Таблица 1. Влияние полимерных добавок на водоудерживающую способность цементно-песчаных растворных смесей

Результаты проведенного эксперимента показывают, что полимерная добавка – метилцеллюлоза МЦ-С проявляет в цементно-песчаных растворных смесях сильный загущающий эффект. При комбинации отечественной добавки метилцеллюлозы МЦ-С в   количестве 0,05%  и полиакриламидов – 0,05-0,1% водоудерживающая способность растворных смесей практически сохраняется. При этом проявляется и вторичный эффект модификации: с добавкой метилцеллюлозы МЦ-С  растворные смеси становятся более пла-стичными и     удобоукладываемыми, а совместно с добавками полиакриламидами  –   пластичными,  липкими, тягучими, что является следствием включения длинных молекул полимера в систему.
Высокая липкость раствора при одновременном увеличении когезии его нежелательна. Такой раствор может налипать на рабочие инструменты. Поэтому оптимальная добавка полиакриламида принятая с учетом меньшей  липкости равна 0,05%.
Для выявления влияния указанных добавок на прочность при сжатии были изготовлены образцы-кубики размерами 20х20х20мм из цементно-песчаных растворных смесей.  Образцы твердели в нормально-влажностных условиях, а затем подвергались испытанию на прочность при сжатии в различные сроки твердения. Результаты определения прочности при сжатии цементно-песчаного раствора представлены в табл. 2.

Таблица 2. Кинетика набора прочности цементно-песчаных растворов с полимерными добавками

Как видно из табл.2., введение полимерной добавки метилцеллюлозы в комбинации с полиакриламидами незначительно замедляет формирование прочности при сжатии цементно-песчаного раствора во все сроки твердения. Ранняя прочность при сжатии цементно-песчаного раствора с этими добавками во всех составах не уступает прочности  составов с метилцеллюлозой МЦ-С.  В дальнейшем прочность при сжатии цементно-песчаного раствора с комплексными добавками несколько ниже, чем контрольного состава. В более поздние сроки через 28 суток твердения цементно-песчаного раствора с комбинированной добавкой метилцеллюлозы в количестве 0,05% и  полиакриламидами в количестве 0,05 % и 0,1% максимальное значение прочности составляет от 16 до 21 МПа, что на 12-30% ниже прочности контрольного состава. Наиболее оптимальный состав комплексной добавки по совокупности исследованных свойств водоудерживающей способности, пониженной липкости и прочности при сжатии, включает 0,05% МЦ-С и 0,05%  полиакриламида АК-631.
Учитывая, что стоимость метилцеллюлозы МЦ-С значительно дороже, чем полиакриламидов, то снижение расхода метилцеллюлозы МЦ-С в 2 раза меньше при сохранении свойств раствора.

Для улучшения других свойств, например, водоотталкивающих, рекомендуем в цементно-песчаные растворные смеси добавлять  эффективные гидрофобизирующие добавки, в соответствии с работами [3,4], позволяющие улучшить гидрофобные свойства цементно-песчаных растворов.

Из обзора литературных данных известно, что одним из способов снижения водопоглощения и, соответственно, повышения долговечности строительных материалов на основе портландцемента является использование гидрофобизирующих добавок – кремнийорганических жидкостей [1,2,7]. В последние годы на российском рынке химических добавок появилась новая группа современных гидрофобизирующих добавок – стеараты цинка, кальция, магния, марганца, алюминия и олеат натрия. Для улучшения водоотталкивающих свойств, рекомендуется в цементно-песчаные растворные смеси добавлять  эффективные гидрофобизирующие добавки, в соответствии с работами [5,6], позволяющие улучшить гидрофобные свойства цементно-песчаных растворов. В связи с этим, для проведения исследований по определению сравнительной эффективности гидрофобизирующих добавок нами была изучена два гидрофобизатора различной химической природы: стеарат цинка (C17H35COO)2Zn и  кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94.

Исследования проводились на строительных растворах с использованием цемента «Вольскцемент» ПЦ500Д0 и песка Сурского месторождения с Мкр =1,5 состава цемент:песок=1:3.
Дозировка гидрофобизирующей добавки стеарата цинка составляла 1 %, а кремнийорганической жидкости ГКЖ-94 – 0,15% от массы цемента. Консистенцию растворной смеси определяли на встряхивающем столике по ГОСТ [4] при водоцементном отношении от 0,45 до 0,7. Показана зависимость консистенции цементно-песчаной растворной смеси от водоцементного отношения (В/Ц) с гидрофобизирующими добавками (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость консистенции цементно-песчаного раствора от водоцементного отношения (В/Ц) с гидрофобизирующими добавками

Как видно на рис. 1, при увеличении водоцементного отношения более 0,55 кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94 несколько загущает растворную смесь, а стеарат цинка сохраняет расплыв конуса, практически, на прежнем уровне. Однако, учитывая незначительное изменение консистенции смеси, эти эффекты можно не принимать во внимание. С увеличением дозировки стеарата загущение возрастает.
Результаты определения прочности при сжатии цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками в различные сроки приводится в таблице 1, а зависимость водопоглощения от водоцементного отношения для этих составов на рис. 2.

Таблица 1. Прочность при сжатии цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками в различные сроки твердения

Влияние добавок на прочность при сжатии также незначительно и,  на наш взгляд, не превышает обычную экспериментальную погрешность для такого рода исследований (табл. 1).

Следует отметить положительное влияние стеарата цинка на прочностные показатели цементно-песчаного раствора при В/Ц = 0,55 и В/Ц=0,6. Гидрофобизирующая добавка не только не снижает прочностные показатели, как в начальные сроки твердения, так и в нормативные сроки при этих водоцементных отношениях, а показывает превышение таковых значений. Так, прочность на осевое сжатие образцов со стеаратом цинка при водоцементных отношениях В/Ц=0,55 и В/Ц=0,6 через 3 суток испытания превышает таковые значения контрольных составов на 28,3-17,7%, соответственно. В нормативные сроки твердения гидрофобизированных образцов при В/Ц=0,55 прочность на сжатие выше контрольного состава в 1,32 раза. С увеличением водоцементного отношения с 0,45 до 0,7 прочность при сжатии цементно-песчаного раствора через 28 суток твердения со стеаратом цинка, равна 42,8 и 25,9 МПа, соответственно, а с ГКЖ-94 равна  32,5 и 18,0 МПа, соответственно.

Гидрофобизирующую эффективность добавок оценивали по уменьшению водопоглощения цементно-песчаного раствора по ГОСТ 12730.3-78 [3]:

Пw =  Wк/Wг

где Wк и Wг  – водопоглощение образцов контрольного и гидрофобизированного составов, соответственно.
Зависимость показателя уменьшения водопоглощения от времени насыщения водой для всех исследованных составов приводится на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость показателя водопоглощения от водоцементного отношения (В/Ц) цементно-песчаного раствора с гидрофобными добавками для различной продолжительности насыщения водой:
а) ГКЖ-94;            б) стеарат цинка.

Как видно из рис. 2, для образцов со стеаратом цинка показатель Пw в первый час насыщения составляет 2,6-2,9, для ГКЖ-94 – 1,35-1,55 раз, соответственно. За 9-11 часов насыщения показатель уменьшения водопоглощения интенсивно снижается до 1,6-1,7 для стеарата цинка и до 1,16-1,33 для ГКЖ-94. Через 6 часов во всех составах со стеаратом цинка, кроме состава с водоцементным отношением В/Ц=0,7 показатель уменьшения водопоглощения мало зависит от водоцементного отношения. С увеличением дозировки кремнийорганической жидкости ГКЖ-94 до 1% прочностные показатели снижаются в 2-3 раза в первые трое суток твердения.

 Проведенные исследования показали, что стеарат цинка обладает более высокой гидрофобизирующей эффективностью, чем гидрофобизатор ГКЖ-94, не снижая при этом прочности при сжатии цементно-песчаного раствора.

Таблица 1. Кинетика набора прочности при сжатии цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками

Установлено, что введение гидрофобных добавок замедляет формирование ранней прочности цементно-песчаного раствора через первые сутки твердения. Наиболее сильное замедляющее действие на кинетику набора прочности при сжатии оказывают стеарат цинка и олеат натрия. Суточная прочность цементного раствора с этими добавками достигает всего лишь 5,0 и 5,2 МПа, что на 57-58% ниже прочности контрольного  состава. Промежуточное положение занимают стеарат кальция и Mowilith Pulver LDM 2080 P,  для которых суточная прочность достигает 9,0 МПа и 7,0 МПа, соответственно.  Более интенсивный процесс набора суточной прочности обеспечивают комплексный состав, состоящий из стеарата цинка и водорастворимого катионного флокулянта КФ-91.  С увеличением возраста замедляющая функция гидрофобизаторов уменьшается и в возрасте 3-х суток понижение прочности при сжатии цементного раствора в зависимости от вида добавок, составляет от 6 до 25%, а к 7- суточному возрасту твердения прочность при сжатии цементного раствора с добавками достигает, а в ряде случаев и превышает контрольное значение.
Нормативная прочность при сжатии цементного раствора со всеми исследуемыми гидрофобизирующими добавками не уступает прочности цементного раствора без добавок. Максимальное значение прочности при сжатии в возрасте 28 суток составляет 30 МПа (состав 2, табл. 1), что на 48,5% выше контрольного, зафиксировано для цементного раствора с добавкой стеарата кальция.
Действие олеата натрия с одной стороны, обусловлено реакционным процессом в тесте через раствор между ним и гидролизной известью цемента  с образованием стеарата кальция в молекулярной форме с последующей гидрофобизацией пор.
2 C16 H33 COONa +Ca(OH)2 = (C17 H35 COO)2Сa +2NaOH.
С другой стороны, в результате реакционного процесса образования щелочи олеат натрия увеличивает общую щелочность системы. Расчетом установлено, что при введении 2 % олеата натрия, количество выделяемой щелочи составляет 0,13 % на каждый 1 % вводимого олеата натрия. Допускаемое содержание щелочи в соответствии со стандартом для цементных композиций не должно превышать 1 %. В связи с этим наиболее благоприятным является использование олеата натрия в шлакопортландцементах, в которых гидролиз  шлаковых частиц активизируется щелочью. Водопоглощение цементных образцов определилось по методике ГОСТ [1]. Насыщение опытных образцов осуществлялось после 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях, с последующим хранением в воде и контролем массы образца до выхода на стабилизированную величину.
Выявлено влияние гидрофобизирующих добавок на кинетику водопоглощения цементно-песчаного раствора. Кинетика водопоглощения цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками представлена на рис. 1.

Рис. 1. Кинетика водопоглощения цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками:
1 – контрольный состав; 2 – состав со стеаратом кальция – 2%; 3 – состав со стеаратом цинка – 2 %;
4 – комплексный  состав: стеарат цинка + водорастворимый катионный флокулянт КФ-91

Установлено значительное замедление кинетики водопоглощения цементно-песчаного раствора с гидрофобизирующими добавками в первые 24 часа насыщения. Минимальное водопоглощение через 28 суток (5,86 % и 5,93 %)  зафиксировано для цементно-песчаного раствора, модифицированного стеаратом цинка (3 состав) и его комплексом с добавкой КФ-91 (состав 4), соответственно. Практически все гидрофобизаторы снижают водопоглощение цементно-песчаного раствора в 3-5 суточном возрасте более чем на 50% по сравнению с контрольным составом.
Проведенный эксперимент показал высокую эффективность исследованных гидрофобизирующих модификаторов на основе металлоорганических соединений и позволил выявить наиболее эффективную добавку – стеарата цинка, который снижает водопоглощение  цементно-песчаного раствора, как в ранние сроки, так и через 1-2 месяца по сравнению с контрольным составом.
Выполнена оптимизация сухой строительной смеси по виду и содержанию заполнителя, гранулометрическому составу песка, а также виду и составу использованной комплексной добавки. Результаты оптимизации позволили разработать гидрофобную штукатурку (ГШ), представляющую собой многокомпонентную смесь, состоящую из цемента, фракционированного заполнителя и комплекса добавок – модификаторов (табл. 2).

Таблица 2. Техническая характеристика гидрофобного штукатурного раствора

Готовый к применению состав ГШ образует пластичный  нерасслаивающийся раствор, обладающий высокой удобоукладываемостью при достаточно низком содержании воды.