Модифицирующие волокна «ВСМ» – новое качество бетона

В наши дни строительство неразрывно связано с вопросами, повышения качества, долговечности, экономичности бетона и железобетона. Основная задача, это получение бетон-матрицы, основного конструкционного строительного материала с заданными свойствами: прочного, водонепроницаемого, морозостойкого, коррозионностойкого, трещиноустойчивого композита.

Замечено и то, что армирование бетона волокнами уменьшает и его растрескивание при усадке. Таким образом, технология армирования приобрела в последние годы большую популярность. Но только ли она сама обеспечивает новое качество бетона? Конечно, нет. Очень важное значение имеет и качество армирующих добавок. И тут важно, чтобы волокна, помимо функции механического схватывания также выполняли роль химического катализатора процессов твердения бетона, способствуя достижению новых высоких параметров его прочности. Именно такими качествами обладают волокна, разработанными нашими специалистами (г. Челябинск). В прогнозировании стойкости, долговечности бетона поровая структура играет основную роль. Ее характеристики обусловливают процесс разрушения бетона конструкции, его непроницаемость. В теории расчета долговечности бетона наряду с другими факторами установлена взаимосвязь дифференциальной структуры пор и коэффициентов интенсивности напряжений, определяющими эксплуатационный ресурс конструкции. Тем не менее, практическое определение этих характеристик, осуществляется экспериментально или на основании полуэмпирических зависимостей. Известно, что наиболее многочисленная и ответственная за свойства бетона доля пор – капилляры. Они проницаемы для воды, являются причиной проникания ее внутрь бетона конструкции, способствуют накоплению и развитию трещин.

В этой связи научно-практический интерес представляют технологии, в которых используются высокоэффективные технические приемы, в частности, применение дисперсных синтетических волокон-наполнителей несущих на поверхности волокна ненасыщенный гидроксилированный покров, являющий источником свободной (избыточной) энергии.

Морозостойкость цементного камня и бетонов — важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность гидротехнических, дорожных сооружений, Признавая эффект повышения морозостойкости бетона благодаря воздухововлечению, следует обратить внимание на том, что для дорожных покрытий, повышенное содержание эмульгированного воздуха приводит к увеличению истираемости бетона, Кроме того, вовлечённый воздух в бетоне является ослабляют сечение бетона в конструкции и снижают его прочность. Таким образом, для обеспечения, нормированного ГОСТ 26633 воздухововлечения 5% в бетонной смеси, для бетона дорожного покрытий, прочность бетона при сжатие уменьшится на ~ 30% по сравнению с бетоном без вовлечённого воздуха, что необходимо учитывать при подборе состава дорожного бетона приводящего к увеличению расхода цемента.

Известно, что свойства морозостойкости бетона зависят от плотности цементного камня, т.е. от дифференциальной пористости и фазового состава цементного камня. В развитии технологии бетона решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов добавками-модификаторами цементных систем. Анализ данных показывает, что для повышения морозостойкости бетона совершенно не обязательно использовать рекомендуемые научной литературой и нормативными документами только воздухововлекаюшие добавки. Заданные показатели морозостойкости могут быть обеспечены другими методами. На этом предположении основано другое важное достижение науки о бетоне, которое можно сформулировать как разработку научных основ первичной защиты бетона и железобетона от коррозии и повышения его морозостойкости. Плотность фазовых контактов и, соответственно, структуры, по Тэйлору, во многом зависит от условий формирования кристаллогидратов при гидратации основного минерала цемента. Преобладание в структуре цементного камня более дисперсных и устойчивых гидросиликатов является фактором повышения прочности и плотности фаз кристаллизационной структуры и определяет связь морозостойкости с другими фазовыми и поровыми параметрами структуры цементного камня, И закономерное стремление специалистов-бетоноведов добиться условий, во время которых капиллярные поры заполняются гидратными новообразованиями.

Систематические исследования на стыке фундаментальных наук позволили сформулировать основные требования к будущему типу дисперсно-армирующих волокон обладающих особенностями химических интенсификаторов твердения, для комплексного воздействия на свойства цементных композитов. Исходя из данных предпосылок, предложен метод модификации цементных систем полифункциональным коаксиальным волокном – «ВСМ» обладающим синергетическим действием объединяющим регулирование твердения клинкерного цемента и компонентом обеспечивающим армирование цементной матрицы.

При использовании модифицирующих волокон значительную роль в процессах структурообразования играет энергетическое состояние их поверхности, определяющее контактную зону в системе «вяжущее - волокно». С целью усиления адгезии волокон и вяжущего и повышения их структурообразующего значения разработаны различные методы модификации поверхности волокна, главными из которых является композитное и химическое модифицирование путем введения в расплав оболочки активных составляющих.

Модифицированная поверхность оболочки волокна, определяет функциональное действие для направленной кристаллизации цементного камня. Привитые органические соединения содержат активные одну или несколько полярных групп типа гидро-. гисульфо-, амино- и карбоксигрупп (-ОН, -СООН, -NH2 –SiOH, и т.д.), способных реагировать с цементными минералами и продуктами их гидратации, в соответствии с теорией взаимодействие адсорбционных активных центров Льюиса и Бренстеда.

Располагаясь на поверхности волокна в инициативном состоянии, функциональные концевые группы и неорганические модификаторы направлено воздействуют на процесс гидратации, формируя кристаллизированные сростки кристаллогидратов вдоль протяжения волокна, фазовый состав которого отличаются от состава основной матричной части.

Установлено, что волокна «ВСМ» катализируют реакции образования гидросиликатов кальция группы CSH вблизи поверхности волокна. Эти межфазные системы составляют основу образующихся плотных контактных зон и всей матричной части бетона. Повышенная концентрация кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно - цементный камень), обеспечивает упрочнение цементной матрицы.

Интегральная прочность цементного композита в присутствии «ВСМ» определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина взаимодействия матрицы и поверхности волокна так и величина когезии межфазового слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон и также при соответствующей толщине и минералогическом составе слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик. Теория межфазовых явлений в этой системе может рассматриваться как совокупность трех основных частей - адсорбции продуктов гидратации на поверхностях волокна, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств полимеризованного межфазного слоя на границе раздела цементная матрица - волокно «ВСМ».

Так как волокна, являющиеся носителями активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме бетона равномерно то, при оптимальной дозировке, обеспечивают многоуровневую компоновку, структуры, запуская механизм самоармирования. Технология модифицирования цементной матрицы армирующими волокнами сконцентрирована так, что в итоге в бетоне за счет гидратации цемента получились, и преобладала волокнистая гидросиликатная связка более совершенной структуры. Это явление оказывает непосредственное влияние на прочность цементного камня, от которой существенно зависят такие характеристики бетона, как прочность, модуль упругости, и повышенное содержание гелевых и в сокращение объема капиллярных пор. Исследования этого процесса и управление им являются важным звеном в формировании свойств цементного композиционного материала.

Определены особенности структурообразования при твердении вяжущих в присутствии «ВСМ»:

• возрастание роли первичной коагуляционной структуры, на основе которой развивается плотная и прочная конечная структура камня;
• снижение деформации усадки и внутренних напряжений.

Практическое использование результатов исследований и разработок модифицирующих волокон «ВСМ» на десятках предприятий свидетельствует о большой научно-практической ценности работы:

• проведены подборы составов бетонов с применением «ВСМ» и оценивалось действие волокна на изменение свойств морозостойкости. Бетонные смеси изготавливались с подвижностью от П2 до П4. Испытания проводились в лабораторных и производственных условиях без применения воздухововлекающих добавок. Однако показатели качеств бетонов с волокном по трещиностойкости, морозостойкости и водонепроницаемости превысили заданные проектом.

Достоинством модифицирующей добавки «ВСМ» с функцией армирования цементного камня является представленное в ней комплексное решение прикладных задач связанных с созданием строительных композитов с высокими эксплуатационными свойствами:

• упрочнение бетонов – достигается перераспределением дифференциальной пористости цементного камня в сторону меньших по размеру гелевых пор, что обусловливает формирование цементного камня с меньшим количеством капиллярных пор.
• ускорение начальной стадии химического твердения цементных систем с активизированными волокнами, где привитые функциональные молекулярные кластеры служат центрами кристаллизации;
• образование гидросиликатных кластеров «вяжущее волокно» за счет высокой поверхностной энергии активных молекул на поверхности волокон и упрочнение контактной межфазовой зоны между цементным камнем и поверхностью волокна.