Бетон является основным строительным материалом, который применяют во всех областях строительства. Технико-экономическими преимуществами бетона и железобетона являются:
- низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением местного сырья,
- возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения,
- механизация и автоматизации приготовления бетона и производства конструкций.
Бетон долговечен и огнестоек, его плотность, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами. В силу этих преимуществ бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них являются основой современного строительства.
Бетон, предназначенный для конструкций подземных частей зданий и сооружений, должен обладать свойствами, необходимыми для длительной нормальной службы этих конструкций в данных климатических эксплуатационных условиях. Однако из-за агрессивного воздействия влаги возможно как отсыревание конструкций, так и их разрушение. Влага, накопившаяся в грунте из-за обильных дождей или таяния снега, неравномерный состав грунта и регулярная просадка почвы могут вызвать смещение конструктивных элементов. Кроме того, бетон, являющийся основной составляющей большинства подземных конструкций, характеризуется способностью легко впитывать влагу. При минусовых температурах жидкость, скопившаяся в порах бетонных конструкций, превращается в лед. При этом она расширяется, способствуя образованию микротрещин, которые впоследствии приводят к разрушению конструкции.
Подземные части строений подвергаются воздействию двух типов влаги:
- напорной воды;
- капиллярной.
В зависимости от того, какому типу воздействия должна препятствовать гидроизоляция, применяют противокапиллярную либо противонапорную изоляцию фундаментов и подвалов.
Наружная обмазочная изоляция, которой в том числе выполняется герметизация швов, препятствует поступлению напорных почвенных вод. Обмазочная изоляция, нанесенная внутри конструкций, защищает их от капиллярной влаги.
Недостатком подобной изоляции является то, что срок ее эксплуатации не превышает 5-6 лет. Поэтому сейчас для создания надежного барьера для капиллярной влаги используют водонепроницаемые бетоны высокой плотности, в том числе модифицированные с гидрофобизирующими полимерными добавками, которые заполняют микротрещины и поры бетонных конструкций, препятствуя их разрушению, и способствуют повышению прочности бетона, его морозостойкости и водонепроницаемости.
Использование целевых добавок является наиболее эффективным способом получения бетонов с заданными свойствами. Придание бетонам и растворам водоотталкивающих свойств, водонепроницаемости и трещиностойкости с помощью гидрофобизирующих добавок наиболее эффективно используется в различных подземных элементах конструкций, облицовках резервуаров, лотках, ограждениях котлованов, противооползневых сооружениях, подпорных стенках, а также при необходимости исключить возможность взаимодействия жидкостей с бетоном, увлажнение которого нежелательно по технологическим или гигиеническим соображениям.
До 70-х гг. XX в. техническими гидрофобизирующими добавками в цементобетонной технологии служили преимущественно природные продукты (например, олеиновая кислота) или некоторые отходы промышленности (мылонафт). Однако, исходя из экономической целесообразности и сохранения свойств модифицированного бетона, в настоящее время для изготовления гидрофобизирующих добавок все чаще используют продукты, материалы и отходы нефтехимического синтеза. Самыми распространенными для использования являются такие гидрофобизирующие добавки, как окисленный петролатум, кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК), битумные дисперсные системы, кремнийорганические жидкости. Эти технические материалы отличаются друг от друга химическим составом и своим происхождением согласно технологии производства, но для всех них характерно наличие молекул с резко выраженным асимметрично-полярным строением. Гидрофобно-пластифицирующий эффект при введении добавок суперпластификаторов обусловлен тем, что они принадлежат к категории поверхностно-активных веществ, что позволяет образовывать на поверхностях частиц цемента оболочки, которые снижают внутреннее трение в бетонной композиции.
В качестве гидрофобизирующей добавки экономически выгодно и целесообразно применять кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК). КОСЖК — продукт нефтехимического синтеза, который образуется при дистилляции синтетических жирных кислот, получающихся при окислении парафина. Они содержат более 80 % жирных кислот. КОСЖК являются массовыми и дешевыми промышленными отходами.
Битумы как гидрофобизирующие добавки выгодны при изготовлении легких бетонов. Элементный состав битумов колеблется в следующих пределах, %: углерод — 70…80; водород — 10…15; сера — 2…1; кислород — 1…5; азот — 0…2.
Эти элементы в битуме представлены в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов сложен, поэтому только битумы некоторых марок выгодно применять при изготовлении гидрофобизирующих добавок.
Все кремнийорганические жидкости относятся к гидрофобизирующим добавкам. Одной из особенностей рассматриваемых добавок является то, что они гидрофобизируют воздушные полости в бетоне. При оптимальном воздухововлечении (до 3…4 %) и появлении достаточно большого количества воздушных пузырьков, проницаемость бетона снижается, что можно объяснить образованием системы условно замкнутых воздушных полостей, а сопутствующий воздухововлечению пластифицирующий эффект проявляется сильнее в бетонных смесях, чем в цементном тесте. Использование добавок гидрофобизирующего действия способствует повышению значений физикохимических и механических свойств бетонных композиций и существенно увеличивает его долговечность. При тепловлажностной обработке бетон с добавками гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ (например, мылонафта) приобретает более высокую прочность, чем бетон с теми же подвижностью и расходом цемента без добавок.
Добавка С-3 (сульфонафталинформальдегид) достаточно долго сохраняет эффект пластификации, не уступая в этом отношении лучшим зарубежным аналогам, что является одной из важнейших гарантий ее успешного применения в производственных условиях. Модифицирующая добавка суперпластификатора оказывает влияние на все важнейшие технологические и технические характеристики бетонов. К таким характеристикам относятся водонепроницаемость при ее значительном повышении как при нормальных условиях твердения, так и после пропаривания.
Производственное значение получили комплексные добавки на основе пластификаторов типа С-3 в сочетании с гидрофобизаторами (ГКЖ-94) при строительстве ответственных сооружений гидротехнического строительства. Пластифицирующий компонент снижает водопотребность бетонной смеси, а ГКЖ-94 с дополнительной гидрофобизацией поверхности капилляров и пор снижает водопоглощение. При этом в модифицированном бетоне происходит образование системы замкнутых пор, резкое снижение числа сообщающихся капилляров, и, следовательно, значительно повышается водонепроницаемость и стойкость бетона в агрессивных средах. Экспериментально установлено, что применение комплексных добавок приводит к снижению числа пор цементного камня на 4 % в сравнении с числом пор цементного камня на отдельных добавках, а в равнопрочных бетонах обеспечивается снижение расхода цемента на 6…24 % в зависимости от вида примененных добавок, объема цемента, вида песка и условий твердения.
Механизм действия гидрофобизирующих добавок состоит в том, что они при контакте с продуктами гидратации цемента осаждаются в виде мельчайших капелек на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные покрытия. В результате этого возникает контакт, имеющий обратный угол, при котором силы поверхностного натяжения выталкивают воду из пор. Эффективность гидрофобизирующих добавок оценивают по степени уменьшения водопоглощения бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 30459—2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов».
Применение гидрофобизирующих добавок в цементных системах способствует формированию плотной и однородной структуры. Это выражается в уменьшении количества и размеров макропор (радиус пор менее 10 мкм), а также в их более равномерном распределении в массе цементного камня. Количество макропор в цементных системах с добавками в 2—4 раза меньше, чем в бездобавочных системах. Макропоры — замкнутые, имеют правильные окружные формы с ровными краями, размеры которых находятся в пределах от 0,5 до 0,05 мм с преобладанием пор размером 0,1 мм.
Комплексные добавки объединяют в себе несколько видов воздействия на бетонную смесь, что избавляет производителей бетона от поисков нескольких разных компонентов для получения нужных свойств. Ведь эти компоненты должны еще и мирно «уживаться» в одной смеси, не вступать между собой в нежелательные реакции.
Повышение сроков эксплуатации конструкций и сооружений в условиях воздействия агрессивных сред возможно за счет модификации бетона полимерными материалами как изнутри, так и за счет внешней гидроизоляции. В результате бетонная композиция представляет собой единое целое, что дает возможность эксплуатировать модифицированные составы с полимерным покрытием не только в условиях постоянного контакта с водой, но и при воздействии агрессивных сред. Благодаря совмещению модификации бетона полимерными добавками и гидрофобизации поверхности бетона полимерными пленками, композиция приобретает повышенные физико-механические и антикоррозионные свойства.
При действии агрессивных сред на модифицированный бетон в его структуре в меньшей степени будут происходить химические процессы, за счет снижения пористости и повышения плотности композиции.
Специалистами в области коррозии бетона и железобетона установлено, что главнейшим фактором для повышения коррозионной стойкости бетона является снижение пористости (проницаемости) бетона. Составы высокостойких малопроницаемых бетонов с низким значением водоцементного отношения (В/Ц) и повышенным расходом цемента, с добавками современных супер- и гиперпластификаторов относятся к бетонам с повышенной коррозионной стойкостью. Увеличение плотности за счет снижения В/Ц является универсальным способом повышения коррозионной стойкости для всех сред за исключением кислотных, что дает возможность использовать модифицированные составы в гидротехнических сооружениях.
При воздействии агрессивной среды протекает процесс постепенного разрушения бетона, направленный от поверхности в глубину материала. Для определения долговечности бетонных и железобетонных конструкций, подверженных действию агрессивных сред, необходимо выполнить оценку глубины разрушения бетона. На интенсивность разрушения бетона существенное влияние оказывает механизм переноса агрессивных сред и их взаимодействие с наиболее слабым в коррозионном плане компонентом бетона — цементным камнем.
Существуют различные механизмы переноса агрессивных веществ к граничной зоне коррозии. Так, в ненапорных подземных и подводных конструкциях, а также в водонасыщенных наземных конструкциях превалирует перенос агрессивных веществ диффузионного типа, являющийся самым распространенным случаем при коррозии бетона. Вторым типом переноса агрессивных сред является фильтрационный механизм, возникающий вследствие одностороннего напора, температурных или влажностных перепадов, а также при капиллярном подсосе. На первоначальном этапе отмечается резкий рост скорости коррозии бетона с постепенным затуханием процесса во времени.
Снижение интенсивности протекания коррозионных процессов связано с образованием на реакционной поверхности продуктов коррозии, тормозящих доступ к ней агрессивных веществ. На начальном этапе скорость коррозии зависит от скорости взаимодействия между собой агрессивной среды и компонентов бетона (скорости растворения). Однако из-за быстрого появления на реакционной поверхности продуктов коррозии происходит резкое снижение скорости коррозии, так как на реакционную поверхность начинает влиять диффузия агрессивных сред. На данном этапе, условно названным диффузионно-кинетическим, скорость коррозии зависит как от скорости химического взаимодействия, так от и диффузии реагирующих веществ.
Развитие технологии бетона позволяет все в большей степени использовать меры первичной защиты. Модификация составов бетона, которая реализуется при изготовлении и возведении конструкций, является одним из современных средств повышения коррозионной стойкости бетонных и железобетонных конструкций. Обеспечение долговечности бетона при действии на него различных жидких сред является важной и актуальной задачей строительной отрасли. Именно модифицированный бетон остается одним из самых востребованных материалов в строительной сфере. Технология по этому критерию становится прогрессивной.