ВСЕ О ПЕНОБЕТОНЕ

Условия получения гидрофобного цемента

Гидрофобный цемент получают введением специальных гидрофобизиру - ющих добавок при помоле цементного клинкера, и только этой операцией про­изводство гидрофобного цемента отличается от технологии обычных цементов. Кроме того, уже готовому цементу можно придать гидрофобные свойства пу­тем его повторного домола в мельницах в присутствии гидрофобизаторов.

Получение гидрофобного цемента основано на образовании хемосорбци - онных пленок, возникающих на цементных зернах в результате взаимодействия гидрофобизирующих добавок со свободной известью, которая выделяется из силикатов цементного клинкера.

Еще за много столетий до нашего времени практиковалось применение ги­дрофобных органических веществ для повышения водостойкости воздушной извести. Жиры, масла и некоторые другие органические соединения, облада­ющие гидрофобными свойствами, широко распространены в животном и рас­тительном мире. Повседневно встречая такие вещества в окружающей природе, человек с давних пор применял их не только для питания, но и для различных бытовых и производственных надобностей, в том числе в строительной технике. Так, например, в древнем Риме к извести добавляли свиное сало и свернувшую­ся кровь животных, а в древней Руси - творог, льняную сечку вместе с льняным семенем, отвар еловой коры и другие вещества.

Подобно тому, как еще более далекие наши предки, добывая огонь трением, не подозревали о законе превращения одного вида энергии в другой, мастера и зодчие древних и средних веков пользовались органическими поверхностно - активными добавками, физико-химические свойства которых были открыты лишь несколько веков спустя.

Органические добавки к воздушной извести, которая в старину являлась основным и важнейшим вяжущим веществом, применялись до XVIII в. вклю­чительно. Вторая половина XVIII в. и весь XIX в. были эпохой быстрого раз­вития гидравлических вяжущих веществ. Надобность в гидрофобизирующих и подобных добавках, как тогда казалось, отпала, и они были забыты.

В начале двадцатого века, когда выяснилось, что водонепроницаемость и некоторые другие свойства цементных бетонов и растворов нуждаются в улучшении, вновь начали применять органические добавки. Наибольшую по­пулярность приобрели добавки, представлявшие собой нерастворимые в воде мыла жирных кислот.

Так, например, под различными названиями (церезит, церолит и др.) ис­пользовались смеси олеинокислого кальция и олеинокислого алюминия с ги­дроокисью кальция. (Последний компонент обычно брали в избытке, чтобы облегчить равномерное распределение олеатов в процессе их введения в бе­тонную или растворную смесь.) Существовали также препараты из битумов, восков и смол, применявшихся в виде эмульсий при изготовлении бетонов и растворов. Иногда бетонные изделия гидрофобизировали последовательным пропитыванием растворами мыла и алюминиевых квасцов в воде либо раство­ром парафина в дихлорэтане или четыреххлористом углероде, либо другими составами. Разработка подобных способов гидрофобизации бетонов носила преимущественно эмпирический характер.

Одна из первых попыток не только найти рациональный способ гидрофо - бизации цементов и растворов, но вместе с тем, исходя из физико-химических представлений, дать такому способу научное обоснование, была сделана еще в 1934 г. в ЦНИИПСе (Центральный Научно-Исследовательский Институт Промышленных Сооружений). При исследовании капиллярного натяжения воды в цементных порошках, гидрофобизированных каменноугольным пеком, было впервые научно доказано, что специфической особенностью гидрофоби - зированных строительных растворов является пониженное капиллярное дав­ление. Было также установлено, что в результате гидрофобизации растворов уменьшается их смачиваемость, гигроскопичность, водопроницаемость и повы­шается химическая стойкость. В то же время были разработаны первые пред­ложения по способу введения несмачивающихся водой органических добавок в цементный клинкер при его помоле.

Некоторые из исходных теоретических представлений, которыми поль­зовалось в то время мировое бетоноведение, были пересмотрены. В процессе исследований выяснилось, что особого внимания заслуживают не гидрофоб­ные, а гидрофобизирующие добавки. Первые (парафин, стеариновая кислота или кальциевые соли высших жирных кислот) при смешивании с цементом не реагируют с ним и остаются в виде механической примеси. Вторые (водорас­творимые мыла жирных, нефтяных или смоляных кислот) сами по себе не ги - дрофобны, но образуют гидрофобные вещества в результате химического взаи­модействия с цементом.

Абсолютно гидрофобные парафин и стеариновая кислота, будучи механи­ческой примесью в цементе, не способны предохранить его от поглощения вла­ги из воздуха и образования комков, другими словами, от порчи при хранении. В то же время жирные кислоты, взаимодействуя с цементом, образуют на по­верхности его зерен гидрофобные соли (мыла), которые уменьшают гигроско­пичность и предотвращают комкование цемента.

Таким образом, первое принципиальное условие получения гидрофобного цемента - применение не гидрофобных, а именно гидрофобизирующих доба­вок. К добавкам такого типа относятся вещества, содержащие крупные ассиме - трично-полярные молекулы и способные при адсорбции на изначально гидро­фильной поверхности цементных зерен взаимодействовать с ионами кальция или магния. В результате такого взаимодействия образуются кальциевые или магниевые гидрофобные соли (мыла), ориентированные в строго определенном порядке. Эти молекулы как бы прилипают своими полярными «головками» к гидрофильному телу - цементному зерну, при этом гидрофобные углеводо­родные радикалы этих молекул обращены наружу. Они-то и обеспечивают ги­дрофильному цементу гидрофобные качества.

Приведенные общие теоретические представления о создании адсорбцион­ных пленок, обладающих гидрофобными свойствами, основываются на работах П. А. Ребиндера. В своих работах по физикохимии флотационных процессов он показал особое влияние химической фиксации полярных групп на оптималь­ную ориентацию углеводородных цепей, и в дальнейшем применил эти поло­жения при исследовании пенобетона.

Как показали дальнейшие опыты, при правильном выборе гидрофобизиру - ющих добавок получаемый гидрофобный цемент мало гигроскопичен, не смачи­вается водой и способен длительное время храниться даже во влажной среде без потери активности. Это объясняется тем, что адсорбционные слои, построенные из ориентированных молекул, образуют своеобразный защитный частокол почти на каждом отдельном цементном зерне. Цементное зерно как бы «ощетинивает­ся» углеводородными радикалами, защищающими цемент от воды.

Однако свойство несмачиваемости цемента не должно препятствовать из­готовлению бетонных (растворных) смесей обычным путем. Затворение цемен­та или любого другого минерального порошка возможно лишь в том случае, когда в процессе перемешивания этот материал смачивается водой. Если кра­евой угол, под которым лежащая на твердом теле капля жидкости прикасается к его поверхности, будет больше 90 °, то полное затворение не осуществимо. По­этому невозможно, например, затворить измельченный битум водой, как и по­лучить однородную смесь из песка или цемента с ртутью.

Для нормального смешивания гидрофобного цемента с водой и заполните­лями необходимо, чтобы гидрофобная оболочка не была сплошной и легко раз­рушалась в процессе изготовления бетонной (растворной) смеси. Нужно, что­бы защитная пленка на зернах гидрофобного цемента имела своеобразное «сет­чатое» строение. Тогда достаточно незначительных нарушений целостности гидрофобной пленки для начала гидратации цемента, что влечет сравнительно быстрое обнажение новых поверхностей, имеющих гидрофильный характер, и их смачивание водой. Происходящее при этом развитие и углубление макро - и микрорельефа поверхности зерен в свою очередь содействует растеканию воды и ее усвоению цементом.

Шероховатость поверхности всегда уменьшает угол, под которым лежащая на твердом теле капля прикасается к его поверхности. Краевой угол на поверх­ности, испещренной углублениями, может дойти до нуля. (Так, капля воды не растекается на горячей плите вследствие образования выравнивающей под­стилки из тонкого слоя пара, но хорошо смачивает холодный металл.)

Зерно гидрофобного цемента, реагируя с водой в объеме, раскрывается по множеству плоскостей, при этом изолирующая оболочка теряет свое значение. Следовательно, в период изготовления бетонной (растворной) смеси о приме­ненном гидрофобном цементе нельзя уже говорить как о гидрофобном порош­ке. Здесь этот цемент становится уже гидрофильным.

Зерна обычного цемента слипаются при первом соприкосновении с водой, но оболочки, имеющиеся на зернах гидрофобного цемента, предотвращают их агрегирование, поэтому при превращении в рабочее состояние такой цемент даже лучше смачивается водой, чем обычный.

Принципиальным условием получения гидрофобного цемента является такое строение гидрофобной оболочки, при котором цемент, затворяемый во­дой, способен реагировать с ней подобно обычному цементу. Это специфиче­ское строение оболочек достигается благодаря применению гидрофобизирую - щих, но не гидрофобных добавок.

В процессе исследований было также установлено, что применение не­которых гидрофобизирующих добавок типа технических мыл, в особенности смоляных, нередко сопровождается значительным вовлечением воздуха в це­ментные системы. Повышенное и, главное, плохо поддающееся контролю воз - духововлечение способно существенно снизить прочность тяжелых бетонов. Это свойство гидрофобизированных цементов следует считать отрицательным при производстве тяжелых бетонов и положительным при производстве легких и ячеистых бетонов.