Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

УДК 691.3

ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ МИКРОСФЕР НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

В.В. Белов*, С.В. Перевозчикова

Тверской государственный технический университет,

Российская Федерация, 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22

*Адрес для переписки: Белов Владимир Владимирович, E-mail: vladim-bel@yandex.ru

В работе изложены предпосылки для разработки облегчённых цементных растворов с полыми стеклянными микросферами для реставрационных работ архитектурных памятни-

ков. Использование полых стеклянных микросфер в составе облегченной коррозионностой-

кой сухой строительной смеси, применяемой для создания, ремонта и восстановления архи-

тектурных элементов, позволит повысить трещиностойкость изделий за счет «демпфирую-

щего» эффекта, а сами микросферы служат каркасом для цементной матрицы, что препят-

ствует ее нежелательной усадке. Кроме того, наличие полых стеклянных микросфер в соста-

ве материала приводит к понижению щелочности материала, что делает его более стойким к воздействию агрессивной среды. Микросферы за счет своей правильной сферической формы позволяют использовать меньшее количество связующего для смачивания, что приводит к снижению вязкости и уменьшению усадки, так как микросферы выступают в роли «демпфи-

рующей» добавки.

Ключевые слова: сухая строительная смесь, реставрация, полые стеклянные микро-

сферы, облегченные конструкции

EFFECT OF MICROSPHERE ADDITION ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF BUILDING SOLUTIONS

V.V. Belov*, S.V. Perevozchikova

© Белов В.В., Перевозчикова С.В., 2021

15

Tver State Technical University,

Russian Federation, 170026, Tver, Af. Nikitin Quay, 22

*Corresponding author: Belov Vladimir Vladimirovich, E-mail: vladim-bel@yandex.ru

The work sets out the prerequisites for the development of lightweight cement mortars with hollow glass microspheres for restoration work of architectural monuments. Use of hollow glass microspheres as a part of the facilitated noncorrosive dry construction mix applied to creation, repair and restoration of architectural elements will allow to increase crack resistance of products at the expense of the «damping» effect, and microspheres serve as a framework for a cement matrix that interferes with her undesirable shrinkage. In addition, the presence of hollow glass microspheres in the composition of the material leads to a decrease in the alkalinity of the material, which makes it more resistant to aggressive media.

Microspheres, by the correct spherical shape, allow the use of a smaller amount of binder for wetting, which leads to a decrease in viscosity and a decrease in shrinkage, since microspheres act as a «damping» additive.

Keywords: dry mortar, restoration, hollow glass microspheres, lightweight structures

Введение. Для развития страны и нации в целом необходимость рестав-

рации зданий, как представляющих культурную значимость, так и зданий жи-

лых и общего пользования, занимает значительную позицию. Привлекательный внешний вид городов способствует развитию туризма, который вносит значи-

тельный вклад в благосостояние нашей страны.

Ремонт и реставрация являются вторым по значимости инструментом,

после строительства новых зданий, для поддержания и улучшения внешнего облика городов России [1].

Реставрация и ремонт зданий в значительной степени зависит не только от применяемой для этого технологии [2,3], но и также от материалов, которые при этом используются. На данном этапе развития индустрии строительных ма-

териалов существует большое количество различных смесей и составов, при-

16

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

меняемых для ремонтных работ. С каждым годом требования к этим материа-

лам ужесточаются. Это способствует более тщательному анализу разрабатыва-

емых материалов и положительному конечному результату.

Несмотря на это, проблема разработки строительных материалов, харак-

теристики которых отвечают запросам сегодняшних реалий по экономическим и физико-химическим показателям не является решенной. [4]. До сих пор есть вопрос о совместимости реставрационных материалов старого и нового време-

ни. Высокопрочный гипс α– модификации, имеющий среднюю плотность в

1900 кг/м3 – чаще всего используется в реставрационных работах [5]. Тем не менее, применение в составах такого гипса может разрушить старые деревян-

ные перекрытия реставрируемых памятников архитектуры и других объектов при восстановлении потолочных элементов. Предположение авторов [6] о том,

что при введении в такой реставрационный состав определенного количества полых стеклянных микросфер может привести к уменьшению веса элемента почти в два раза без потери прочности является актуальным.

Но на сегодняшний день известно, что гипсовые композиты не так долго-

вечны в среде, где они подвергаются действию атмосферных осадков, как ком-

позиты на основе цемента, что в данном случае имеет значительную роль, так как предполагаемый композит будет использоваться для внешней отделки зда-

ний и реставрации памятников архитектуры.

Срок службы материалов, используемых при восстановлении и реставра-

ции, определяется воздействием атмосферных осадков и перемен температуры.

Данные условия в явной мере вызывают деформации в отделочном слое. Рас-

слоение за счет конденсации влаги происходит между слоем ограждающей конструкции и восстанавливаемого элемента [7]. То, как покажут себя материа-

лы с пористой структурой в процессе эксплуатации, напрямую зависит от про-

цесса массопереноса внутри этих материалов [8, 9].

На основании проработанных источников можно сказать, что главный недостаток облегченных цементных композитов – это снижение прочности за счет снижения плотности. Использование полых стеклянных микросфер, кото-

17

рые являются прочным наполнителем с низкой плотностью позволит решить эту проблему.

Использование полых стеклянных микросфер дает возможность получе-

ния материала с плотной упаковкой частиц. В данном материале цементный камень является тонким связующим слоем, что позволяет получить материал с конгломератным типом строения [10].

При выполнении ремонтных работ, в зависимости от вида материала ис-

пользованного при возведении зданий и сооружений, необходимо выбирать со-

ответствующую смесь, чтобы обеспечить совместимость материалов [11]. Вви-

ду того, что поверхностный слой материала имеет структуру отличную от структуры внутреннего слоя, необходимо учитывать активность внешнего слоя при взаимодействии его с окружающей средой [12].

Вработе [13] предлагается следующая смесь для гражданско-

промышленного назначения, в том числе для ремонтных работ. Строительная смесь включает цемент, песок, модификаторы, воду и активную минеральную добавку, содержащую микросферы алюмосиликатные (ценосферы), диоксид кремния аморфный (микрокремнезем) и золу высококальциевую, при следую-

щем соотношении компонентов, мас. %: цемент 25,0-40,0, песок 5,0-30,0, ак-

тивная минеральная добавка 35,0-60,0, модификаторы 0,2-2,0, вода – остальное.

Авторы [14] первоначально изучили структурообразование цементной матрицы при введении в нее зольных микросфер. Вторая часть исследования,

состоявшая в механоактивации зольных микросфер. Микросферы измельчались в шаровой мельнице, что дало активность твердения состава на границе между цементной матрицей и зольными микросферами. При этом формирование гид-

росиликатов и гидроалюминатов кальция протекает более интенсивно за счет образования механоактивированными микросферами подложки. Это говорит о том, что повышается структурная плотность, и улучшаются свойства цементсо-

держащего материала. Таким образом, полученные авторами [14] результаты,

при применении в бетоне механоактивированных частиц 15 % от массы цемен-

та показали достаточно хорошие результаты, т.е. марка по водонепроницаемо-

18

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

сти повысилась с W 10 до W 16, прочность достигла до 75 МПа, а морозостой-

кость повысилась на две ступени.

Помимо наполнителей в виде сфер в составах архитектурных строитель-

ных смесей используются тонкодисперсные наполнители на основе силикатов кальция, которые используются для ускорения структурообразования в извест-

ковых композитах [15-17].

В работе [18] рассмотрен процесс взаимодействия стеклянных наполни-

телей с цементным камнем. Установлено, что применение стеклянных частиц в качестве армирующих компонентов увеличивает трещиностойкость компози-

тов, но данный способ редко используется для широкого применения такого способа вследствие низкой коррозионной стойкости стекловолокна к воздей-

ствию щелочной среды.

В связи с этим обоснование возможности использования полых стеклян-

ных микросфер в цементных системах и разработка облегчённых цементных растворов с применением микросфер для реставрационных работ архитектур-

ных памятников, является актуальной проблемой.

Экспериментальная часть

В работе с помощью планированного эксперимента подобраны составы цементных растворов и произведена оценка влияния карбонатного микрона-

полнителя, полых стеклянных микросфер, а также ПАВ на прочность, плот-

ность, морозостойкость и водопоглощение раствора. Количество воды прини-

малось в соответствии с оптимальной пластичностью смеси.

Для получения комплексных характеристик материала из данного состава были изготовлены образцы-кубы 100×100×100 мм, так как образцы данного размера необходимы для измерения теплопроводности; 70,7×70,7×70,7 мм – для измерения морозостойкости, водопоглощения, коэффициента размягчения; 20×20×20 мм – для измерения пористости, плотности, прочности на сжатие. В

стандартных методиках для нахождения данных характеристик требуются об-

разцы большего размера, но для экономии дорогостоящих материалов было

19