаолина с составе эмульсии дает более выраженный эффект гидрофобности за счет придания дополнительной суб-микро- и микрошероховатости (300нм-50мкм) поверхности при наличии частиц и их агрегатов, находящихся в большем размерном диапазоне в сравнении с микрокремнеземсодержащей эмульсией. В этой эмульсионной системе частицы и конгломераты микрокремнезема составляют более узкий размерный диапазон, создавая в большей степени нано- и субмикрошероховатость (100-600 нм), соизмеримый с естественной шероховатостью пористо-капиллярной поверхности бетона.

Ц/П=1:3,В/Ц = 0,5

К а 35----—

„о ШШ —

125 щ

Ни

ю5 М^^И- ^^НН— —нння_

и ' " 1«

Дозировка эмульсии ■ с мнкрокреэшезеыом ■ с метакаолниом

Рисунок 6. Влияние дозировки используемой гидрофобной эмульсии на показатели КУ смачивания в зависимости от состава цементно-песчаной матрицы:

I - 0,09 л/м2; П - 0,18 л/м2; III - 0,35 л/м2

С целью изменения структуры поверхности цементно-песчаных образцов ей придавалась дополнительная шероховатость путем введения ПВС-фибры, а также посредством механической обработки абразивом. Наилучшие значения КУ смачивания принадлежат образцам с шероховатостью, обеспечиваемой абразивом зернистостью Р60. Рациональное содержание ПВС-фибры в МЗБ в качестве элемента иерархической структуры поверхности и подложки для микро- и наноэлементов минеральной составляющей эмульсии составило 1 % от количества вяжущего. Это количество позволяет обеспечить формирование микро- и макрошероховатость с созданием регулярной ворсистой структуры на поверхности материала.

Для оценки изменения гидрофобных характеристик цементно-песчаной поверх

Ц/П=1:1, В/Ц = 0,3

Дозировка эмульсин и с микрокрогнеземом * с метахаолнном

Значения КУ и К,

Таблица 3 ; в зависимости от вида

цементно-песчаной поверхности

Вид поверхвост!7 1 2 3 4 5 6

Профиль капли д.—- ¿Ж £1 А

КУ.° 14,2 3 25,5 112 139 143

К«," - - >90 15 7,5

ности от ее шероховатости были измерены значения КУ смачивания и Кус шести видов бетонной поверхности с В/Ц=0.3 и Ц/П=1:3 (табл. 3).

Наиболее высокие показатели гидрофобности при прочих равных условиях характерны для составов эмульсионной композиции, с содержанием силоксанового компонента в количестве 5 %.

Анализ микроструктуры комплексного гидрофобного защитного покрытия подтвердил формирование иерархической структуры, обеспечивающей нано-, субмик-ро- и микрошероховатость8 поверхности. Введение ПВС-фибры обеспечивает формирование ворсистой структуры на поверхности бетона, придавая ему дополнительную шероховатость на микро- и макроуровнях (рисунок 7, а).

При последующем нанесении на шероховатую поверхность мелкозернистого защитного бетонного слоя гидрофобная эмульсия, содержащая в своем составе частицы и агрегации тонкодисперсного минерального компонента, покрывает все неровности поверхности, в том числе ПВС-фибру (рисунок 7, б). Частицы минерального компонента (микрокремнезема либо мегакаолина), содержащиеся а эмульсии, закрепляются на бетонной поверхности и выступающих волокнах ПВС-фибры, обеспечивая, при этом микро-, субмикро- и наношероховатость (рисунок 7, в).

Таким образом, формирование сверх- и супергидрофобных свойств бетонной поверхности, обеспечивающих минимальную адгезию льда к бетону и, как следствие, создающих антиобледенительный эффект, происходит за счет формирования иерархической структуры (рисунок 8), путем совместного действия компонентов системы «поверхность бетона - гидрофобный слой». Микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя МЗБ, в состав которого входит ПВС-фибра; нано-, субмикро- и микрошероховатость - за счет естественной капиллярно-пористой поверхности мелкозернистого бетона и присутствия высокодисперсных компонентов (микрокремнезема или мегакаолина) в защитном слое, а также гидрофобного силоксанового компонента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы.

1 - МЗБ без механической поверхностной обработки абразивом;

2 - МЗБ с поверхностной механической обработкой абразивом;

3 - мелкозернистый фибробетон (МЗФБ) с ПВС-фиброй и поверхностной абразивной обработкой;

4 - МЗБ без механической поверхностной обработки, покрытый гидрофобной эмульсией;

5 - МЗБ с механической поверхностной обработкой, покрытый гидрофобной эмульсией;

6 - МЗФБ с механической поверхностной обработкой, покрытый гидрофобной эмульсией. Согласно размерной классификации частиц: нано- (1-100 нм), субмикро- (100-1000 нм)

микро-(1000 нм-0,1см).

Бетон

Рисунок 8. Модель формирования Рисунок 9. Контактная зона «силоксановый

иерархической структуры поверхности защитный слой - бетон»

6-

Рисунок 7. Микроструктура гидрофобизированного а - ворсистая структура поверхности мелкозернистого фибробетона, поверхность МЗФБ, покрытая гидрофобной эмульсией, е - характер формирования разноуровневой иерархической структуры шероховатой поверхности МЗФБ

Микрочастицы

Высокие эксплуатационные показатели МЗБ с комплексным антиобледенитель-ным защитным покрытием (адгезионная прочность льда; истираемость, КУ смачивания, Кус) обеспечиваются за счет эффективного взаимодействия гидрофобного слоя с бетоном в контактной зоне «силоксановое покрытие - цементно-песчаная матрица». Анализ контактной зоны (рисунок 9) показал отсутствие четкой границы раздела, что подтверждает наличие химического взаимодействия используемого кремнийорганического компонента (МНХ-1107 либо ГКЖ-94М) и цементно-песчаной матрицы.

С учетом особенностей исследованных минеральных и органических компонентов и на основе предложенных составов цементно-песчаной композиции в рамках работы были разработаны составы антиобледенительного гидрофобного покрытия (таблица 4) для плит тротуарных с плотностью 2251-2400 кг/м3, пределом прочности при сжатии 43,6-71,8 МПа, марками по морозостойкости Р200-Р400, истираемостью 0,3-0,58 г/см2, водопоглощением 4,4-5,6 %, адгезионной прочностью льда к фибро-цементно-песчаной поверхности в диапазоне 0,024-0,057 МПа, а также показателями КУ смачивания поверхности в диапазоне 135-156° и Кус в диапазоне 41,85,7°.

9

Съемка проводилась на поляризационном оптическом микроскопе ПОЛАМ-Р311М (рисунок 7, а) и растровом микроскопе РЭМ вМ-ЗОО (Торсоп (рисунок 7, 6, в).

Таблица 4

Состав и свойства тротуарных плит из мелкозернистого бетона с комплексным аитиобледеннтсльным защитным покрытием

состава. -п/п- ; Компоненты ' : , мелкозернистого.бетона на м\ кг I Средняя плотность, кг/м3 11редел прочности при сжатии, МПа г" . . 1 Класс прочности ¡5 л' :о ¡3: Я 1§§ о ;- О .. а о СЙГ:'!;-:: Д. О С .:.:.;■ : "'С - Ч ■■:,, -о;" Истираемость,;, 'Ь 2 О'"¡5 ш Ш1 О Я - (Я--Г.'/ 5": ■ ■■ {Г. . ■ 2 ■ и ■ 5 : 9 Ш:.

■" й ':: О .". "О-." .'■С ! К/"' гиперпласги-1 ! фнкатор 1 И ; о.",.'- ДО, . ■ - - ^ ■ ' силоксановая эмульсия -Л

Основной слой

Контр, состав 561 1635 | 0,5 202 | 2350 39 9 ВЗО 200 5 9 V,J.> 0 3 !4,2

Защитный гидрофобизированпый слой

1С* 690 1398 1,7 277 13,4 1,29 24001 71,8 В45 400 4,4 0,3 0,028 156 5,7

2С 696 1388 0,7 217 - 1,29 2365 59,5 В45 300 4,6 0,41 0,057 145,7 22

ЗС 579 1450 0,27 258 - 1,29 2301 51,3 В35 300 4,8 0,46 0,024 141 29,5

4С 498 1494 0,12 246 - 1,29 2253 46,8 В35 200 5,2 0.54 0,034 139,1 37,6

1Р 696 1391 1,73 277 13,4 1,29 2387 67,5 В45 400 4,6 0,32 0,03 151,3 7,9

2Р 591 1182 0,58 235 - 1,29 2320 54,3 В40 300 4,9 0,42 0,055 146 24

ЗР 580 1461 0,28 263 - 1.29 2300 49 В35 200 5,1 0,47 0,027 139 33,6

4Р 498 1494 0,12 249 - 1,29 2251 43,6 ВЗО 200 5,6 0,58 0,04 135,6 41,8

Согласно ГОСТ 17608-91 - >В30 > 100 <6 <0.7 -

Состав на 1 м'' гидрофобизированной тротуарной плитки с разме рами 197x97x80

Вид слоя Цемент Птерилаегификатор Вода ПВС-фиСра Силоксановая; , эмульсия.

Основной слой (50 мм) 367 1071 0,28 132 1 -

Защитный слой (30 мм) 238 482 0,6 95,2 | 4,6 0,09

Итого тротуарной плиты ^ 1533 227,2 '•'.

*«С» - составы гедрофобизированного бетона на сырьевых материалах США; «Р» - составы гидрофобизированного бетона на сырьевых материалах РФ

Предложена технологическая схема производства плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием, включающая следующие технологические операции: приготовление МЗБ и формование нижнего слоя плит тротуарных; приготовление МЗБ и формование защитного слоя; абразивная обработка верхнего слоя изделия; приготовление гидрофобной эмульсии и ее нанесение на конечное изделие.

Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» (г. Белгород) при производстве плит тротуарных.

Экономическая эффективность производства разработанных плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием из гидрофоби-зированного МЗБ обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, получением изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками; простотой в обслуживании при эксплуатации плит тротуарных в зимний период, а также снижением затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ. С учетом применения химических реагентов (песко-соляная смесь), а также сезонных ремонтно-восстановительных работ при использовании традиционных плит, экономическая эффективность применения плит тротуарных с КАЗП составляет 1,5 и 55%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ

1. Предложены принципы формирования анзиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона со сверх- и супергидрофобными свойствами поверхности, заключающиеся в создании комплексного антиобледенительнсго защитного слоя: поверхность бетона с иерархической структурой и гидрофобная эмульсия. Микро- и 1»1акрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость — за счет капиллярно-пористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном: слое, а также гидрофобного силоксанового компонента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы бетона.

2. Используя математический аппарат топологии, установлена закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона, заключающаяся в том, что с увеличением дисперсности уменьшаегся плотность упаковки дискретной системы в поверхностном слое и возрастает число тонкодисперсных частиц, что способствует повышению их поверхностной энергии и, как следствие, возрастанию энергетической активности. Наличие размерной гетерогенности в диапазоне нано-, субмикро- и микроразмерности минеральных компонентов, а также их энергетического состояния в условиях критического размера способствует стабилизации ограноминеральной эмульсии и формированию сил взаимодействия частиц с верхним слоем цементной матрицы.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения минеральных высокодисперсных компонентов - микрокремнезем или метакаолин, в качестве стабилизатора гидрофобной силоксановой эмульсии,

а также элементов формирования иерархической структуры капиллярно-пористой поверхности мелкозернистого бетона. Использование ПВС-фибры в составе цементно-песчаной композиции защитного слоя бетона обеспечивает образование ворсистой структуры поверхности и вносит вклад в формирование ее микро- и макрошероховатости. Совокупный эффект этих явлений позволяет создать многоуровневую морфологию на поверхности бетона, способствуя формированию сверх- и супергидрофобных свойств антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ.

4. Разработаны составы комплексного антиобледенительного защитного покрытия (КАЗП), состоящего из: мелкозернистого фибробетона с использованием ПВС-фибры; гидрофобной эмульсии, включающей гидрофобизатор (МНХ-1107 или ГКЖ-94М), эмульгатор (ПВС) и тонкодисперсный минеральный наполнитель (микрокремнезем или метакаолин).

5. Разработана технология получения антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ, позволяющая получать верхний защитный слой бетона с плотностью 2251-2400 кг/м3, пределами прочности при сжатии 43,671,8 МПа; марками по морозостойкости Р200-Р400, истираемостью 0,3-0,58 г/см2, водопоглощением 4,4-5,6 %, адгезионной прочностью льда 0,03-0,057 МПа, обеспечивающая значения краевого угла смачивания поверхности 135-156° и критического угла скатывания 41,8-5,7°.

6. Предложена технология производства плит тротуарных с комплексным ан-тиобледенительным защитным покрытием. Проведена промышленная апробация полученных результатов на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» (г. Белгород) и выпущена опытно-промышленная партия плит тротуарных.

7. Экономическая эффективность производства разработанных плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием из гидрофоби-зированного МЗБ обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, получением изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками; простотой в обслуживании при эксплуатации плит тротуарных в зимний период, а также снижением затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ. С учетом применения химических реагентов (песко-соляная смесь), а также сезонных ремонтно-восстановительных работ при использовании традиционных плит, экономическая эффективность применения плит тротуарных с КАЗП составляет 1,5 и 55% для плит с фибросодержащим и безфибровым покрытием соответственно.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ

1. Хархардин, А.Н. Критический размер микро- и наночастиц, при котором проявляются их необычные свойства / А.Н. Хархардин, В.В. Строкова, М.И. Кожухова // Известия Вузов. Строительство. — 2012. — № 10. - С. 109-115.

2. Кожхгхова, М.И. Комплексное силоксановое покрытие для супергидрофо-бизации бетонных поверхностей / М.И. Кожухова, И. Флорес-Вивиан, С. Рао, В.В. Строкова, К.Г. Соболев // Строительные материалы. - 2014. — № 3. - С. 2630. (ИФ-0,182).

3. Кожухова, М.И. Особенности гидрофобизации мелкозернистых поверхно-

стей / М.И. Кожухова, В.В. Строкова, К.Г. Соболев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2014. -№ 4. - С. 33-35. (ИФ-0,06).

В зарубежных изданиях

4. Flores-Vivian, 1. Self-assembling particle-siloxane coatings for superhydrophob-ic concrete / I. Flores-Vivian V. Hejazi, M.I. Kozhukhova, M. Nosonovsky, K. Sobo-lev //.ACS Applied Materials&Interfaces. - 2013. - № 5 (24). - 13284-13294. (ИФ-5,008).

5. Кожухова, М.И. Проблемы формирования гидрофобных и супергидрофобных поверхностей // Сборннк докладов II Международной научно-практической конференции «Технические и математические науки: актуальные проблемы и перспективы развития». -2013. - г. Киев, Украина. - 14 ноября.

В сборниках трудов конференций

6. Кожухова, Н.И. Зависимость механизма структурообразования от химического состава как ключевого фактора вяжущем системы / Н.И. Кожухова, А.И. Бондаренко, М.И. Кожухова // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и строительного факультета.-Улан-Удэ: ВСГУТУ. -2012. — С. 162-163.

7. Кожухова, Н.И. Структурно-морфологический фактор алюмосиликатов в системе минеральных вяжущих полимеризационного типа твердения / Н.И. Кожухова, М.И. Кожухова, Р.В. Чижов, В.А. Калашникова // III Всероссийская школа молодых учены?: «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия»: сб. трудов, Черноголовка, 25 сентября 2012 г. - Черноголовка, 2012. - С. 23-25.

8. Кожухова, Н.И. Особенности формирования микроструктуры вяжущих систем гидратационного и полимеризационного типов твердения / Н.И. Кожухова, А.И. Бондаренко, М.И. Кожухова // межвузовский сборник научных трудов //«Строительные материалы и изделия»: - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, - 2013.- С. 5762.

9. Кожухова, М.И. К проблеме о гидро- и аэрэфобизации материалов строительного назначения / М.И Кожухова, Ю.Н. Огурцова, В.В. Строкова // Сборник трудов по материалам IV Всероссийской школы молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия», Черноголовка, 25 сентября 2013 г. - Черноголовка, 2013. - С. 20-22.

Автор выражает благодарность доктору философии, доценту кафедры гражданского строительства и механики Соболеву К.Г. за оказанное содействие в проведении исследований, консультации и активное участие в обсуждении результатов работы в период научной стажировки в университете Висконсин-Милуоки (США).

КОЖУХОВА Марина Ивановна

АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЫЮЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11.08.14. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1 Д. Тираж 100 экз. Заказ № 195

Отпечатано в Белгородском государственном технологичес ком университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46