Колоидные цементные растворы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЕ

«ЛИПЕЦКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 
 

Кафедра  строительных  материалов 

Реферат

по   дисциплине: «Строительные материалы»

     на  тему:

     «КОЛЛОИДНЫЕ  ЦЕМЕНТНЫЕ

     РАСТВОРЫ» 
 
 
 
 
 
 

Студент _____________________________________________  
 

Руководитель _______________________________________   А. Д. Корнеев

проф. 

Липецк  2008

     АННОТАЦИЯ 

    С.42. Ил.8. Табл.6. Библиогр.: 8 назв.  

    Во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева получен новый гидроизоляционный  материал — коллоидный  цементный  раствор   (КЦР). Этот вид гидроизоляционного материала, разработан на основе коллоидного цементного клея КЦК.

      Разработка  основ  технологии  и  методов  применения  коллоидных  цементных  растворов  для  получения  гидроизоляционных  и  антикавитационных  покрытий рассматривается как пример  создания  дисперсного композиционного материала с заданными свойствами  и структурой.                  
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

    ВВЕДЕНИЕ

    При строительстве   современных   гидротехнических сооружений большое  внимание уделяется надежности работы сооружений, конструкции которых  непосредственно соприкасаются  с грунтовыми или поверхностными водами. Защита этих конструкций от длительного воздействия воды осуществляется гидроизоляцией.

    Получение гидроизоляции на основе цемента  было продиктовано не только его повсеместной распространенностью на стройках, но  и  возможностью получения гидроизоляционного цементного покрытия с высокой механической прочностью, хорошей адгезией к изолируемым бетонным конструкциям и возможностью нанесения этих материалов на влажные поверхности. Приготовление и нанесение гидроизоляционных цементных композиций легко поддается механизации, причем требования и технике безопасности при устройстве цементной штукатурной гидроизоляции существенно менее жесткие, чем в случаях применения битумных или полимерных материалов.

    Цементная штукатурная гидроизоляция по существующей классификации относится к классу минеральных гидроизоляций и представляет собой жесткое водонепроницаемое покрытие, выполняемое нанесением одного или нескольких наметов цементного раствора на изолируемую бетонную поверхность.

    Рассматривая  структуру затвердевших цементных растворов как совокупность твердой фазы и порового пространства, некоторые исследователи установили, что эффект водонепроницаемости пористых материалов достигается либо введением уплотняющих добавок, либо сочетанием физико-химического и механического воздействий на начальных стадиях процесса структурообразования для уменьшения размеров пор.

    Водонепроницаемость гидроизоляционных цементных покрытий обеспечивается не только структурой самого материала, но и сплошностью покрытия. Нарушение сплошности покрытия в результате усадки цементных композиций, относительно высокий модуль упругости и низкая деформативная способность, а также пониженная стойкость в сульфатных и кислых агрессивных средах в некоторой степени ограничивают применение этого вида гидроизоляции.

    Во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева получен новый гидроизоляционный  материал — коллоидный  цементный  раствор   (КЦР). Этот вид гидроизоляционного материала, разработан на основе коллоидного цементного клея КЦК. Разработан принципиально новый способ применения штукатурной гидроизоляции в условиях отрывающего гидростатического напора, что открыло новые пути ее использования, особенно важные при ремонте сооружений.

    Разработка  основ применения коллоидных цементных  растворов для получения гидроизоляционных и антикавитационных покрытий следует рассматривать как пример создания дисперсного композиционного материала с заданными свойствами и структурой. 
 

    1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕМ КЦР

1. СТРУКТУРА  ЦЕМЕНТНЫХ  РАСТВОРОВ 

    Свойства  затвердевшего цементного раствора зависят от его поровой структуры  и структуры твердой фазы. Характер поровой структуры проявляется при испытании образцов на водонепроницаемость и морозостойкость.

    При испытании на морозостойкость, заключающемся в насыщении водой образцов из затвердевшего раствора и последующем попеременном замораживании и оттаивании, микрокапилляры насыщаются водой не полностью. Поэтому они служат как бы резервными емкостями, куда под действием сил расширяющейся при замораживании в микрокапиллярах воды  происходит ее перемещение.

    Немаловажную  роль играет когезионная прочность  в контактах кристаллов новообразования цементного камня, которая характеризуется способностью цементного покрытия сопротивляться различным механическим воздействиям.

    Существенное  значение для изоляционного цементного штукатурного покрытия имеет адгезия (сцепление) этого покрытия к изолируемому основанию. В свежеуложенном растворе, нанесенном на затвердевшее основание, в процессе твердения раствора развиваются внутренние усадочные напряжения, величина которых может значительно превосходить силы адгезии, приводить при этом к понижению величины адгезии и, как следствие, к отслоению покрытия от изолируемого основания.[7]

    При этом в самом покрытии могут возникать трещины, являющиеся результатом превышения величины внутренних усадочных напряжений над когезионными силами затвердевшего цементного раствора, что является часто также причиной понижения водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости покрытия из-за концентрации напряжений в тупике трещины.

    1.2. ПОНЯТИЕ О ДЕФЕКТАХ  СТРУКТУРЫ  

    Затвердевшие цементные растворы, по механическим характеристикам и по прочности и упруго-вязко-пластичным свойствам с позиции физики твёрдого тела являются реальными твердыми телами. В реальных твердых телах дефекты и неоднородности структуры определяют характер  разрушения с разделением тела на части при напряжениях, на несколько порядков меньших теоретической прочности идеального тела. Основной задачей современного материаловедения является всесторонняя оптимизация структуры и свойств реальных дисперсных материалов, т.е. необходимо устранить такие виды дефектов и неоднородностей структуры материала, которые являются непосредственными источниками понижения прочности, разрушения или ухудшения других его свойств.[6]

    В основе классификации видов дефектов лежит разделение дефектов и неоднородностей по трем признакам (табл. 1): масштабу (размеру), виду (в физико-химическом смысле) и природе (происхождению).

    Основа оптимизации структуры дисперсных материалов состоит в устранении крупных по размеру дефектов и неоднородностей  I  рода, т.к. они  являются непосредственным источником разрушения и физико-химической неустойчивости, неоднородности материала. Для реальных композиционных материалов предельный уровень оптимизации структуры — уменьшение всех видов дефектов и неоднородностей до уровня неоднородностей и дефектов III рода).

  Композиционные дисперсные материалы образуются в результате распределения различных твердых дисперсных фаз между собой в сочетании с жидкой средой с последующим отверждением структуры в результате фазовых превращений. Обычно такие материалы содержат также и некоторое количество пор, являющихся важным элементом их структуры.[6]

  Таблица 1

  Обобщенная  классификация основных типов дефектов

  Для уменьшения размера неоднородностей и дефектов необходимо:

    - повысить дисперсность твердой фазы исходных компонентов, уменьшив соответственно размер частиц до  10^-7—10^-8м;

    -  уменьшить толщину прослойки, склеивающей эти частицы, до 10^-7— 10^-8м, что достигается увеличением объемного содержания твёрдой фазы в дисперсионной среде;

    -  снизить до минимума или исключить  полностью пористость, переведя оставшиеся поры в микро- и ультрамикропоры.

    Необходимое для реализации этих условий увеличение дисперсности S и объемного содержания φ твердой фазы в дисперсионной среде резко увеличивает агрегируемость систем, т. е. приводит к повышению вероятности возникновения физической неоднородности и дефектности структуры  в тем большей степени, чем выше S и φ. Поэтому задача технологии получения дисперсных материалов состоит в том, чтобы при оптимальной дисперсности S_opt и объемном содержании твердой фазы φ_opt свести к минимуму или исключить полностью отрицательную роль «природных» дефектов и неоднородностей.

    Необходимо также свести к минимуму физико-химическую неоднородность и неустойчивость структуры и снизить уровень напряжений II рода.

    При получении дисперсных материалов задачей технологии является предельная однородность распределения высокодисперсной твердой фазы при оптимальном содержании ее в дисперсионной среде на начальных стадиях технологии и сохранение достигнутой однородности и высокой дисперсности после завершения фазовых превращений.[6] 
 
 
 
 

    1.3. ОСНОВНЫЕ  СТАДИИ  СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ 

    Наиболее  эффективно управление процессом структурообразования на его начальных стадиях, в период превалирования в системах структур коагуляционного типа. Именно в этот период свойства структуры определяют плотность, однородность и дисперсность конечной структуры реальных твердых тел после завершения фазовых переходов.

    Оптимальная форма воздействия на систему при смешении дисперсных фаз, уплотнении систем и их деформации в период коагуляционного структурообразования — это вибрационные воздействия в сочетании с малыми добавками поверхностно-активных веществ.

    Преимущественное  значение смешения определяется тем, что основы   структуры   закладываются      в   процессе взаимного распределения образующих ее компонентов.

P∙10³, Н/м^г

i

16 τ,мин

   Рис. 1. Основные стадии коагуляционного структурообразования

    1 — при отсутствии вибрации;      2 — при оптимальном     вибрировании.

    Изучение  кинетики изменения этих величин, и  прежде всего η, Р(τ), указывает на существенные качественные различия в процессах структурообразования без вибрации и в сочетании с ней (рис. 1).

    В начале процесса вибросмешения происходит образование и разрушение агрегатов из тонкодисперсных частиц твердой фазы (стадии I к II). По достижении первого максимума η, Р(τ) превалирующим становится процесс разрушения структуры на отдельные рыхлые агрегаты. Элементами структуры рыхлого агрегата являются смачивающие капиллярные мениски между отдельными группами частиц твердой фазы, связываемые капиллярным давлением Р_σ, максимальное значение которого соответствует полному смачиванию:

    Р_σ = 4σ/δ,

    где σ — поверхностное натяжение на границе жидкость — пар,

           δ — размер отдельных агрегатов из частиц твердой фазы.

    Этим   объясняется   легкое разрушение крупных рыхлых агрегатов с образованием более мелких и прочных, которое сопровождается снижением величин η, Р(τ) (стадияII).

    Одновременно  с возникновением смачивающих менисков, образованием грубодисперсной структуры, рыхлых агрегатов из нее и их разрушением идет непрерывная миграция жидкой фазы под действием капиллярного давления к наиболее узким зазорам между частицами. Этот процесс продолжается и тогда, когда разрушение рыхлых агрегатов закончено и из них образовались более мелкие и плотные агрегаты в виде гранул. Внутри гранул зафиксирована та степень микро- и макронеоднородности структуры и распределения различных твердых фаз, которая соответствует состоянию системы в конце предыдущей стадии.

    Постоянство значения η, Р(τ) на III стадии указывает на то, что в макроструктуре смешиваемой системы в целом не происходит существенных изменений. Внутри же агрегатов при этом продолжаются активные процессы объемной миграции в наиболее тонкие поры и двухмерной миграции жидкой фазы — воды, как наиболее активного ПАВ для гидрофильных поверхностей твердых фаз, к участкам истинных контактов между частицами.

    Эта стадия характеризуется преимущественной ролью процесса двухмерной миграции. Она сопровождается возникновением двухмерного давления по границам адсорбционных слоев воды, достаточного для того, чтобы раздвинуть истинные атомные контакты на расстояние, большее или равное расстоянию ближней коагуляции (10^-9см):

    Р_s = σ₀ - σ(Г) = bχ,

    где b = RTГ_M;  χ = Г/Г_м — адсорбционное покрытие (χ<<1).

    При этом происходит снижение прочности контакта (адсорбционное понижение прочности), однако прочность структуры агрегата в целом возрастает, так как вибрация легко увеличивает плотность упаковки частиц в агрегате (рост φ), и таким образом, уменьшение прочности контакта компенсируется увеличением числа частиц в единице объема.

    В дальнейшем в результате интенсивных  соударений агрегатов при вибрации число истинных коагуляционных контактов с фиксацией частиц твердой фазы на расстоянии ближней коагуляции внутри агрегата растет, что подтверждается ростом расчетной величины F_c.

    Образование таких коагуляционных контактов  во всем объеме гранул, полное смачивание всей внутренней поверхности частиц в агрегатах-гранулах по существу является наиболее характерной особенностью этой стадии, которую поэтому можно назвать стадией формирования сплошной коагуляционной структуры внутри агрегатов.

    Завершающая стадия структурообразования — коалесценция агрегатов-гранул. Этому процессу способствуют и активные соударения при вибрации в сочетании со сдвиговыми деформациями всей системы вследствие вращения лопастей смесителя. Образование сплошной пластично-вязкой (или упруго-пластично-вязкой) системы на этой стадии (IV) превалирует над процессами ее разрушения, при этом эффективные напряжения сдвига Р(τ) и вязкость η резко возрастают. Образующаяся сплошная двухфазная коагуляционная структура настолько прочна, что разрушение ее при заданной постоянной интенсивности механических воздействий может быть незначительным, далеким от предельного (стадии V и VI). Таким образом, по мере перехода от одной стадии к последующим образуются все более плотные и прочные элементы структуры.

    Вместе  с тем степень неравномерности  распределения частиц твердых фаз различных видов, зафиксированная на предыдущей стадии, даже при длительном воздействии на систему передается «по наследству» в последующие стадии, в которых достижение однородности распределения еще более затруднено возникновением более прочных структурных элементов. Поэтому для достижения максимальной однородности и плотности на завершающей стадии коагуляционного структурообразования необходимо обеспечивать предельное разрушение того вида структуры, который является основным на каждой из предыдущих стадий структурообразования.

    Эти переходы от одного вида макроструктуры к другому могут завершаться при вибросмешивании частично или полностью. В высоконаполненных дисперсной твердой фазой системах переход к сплошной плотной двухфазной коагуляционной структуре возможен лишь при последующем виброуплотнении, сопровождающемся деформацией системы.

    Таким образом, при вибрации с удельной мощностью I_с = =а²ω³, соответствующей границе перехода от псевдоожижения к псевдокинению, процесс структурообразования разделяется на последовательные стадии, локализованные во всем объеме и во времени.

    Выбор оптимальных параметров технологических  процессов переработки структурированных дисперсных систем и получения дисперсных материалов должен осуществляться в соответствии с основными стадиями коагуляционного структурообразования, а режимы технологических операций: интенсивность и длительность смешения, уплотнения и формования — должны отвечать оптимальному уровню разрушения структуры на каждой стадии структурообразования.  
 
 

    1.4. КЦК И РАСТВОРЫ  НА  ЕГО  ОСНОВЕ

    Коллоидный  цементный клей (КЦК) - конструкционный дисперсный материал с кристаллизационной структурой, образующейся в результате твердения, и полученный при «предельном» вибрировании высококонцентрированной пасты из тонкодисперсных частиц комплексного минерального вяжущего цемента в сочетании с тонкодисперсным кварцем в дисперсионной среде — воде с добавкой ПАВ и в ряде случаев ускорителей твердения.[9]

    Высокая концентрация твердой фазы в водной среде и высокая прочность образующейся после завершения фазовых переходов кристаллизационной структуры достигается оптимальным сочетанием добавок ПАВ и предельного  вибрирования системы на начальной стадии, что приводит к снижению эффективной вязкости в период смешения и нанесения паст до минимального уровня.

    Достижение  и поддержание минимального уровня эффективной вязкости высоконаполненных твердой фазой клеющих композиций КЦК —особенность технологии его приготовления. Этот процесс реализуется в оборудовании, включающем серию установок для смешения, транспортирования и нанесения, распределения высоковязких систем.

    В настоящее время КЦК и растворы на его основе широко внедрены в  различных областях промышленности для антикоррозионной и антикавитационной защиты сооружений, их гидроизоляции.[8]

    В последние годы разработаны новые типы коллоидного клея, отличающиеся повышенной плотностью, прочностью и стойкостью к агрессивным воздействиям и твердеющие без проявления усадочных деформаций.

    Общие физико-химические условия управления процессами структурообразования легли в основу технологии КЦК и коллоидных цементных растворов КЦР.[9] 

    2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КЦР И ПОКРЫТИЙ ИЗ НИХ 

2.1.ОСНОВНЫЕ  ТРЕБОВАНИЯ  К  ПОКРЫТИЯМ  НА  ОСНОВЕ  КЦР 

    Цементное штукатурное покрытие из коллоидного  цементного раствора представляет собой жесткое водонепроницаемое штукатурное покрытие толщиной не более 1,5см, наносимое вручную либо механизированным способом в несколько наметов на изолируемую бетонную поверхность.

    Основные требования: водонепроницаемость и минимальное водопоглощение, а также сохранение адгезии покрытия к основанию и его сплошности в течение всего периода эксплуатации покрытия.[8]

    Попытки получения гидроизоляционных материалов на основе цементных вяжущих были основаны на применении уплотняющих добавок.

    Получение такого гидроизоляционного материала усложняется применением дефицитных добавок, необходимостью соблюдения точности их дозировки, их повышенной токсичностью, а также не технологичностью применения растворов, в состав которых введены эти добавки, в построечных условиях и относительно низкой водостойкостью этих добавок, что приводит со временем к их вымыванию.

    Поэтому необходимо устранить перечисленные недостатки такой гидроизоляции:

    - увеличение адгезии покрытия к изолируемым поверхностям более чем на 5 кгс/см² (0,5 МПа), что позволит воспринимать отрывающий напор;

    - достижение механической прочности свыше 200 кгс/см² (20 МПа) при сжатии, что позволит применять покрытие без дополнительной защиты;

    - уменьшение линейной деформации усадки покрытия менее чем на 1 % и повышение его деформативной способности, что увеличит трещиностойкость гидроизоляционного покрытия;

    - уменьшение водопоглощения гидроизоляционного материала, что позволит повысить морозостойкость  и коррозионную стойкость покрытия;

    - совершенствование технологии приготовления и нанесения гидроизоляционного материала;