Бетон – сложный композиционный материал, состоящий из цементного вяжущего, минеральных заполнителей, воды и модифицирующих добавок.
Основными компонентами гидравлического цементного вяжущего являются двойные и тройные соединения, состоящие из оксидов кальция, алюминия, кремния и железа. К ним относятся: монокальциевый силикат CaO * SiO2, двухкальциевый силикат 2CaO * SiO2 (белит), трехкальциевый силикат 3СаО * SiO2 (алит), трехкальциевый алюминат 3СаО * Al2O3, четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО * Al2O3 * Fe2O3 (целит). Следует отметить, что данные обозначения условны, поскольку традиционно представляемые в виде оксидов соединения являются сложными солями и диссоциируют в воде с образованием катионов кальция, а также силикатных, алюминатных и ферритных анионов.
В основе твердения цементного вяжущего лежат химические реакции гидратации силикатов и алюминатов кальция. В качестве побочного продукта образуется гидроксид кальция или свободная известь Са(ОН)2.
2(3СаО * SiO2) + 6Н2О → 3СаО * SiO2 *3Н2О + 3Са(ОН)2
Капиллярно-пористая структура бетона обусловлена многокомпонентностью состава различной степени дисперсности и физико-химическими процессами усадки. Для получения необходимой подвижности бетонной смеси добавляется от 50 до 70 масс.% воды. В процессе твердения химически связывается лишь 24 – 28%. Усадка бетона вызывается, во-первых, потерей лишней воды при твердении (физическая усадка) и, во-вторых, образованием при гидратации менее объемных гидратированных структур (контракционная усадка). Это приводит к трещинообразованию и дальнейшему развитию сети капилляров и пор. Поверхность бетона становится уязвимой для воды и присутствующих в окружающей атмосфере газов. Кроме того, свободная известь в бетоне обладает высокой химической активностью и реагирует с атмосферными газами и грунтовыми водами, что вносит существенный вклад в коррозию поверхности.
Процессы коррозии можно предотвратить или затормозить, используя поверхностные или объемные способы защиты бетона.
К объемным методам относится модификация строительных растворов добавками – важнейший рычаг управления технологическими параметрами материалов. Широкий спектр наименований, насыщенность современного строительного рынка отечественными и импортными предложениями диктуют необходимость направленного выбора средств.
Действие модифицирующих добавок проявляется в следующих основных направлениях.
Рассмотрим в представленном порядке характер действия добавок, их виды и возможность комплексной модификации.
4.1. Пластифицирующие добавки
Пластификация строительных растворов – это действие поверхностно-активных веществ, имеющих в своем составе функциональные группы разной степени полярности. Эти группы размещаются среди разнородных по полярности компонентов раствора (цемент-песок-вода), создавая своего рода гидродинамическую смазку. Уменьшая внутреннее трение, молекулы поверхностно-активного вещества ориентируются по принципу: «полярное к полярному», «неполярное к неполярному», способствуя тем самым птимальному совмещению составных частей смеси. При этом изменяются реологические свойства бетонной смеси, снижается водоцементное отношение, увеличиваются плотность и водонепроницаемость, уменьшается расслоение, снижается риск усадочных явлений и трещинообразования, формируется плотная и однородная структура поверхности.
4.2. Гидрофобизирующие добавки
Молекулы поверхностно-активных веществ, имеющих многоатомные неполярные углеводородные цепочки, располагаются полярными группами внутрь по направлению к гидрофильным молекулам цемента, прочно адсорбируясь на них. Неполярная гидрофобизирующая часть молекулы добавки фиксируется на поверхности твердой фазы, обеспечивая водоооталкивающие свойства.
Часто эффекты гидрофобизации и пластификации совпадают особенно в современных комплексных системах добавок, основу которых составляют, как правило, соли длинноцепных органических кислот, а также кремнийорганические соединения.
4.3. Добавки, регулирующие структуру и сроки схватывания-твердения
Ускорение или замедление сроков схватывания обусловлено причинами как физического, так и химического характера. Это может быть изменение растворимости вяжущих веществ: понижение растворимости ведет к замедлению твердения (добавки спиртов); повышение растворимости, вступление в химическую реакцию с компонентами вяжущего вызывает процессы ускорения схватывания-твердения. Появление новообразований – продуктов реакции материала с добавками – положительно влияет на ряд свойств: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость бетона. К таким добавкам относятся широко известные системы на основе хлоридов и нитратов кальция, образующие с минералами портладцементного клинкера новые соединения – двойные соли-гидраты. Эти соединения оказывают существенное положительное влияние на такие свойства бетона, как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость.
Расширяющиеся и напрягающие цементы содержат, как правило, безводный сульфоалюминат кальция, дающий при гидратации достаточно объемные образования, или активный кремнезем, образующий расширяющие и труднорастворимые гидросиликаты кальция. Все это в итоге ведет к увеличению прочностных и деформационных свойств.
К добавкам, изменяющим структуру бетона, относятся газо- и пенобразующие добавки: алюминиевая пудра, поверхностно-активные вещества и др. Производство пено- и газобетонов существенно снижает материалоемкость производства, улучшает эксплуатационные свойства материалов, прежде всего их объемную массу и теплофизические характеристики.
Современные супер- и гиперпластификаторы - это системы комплексного действия. Малые количества этих добавок способствуют значительному снижению водоцементного отношения, а, следовательно, повышению плотности, трещиностойкости, морозостойкости, химической устойчивости и ряда других свойств. Комбинация различных компонентов часто направлена на синергизм – взаимное усиление действия составляющих на достижение определенных свойств.
В условиях атмосферного воздействия (влага, перепады температур, УФ-излучение, наличие агрессивных газов СО2, SO2, NO2 и пр.) хорошо зарекомендовали себя вододисперсионные акриловые и кремнийорганические краски. Создавая тонкий, плотный барьер, эти краски надежно защищают бетон в атмосферных условиях.
Старение бетона под действием техногенных факторов принимает такие темпы, что становится отчетливой необходимостью специальная поверхностная защита материала.
Обязательных мероприятий по химической защите бетонных сооружений требуют следующие среды.
Среды |
Количественные показатели |
Неорганические кислоты: H2SO4, HCL, HNO3, H2F2, HClO4, H3PO4, H2CrO4 Органические кислоты: муравьиная, уксусная, молочная, масляная, хлоруксусная, салициловая, щавелевая Щелочи: NaOH, KOH, сода Na2CO3, фосфаты, очищающие и моющие средства Минеральные масла |
рН-фактор < 3,5 или расход основания для слабодиссоциирующих кислот > 10 ммоль/л рН-фактор < 3,5 или расход основания для слабодиссоциирующих кислот > 10 ммоль/л рН-фактор > 13 или концентрация > 10 М.% Кислотное число > 0,5 мг КОН / г |
Из других веществ могут быть агрессивными для бетона:
Действие этих веществ зависит от их концентрации, рН-фактора, продолжительности воздействия, поэтому выбор защиты определяется конкретными условиями.
В сооружениях из железобетона следует учитывать:
Поэтому при строительстве новых и восстановлении старых сооружений основными задачами являются эффективность и долговечность защиты, что возможно лишь при использовании современных системных технологий.
Системность в выполнении ремонтно-защитных работ подразумевает использование материалов одного производителя с такими требованиями как:
При защите бетонной поверхности тонкослойными синтетическими покрытиями, используются преимущественно эпоксидные или полиуретановые смолы; в условиях жесткой агрессии – смолы на основе виниловых эфиров, фурановые полимеры и композиции на основе жидкого стекла.
Необходимыми требованиями к поверхности являются:
При соблюдении этих условий, выборе надежных материалов и строгом выполнении технологии защита может быть и эффективной и долговечной.
5.1. Очистка и защита замасленных поверхностей
Серьезной проблемой, в частности, является очистка, подготовка и защита замасленных, контактирующих с нефтепродуктами бетонных поверхностей.
Полы и резервуары нефтеперерабатывающих производств, очистные сооружения – все минеральные поверхности, контактирующие с сырой нефтью, маслами, соляркой, мазутом и пр., с трудом поддаются очистке, отмывке и последующей защите. Проблемой является и изоляция швов на замасленных поверхностях. Создаваемая антиадгезионная прослойка является серьезной помехой в проблемах реконструкции и противокоррозионной защиты.
Технология SCHOMBURG по обновлению и защите бетонных поверхностей, контактирующих с маслами и нефтепродуктами, включает три основных этапа:
ASODUR-TE – двухкомпонентная тиксотропная эпоксидная смола. В отвержденном состоянии высокоэластична, износостойка и работоспособна в интервале температур от –30оС до +80оС.
Для наливного пола в условиях механических нагрузок (проходы людей, транспорт, станки и пр.) в качестве наливного покрытия применяется прочная, износостойкая эпоксидная композиция ASODUR-B351 – промышленный пол.
5.2 Специализированная защита от концентрированных минеральных кислот (серная, соляная, азотная кислоты) материалами компаний STEULER и SCHOMBURG
Расход макс. 350 г/м2 за проход.
Расход 1 кг/м2.
Расход 3 кг/м2.
Альтернатива
По п.2: Грунтование поверхности материалом ASODUR-SG2 (0,6 – 0,8 кг/м2) или ASODUR-GBM (0,3 – 0,5 кг/м2) – SCHOMBURG.
По п. 4: Нанесение плотной основы – полиуретановая композиция ASOFLEX-AKB (2,5 кг/м2) – SCHOMBURG.
Затем плитка на кислотостойкую замазку Säurekitt-AE.
В случае слабокислой среды или непродолжительного воздействия кислот возможно обустройство полимерного пола на основе кислотостойкой эпоксидной смолы ASODUR-UBS.
5.3 Защита очистных сооружений в условиях газовой коррозии
Железобетонные конструкции гидро- и очистных сооружений подвергаются различным видам коррозии. К ним относятся, в частности:
В сооружениях для бытовых сточных вод дефектные места в бетоне проявляются значительно медленнее в силу более низких химических и термических нагрузок, поэтому они трудно устанавливаются. Однако, поверхности газовой зоны резервуаров для органического ила (метантенков) и канализационных труб весьма чувствительны к агрессивному воздействию. Выделяющийся из сточной воды газообразный сероводород проникает во влажный бетон и благодаря серным бактериям превращается в серу и серную кислоту. Это приводит к коррозии арматуры и достаточно быстрому разрушению бетона. Особенно уязвимы в этом отношении поверхности колпаков больших резервуаров с органическим илом.
Исходя из необходимости защиты, прежде всего, от коррозионного воздействия газов, следует отдать предпочтение газоплотным поверхностным коррозионностойким покрытиям с высокой степенью адгезии к бетону и металлу, эластичным и трещиностойким, особенно в условиях перепада температур при эксплуатации на открытом воздухе.
Этим требованиям удовлетворяет композиция ASODUR-TE, не содержащая растворителей тиксотропная двухкомпонентная –эпоксидная смола. ASODUR-TE высокоэластичен, износостоек, устойчив к агрессии морской воды, сточных вод, нефтепродуктов, разбавленных кислот и щелочей. Покрытие черного цвета с блестящей антиадгезивной поверхностью. Работоспособно в интервале температур от –30о до +80оС.
Расход: 500 г/м2 поверхности при накатываемом способе за 1 рабочий проход. Рекомендуется 2 – 3 рабочих прохода (в зависимости от состояния поверхности) с обсыпкой в промежутке просушенным кварцевым песком.
Подготовленная и выровненная бетонная поверхность должна быть загрунтована. Обычной грунтовкой для сухой поверхности (уровень влажности не более 4%) является эпоксидная композиция ASODUR-GBM с расходом от 300 г/м2. При условиях, не позволяющих достичь требуемого уровня влажности, возможно грунтование специальным составом ASODUR-SG2 (двухкомпонентная система на основе эпоксидной смолы) с расходом ~600 – 800 г/м2.
5.4 Универсальная химическая защита
Для защиты резервуаров, реакторов, ванн, поддонов, лотков, труб и пр., в том числе и нуждающимся в ремонте, перспективным является применение термопласт-облицовок - технология STEULER. В старое бетонное сооружение вносится вкладыш из термопласта (полиэтилен высокой плотности, полипропилен), оснащенный с наружной стороны вплавленными анкерами. Системный материал монтируется на месте производства работ путем сваривания листов в конструкцию необходимой конфигурации (сложные профили возможно изготавливать на заводе) и заполняется со стороны анкеров высокоподвижным безусадочным раствором. После твердения раствора образуется единая система - бетон-термопласт-облицовка. Старое сооружение играет, таким образом, роль несъемной опалубки и не требует соответственно длительного ремонта и защиты.
Вкладыши из термопласта |
Монтаж вкладыша в разрушенную трубу |
Бетон-термопласт-облицовка |
Применение бетон-термопласт-облицовок в новом строительстве и ремонте имеет неоспоримые преимущества, к которым относятся: