Каменная кладка на наномодифицированном растворе

В настоящее время на строительном рынке существует большое количество специальных добавок и присадок от поставщиков и производителей для улучшения свойств строительного кладочного раствора на основе портландцемента, и упрощает их применение на стройплощадках. Данные химические вещества поставляются в сухом и жидком виде.

По заданию заказчика предлагаются разновидные добавки для строительных растворов:

• Пластифицирующие. Основная задача пластификаторов – повышение пластичности смеси, в результате чего она равномерно распределяется даже при заливке сложной формы. Раствор становится более подвижным и текучим, что упрощает работу каменщика.
• Ускорители и замедлители застывания. У каждого вида кладочных растворов есть ограниченное время схватывания = периоду до окончательного застывания. Специальная химическая добавка позволяет сократить или увеличить этот временной промежуток в зависимости от поставленной задачи.
• Гидроизоляционные. Они применяются для растворов, используемых при ремонте или кладке стен ниже поверхности земли, либо для инъекционных составов, создают максимальную плотность и минимальное водопоглощение кладочных растворов.
• Антикоррозийные и гидрофобизирующие. Они также способствуют повышению влагостойкости, но их задача – защитить арматуру в конструкции кирпичной кладки от коррозии и предотвратить появление трещин на поверхности из-за проникновения воды в структуру раствора.
• Армирующие. Это фиброволокно, стекловолокно, металлическое и иное армирование, позволяющее придать раствору прочность и равномерно распределить нагрузку, поступающую на поверхность. Армирование многократно продлевает срок эксплуатации каменных конструкции.

В зависимости от назначения в строительный раствор может вводиться несколько видов добавок одновременно, что позволит получить готовый кладочный раствор с требуемым набором свойств для каменной кладки.

Мировой и отечественный опыт изготовления подобных добавок и присадок патентуется изобретателями. В рамках рассмотренных патентных решений стоит выделить работу группы научных исследователей из Федерального государственного автономного образовательное учреждение высшего образования «Российский университет дружбы народов» (РУДН) 2021 года [1]. Исследователи заявляют, что изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при каменной кладке из керамических камней, керамического кирпича, пустотелого кирпича в условиях сухого жаркого климата при температурах окружающего воздуха, достигающей 40-50°С. Технический результат заключается в обеспечении необходимой подвижности, водоудерживающей способности и регулируемого срока схватывания строительного раствора. Технический результат достигается за счет того, что строительный раствор состоит из следующих компонентов (мас.%): портландцемент – 10,80-16,90; песок с модулем крупности от 1,5 до 2,0 для строительных работ – 69,50-80,70; аморфный наномодифицированный диоксид кремния – 0,01-0,12; лимонной кислоты – 0,002-0,02 или нитрилотриметиленфосфоновой кислоты – 0,012-0,035, или глюконата натрия – 0,005-0,05, или лигносульфоната натрия технического – 0,01-0,05; смолы древесной омыленной – 0,02-0,15 или смолы нейтрализованной воздухововлекающей – 0,01-0,15; воды – 8,5-13,0. Данный тип раствора предлагается для использования в жарких районах мира.

Ведутся научные работы, посвящённые адгезии [2]. При всём многообразии свойств кладочного раствора и стенового материала, ключевым, с точки зрения прочности, надёжности и безопасности кладки, является удельная сила сцепления между ними. Взаимосвязь действующих факторов показана на рисунке 1. Как видно из схемы, за формирование адгезионного взаимодействия отвечает целый ряд факторов, часть которых не учитывается при традиционных подходах к разработке и созданию кладочных растворов, как на основе минеральных компонентов, так и современных, с использованием полимерных модификаторов.

Рис. 1. Факторы, влияющие на адгезию материалов в кирпичной кладке

Основной проблемой растворов, используемых на практике, является портландцемент, применяемый в качестве основного вяжущего материала. Его свойства слабо соответствуют требованиям, необходимым для обеспечения высокой эффективности кладочных растворов. Например, низкая удельная поверхность, оптимальная для бетонов, ориентированных на высокую прочность, не обеспечивает достаточной водоудерживающей способности и скорости твердения. Кроме того, высокая активность портландцемента препятствует производству низкомарочных растворов с приемлемым содержанием минерального клея, что приводит к нерациональному расходу дорогостоящего вяжущего.

Минеральные и полимерные добавки, вводимые для улучшения свойств растворов, чаще всего лишь устраняют недостатки портландцемента, не адаптированного для этих целей, вместо того чтобы раскрыть его потенциал. Применение тонкодисперсных минеральных компонентов, таких как известь, улучшая адгезию, приводит к снижению прочности, увеличению усадки, образованию высолов, снижению морозостойкости и ухудшению других эксплуатационных характеристик.

Для повышения надёжности и безопасности каменной кладки необходимо пересмотреть подход к выбору сырьевой базы для кладочных растворов. Наиболее универсальным и адаптивным решением являются композиционные вяжущие материалы. Они обладают значительным потенциалом для настройки своих свойств за счёт изменения соотношения между клинкерной составляющей и минеральными добавками, регулирования состава добавок, использования химических модификаторов и корректировки режимов обработки. Такой подход позволяет придавать материалам необходимые характеристики для решения конкретных задач. Доказано, что получение высокоэффективных кладочных растворов на основе специальных композиционных вяжущих, разработанных с учётом закона сродства структур.

Для повышения адгезии к стеновым материалам необходимо обеспечить хорошее заполнение неровностей рельефа стенового материала за счёт повышенного содержания цементного клея, его хорошей текучести и высокой проникающей способности. Кроме того, должны быть обеспечены благоприятные условия синтеза новообразований твердеющего вяжущего на поверхности стенового материала за счёт миграции продуктов реакции к границе раздела и поддержания благоприятного микроклимата в твердеющем растворе максимальное время. Это достигается за счёт соответствующих композиционных вяжущих, что способствует формированию капиллярно-пористой микроструктуры растворного камня.

По данным лазерной гранулометрии в случае, если композиционные вяжущие характеризуются высоким содержанием частиц размером менее 4 мкм, то обеспечивается их высокая водоудерживающая способность. Микроструктура камня, на основе таких вяжущих, отличается однородностью, мелкими размерами новообразований, равномерным их распределением, высокой плотностью и степенью гидратации клинкерной составляющей. В ряде случаев наблюдается развитая внутренняя поверхность, способствующая накоплению влаги и процессу твердения в условиях низкой влажности.

Стоит отметить, что композиционные вяжущие, содержащие измельчённый бой различных стеновых материалов, обеспечивают более полную гидратацию клинкерной части в условиях кладки. Это приводит к более эффективному использованию цемента, измеряемому по снижению его расхода на достижение прочности 1 МПа.

Интересным является тот факт, что растворы на композиционных вяжущих способны удерживать 1,5–2% (мас.) влаги, необходимой для твердения. Влага распределяется на высокоразвитой ячеистой поверхности минеральной добавки и твёрдой фазы вяжущего, обеспечивая её постепенное поступление к гидратирующимся частицам клинкера в течение до 15 суток, что способствует приросту прочности даже в неблагоприятных условиях. Причём лучшие показатели адгезии достигаются в растворах с минеральной добавкой, близкой по структуре и свойствам к основному стеновому материалу.

Усадочные деформации в растворах на композиционных вяжущих имеют минимальную величину в первые 3–7 суток, что позволяет сформировать прочную связь между элементами кладки, обеспечивая набор прочности до начала значительной усадки. Такая динамика обусловлена структурными особенностями камня, формируемыми минеральной добавкой.

Деформация набухания растворов на композиционных вяжущих равна или превышает аналогичные показатели стеновых материалов. В условиях повышенной влажности это способствует «самозалечиванию» микротрещин: клинкерное вещество, обнажающееся при трещинообразовании, вступает в реакцию с водой, создавая ремонтный раствор. Для повышения самовосстанавливающих свойств рекомендуется добавлять в состав 3–5% портландцемента, что закладывает в материал элементы «интеллектуальности», соответствующие современным тенденциям.

На строительном рынке представлены композиционные вяжущие, подобранные с учётом совместимости с основным стеновым материалом, что позволяет создавать кладочные растворы, которые по ключевым характеристикам в 2–3 раза превосходят традиционные, а также дешевле аналогичных сухих строительных смесей.

Проводятся исследования по изменению физических свойств кладочных растворов с введением в их состав строительного микроармирующего волокна, с получением «фиброраствора». Фиброраством называется композитный материал, армированный тщательно распределенными в его толще, дисперсными волокнами (фибрами). Фибры выполняют роль микроармирующего компонента и модифицируют структуру материала на микроуровне. Такой раствор обладает повышенной прочностью на растяжение, морозостойкостью и водонепроницаемостью [3, с. 20-23].

Дисперсное армирование растворной матрицы позволяет в значительной степени уменьшить основные его недостатки: низкую прочность при растяжении и изгибе, хрупкость разрушения, а также улучшить способность воспринимать динамические воздействия. При этом армируется не только строительный раствор, но и цементный камень, входящий в его структуру, что позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняющий целостность конструкции даже после появления волосяных трещин. По показателю «энергия разрушения» фиброраствор в несколько раз превосходит традиционный цементно-песчаный раствор, что обеспечивает его высокую технико-экономическую эффективность при применении в кирпичной кладке.

Для кладочных растворов большое значение имеет адгезия к подложке и когезия (внутреннее сцепление) между компонентами затвердевшего раствора. Известно, что величина сцепления цементного раствора с поверхностью кирпича примерно соответствует прочности раствора на растяжение. Наиболее эффективным способом увеличения прочности материала на растяжение является его армирование более прочным на растяжение материалом, имеющим больший модуль упругости.

Наибольшее распространение в строительстве получили следующие микроволокна: стеклянные, базальтовые, металлические и полипропиленовые.

По итогам анализа существующих литературных источников автором диссертации установлено, что применение базальтового волокна СБ13-р-3С (длина волокна около 3 мм), производства ОАО «Ивотстекло» (п. Ивот, Брянская обл., Россия), существенно увеличивает прочностные свойства кирпичной кладки за счет получения данного наномодифицированного раствора.

При проведенных исследованиях, состав отличался от стандартного цементно-песчаного раствора наличием новой уникальной микрофибры – рубленой базальтовой нити СБ13-р-3С (пучки из сотен базальтовых супертонких моно волокон, имеющих диаметр 13 мкм при длине около 3 мм, скрепленных между собой водорастворимым клеящим веществом). Такой материал получают при рубке ровинга – непрерывной пряди базальтовых комплексных нитей (рис. 29) [3, с. 20-23].

Рис. 2. Рубленая базальтовая нить СБ13-р-3С

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что добавки и присадки для кладочного каменного раствора позволяют улучшить его свойства и позволяют организовать рабочий процесс более эффективно, исходя из заданных требований заказчика.