ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Механизм уплотнения и составы полимерсиликатных бетонов

В работах [25, 131] достаточно подробно анализиру­ется механизм уплотнения бетонов на основе жидкого стекла. При этом под уплотнением понимается способ­ность силикатного материала после добавки полимера препятствовать проникновению через них растворов кис­лот, а механизм уплотнения рассматривается исходя из современных представлений о твердении силикатных си - схем на основе растворимых щелочных силикатов [21, 25, 131].

Жидкостекольные композиции, как известно, являют­ся гетерогенными системами и до, и после отверждения, причем малоустойчивыми. Обладая большим запасом свободной поверхностной энергии, силикатные системы самопроизвольно отдают часть свободной энергии, со­вершая работу по сжатию системы. При этом уменьша­ется суммарная поверхность дисперсной фазы, и систе­ма переходит в более устойчивую форму. Как известно, наиболее устойчива система с выпавшим осадком дис­персной фазы. Процессу выпадания осадка предшеству­ет процесс образования геля и агрегации.

С энергетической точки зрения самопроизвольный процесс агрегации коллоидных систем выгоден, так как устанавливается равновесие за счет запаса энергии сво­бодной поверхности. При этом система сжимается, вы­давливая растворитель, являющийся носителем большо­го запаса поверхностной энергии. Процессы, связанные с обжатием и выдавливанием растворителя, приводят к образованию микро - и макродефектов в твердеющих си­ликатных системах. Отсюда разрыхленность и пористость структуры.

Для уменьшения количества дефектов в структуре искусственного силикатного камня необходимо по воз­можности ограничить процесс синерезиса, гидрофобизи - ровать систему, закрыть сквозные поры и связать излиш­ки воды. Введение фурановых, фенольных и других по­лимеров способствует диспергированию жидкого стекла, крупные структурные элементы размером (20—ЗО) X ХІ0-7 мкм дробятся на более мелкие, не превышающие 3-Ю-7 мкм. Такая структура сохраняется и после отвер­ждения, причем эффект диспергирования проявляется не только в том, что исчезают крупные структурные эле­менты и сопутствующие им крупные поры, но и в суще­ственном снижении внутренних напряжений в системе.

В полимерсиликатных системах процесс твердения качественно не отличается от процесса твердения сили­катных систем без добавок полимеров: гель —>- агрегация Дисперсной фазыуплотнение геля с возможной пере­кристаллизацией Si02. Однако количественная характе­ристика отдельных этапов процесса превращения сили - кагеля, очевидно, будет значительно изменяться, если в силикатную систему вводить фуриловый спирт или фурфурол. Эти добавки практически не меняют скорости образования геля в полимерсиликатной системе. Поли­мерные добавки, обволакивая частицы геля, препятству­ют их сближению — агрегации. Такое явление в колло­идной химии называют «защитным действием» гидро­золей.

Так как полимерная добавка препятствует сближе­нию частиц геля, то сжатие системы, а следовательно, и выделение воды из геля ограничивается, и усадка ком­позиции значительно уменьшается. Обычно полимерная добавка вводится в количестве 3—5% по массе жидкого стекла, и этого количества не хватает на полное обво­лакивание частиц геля. Следовательно, процесс агрега­ции происходит, но не столь активно.

Обволакивание частиц кремнегеля полимерными до­бавками происходит сорбционно, т. е. фуриловый спирт и фурфурол имеют концевые полярные группы ОН и СНО соответственно, которыми они ориентируются в сторону кремнегеля. Радикалы этих полимерных доба­вок, обладающие гидрофобными свойствами, ориенти­руются наружу. Такая ориентация полимерных добавок вызывает эффект гидрофобизации системы и увеличива­ет плотность композиции.

Важным свойством фурилового спирта, фурфурола и других органических соединений с активными радикала­ми является их способность отверждаться кислотами. Поэтому при действии растворов кислот добавки поли- меризуются, что приводит к дополнительному уплотне­нию системы.

Таким образом, механизм уплотнения полимероили - катных бетонов при введении фурилового спирта или фурфурола можно рассматривать как результат несколь­ких процессов: диспергирования жидкого стекла, защит­ного действия кремнегеля от чрезмерного обжатия, гид - рофоібизации и полимеризации (поликонденсации) доба­вок под воздействием растворов кислот.

Описанный механизм уплотнения полимерсиликатов не раскрывает многих физико-химических процессов, происходящих на границе раздела фаз. Однако даже такое упрощенное объяснение позволяет ответить на во­прос, каким образом добавки в количестве 3—5% по массе жидкого стекла обеспечивают практическую не­проницаемость полимерсиликатных бетонов для раство­ров кислот. Максимальная проницаемость за длительное время составляет 3—5 мм в зависимости от концентра­ции кислот. При этом чем выше концентрация кислоты, тем меньше глубина проницаемости.

Полимерсиликатные бетоны состоят из вяжущего, от­вердителя, полимерной добавки, наполнителя и заполни­теля. В качестве вяжущего применяют водорастворимое натриевое или калиевое стекло плотностью 1,38—1,4. От - вердителем в большинстве случаев является технический кремнефтористый натрий.

Наполнителями и заполнителями служат природные или искусственные материалы с кислотостойкостью не ниже 90%, в частности диабазы, базальты, граниты, ан­дезиты, кислые шлаки, аглопорит и др. Полимерсили - каты в зависимости от гранулометрического состава на­полнителей и заполнителей могут быть приготовлены в виде мастик, растворов или бетонов.

В качестве полимерных добавок могут быть исполь­зованы такие соединения, которые хорошо совмещаются с жидким стеклом и отверждаются кислотами — по воз­можности малолетучими:

Составы полимерсиликатного бетона подбирают ис­ходя из условий наименьшего расхода жидкого стекла, соблюдения хорошей удобоукладьгваемости и высокой плотности бетона. Учитывая повышенную вязкость жид­кого стекла, для приготовления полимерсиликатных бе­тонов, как правило, применяют бетономешалки прину­дительного действия, Способы формования изделий и конструкций из полимерсиликатных бетонов такие же, как и для обычных цементных бетонов.

Полимерсиликатные бетоны характеризуются значи­тельно меньшей жизнеспособностью по сравнению с портландцементпыми бетонами. В среднем жизнеспособ­ность их около 45 мин. Допустимое уменьшение количе­ства кремнефтористого натрия приводит к увеличению жизнеспособности не более чем на 10—15 мин. Начав­ший схватываться полимер-силикатный бетон не пригоден для изготовления из него изделий или конструкций.

Твердение полимереиликатных бетонов при нормаль­ной температуре продолжается 28—30 сут. Для ускоре­ния твердения используют сухой прогрев при 70—100°С в течение 8—10 ч.