В статье рассказывается о пропитке строительных конструкций на основе цементного бетона зольсодержащими растворами. Отмечается, что после поглощения такими конструкциями зольсодержащих растворов происходят реакции, которые приводят к понижению уровня свободной энергии твердеющей системы за счет роста количества новых гидратных фаз в искусственном камне, что влияет на механические и деформативные характеристики камня.

УДК 693

Д.С. СТАРЧУКОВ, докторант, ВКА имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург

Ключевые слова: кремнезоль, модифицирование, бетон, цементный камень, раствор, наноразмер, водонепроницаемость, деформация, морозостойкость
Keywords: silica Sol, modification, concrete, cement stone, mortar, nano-sized, water resistance, deformation, frost resistance

Актуальность проблемы использования резервов фундаментальных подходов для улучшения характеристик свойств строительных систем на основе бетонов сомнений у исследователей не вызывает [1-3].

В развитие ранее проведенных работ [4, 5] рассмотрим возможность технологии пропитки строительных конструкций на основе бетонов зольсодержащими растворами путем воздействия на искусственные строительные сооружения (полученные путем твердения цементов) и естественные строительные сооружения (на базе глиноземистых грунтов) с целью улучшения их технических и геоэкозащитных свойств. Основная идея при этом состоит в следующем: строительные конструкции из цементных бетонов представляют собой капиллярно-пористое тело, способное осуществить капиллярный подсос ионного или зольсодержащего раствора с частицами наноразмера, при этом зольсодержащий раствор – например, на основе жидкого кремне-, алюмо- или феррозоля – способен к взаимодействию с составляющими цементного камня (см. табл. 1).

Таблица 1. Термодинамический анализ возможных реакций кремнезоля с составляющими цементного камня [4]

№ п/п	Химическая реакция взаимодействия кремнезоля	∆G0298 реакции, кДж
1	Сa(OH)2 + 2SiO2∙H2O = CaO∙2SiO2 + 2H2O + H2O	-169,14
2	Сa(OH)2 + 2SiO2∙H2O = 2CaO∙SiO2∙1,17H2O + 1,83H2O	-95,32
3	5Ca(OH)2 + 6(SiO2∙H2O) = 5CaO∙6SiO2∙5,5H2O + 5,5H2O	-584,8
4	2CaO∙SiO2∙1,17H2O + 2SiO2∙H2O = 2CaO∙3SiO2∙2,5H2O + 0,67H2O	-180,30

После поглощения бетонными строительными конструкциями зольсодержащих растворов осуществляются реакции, которые приводят к понижению уровня свободной энергии твердеющей системы за счет роста количества новых гидратных фаз в искусственном камне. В соответствии с законом сохранения энергии часть энергии химического процесса трансформируется в физико-механические и деформативные характеристики камня, такие как: прочность при сжатии, прочность на растяжение при изгибе, водонепроницаемость, морозостойкость, модуль упругости, коэффициент Пуассона, усадку. Это происходит за счет увеличения количества гидратных фаз и увеличения удельной прочности (коэффициента конструктивного качества материала).

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что должна быть взаимосвязь между уровнем понижения энергии в твердеющей системе за счет капиллярного подсоса с последующим взаимодействием ионов или частиц раствора наноразмера с составляющими бетона (композиционного материала на цементной основе) и показателями улучшения строительно-технических и специальных свойств. В качестве показателя свойств уровня понижения энергии может быть использовано понижение свободной энергии Гиббса -∆G0298 [кДж], которое, как известно, характеризует ту часть изменения энергии системы, которая может превратиться в полезную работу, в данном случае в работу по увеличению физико-механических, а также других свойств системы. Можно сделать вывод, что двухсторонний капиллярный подсос зольсодержащего раствора в строительной системе влияет на свойства двух поверхностей и на положительное воздействие на свойства всей строительной системы. Таким образом, энергетический аспект связан с представлениями о понижении свободной энергии Гиббса -∆G0298, процессах взаимодействия составляющих строительной системы как своего рода мере повышения полезной работы системы как основы достижения положительного изменения физико-механических и других специальных характеристик (Хсуммарное) такой системы, в т.ч. геоэкозащитных:

Хсуммарное = f(-∆G0298, кДж) (1)

Происходящие при этом изменение свободной энергии системы и рост полезной работы можно назвать первым резервом фундаментальных подходов повышения свойств строительной системы, который может быть использован в методе одно- и двухстороннего капиллярного подсоса растворов бетоном строительных конструкций.

Второй резерв может базироваться на учете особенностей электронного строения веществ и собственно на учете энергии на электронном уровне. В соответствии с общими естественнонаучными представлениями энергии электронов возрастают в ряду с l в следующем порядке: s→p→d и в ряду роста главных квантовых чисел n: 1, 2, 3 и т.д. Следовательно, внося в твердеющую систему на основе цемента вещества с ионами с более высокими значениями квантовых чисел (главного и побочного), можно ожидать образование соединений с более сильной химической связью и, таким образом, более значительным понижением величины энергии Гиббса -∆G0298, величины энтальпийной реакции -∆H0298 заполнителя, наполнителя и гидросиликатов кальция.

Если рассматривать фазы с ионами сильных энергий внешних орбиталей в виде заполнителей и наполнителей, то эти фазы за счет катиона более высоких энергий могут осуществлять донорно-акцепторную связь на границе раздела фаз, повышая свойства системы за счет упрочнения контакта на границах разделов фаз «наполнитель – гидросиликат». При этом важную роль играет вид возникающей связи на границах раздела фаз: целесообразна линейная (sp-конфигурация) или плоская (sp2-конфигурация), но не пространственная конфигурация, которая наряду с ростом прочности может привести к повышению хрупкости.

Если говорить о готовых изделиях, то прогнозируемый резерв повышения уровня свойств с использованием двух- или одностороннего капиллярного подсоса может содержаться в поглощении растворов, содержащих ионы Fe(III) (3d5-состояние), Mg (II) (возможна sp-конфигурация) или Al (III) (возможна sp2-конфигурация). Таким образом, учет особенностей электронного строения ионов или частиц, составляющих растворы, в методе поглощения (капиллярного подсоса) является вторым резервом фундаментальных подходов повышения свойств строительной системы.

Вышеизложенные резервы сведены в новый метод модифицирования поверхностного слоя бетона кремнезолем в процессе его твердения, представленный на схеме.

Выводы:

1. Проведенные исследования показали, что реализация первого и второго резервов фундаментальных подходов повышает уровень свойств более чем на 50%, и это повышение обеспечивается свойствами поверхностных слоев, упрочненных понижением уровня свободной энергии Гиббса и (или) участием ионов с конфигурациями соответствующего вида. Проведенные исследования касаются автодорожных, аэродромных и других специальных строительных конструкций и систем, в которых нагрузка от окружающей среды фокусируется на поверхность или на поверхности.

2. Предложено учитывать изменения свободной энергии Гиббса в строительных системах, как отражающие взаимосвязи со свойствами строительной системы при поглощении растворов разной природы капиллярно-пористым телом. При этом полагается, что, чем ниже величина процесса -∆G0298, тем выше уровень свойств.

3. Предложено учитывать особенности электронной природы катиона при формировании поверхностных слоев, которые капиллярно поглотили растворы разной природы. Полагается, что, чем выше энергия такого катиона, тем выше уровень достигаемых свойств за счет контакта в зоне «строительная конструкция – зольсодержащий раствор».

Библиографический список

1. Баженов Ю.М. Технология бетона: учебник / Ю.М. Баженов. – М.: АСВ, 2007, – 524 с.

2. Несветаев Г.В. Бетоны: уч. пособие / Г.В. Несветаев. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2011, – 383 с.

3. Микульский В.Г. Строительные материалы: уч. пособие / под ред. В.Г. Микульского. – М.: АСВ, 2002, – 241 с.

4. Сватовская Л.Б. Новые методы геоэкозащиты природно-техногенных систем строительной деятельности в интересах устойчивого развития: монография / Л.Б. Сватовская, М.М. Байдарашвили, М.В. Шершнева, А.М. Сычева [и др.]. – СПб.: ПГУПС, 2014, – 73 с.

5. Инженерные физико-химические основы управления качеством бетона: монография / Д.С. Старчуков, П.А. Козин, Л.Б. Сватовская, А.М. Сычева; под ред. д-ра техн. наук, проф. П.А. Козина. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015, – 88 с.