УДК 691.53:699.82
Б.Я. Трофимов, Л.Я. Крамар, А.С. Королев
Южно-Уральский государственный университет
Цементные растворы с полимерными добавками находят широкое применение в современном строительстве для устройства поверхностной штукатурной гидроизоляции и отделочных слоев, к которым предъявляются высокие требования по прочности сцепления с основным материалом — камнем, металлом, бетоном.
Много работ было посвящено вопросам применения и эффективности добавки водорастворимой эпоксидированной смолы ДЭГ-1 в цементных бетонах . Было определено, что добавление смолы свыше оптимального количества отрицательно сказывается на гидратации цементного вяжущего, а оптимальная добавка при вводе с водой затворения замедляет набор прочности раствором в ранние (до 7 сут) сроки твердения в 1.2-1.3 раза, улучшая его прочностные характеристики в поздние (марочные) сроки в 1,3-1,4 раза . Водонепроницаемость растворов с добавкой повышается на 4-6 марок . Однако применение таких цементно-полимерных растворов в качестве гидроизоляционных ставит проблему ускорения набора ими эксплуатационных свойств ввиду необходимости обеспечения работоспособности гидроизоляционного слоя в ранние сроки (до 2-3 сут твердения).
По данным некоторых исследований на протекание процессов структурообразования в цементных материалах в присутствии многих поверхностно-активных веществ значительное влияние оказывает время их ввода в бетонную смесь относительно времени перемешивания ее сухих составляющих с частью воды затворения . Исходя из этого были поставлены следующие задачи: определить влияние времени и последовательности ввода составляющих уплотняющей добавки на структурообразование в бетонах, исследовать роль отвердителя в формировании структуры и свойств цементных материалов с добавкой ДЭГ-1.
Для решения поставленных задач при приготовлении растворных смесей с добавкой ДЭГ-1 производилось предварительное затворение, при котором вначале цемент и песок в соотношении 1:1.6 перемешивались с 2/3-ми всего требуемого объема воды затворения в течение определенного времени, после чего добавлялась оставшаяся 1/3 объема воды с растворенным в ней полимером и отвердителем. Перед растворением в воде полимер и отвердитель смешивались вместе и выдерживались в течение 2-3 мин. Водоцементное (В/Ц) отношение в смесях составляло 0.42. Работа проводилась на цементе ПЦ400-Д20 и кварцевом песке с Мк=2.45.
В табл. 1 приведены значения подвижности растворных смесей и прочности растворов с оптимальным количеством полимерной добавки при различном времени ее ввода в частично затворенную смесь, из которых видно, что добавка ДЭГ является поверхностно-активной и обладает пластифицирующим действием на растворные и бетонные смеси.
Из полученных данных следует, что пластифицирующий эффект при вводе добавки после затворения сухой смеси снижается, что свидетельствует об ее пониженной адсорбции на первично гидратированных зернах цемента. Интерес представляет то, что применив прием предварительного затворения, можно снять эффект замедления данным полимером набора эксплуатационных характеристик раствором в ранние сроки твердения. Причем в 7 суток и далее все составы дают одинаковые показатели по прочности на сжатие Rсж и водонепроницаемости, оцениваемой по глубине капиллярного подсоса влаги h, определяемой при одностороннем насыщении.
С целью выявления роли аминного отвердителя, добавляемого к смоле перед вводом ее в цементную смесь, в формировании свойств цементно-полимерных растворов был проведен эксперимент, результаты которого отражены в табл. 2.
Полученные данные показывают, что условием максимальной эффективности добавки является совместный или раздельный с ней ввод в растворную смесь аминного отвердителя, основным преимуществом которого перед другими отвердителями (аминофенольными) является то, что он растворим в воде, обеспечивая взаимодействие со смолой и в жидкой фазе. Следует отметить, что некоторой активностью обладает и ДЭГ без отвердителя, но с отвердителем ее эффективность значительно возрастает.
С целью изучения влияния составляющих рассматриваемой добавки на состав гидратных новообразований цемента был проведен комплекс дериватографических и рентгенофазовых исследований составов, соответствующих составам в табл. 2. Дериватографические данные (см. рисунок, табл. 3) показывают для всех составов с ДЭГ, в том числе и без отвердителя, пониженное содержание свободной извести. То же подтверждают и данные рентгенофазового анализа — дифракционные пики Са(ОН)2 для растворов с ДЭГ характеризуются меньшей интенсивностью по сравнению с бездобавочными.
Слабо выражены и пики низкоосновных гидросиликатов кальция (ГСК), в то время как кривые ДТГ показывают пики потери массы при 660-6700С, характерные для метамиктных — метастабильных пересыщенных Са2+ фаз, а кривые ДТА — экзотермический эффект при 330-3400С, соответствующий температуре кристаллизации непрореагировавшего выщелоченного клинкерного кремнезема SiO2.
На основании полученных данных можно уточнить влияние добавки ДЭГ-1 на процессы гидратации и структурообразования при твердении цементного вяжущего.
Особенность данной добавки заключается в том что, являясь поверхностно-активной, она одновременно является и химически активной, поскольку содержит в своем составе кислые спиртовые -ОН и эпоксидную -О- группы, способные связывать ионы Са2+ при определенной концентрации извести в жидкой фазе.
При вводе в смесь сразу со всей водой затворения происходит быстрое осаждение мономеров добавки на поверхности раздела фаз «зерно цемента — вода» . При последующем вводе, когда жидкая фаза уже достаточно насыщена известковой составляющей, смола связывает часть ионов кальция диэтиленгликолем через группировку -ОН с заменой на ион водорода Н+ и образованием сложного кальциевого алкоголята, о чем свидетельствуют данные термогравиметрии по содержанию извести (табл. 3, рис.), на фазе первичного гидрата осаждается меньшее количество добавки (табл. 1) со снижением пластификации (табл. 1), что снимает замедляющий эффект добавки на гидратацию цемента. В результате этого степень пересыщения известью в растворе растет, индукционный период замедляется, о чем свидетельствуют данные о замедлении добавкой ДЭГ начала схватывания цемента , твердение же протекает с ускорением, превышая кинетику набора прочности бездобавочных растворов.
Таким образом, влияние данной добавки на свойства цементных композиций следует разделить на две составляющие: роль добавки в протекании гидратационных процессов при твердении цемента и структурообразовании его гидратов и роль добавки, как дополнительного связующего элемента за счет ее отверждения или связывания с основной фазой через эпоксидные группировки.
Выводы.
На основании данных проведенных исследований можно сделать заключение, что с целью ускорения набора эксплуатационных характеристик растворами с добавками ДЭГ и ТЭГ необходимо производить предварительное затворение растворной смеси с выдержкой в течение 5-7 мин перед их введением.
Данный прием был запатентован как новый способ приготовления цементно-полимерных смесей с добавками эпоксидированных диэтиленгликолей, согласно которому сухая смесь вяжущего и заполнителей прежде перемешивается с частью воды затворения в течение определенного времени, после чего вводится оптимальная добавка смолы с отвердителем.
Показана необходимость использования добавки ДЭГ совместно с отвердителем, однако введение смолы и отвердителя в растворные смеси может производиться раздельно, без их предварительного смешивания, что в определенных случаях упрощает технологию их приготовления.
Библиографический список
- Барташевич А.А., Далевский А.К., Юхневский П.И. Новая комплексная добавка для бетонов в конструкциях водохозяйственных сооружений// Строительные материалы. — 1975. — №12. — С.17-18
- Кунцевич О.В., Попова О.С. Использование водорастворимых смол в качестве добавок к бетонам //Бетон и железобетон. — 1977. — №7.
- Попова О.С. Бетоны с добавками водорастворимых смол // Бетон и железобетон.- 1981. — №10.
- Саталкин А.В., Солнцева В.А., Попова О.С. Цементно-полимерные бетоны. — Л.: Стройиздат, 1971. — 169с.
- Селезнев Г.И., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я., Королев А.С., Пургин А.В. Патент №98101622 от 27.01.98г
- Сычев М.М. Твердение вяжущих веществ. — Л.: Стройиздат, 1974. — 80с.
- Ramachandran V.S., Feldman R.F., Beaudoin J.J. Concrete science. Treatise on current research, Division of building research. — London. — 1981. — 427p.
Возможные типы полимерцементных (далее ПЦ) покрытий:
1. ПЦ пескобетон М500 (под виброрейку).
2. ПЦ пескобетон М400 самоуплотняющийся.
3. ПЦ раствор М400 самовыравнивающийся (наливной пол).
Толщина покрытия должна составлять:
Для слабых нагрузок – 5-7 мм. Для умеренных нагрузок – 8-15 мм. Минимальная толщина – 4 мм.
Для изготовления ПЦ растворов (пескобетонов) следует использовать:
1. Цемент марки М400, М500 и более, серый или белый (для цветных покрытий), непластифицированный, без добавок (маркировка — Д0);
2. Песок мытый 1-го класса (содержание пыли — не более 3% ), МКР(модуль крупности) = 2,0 и более.
3. Модификатор цемента «Политакс» Пластобетон-В (далее Добавка).
Работы по устройству покрытия можно проводить при температуре основания от +5 до +35 С.
Требования к основанию.
1. Бетон или пескоцементная стяжка М200 и более.
2. Поверхность должна быть сухой, не замасленной, без отслаивающихся и «дышащих» участков.
3. Вертикальные подвижки основания, за исключением деформационных швов, не допускаются.
Подготовка основания.
1. Удаление отслаивающихся и замасленных участков, воды.
2. Удаление выступающих инородных тел и фрезеровка сильных неровностей.
3. Устройство эластичной связки (ППЭ, гидроизол) на примыканиях к вертикальным конструкциям (стены, колонны и пр.).
4. Предварительная уборка поверхности.
5. Расшивка трещин для дальнейшего шпаклевания.
Устройство направляющих. Карту захваток необходимо проектировать, учитывая:
1. Длину виброреек или правил.
2. Расположение деформационных и компенсационных швов основания.
3. Расположение протяженных усадочных трещин в основании.
4. Расположение вертикальных несущих конструкций в помещении.
Направляющие должны укладываться параллельно одной прямой и перпендикулярно направлению наибольших температурных перепадов.
Все деформационные и компенсационные швы основания необходимо перенести на поверхность покрытия, для этого достаточно отметить их расположение маркером на стенах или колоннах. По возможности, поверх швов выполнить устройство направляющих, в противном случае – прорезать по маркерам шов на всю глубину покрытия.
Порядок выполнения работ.
1. Разметить положение направляющих на плоскости основания.
2. На месте укладки направляющих с шагом не более 5 м засверлить дюбели с саморезами (длина ок.30мм).
3. Натянуть между саморезами шпагат и вывести все шпагаты в необходимую плоскость, учитывая минимальную и среднюю толщину покрытия.
4. Выполнить чистовую уборку поверхности основания под шпагатом шириной 15-20 см.
5. Огрунтовать очищенную поверхность составом бетоноконтакт согласно инструкции. Если в основании есть трещины, расшить и их и огрунтовать внутреннюю поверхность.
6. На грунтованную бетоноконтактом поверхность нанести полимерцементный раствор.
7. Притопить в нанесенный раствор направляющие так, чтобы верхняя кромка касалась натянутого шпагата, область между направляющей и основанием была заполнена раствором, расстояние между верхней кромкой и раствором была не менее 4 мм.
8. Заполнить трещины раствором.
9. После схватывания раствора нанести на его поверхность бетоноконтакт с целью предотвращения пересыхания в ранние сроки твердения.
После набора достаточной прочности полимерцементным раствором (12-36ч) можно приступать к укладке основного состава.
Выполнить чистовую уборку соответствующих захваток и нанести грунтовку бетоноконтакт согласно инструкции. Укладку производить «через полосу».
1. ПЦ пескобетон М500, подвижность П4. Выполняется аналогично укладке обычного пескобетона под виброрейку, без использования бетоноотделочных машин (вертолетов).
2. ПЦ пескобетон М400, подвижность П5. Выполняется аналогично укладке самоуплотняющегося пескобетона под правило, без использования бетоноотделочных машин (вертолетов).
3. Самовыравнивающийся ПЦ раствор М400 (Наливной Пол). Выполняется аналогично укладке других самовыравнивающихся сухих смесей (Ветонит, Горизонт), с обязательной прокаткой игольчатым валиком.
Смачивание поверхности укладываемого состава,
а также разбавление водой после приготовления НЕ допускается!!!Сразу после схватывания защитить поверхность покрытия от пересыхания п/э пленкой!!!
По достижении необходимой для шлифовки прочности (примерно: при 30°С – 12ч, при 20°С – 24ч, при 10°С – 48ч) нарезать швы на глубину 1/3 толщины покрытия. Приступить к шлифовке покрытия.
Шлифовка выполняется без смачивания поверхности водой. Сразу после окончания этапа шлифовки необходимо очистить поверхность от шлама и накрыть полиэтиленовой пленкой!
1. Шлифовка алмазами (315/250) или корундами средней абразивности (80-120).
2. Лощение корундами №40 или №25 до блеска.
Лощение рекомендуется проводить не ранее чем через трое суток после укладки.
После выполнения всех работ – открытые швы заполнить полиуретановым герметиком.
По согласованию с заказчиком поверхность можно отполировать или покрыть полиуретановым лаком.
Основные принципы приготовления полимерцементного состава.
1. Количество воды, учитывая свободную воду песка, должно составлять менее 30 кг на 100 кг цемента.
2. Консистенция состава: П4 – «пластичная, вязко-текучая», легко уплотняемая;
П5 – пластичная, текучая, самоуплотняемая.
3. Поверхность после уплотнения виброрейкой: ровная, гладкая, однородная без следов отделившейся влаги.
4. Самовыравнивающиеся ПЦ растворы (наливные полы) следует готовить на песке с МКР не более 2,5. Необходимую консистенцию подбирают, варьируя количества песка при максимальном количестве воды (30кг на 100кг цемента).
Критерием правильно подобранного состава может служить розлив на горизонтальную пластиковую поверхность – толщина раствора, после саморастекания должна составлять 3-4 мм.
Песок, поставляемый навалом и хранящийся на улице, содержит свободную воду. Её необходимо учитывать при подборе рецептуры. Влажный песок средней крупности содержит около 3 литров свободной воды на 100 кг, очень влажный – до 6 литров.
Примеры рецептур пескобетона П5 для песка МКР=2,5.
1. Песок сухой, содержание свободной воды = 0%. Вода 30 кг, песок сухой 250 кг;
2. Песок влажный, содержание свободной воды = 3%.
Вода (30 – 250х0.03) = 22,5 кг, песок влажный 250 + (30-22,5) = 257,5 кг;
Другие компоненты: Добавка 30 кг, цемент М500ДО 100 кг.
Рецептуры в зависимости от модуля крупности песка (МКР)
| 2,2 | 100 | 220 | 21-24 | 220 | 24-30 | 180 | 27-30 |
| 2,5 | 100 | 250 | 21-24 | 250 | 24-30 | 210 | 27-30 |
| 2,8 | 100 | 280 | 21-24 | 280 | 24-30 | НЕ использовать! | |
| 3 | 100 | 300 | 21-24 | 300 | 24-30 | НЕ использовать! | |
Комментарий: чем выше МКР песка, тем дешевле ПЦ раствор (пескобетон)
Порядок приготовления первого (пробного) замеса полимерцемента.
1. Налить в емкость расчетное количество Добавки, добавить половину расчетного количества воды.
2. Включить миксер (600-1000об./мин).
3. Ввести расчетное количество цемента, перемешать до однородного состояния.
4. Ввести расчетное количество песка, перемешать до однородного состояния.
5. Медленно порциями добавить воду (не более остатка расчетного количества) до нужной консистенции.
6. Завесить остаток воды для конечного расчета, сделать перерасчет воды для стандартного замеса.
7. Уложить в течение 40-ка минут (самовыравнивающийся – в течение 5-ти минут).
Порядок приготовления стандартного замеса полимерцемента.
1. Налить расчетное количество Добавки, добавить расчетное количество воды.
2. Включить миксер (600-1000об./мин).
3. Ввести расчетное количество цемента, перемешать до однородного состояния.
4. Ввести расчетное количество песка, перемешать до однородного состояния.
5. Уложить в течение 40-ка минут (самовыравнивающийся – в течение 5-ти минут).
Внимание: песок, цемент и воду обязательно взвешивать на весах!
Состав полимерцементного раствора для устройства направляющих (если требуется).
Вода 15-17 кг; песок сухой МКр-2.5 250 кг; цемент 100 кг; Добавка 30 кг.
Необходимая консистенция жестко-пластичная, не текучая (близкая к штукатурному раствору).
Порядок приготовления аналогичен полимерцементу. Если замес получился слишком подвижным, не добавлять цемент или песок, а распределить под шпагатом и дать загустеть около 40-60 мин.
В строительстве используются различные бетонные смеси. Полимерный бетон – материал, созданный сравнительно недавно с применением инновационных технологий.
Полимербетон — что это такое
Это смесь из полимеров,применяющаяся как связующий элемент, содержащий высокомолекулярные органические соединения, изменяющие структуру и свойства растворов из бетона. Полимербетон применяется в качестве заменителя известковых смесей и дополнения к портландцементам.
Преимущества и недостатки, использование в современном строительстве
По сравнению с бетонными растворами на основе цемента полимерный бетон обладает следующими преимуществами:
- быстрее затвердевает;
- имеет высокий уровень сцепления с любыми поверхностями;
- хорошую проницаемость;
- высокую степень сопротивления растяжениям и изгибам;
- повышенную износостойкость, прочность;
- устойчив к перепадам температур, ультрафиолету, кислотным воздействиям;
- экологически чистый, в его составе есть отходы строительных и сельскохозяйственных работ;
- имеет малый удельный вес;
- поглощает шумы и вибрации;
- легко разрезается.
В отличие от обычного бетона, максимально затвердевающего через месяц, полимербетон достигает наивысшего предела прочности спустя семь дней после изготовления.
Недостаток строительного материала – стоимость в сравнении с обычным бетоном.
Где используют
Полимерный бетон применяют в строительстве и дизайне. Этот пластичный материал используется:
- для наливных полов – защищают от влаги и сохраняют тепло,
- при ремонтах и проведении реставрационных работ на поверхностях из бетона,
- для облицовки стен и цоколя зданий,
- в системах водоотведения (дренажных),
- в оформлении лестниц, заборов.
Полимерные камни используют для постройки и ремонтов домов и квартир, создания мебели. Окрашенные после высыхания предметы декора – в дизайнерских проектах.
Разновидности полимербетона, что входит в состав
Полимербетоны – смеси, состоящие из стирола, эпоксидной, полиамидной, полиуретановой, метилметакрилатной смолы, латексов. Образуются при сочетании смолы и растворителей, отвердителей, катализаторов. В составе наполнителя играют роль связующего вещества.
Полимерцементный бетон получается путём добавления полимерного наполнителя в основной цементный раствор. Для заполнения пустот применяют гравий, золу, щебень, песок, шлак.
Происходящая в смеси полимеризация образует монолит – бетонополимерный материал, по характеристикам во многом превосходящий цементный бетон.
Полимербетоны бывают:
- Пластобетонные – устойчивы к температурным колебаниям, воздействию кислотной и щелочной среды.
- Бетонополимерные – строительные смеси, которые после застывания пропитываются мономерами.
- Полимерцементные – бетоны с повышенной плотностью, используются при отделке плит различной толщины, кирпича, в строительстве аэродромов.
От типа работ зависит, какой бетон используется.
- Каркасный молекулярный –тип бетона, не имеющий наполнителя, соединение частичек происходит только при помощи связующих полимерных веществ.
- Наполненный полимерный – в качестве наполнителя содержит щебень, шлак гравий.
Технология изготовления и нанесения
Технология производства полимербетонной смеси включает следующие этапы:
- Приготовление связующего: перемешивание смолы, пластификатора, наполнителя, отвердителя в специальных смесителях, продолжительность 30 секунд.
- Соединение связующего состава с песком, щебнем в бетономешалках. При помощи дозатора компоненты загружаются в смесители. Через 2 минуты, не прекращая движения, добавляют связующее. Перемешивание длится ещё 2 минуты, за это время раствор приобретает нужную консистенцию. Для бетоносмесителей предусмотрено оборудование с аварийными системами подачи воды и термодатчиками.
- Готовый полимербетонный раствор подаётся в бетоноукладчик и распределяется равномерным слоем нужной толщины в форме. В течение 2 минут уплотняется на виброплощадке.
- Укладку и уплотнение делают в помещениях, оборудованных системами вентиляции и вытяжкой.
- Проводят термическую обработку (высушивание).
- Готовые изделия передаются на хранение в складское помещение.
Можно ли приготовить полимербетон своими руками
Из качественного полимербетона, изготовленного самостоятельно, получают сравнительно недорогие изделия. Для этого в качестве наполнителя берут гравий, шлак, щебень. От их фактуры и вида зависит, что лучше выбрать. Щебень крупнее и более однородного цвета, а гравий меньше размером и разных оттенков. Песок нужен просеянный, чистый.
Чтобы цвет бетона оставался белым, рекомендуют использовать мытый песок (кварцевый), минеральные наполнители белого цвета.
Связующими выступают полиэфирные смолы, минеральная мука и омылённая древесная смола. Чтобы изготавливаемые плиты были более качественные, советуют использовать антисептик (краситель).
Как сделать простейший полимербетон в домашних условиях
Изготовить своими руками изделия из полимербетона можно дома. Твёрдые материалы нужны чистые и просушенные, сухой и просеянный песок.
Для приготовления 1 кг связующей основы для полимерного бетона можно взять следующий рецепт. Вес компонентов рассчитаны в граммах:
- золы – 320-330,
- жидкого стекла – 200,
- гидроксида калия (40%), полученного гидролизом – 9,0
- шлаковых остатков от сжигания металла – 330,
- воды – 50.
В бетономешалку первым загружают цемент, затем песок и гравий. После тщательного перемешивания добавляют воду. В зависимости от марки цемента и назначения соблюдают пропорции компонентов. Например, для получения бетона марки 200, берут цемент (М400)– 1, щебень – 4,8 и песок – 2,8.
Марка выбирается с учётом того, для каких целей он необходим. При возведении фундаментов и изготовлении тротуарных плиток нужны бетоны разных марок.
Готовая связующая смесь – размягчённая при помощи растворителя или нагреванием смола – смешивается с мукой, антисептиком, красителями,вместе с твёрдыми материалами при непрерывном перемешивании доводится до однородной массы. По отношению к объёму основного материала, масса связующего вещества должна быть 10–20 %.
Готовый раствор быстро перекладывают в формы, предварительно смазанные парафином (вазелином техническим), устраняют пустоты и воздействуют током один час, используя инвертор. Можно воспользоваться вибростолом. Нагревание электродами сокращает время затвердевания. Через сутки раствор застывает и образуется плёнка, повышающая его монолитность.
Технология изготовления идеальной поверхности
Чтобы готовые бетонные поверхности выглядели привлекательно, их шлифуют, полируют или подвергают фрезерованию. После такой обработки бетон выдерживает повышенные нагрузки, улучшаются его эксплуатационные характеристики.
Для выравнивания поверхности из бетона применяются и специальные полимерные составы. Но при такой обработке поверхности удерживают влагу, не дышат, в отличие от полированного материала.
Полированный и отшлифованный бетон полимер не подвергается воздействию плесени, не выделяет вредных химических соединений и имеет ряд других преимуществ:
- внешне напоминает мраморную плиту,
- поверхности прочнее и твёрже,
- образует единый монолит,
- устойчив к химическому воздействию.
Фрезерование, шлифование и полировка выполняются на полностью затвердевшем полимерном бетоне, очищенном от жира и грязи, без предварительного смачивания. Армирующие элементы срезаются болгаркой. Отшлифованный бетон покрывают специальным упрочнителем, а затем полируют.
Особенности применения различных марок полимербетонов
Чтобы получить нужную марку бетона, применяют цементы различных марок, от которых зависит прочность и быстрота застывания. Например, чтобы получить марку бетона 100, нужен цемент М300, а для М500 –500-600.
Полимербетонные смеси М100 самые слабые, следующие по крепости: М150,200,250. Наиболее прочная марка 1000, которая используется только в военной области.
Для придания полимербетонам морозоустойчивости, применяют специальные смеси, которые маркируются буквой F. Для внутренних работ используют марки ниже F50,от F50 до F300– в гражданском строительстве, свыше F300 – для гидросооружений.