При послеавтоклавном нанесении защитно-отделочного слоя на наружную поверхность панели можно применять разные составы раствора. Для сближения показателя их пористости с пенобетоном основной массы панели производится поризация отделочного слоя пеной. Поризованная структура отделочного слоя необходима и по соображениям быстрейшего достижения пенобетоном равновесной влажности, поскольку панели на стройку поступают с влажностью 15-20% и даже более.

Можно полагать, что полимерные добавки, введенные в поризованный раствор, могут значительно улучшить его свойства и расширить возможность применения, в том числе для нанесения на панели из пенобетона после их автоклавной обработки.

К этому имеются следующие предпосылки.

1. Мелкозернистые бетоны с поризованной массой изменяют свои свойства в зависимости от степени пористости и качества межпоровых перегородок. Многие специалисты считают, что основой улучшения свойств бетона, в том числе и в перегородках между порами, является направленное структурообразование.
2. Оптимизация свойств материалов ячеистой структуры в первую очередь связана с характером межпоровых перегородок, с их прочностью и деформативностью. От этого зависит прочность материала и, как следствие, его долговечность. Естественно, что для отделочного слоя, который выполняет защитные функции, улучшение структуры материала имеет важнейшее значение.
3. Поливинилацетатная дисперсия и дивинилстирольный латекс СКС-65ГП, значительно увеличивают предельную растяжимость, повышают водонепроницаемость и морозостойкость бетона. В то же время они пластифицируют бетонную смесь, в результате чего должно снижаться ее водотвердое отношение.
4. Молекулам синтетического каучука свойственна определенная ориентация в силовом поле, в результате которой происходит упорядочение их структуры. Это явление связано с действием в материале растягивающих напряжений. Как известно, напряжения растяжения для бетона представляют наибольшую опасность и приводят к образованию трещин. Полимерцементные композиции, особенно при использовании эластомеров, создают в этом отношении большие возможности.
5. Послеавтоклавная отделка панелей предусматривает твердение отделочного слоя в воздушно-сухих условиях. Это неблагоприятно для композиций на основе гидравлических вяжущих веществ. Иное положение создается при использовании полимерцементных составов, поскольку последние наиболее интенсивно твердеют в воздушно-сухой среде.

Таким образом, сочетание цемента с полимерными добавками и применение соответствующих растворов для отделки панелей из пенобетона, есть основание считать прогрессивным направлением технологии. На основании информационных данных и практики строительства, наиболее приемлемыми добавками для данных целей являются дивинилстирольный латекс и поливинилацетатная дисперсия. Водные дисперсии каучука и поливинилацетата позволяют изготовить поризованные полимерцементные растворы (пенополимерцементные растворы) с требуемой степенью однородности, поскольку сам цемент смешивается с водой, если предотвращается коагуляция полимера.

Природа коагуляции неоднозначна, она связана с рядом факторов, но превалирующее значение имеют явления электрохимического порядка. Устойчивость суспензий и эмульсий, в основном, зависит от заряда на поверхности частиц, Именно благодаря наличию такого заряда на поверхности частиц в водной среде образуется двойной электрический слой, защищающий коллоидные частицы от коагуляции подобно сольватным оболочкам.

Отмеченное положение характерно для гидрофобных золей, в данном случае они представлены латексом СКС-65ГП. Стабилизация же цементных паст объясняется образованием сольватных оболочек. Такие оболочки препятствуют непосредственному слипанию частиц цемента.

Обычно латексы и дисперсии высокополимеров имеют глобулы с отрицательным зарядом, частицы же портландцемента в водной суспензии характеризуются положительным зарядом. Естественно, что сохранить достигнутую дисперсность полимеров при эмульгировании их в водной среде и последующем контакте такой дисперсии с цементным раствором не удается.

При отрицательно заряженных частицах высокополимеров наиболее интенсивно коагулирующими будут вещества, содержащие многовалентные ионы, например Ca²⁺. Последние образуются в результате гидролиза С₃S портландцемента и их концентрация в твердеющем цементном тесте обусловливает высокие показатели pH.

Следует, вероятно, стремиться к максимальному сближению показателей щелочности цементного теста и модифицирующих его полимерных дисперсий. В этом отношении дивинилстирольный латекс СКС-65ГП имеет весьма благоприятный показатель, поскольку величина показателя pH у него составляет 11,5. Насыщенный же раствор гидроокиси кальция имеет величину pH = 12,5. Поровая жидкость бетона характеризуется показателем pH от 11 до 13. Для проверенной нами ПВАД величина pH составляет 4,96.

На стабильность водных дисперсий полимеров в настоящей работе было обращено самое серьезное внимание. При этом учитывалось, что выбор стабилизатора для применяемых дисперсий непосредственно отражается на структурной вязкости и пластической прочности полимерцементных композиций. Последние же, в свою очередь, предопределяют количество воды, необходимое для получения требуемой подвижности пенополимерцементных растворов.

Сродство модифицирующих добавок и цементной пасты по показателю pH имеет значение и с точки зрения кинетики твердения. Известно, что, чем больше щелочность среды, тем энергичнее происходит растворение клинкерных минералов и тем больше образуется продуктов гидратации в единицу времени.

Сопоставляя применяемые нами ПВАД и СКС-65ГП, с учетом взглядов, сформулированных выше, следует высказаться за более предпочтительное отношение к СКС-65 ГП, чем к ПВАД. Это мнение базируется не только на весьма неблагоприятном возрастании усадочных явлений у поливинилацетатцементных композиций, но и на их значительно более «кислой природе», чем у композиций с добавкой латекса.

Действительно, основой получения ПВАД служат два исходных продукта: эфир уксусной кислоты и виниловый спирт. Поливинилацетат имеет полярную карбоксильную группу, которая является «носителем» кислотных свойств.

Часть гидратной извести, образующейся в процессе твердения, вступает во взаимодействие с ПВАД, в результате чего происходит омыление основного продукта и образование поливинилового спирта. Этот процесс является, по существу, гидролизом в щелочной среде, в результате которого получаются хорошо растворимые в воде продукты.

Хотя омыление ПВАД способствует воздухововлечению и пластификации бетонной смеси, однако низкая водостойкость продуктов этой реакции не позволяет полностью реализовать указанное преимущество на практике.

Анализируя имеющиеся литературные источники по полимерцементным композициям, закономерно придти к выводу, что процессы их твердения не могут получить сейчас исчерпывающее теоретическое толкование.

Большинство специалистов едины во мнении о том, что химическое взаимодействие между цементным клинкером и полимером не имеет место. Таким образом, следует полагать, что глобулы полимеров откладываются в дефектных разрывах и «неплотностях» формирующегося цементного камня. Следуя этой гипотезе, закономерно признать протекающими и взаимно дополняющими два процесса:

Первый – представляет собой обычный процесс гидратации и твердения портландцемента;

Второй – постепенный процесс коагуляции (по мере уменьшения количества свободной воды) полимера в глобулы и пленки, которые откладываются дискретно в точках пространства свободных от продуктов твердения цемента.

Следует при этом учитывать, что стремясь к направленному структурообразованию цементного камня, нельзя игнорировать резкое различие в упругих свойствах последнего, также как и полимера.

Впервые геополимеры были получены Д. Давидовичем в 1976 году, гидротермальным синтезом из алюмосиликатных минералов на основе промышленных отходов [1]. Эти материалы обладают высокой, прочностью, плотностью, водостойкостью, тепло- и термостойкостью [2]. Материалы на основе геополимеров применяются сегодня в опытно-промышленных масштабах для изготовления жаростойких бетонов, низкообжиговой керамики, а также строительных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах [2]. Основные центры исследования и применения геополимеров находятся во Франция, Австралии, Японии и Германии. Ведутся работы в этом направлении и в нашей стране [3-6].

В качестве сырья для геополимерных материалов в настоящее время используются термически обработанные алюмосиликатные материалы природного и искусственного происхождения – каолины, граниты, шлаки, золы, кварц, микрокремнезём, коордиерит и др. [2]. Особый интерес для получения геополимерных материалов представляют отходы камнедробления и рудообогащения, в связи с большими объёмами их образования.

В данной работе приводятся результаты исследований по получению геополимеров на основе различных изверженных горных пород.

Методы и материалы

В качестве исходного сырья для приготовления вяжущего в исследованиях были использованы изверженные горные породы измельчённые до удельной поверхности S_уд=600 м²/кг – гранит Капустинского и Павловского карьеров, аплит-гранит, дацит, габбро-диабаз, а также модифицирующая добавка – доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината с S_уд=380 м²/кг. Для активизации процесса твердения использовались NaOH и жидкое стекло.

Для исследований с помощью прессованиям под давлением 25 МПа были изготовлены образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 20 мм из формовочной смеси с влажностью 13-14 %.

Твердение образцов проходило в нормальных условиях и при тепловой обработке по трёх- или четырёхстадийному режиму при температуре 80-330 °С с выдержкой на каждом этапе в течение 4 часов.

Результаты и их обсуждение 

На основании данных приведенных в табл. 1, 2 можно отметить, что основными приёмами позволяющими повысить прочность вяжущих является использование добавки шлака и  применение тепловой обработки, ускоряющей образование геля кремниевой кислоты. При повышении температуры от 80 до 200 °С во всех составах отмечается повышение прочности (см. рис.1). Повышение температуры до 330 °C приводит к снижению прочности.

Таблица 1 – Плотность и водостойкость вяжущих, полученных прессованием (без модифицирующей добавки шлака)

Рисунок 1 – Зависимость прочности геополимерных вяжущих, полученных прессованием от температуры твердения и горной породы, используемой в качестве сырья: 1 – гранит, 2 – аплит-гранит, 3 –габбро-диабаз

Рисунок 2 – Прочность геополимерных вяжущих на основе различных горных пород с 15 % добавкой шлака при твердении образцов в нормальных условиях: 1- гранит, 2 –аплит-гранит, 3 –габбро-диабаз

Таблица 2 – Влияние добавки шлака и температуры твердения на свойства геополимерных вяжущих

Рисунок 3 –  Коэффициент размягчения геополимеров при экспонировании их в воде (обозначения по табл. 2)

При термической обработке согласно рис. 1 наибольшей активностью обладают вяжущие, полученные на основе излившихся пород: из дацита – 127 МПа и габбро-диабаза – 90 МПа. Составы на основе  глубинных пород характеризуются меньшими значениями прочности: аплит-гранит – 66,5 МПа и гранит – 57,6 МПа.

Составы, твердевшие без прогрева, имеют более низкую прочность (рис. 2). Наибольшую прочность – 38 МПа при таком режиме твердения показал состав на основе диабаза с 15 % добавкой шлака.

Как видно в табл. 1 и рис. 3, геополимерные вяжущие без добавки шлака и с добавкой шлака до 10 % обладают небольшой водостойкостью, не превышающей значение по коэффициенту размягчения 0,75 (Кр). В отсутствие добавки шлака коэффициент размягчения свыше 0,75 (Кр=0,8) достигается при использовании в качестве сырья для получения вяжущего измельченного габбро-диабаза. С увеличением дозировки шлака с 10 до 15 % водостойкость вяжущих изготовленных по прессовой технологии в зависимости от вида горной породы составляет через 2 суток выдерживания в воде 0,8-1,07. При длительном выдерживании в воде (10 месяцев) Кр вяжущего на граните Павловского месторождения  увеличился до – 1,2 и уменьшается до  0,92 у вяжущего на основе дацита.

Выводы

Были исследованы геополимерные вяжущие из изверженных горных пород, полученные по прессовой технологии. Установлен оптимальный режим твердения (до 200°С), при котором вяжущие обладают наибольшей прочностью. Присутствие добавки шлака обеспечивает его твердение в нормальных условиях, а также повышение водостойкости. При твердении в нормальных условиях прочность вяжущих возрастает в ряду: аплит-гранит, гранит и габбро-диабаз от 24 до 38 МПа. Коэффициент размягчения вяжущих с добавкой шлака через 10 месяцев выдержки в воде составляет от 0,9 до 1,25.