В настоящее время для дисперсного армирования наиболее широко применяется дорогостоящая металлическая фибра, которая склонна к коррозии при неблагоприятных условиях эксплуатации. К числу наиболее перспективных материалов для дисперсного армирования бетона относятся волокна хризотила, которые представляют собой трубки с внешним диаметром 20 нм. Они характеризуются более высокой, чем у стали прочностью при растяжении и стойкостью в щелочных средах. Хризотил является природным материалом, и относится к одним из самых дешевых видов волокон.

В настоящей работе было исследовано влияние добавки хризотила в количестве 1 % от массы цемента на деформативно-прочностные свойства и параметры разрушения растворной составляющей бетона. Кроме состава с добавкой хризотила, исследовался бездобавочный контрольный состав.

Исследования проводились на составе с соотношением песок:цемент 1:2 при водоцементном отношении 0,4. Для приготовления смеси использовался один из наиболее эффективных суперпластификаторов [7] Melflux 5581F в количестве 0,25 % от массы цемента. Из этой смеси изготавливались образцы типа I с размерами 40×40×160 мм для испытания по методике [8]. После формования образцы выдерживались при температуре 20 °С в течении 4 часов, а затем подвергались тепловлажностной обработке по режиму: 3 часа – подъем температуры, 7 часов – выдержка при 80 °С и 5 часов – охлаждение.

Исследование трещиностойкости мелкозернистого бетона проводилось по методике стандарта [8], с помощью измерительно-вычислительного комплекса «АСИС-1» производства НПП «ГЕОТЕК» [9] с оснасткой для испытания на изгиб (рис. 1).

При исследовании трещиностойкости расстояние между опорами призм составляло 130 мм. Скорость нагружения образца составляла 0,02 мм/мин. Величины λ и φ, используемые в расчетах [8], принимались равными 0,35 и 0,3077, соответственно.

Рис. 1. Общий вид измерительно-вычислительного комплекса  «АСИС-1» (а) и схема испытания (б)

Результаты определения зависимостей «прогиб – сила» для составов без добавки и с добавкой хризотила приводятся на рис. 2.

Рис. 2. Влияние прогиба образцов на силу сопротивления

Из приведенных на рис. 2 зависимостей величины прогиба от приложенной нагрузки видно, что развитие магистральной трещины у состава бетона с армирующим волокном происходит позже, чем в составе бетона без хризотилового волокна. Несмотря на то, что величина прогиба такого состава почти в 2 раза выше, чем бездобавочного состава, этот состав дольше сопротивляется разрушению при большей нагрузке.

По полученным результатам (рис. 2) вычисляли следующие характеристики раствора – модуль упругости (Е_б) рассчитывали исходя из величины прогиба (f), образуемого при действии на образец нагрузки (F_с) соответствующей началу движения магистральных трещин по формуле:

,

где I_к
– момент инерции (, b, h – ширина и высота образца в м).

Результаты вычисления различных характеристик трещиностойкости исследованных составов по методикам [8] приводятся в таблице.

Таблица. Характеристики трещиностойкости исследованных составов

Сравнение данных в таблице показывает, что за счет введения хризотила повышается прочность на изгиб при растяжении на 22 %, модуль упругости бетона возрастает в 1,8 раза.

При введении хризотилового волокна (данные таблицы) происходит значительное увеличение энергии приходящейся на развитие магистральных трещин и энергии расходуемой на разрушение образца вследствие восприятия растягивающих напряжений хризотиловыми волокнами. В результате коэффициент трещиностойкости – вязкость разрушения повышается с 0,65 до 0,78.

Растворная составляющая бетона с добавкой хризотила уступает по характеристикам бетонам, армированным стальной фиброй [2]. Причиной этого, по нашему мнению, является неравномерное распределение хризотиловых волокон из-за их комкования в процессе перемешивания.

Проведенные исследования позволили подтвердить предположение о положительной роли хризотилового волокна как армирующего элемента бетона для повышения его трещиностойкости, модуля упругости и прочности при растяжении.

Современный уровень развития информационных технологий позволяет моделировать физико-механические свойства бетонов как функцию их внутреннего строения и внешних факторов в заданных условиях эксплуатации конструкций, определить наиболее эффективную структуру, а также оценить долговечность бетона без длительных экспериментов. Описание многоуровневых цементных систем возможно за счет применения структурно-имитационного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) [1, 2]. Именно поэтому в последнее время сформировалось новое научное направление – “компьютерное материаловедение” [1-4], которое быстро развивается. Первая структурная модель бетона, содержащая зерна заполнителя расположенного в матрице цементного камня с вычислением распределения напряжений [5], получила развитие в работах B.T. Ерофеева, И.И. Меркулова, М.В. Бунина и др. [6, 7]. В развитие этого А.Н. Харитоновым [8] предложена методология структурно-имитационного моделирования бетона, включающая наноразмерный уровень. Главные направления исследований с использованием МКЭ реализуются в форме решения интегральных уравнений, отражающих математические модели температурно-механических и электрохимических систем и процессов. При этом важной составляющей исследования долговечности является изучение и математическое описание механизма развития микротрещин, которые влияют на скорость карбонизации, перенос хлоридов и последующие процессы на поверхности арматуры, приводящие к ее коррозии. 
Таким образом, целью данной работы является разработка имитационной модели долговечности бетона путем комплексной оценки воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов с учетом характера его пористости, и параметров трещинообразования.

В общем случае предлагаемая имитационная модель долговечности бетона задается граничными условиями, которые определяются геометрией бетонной конструкции или ее части и предусматривает три иерархических уровня (рис. 1). На микроуровне, в качестве структурного параметра пригодного для моделирования МКЭ предлагается использование эффективной пористости бетона. Под эффективной пористостью П_Е (рис.1, а) понимается часть открытых капиллярных пор и микротрещин бетона, в которых в реальных климатических условиях вода находится в «свободном» состоянии, то есть может переходить в лед при сезонном замораживании, удаляться при высыхании и насыщать поры при сезонном увлажнении бетона. Мезауровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ образования и развития термических и усадочных трещин в бетоне с использованием положений теории механики разрушения (рис. 1, б). Макроуровень имитационной модели предусматривает моделирование МКЭ коррозии защитного слоя бетона, основываясь на законах диффузии с учетом изменения граничных условий при образовании трещин (рис. 1, в). Решение МКЭ иерархической имитационной модели долговечности бетона предусматривает моделирование термонапряженного состояния бетона и реальных климатических воздействий на конструкцию, результатом чего является прогнозируемая глубина деструкции бетона конструкции в течение проектного срока эксплуатации.

а) микроуровень		б) мезоуровень		в) макроуровень
Рис.1. Структурно-имитационная модель долговечности бетона  а) – эффективная пористость бетона;  б) – образование и развитие трещин в бетоне;  в) – коррозия бетона в результате внешних воздействий.

Морозостойкость бетона при моделировании рассматривали как накопление повреждений, вызванных циклами объемных деформаций бетона вследствие замерзания в его порах льда до начала разрушения бетона. Поскольку циклы замораживания-оттаивания в реальных условиях происходят в широком спектре температур окружающей среды и сопровождаются образованием в порах бетона разного количества льда, при моделировании весь спектр возможных циклов замораживания-оттаивания бетона аналитически сводили к эквивалентному по разрушительному действию количеству циклов с замораживанием до минус 18 ± 2 °С, путем учета количества льда образующегося в порах по сечению бетона конструкции при различных температурах (рис.2).

Рис.2. Образование (оттаивание) льда в зависимости  от температуры и прогнозируемая морозостойкость бетона

Для моделирования образования и развития трещин в бетоне была использована классическая модель Гриффитса – Ирвина. Параметры раскрытия трещин получали путем подбора параметров трещинообразования, при которых напряжение в системе минимальны или не приводят к дальнейшему развитию трещин (рис.3).

Рис. 3. Напряжение в поверхностном слое бетона в зависимости от глубины трещин

Условие начала роста трещины формулировались как достижение коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) в ее вершине критического значения K_ic c (рис. 4,а). Соответственно условием прекращения роста трещины принимали снижение КИН в ее вершине ниже K_ic. Анализ ширины раскрытия трещин (рис. 4,б) свидетельствует о их стабилизации на уровне 0,033 – 0,055мм.

а)	б)
Рис.4. КИН (а) и ширина раскрытия трещин (б) в зависимости от их глубины и шага трещинообразования

Повышение температуры бетона в результате саморазогрева при твердении или воздействия солнечной радиации, приводит к повышению парциального давления паров воды, вызывает ускорение диффузии воды из пор бетона в окружающую среду и ускоряет процессы усадки бетона. При таких условиях КИН в вершине трещин может превышать критическое значение K_ic, при этом возможно образование трещин глубиной 8-14 см, с шириной раскрытия 0,035-0,06 мм. Таким образом, суммарная ширина раскрытия трещин вследствие термонапряженного состояния и усадки бетона может превышать 0,1 мм при их глубине более 100 мм. 
Глубина и ширина раскрытия трещин существенно влияет на глубину карбонизации защитного слоя бетона. В результате расчетов по модели было установлено увеличение глубины карбонизации защитного слоя бетона с увеличением глубины трещин. В условиях экспозиционного класса ХС4, в трещинах 0,2-0,3 мм фронт карбонизации может достигать поверхности арматуры через 50 лет эксплуатации, с последующей коррозией стали (рис. 5). Фронт карбонизации в трещинах шириной до 0,1 мм достигает поверхности арматуры через 100 лет эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Изменение рН защитного слоя бетона нормальной проницаемости в зависимости от ширины раскрытия трещин

Таким образом, при прогнозировании долговечности бетона комплексная оценка воздействия на бетон агрессивной среды, климатических факторов, с учетом характера поровой структуры бетона, наличия и параметров микротрещин возможна путем построения иерархической имитационной модели и ее решение МКЭ. Универсальность законов диффузии описывающих процессы коррозии бетона обуславливает возможность использования имитационного моделирования при прогнозировании долговечности бетона при воздействии различных агрессивных сред. Изменение граничных условий в результате прогрессирующего трещинообразования требует формулировки нелинейной задачи для МКЭ или ряда линейных задач с различными граничными условиями, отражающими динамику процесса.

, (1)

где t - время распространения ультразвука, мкс;

l – расстояние между центрами установки преобразователей

(база прозвучивания), мм.

А) Градуировочные зависимости устанавливают в виде графика (или таблицы), построенного по уравнению, которое принимают:

1) линейного вида 

R_н=a₀+a₁x; (2)

при R_макс – R_мин = 2·(60-)/100; (3)

42,6-6,7 = 2·18,758·(60-18,758)/100

35,9 = 15,47 – условие не выполняется

экспоненциального вида

R_н=b₀ , (4)

где x – скорость распространения ультразвука;

R_н – прочность, определенная по уравнению 

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

__

R_jф - средняя прочность бетонов, испытанных при установлении градуировачной зависимости, МПа;

N – число серий образцов, испытанных при установлении градуировачной зависимости;

R_jф, х_j – единичные значения прочности и скорости (времени) распространения ультразвука для j-й серии образцов, определяемые в соответствии с [6];

R_макс, R_мин – максимальное и минимальное значение прочности по испытанным сериям образцов,МПа.

Б) Корректировку установленной градуировачной зависимости проводят путем отбраковки единичных результатов испытаний, не удовлетворяющих условию 

 (10)

где S – остаточное среднее квадратическое отклонение, определенное по формуле

, (11)

R_jн – прочность бетона в j-й серии образцов, определенная по градуировочной зависимости

, (12)

Если

,

то определение прочности бетона по настоящему стандарту не допускается.

=7,17 % < 12 % – условие выполняется.

Градуировочная зависимость допускается к дальнейшему применению при одновременном выполнении следующих условий:

разность R_jф - R_jн не имеет одинакового знака в пяти из шести последовательных серий образцов:

S_n < 1,5·S_m,

1,783 < 1,5·1,345

, (13)

.

Искомая градуировочная зависимость имеет вид и представлена на рис. 

Таблица – Результаты испытания геошлаковых образцов в процессе их твердения

Время тверде-ния, сут	Rjф, МПа	V, м/с	-vj	(-vj)2	lnRjф	-lnRjф	(-vj)Ч(-lnRjф)	Rjн, МПа	Rjф - Rjн, МПа	(Rjф - Rjн)2
3	6,8	1447,1	128,9	16615,21	1,9169	0,7857	101,2761	6,467	0,334	0,111	0,2480
3	6,7	1446,8	129,2	16692,64	1,9021	0,8005	103,4260	6,454	0,246	0,061	0,1831
3	7,0	1446,8	129,2	16692,64	1,9459	0,7567	97,7667	6,454	0,546	0,298	0,4062
7	9,9	1542,0	34	1156	2,2925	0,4101	13,9428	12,069	-2,169	4,706	1,6133
7	10,2	1546,4	29,6	876,16	2,3224	0,3802	11,2548	12,424	-2,224	4,945	1,6537
7	11,0	1559,6	16,4	268,96	2,3979	0,30247	4,9975	13,550	-2,55	6,504	1,8966
14	16,5	1581,6	-5,6	31,36	2,8034	-0,1007	0,5642	15,659	0,841	0,707	0,6252
14	17,3	1581,6	-5,6	31,36	2,8507	-0,1481	0,8293	15,659	1,641	2,692	1,2201
14	18,1	1584,0	-8	64	2,8959	-0,1933	1,5464	15,908	2,192	4,803	1,6298
28	38,4	1711,2	-135,2	18279,04	3,6481	-0,9454	127,8234	36,718	1,682	2,827	1,2505
28	42,6	1742,4	-166,4	27688,96	3,7519	-1,0492	174,5929	45,08	-2,48	6,151	1,844
28	40,6	1722,4	-146,4	21432,96	3,7038	-1,0011	146,5684	39,525	1,075	1,156	0,7996
Сред-нее значе-ние	18,76	1576,0			2,7
Сумма				119829,3			784,59			34,961
b1=0,006547551; b0=0,00047648

Таким образом, была установлена градуировочная зависимость «скорость-прочность» для определения прочности бетона на геошлаковом вяжущем при естественных условиях твердения.

Существуют различные теории, объясняющие деструкцию насыщенных водой строительных материалов при попеременном замораживании и оттаивании. Одной из важнейших причин, вызывающей разрушение строительного материала при таком воздействии окружающей среды, является давление на стенки пор, которые возникли за счет снижения плотности образующегося льда, а также воды при снижении температуры ниже 4 ºС. Образование льда в порах приводит к снижению проницаемости строительного материала и повышению гидростатического давления в порах, что наряду с давлением льда создает дополнительные напряжения в структуре.

Циклическое замораживание и оттаивание приводит к накоплению усталостных дефектов структуры бетона и к его разрушению. На интенсивность разрушения влияет не только температура, но и скорость ее изменения. При быстром замораживании и оттаивании интенсивность деградации структуры материала повышается. В связи с этим сначала происходит разрушение поверхностей материала, а затем развивается деструкция во всем объеме материала.

При насыщении бетона противогололедными растворами, снижающими температуру замерзания воды, интенсивность морозного разрушении возрастает в несколько раз, причем деструкция ускоряется не только при использовании в качестве антифризов растворов хлоридов или сульфатов, которые могут вызывать процессы химической коррозии цементного камня. Морозное разрушение материала интенсифицируется даже при его насыщении растворами инертных по отношению к вяжущему веществ, например глицерина.

По поводу причин снижения морозостойкости при использовании противогололедных реагентов в настоящее время нет единого мнения. Наиболее вероятной причиной считается полное насыщение материала жидкостью при снижении температуры ее замерзания и, соответственно, увеличения суммарного давления льда.

Более интенсивное морозное разрушение строительных материалов при их насыщении раствором соли учитывается при определении морозостойкости. Для дорожных бетонов, которые в зимний период могут обрабатываться противогололедными реагентами, морозостойкость определяется после их насыщения 5 %-м раствором хлорида натрия.

Морозостойкость зависит в основном от структуры пор материала, которая определяет его водопоглощение и соответственно количество образовавшегося в порах льда. Характер пор оказывает большое влияние на морозостойкость материала.

Сферические поры, условно замкнутые поры, образовавшиеся за счет вовлечения воздуха при перемешивании сырьевой смеси, практически никогда не заполняются водой полностью, в них остаются воздушные «карманы», которые служат резервными объемами для расширяющегося льда в процессе замораживания воды. Вода в порах геля, имеющих наноразмерный уровень, практически никогда не замерзает.

Имеющиеся данные [1-3] о свойствах геополимерных бетонов свидетельствуют о достаточно высокой морозостойкости этих материалов. Для использования геополимеров в России и других странах с холодным климатом необходимо выявление закономерностей, определяющих их морозостойкость. На начальных этапах исследований можно использовать зависимости, установленные для портландцементных бетонов.

Морозостойкость бетона может быть повышена двумя различными способами:

1) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проницаемости для воды, например, за счет снижения водовяжущих отношений, применения добавок, гидрофобизирующих стенки пор, или кольматации пор пропиткой
специальными составами;

2) создание в бетоне с помощью специальных
воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор (более 20% от объема замерзающей воды), не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникновения воды под давлением, возникающим при ее замерзании.

Эффективным способом повышения морозостойкости цементного бетона считается применение воздухововлекающих добавок, благодаря которым при перемешивании бетонной смеси в ней образуются поры сферической формы. Для получения высокой морозостойкости необходимо обеспечить расстояние между такими порами не более 0,0025 мм [4]. Это достигается за счет оптимального объема воздухововлечения (4-6 %) и уменьшения размера пор.

Установлено [3], что геополимерное вяжущее на основе метакаолина характеризуется высокой усадкой, которая является причиной образования трещин в материале, вызывающих снижение его прочности и морозостойкости. Введение оптимального количества (74-78 %) измельченного песка в состав вяжущего снижает объем открытых пор и повышает морозостойкость геополимера. При введении в геополимер наполнителя свыше оптимального количества наблюдалось увеличение пористости и снижение морозостойкости (рис. 1).

Рис. 1. Влияние степени наполнения вяжущего на его морозостойкость [3]

Исследования [2] показали, что геополимерный бетон на основе золы класса F имеет морозостойкость 150 циклов. По мнению авторов [1], этого достаточно для применения геополимерных бетонов.

В работе [4] отмечается, что геополимерные бетоны на основе золы-уноса имеют достаточно высокую морозостойкость, однако морозосолестойкость таких бетонов не высока. При введении в состав этих бетонов добавки гранулированного шлака морозостойкость несколько снизилась, однако отмечено повышение морозосолестойкости.

Нами были проведены исследования морозостойкости геополимерного бетона на основе отсева дробления гранитного щебня [5]. Расход измельченной до удельной поверхности 320 м²/кг магматической горной породы – отсева дробления гранитного щебня Павловского месторождения составлял 345 кг/м³. В состав бетона вводилось 115 кг/м³ модифицирующей добавки – доменного гранулированного шлака, измельченного до удельной поверхности 350 м²/кг. Активация твердения вяжущего осуществлялась раствором жидкого стекла с силикатным модулем 1,4. Расход активатора составлял 110 кг/м³. Через 28 суток твердения образцы этого бетона в нормальных условиях были испытаны по второму методу в соответствии с ГОСТ 10060–2012.

Потери массы после 10 циклов замораживания-оттаивания стабилизировались и достигли 0,1 % (рис. 2). Образцы выдержали 200 циклов без значительных потерь массы, однако после 204-го цикла началось быстро нарастающее шелушение (рис.3).

Испытания были прекращены после 209-го цикла, затем была определена прочность образцов, которая составила 37,7 МПа, что на 4 % выше прочности контрольного состава.

Рис. 2. Средние значения потерь массы геополимерного бетона
в процессе его испытания на морозостойкость

Рис. 3. Внешний вид образцов после 206 циклов замораживания-оттаивания

Результаты испытания геополимерного бетона, изготовленного с использованием вяжущего на основе измельченного отсева гранитного щебня, показали, что этот бетон имеет марку по морозостойкости F₂ 200. Такой морозостойкости достаточно для применения геополимерного бетона в дорожном строительстве многих климатических районов России. Морозостойкость для дорожных бетонов F₂ 200 соответствует морозостойкости F₁ 600 для бетонов общестроительного назначения, что удовлетворяет требованиям, предъявляемых к подавляющей части бетонных и железобетонных конструкций.

Деструкция строительных материалов может происходить под влиянием различных эксплуатационных факторов, которые можно разделить на две группы:

- силовое воздействие, связанное с восприятием полезной нагрузки собственного веса материалов и конструкций, а также усталостное разрушение при воздействии переменной нагрузки;

- процессы разрушения материала под воздействием окружающей среды или внутренних процессов, развивающихся в материале.

Разрушение строительных материалов и конструкций под воздействием первой группы факторов происходит только в аварийных ситуациях или при нарушении проектного режима эксплуатации зданий и сооружений.

Вторая группа факторов включает в себя химическую коррозию строительных материалов, а также их разрушение под действием замораживания и оттаивания, насыщения и высушивания, а также внутренней коррозии в результате объемных изменений при взаимодействии некоторых компонентов материалов, например щелочей, содержащихся в вяжущем, с активным кремнеземом заполнителя.

По некоторым данным, ведущей причиной разрушения железобетонных конструкций является разрушение под действием карбонизации и хлоридных ионов, вызывающих коррозию арматуры [2]. Диоксид углерода и хлориды, напрямую не воздействуют на бетон, а способствуют коррозии арматуры в бетоне. Атмосферный углекислый газ вступает в реакцию с щелочью, вызывая уменьшение рН в поровом пространстве. В результате защитные свойства бетона по отношению к арматурной стали снижаются. Хлоридные ионы могут проникать в бетонную смесь через заполнитель или воду затворения. Однако на практике это редко происходит вследствие жестких ограничений по содержанию хлоридов в бетоне. Как правило, хлориды проникают в бетон снаружи, либо из морской воды или в результате применения противогололедных реагентов. Углекислый газ и соединения хлора, а также другие агрессивные вещества могут вызвать разрушение бетона только в присутствии воды.

Механизм проникновения хлоридов и диффузия CO₂ из окружающей среды вместе с процессом перемещения воды в бетоне играет важную роль в разрушении бетона. Эти явления являются ключевыми факторами, определяющими долговечность бетона на основе портландцемента, шлакощелочного и геополимерного бетона.

Долговечность и многие другие свойства геополимерных бетонов зависят от тех же факторов, которые являются определяющими для долговечности композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ) (рис. 1).

Рис. 1. Система факторов, определяющих структуру и свойства КШЩВ, по данным Н.Р. Рахимовой [3]

Определяющее влияние на долговечность материала, наряду с его химико-минералогическим составом, оказывает поровая структура, от которой зависит его проницаемость для жидкостей и газов, вызывающих физическую и химическую коррозию. Часто проницаемость бетона является свойством, определяющим долговечность материала.

Существуют различные условия проникновения жидкостей в материал, например капиллярный подсос, адсорбционное водопоглощение, инфильтрация жидкостей под давлением (в гидротехнических сооружениях и резервуарах). В зависимости от условий поступления в строительный материал воды или растворов коррозионно-активных веществ скорость деструктивных процессов будет различной.

Многочисленные исследования [3-7] доказали, что долговечность геополимерных материалов зависит от размерных характеристик их открытой пористости. При оценке влияния структуры бетона на его коррозионную стойкость большое значение имеет распределение объема пор по размерам. Преобладание пор меньших размеров способствует повышению химической стойкости бетона; крупные поры влияют не только на его прочность, но и на проницаемость, которая, в свою очередь, оказывает воздействие на долговечность.

Деструктивные процессы геополимерных материалов зависят не от одного или нескольких факторов, а от системы взаимодействия комплекса параметров структуры и условий эксплуатации (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма зависимостей между научными и техническими аспектами долговечности геополимеров по данным [5]

Большое влияние на повышение проницаемости бетона для коррозионно-активных агентов имеет образование и развитие в материале системы трещин. Кроме того, этот фактор значительно влияет на морозостойкость бетона.

Трещинообразование геополимерных бетонов остается пока малоизученным вопросом. Установлено, что геополимерные материалы на основе магматических горных пород характеризуются более высокой, чем портландцемент усадкой [7, 8], что создает предпосылки для образования в материале усадочных трещин. Выявлено, что на трещиностойкость этих материалов большое влияние оказывает расход добавки шлака [9]. Однако проблема повышения проницаемости геополимерного бетона из-за образования в нем трещин характерна для многих строительных материалов. Снижение влияния этих негативных явлений может быть получено различными способами, например использованием ремонтных полимерных защитных покрытий [10].

Долговечность геополимерных материалов зависит от системы взаимосвязанных факторов. Взаимосвязь этих факторов, а также их совместное влияние на изменение характеристик долговечности материала является сложной малоизученной системой, в связи с чем необходимо проведение системных исследований взаимного влияния физико-механических свойств и структуры геополимерных строительных материалов на их долговечность в различных условиях эксплуатации.

Пластифицирующий эффект при введении в бетонные и растворные смеси добавок пластифицирующей группы определяется в основном изменением реологических свойств цементного теста. Однако на его величину может оказывать значительное влияние соотношение объемов цементного теста и заполнителя. При увеличении доли заполнителя происходит контактное взаимодействие его зерен, в связи с чем снижаются водоредуцирующий и пластифицирующий эффекты, при этом наблюдается снижение эффективности СП. С учетом этого фактора осуществляется проектирование состава самоуплотняющегося бетона.

В строительных композициях, применяемых в практике, соотношение мелкого заполнителя и цемента (n) может принимать различные значения. В таблице приводятся типичные значения n для бетонов и растворов различного назначения. Из-за высокой стоимости СП они традиционно используются для получения бетонов высших классов или высокоподвижных бетонных смесей, однако в некоторых случаях СП могут применяться для решения технологических задач при производстве и применении бетонов и строительных растворов.

Таблица – Значения коэффициента n для бетонов и растворов различного назначения

Обоснования расширения области применения суперпластификаторов возможно только после установления экспериментальных закономерностей действия этих добавок на реологические свойства цементно-песчаных растворов.

Для выявления степени влияния n на эффективность суперпластификатора С-3 было исследовано его водоредуцирующее действие в растворных смесях с различной подвижностью.

Для определения водоредуцирующего эффекта СП определялся расплыв растворной смеси на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81. В эксперименте оценивалась консистенция смеси без добавки и с добавкой пластификатора при 4–5 значениях водоцементного отношения, обеспечивающих расплывы смесей от 110 до 200 мм. [1]. По этим результатам для расчета В/Ц-отношения, необходимого для получения заданной консистенции смеси методом наименьших квадратов, были найдены коэффициенты эмпирического уравнения

В/Ц = a + b•РК,

где а и b – коэффициенты уравнения; РК – расплыв конуса.

Подставляя в приведенное выше уравнение заданные значения распыва смеси рассчитывались В/Ц пластифицированного и непластифицированного составов. По полученным значениям определялся водоредуцирующий эффект по формуле

ВР = 100 (В/Р_н – В/Р_п )/ В/Р_н,

где В/Р_н и В/Р_п – водоцементное отношение непластифицированной и пластифицированной смеси, соответственно.

В связи с линейным характером зависимостей показателей консистенции смеси от расхода воды и незначительными отклонениями этих показателей от расчетных значений (рис. 1), определение водоредуцирующего эффекта для пластичных и жестких смесей может быть произведено с высокой достоверностью. [1].

Рисунок 1 – Зависимость расплыва конуса на встряхивающем столике смесей с различным расходом СП от водоцементного отношения

Использование методики определения водоредуцирующего эффекта для смесей с различным соотношением вяжущего и песка позволило выявить немонотонный характер изменения водоредуцирующего эффекта при увеличении доли мелкого заполнителя в смеси. В области значений n от 1 до 2,5 отмечено значительное отклонение от монотонного характера изменения функции водоредуцирования (рис. 2). Такой эффект объясняется тем, что в этом интервале изменяется характер зависимости В/Ц от доли заполнителя, причем для пластифицированных и непластифицированных смесей этот переход происходит при разных значениях n (рис. 3). Подобные изменения характера зависимости водопотребности от доли песка были описаны в [2], однако авторы не продолжили это исследование и не выявили характера изменения водоредуцирующего эффекта при изменении доли песка.

Рисунок 2 – Влияние отношения мелкого заполнителя к цементу (n) на водоредуцирующий эффект СП

Рисунок 3 – Зависимость В/Ц пластифицированной (◙) и непластифицированной (●) растворной смеси от содержания заполнителя (n) при РК =100 мм

В ходе этого эксперимента было установлено также, что до значений n менее 3,5 водоредуцирующий эффект выше в пластичных смесях, а при более высоких значениях n – в жестких смесях. Такое изменение связано с тем, что при расходе песка более 3,5 цементного теста не хватает для заполнения пространства между частицами цемента и характер его реологического поведения меняется.

Выявленные закономерности подтвердились при проведении эксперимента, в котором цемент был заменен на доломитовую муку для исключения фактора различной скорости потери подвижности цементного теста без добавки и с добавкой СП.

Немонотонный характер изменения водоредуцирующего эффекта при увеличении доли заполнителя в смеси может оказывать значительное влияние на оценку эффективности СП и должен учитываться при проектировании составов бетона и раствора.

Наиболее ценными вторичными ресурсом является  стеклянный бой.  Переработка стеклянного боя экономически выгодна и объемных энергетических затрат не требует. Результатами реализации вторичной переработки стеклобоя решаются следующие задачи:

− эстетическая это − возможные внедрение раздельного сбора может предполагать эксплуатацию контейнеров и мусоровозов, которые более пропорционально вмещается в развитию города;

− экологическая − уменьшение использования природных ресурсов за счет того что можно делать возврат в производство и продление срока действия полигонов твердо-бытовых;

− экономическая это − главным образом, получение дохода от реализации и использования вторичных отходов и удешевление бетона за счет использования стеклобоя (вторичное сырье), а также усовершенствование физико-механических свойств бетона[1].

Актуальность исследовательской работы является утилизация отходов стекла и применить стеклобой для изготовлений высокопрочного бетона.

Главной задачей является исследовать возможность замещения части цемента в составе тяжелого бетона с  мелкодисперсным стеклом.

Бетон самый распространённый материал используемый в строительстве. Он является сложным композиционным материалом, состоящий из цементного вяжущего, воды, минеральных заполнителей и модифицирующих добавок[2].

Для получения высокопрочного бетона необходимо соблюдать пропорциональность состава к другим используемым материалам, как песок, цемент, щебень и вода. А как напонитель используем измельченное стекло. Так как тонкомолотое стекло будет использован в виде наполнителя вместо цемента, сходство структур стекла и цемента немало важно (Талица 1).

Таблица 1- Химический состав стекла и цемента

Как видно в таблице в стекол присутствует около 7 % оксида кальция. По некоторым литературным данным материалы, обладающие менее 15 % оксида кальция, вяжущими качествами не владеют. Повышение пуццолановой воздействий в тонкомолотых шлаках дает возможность сделать аналогичный вывод касательно к мелкодисперсному стеклу, те есть вяжущие свойства оксида кальция будут обнаруживаться при измельчении стекла. [3].

В работе помол стекла в размере до 50 мкм был произведен в вибрационном истирателе 75 Т – ДРМ (Рисунок 1). Тонкость помола стеклянного порошка прагматично согласовывается  в тонкости помола цемента, а зерна стекла не имеют игольчатой формы.

Рисунок 1 –75 Т –ДРМ-Вибрационный истиратель

Эксперимент был проведен в лабораторий архитектурно-строительного факультета, Карагандинского Государственного технического университета. Всего было отформовано и испытано 18 образцов на 14 и 28 суток. Из них  6-образцы без стекла(контрольный), 6-образцы содержали 10 % стекла и 6-образцы содержали 15 % стекла. С целью экономия цемента, количество цемента пропорционально уменьшалось.

Размеры образцов 10х10х10 см, технология бетонирования, а также обработка образцов и количество бетонов согласно требованием стандарта. Был использован цемент марки Портландцемент М 400, щебень с диаметром 5-20 мм, песчано-гравийная смесь с крупностью до 20 мм и тонкомолотое стекло. Состав образцов указан на таблице 2.

Таблица 2 – Состав образцов

За день вперед до бетонирования на электронных весах были взвешены все составы. Для получения образцов смешивается цемент, песок, щебень и стекло. Затем готовые смеси заливается в кубические формы 10х10×10 см (рисунок 2) и для уплотнения смесей ставится на вибрационный стол на 1 минут (рисунок3). После уплотнения на вибрационном столе образцы нумеруются, и ставится на затвердевание (рисунок4). Образцы хранились в месте для хранения  в опилочном ящике в возрасте 14 и 28 дней.

    

Образцы были испытаны на лабораторном гидравлическом прессе ПСУ-125 (Рисунок 5). При испытаний бетонных кубов учитывались имевшие только стандартный характер разрушения.

Рисунок 5 – Лабораторный гидравлический пресс ПСУ-125

С определением разрущающей нагрузки с помощью гидравлического пресса по формуле (1) вычеслились прочности бетона[4].

где, F- разрущающая нагрузка, Н;

А-площадь рабочего сечения образца , А=100;

K-поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающей влажность образцов в момент испытания, K=0, 95.

Результаты испытаний образцов представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результат испытаний бетонных кубов

Когда заменяли, 10 % цемента с мелкодисперсным стеклом прочность бетонов при испытании на сжатие на 14 суток в 2 случаях из 3 была ниже, чем прочности контрольных образцов. То есть замена 10% цемента с мелкодисперным стеклом не хватает для улучшения прочности бетона.  Средняя прочность образцов 140,9 кг/см².

А при замене 15% цемента мелкодисперсным стеклом прочность бетонов при испытании на сжатие в 3 случаях из 3 превышала, чем контрольных образцов. Итак, при замене 15 % цемента молотым стеклом увеличивает прочность бетона. Средняя прочность образцов 177,6 кг/см².

Рисунок 6- Прочности образцов при испытаний на 28 дней

А при испытании образцов на 28 суток при замене 10 % цемента с мелкодисперным стеклом  3 серий из 3 превышала прочность контрольных образцов. Средняя прочность образцов 171,9 кг/см².

Замена 15%  цемента с тонкомолотым стеклом прочность бетонов при испытании была намного выше чем контрольных образцов. Средняя прочность образцов 22483 кг/см².

Рисунок 7 – Прочности образцов при испытаний на 28 дней

Замена 15 % цемента мелкодисперсным стеклом повышает прочность бетонов на 10%. Из проведенных исследований можно сделать вывод, что использование мелкодисперсного стекла для замены части цемента является приемлемым способом для уменьшения использования цемента, так и для улучшения прочностных свойств бетонной смеси.

Экономический эффект от применения предложенного  метода в промышленности строительных материалов является замена цемента мелкодисперсным порошкообразным стеклом, что влечет удешевление себестоимости, а также повышение качество бетона. За счет простоты технологии получения такого бетона, его внедрение в производство является возможным и осуществимым.

а) — без дополнительного армирования бетонного ядра; б) — дополнительное армирование гибкой арматурой; в) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде трубы;
г) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде уголков; д) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде дутавра.
Водоцементное отношение бетона составляет 0,35-0,6. Прочность бетонного ядра стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с обычным бетонным образцом. Кроме этого, исследованиями установлено, что бетон в трубе набухает. Причиной набухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой [3]. Но из этого также следует, что избыточная химически несвязанная вода не имеет возможности испаряться и находится в порах и капиллярах бетона.
Рассмотрим подробнее физический процесс, который будет проходить с водой при нагревании трубобетонной конструкции. 
Согласно [4] в бетоне различают поры гелевые, контракционные и капиллярные. Гелевые поры образуются в результате испарения адсорбционно-связанной воды; капиллярные поры образуются в результате испарения химически несвязанной воды в процессе твердения бетона. Капиллярные поры занимают основную по объему часть порового пространства. При твердении бетона в замкнутом пространстве (в стальной обойме трубобетонных элементов) химически несвязанная и абсорбционно-связанная вода, занимая все поровое пространство, не имеет возможности испаряться. Только контракционные поры оказываются незаполненными водой, но, как следует из [4], объем их невелик по сравнению с объемом гелевых и капиллярных пор. Поэтому в бетоне трубобетонных элементов можно ожидать наличие свободной воды до 8 % от всего объема. Вода при нагревании превращается в пар и в результате повышается давление внутри стальной обоймы, что приводит к возникновению в ней растягивающих напряжений. При максимальных растягивающих напряжениях относительная деформация углеродистых сталей доходит до 15 %, что приводит к увеличению внутреннего объема обоймы (для трубчатых элементов такое увеличение составит 22,5%). Этот добавочный объем может заполняться паром.
Например, в трубобетонном элементе в 1 м³ бетона может содержаться 0,08 м³ воды или примерно 80 кг. При нагревании воды в и превращении её пар, последний может занимать объём V = 0,08 + 0,225 = 0,305 м³ .По уравнению Менделеева-Клапейрона[5]

РV =  RT ,

откуда Р = RT = = 4,5  Па = 45 МПа ,
где Р – давление пара; m = 80 кг (масса воды); R = 8,31 Дж/мольK (универсальная газовая постоянная); T = 373K (абсолютная температура кипения воды); V = 0,305 м³ (объем, занимаемый паром);  = 18  кг/моль (масса моля воды).
Полученное давление способно разрушить стальную обойму. Например, в стальной трубе диаметром D = 300 мм и толщиной стенки = 3мм давление 45 МПа вызывает растягивающие напряжения равные

σ = ==2250 МПа.

Это напряжение почти на порядок выше предела прочности стали.Чтобы обеспечить возможность испарения химически несвязанной и абсорбционно-связанной воды в процессе твердения бетона, авторы предлагают устраивать в стальной оболочке отверстия. На рис.2 представлен строительный трубобетонный элемент, состоящий из перфорированной стальной гнутой оболочки, заполненной бетоном. Пожарная безопасность (огнестойкость) предложенного решения такая же, как у традиционных железобетонных конструкций, но значительно выше трубобетонных из-за наличия отверстий (перфораций).

СП применяются в основном для получения бетонов с более высокими, чем у рядовых материалов, технико-строительными свойствами, например бетонных смесей с маркой по удобоукладываемости П3 и выше, бетонов класса В30 и выше, а также бетонов с повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью [4, 5]. Использование СП новых поколений [6], стоимость которых в несколько раз выше стоимости СП на нафталинформальдегидной основе, оправданно только для производства бетонов с уникальными для традиционной технологии свойствами: самоуплотняющихся, высокопрочных и особовысокопрочных, порошковых бетонов [7, 8, 9], то есть строительных материалов, производство которых невозможно без применения новых высокоэффективных СП, за счет использования других технологических приемов. В таких случаях планируют получить экономический эффект не за счет сокращения издержек на стадии производства бетонной смеси или строительной конструкции, а вследствие снижения расходов на стадиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Методология оценки такого экономического эффекта сложна и выходит за рамки настоящей работы.

В настоящее время не существует единой методологии оценки эффективности СП, удовлетворяющей потребностям строительных лабораторий, занимающихся выбором вида СП и назначения его дозировки. Эта методология должна обеспечивать: оптимальный выбор СП из номенклатурного ряда, представленного на современном российском рынке химических добавок, с учетом технологических задач, стоящих перед производителем бетона; определение совместимости СП с цементом и добавками различного функционального назначения цементов; назначение дозировки СП и проектирование состава бетона.

В исследовательской и производственной практике отсутствуют простые и достоверные методики определения реологических свойств цементного теста, суспензии и раствора с последующей экстраполяцией результатов на технологические свойства бетонных и растворных смесей. Существующие стандартные методики трудоемки и материалоемки для практического использования в научно-исследовательских и строительных лабораториях. Они малопригодны для оперативной оценки различных пластификаторов, имеющихся на современном российском рынке химических добавок, а также для выбора в условиях строительной лаборатории оптимальной добавки и ее дозировки с учетом состава цемента и бетона, а также особенностей технологии производства.

Введение пластифицирующих добавок в бетоны снижает предельное напряжение сдвига и повышает текучесть цементного теста, что позволяет использовать их по трем направлениям:

– для улучшения удобоукладываемости при неизменных значениях прочности и долговечности;

– для сокращения расхода цемента при неизменных значениях прочности, удобоукладываемости и снижения усадки и тепловыделения;

– для повышения прочности и долговечности при неизменной удобоукладываемости.

Исходя из целей, которые должны быть достигнуты при использовании добавок, необходимо оценивать технические и экономические аспекты изменения всего комплекса свойств модифицированного бетона [1]. Однако, учитывая, что основное действие пластификатора на свойства бетона – это разжижение цементного теста, изменение перечисленных выше свойств бетона при введении пластификатора можно спрогнозировать по изменению реологических характеристик этой составляющей бетонной смеси.

В работе [10], посвященной методам оценки эффективности ПАВ, указывается на «значительный отрыв между практическими характеристиками ПАВ и физико-химическими свойствами систем», в связи с чем оценка этих веществ производится по различным группам критериев:

– непосредственная оценка действия ПАВ по изменению свойств системы, например, для пенообразователей – увеличение кратности и времени жизни пены, для пластификаторов – улучшение удобоукладываемости смеси;

– по качественным, интуитивно полученным критериям, например по гидрофильно-липофильному балансу;

– с использованием критериев, полученных из фундаментальных уравнений, например, оценка поверхностной активности dσ/dC из уравнения Гиббса, где σ – поверхностное натяжение, C – концентрация ПАВ в растворе.

Из перечисленных групп критериев, по мнению авторов [10], только последняя группа имеет четкий физический смысл и предсказательную силу, однако в практике использования ПАВ в различных отраслях их оценка чаще всего производится по первой группе критериев.

В строительном материаловедении пластифицирующие и водоредуцирующие добавки оцениваются по эффекту воздействия на свойства бетонных смесей и бетонов [11].

Пластифицирующий эффект определяется по увеличению осадки конуса бетонной смеси с добавкой пластификатора по сравнению с осадкой конуса контрольного бездобавочного состава, равной 2…4 см. Оценка эффективности СП непосредственно на бетонной смеси имеет ряд недостатков. Во-первых, это приводит к значительной материало- и трудоемкости определения пластифицирующего и водоредуцирующего эффектов, особенно в лабораторных условиях при проведении исследовательских работ или контроля качества поступающих на производство СП. Во-вторых, результаты испытаний по стандартной методике [14] на бетонной смеси, даже с учетом того, что характеристики исходных материалов и расход компонентов регламентированы стандартом [11], могут различаться, так как допустимые интервалы расхода песка (650…850 кг/м³) и щебня (950…1150 кг/м³) довольно широки. Исследование бетонных смесей, приготовленных на цементах и заполнителях с различающимися свойствами или соотношением компонентов, может приводить к субъективным выводам об эффективности добавок. Так, в научно-технической литературе встречаются сообщения [12] о новых разновидностях пластификаторов с эффективностью, соответствующей СП. Однако эти авторы используют свои методики определения пластифицирующего эффекта добавок.

Проведение испытаний на разных видах цементах также может дать значительные различия в результатах. Авторами работы [13] убедительно показано, что цементы имеют различную реологическую и прочностную чувствительность к дозировке СП.

Для оперативной оценки пластифицирующей и водоредуцирующей эффективности поступившей на предприятие добавки и предварительного назначения ее дозировки стандартная методика малопригодна вследствие ее высокой трудоемкости.

Для специалистов производства важно определить совместимость СП и цемента, так как этот фактор иногда может оказаться определяющим для эффективного использования СП.

Как уже отмечалось, пластификаторы, являясь по механизму действия диспергаторами цементного теста, определяют изменение реологических свойств бетона за счет снижения предельного напряжения сдвига и вязкости цементно-водной системы. Исходя из этого, для оценки пластифицирующей и водоредуцирующей эффективности добавок эти характеристики целесообразно определять на цементном тесте с последующей проверкой результатов на производственных составах.

В зарубежной практике для оценки пластифицирующего и водоредуцирующего эффектов СП в цементе [14] используется мини-конус – усеченный конус с диаметром основания 38 мм, высотой 57 мм и диаметром верхней части 19 мм. Пластифицирующий эффект в соответствии с этой методикой определяется по увеличению площади расплыва цементной суспензии с добавкой СП. В отечественной практике эта методика не получила широкого распространения.

В некоторых работах для оценки пластифицирующего действия добавки на цементное тесто используется вискозиметр Суттарда или его уменьшенные аналоги [15]. Определение действия СП на текучей цементной суспензии имеет существенный недостаток – водоцементное отношение в суспензии намного ниже, чем характерный уровень этого параметра у бетонной смеси. Это несоответствие приводит к ошибочным выводам об эффективности добавок.

В связи с этим, для получения более достоверных данных о пластифицирующем и водоредуцирующем эффектах пластификаторов целесообразно изучать действие добавок на растворную составляющую бетона. Такой подход позволит исследовать пластификаторы на составах близких к реальным составам бетонов. Отсутствие в исследуемых системах крупного заполнителя не позволяет оценить влияние этого компонента на расслоение и некоторые другие свойства пластифицированных бетонных смесей, однако влияние добавки на пластифицирующий эффект, его сохраняемость во времени, а также возможное замедление твердения такой подход позволяет достаточно точно оценить.

Прямым действием СП на бетонные смеси является их пластификация. Однако на практике чаще используется вторичный эффект – водоредуцирующий, который получают за счет снижения расхода воды в бетонной смеси до значений, обеспечивающих равную с бездобавочным составом удобоукладываемость. В связи с этим при оценке действия СП на растворную составляющую необходимо определять не пластифицирующий эффект.

Экспериментально установлено, что зависимость расплыва песчано-цементного расплыва из формы-конуса (конуса Хегермана) на встряхивающем стоике и под действием собственного веса от водоцементного отношения носит линейный характер (рис. 1). Это позволяет снизить вероятность ошибок и достоверно рассчитать водоредуцирующий эффект для смесей с различной консистенцией.

Рис. 1. Зависимость расплыва конуса смеси на встряхивающем столике от водоцементного отношения при различной дозировке СП

Полученные данные позволяют достоверно прогнозировать эффективность пластифицирующей добавки в бетонной смеси. Это позволяет решить задачу выбора суперпластификатора и назначение его дозировки при низких затратах материала и труда, что ценно как для исследовательской, так и для производственно-строительной лаборатории.

Общий вид установок приведен на рис.1 и рис.2

Рис.1 Установки для исследования скорости коррозии бетона в газовых средах.

а) установка – прототип Н.К. Розенталя и П.В. Язева (1969 г.);

б) модифицированная установка П.А. Федорова, В.М. Латыпова (2010 г.);

1 – герметичная камера; 2 – баллон с СО₂; 3 – редуктор; 4 – гибкий рукав; 5 – химический газоанализатор; 6 – бытовой вентилятор; 7 – образцы; 8 – чаша с насыщенным раствором поваренной соли; 9 – стеллаж; 10 – U-образная трубка; 11 – пульт управления автоматическим газоанализатором ОКА-Т-СО₂; 12 – датчик автоматического газоанализатора, установленный внутри камеры; 13 – система тихоходных вентиляторов; 14 – решётка для установки образцов

а)

1 – стакан; 2 – крышка; 3 – емкость для агрессивного раствора; 4 – кран для поступления агрессивного раствора; 5 – кран для выпуска воздуха; 6 – бетонный образец; 7 – стеклянные подставки; 8 – кран для стекания отработанного раствора; 9 – сборник для отработанного раствора.

б)

1 – реакционный сосуд; 2, 3 – емкость для исходного и отработанного агрессивного раствора, соответственно; 4 – капельница; 5 – зажим; 6 – трубки; 7 – цилиндрический образец; 8 – коррозионностойкое покрытие; 9 – пористая мембрана; 10 – кран; 11 – хлоркальциевая трубка. Стрелками показано направление движения раствора.

1 – образцы; 2 – пористая мембрана (фильтр Шота); 3 – засыпка из стеклянного песка; 4 – пористый коррозионностойкий вкладыш; 5 – крышка; 6 – уровень раствора в сосудe; 7 – решетка для крепления образцов в вертикальном положении; 8 – хлоркальциевая трубка. Стрелками показано направление движения раствора.

Рис.2 УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИИ БЕТОНА В ЖИДКИХ СРЕДАХ

а) установка для определения коррозионной стойкости материалов в жидких агрессивных средах, разработанная профессором А.Ф.Полаком в 1968 г..

б) установка и варианты рабочих сосудов (В.М. Латыпов, П.Г. Комохов, Т.В. Латыпова, Р.Ф. Вагапов 1998 г.)

В данной статье мы попробуем рассмотреть свойства бетонов, полученных с применением данных материалов в самом распространенном на настоящий момент классе бетона среди строителей – В25, имеющего среднюю прочность на 28 сутки нормального твердения по ГОСТ 26633-91 - 327,4 кгс/см²

Для испытаний были взяты 2 вида цементов – один в составе имеющий вспомогательный компонент в качестве шлака до 5 % и второй с содержанием шлака в качестве активной минеральной добавки до 20 %:

-       ЦЕМ I 42,5 Н;

-       ЦЕМ II/А-Ш 32,5 Н.

Класс бетона В25 является самым распространенным в современном строительстве, применяется для изготовления монолитных фундаментов, свайно-ростверковых ЖБК, плит перекрытий, колонн, ригелей, балок, монолитных стен, чаш бассейнов и иных ответственных конструкций. Используется при высотном монолитном строительстве (30 этажей). Наиболее используемый бетон при производстве ЖБИ. В частности, из этого конструкционного бетона делают аэродромные дорожные плиты ПАГ, предназначенные для эксплуатации в условиях экстремальных нагрузок. Многопустотные плиты перекрытий тоже производятся из этой марки бетона. Производство возможно на гравийном и гранитном щебне [2].

Оба указанных вида цементов возможно использовать для данного класса бетона, имея в виду, что расход цемента в бетоне будет несколько повышаться от цемента класса 42,5 до класса 32,5. Это зависит от активности цемента и процентного содержания в нем различных минеральных добавок. Цементы, имеющие более низкий класс прочности и обладающие вводом различных активных минеральных добавок в своем составе в количестве до 20 %, соответственно, будут иметь немного более повышенный расход в бетонную смесь.

Для испытаний использовались различные виды химических добавок – суперпластификаторы, ускорители и замедлители твердения, противоморозные. Основными полученными показателями были: снижение водопотребности бетонной смеси на 20 – 30 %, значительная экономия цемента, высокая сохраняемость удобоукладываемости бетонной смеси, сокращение времени твердения бетона до распалубки, повышенная прочность на сжатие после ТВО и на 28 сутки нормального твердения.

В качестве заполнителей использовались:

1. Песок карьерный Чаадаевского месторождения Пензенской области, который согласно ГОСТ 8736-93 соответствует II классу, категории мелкий – модуль крупности М_к = 1,99. Гранулометрический состав заполнителя приведен в таблице 1.

Таблица 1. Гранулометрический состав песка

2. Щебень гранитный фракции 5-20 Павловскгранит, марка по дробимости 1200.

3. Химические добавки ведущих российских и зарубежных производителей: Полипласт, Суперпласт, Sika, MC-Bauhemie, Basf.

Расход цемента в среднем для бетона класса В25 составил 400 кг для контрольного состава и 330-410 кг для состава бетона с применением химических добавок. Граничным, разделяющим области применения суперпластификаторов и минеральных добавок можно ориентировочно считать расход цемента порядка 300-350 кг/м³. Обычная практика получения бетонов различной прочности на цементе одной марки (класса), реализуемая при их производстве, приводит к весьма различному содержанию цемента, от 200 до 500 кг/м³ бетона.  И если средние расходы цемента близки к оптимальным, то бетоны как с низкими, так и с высокими его расходами обладают определенными недостатками.

При низком содержании цемента в бетонной смеси имеет место дефицит дисперсных частиц. Она подвержена расслоению, в результате чего, кроме обычной микропористости, в бетоне появляются более крупные седиментационные поры. Кроме того, плотность и прочность в верхнем слое бетона понижается. Введение в такую смесь минеральных добавок позволяет устранить их расслоение, улучшить удобообрабатываемость бетонной смеси и существенно повысить качество бетонов.

При высоком содержании цемента (более 400 кг/м³) растет водопотребность бетонной смеси, что вынуждает для сохранения В/Ц дополнительно увеличивать расход цемента. Это приводит к значительному повышению в таких бетонах объема цементного камня. Особенно существенно возрастает он в двух случаях: при получении высокоподвижных и литых смесей, что требует их высокого водосодержания, и при попытках получить бетон с прочностью, превышающей марку цемента (приходится назначать его расходы, превышающие 500 кг/м³). Эффективность использования цементов при этом снижается, а качество бетона ухудшается. Их твердение сопровождается значительным тепловыделением и возможным образованием термических трещин. При высыхании такие бетоны имеют высокую усадку и большую вероятность возникновения усадочных трещин.

Введение в бетоны с большим содержанием цемента суперпластификаторов позволяет либо существенно сократить расход воды, либо пластифицировать смесь без увеличения ее количества. Расходы цемента и объем цементного камня при этом остаются в разумных пределах [1, с. 3]. Что иллюстрируется всеми проведенными испытаниями цементов с добавками.

Составы бетона класса В25 без добавок и с суперпластификаторами и полученные свойства бетонов и бетонных смесей указаны в таблицах 2 – 5.

Таблица 2. Составы бетонов класса В25 на ЦЕМ I 42,5 Н

Таблица 3. Свойства бетонной смеси и бетона В25 на ЦЕМI 42,5 Н

* Режим ТВО – 2 часа предварительная выдержка перед пуском пара, 3 часа – равномерный подъем температуры до 60^оС, 6 часов – изотермическая выдержка, 4 часа – остывание до комнатной температуры.

Из данных таблиц видно, что каждая из приведенных выше добавок отвечала определенному критерию – повышению сохраняемости, прочности и пр. Хуже всех по сохраняемости для товарных бетонов была добавка MC- Bauhemie PowerFlow 3196, которая относится к модификаторам на основе поликарбоксилатных эфиров. В данном вопросе также нужно обратить особое внимание на крупность используемого песка – чем мельче и водопотребнее песок, тем ниже жизнеспособность смеси. По прочности для товарных бетонов лучшей добавкой оказалась Sika Viscocrete 571, которая при нормальных условиях и получении изначально высокой подвижности дала показатель прочности 135 % от проектного класса уже на 7 сутки. Следует отметить, что добавки производства Sika не совсем подходят по сохраняемости для добавочных цементов, но значительно увеличивают прочность по сравнению с добавками других производителей. На примере Линамикс СП-180 от Полипласта наглядно виден сильный замедляющий эффект добавок, содержащих ЛСТ, вносящих необратимые изменения в реологию смеси – данный бетон не набрал положенных ему 100 % на 28 сутки нормального твердения, при этом стоит учитывать фактор повышенного содержания мелкой фракции песка в бетонной смеси – в данном составе неверно соблюдено В/Т отношение, что отчасти и стало причиной недобора прочности, а также за счет этого обеспечивается повышенный расход воды и завышенное В/Ц отношение, что также оказывает огромное влияние на получение проектного класса прочности.

Для бетонов, подвергающихся тепловой обработке наиболее выигрышно проявил себя Muraplast FK 89 от компании MC- Bauhemie, опять же на основе поликарбоксилатных эфиров – после пропаривания получено уже 100 % проектной прочности, что говорит о возможном снижении расхода цемента в бетонную смесь на 10-15 % от использованного. При неправильно соблюденных пропорциях бетонной смеси неплохие результаты дает добавка ПФМ-НЛК, при достаточно низкой ее дозировке в бетонную смесь, бетон имеет, как выше 70 % после пропаривания на довольно щадящем режиме, так и выше 100 % проектной прочности на 28 сутки последующего нормального твердения.

Стоит отметить, что вышеуказанные добавки на поликарбоксилатной основе по сохраняемости с цементом с содержанием шлака до 20 % работают немного хуже – не более 2 часов, однако ЛСТ- содержащая добавка дала большую сохраняемость при условии ее меньшей дозировки – 0,6 % по сухому веществу в отличии от 0,8 % для ЦЕМ I 42,5 Н. Однако, при этом следует учитывать влияние сильного замедляющего эффекта на прочность – всего 80 % от проектного класса, и внимательно подбирать состав бетонной смеси.

Таблица 4. Составы бетонов класса В25 на ЦЕМ II/А-Ш 32,5 Н

Таблица 5. Свойства бетонной смеси и бетона В25 на ЦЕМ II/А-Ш 32,5 Н

В строительстве одним из основных материалов является цементный бетон, который находит широкое применение в конструктивных элементах зданий и сооружений. Бетон – искусственный каменный материал, получаемый в результате отвердевания тщательно подобранной, перемешанной и уплотненной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, крупного и мелкого заполнителей и вводимых в ряде случаев специальных добавок. Несмотря на появление новых строительных материалов, до сих пор бетон, а также железобетон активно используются в строительстве [1,2,3]. Особо развито сейчас монолитное домостроение, а бетон при этом считается основным конструкционным материалом. Его достоинством является универсальность, так как ему можно придать практически любую форму и изменять его свойства в широких пределах [1]. Бетон в строительных конструкциях обеспечивает их высокую прочность, стойкость и долговечность. Однако, при несоблюдении технологии изготовления и твердения бетонных материалов, использования низкокачественных компонентов для их изготовления, они могут разрушаться преждевременно [2,3]. Исследования конструкций из бетона и железобетона показали, что бетон около 70-80 % от всех сооружений, покрытий и несущих конструкций подвержен морозной деструкции, а также воздействию агрессивных солевых растворов и реагентов [4,5]. Именно из-за этих факторов сооружения из бетона, работающие в условиях высокой влажности и отрицательных температур, разрушаются еще до окончания срока их эксплуатации [6]. Разработка новых методов улучшения физико-технических показателей бетона является одним из направлений эффективных исследований в области строительного материаловедения, а применение различных видов добавок, широко использующихся в различных областях промышленности, приводит к улучшению его свойств [7-10]. В наше время бетон используется при строительстве транспортных объектов, гидросооружений, мостов, создания несущих опор и балок, а допускать риска их разрушения нельзя. Поэтому, проблема применения бетона, устойчивого к знакопеременным температурам и солевому воздействию, является актуальной на данный момент.

Вода в капиллярах бетона разного сечения замерзает постепенно, так как содержит гидроксид кальция, химические добавки, в замкнутых порах может быть повышено давление, поэтому температура замерзания поровой жидкости снижается, и чем тоньше капилляр, тем снижается в большей степени. Морозное разрушение зависит от влажности или степени водонасыщения материала, температуры замерзания влаги в порах и характера пористости. С помощью современных комплексных модифицирующих добавок появляется возможность формировать более плотную, однородную структуру бетона, достигающую марочной прочности [11].

Бетонные материалы чаще всего разрушаются, если они являются водопроницаемыми. Водопроницаемость бетона приводит к вымыванию из его структуры некоторых продуктов твердения цемента, в первую очередь гидратоксида кальция (Са(ОН)₂) [12]. Такое вымывание продуктов из состава бетона называется коррозией цементного камня в бетоне, которое ежегодно наносит огромный ущерб строительным изделиям и сооружениям [13]. Коррозия цементного камня в бетоне возрастает, если через структуру бетона проникает не только чистая вода, но и вода, содержащая соли или другие компоненты, отрицательно влияющие на продукты твердения цемента. В данном случае эти вещества, вступая в реакцию с продуктами твердения цемента, образуют легкоразрушаемые и малопрочные соединения, которые, ослабляя структуру бетона, приводят к его разрушению [14].

Водопроницаемость также отрицательно влияет на морозостойкость бетона: при отрицательных температурах вода замерзает в порах бетона и, как известно, разрушающее действие образующегося льда будет больше, чем действие самой воды [15].

Из изложенного следует, что повышение водонепроницаемости и морозостойкости бетона является важнейшей задачей для увеличения стойкости и долговечности строительных сооружений и изделий. Важной задачей, связанной с использованием цемента, является повышение морозостойкости и прочности строительных материалов. В особенности это относится к регионам Сибири, Севера, Дальнего Востока, Якутии. Для решения указанных проблем необходимо повышение свойств цементных материалов. Разработка новых методов улучшения физико-технических показателей бетона является одним из направлений эффективных исследований в области строительного материаловедения. Применение различных видов добавок, которые широко используются в различных областях промышленности, приводит к улучшению свойств строительных материалов [16].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является разработка бетонов с пониженной водопотребностью и повышенной прочностью и морозостойкостью.

Наиболее технологическим способом повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона является модифицирование бетонного состава добавками химического и минерального происхождения, путем их введения и равномерного распределения по всему объему бетонного состава [17].

Следует отметить, что улучшение реологических свойств бетонной смеси необходимо производить без потери прочностных характеристик модифицированного бетона, а также требуется обеспечить улучшение эксплуатационных свойств и увеличение долговечности модифицированного бетона.

Эффективность модифицирования бетона возрастает, если, наряду с понижением водопотребности, повышением водонепроницаемости и морозостойкости бетона, для данной цели применяется добавка из местного сырья [18], производимого на территории города Иркутска, имеющегося в относительно неограниченном количестве, не требующим дополнительных затрат на транспортировку и обладающего приемлемой ценой.

В строительном материаловедении известны многочисленные работы, связанные с изучением влияния модификаторов на свойства бетонных смесей и бетонов, их структурообразование и процессы гидратации портландцемента [2,5,7,8,9,12]. Однако недостаточно исследований, посвященных изучению структурированию цементной матрицы бетона с введением в его состав акриловых дисперсий. В связи с чем, в данной работе выполнено модифицирование цементсодержащих растворов водным раствором водно-дисперсионного связующего материала латекса марки ВДСМ-КИ-02-04, произведенного в городе Иркутске ООО «Капитель».

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цемент: для установления закономерности изменения свойств модифицированных цементных композиций в работе использовался портландцемент местного производства, марки ПЦ М400-Д20, полученный в Иркутской области, в г. Ангарске, состав которого приведен в Таблице 1. Основные характеристики цемента: по назначению – общестроительный; по виду клинкера – изготовлен на основе портландцементного клинкера; по вещественному составу – тип – тип II/А (портландцемент с минеральными добавками, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и минеральную добавку или смесь минеральных добавок в количестве 20%); по скорости твердения – нормальнотвердеющий, с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут.; по срокам схватывания – нормальносхватывающийся – с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин до 2 ч. Соответствует требованиям ГОСТ 10178-85.

Таблица 1

Акриловая дисперсия: марки ВДСМ-КИ-02-04, произведена по ТУ 2241-134-05757593-2000. Дисперсия акриловая предназначена для лакокрасочной промышленности. Представляет собой сополимер стирола и акриловых мономеров, полученный эмульсионным методом. Применяется в качестве пленкообразователя для получения высоконаполненных красок общего назначения, а также в качестве основы пропитывающих составов для закрепления поверхностей. Обладает высокой эластичностью и адгезией к различным поверхностям, дисперсия рекомендована к использованию как связующее. Хорошо совмещается со многими современными наполнителями, добавками и компонентами, а именно: с наполнителями на основе карбоната кальция, тальком; с различными марками диоксида титана; с бутилгликолем, бутилдигликольацетатом, тексанолом, бутилацетатом, уайт-спиритом; с диспергаторами и смачивателями Additol XW330, Pigmentverteiler A, полифосфатом натрия,  поверхностно-активными веществами (BYK 346, ОП-7, ОП-10); с пеногасителями на основе силиконов и минеральных масел (например, BYK-037, BYK-034, BYK-024, BYK-025, Tego Foamex 810). При испарении воды при температурах выше минимальной температуры пленкообразования образуется прозрачная, не клейкая, гидрофобная пленка, отличающаяся хорошей светостойкостью, стойкостью к старению и действию щелочной среды. Свойства приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Песок природный: зерновой состав песка – крупный, с модулем крупности 2,615, предназначен для применения в качестве заполнителя для бетонов, обладает стойкостью к химическому воздействию щелочей цемента, соответствует требованиям ГОСТ 8736-93. Зерновой состав песка приведен на Рисунке 1.

Рисунок 1. Зерновой состав песка. 1 – верхняя граница доверительного интервала, 2 – нижняя граница доверительного интервала, 3 – зерновой состав песка.

Вода питьевая: не содержит химических соединений и примесей, влияющих на сроки схватывания цемента, скорость твердения, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, соответствует требованиям ГОСТ 23732-2011.

Целесообразность применения ВДСМ-КИ в бетонах определяли по достижению различных технологических и экономического эффектов при эксплуатации изделий из модифицированных составов. В целях выбора оптимального количества вводимой добавки было выполнено испытание и изучение 4 серии образцов модифицированного цементного камня, с концентрацией 0,25-0,50-0,75-1,00 процентного содержания латекса по массе цемента, первая серия – контрольные образцы. Эффективность ВДАМ оценивалась сравнением показателей качества цементного состава и камня, контрольного и модифицированного составов. Испытания произведены в соответствии с ГОСТ 10180-90.

Результаты, отражающие процесс набора прочности каждого из образцов представлен на Рисунке 2. Образцы испытывались на осевое сжатие, с использованием пресса ИП-100, разрушающим методом.

Рисунок 2. Результаты испытаний образцов из цементного камня: а) Диаграмма зависимости прочность образца от концентрации ВДСМ-КИ в составе цементного камня; б) График зависимости прочность образца от концентрации ВДСМ-КИ в составе цементного камня. 1- контрольные образцы, 2 – концентрация 0,25 %, 3 – концентрация 0,50 %, 4 – концентрация 0,75 %, 5 – концентрация 1,0 %.

А также с помощью прибора Вика  определена нормальная густота цементного теста. Проведение измерений произведено в соответствии с ГОСТ 310.3-76. Показания прибора приведены в Таблице 3 и на Рисунке 3.

Таблица 3

Рисунок 3. Изменение нормальной густоты цементного теста в зависимости от концентрации модификатора.

По полученным результатам можно сделать вывод, что оптимальная концентрация дисперсии акриловой составляет 0,50 % и 0,75 %, при которых происходит увеличение пластичности цементного теста, а также некоторое увеличение прочности образцов, испытанных в возрасте 28 суток. При дальнейшем увеличении концентрации введенного в состав цементного теста латекса ВДСМ-КИ пластичность состава снижается, а также прочностные характеристики образцов снижаются. В связи с чем, принято решение для дальнейшего изучения свойств модифицированных цементных составов использовать концентрации 0,5 % и 0,75 % латекса ВДСМ-КИ по массе цемента.

В качестве контрольных образцов бетонной смеси выбран состав мелкозернистого бетона как наиболее распространенного строительного материала для ограждающих, несущих конструкций, в качестве защитного облицовочного слоя конструкций для защиты от воздействий агрессивных сред. Особенности мелкозернистого бетона обусловлены его структурой: высокой степенью однородности и мелкозернистости, большим процентом содержания цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенными значениями пористости и удельной поверхности твердой фазы. Наряду с оценкой влияния добавки ВДСМ-КИ на изменения физико-механических характеристик бетона, изменение его водоотталкивающих свойств рассматривалось как один из основных положительных эффектов модификации. Эффективность ВДСМ-КИ как гидрофобизирующей добавки определяли по степени уменьшения водопоглощения бетона, использовали средства испытания и вспомогательные устройства по ГОСТ 10180, ГОСТ 10181.1 и ГОСТ 12730.3. Кинетика набора прочности отображена на Рисунке 3.

Проведенные предварительные исследования показали возможность и целесообразность использования в технологии цементных бетонов модифицирующей органической добавки лакокрасочного производства на основе водной дисперсии акрилового мономера (ВДСМ-КИ).

Рисунок 3. Кинетика набора прочности бетонных образцов.

1 – контрольный образец,

2 – концентрация модификатора 0,50 %,

3 – концентрация модификатора 0,75 %

Показатель эффективности действия добавки оценивали согласно ГОСТ 24211-91. Были изготовлены 3 серии образцов, количество вводимой добавки: 0,5 % и 0,75 % от массы вяжущего вещества, 1-я серия – контрольные образцы. Результаты измерений приведены на Рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. График изменения морозостойкости бетона от концентрации модификатора в составе бетонной смеси.

Испытания произведены в 28-и суточном возрасте образцов, определение морозостойкости в соответствии с ГОСТ 10060.1 и ГОСТ 10060, базовым методом.

Рисунок 6. Результаты испытания бетонных образцов: а) график изменения прочности; б) график изменения плотности; в) график изменения пористости; г) график изменения водопоглащения. 1 – контрольный образец, 2 – концентрация модификатора 0,50 %, 3 – концентрация модификатора 0,75 %.

Рост прочности и плотности при сжатии образцов мелкозернистого бетона, модифицированных ВДСМ-КИ (Рисунок 6, а, б), составил около 20 и 25 % соответственно. Снижение пористости и показателя водопоглощения составил около 30 и 45 % соответственно (Рисунок 6, в, г) при варьировании количества вводимой добавки ВДСМ-КИ от 0,5 до 0,75 % (Рисунок 6, а-г). Но, при введение ВДСМ-КИ в количестве от 0,75 до 2 % наблюдается некая тенденция спада положительного эффект изменения физико-механических показателей, что говорит о нецелесообразном использовании дозировки модификатора более 0,75 %.

ВЫВОДЫ

Эффективность управления структурными изменениями в модифицированной цементной системе обусловлена получением более плотной структуры композита, уменьшением порового пространства, повышение вяжущего потенциала цемента, развитие пластифицирующего эффекта в модифицированной ВДСМ-КИ цементной матрице, что в свою очередь оказывает влияние на направленное изменение механизма гидратации клинкерных минералов. А это обеспечивает более высокое использование заложенного потенциала прочности кристаллогидратов, повышает качество совместной работы всех компонентов бетонной композиции.

Предотвращение разрушения цементного камня в бетоне напрямую зависит от возрастания водонепроницаемости и морозостойкости бетона, позволяет сохранить существующие и увеличить долговечность строящихся сооружений, и тем самым сэкономить огромные затраты при производстве бетонных изделий и сооружений. В целях решения данной задачи в моей работе выполнено изучение свойств цементного бетона модифицированного акриловой дисперсией ВДСМ-КИ-02-04, которая обеспечивает создание высококачественного композиционного материала с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

Модифицирующий эффект добавки ВДСМ-КИ проявляется как результат различных физических процессов, протекающих в твердеющей системе, а также за счет химических процессов на границе раздела фаз «цементный камень — зерно заполнителя», «цементный камень – поровая структура».

Гидрофобизирующие свойства добавки ВДАМ проявляются в формировании плотной и однородной структуры модифицированной композиции бетона. Уменьшается количество и размеры макропор. Система равномерно распределенных пор с гидрофобизированной поверхностью в затвердевшем модифицированном бетоне снижает капиллярный подсос, уменьшает проницаемость бетона. При контакте с продуктами гидратации цемента ВДСМ-КИ осаждается в виде мельчайших капелек на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные покрытия, в результате возникает контакт, имеющий обратный угол, при котором силы поверхностного натяжения выталкивают воду из пор.

Эффективность гидрофобизирующих свойств ВДСМ-КИ оценивалась по степени уменьшения водопоглощения бетона (ГОСТ 30459—96).

При управлении процессами гидратации и структурообразования цементных систем при введении добавки ВДАМ важным остается вопрос установления закономерностей между свойствами твердеющей цементной системы и бетона, с одной стороны, и дозировкой вводимой добавки — с другой. Предварительные исследования показали возможность и целесообразность использования в технологии цементных бетонов модифицирующей органической добавки лакокрасочного производства на основе водной дисперсии акрилового мономера (ВДСМ-КИ).

Оптимизацию структуры, свойств и технологий производства бетона введением модификатора ВДСМ-КИ можно оценить как одно из прогрессивны направлений совершенствования процесса управления свойствами цементных композитов с высокоразвитой пространственной мелкоразмерной и малодефектной структурой.

Рис. 1. – Монтаж промышленных полов

Самым распространенным вариантом устройства промышленного пола является укладка цементосодержащих смесей, в составе которых могут содержаться красители и наполнители в виде фиброволокна, кварцевого песка, корунда. Принцип устройства таких покрытий достаточно прост и не требует использования дорогостоящего оборудования. Готовую смесь наносят на бетонный базовый пол, обработанный грунтовкой. Затем состав полимеризуется (или схватывается, как в случае с цементной смесью). В итоге получается тонкий дополнительный слой, принимающий на себя механические, химические и климатические воздействия.

Полимерные покрытия для создания промышленных полов стремительно набирают популярность. В отличие от цементосодержащих смесей, эпоксидные и полиуретановые покрытия обладают очень низким коэффициентом влагопоглощения, идеально гладкой поверхностью, более высокой прочностью. В зависимости от состава смесь может наноситься на влажные или сухие базовые полы, на старые или свежеуложенные стяжки. Толщина наносимого покрытия зависит от требований, предъявляемых к полу, от назначения помещения и особенностей его эксплуатации. Самый тонкий слой получают окрасочным методом, нанося состав как краску. Его толщина может составлять 0,5 – 1 мм. Более толстые покрытия имеют толщину до 8 мм.

Основные достоинства полимерных полов:

- повышенная износостойкость;

- влагонепроницаемость;

- химическая инертность;

- отсутствие токсичных компонентов;

- быстрота и удобство нанесения;

- пожаробезопасность;

- возможность получения покрытия с особыми свойствами;

- большой срок службы;

- доступная стоимость.

Сфера применения полимерных покрытий – склады, цеха предприятий, больницы, рестораны и магазины, а также жилые дома. Такие покрытия не требуют особых навыков при нанесении, являются гигиеничными, бесшовными, идеально ровными и эстетически привлекательными.

После нанесения полимерного покрытия можно не использовать дополнительные напольные материалы, так как технология позволяет придать поверхности красивый вид за счет добавления красителей, разноцветных флоков и различных декоративных материалов.

Нанесение окрасочных полимерных покрытий позволяет создать тонкую пленку наподобие мембраны, которая эффективно защищает бетонные полы от пылеобразования (появления мелкой цементной пыли), загрязнений, а также растрескиваний. Полимерный состав надежно сцепляется с поверхностью бетона, закупоривая его капилляры и поры, что предотвращает впитывание и испарение влаги. Последнее означает, что свежеуложенные бетонные полы получают хорошую защиту от пересыхания и, как следствие, схватываются более качественно. Для обработки свежеуложенных полов чаще всего применяют акриловые полимерные покрытия.

На старых бетонных полах присутствует множество сколов и трещин, поэтому их покрывают более толстым слоем полимерного состава. С этой целью применяют эпоксидные и полиуретановые покрытия, обладающие рядом уникальных свойств.

Эпоксидные составы образуют очень прочный слой, устойчивый к абразивному воздействию и статическим нагрузкам. Для придания покрытию антискользящих свойств в состав добавляют кварцевый песок (кварцнаполненные промышленные полы).

Полиуретановый состав, в отличие от эпоксидного образует слой с более высокой эластичностью, что в ряде случаев является существенным преимуществом. Эластичное покрытие не подвержено растрескиванию и лучше выдерживает ударные нагрузки, так как в момент воздействия нагрузка равномерно перераспределяется вокруг точки удара.

Для качественной укладки промышленных полов требуются специалисты, которые определят подходящий состав и его толщину в зависимости от требований, предъявляемых к будущему покрытию. При этом учитываются финансовые возможности заказчика, объем работ, назначение помещения, род деятельности организации. Например, если предполагается обработка полов в помещении предприятия, выпускающего фармацевтическую или пищевую продукцию, имеет смысл выбрать состав с максимально экологичным составом, а если предстоит работа по упрочнению пола в автомастерской или на складе, лучше всего выбрать состав, устойчивый к нефтепродуктам и к воздействию шипованных шин.

Бетон

Бетон в домах чаще всего используют для изготовления полов. Он состоит из таких натуральных компонентов, как вода, цемент и всевозможные наполнители. Различные пропорции используемых материалов определяют прочность бетонного покрытия. Это самый износостойкий материал, который со временем становится только прочнее. Но происходит это при обеспечении должной защиты. Для этого применяют специальные покрытия для бетона, которые бывают следующих видов:

1. Пропиточные. В этом случае пол обрабатывают специальными химическими средствами, которые образуют на его поверхности пленку, защищающую от влаги и воздуха. Это недорогой вариант, который можно использовать при отсутствии сильных механических нагрузок на поверхность. Он прост в использовании, так как пропитку легко нанести. Однако со временем пленка разрушается, что может привести к нарушению покрытия.

2. Окрасочные. Такие средства больше подходят для декорирования и предотвращают запыление. Перед нанесением краски обязательно убедитесь, что она подходит для работы с бетоном. Это покрытие выдерживает сильные нагрузки, оно устойчиво к воздействию химических веществ, влагостойко и гигиенично. Вы можете подобрать понравившийся цвет, а также требуемую фактуру. Поверхность пола может быть, как матовой, так и глянцевой. Окрасочные средства легко наносятся на поверхность с помощью специального валика.

3. Наливные полы. Сначала делается бетонная стяжка. На нее и наносится это покрытие. Оно отличается довольно высокой устойчивостью к механическим воздействиям и агрессивным химическим веществам. Наливные полы соответствуют высоким гигиеническим требованиям и очень красиво смотрятся. На протяжении всего срока использования эти полы практически не теряют первоначального вида. За ними очень просто ухаживать в повседневной жизни.

4. Высоконаполненные покрытия. Они практически не поддаются воздействию сильных механических повреждений, поэтому имеют и другое название – бронированные. В их состав входят смола и кварцевый песок. С помощью такой смеси тоже можно декорировать поверхность. Такие полы полностью влагостойки, морозостойки и невосприимчивы к ультрафиолетовым лучам. За ними легко ухаживать в течение всего срока эксплуатации.

Дерево

Спектр применения этого материала очень широк. Это стены, потолки, лестницы, предметы интерьера. С этим материалом очень легко и приятно работать. И, конечно же, хочется, чтобы изделия из дерева как можно дольше сохраняли свою функциональность и внешний вид. Для этого используются специальные покрытия и пропитки:

1. Противопожарные. Такие пропитки называются антипиренами. Их действие основано на свойствах различных физико-химических процессов, которые происходят при горении древесины. Пропитав этим составом деревянное изделие, вы не позволите огню распространиться по его поверхности.

2. Антисептики. Эти составы применяются для предотвращения появления плесени, древесной синевы или грибка. Они также исключают появление различных насекомых, вредящих деревянным изделиям. Применяются такие пропитки в комплексе с противопожарными.

3. Краски, лаки. Они применяются не только в качестве защитного материала, но и как средство декорирования. Для этих же целей используют масла и воски.

4. Отбеливающие составы. С их помощью можно убрать пятна на поверхности дерева или смягчить его природный цвет. Эта процедура применяется тогда, когда краски недостаточно, чтобы скрыть изъяны цвета.

Металл

Конструкции из металла очень популярны в строительстве и ремонте. Они отличаются прочностью, и в то же время с ними легко работать. Главная проблема в эксплуатации металлических конструкций – это их подверженность коррозии. Для того чтобы предотвратить ее появление, применяют различные покрытия из лакокрасочных материалов. Это краски и эмали. Их очень просто наносить на поверхность, поэтому справиться с этой работой может любой человек. Большой спектр выпускаемых покрытий позволяет получить необходимый цвет, который подходит вашему дизайну. С помощью эмалей и красок можно обработать конструкции различных размеров и конфигураций. Стоит такое покрытие сравнительно недорого.

При правильном нанесении защитных материалов вы сможете продлить время эксплуатации любых конструкций, которые используются в вашем доме.

При пожарах большой интенсивности и длительности деревянные и металлические конструкции имеют тенденцию приходить в негодность, в то время как железобетонные и каменные конструкции частично сохраняют свои эксплуатационные качества.

Рассмотрим наиболее подробно воздействие пожара на конструкции, выполненные из различных материалов.

Металлические конструкции

Металлическая конструкция имеет множество преимуществ: легкость и скорость монтажа, значительную несущую способность при нормальных условиях эксплуатации, она в 4 раза легче, чем железобетонные и каменные конструкции при одинаковой несущей способности. Металлические конструкции при резком повышении температуры, резко и сильно теряют прочность. Металлы очень чувствительны к действию высоких температур и огня.  Они быстро нагреваются, и происходит снижение  прочностных свойств. При температурах до 250°С прочность мягкой малоуглеродистой стали увеличивается, а потом постепенно уменьшается. Критическая температура потери несущей способности стальных конструкций наступает при 500°С.

Приблизительно через 10 минут с начала пожара стальные конструкции складываются как карточный домик. Сталь должна быть защищенной. Это может быть обеспечено за счет: огнезащитной краски; бетонирования; обертывания теплоизоляцией.

Деревянные конструкции

Древесина – это горючий материал, относящийся обычно к горючим строительным материалам. В случае пожара на древесине образуется слой древесного угля с плохой теплопроводностью, что предотвращает последующее горение. При сжигании древесины образуются CO и CO2, а при обработке древесины огнезащитными средствами  или материалами для обработки поверхности, то образуются опасные токсичные газы [2]. По сравнению со многими строительными материалами, древесина, хотя и горит, но ее молекулярная цепь не изменяется под воздействием огня, древесина обладает хорошими теплозащитными свойствами и не разрушается внезапно. Обугленная поверхность затрудняет распространение огня. Однако древесина значительно увеличивает пожарную нагрузку.

До температуры 100°С свойства древесины почти не изменяются. Возгорание  древесины и обгорание ее поверхности происходит при температуре 290°С.

Обгорание поверхности происходит со скоростью 1,8-2см за 30 минут, тем самым уменьшая поперечное сечение конструкции [3]. Деревянные перекрытия старой конструкции, состоящие из деревянного пола, балок, наката и т.д., теряют несущую способность через 40 минут с начала возгорания. Несущая способность поврежденных пожаром деревянных конструкций оценивается в зависимости от площади сечения неповрежденной древесины конструкции.

Каменные конструкции

Каменная кладка из строительных материалов (глиняный кирпич, силикатный кирпич,  блоки из легкого бетона) является огнестойкой.

Воздействие огня и воды при тушении пожара приводит к отслаиванию поверхностного слоя кладки и разрушению раствора.

Под воздействием огня обычно прочность строительных кирпичей не уменьшается, но раствор между кирпичами будет рыхлиться и разрушаться. Если раствор поврежден на глубину более 3 см, то кладка считается не выдержавшей нагрузки и должна быть разобрана [4].

Каменные конструкции практически никогда не разрушаются при пожаре, наблюдаются лишь поверхностные повреждения кладки. Израсходование огнестойкости каменных конструкций происходит вследствие недопустимого повышения температуры на необогреваемой поверхности.

Железобетонные конструкции

Бетон негорючий и достаточно огнестойкий материал. Однако под воздействием высоких температур его прочностные и защитные свойства по отношению к заключенной в нем арматуре снижаются. Кроме того, при длительном пожаре сама арматура сильно нагревается, по этой причине происходит значительная деформация. Поэтому, изгибаемые элементы получают  прогибы и  открытые трещины.

В зависимости от степени повреждения состояние поверхности железобетонных конструкций после пожара может быть различной:

- при слабой степени повреждения – наличие следов копоти и сажи;

- при средней степени повреждения – происходит изменение цвета бетона от серого до розового, элементы полностью покрыты сажей и копотью;

- при сильной степени повреждения – цвет бетона становится желтый;

- при полной степени повреждения – цвет бетона темно-желтый.

Таким образом, все здания и сооружения представляют собой объекты, и каждый объект защиты должен иметь систему обеспечения пожарной безопасности [5].

Результаты воздействия высоких температур на элементы строительных конструкций вследствие произошедшего  пожара в обязательном порядке должны рассматриваться и оцениваться при проведении экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений на опасных производственных объектах, при проведении планового технического обследования зданий и сооружений. Степень поврежденности конструкций, изменение физико-механических свойств материалов, вызванные пожаром, непременно должны учитываться при разработке рекомендаций по приведению зданий и сооружений в работоспособное состояние для обеспечения их дальнейшей безопасной эксплуатации.

Главной проблемой уже построенных бетонных конструкций – является постепенное разрушение монолита под действием внешних и внутренних факторов: перепады температурного режима, влага и т.д. Необходимость решить данную проблему привела к изобретению методики армирования бетонной смеси с помощью волокнистого наполнителя рис.1 [2]. Данный материал получил название – фибробетон, и уже сейчас получил широкую известность в строительной отрасли.

Рисунок 1. Фибробетон

На характеристики фибробетона влияет следующие факторы – тип наполнителя и размер используемого волокна (рисунок 2). Так, например, волокна размером 3-4 мм. используют в декоративных элементах из гипса и штукатурки, волокна размером 6 мм. – повышают прочность лёгких составов, волокна размером 12 мм. – используют для укрепления фундамента и плит перекрытий [2].

Рисунок 2. Используемые волокна для изготовления фибробетона

Рассмотрим в таблице 1 основные виды металлического и неметаллического волокна, используемые для производства фибробетона.

Таблица 1 – Виды металлического и неметаллического волокна.

Область применения фибробетона: данный вид бетона используется для возведения конструкций и сооружений, рассчитанных на высокие нагрузки, шахт для отвода воды, канализационных сооружений, строительства жилищно-хозяйственных и дорожных объектов, используется при производстве декоративных элементов [3].

Вывод: Использование фибры для бетонных конструкций придает ей дополнительную прочность и позволяет возводить сооружения сложных конфигураций. Данная технология уже доказала свою эффективность и в строительной отрасли получила популярность.