0

При производстве современных строительных материалов широко применяются химические добавки. Они вводятся в небольшом количестве (несколько % от массы цемента), но придают конечному материалу (бетону) улучшенные свойства – прочность, долговечность и другие. При этом, в настоящий момент во многих сферах науки, в том числе и в нанотехнологии, успешно пользуются примерами, подсказанными самой природой. Например, «эффект лотоса» – эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, явление самоочистки листьев и цветков некоторых растений. Этот феномен объясняется особым наноструктурированным состоянием их поверхности. Иначе это свойство называется гидрофобность – физическое свойство молекулы (поверхности материала), которая «стремится» избежать контакта с водой. Противоположное ему свойство – гидрофильность – физическое свойство молекулы (поверхности материала), характеризующееся высокой смачиваемостью и способностью впитывать воду. Использование данных эффектов в различных материалах вызывает особый интерес ученых всего мира и приводит к получению материалов с уникальными свойствами. Например, наилучший способ защиты материала от проникновения влаги – достижение супергидрофобности. В последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству супергидрофобных изделий и покрытий в самых различных отраслях промышленности. А для исключения лишней жидкости из строительных материалов, которая может снизить прочность будущих конструкций применяют гидрофильные добавки – пластификаторы. Поэтому, для получения высокоэффективных материалов важно разобраться с данными эффектами.

Бетон с гидрофильной и гидрофобной добавкой.

Возможность придания специальных свойств и улучшения эксплуатационных свойств материала за счет введения химических добавок с различным принципом действия.

Исследовать особенность применения данных свойств материалов в производстве бетонов.

В ходе работы исследованы особенности и принцип действия гидрофильных и гидрофобных добавок. Установлено влияние введения гидрофобных и гидрофильных добавок на основные свойства цементных материалов. Таким образом, введение добавок позволяет изменить свойства материалов в лучшую сторону, повысить их эффективность, расширить области их применения и сберечь ресурсы. Пользуясь полученными результатами становится возможным разработка водостойких материалов для применения в морских сооружениях, фундаментах, а также высокопрочных материалов с пониженным расходом сырьевых материалов для различного применения. Имея полученные данные по использованию гидрофобных добавок, становится возможным достижение супергидрофобности при условии введения наноразмерных компонентов и закрепления их на поверхности материала. Тогда в данном случае материал будет защищен от влаги не только снаружи, но и внутри.

Исследованы особенности воздействия гидрофильной и гидрофобной добавок на основные характеристики бетона и бетонной смеси. На основе полученных данных предложены области применения материалов с данными добавками. Использование полученных теоретических и практических результатов позволит разработать материалы с повышенными физико-механическими характеристиками с учетом условий эксплуатации.

Рассмотрим, как описанные эффекты проявляют себя в цементных системах при введении гидрофильной и гидрофобной добавок.

При введении гидрофильной (поверхностно-активной) добавки в цементный раствор  ее молекулы закрепляются на частицах цемента и задерживают молекулы воды вокруг поверхности частицы (приложение 1). В результате поверхность частиц цемента становится более гладкой, окруженной слоем молекул добавки и снаружи слоем воды. Имея одинаковый заряд – такие системы отталкиваются друг от друга.

 При введении гидрофобной добавки, ее длинные молекулы за счет химического взаимодействия закрепляются одним краем на поверхности цементной частицы, а второй край молекулы отталкивает частицы воды. Таким образом поверхность становится гидрофобной (приложение 2).

В связи с тем, что добавки имеют различную природу, изготовление образцов проводилось по разным схемам (приложение 3). Гидрофильную добавку (Centrament (MC Bauchemie)) сначала разводили в воде, а затем раствор смешивали с цементом. А гидрофобная добавка (Sitren (Evonik Goldschmidt Gmbh)) в воде не растворяется, поэтому сначала мы ее смешивали с сухим порошком цемента, и потом эту смесь затворяли водой. Для сравнения также изготовили образцы цемента без добавок.

После смешивания полученные смеси формовали. Твердение происходило 28 суток во влажных условиях. Затем были определены основные свойства полученных образцов и определен краевой угол смачивания поверхности.

Эффект действия гидрофильной добавки был замечен сразу после смешивания цемента с раствором добавки (приложение 4). В сравнении с другими образцами смесь стала более подвижной, удобоукладываемой при одинаковом исходном количестве воды. Эти свойства способствовали лучшему заполнению формы и уплотнению смеси. Это обусловлено действием гидрофильной добавки, как говорилось выше. Частицы, окруженные оболочками воды лучше скользят друг относительно друга, не слипаясь.

После твердения были определены основные характеристики полученных образцов (приложение 5).

По результатам мы видим, что образцы с гидрофильной добавкой обладают лучшей прочностью, что обусловлено более плотной структурой за счет лучшего уплотнения.

А образцы с гидрофобной добавкой обладают самым низким водопоглощением. Это обусловлено отталкиванием частиц воды от поверхности материала.

Затем, для подтверждения эффективности гидрофобной добавки был определен краевой угол смачивания поверхности образцов. Чем больше угол смачивания, тем поверхность является менее смачиваемой (приложение 6). В нашем случае, угол смачивания образцов с гидрофобной добавкой составил – 110 °, что подтверждает гидрофобность поверхности. Остальные образцы гидрофобных свойств не проявили: капля воды сразу впиталась в поверхность.

Таким образом, введение гидрофобной добавки привело к появлению у материала водоотталкивающих свойств, у него повысилась прочность, и снизилось водопоглощение. Такой способ гидрофобизации – объемная, то есть добавка вводится в объем материала, а не наносится сверху.

Введение гидрофильной добавки привело к увеличению подвижности, частицы цемента лучше перемещались друг относительно друга, форма заполнялась легче. Это привело к лучшему уплотнению материала и повышению прочности.