Полимерцементные растворы обладают повышенной растяжимостью, отличающейся более чем в 2 раза от растяжимости немодифицированных цементно-песчаных составов. Кроме того с увеличением количества полимера в растворе, возрастает и ползучесть. Высокие упруго-эластические свойства и деформативность полимерцементных растворов, позволяют считать, что они должны отличаться и значительной трещиностойкостью.

Поливинилацетат, как и дивинилстирольный каучук, имеют хорошую адгезионную способность. Так, например, по полученным нами данным прочность соединения со старым бетоном на отрыв составила 3,7 МПа. При увеличении содержания полимера адгезионные силы возрастают при условии воздушно-сухого выдерживания полимерцементного раствора.

Полимерцементным растворам свойственно пониженное водопоглощение и водопроницаемость. Причем конечная величина водопоглощения для поливинилацетатцементного состава достигает тех же величин, что и для обычного раствора. Происходит лишь замедление поглощения воды в первое время. Через 7-10 суток этот разрыв исчезает. Каучукцементные растворы обладают в несколько раз меньшим водопоглощением, чем обычные растворы и при высоком содержании полимера могут не превышать 1%. При содержании полимера менее 10% водопоглощение не отличается от значений для цементно-песчаного раствора. Небольшое водопоглощение для полимерцементных растворов, а также их высокая растяжимость и прочность при растяжении, позволяет предположить хорошую морозостойкость таких составов. Так как эти растворы применялись в основном для внутренних работ, их морозостойкость исследовалась мало. Известно, что для высокой морозостойкости бетона нужно обеспечить его максимальную плотность. Вместе с тем, небольшие замкнутые поры, равномерно распределенные в материале, способствуют повышению его морозостойкости. Было отмечено, что введение полимерных дисперсий в раствор, приводит к разукрупнению в нем пор и создает условия для перераспределения внутренних напряжений в материале, возникающих в результате замерзания жидкости и увеличения ее при этом в объеме до 9%. Полимерцементные растворы отличаются более высокой морозостойкостью по сравнению с немодифицированными составами. Причем применение таких гидрофильных полимеров, как поливинилацетат, менее предпочтительно, чем дивинилстирольного латекса. Таким образом, морозостойкость полимерцементного раствора зависит от вида полимера, а также от его количества. Вместе с тем, высокое содержание полимера в растворе значительно не повышает его морозостойкости. Общим недостатком, свойственным полимерным растворам, является их высокая усадка. Отмечено, что при 20% содержании поливинилацетата в растворе, его усадочные деформации почти в 9 раз превышают результаты для обычного раствора. Влажные условия хранения, особенно в начальный период, уменьшают усадку. Снижается усадка и при уменьшении вводимого в раствор полимера. Особенно велики усадки для растворов с поливинилацетатом, что объясняется его способностью к набуханию. Усадочные деформации каучукцементных растворов при содержании полимера менее 20% не превышают значений усадки для обычного раствора.

Долговечность полимерцементных растворов оценивается такой же, или несколько выше, чем обычных растворов. Однако, в силу недавнего применения полимерцементных композиций, вопрос об их долговечности изучен еще недостаточно.

Мы рассмотрели основные свойства полимерцементных растворов и именно те из них, которые имеют существенное значение для защитно-отделочных покрытий стен из пенобетона. Совершенно очевидно, что введение в цементный раствор полимеров, и в частности, поливинилацетата и латекса СКС-65ГП, улучшает его свойства и открывает возможность использования в качестве защитно-отделочного покрытия стен из пенобетона, с соответствующим обоснованием выбора состава полимерцементных композиций, а главное вида и количества полимера. Вот почему для окончательного выбора полимерной составляющей необходимо провести весь комплекс исследований, необходимых для защитно-отделочного покрытия пенобетона. Нужно определить прочность защитного покрытия при сжатии, растяжении и сдвиге, а также определить прочность его сцепления с пенобетоном. Потребуется проверить водопроницаемость защитного слоя и влияние переменного увлажнения и высушивания на защитно-отделочное покрытие, равно как и его морозостойкость. Нужно испытать также эффективность использования в качестве добавок, как поливинилацетатной дисперсии, так и дивинилстирольного  каучукового латекса.

Одновременно возникает проблема с коагуляцией латекса, которая приводит к образованию творожистых соединений и разобщению глобул полимера, снижающих адгезию покрытия. Для снижения вреда от коагуляции в латексе необходимо обеспечить наибольшее сближение показателей щелочной среды полимерных дисперсий и цементного теста. В этом отношении щелочная среда дивинилстирольного латекса СКС-65ГП, имеющая показатель рН = 11,5 более предпочтительна, так как насыщенный раствор гидроокиси кальция обладает величиной рН = 12,5, а поровая  жидкость бетона характеризуется показателем рН = 11-13 при  показателе рН = 5 в поливинилацетатной дисперсии. Это одна из причин наших предпочтений в адрес использования латекса СКС-65ГП в полимерцементных композициях для защитно-отделочных покрытий пенобетона. Отмеченная ранее коагуляция латекса, вызванная активностью многовалентных ионов кальция и магния, образующихся при  затворении цемента и при разноименности зарядов полимера и цемента. Благодаря чему частички каучука оседают на зернах цемента, образуя творожистую массу, и раствор теряет подвижность и вяжущую способность. Для исключения этого явления в латекс вводят защитные коллоиды-стабилизаторы, образующие на поверхности глобул полимера гидрофильную оболочку. Наиболее распространенными стабилизаторами являются казеинат аммония, гидролизованный костный клей и неионогенные мыла ОП-7 и ОП-10. Для стабилизации латекса используются такие электролиты как: сода, поташ, едкие щелочи. Свойства латексцементных смесей зависят от вида и количества стабилизатора.

В практике применения полимерцементных смесей наиболее часто используется цементно-песчаная смесь состава 1:3 на кварцевом песке без крупного заполнителя. Структуру полимерцементного раствора изменяют путем различных соотношений компонентов и условий твердения. Оптимальным содержанием полимера от веса цемента считается 7-20%. Свойства раствора улучшаются с увеличением полимера от 0 до 20%. При содержании полимера от 0 до 7% его действие подобно действию пластификатора и только при большем содержании образуются полимерные сростки, изменяющие структуру и свойства цементно-песчаного камня. Полное обволакивание зерен и заполнение пустот полимером происходит при его содержании более 20,% и материал начинает обладать свойствами наполненной пластмассы. Максимальную прочность полимерцементные растворы показывают при добавке полимера в количестве 15-20%.

При введении в цементный раствор полимера меняются его реологические характеристики. Значительно возрастает пластичность, вместе с тем увеличивается вязкость раствора. Это дает возможность снизить водопотребность в зависимости от количества вводимого полимера.

Наилучшие значения прочности полимерцементного раствора и другие его свойства, проявляются при твердении в воздушно-сухих условиях при влажности 40-60%. Тепловая обработка ускоряет процесс твердения, но снижает конечную прочность по сравнению с нормальными условиями созревания. Прочность при сжатии во многих случаях для полимерцементного раствора воздушно-сухого хранения оказывается не выше, а иногда и ниже прочности немодифицированного состава влажного хранения. Это свидетельствует о неполной гидратации цемента в воздушно-сухих условиях. Прочность при растяжении и изгибе полимерцементных растворов, как правило, возрастает постепенно при увеличении содержания полимера от 0 до 20%. Затем прочностные характеристики понижаются. Возрастание прочности объясняется положительным взаимодействием межмолекулярных сил между кристаллами цемента и упругими пленками полимера. Отношение прочности при растяжении к прочности при сжатии достигает 1/6.

Введение в раствор  поливинилацетата и каучука способствует улучшению его упруго-эластических характеристик. Динамический модуль упругости полимерцементного раствора начинает понижаться уже при введении полимера до 5%. А при достижении количества полимера 30% модуль упругости понижается до 1/3 значения для обычного раствора. Полимерцементным растворам присущи вязкоэластические свойства, отличающие их от обычных растворов, для которых характерно хрупкое разрушение.

Прочность на сжатие через 1 сутки испытания 88 МПа, прочность на изгиб – 12 МПа; через 28 суток прочность на сжатие – 144 МПа, а прочность на изгиб – 19,7 МПа, плотность – ρ_вл (1 сут) = 2454 кг/м³.

Определение морозостойкости проводили согласно ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» по 3 ускоренной методике при насыщении образцов 5%-ым водным раствором хлорида натрия. Испытания осуществляли в независимой лаборатории производственного предприятия ООО «ПУС» (г. Пенза) в морозильной камере отечественного производства типа КТХ-14 при температуре -50°С по режиму: 8 часов замораживания ‒16 часов оттаивания.

Результаты эксперимента показывают, что после 1000 циклов «замораживания-оттаивания», вопреки ожиданиям, наблюдается прирост массы образцов без видимых деструктивных изменений. А это должно гарантировать прирост прочности. В этой связи было необходимым доказать отсутствие деструктивных процессов и изменение прочности. Нормированный предел прочности на сжатие исследуемого бетона после 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях составлял 144 МПа, а к моменту окончания испытания на морозостойкость, контрольные образцы, хранившиеся в солевом растворе, имели прочность 154 МПа. После 1000 циклов замораживания-оттаивания прочность образцов бетона повысилась до 162 МПа, т.е. прирост прочности составил 5,5 %! Это подтверждает то, что конструктивные процессы структурообразования в высокоплотных, сверхвысокопрочных бетонах, бесспорно, продолжаются и в жестких условиях эксплуатации не только под воздействием расширения малого количества поглощенной воды при переходе ее в лед, но и в результате расшатывания структуры материала при знакопеременном температурном расширении-сжатии компонентов бетона с различными коэффициентами температурного расширения (3 гипотеза разрушения материала от мороза). Закономерно и то, что в таком бетоне имеется достаточное количество резервных пор без использования воздухововлекающих добавок, обязательно рекомендуемых к применению стандартами всех стран для дорожных бетонов старого поколения. В бетонах это количество пор может быть небольшим, но вполне достаточным для размещения выдавливаемой в них воды в количестве 10% от всей поглощенной воды. А водопоглощение разработанных бетонов чрезвычайно малое – 0,8-1,5% от массы, т.е. в 4-6 раз меньше, чем в бетонах старого поколения. Температурных напряжений и расшатывания структуры практически быть не должно, т.к. использована одна и та же горная порода для получения муки, тонкого песка и песка заполнителя. Таким образом, почти все компоненты различного размерного уровня имеют одинаковый коэффициент теплопроводности, за исключением цемента. А это дает основания утверждать, что морозостойкие бетоны являются также термостойкими, изготовленными преимущественно из одинаковых по природе компонентов.

Для разработанных архитектурно-декоративных порошково-активированных песчаных бетонов характерны не только рекордные показатели прочности и морозостойкости, но необычная картина разрушения образцов. Отмечается, что при нагрузке на кубический образец с ребром 100 мм, равной 162 т (рисунок), зафиксированной дисплеем пресса марки «Technotest KD 300/R серии 3363» производства Италии, происходит «взрывное» разрушение образца, с образованием большого количества пыли и разлетающихся осколков бетона.

Рисунок

Это свидетельствует о хрупкости бетона. Для архитектурно-декоративных бетонов сверхвысокая прочность не является основным критерием. Важна высокая средовая трещиностойкость от усадочных деформаций. А усадка исследуемого бетона чрезвычайно низкая – 0,3 мм/м. Что касается высокой хрупкости бетона, которую часто оценивают по отношению прочности на сжатие R_сж к прочности на осевое растяжение или к прочности на растяжение при изгибе R_и, то R_сж /R_и = 7. У бетона с R_сж = 50 МПа это отношение тоже АДБ 5% пигмента мы можем получить белые высокопрочные бетоны с аналогичной прочностью без микрокремнезема и тогда «восторжествует» технология порошковой активации мелкозернистых бетонов, в котором почти компоненты получены из огромных залежей отходов, которые «лежат на земле».

Работа выполнена при поддержке Стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013-2015 годы (СП-4621.2013.1) (Суздальцев О.В.).

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.

Одним, на наш взгляд, важнейшим препятствием на пути возведения наружных стен зданий из пенобетона, является его недостаточная долговечность. Пенобетон хороший теплоизолятор, но он не обладает необходимой атмосферостойкостью и требует создания защитного наружного покрытия из материала с малым водопоглощением и высокой морозостойкостью. Вместе с тем этот материал должен иметь хорошую паропроницаемость, иначе поровая влага, накапливающаяся в стене и сезонно мигрирующая к наружной поверхности, будет скапливаться в приграничном слое пенобетона и при замораживании отрывать отделочное покрытие.  Требуется также, чтобы материал имел низкий, по сравнению с пенобетоном, модуль упругости, высокую деформативность и хорошую адгезию к пенобетону. Он должен быть и декоративным. Такой отделочный материал – пенополимерцементный раствор – разработан в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства. Его прочность при сжатии составляет свыше 9 МПа, при растяжении – 1,2 МПа. Модуль упругости на 15-30% ниже этого показателя для пенобетона. Материал трещиностоек, т.к. его деформативность составляет 0,76 мм/м. Коэффициент паропроницаемости равен 0,128 мг/м.ч.Па, что на 16% выше нормируемого. Материал декоративен и технологичен как в применении, так и при эксплуатации жилья. Созданный материал может быть рекомендован как атмосферостойкая защита для стен из пенобетона и других легкобетонных материалов.

Действительно, штукатурка до сих пор не выходит из широкого применения, как летом, так и в холодные дни, но только не для оштукатуривания стен из пенобетона, который должен обладать значительной паропроницаемостью. По этой причине, поровая влага, находящаяся в холодном пенобетоне, мигрирует к наружным поверхностям стены и при замерзании отторгает наружную штукатурку. Вот почему мы обязаны наносить штукатурку не из тяжелого и плотного цементного раствора, а применять раствор для штукатурки с паропроницаемостью, равной, или близкой, паропроницаемости защищаемого пенобетона. Лучше всего применять штукатурные растворы с введением в них пенообразователя, т.е. те же пенобетоны. Но поскольку введение пены в раствор снижает его прочность, применяют растворы более плотные, чем пенобетон, повышая плотность раствора до 1500 кг/м³. Такой раствор обладает надежным сцеплением с пенобетоном и хорошо пропускает накапливающуюся в пенобетонной стене влагу, исключая отторжение штукатурного слоя. Такие штукатурные покрытия давно применяют при отделке стеновых панелей из ячеистого бетона или пенобетона в комбинации с декорирующими составами, как до тепловой обработки панелей, так и после нее. Так для декорирования поверхностей панелей по слою поризованного раствора применяют крошку каменных пород, брекчии из керамических плиток, цельные мелкие стеклянные или керамические плитки. Можно такие панели окрашивать атмосферостойкими эмалями.

Для ответа на поставленные в настоящей статье вопросы,  нами был проведен комплекс исследований, направленных на создание нового материала для защитно-отделочных покрытий пенобетонных наружных стен отапливаемых зданий, рассчитанных на многолетнюю безремонтную эксплуатацию. Было установлено, что таким материалом является пенополимерцементный раствор на основе синтетического латекса СКС-65ГП (синтетический каучуковый стирольный – глубокой полимеризации), стабилизированный казеинатом аммония с добавлением неионогенного мыла ОП-7. Латекс в раствор добавляли по весу до полимерцементного отношения П:Ц=0,1.

Для наружной отделки стен здания из пенобетона применяют цветные, а также терразитовые штукатурки. Цветные штукатурки делают на основе цементно-известковых вяжущих с добавлением щелочестойких пигментов и белого кварцевого песка Цветные растворы получают, используя для синего цвета – ультрамарин; зеленого – окись хрома; красного – сурик; желтого – золотистую охру. Раствор из терразитовых смесей получается более декоративным  в связи с увеличением ассортимента и количества цветовых добавок. Но декоративные добавки снижают прочность и морозостойкость цементных растворов. Поэтому их количество не допускается более чем 10% от веса цемента. В  связи с этим потребовалось провести ряд испытаний для окрашенных пенополимерцементных растворов.

Прочность при сжатии после 28-дневного хранения в воздушно-сухих условиях осталась в пределах прочности образцов без декоративных добавок и составила 0,94 МПа. А прочность после 35 циклов замораживания и оттаивания составила 1,18 МПа, т.е. получено приращение прочности, как и в образцах без декоративных добавок.

Прочность сцепления с пенобетоном после 28 дней воздушно-сухого твердения составила 0,9 МПа. Также не изменилась прочность сцепления при испытании 2-х слойных образцов с декоративными добавками на морозостойкость и на  переменное увлажнение и высушивание по сравнению с образцами без добавок.

Хранение образцов на открытом полигоне в течение 1 года не снизило прочность пенополимерцементного раствора при сжатии. Прочность сцепления с пенобетоном несколько понизилась и составила 0,81 МПа.

При испытании в везерометре путем периодического дождевания, высушивания и облучения ультрафиолетовыми лучами в течение 500 часов, не снизило прочность при сжатии и не ухудшило  цветостойкость. Прочность при сжатии составила 0,79 МПа, т.е. отмечается незначительное падение прочности до 0,02 МПа. Цветостойкость раствора зависит от качества цемента и стойкости пигмента к щелочной среде и к ультрафиолетовому облучению.

Для проверки воздействия окружающей среды на цветостойкость и запыляемость растворов с различными добавками проверяли составы с П:Ц=0 и П:Ц=0,1 на латексе СКС-65ГП без пигмента и с пигментами: 1. Сурик железный – красный (5% от веса цемента); 2. Ультрамарин – синий; 3. Окись хрома – зеленый. Путем сравнения испытуемых образцов с контрольными образцами, определяли изменение белизны с помощью фотометров. Результаты наблюдений показали, что белизна образцов снизилась незначительно, как и испытание в везерометре. Также мало повлияло и испытание на морозостойкость, увлажнение и высушивание, и испытание на открытом полигоне в течение года.

Проведенные исследования показали высокую степень пригодности пенополимерцементного раствора для теплоэффективных защитно-отделочных  покрытий наружных стен из пенобетона.