автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка добавок проникающего и активирующего действия для цементсодержащих ремонтных смесей

На правах рукописи

КАСАТКИНА Анна Владимировна

РАЗРАБОТКА ДОБАВОК ПРОНИКАЮЩЕГО И АКТИВИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЦЕМЕНТСОДЕРЖАЩИХ РЕМОНТНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013 005537242

Санкт-Петербург - 2013

005537242

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре инженерной химии и естествознания

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Соловьева Валентина Яковлевна

Официальные оппоненты: Крамар Людмила Яковлевна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), кафедра строительных материалов, профессор;

Тишкин Дмитрий Дмитриевич,

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра технологии строительного производства, доцент

Ведущая организация: Военный институт (Железнодорожных войск

и военных сообщений) ФГКВОУ ВПО Военной академии материально — технического обеспечения им. генерала армии А. В. Хрулева, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 3 декабря 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефон: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « 30 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время существует проблема восстановления ослабленных под воздействием внешних нагрузок и окружающей среды бетонных сооружений, построенных в середине прошлого века, а также проблема повышения уровня свойств эксплуатируемых конструкций, так как требования к их качеству с развитием строительства повышаются.

Одним из путей решения такого рода проблем является разработка высокоэффективной ремонтной смеси, которая была бы способна в равной степени выполнять функцию восстановления и дальнейшей защиты строительной конструкции; при этом основой восстанавливающего и защитного действий является такое взаимодействие свежеприготовленной ремонтной смеси с основанием, при котором возможно проникание в основание частиц из ремонтной смеси, и чем активнее это взаимодействие, тем выше восстанавливающее и защитное действие ремонтной смеси.

Такое эффективное взаимодействие может быть достигнуто, в том числе, и использованием добавок определенной природы, обладающих одновременно проникающим в основание и активирующим гидратационные процессы действием.

Предлагаемая работа посвящена разработке добавок проникающего и активирующего действия для получения высокоэффективных ремонтных смесей, обеспечивающих восстановление свойств основания и его дальнейшую защиту от негативных воздействий.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами работы стали труды отечественных ученых в области теории и практики цемента, а также создания эффективных строительных материалов, представленные в работах Сычева М.М., Полака А.Ф., Ратинова В.Б., Боженова П.И., Баженова Ю.М., Кузнецовой Т.В., Комохова П.Г., Батракова В.Г., Сватовской Л.Б., Бабкова В.В., Латыпова В.М., Пухаренко Ю.В., Гаркави М.С., Прокофьевой В.В., Соловьевой В Л., Несветаева Г.В., Нестеренко A.C. и др., а также трудов научно-исследовательских и проектных институтов.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования — разработка добавок проникающего действия с активирующим эффектом для повышения эффективности ремонтных смесей на цементной основе.

Объект исследования - ремонтные смеси с добавками проникающего и активирующего действия разной природы.

Предмет исследования - свойства ремонтных смесей для восстановления оснований разной природы, определяемые по физико-механическим характеристикам.

Задачи исследования:

1) произвести анализ существующих проникающих и активирующих добавок, используемых в составах ремонтных смесей с целью определения максимально возможной эффективности их действия;

2) определить закономерности между природой веществ и их проникающей способностью, одновременно обладающих активирующим действием;

3) определить физико-механические свойства предложенной ремонтной смеси и восстановленного основания;

4) исследовать гидратационные процессы при твердении ремонтных смесей с предложенными добавками, а также физико-химические превращения в восстанавливаемых бетонных основаниях;

5) разработать нормативно-техническую документацию и произвести опытно-промышленный выпуск эффективных цементсодержащих ремонтных смесей.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области ремонтных материалов с учетом современных представлений о повышении гидратационной активности вяжущих и проникающей способности веществ разной природы в пористое основание, а также определения физико-механических характеристик эффективных цементсодержащих ремонтных смесей и бетонного основания, обработанного такой смесью с предложенными в ходе исследования добавками, методы математической статистики результатов полупромышленного эксперимента, физико-химические исследования гидратационных процессов в высокоэффективных смесях и превращений в бетонных основаниях, обработанных модифицированными ремонтными смесями при помощи рентгенофазового, дифференциально-термического, электронно-микроскопического методов анализа и микроскопического анализа с применением автоматического анализатора изображений «ВидеоТест».

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия, п. 5. «Разработка методов повышения стойкости строительных изделий и конструкций в суровых условиях эксплуатации» и п.16 «Развитие теоретических основ и технологии получения сухих строительных смесей различного назначения».

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1) обоснован выбор добавок, обеспечивающих создание высокоэффективной ремонтной смеси на цементном вяжущем и рассмотрено проникающее действие растворов электролитов щелочных металлов и кремнезоля; показана высокая проникающая способность ионов К(1); определена взаимосвязь между размером катиона электролита и глубиной проникания в поры цементного основания; прослежено, что чем больше радиус катиона тем больше Шубина проникания; установлено также, что кремнезоль обладает высокой проникающей способностью;

2) произведена оценка эффективности действия разработанных цементсодержащих ремонтных смесей на поровое основание разной природы и показано, что уплотнение структуры основания и дополнительное образование гидрагных соединений способствует восстановлению и повышению физико-механических характеристик пористого основания;

3) произведена оценка целостности композиции основание-покрытие и определено, что адгезионная прочность эффективного ремонтного раствора взаи-

мосвязана с количеством химически связанной воды и установлено, что наибольшей адгезионной прочностью характеризуется ремонтная смесь, модифицированная золем кремниевой кислоты; установлено, что растворы из модифицированной ремонтной смеси и бетонные основания, обработанные эффективной ремонтной смесью обладают повышенной магнезиальной и углекислотной устойчивостью, характеризуясь коэффициентом коррозионной устойчивости, равным 0,90-0,92;

4) исследованы гидратационные процессы твердения модифицированных цементсодержащих ремонтных смесей и определено что в основания разной природы из ремонтной модифицированной смеси проникают ионы электролитов, твердые коллоидные кремнеземсодержащие дисперсии и вновь образованные гидраты. Установлено, что в порах бетонного основания под действием предложенных добавок непрореагировавший цемент подвергается гидратации с формированием более плотной структуры по сравнению с поровой структурой кирпича, в котором отсутствуют гидратационные процессы.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Практическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке и опытно-промышленной апробации эффективной ремонтной смеси проникающего и защитного действия, использование которой обеспечивает восстановление и улучшение физико-механических характеристик эксплуатируемого основания и дальнейшую защиту его от негативного внешнего воздействия.

1. Определено, что для достижения наибольшей эффективности ремонтной смеси по восстановлению свойств основания толщина модифицированного ремонтного покрытия должна составлять 4,5±0,5 мм, что обеспечивает повышение прочности при сжатии эксплуатируемого бетонного основания на 1-3 класса в зависимости от класса бетона основания, а также и повышение водонепроницаемости на 4—10 атм, в зависимости от исходной марки по водонепроницаемости основания; наибольшее повышение прочности достигается для бетона основания класса В20 и В22,5; наибольшее повышение водонепроницаемости обеспечивается при исходном значении 6-8 атм.

2. Показано, что модифицированные ремонтные растворы характеризуются повышенной трещиностойкостью, К = 0,31 — 0,34, что обусловлено опережением роста прочности на растяжение при изгибе (68-84 %) относительно роста прочности при сжатии (45—48 %); обнаружено, что ремонтные растворы в присутствии предложенных добавок характеризуются повышенной адгезионной прочностью, которая составляет 2,8—3,6 МПа к бетонному основанию, в зависимости от класса бетона. Установлено, что адгезионная прочность к кирпичному основанию марки М150 составляет 2,6 МПа, что на 17-21 % ниже, чем у бетонного основания такой же прочности. Определено, что модифицированные ремонтные растворы, являются коррозионно устойчивыми относительно углекислотной и магнезиальной коррозии, и, при этом, более, чем на 15 %, повышается магнезиальная и углекислотная устойчивость бетонных оснований, обработанных модифицированной ремонтной смесью.

3. Показано, что по совокупности полученных результатов модифицированный ремонтный раствор является высокоэффективным гидроизоляционным материалом защитного и проникающего действия, на него разработаны ТУ «Смесь сухая гидроизоляционная проникающая», произведен выпуск 30 опытно-промышленных партий смеси сухой с предложенными добавками общим объемом 7 тонн, проведены физико-механические испытания модифицированной ремонтной смеси по основным параметрам качества, определяемым требованиями ГОСТ 31357-07 и ТУ, произведена статистическая обработка данных по показателю прочности, для которых коэффициент вариации составил 8,1 %.

4. Разработанные ремонтные смеси опытно промышленного изготовления использованы при проведении ремонта подвальных помещений эксплуатируемых зданий, расположенных в г. Пушкин Санкт-Петербурга; по проведенным опытно-промышленным исследованиям при использовании в качестве добавки К£04 и золя кремниевой кислоты БЮ2 пН20 подтверждена эффективность ремонтной смеси и составлены акты; новизна разработок подтверждена шестью патентами РФ.

Эффективность технических решений, полученная в результате проведенных исследований подтверждается опытно-промышленным апробированием высокоэффективных цементсодержащих ремонтных смесей и их использованием при проведении ремонта подвальных помещений эксплуатируемых зданий, расположенных в г. Пушкин Санкт-Петербурга. По совокупности полученных результатов модифицированный ремонтный раствор является высокоэффективным гидроизоляционным материалом защитного и проникающего действия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Неделя Науки» 2009,2010,2011,2012; на всероссийской научно-технической конференции «Энергетическая Пальмира: инженеры в науке, проекте, управлении»; на XXIV Международной молодежной научно-технической конференции «Инновации в Энергетику»; на всероссийском конкурсе «Инновационный потенциал молодежи 2012»; на информационно-консультационном семинаре по теме «Мониторинг производства строительных работ для обеспечения сохранности зданий»; проведены занятия по теме «Защита строительных конструкций от коррозии» на курсах повышения квалификации на базе Петербургского института повышения квалификации.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, общим объемом 3,2 п. л., лично автором 1,2 п. л., в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ. По теме диссертационного исследования получено 6 патентов РФ на изобретения: № 2396234 от 10.08.2010 «Сырьевая смесь», № 2396235 от 10.08.2010 «Сырьевая смесь», № 2455249 от 10.07.2012 «Строительный раствор», № 2478593 от 10.04.2013 «Строительный раствор», № 2485066 от 20.06.2013 «Строительный раствор», № 2485067 от 20.06.2013 «Строитель-

ный раствор» разработаны технические условия ТУ 5745-005-98593931—2011 «Смесь сухая гидроизоляционная проникающая».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 127 наименований, 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц машинописного текста. В работе представлены 21 рисунок и 33 таблицы.

Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе проанализированы химические добавки для цементсодержа-щих ремонтных смесей, используемые в современном строительстве, механизмы проникающего и защитного действия и эффективность модифицированных ремонтных составов по отношению к бетонному основанию.

Во второй главе произведено обоснование выбора добавок, обеспечивающих создание ремонтной смеси на цементном вяжущем проникающего действия с целью восстановления и улучшения физико-механических характеристик оснований.

Третья глава посвящена исследованиям физико-механических характеристик цементсодержащих ремонтных смесей проникающего действия, модифицированных выбранными добавками и произведена оценка эффективности их действия на поровые основания разной природы.

Четвертая глава посвящена физико-химическим исследованиям гидратаци-онных процессов твердения ремонтного материала проникающего действия, модифицированного добавками разной природы, и физико-химическим исследованиям поровых оснований разной природы, обработанных цементсодержащими ремонтными материалами.

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленного выпуска ремонтных смесей, модифицированных разработанными добавками, определена их техническая эффективность и области применения, и разработаны технические условия на цементсодержащие сухие смеси для высокоэффективных ремонтных материалов проникающего действия

В заключении приводятся основные результаты диссертации и намечаются пути дальнейших исследований.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Обоснован выбор добавок, обеспечивающих создание высокоэффективной ремонтной смеси на цементном вяжущем и рассмотрено проникающее действие растворов электролитов щелочных металлов и кремнезоля; показана высокая проникающая способность ионовК(1); определена взаимосвязь между размером катиона электролита и глубиной проникания в поры це-

ментного основания; прослежено, что чем больше радиус катиона тем больше глубина проникания; установлено также, что кремнезоль обладает высокой проникающей способностью

Повышение проникающего действия ремонтных растворных смесей вглубь пористой подложки и одновременное повышение гидратационных процессов сказывается на повышении прочности, водонепроницаемости, коррозионной устойчивости, поскольку увеличивается количество гидратных фаз по всей глубине проникания.

Повышение подвижности мелкодисперсных частиц (из раствора в подложку) основано на учете представлений о транспортных механизмах ионов или на-ночастиц (размером до 100 нм), которые способны повышать собственную подвижность и, как следствие, проникающую способность частиц растворной смеси при ее изготовлении - в результате разрушения водородных связей в структуре воды и проявлением отрицательной гидратации катионами больших размеров (по Самойлову О.Я.), или путем использования в растворной смеси добавок, отличающихся повышенной поверхностной энергией и способностью образовывать гидросиликаты кальция. К добавкам такого типа могут быть отнесены золи разной природы, например действие кремнезоля, содержащего нано-дисперсии Si02-nH20 в легком и тяжелом бетонах рассмотрено в ПГУПС на кафедре «Инженерная химия и естествознание» (в работах Л.Б. Сватовской, В.Я. Соловьёвой, В.Ю. Шангина, И.В.Степановой, Д.В. Герчина, А.Бородули, A.M. Сычёвой, И.П. Филатова, (2002-2011 г.).

Поскольку в ремонтной смеси на цементной основе происходит гидратация и образуются гидраты, которые в начальный период характеризуются коллоидным размером, то можно ожидать, что вновь образованные гидросиликаты в присутствии модификаторов, проникая вглубь, будут способствовать повышению количества гидросиликатов в основании, а также собственная гидратация непро-реагировавшего цемента основания под действием проникающих добавок обеспечит восстановление строительно-технических свойств оснований.

Вероятно, основным восстанавливающим действием обладают гидраты, поэтому для повышения эффективности ремонтной смеси целесообразно вводить добавки, представленные, например, коллоидными растворами кремниевой кислоты, особенность действия которых в соответствии с работами кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС состоит в химическом взаимодействии кремнезоля и Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов кальция, и в сдвиге химического равновесия (ускорения реакции) в сторону образования новых гидросиликатов, которые должны образовываться и в ремонтном растворе и в восстанавливаемом основании.

Активирующие свойства электролитов изучены и следует ожидать их проявления и в ремонтных смесях по общей схеме.

Если высказанные представления справедливы, то ремонтные смеси, модифицированные добавками рассматриваемой природы, должны восстанавливать и повышать физико-механические характеристики основания, а также защищать

его от негативных воздействий окружающей среды. Для подтверждения высказанных предположений проведены научные и опытно-промышленные исследования.

В качестве ионных растворов использованы растворы электролитов на основе катионов металлов первой группы главной подгруппы П(1), Ыа(1), К(1), ЯЬ(1), Сз(1) с анионами разной природы.

В ходе предварительных исследований установлено, что проникающая способность электролита обусловлена не только природой, но и концентрацией раствора. Определено, что рациональная концентрация составляет б мас.%, которая и была использована в дальнейших исследованиях. Оценку проникающей способности электролита осуществляли расчетно-экспериментальным путем по его расходу в течение анализируемого периода и по значениям водопоглощения основания, определяемого по массе, по ГОСТ 12730.3-78.

С этой целью изготавливали образцы-кубы, размером 10x10x10 см из бетона В 20 (М250) и В 22,5 (М300), как наиболее подверженные разрушению в процессе эксплуатации, для изготовления которых использовали:

• портландцемент ОАО «Пикалевский цементный завод» марки ПЦ400 Д20;

• песок для строительных работ (карьерный) по ГОСТ8736-93 с М = 2,2 - 2,4;

• щебень гранитный фракции 5-10 мм.

Водопоглощение бетонных образцов изменялось от 4,4 до 4,8 %. Образцы кубы подготавливались таким образом, что верхняя поверхность исключала возможное стекание раствора за пределы образца. На верхнюю поверхность, подготовленного образца, порционно, наливался раствор в течение 8 часов, по окончании исследуемого периода определяли объемы растворов, прошедших вглубь бетонного основания, и затем, по объемам растворов и по значению водопоглощения основания, расчетным путем, по методике, разработанной автором, определялась глубина проникания каждого из электролитов. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнительная оценка глубины проникания растворов электролитов на основе катионов первой группы в бетонное основание

№ п/п Класс бетона Водопоглощение по массе % (ГОСТ 12730.3) Расчетная площадь открытых пор на поверхности куба, см2 Название элеетролита Объем раствора, прошедшего в бетонное основание за 8 часов, мл Глубина проникания элеетролита за 8 часов, см

Время, час

2 4 6 8

1 В20 4,68 11,14 изо, 9,6 16,0 20,5 22,8 2,05

2 4,74 11,28 Иа^О, 15,0 24,9 32,0 35,6 3,15

3 4,70 11,00 КЗО, 19,4 32,4 41,7 46,3 4,21

4 4,77 11,35 20,2 33,7 43,3 48,1 4,24

5 В22,5 4,43 10,59 изо, 8,7 14,5 18,3 20,7 1,95

6 4,47 10,68 ЫаЗО, 13,7 22,9 29,4 32,7 3,06

У 4,51 10,78 КЗО, 17,9 29,9 38,4 42,7 3,96

8 4,49 10,73 С*30, 18,6 31,0 39,9 44,3 4,13

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что независимо от класса бетона максимально, на глубину 3,96-4,24 см, вглубь бетонного основания, проникают электролиты К£04 и Сз£04.

Экспериментально установлено, что наибольшая интенсивность проникания раствора вглубь основания, оцениваемая объемом раствора, прошедшего вглубь основания в единицу времени (1 час), происходит в первые 2 часа и составляет 40% от общего объема электролита, в последующем скорость значительно уменьшается и к восьмому часу составляет 5% от общего объема электролита. Определено, что скорость проникания растворов К£04 и Су^О, имеет близкие максимальные значения для каждого периода времени.

Выявлено, что электролиты на основе катионов К(1) и Сб(1) и с анионами С/" и NОз также характеризуются высоким значением глубины проникания, равным 3,84-4,20 см.

Проведенные исследования подтвердили высказанное предположение, что с увеличением радиуса катиона электролита проникающая способность повышается и показано, что наибольшей проникающей способностью характеризуются электролиты на основе катионов калия и цезия.

В качестве коллоидных растворов исследовали БЮ2пН20, Мп02, Ге(ОН)3 и оценку их проникающей способности также проводили по вышеописанной методике, по результатам исследований установлено, что наибольшей проникающей способностью характеризуется золь кремниевой кислоты БЮ2пН20, глубина проникания которого соизмерима с повышенной глубиной проникания 6 % раствора К£04 и составляет 3,95 см в течение 8 часов, поэтому в качестве добавки проникающего действия рассматривали также и коллоидный раствор кремниевой кислоты с рациональной концентрацией, равной 5 %.

Поскольку наибольшей проникающей способностью характеризуются электролиты солей 6 % концентрации на основе катионов К(1) и Сб(1) и 5 % коллоидный раствор кремниевой кислоты, то они рекомендованы для создания эффективных цементсодержащих ремонтных смесей.

2. Произведена оценка эффективности действия разработанных цементсодержащих ремонтных смесей на поровое основание разной природы и показано, что уплотнение структуры основания и дополнительное образование гидратных соединений способствует восстановлению и повышению физико-механических характеристик пористого основания

Повышение эффективности цементсодержащих ремонтных смесей осуществлялось путем модификации контрольного состава выбранными добавками. В качестве контрольного использован состав ремонтной смеси при следующем соотношении компонентов, мае. %:

• портландцемент ОАО «Пикалевский цементный завод», _ ^ QQ

ПЦ400 ДО

• глиноземистый цемент ГЦ-40 — 4,00

• песок фр. (0-Ю,63 мм) - 47,75

• тонкомолотый известняк с удельной поверхностью 250 м2/кг - 9,00

• бентонитовая глина - 1 10

• полимерные добавки, понижающие расслаиваемость

материала в количестве до 5% -2,15

Рациональный процент добавок-модификаторов определялся по изменению прочности при сжатии и прочности на растяжение при изгибе образцов-балочек размером 4x4x16 см. Полученные результаты представлены на рис. 1.

Рис. 1. Взаимосвязь прочности ремонтного раствора и количества модификаторов

По данным рис. 1 определено, что рациональное количество электролита, независимо от катиона, составляет 3 мае. % от массы цемента и установлено, что рост прочности на растяжение при изгибе составляет 68-84 % и опережает рост прочности при сжатии, который изменяется от 45 до 53 %, что повышает трещи-ностойкость ремонтного раствора. Коэффициент трещиностойкости эффективного ремонтного раствора, определенный расчетно-экспериментальным путем по формуле Ктр = Яш/Яж повышается на 15-27 % и достигает значений 0,31-0,34. Проведенный анализ показал, что прочность при сжатии и на растяжение при изгибе ремонтного раствора, модифицированного солями К(1) или Сз(1) отличается незначительно, но, учитывая, что соли К(1) экономически предпочтительнее, поэтому они были использованы в дальнейших исследованиях и в опытно-промышленных испытаниях.

Анализ данных, представленных на рис. 1, показывает, что ремонтный раствор при использовании золя кремниевой кислоты характеризуется более высоким (= на 10 %) ростом прочности на растяжение при изгибе, чем при использовании К£Ог

Степень эффективности модифицированной ремонтной смеси оценивали по изменению прочности основания, обработанного этой ремонтной смесью. С этой целью в качестве основания использовали образцы-балочки размером 4x4x16 см, из мелкозернистого бетона В15, верхнюю торцевую поверхность которых обрабатывали растворной смесью, предварительно определив рациональную толщину покрытия. Для определения рациональной толщины покрытия исследовалась динамика изменения его прочности при толщине от 1,5 до 12 мм с шагом 1,5 мм.

В ходе анализа экспериментальных данных установлено, что рациональная толщина покрытия составляет 4,5±0,5 мм. Результаты по изменению прочности обработанного основания представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства бетонного основания, обработанного ремонтной смесью,

модифицированной добавками разной природы_

№ п\п Наименование ремонтной смеси (РС), используемой для обработки бетонного основания Прочность основания, обработанного ремонтной смесью в возрасте 28сут, МПа/%

прочность на растяжение при изгибе прочность я ри сжатии

верхняя часть образца4 нижняя часть образца

1 Необработанное бетонное основание 3,9/100 20,4/100 20,9/100

2 РС контрольного состава 4,3/110 22,4/110 21,5/103

3 РС, модифицированная К2304 5,0/123 29,8/154 24,2/116

4 РС, модифицированная коллоидным раствором Б102-пН20 4,8/129 30,2/146 22,2/106

* - верхняя часть образца расположена со стороны нанесения ремонтной растворной смеси

Определено, что растворная смесь как в присутствии золя Si02-nH20, так и электролита Kß04, в большей степени повышает прочность при сжатии верхней части образца, что обусловлено, по-видимому, ограниченным продвижением вглубь основания мелкодисперсных частиц из растворной смеси, поэтому, для более глубокого проникания частиц и повышения однородности основания требуется усилить способность частиц растворной смеси к более глубокому продвижению вглубь.

Подвижность растворной смеси, в том числе и всех ее компонентов, может быть увеличена использованием пластифицирующих добавок. С этой целью рассмотрены пластифицирующие добавки различной природы, такие как: СП СЗ (на основе сульфонафтеновых кислот), ГП Melflux 1641 F (на поликарбоксилат-ной основе), Sika Viscocrete 225 VP (на поликарбоксилатной основе). По предварительным исследованиям выявлено, что наилучшие результаты получаются при использовании ГП Melflux 1641 F в рациональном количестве, определенном экспериментально и равном 0,5 мае. % от массы цемента. Изменение прочности основания при использовании растворной смеси, модифицированной комплексной добавкой представлено в табл. 3.

Совместное присутствие пластификатора ГП Melflux 1641 F и предложенных добавок повышает эффективность ремонтной смеси, по данным табл. 4, обеспечивая более глубокое продвижение мелкодисперсных частиц в основание, что подтверждается повышением прочности верхней и нижней части обработанного образца примерно в одинаковой степени (на 57-59 % при использовании модификатора на основе Kß04 и на 55-61 % при использовании модификатора на основе золя Si02-nH20) и превышает рост прочности бетонного основания при отдельном использовании пластификатора или модификатора.

Эффективность ремонтной смеси, модифицированной комплексными добавками оценивали для бетонных оснований класса от BIO до В30 по изменению прочности при сжатии. Полученные результаты представлены на рис. 2.

Таблица З

Свойства бетонного основания, обработанного ремонтной смесью, модифицированной добавками разной природы в сочетании с пластификатором ГП МеШих 1641Р

Количество Прочность бетонного

добавки, мас.% от основания после обработки

№ п\п Наименование ремонтной смеси (РС), используемой для обработки бетонного основания массы цемента РС РС в возрасте 28 сут, МПа/%

о и о) при сжатии

1 л ІЕ § 1, " о «5 «О Є " £ 5 _. в> С Й 1 а 1 а & верхняя часть образца* нижняя часть образца

1 Необработанное бетонное основание - - 3,9/100 20,4/100 20,9/100

2 РС контрольного состава - 4,3/110 22,4/110 21,5/103

3 РС, модифицированная К/ 3 - - 5,0/123 29,8/154 24,2/116

4 РС, модифицированная коллоидным раствором БЮг-пН/) - 5 - 4,8/129 31,4/146 22,1/106

8 РС с добавлением ГП Ме1/1их 1641 Р - - 0,5 4,6/118 25,1/123 23,8/114

9 РС, модифицированная К2БО^с добавлением ГП Ме1/1их 1641 Р 3 - 0,5 6,0/152 32,4/161 32,8/159

10 РС, модифицированная 8Ю2-пН20 с добавлением ГП МеЩих 1641 Р - 5 0,5 5,9/154 34,9/157 32,4/155

* - верхняя часть образца расположена со стороны нанесения растворной ремонтной смеси

2 - РС, модифицированная К£04 в сочетании с ГП Ме1/1их 1641 Р

3 - РС, модифицированная золем БЮ2 пН20 в сочетании с ГП Ме1/1их 1641 Г

Рис. 2. Изменение прочности бетонных оснований разных классов, обработанных эффективной ремонтной смесью

Совместное присутствие выбранного гиперпластификатора и модификаторов К£04 или золя БЮ2 пН20является благоприятным и обеспечивает получение повышенного эффекта по продвижению частиц вглубь основания и формированием однородной структуры по всей высоте образца-балочки, что подтверждает-

ся близкими значениями прочности при сжатии верхней и нижней половины бетонного образца-балочки.

Определено, что покрытие из ремонтной смеси обеспечивает повышение прочности при сжатии бетонного основания от 1 до 3 классов в зависимости от класса бетона основания. Выявлено, что для бетона BIO прочность повышается на 1 класс; для бетона В15, В25 и ВЗО - прочность повышается на 2 класса, и наибольшее повышение прочности, на 3 класса, наблюдается для бетона В20 и В22,5.

В связи с заполнением порового пространства мелкодисперсными частицами ремонтной смеси плотность поровой структуры основания повышается, и, при этом, уменьшается показатель водопоглощения на 24-38 отн. %. Уплотнение поровой структуры бетонного основания, обработанного эффективной растворной смесью, подтверждают и данные микроскопических исследований, проведенные при помощи автоматического анализатора изображений «Видео Тест».

Определено, что при обработке пористого основания растворной смесью модифицированной Kß04, уменьшается средний размер пор основания (0) и процент поровой площади на поверхности образца (S) в следующей последовательности:

В результате уплотнения структуры основания улучшаются показатели по водонепроницаемости на 4-10 атм в зависимости от исходной марки по водонепроницаемости основания. Результаты по изменению водонепроницаемости представлены на рис. 3.

Определено, что наибольшее повышение водонепроницаемости основания, на 8-10 атм, достигается при исходном значении водонепроницаемости 6-8 атм.

Для оценки долговечности кроме водонепроницаемости определяют морозостойкость основания, оцениваемую по ГОСТ 10060.2-95.

Экспериментально установлено, что морозостойкость повышается на 100—250 циклов и наибольшее повышение морозостойкости на 250 циклов наблюдается для бетона с исходным значением морозостойкости 150 циклов.

Восстановление эксплуатационных свойств требуется не только бетонным конструкциям, но и пористым основаниям другой природы, например кирпичным. С этой целью произведена обработка керамического кирпича марки 150 эффективной растворной смесью. Твердение нанесенного покрытия осуществлялось в нормальных условиях в течение 28 суток, и, после этого, определяли физико-механические характеристики кирпича. Полученные результаты представлены в табл. 4.

2 - РС, модифицированная К£04 в сочетании с ГП Ме1/1их 1641

3 - РС, модифицированная золем ЗЮ}пН2Оъ сочетании с ГП Меі/Іих 1641 ^

Рис. 3. Изменение водонепроницаемости бетонных оснований разных классов, обработанных эффективной ремонтной смесью

Таблица 4

Физико-механические характеристики кирпича, обработанного модифицированной ремонтной смесью проникающего действия

№ п\п Наименование материала Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа / % Водопоглощение, \У„, %

1 Необработанный кирпич 17,6/100 5.7

2 Кирпич, обработанный РС контрольного состава 19,2/109 5,3

3 Кирпич, обработанный РС, модифицированной 23,6/133 4,8

4 Кирпич, обработанный РС, модифицированной К£С>4 с добавлением ГП МеЩих 1641 /'" 24,6/140 4,6

5 Кирпич, обработанный РС, модифицированной ЗЮупНЮ 24,5/139 4,4

6 Кирпич, обработанный РС, модифицированной ^/Ог-пЯгО с добавлением гп Кк'1Яих 1641/' 26,6/151 3,9

Определено, что наибольшая степень уплотнения кирпичного основания наблюдается при использовании комплексного модификатора, состоящего из золя БЮ2-пН20 и ГП Меі/Іих 1641 і7, что подтверждается уменьшением водопоглоще-ния на 32 отн. %, а при использовании комплексного модификатора, состоящего из К£04 и ГП Меі/Іих 1641 V, водопоглощение уменьшается на 19 отн. %. Повышенное уплотнение поровой структуры кирпича вероятно обусловлено благопри-

ятным соотношением между размером пор и размером нанодисперсий Si02, которые более интенсивно заполняют поровое пространство. 3. Произведена оценка целостности композиции основание-покрытие и определено, что адгезионная прочность эффективного ремонтного раствора взаимосвязана с количеством химически связанной воды и установлено, что наибольшей адгезионной прочностью характеризуется ремонтная смесь, модифицированная золем кремниевой кислоты; установлено, что растворы из модифицированной ремонтной смеси и бетонные основания, обработанные эффективной ремонтной смесью обладают повышенной магнезиальной и уг-лекислотной устойчивостью, характеризуясь коэффициентом коррозионной устойчивости, равным 0,90-0,92

Для оценки целостности композиции основание-покрытие используется величина адгезионной прочности, которую определяли с помощью адгезиметра механического «Константа А» по методу отрыва грибка с площадью основания 5 см2 от бетона В12,5 (М150) и кирпича (М150).

Проведенные экспериментальные исследования показали, что покрытие из разработанной растворной смеси, независимо от модификатора, в раннем возрасте имеет одинаковый характер разрушения: адгезионное разрушение в случае бетонного основания и смешанное адгезионно-когезионное разрушение по контактной зоне и по основанию при использовании кирпичного основания.

Определено, что в проектном возрасте адгезионная прочность выше на 24-29 % при использовании растворной смеси, модифицированной золем Si02 nH20, чем при использовании в качестве модификатора KJSOr

Установлено, что в зависимости от класса бетона основания адгезионная прочность эффективного раствора к поверхности основания изменяется от 2,8 до 3,6 МПа. Адгезионная прочность к кирпичному основанию марки М150 составляет 2,6 МПа, что на 17-21 % ниже, чем у бетонного основания такой же прочности.

Ремонтный материал, используемый в качестве покрытия, как правило, соприкасается с природными водами - грунтовыми, морскими, речными, которые могут содержать различные соли, поэтому, целесообразно проанализировать устойчивость разработанного покрытия и обработанного основания к агрессивным средам.

С этой целью использован 5%-ный раствор Na2C03 и 5%-ный раствор MgClr Образцы выдерживали в указанных растворах в течение 360 суток. Результаты исследования представлены в табл. 5.

Анализ полученных данных показывает, что коррозионная устойчивость разработанной растворной смеси в присутствии золя Si02rtH20 и электролита K¿>04 повышается по сравнению с контрольным составом и коэффициент коррозионной устойчивости достигает значения 0,91-0,93.

Установлено, что более чем на 15 % повышается коррозионная устойчивость и бетонного основания обработанного эффективной растворной смесью, модифицированной предложенными добавками и достигает значения 0,90-0,92.

Таблица 5

Коррозионная устойчивость эффективной ремонтной смеси и обработанного бетонного основания класса В15

Условия твердения Прочность при сжатии в 360 сут, МПа

Контрольная PC Контрольная PC, модифицированная К,SO, Контрольная PC, модифицированная SiOynHiO I Необработанное бетонное основание Бетонное основание, обработанное PC, модифицированной К£0, Бетонное основание, обработанное PC, модифицированной SiOi-nHiO

Нормальные 30,6 45,2 45,0 20,4 33,1 33,9

В растворе NajCOj, 5% 27,8 41,6 41,8 16,1 30,1 31,2

'R/R, 0,91 0,92 0,93 0,79 0,91 0,92

В растворе 5% 27,2 41,1 41,4 15,9 29,8 30,8

Кктrvrm -R^R/ 0,89 0,91 0,92 0,78 0,90 0,91

4. Исследованы гидратационные процессы твердения модифицированных цементсодержащих ремонтных смесей и определено что в основания разной природы из ремонтной модифицированной смеси проникают ионы электролитов, твердые коллоидные кремнеземсодержащие дисперсии и вновь образованные гидраты. Установлено, что в порах бетонного основания под действием предложенных добавок непрореагировавший цемент подвергается гидратации с формированием более плотной структуры по сравнению с перовой структурой кирпича, в котором отсутствуют гидратационные процессы Сравнительный анализ рентгенограмм показал, что добавление к РС сульфата калия К£04 способствует повышению гидратационной активности силикатной составляющей портландцемента, что подтверждается уменьшением интенсивности линий С/ при <Уп = (2,77; 2,73; 2,60; 2,18; 1,86; 1,77; 1,75)-10г10 м и образованием при этом тоберморитоподобных гидросиликатов кальция типа СБН(1) при {с1/п = = (3,07, 2,80, 2,40, 1,83) 10-'° м), а также образованием небольшого количества эттрингита ЗСаО А1203-ЗСаБ04-32Н20 о чем можно судить по появлению линий при (И/п = (5,61, 3,88, 3,48, 2,56, 2,21)-10-'° м.

Добавление ГП Ме1/1их 1641 F к вышеописанной твердеющей системе усиливает гидратационные процессы, так как в большей степени уменьшается интенсивность линий

Исследование рентгенограммы ремонтного материала, модифицированного золем кремниевой кислоты БЮ2-пН30, показало, что по сравнению с контрольным образцом наблюдается уменьшение линий, относящихся к алиту {с1/п = (1,75, 1,94, 2,18, 2,60, 2,73, 2,75) 10-'° м) и при этом увеличиваются рефлексы, характерные для тоберморитоподобного гидросиликата кальция СБН(1) (с1/п = (3,07, 2,80, 2,40, 1,83)10-'°м), атакже необходимо отметить, что линии, относящиеся к портландиту Са(ОН)2 при <1/п =(4,9,1,94, 1,79)1(У10 м, уменьшаются, что может быть объяснено тем, что образующийся при гидратации Са(ОН)2 вступает в реакцию солеобра-зования с золем ортокремниевой кислоты $Ю2пН20, которое приводит к образованию дополнительного количества гидросиликатов, в том числе, возможно, и низкоосновных.

Данные дифференциально-термических исследований ремонтного материала, модифицированного золем Бі02пН20, подтверждают образование низкоосновных гидросиликатов, так как усиливаются эндоэффекты в области температур 135-190 °С и 370^00 °С, соответствующие потере химически связанной воды низкоосновными гидросиликатами кальция, а также появляется экзоэффект в области температур 830-40 °С, являющийся характерным для перекристаллизации низкоосновного гидросиликата. При добавлении гиперпластификатора ГП Ме1/1их 1641 ^ гидратационная активность цемента повышается, так как усиливаются все вышеуказанные эффекты.

Уменьшение или отсутствие Са(ОН)2 в твердеющей системе повышает коррозионную устойчивость модифицированного ремонтного материала и бетонного основания, обработанного эффективной ремонтной смесью.

По данным рентгенофазовых исследований в порах бетонного основания также, как и в покрытии, обнаружено присутствие гидросиликатов типа С5Н(1), небольшое количество Са(ОН)2 и следы эттрингита.

Сравнительный анализ электронно-микроскопических исследований (рис. 4) показал, что при использовании для обрабатывания бетонного основания ремонтной смеси модифицированной поры бетонного основания заполняются мелкодисперсной фракцией, а также, в результате гидратации непрореагировав-шего цемента, находящегося в порах бетонного основания, формируется более плотная поровая структура относительно бетонного основания, обработанного растворной смесью без модификатора, из-за отсутствия гидратационных процессов в поровом пространстве.

а) ремонтная смесь контрольного состава

Рис. 4. Сравнительный анализ электронно-микроскопических исследований порового пространства бетонного основания, обработанного ремонтной смесью проникающей

Рентгенофазовые исследования поровой структуры кирпича, обработанного РС, модифицированной К£04 показали присутствие гидросиликатов типа СБН(1) при <1/п = (3,07; 2,80; 2,4; 1,83)-10-'° м и небольшое количество Са(ОН)2.

По данным электронно-микроскопических исследований определено, что поры кирпича обработанного ремонтной смесью, модифицированной К£04, имеют рыхлую структуру из-за отсутствия гидратационных процессов в поровом пространстве.

Проведенные физико-химические исследования подтверждают высказанные предположения о том, что ремонтная смесь, модифицированная К£04, более глубоко проникает в поровое пространство любой природы, а использование в качестве модификатора золя БЮ^-пНр в большей степени уплотняет поровую структуру оснований разной природы за счет дополнительного проникания повышенного количества дисперсий БЮ2 в поровое пространство. 5. Произведен опытно-промышленный выпуск ремонтных смесей, модифицированных выбранными добавками, определена их техническая эффективность и области применении, и разработаны технические условия на цемен-тсодержащие ремонтные смеси проникающего действия

Проведены физико-механические испытания ремонтной смеси модифицированной выбранными добавками, а также бетона В22,5, обработанного эффективной ремонтной смесью, опытно-промышленного изготовления.

Полученные результаты представлены в табл. 6.

Таблица 6

Физико-механические характеристики раствора ремонтной смеси опытно-промышленного изготовления и бетонного основания, обработанного РС

Наименование ремонтной смеси Прочность при сжатии в возрасте 28 сут, МПа Ё* а о г-Вес Водопоглощение, % Водонепроницаемость, МПа по ГОСТ 12730.5-84

« о, бетонного основания р ей С о (Ч оо бетона по ГОСТ 12730.3 бетонного основания

е « о. до обработки после обработки РС I о §■ 10 ю Ь Р и а р аі- до обработки после обработки РС до обработки после обработки РС

Модифицированная К£04+ ГП МеІ/Іих ¡641 і5* 40,3 30,6 48,6 3,35 1,8 4,4 3,1 0,8 1,6

Модифицированная

золем 8Ю2пН20 + ГП МеІЦих 1641 Р 40,1 29,8 46,4 3,45 1,4 4,5 2,8 0,8 1,8

Сравнительный анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 6 и результатов проведенных исследований показал, что физико-механические характеристики разработанной ремонтной смеси опытно-промышленного изготовления и бетона В22,5, обработанного модифицированной растворной ремонтной смесью, согласуется с данными проведенных теоретических научных исследований, что позволяет рекомендовать модифицированные ремонтные смеси для гидроизоляции проникающего и защитного действия для ответственных бетонных и кирпичных сооружений.

На основании проведенных научных исследований и полученных положительных результатов разработаны технические условия, ТУ 5745-005-985939312011 «Смесь сухая гидроизоляционная проникающая» и выпущено 2 опытно-промышленных партии ремонтной смеси: 1 - в количестве 3,5 т с использованием в качестве модификатора К£04 и ГП Ме1/1их 1641 ^ (Акт № 1 от 21.06.2011), 2 - в количестве 3,5 т с использованием в качестве модификаторов золя БЮ2-пН20 и ГП МеЩих 1641 (Акт №2 от 03.08.2011), которые использованы для ремонта подвального помещения №1 (Акт №3 от 09.08.2011) и ремонта подвального помещения №2 (Акт №4 от 21.09.2011).

Оценка однородности показателя прочности при сжатии раствора из разработанной модифицированной ремонтной смеси производилась по ГОСТ 18105-2010, в соответствии с которой коэффициент вариации составляет 8,1 %.

Новизна данной работы и рекомендуемые области применения представлены в табл. 7.

Таблица 7

Новизна работы и рекомендуемые области применения

Наименование Новизна решений Выпуск опытно-промышленной партии Достигнутый технический результат Рекомендуемая область применения

Ремонтная смесь сухая проникающая на цементном вяжущем, модифицированная К£04 с ГП Ме!/1их \641F Патент РФ 2455249; Патент РФ 2478593; Патент РФ 2485066; Патент РФ 2485067; ТУ 5745-005-98593931-2011 Сухой смеси гидроизоляционной проникающей (ССГП) с модификатором К£04 и ГП Мефих 1641Р> Акт№ 1 ot21.06.2011, количество 3,5 т. Акт №3, от 09.08.2011 Ремонт подвального помещения №1 Повышение физико-механических характеристик бетонного основания: - прочности при сжатии - на 59%; - водонепроницаемости на 8 атм. Понижение водопоглощения бетонного основания на 30 отн.%. Ремонт и гидроизоляция преимущественно бетонных сооружений различного назначения

Ремонтная смесь сухая проникающая на цементном вяжущем, модифицированная золем БЮгпН£> с ГП \feljlux \641F Сухой смеси гидроизоляционной проникающей (ССГП) с ГП Ме!/!их \641F и модификатора золя БЮз-пН/), Акт № 2 от 03.08.2011, количество 3,5 т. Акт №4, от 21.09.2011 Ремонт подвального помещения №2 Повышение физико-механических характеристик бетонного основания: - прочности при сжатии -на 56%; - водонепроницаемости на 10 атм. Понижение водопоглощения бетонного основания на 36 отн.%. Ремонт и гидроизоляция бетонных и кирпичных сооружений различного назначения

Общие выводы

1. Изучено проникающее действие растворов электролитов щелочных металлов и кремнезоля и доказана высокая проникающая способность ионов К(1)\ определена зависимость между размером катиона электролита и глубиной его проникания в поры цементного основания; прослежено, что чем больше радиус катиона, тем больше глубина проникания; установлено также, что кремнезоль обладает высокой проникающей способностью, сравнимой с ионами К(1).

2. Определено, что в основания разной природы из ремонтной модифицированной смеси проникают ионы электролитов, твердые коллоидные кремнеземсо-держащие дисперсии и вновь образованные гидраты. Установлено, что в порах бетонного основания под действием предложенных добавок непрореагировав-шии цемент подвергается гидратации с формированием более плотной структуры по сравнению со структурой, формирующейся в порах кирпича, в котором отсутствуют гидратационные процессы. Показано, что дополнительное образование гидратных соединений в бетонном основании способствует более эффективному восстановлению и повышению его физико-механических характеристик

3. Обнаружено, что в ремонтном растворе, модифицированном предложенными добавками, повышается количество тоберморитоподобных гидросиликатов, в том числе и низкоосновных гидросиликатов кальция в присутствии золя кремниевой кислоты, что способствует улучшению физико-механических характеристик ремонтного раствора и повышению его адгезионной прочности к основанию, обеспечивая защитные действия.

4. Показано, что модифицированные ремонтные растворы и бетонные основания, обработанные смесями, содержат в продуктах гидратации пониженное количество Са(ОН)2 и, как следствие, характеризуются повышенной магнезиальной и углекислотной коррозионной устойчивостью; полученные, в целом результаты положены в основу создания ремонтной модифицированной смеси повышенной эффективности.

5. Определено, что для достижения наибольшей эффективности ремонтной смеси по восстановлению свойств основания толщина модифицированного ремонтного покрытия должна составлять 4,5±0,5 мм, что обеспечивает повышение прочности при сжатии эксплуатируемого бетонного основания на 1-3 класса в зависимости от класса бетона основания, а также и повышение водонепроницаемости на 4-10 атм, в зависимости от исходной марки по водонепроницаемости основания; наибольшее повышение прочности достигается для бетона основания В20 и В22,5; наибольшее повышение водонепроницаемости обеспечивается при исходном значении 6-8 атм.

6. Показано, что модифицированные ремонтные растворы характеризуются повышенной трещиностойкостью, Ктр= 0,31 - 0,34, что обусловлено опережением роста прочности на растяжение при изгибе (68-84 %) относительно роста прочности при сжатии (45-48 %); обнаружено, что ремонтные растворы в присутствии предложенных добавок характеризуются повышенной адгезионной прочностью, которая составляет 2,8-3,6 МПа к бетонному основанию, в зависимости от класса бетона. Установлено, что адгезионная прочность к кирпичному основанию марки М150 составляет 2,6 МПа, что на 17-21 % ниже, чем к бетонному основанию такой же прочности. Определено, что модифицированные ремонтные растворы и бетонные основания, обработанные эффективной растворной смесью являются коррозионно устойчивыми относительно углекислотной и магнезиальной коррозии, с коэффициентом коррозионной устойчивости 0 90-0 93

7. Показано, что по совокупности полученных результатов модифицированный ремонтный раствор является высокоэффективным гидроизоляционным ма-

териалом защитного и проникающего действия, на него разработаны ТУ «Смесь сухая гидроизоляционная проникающая», произведен выпуск 30 опытно-промышленных партий смеси сухой с предложенными добавками общим объемом 7 тонн, проведены физико-механические испытания модифицированной ремонтной смеси по основным параметрам качества, определяемым требованиями ГОСТ 31357-07 и ТУ, произведена статистическая обработка данных по показателю прочности, для которых коэффициент вариации составил 8,1 %;

8. Эффективные ремонтные смеси опытно промышленного изготовления использованы при проведении ремонта подвальных помещений эксплуатируемых зданий, расположенных в г. Пушкин Санкт-Петербурга; по проведенным опытно-промышленным исследованиям при использовании в качестве добавки Kß04 и золя кремниевой кислоты БЮ2-пН20 подтверждена эффективность ремонтной смеси и составлены акты; новизна разработок подтверждена шестью патентами РФ.

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Касаткина, A.B. Защитные покрытия нового поколения для транспортных строительных конструкций / В.Я. Соловьева, И.В. Степанова, A.B. Касаткина // Транспорт Российской федерации. - 2010. - № 2. - С. 56-58 (0,2 п. л.).

2. Касаткина, A.B. Получение и свойства бетонов с железо (Ш)-содержа-щим золем / И.В. Степанова, В.Я. Соловьева, Д.С. Старчуков, A.B. Касаткина // Бетон и железобетон. - 2010. - №3. - С. 16-18 (0,2 п. л.).

3. Касаткина, A.B. Модифицированный гидроизоляционный материал проникающего действия / A.B. Касаткина // Бетон и железобетон. - 2012. - №3. -С. 8-10 (0,2 п. л.).

4. Касаткина, A.B. Модифицированный гидроизоляционный материал проникающего действия улучшенного качества / A.B. Касаткина // Известия ПГУПС. -2012. - №2. - С. 78-87 (0,6 п. л.).

патенты:

5. Патент на изобретение № 2396234. Сырьевая смесь. Заявка№ 2009125243/ 03 от 01.07.2009. Решение о выдаче патента от 10.08.2010. Авторы: Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, В. Ю. Шангин, И. В. Степанова, Д. В. Соловьев, А. В. Козловская.

6. Патент на изобретение№ 2396235. Сырьевая смесь. Заявка№ 2009125275/ 03 от 01.07.2009. Решение о выдаче патента от 10.08.2010. Авторы: Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, В. Ю. Шангин, И. В. Степанова, Д. В. Соловьев, А. В. Козловская.

7. Патент на изобретение № 2455249. Строительный раствор. Заявка № 2011101009/03 от 12.01.2011. Решение о выдаче патента от 10.07.2012. Авторы: Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, И. В. Степанова, А. В. Касаткина, Д. В. Соловьев, В. Е. Иванова.

8. Патент на изобретение № 2478593. Строительный раствор. Заявка № 2011146783/03 от 17.11.2011. Решение о выдаче патента от 10.04.2013. Авторы: JI. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, А, В. Касаткина, И. В. Степанова, Д. В. Соловьев.

9. Патент на изобретение № 2485066. Строительный раствор. Заявка на изобретение № 2012101179 от 11.01.2012. Решение о выдаче патента от 20.06.2013. Авторы: J1. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, А. В. Касаткина, И. В. Степанова, Д. В. Соловьев.

10.Патент на изобретение № 2485067. Строительный раствор. Заявка на изобретение № 2012101913 от 19.01.2012. Решение о выдаче патента от 20.06.2013. Авторы: Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, А. В. Касаткина, И. В. Степанова, Д. В. Соловьев.

публикации в других изданиях:

П.Касаткина, A.B. Оценка коррозионной устойчивости гидроизоляционных материалов на цементной основе / И.В.Степанова, Е.А.Шилова, А.Ю. Иванова, A.B. Касаткина // сб. науч. трудов «Новые исследования в материаловедении и экологии» / под ред. Сватовской Л.Б. -СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - 2010. - вып. 10. - С.36-40 (0,3 п. л.).

12. Касаткина, A.B. Гидроизоляционные материалы проникающего действия улучшенного качества / A.B. Касаткина, И.В.Степанова, Д.В. Соловьев // сб. науч. трудов «Новые исследования в материаловедении и экологии» / под ред. Сватовской Л.Б. — СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. — 2010. — вып. 10. — С.45-50 (0,4 п. л.).

13.Касаткина, A.B. Исследование гидроизоляционных материалов проникающего действия / A.B. Касаткина, В.Я Соловьева, ТАК КАК Лягуша// сб. науч. трудов «Новые исследования в материаловедении и экологии» / под ред. Сватовской Л.Б. - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - 2011. - вып. 11. -С. 14-25 (0,8 п. л.).

14.Касаткина, A.B. Гидроизоляционные материалы проникающего действия улучшенного качества для бетона / A.B. Касаткина // сб. докладов «Энергетическая Пальмира» - СПб.: Изд-во Политех, ун-та. - 2011. - С.137-143 (0,4 п. л.).

15.Касаткина, A.B. Гидроизоляционные материалы проникающего действия улучшенного качества / A.B. Касаткина, В.Я Соловьева // материалы научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в Будущее» (Неделя Науки) — СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. — 2010. — С.53-54 (0,1 п. л.).

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 25.10.13. Формат 60*84 1/16. Бум. офсетная.

Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 142.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет

путей сообщения»

На правах рукописи

04201452457

Касаткина Анна Владимировна

РАЗРАБОТКА ДОБАВОК ПРОНИКАЮЩЕГО И АКТИВИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЦЕМЕНТСОДЕРЖАЩИХ

РЕМОНТНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Соловьева В.Я.

Санкт-Петербург-2013 г.

Содержание

Введение.................................................................................................................5

1. Литературный обзор. Постановка работы. Методы исследований...........13

1.1. Современные представления и основные принципы получения высокоэффективных ремонтных материалов на цементной основе проникающего действия.............................................................................13

1.2. Постановка работы..............................................................................26

1.3. Методы исследований и испытаний, стандарты и ГОСТы.............28

1.4. Статистическая обработка данных.....................................................31

2. Обоснование выбора добавок, обеспечивающих создание ремонтной смеси на цементном вяжущем проникающего действия с целью восстановления и улучшения физико-механических характеристик оснований.............................................................................................................34

2.1. Оценка проникающей способности электролитов в поровое основание.....................................................................................................34

2.2. Методика приготовления коллоидных растворов и оценка их проникающей способности в поровое основание...................................43

2.3. Разработка состава высокоэффективной ремонтной смеси и ее основные физико-механические характеристики....................................48

2.4. Выводы по главе..................................................................................57

3. Физико-механические характеристики цементсодержащих ремонтных смесей проникающего действия, модифицированных выбранными добавками и оценка эффективности их действия на поровые основания разной природы...................................................................................................58

3.1. Физико-механические характеристики бетонного основания, обработанного цементсодержащим ремонтным материалом проникающего действия.............................................................................58

3.2. Определение физико-механических характеристик кирпичного основания, обработанного эффективной цементсодержащей ремонтной

2

смесью проникающего действия, модифицированной предлагаемыми добавками.....................................................................................................69

3.3. Оценка адгезионной прочности модифицированного ремонтного раствора к пористой поверхности разной природы................................70

3.4. Оценка коррозионной устойчивости модифицированного ремонтного раствора и бетонного основания, обработанного

эффективной растворной смесью..............................................................72

3.4. Выводы по главе..................................................................................74

4. Физико-химические исследования гидратационных процессов твердения ремонтного материала проникающего действия, модифицированного добавками разной природы, и физико-химические исследования поровых оснований разной природы, обработанных цементсодержащими ремонтными материалами..................................................................................75

4.1. Физико-химические исследования гидратационных процессов цементсодержащих ремонтных материалов проникающего действия. 75

4.2. Физико-химические исследования поровых оснований разной природы, обработанных цементсодержащими ремонтными материалами.................................................................................................80

4.3. Выводы по главе..................................................................................84

5. Опытно-промышленное изготовление ремонтной смеси проникающего действия на цементной основе, модифицированной солями калия (I) и золем 8Ю2-пН20, и разработка нормативно-технической документации,...............85

5.1. Выпуск опытно-промышленной партии сухих смесей для ремонтного материала проникающего действия. Физико-механические характеристики опытной партии сухой ремонтной смеси.....................85

5.2. Физико-механические характеристики опытно-промышленной партии растворной ремонтной смеси........................................................89

5.3. Физико-механические характеристики опытно-промышленной партии раствора из эффективной ремонтной смеси, модифицированной разработанными добавками в сочетании с ГП МеШих 1641 Б..............93

3

5.4. Физико-механические характеристики опытно-промышленной партии бетонного основания, обработанного эффективными ремонтными смесями, модифицированными К^С^ и золем БЮг-пНгО в

сочетании с ГП Melflux 1641 F..................................................................96

Литература.........................................................................................................109

Приложение 1....................................................................................................122

Приложение 2.............................................................................126

Приложение 3.............................................................................129

Приложение 4.............................................................................133

Приложение 5.............................................................................150

Приложение 6.............................................................................154

Приложение 7.............................................................................158

Введение.

Актуальность темы исследования. В настоящее время существует проблема восстановления ослабленных под воздействием внешних нагрузок и окружающей среды бетонных сооружений, построенных в середине прошлого века, а также проблема повышения уровня свойств эксплуатируемых конструкций, т.к. требования к их качеству с развитием строительства повышаются.

Одним из путей решения такого рода проблем является разработка высокоэффективной ремонтной смеси, которая была бы способна в равной степени выполнять функцию восстановления и дальнейшей защиты строительной конструкции; при этом основой восстанавливающего и защитного действий является такое взаимодействие свежеприготовленной ремонтной смеси с основанием, при котором возможно проникание в основание частиц из ремонтной смеси, и чем активнее это взаимодействие, тем выше восстанавливающее и защитное действие ремонтной смеси.

Такое эффективное взаимодействие может быть достигнуто, в том числе, и использованием добавок определенной природы, обладающих одновременно проникающим в основание и активирующим гидратационные процессы действием.

Предлагаемая работа посвящена получению высокоэффективных ремонтных смесей, обеспечивающих восстановление свойств основания путем использования добавок комплексного действия и дальнейшую защиту основания от негативных нагрузок.

Теоретическими основами работы стали труды отечественных

ученых в области теории и практики цемента, а также создания

эффективных строительных материалов, представленные в работах Сычева

М.М., Полака А.Ф., Ратинова В.Б., Боженова П.И., Баженова Ю.М.,

Кузнецовой Т.В., Комохова П.Г., Батракова В.Г., Сватовской Л.Б., Бабкова

5

В.В., Латыпова В.М., Пухаренко Ю.В., Гаркави М.С., Прокофьевой В.В., Соловьевой В .Я., Несветаева Г.В., Нестеренко A.C. и др.

Цель исследования - разработка добавок проникающего действия с активирующим эффектом для повышения эффективности ремонтных смесей на цементной основе.

В соответствии с поставленной целью были определены и решены следующие научные задачи исследований:

• произвести анализ существующих данных об использовании добавок проникающего действия, свойствах ремонтных смесей и их влиянии на бетонные основания;

• определить особенности природы добавок, обладающих высоким проникающим и активирующим действием, обеспечивающим высокую эффективность восстановительного действия смесей;

• определить физико-механические свойства эффективной ремонтной смеси и восстанавливаемого основания;

• исследовать гидратационные процессы при твердении ремонтных смесей с предложенными добавками, а также физико-химические превращения в бетонных основаниях, обработанных модифицированными ремонтными смесями;

• разработать нормативно-техническую документацию и произвести опытно-промышленный выпуск ремонтных смесей на цементном вяжущем, модифицированных разработанными добавками.

Объект исследований - ремонтные смеси с добавками проникающего и активирующего действия разной природы.

Предмет исследований - свойства ремонтных смесей для восстановления оснований разной природы, определяемые по физико-механическим характеристикам.

Методики исследований:

- оценка проникающей способности растворов электролитов и коллоидных растворов на основе дисперсий разной природы в поровые основания;

- определение физико-механических характеристик эффективных ремонтных смесей на цементном вяжущем и бетонного основания, обработанного ремонтной смесью с предложенными добавками;

- физико-химические исследования гидратационных процессов в высокоэффективных ремонтных смесях и превращений в бетонных основаниях, обработанных модифицированными ремонтными смесями, при помощи рентгенофазового, дифференциально-термического, электронно-микроскопического методов анализа и микроскопического анализа с применением автоматического анализатора изображений «ВидеоТест»;

- оценка адгезионной прочности модифицированных ремонтных растворов к основаниям разной природы, а также оценка коррозионной стойкости эффективных ремонтных растворов и бетонных оснований.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в определении природы и механизма действия добавок, обладающих одновременно проникающим и активирующим гидратационные процессы действием, что обеспечивает, во-первых, высокую эффективность ремонтной смеси в восстановлении и повышении уровня свойств бетонного, а также кирпичного оснований, и, во-вторых, создания защитного растворного слоя от негативных нагрузок.

1. обоснован выбор добавок, обеспечивающих создание

высокоэффективной ремонтной смеси на цементном вяжущем и

рассмотрено проникающее действие растворов электролитов щелочных

металлов и кремнезоля; показана высокая проникающая способность ионов

К(1); определена взаимосвязь между размером катиона электролита и

глубиной проникания в поры цементного основания; прослежено, что чем

7

больше радиус катиона тем больше глубина проникания; установлено также, что кремнезоль обладает высокой проникающей способностью;

2. произведена оценка эффективности действия разработанных цементсодержащих ремонтных смесей на поровое основание разной природы и показано, что уплотнение структуры основания и дополнительное образование гидратных соединений способствует восстановлению и повышению физико-механических характеристик пористого основания;

3. произведена оценка целостности композиции основание-покрытие и определено, что адгезионная прочность эффективного ремонтного раствора взаимосвязана с количеством химически связанной воды и установлено, что наибольшей адгезионной прочностью характеризуется ремонтная смесь, модифицированная золем кремниевой кислоты; установлено, что растворы из модифицированной ремонтной смеси и бетонные основания, обработанные эффективной ремонтной смесью обладают повышенной магнезиальной и углекислотной устойчивостью, характеризуясь коэффициентом коррозионной устойчивости, равным 0,90-0,92;

4. исследованы гидратационные процессы твердения модифицированных цементсодержащих ремонтных смесей и определено, что в основания разной природы из ремонтной модифицированной смеси проникают ионы электролитов, твердые коллоидные кремнеземсодержащие дисперсии и вновь образованные гидраты. Установлено, что в порах бетонного основания под действием предложенных добавок непрореагировавший цемент подвергается гидратации с формированием более плотной структуры по сравнению с поровой структурой кирпича, в котором отсутствуют гидратационные процессы.

I

}

Практическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке и опытно-промышленной апробации эффективной ремонтной смеси проникающего и защитного действия, использование которой обеспечивает восстановление и улучшение физико-механических характеристик эксплуатируемого основания и дальнейшую защиту его от негативного внешнего воздействия.

1. Определено, что для достижения наибольшей эффективности ремонтной смеси по восстановлению свойств основания толщина модифицированного ремонтного покрытия должна составлять 2,5 - 5 мм, что обеспечивает повышение прочности при сжатии эксплуатируемого бетонного основания на 1 - 3 класса в зависимости от класса бетона основания, а также и повышение водонепроницаемости на 4 - 10 атм, в зависимости от исходной марки по водонепроницаемости основания; наибольшее повышение прочности достигается для основания бетона класса В20 и В22,5; наибольшее повышение водонепроницаемости обеспечивается при исходном значении 6-8 атм;

2. Показано, что модифицированные ремонтные растворы характеризуются повышенной трещиностойкостью, Ктр=0,31-0,34, что обусловлено опережением роста прочности на растяжение при изгибе (6884%) относительно роста прочности при сжатии (45-48%); обнаружено, что ремонтные растворы в присутствии предложенных добавок характеризуются повышенной адгезионной прочностью, которая составляет 2,8-3,6 МПа к бетонному основанию, в зависимости от класса бетона. Установлено, что адгезионная прочность к кирпичному основанию марки М150 составляет 2,6 МПа, что на 17-21% ниже, чем у бетонного основания такой же прочности. Определено, что модифицированные ремонтные растворы и бетонные основания, обработанные эффективной растворной смесью, являются коррозионно устойчивыми относительно углекислотной и магнезиальной коррозии, с коэффициентом коррозионной устойчивости 0,90-0,93;

3. Показано, что по совокупности полученных результатов модифицированный ремонтный раствор является высокоэффективным ремонтным материалом защитного и проникающего действия, на него разработаны ТУ «Смесь сухая ремонтная проникающая», произведен выпуск 30 опытно-промышленных партий смеси сухой с предложенными добавками общим объемом 7,0 тонн, проведены физико-механические испытания модифицированной ремонтной смеси по основным параметрам качества, определяемым требованиями ГОСТ 31357-07 и ТУ, произведена статистическая обработка данных по показателю прочности, для которых коэффициент вариации составил 8,1%;

4. Эффективные ремонтные смеси опытно-промышленного изготовления использованы при проведении ремонта подвальных помещений эксплуатируемых зданий, расположенных в г. Пушкин Санкт-Петербурга; по проведенным опытно-промышленным исследованиям при использовании в качестве добавки К2804 и золя кремниевой кислоты БЮг'пНгО подтверждена эффективность ремонтной смеси и составлены акты; новизна разработок подтверждена тремя патентами РФ и двумя положительными решениями на выдачу патента.

Достоверность результатов научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований с использованием поверенного контрольно-измерительного оборудования, выполненных с применением современных методов физико-химического анализа - рентгенофазового, дифференциально-термического, микроскопического, электронно-микроскопического исследования, а также хорошей сходимостью результатов при проведении научных исследований и опытно-промышленных испытаний; коэффициент вариации по показателю прочности составляет 8,1%.

Реализация и внедрение результатов исследования. Эффективность технических решений, полученная в результате проведенных исследований, подтверждается опытно-промышленным апробированием

высокоэффективных ремонтных смесей на цементном вяжущем и их использованием при проведении ремонта подвальных помещений эксплуатируемых зданий, расположенных в г. Пушкин Санкт-Петербурга. По совокупности полученных результатов модифицированный ремонтный раствор является высокоэффективным ремонтным материалом защитного и проникающего действия.

На защиту выносятся

- обоснование выбора добавок проникающего и активирующего действия, обеспечивающих получение высокоэффективных ремонтных смесей на цементном вяжущем, для восстановления физико-механических характеристик бетонного основания;

- физико-механические свойства эффективных ремонтных смесей и восстанавливаемого основания;

- особенности гидратационных процессов в высокоэффективных ремонтных смесях и физико-химические превращения в бетонных основаниях, обработанных модифицированными ремонтными смесями;

- опытно-промышленное апробирование эффективных ремонтных смесей и их применение на строительных объектах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-техниче