Использование кремнийорганических соединений в качестве добавок в бетоны

Кремнийорганические соединения (силоксаны, силиконы) активно применяются в строительстве для придания материалам атмосферной стойкости, пластификации бетонной смеси и изменения структуры бетона, для повышения коррозионной стойкости и морозостойкости бетонов и железобетонов, особенно в морской воде и других агрессивных средах; в качестве основного компонента красок с повышенной стойкостью и долговечностью, герметиков. Силиконы могут быть применены и используются в суровых климатических условиях как на Крайнем Севере, так и в топиках.

Положительным свойством силиконов является их стойкость к щелочам, что позволяет применять их в качестве эффективных добавок к бетонам.

Кремнийорганические добавки к бетонам обладают уникальным сочетанием свойств:

• пластифицируют бетонную смесь,
• улучшают структуру бетона,
• повышают морозостойкость и трещиностойкость бетона,
• повышают коррозионную стойкость бетона,
• придают высокую водоотталкивающую способность материалу,
• сохраняют внешний вид и фактуру материала,
• экологически безопасны после применения,
• практически не меняют газо- и воздухопроницаемости бетона (снижение газообмена не более чем на 10%), что позволяет удалять излишки влаги,
• светостойки (включая ИК- и УФ-излучение),
• сохраняют полезные свойства в течение длительного периода времени,
• препятствуют биологическому разрушению.

При производстве бетонов получили распространение следующие силиконовые добавки с реакционно-способными группами (в скобках указаны распространенные российские номенклатурные названия):

Воздухововлекающего действия:

• Вводно-спиртовой раствор этилсиликоната натрия (ГКЖ-10, ТУ 6-02-696-76),
• Вводно-спиртовой раствор метилсиликоната натрия (ГКЖ-11, ТУ 6-02-696-76),
• водный раствор алюмосиликаната натрия (АМСР-3, ТУ 6-02-700-76), • Фенилэтоксисилоксаны (113-63 (б. ФЭС-50) и 113-65 (б. ФЭС-80), ТУ 6-02-995-75).

Газообразующего действия:

• Этилгидридсилоксан (136-41 (б. ГКЖ-94), ГОСТ 10834-76), используется в виде 50%-ной водной эмульсии (КЭ-30-04, ТУ-6-02-816-78).
• В виде водных эмульсий применяются: метилгидридсилоксан (136-157М (б. ГКЖ-94М), ТУ 6-02-694-76), этилгидридсилоксан с небольшим содержанием активных групп (136-323, ТУ 6-02-610-89), метилгидридсилоксан с небольшим содержанием активных групп (119-215, ТУ 6-02-1-009-89).
• Преимущественно при помоле цементного клинкера используют кристаллогидратные силиконовые порошки – органогилридсилсесквиоксаны (ПГМН, ПГЭН и ПГФН, ТУ 6-02-280-76).

Основной способ введения силиконовых добавок (растворы, эмульсии, суспензии) в цементные смеси – с водой затворения при тщательном перемешивании бетонной смеси.

К недостаткам одного из перечисленных типов добавок – алкилсиликонатов натрия – следует отнести колебание их состава и технических характеристик, обусловленных методом их получения.

Наиболее эффективно применение силиконов для бетонов с низким и средним содержанием цемента.

Механизмы реакций

При взаимодействии с гидроксидом кальция, входящим в состав цемента, адсорбированной на поверхности или в объеме бетона водой, а также при реакции между собой реакционно-способные группы кремнийорганических добавок в зависимости от своего состава вступают в следующие реакции:

В итоге на поверхности, в микропорах и капиллярах бетона образуется защитная структура, химически связанная с поверхностью.

При этом происходит ориентирование кремнийорганических соединений гидрофобными органическими группами преимущественно наружу.

С увеличением содержания функциональных групп в силоксановых добавках повышается доля хемосорбированных молекул на поверхности и внутри цемента, что способствует ориентации органических заместителей у атома кремния наружу.

Образование структуры бетона

В процессе структурообразования, происходящем при взаимодействии цемента с водой, с увеличением содержания силиконовых добавок в системе увеличивается время существования коагуляционной структуры и, соответственно, отдаляется начало образования кристаллизационной структуры (схватывания цемента) – см. диаграмму 1.

Замедление нарастания пластической прочности с ростом концентрации силоксановой добавки обусловлено происходящими процессами гидрофобизации и газовыделения (только для гидридсодержащих олигомеров).

Однако введение водорастворимых силиконовых добавок в б о льшем количестве приводит к обратному эффекту. Например, в случае добавки в цементную смесь силиконата натрия в количестве более 2% происходит полное затвердение системы уже через 1 час. По-видимому, это объясняется интенсивным выделением в процессе реакции сильной щелочи – NaOH , которая является «ускорителем» образования цементного камня. Это также подтверждается повышенным тепловыделением цементной системы в начальный период времени.

Диаграмма 1. Изменение пластической прочности цементного теста с добавкой жидкости 136-41 во времени

Пластифицирующее действие

Пластифицирующие свойства силиконовых добавок позволяют снизить количество воды, применяемой при приготовлении бетонной смеси. В итоге пластификация силиконами приводит к улучшению структуры бетонного камня.

С увеличением электроотрицательности функционального заместителя при атоме кремния силоксановые добавки увеличивают диспергирующие свойства в ряду:

При введении кремнийорганических добавок в оптимальных концентрациях 0,1…0,3% от массы цемента наблюдается наилучшая пластификация цементной смеси, при этом водопотребность снижается для алкилгидридсилоксанов на 10%, для алкилсиликонатов и алкилалюмосиликонатов натрия – на 13…16%.Оптимальной добавкой фенилэтоксисилоксанов является количество 0,1% от массы цемента.

Отмечают, что введение кремнийорганических добавок значительно, в сравнении с другими известными пластификаторами, увеличивает период подвижности и удобоукладываемость цементной смеси. При этом практически не наблюдается водоотделение и снижается расслаиваемость