Колоидные цементные растворы

    - достижение технико-экономической эффективности и прежде всего понижение стоимости и трудоемкости устройства  покрытия.

    Основные факторы, влияющие на водонепроницаемость, сплошность и долговечность штукатурных покрытии: пористость и усадка цементного раствора. Основной фактор, определяющий гидроизоляционные свойства покрытий,— удельный объем пор и характер их структуры.

    Поры  затвердевшего раствора делятся  на поры цементного камня и поры, образующиеся по контакту заполнителя и цементного камня — поры седиментационного происхождения.

    По  конфигурации поры затвердевшего цементного раствора делятся преимущественно  на открытые каналообразующие, закрытые, или замкнутые, и тупиковые (рис. 2). Тупиковые и замкнутые поры в процессе фильтрации не участвуют. Фильтрация воды через покрытие происходит только по открытым каналообразующим порам и зависит от размера пор.

    По  размерам поры обычно подразделяются на микрокапилляры (r < 10^-5см), макрокапилляры (r > 10^-5см) и крупные поры. При непосредственном соприкосновении с водой в покрытии в первую очередь происходит насыщение водой крупных пор и макрокапилляров. В дальнейшем идет постепенное перераспределение воды в микрокапилляры за счет капиллярных сил.

    Механизм  переноса воды под давлением через структуру цементного камня может быть представлен в следующем виде. При непосредственном соприкосновении воды с покрытием в результате действия градиента давления (∆Р) и капиллярного давления (Р_σ) происходит продвижение воды по капилляру. При этом силы трения воды о стенки капилляра (Р_τ) оказывают противодействие движущейся воде. Если ∆Р > Р_σ +Р_τ, то жидкость через покрытие будет перемещаться под действием градиента давления, причем перемещаемый поток жидкости при малых скоростях является ламинарным. Скорость фильтрации v согласно закону Дарси может быть выражена уравнением

    v = kJ, 

где k — коэффициент фильтрации; J — градиент напора.

    Рис. 2. Формы  пор:  / - закрытые  или  замкнутые;

                                        // - открытые  каналообразующие;

                                         /// - тупиковые;

                 а – прямые;  б – червеобразные;  в – петлеобразные.

    Однако  основная цель нанесения гидроизоляционного покрытия— обеспечение практической водонепроницаемости ограждающих конструкций. Это требование к гидроизоляции может быть выполнено лишь при условии, если ∆Р > Р_σ +Р_τ. В этом случае передвижение жидкости осуществляется по капиллярам за счет капиллярного переноса, что характерно для капилляров с радиусом 10^-5 —10^-4см. При достижении жидкостью противоположной стороны поверхности гидроизоляционного покрытия знак капиллярных сил изменяется на противоположный, причем капиллярные силы препятствуют дальнейшему продвижению воды по капиллярам.

    Такая схема продвижения воды близка к условиям работы гидроизоляционного покрытия «на отрыв». В этом случае покрытие   нанесено   на   изолируемую   конструкцию   со   стороны, противоположной действию гидростатического напора.

    При работе гидроизоляционного покрытия «на  прижим», т. е. при нахождении покрытия со стороны действия напора, эта схема также приемлема. Однако в этом случае необходимо допустить, что бетон водопроницаем (соответствует истине в случае обычных тяжелых бетонов), так как иначе не было бы необходимости в устройстве гидроизоляции.

    Находясь  длительное время во влажных условиях, капиллярные поры цементного гидроизоляционного покрытия насыщаются водой. Происходит насыщение водой и пор с r_Эф =10^-5÷10^-4см, для освобождения которых при длительном пребывании в водных условиях требуется приложить давление 10—15 ат (1 —1,5 МПа). Сопротивление давлению, оказываемое насыщенными водой капиллярами, делает их практически водонепроницаемыми.

    На  водонепроницаемость цементного гидроизоляционного покрытия неблагоприятно сказываются также поры, появляющиеся в результате седиментационных процессов, происходящих в ходе нанесения цементного раствора на изолируемые поверхности. Седиментационные поры, образующиеся в цементном штукатурном покрытии в результате разной плотности исходных материалов, по данным В. В. Стольникова, могут образовываться даже при водоцементном отношении, равном 0,45.

    Водонепроницаемость цементного штукатурного покрытия в первую очередь зависит от проницаемости цементного камня и пористости, возникающей в результате седиментации, в том числе и в особенности на границе цементного камня и заполнителя.

    При разработке технологии получения штукатурного гидроизоляционного покрытия на основе цементного вяжущего внимание было уделено созданию гидроизоляционного покрытия с оптимальной поровой структурой затвердевшего цементного раствора, удовлетворяющей следующим требованиям:

    - размеры радиуса пор затвердевшего цементного раствора не должны превышать 10~⁴ см;

    - свести к минимуму и в пределе полностью устранить возможность образования пор седиментационного происхождения;

    - макропоры в затвердевшем цементном растворе по их длине должны иметь прерывистую структуру, т. е. постепенное уменьшение размера радиуса пор до капиллярного, либо наличие в макропоре воздушного пузырька, прерывающего ее по длине.

    Долговечность гидроизоляционного покрытия на основе цементного вяжущего в большой степени зависит от водопоглощения затвердевшего цементного раствора, которое, как известно, характеризуется способностью материала при соприкосновении с водой впитывать в себя и удерживать в порах воду.

    От  водопоглощающей способности затвердевшего  цементного раствора зависят его морозостойкость, коррозионная стойкость и водостойкость. Все эти свойства покрытия, определяющие его долговечность, естественно, зависят от характера пористости. Замкнутые и тупиковые поры, имеющие выход открытой стороной на поверхность гидроизоляционного покрытия, при соприкосновении с водой полностью заполняются и в большой степени снижают долговечность затвердевшего цементного раствора при воздействии низких температур и агрессивных сред.

    Однако  доля таких пор невелика и, как  уже указывалось, водонепроницаемость  гидроизоляционного покрытия не зависит  от этого вида пор.

    Водопоглощение  затвердевшего цементного раствора происходит в основном за счет капиллярных сил, при этом в первую очередь насыщаются водой открытые поры, непосредственно с ней соприкасающиеся. Дальнейшее продвижение воды в толщу покрытия происходит за счет капиллярных сил. Про-йикшая в глубь затвердевшего цементного раствора вода, попадая в дефектные области кристаллической решетки, ослабляет кристаллизационный каркас, понижая при этом прочность материала при сжатии и изгибе. Такое понижение прочности при насыщении материала водой характеризуется коэффициентом размягчения:

    K=R^н/R;            K=R^н_изг/R_изг;

где R^н, R^н_изг - пределы прочности при сжатии и изгибе образцов, насыщенных водой;

       R, R_изг -  то же, в абсолютно сухом состоянии.

    Понижение прочности водонасыщенных образцов по сравнению с сухими образцами есть прямое следствие проявления эффекта адсорбционного понижения прочности («эффекта Ре-биндера»).

    Вместе  с тем в результате длительного  контакта затвердевшего цементного раствора с водой происходит повышение плотности материала за счет более глубокой гидратации составляющих цемента.

    Водонепроницаемость гидроизоляционного штукатурного цементного покрытия зависит не только от водонепроницаемости самого цементного раствора, но и от сплошности покрытия, обеспечиваемой отсутствием дефектов в нем.

    Развитие  деформации усадки в затвердевшем цементном  растворе — одна из основных причин появления микротрещин в гидроизоляционном  цементном штукатурном покрытии. Эти деформации  возникают и  развиваются  в  результате  физико-химических процессов, происходящих при схватывании и твердении цементного вяжущего.

    Каковы  же причины возникновения усадки в цементном растворе? Причины  этого явления заключаются в  следующем.

    В начальный период твердения цементного камня усадка возникает в результате развития процессов контракции. Под контракцией понимается явление, происходящее в системе «цемент— вода», вызывающее уменьшение первоначального объема исходных составляющих в процессе гидратации цемента. При взаимодействии цемента с водой сумма объемов исходных материалов превышает объем продуктов гидратации на 3%.

    Одновременно  с процессом контракции происходит испарение воды из системы «цемент — вода», причем интенсивность этого процесса зависит от относительной влажности окружающей среды.

    В результате контракции и испарения воды при упрочнении структуры происходит сжатие образующегося кристаллизационного каркасл, при лом каркас воспринимает внутренние сжимающие напряжения за счет увеличения капиллярного давления. Возникшие напряжения могут вызвать деформации неокрепшего каркаса и появление в нем микродефектов. При упрочнении структуры кристаллизационного каркаса это явление к возникновению микродефектов не приводит.

    Существенное  значение в развитии деформации усадки имеют капиллярные силы, возникающие в капиллярах цементного камня в сформированном жестком кристаллизационном каркасе. Эти силы возникают в результате появления в капиллярах микроменисков жидкой фазы. Однако при исчезновении микроменисков действие сжимающих каркас капиллярных сил прекращается. Такое явление возможно при полном заполнении капилляров цементного камня водой. Если кристаллизационный каркас не способен сопротивляться действию капиллярных сил, то происходит наращивание внутренних напряжений, в результате чего появляются микродефекты кристаллизационного каркаса цементного камня.

    Развитие  усадки в дальнейшем происходит в  результате испарения воды на участках контакта геля со структурным каркасом, а также контактов мелких кристаллов гидросиликата кальция между  собой. Для предотвращения появления микротрещин в покрытии необходимо создать в начальный период формирования структуры цементного камня повышенную плотность новообразований и прочный кристаллизационный каркас. Нужно обеспечить повышенную водоудерживающую  способность материала в начальный период. В дальнейшем необходимо поддерживать равномерный рост прочности кристаллизационного каркаса и повышение уплотнения структуры в результате развития процесса гидратации. 
 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ

ВЯЖУЩЕГОДЛЯ КЦР

    КЦР - гидроизоляционный штукатурный материал, состоящий из высокодисперсного цемента и высокодисперсного минерального порошка (наполнителя) и более крупного песка (заполнителя) в сочетании с пониженным содержанием воды, приготовляемого методом вибрационной активации с введением добавок ПАВ. Совместное воздействие вибрации и вводимых в состав ПАВ обеспечивает требуемую подвижность раствора.

    При разработке гидроизоляционного цементного штукатурного покрытия была поставлена задача получения гидроизоляционного материала с заданными свойствами, не зависящими от случайных факторов. Выдвигалось дополнительное требование о необходимости использования недефицитных местных исходных материалов.[8]

    Таким гидроизоляционным материалом является КЦР, полученный в результате использования тонкодисперсной смеси, включающей микронаполнитель и крупнодисперсный заполнитель. Для получения составов КЦР с необходимыми гидроизоляционными свойствами могут использоваться в качестве вяжущего как тонкомолотая цементно-песчаная смесь, так и высокомарочные цементы заводского помола в сочетании с тонкодисперсными  наполнителями. Подбор гидроизоляционных составов КЦР и исследование их свойств осуществлялось с использованием цементов различных видов и марок, тонкодисперсных естественных и искусственных наполнителей, заполнителей, поверхностно-активных веществ и полимерных добавок. Основные  характеристики исходных материалов в табл. 2 и 3.