Высокопрочные полимерсиликатные бетоны
Обычные полимерсиликатные бетоны наряду с преимуществами имеют и существенные недостатки как технологического (многокомпонентность, токсичность кремнефтористого натрия, невысокая термодинамическая устойчивость тетрагидросиликатов и др.), так и конструктивного характера (невысокая прочность, значительная усадка и др.).
Известно, что композиции на основе жидкого силикатного стекла (мастики, растворы, бетоны) обладают большими потенциальными возможностями для улучшения их физико-механических свойств - стойкости в агрессивных средах, особенно в воде и щелочах.
Практическое отсутствие щелочи придает этим материалам высокую кислотостойкость. Однако такие составы из-за содержания большого количества гидроксильных групп гидросиликата характеризуются пониженной водостойкостью и щелочестойкостью. Водостойкость этих составов может также снижаться за счет растворения нейтральной соли. Термообработка композиций не создает условий, при которых могут быть существенно улучшены физико-механичеекке свойства и химическая стойкость материала.
Качественно новым шагом в дальнейшем развитии кислотоупорных бетонов явилась разработка автоклавного кремпебетона. Высокая прочность коррозионная стойкость кремнебетона позволяет применять его в несущих армированных строительных конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах. Однако широкое применение кремнебетона в строительстве сдерживается рядом существенных причин: отсутствует база промышленного производства высокомодульного кремнеземистого стекла, значительные трудности связаны с достижением высоких температур (до 1580°С) при варке такого стекла и необходимостью использования дефицитной щелочи.
Теоретической предпосылкой получения полимеренликатных растворов или бетонов повышенной прочности, плотности и стойкости в агрессивных средах служит образование в процессе отверждения продукта типа природного минерала «морденит», образующегося в результате реакции между тонкодисперсным наполнителем из группы перлитов или вулканических пеплов, растворенным силикатом щелочного металла и кварцевым песком.
Поскольку образование кристаллогидрата типа «морденита» происходит при повышенной температуре и избыточном давлении, то необходимо было определить оптимальные параметры уплотнения и термообработки, а также разработать оптимальный состав высокопрочных полимерсиликатных бетонов. Соотношение между тонкодисперсным перлитом, жидким стеклом, песком и щебнем подбиралось из условия возможно близкого стехиометрического соотношения активных составляющих и наиболее плотной упаковки компонентов системы.
Исследования показали, что минералы типа перлита и обсидиана три размере частиц 0,01 мм и ниже могут быть химически активными компонентами бетонов на основе жидкого стекла. Активность их проявляется при повышенной температуре (150—190°С) и особенно при избыточном давлении в автоклаве.
Предполагается, что процесс отверждения в такой системе активизируется наличием большого количества полуторных оксидов и оксидов щелочных металлов. В результате отверждения в композиции не остается свободного тетрагидросиликата, так как он при повышенной температуре вступает в химическое взаимодействие со щелочью.
Отверждение смеси, по всей вероятности, происходит в три стадии с образованием промежуточных продуктов реакции. На первой стадии в результате взаимодействия кислых оксидов наполнителя и шелочи происходит перемена заряда мицеллярной жидкости, что приводит к коагуляции раствора с выделением геля кремневой кислоты. Реакция протекает при 80—100°С при наличии большого количества свободной воды в системе. Такая реакция протекает тем быстрее, чем выше дисперсность активного наполнителя. Как показали исследования, дисперсность наполнителей должна быть в пределах 5000—8000 см2/г.
На второй стадии при 100—120°С, видимо, происходит химическое взаимодействие щелочи с тетрагидроси-ликатом с образованием низкомолекулярного (~2,8) силиката натрия.
На третьей стадии гидратная вода тетрагидросиликата в результате химической реакции превращается в молекулярную, образуя кристаллогидрат. На этой стадии возможно также образование гидр оксида алюминия по мере израсходования свободной щелочи.
Было установлено, что количество свободной воды в системе должно быть строго ограничено. При большем, чем требуется для образования кристаллогидрата, содержании жидкого стекла, система при 120—200°С вспучивается и разрыхляется. Недостаток жидкого стекла приводит к образованию пор и недостатку связующего для связывания наполнителей и заполнителей.
Оптимальное количество жидкого стекла обеспечивало актическое отсутствие пор в материале, так как в системе не остается летучих продуктов. А переход гидратной воды в молекулярную препятствует усадочным процессам. Сродство кристаллогидрата с заполнителем создает условия высокой адгезионной прочности в контактной зоне.
В результате автоклавной термообработки полимерсиликатной смеси на основе натриевого жидкого стекла и перлита при 170—190°С и давлении 0,9—1,3 МПа были получены полимерсиликатные бетоны с высокими прочностными характеристиками.
Однако при оптимальном количестве жидкого стекла полимерсиликатная смесь имеет высокую жесткость (полусухая смесь) и недостаточно хорошую удобоукладываемость. Для получения необходимой плотности образцы формовали методами трамбования, вибропрессования или виброформованием с иригрузом.
Сложность формования изделий и конструкций из высокопрочного полимерсиликатного бетона и автоклавная обработка при высокой температуре сдерживают практическое применение таких бетонов.
Известно, что наиболее удобным и легко осуществимым способом улучшения удобоукладываемости бетонных смесей является введение пластифицирующих добавок.