Механизм уплотнения и составы полимерсиликатных бетонов
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, гидрофобизировать систему, закрыть сквозные поры и связать излишки воды. Введение фурановых, фепольных и других полимеров способствует диспергированию жидкого стекла, крупные структурные элементы дробятся на более мелкие. 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 фазы - уплотнение геля с возможной перекристаллизацией SiO2. Однако количественная характеристика отдельных этапов процесса превращения силикагеля, 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 полимеризуются, что приводит к дополнительному уплотнению системы.
Таким образом, механизм уплотнения полимерсиликатных бетонов при введении фурилового спирта или фурфурола можно рассматривать как результат нескольких процессов: диспергирования жидкого стекла, защитного действия кремнегеля от чрезмерного обжатия, гидрофобизации 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. Отвердителем 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. Полимерсиликаты 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 удобоукладываемости 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 портландцементными 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 полимерсиликатный бетон не пригоден для изготовления из него изделий или конструкций.
Твердение полимерсиликатных бетонов при нормальной температуре продолжается 28—30 сут. Для ускорения твердения используют сухой прогрев при 70—100°С в течение 8—10 ч.