Поверхностные явление в цементных системах

Поверхностные явления в дисперсных системах, а именно адгезия, когезия, смачивание, представляют большой интерес для исследования возможности получения высокопрочных композиционных материалов. В данной работе рассмотрены зависимости физико-механических характеристик цементных композитов от явлений адгезии и смачивания.

Одной из основных задач, стоящих перед промышленностью строительных материалов, является изыскание путей получения композиционных материалов с высокими технологическими свойствами. Решение этой задачи требует знания теоретических основ процессов получения и применения строительных композитов.

Согласно уравнению Дюпре-Юнга (1) работа адгезии W3 двух конденсированных веществ напрямую связывается с характеристиками смачиваемости субстрата (твердого тела) адгезивом (жидкостью), а именно с поверхностным натяжением ơи краевым углом смачивания Ө. Из этого уравнения следует, что для увеличения работы адгезии надо улучшить смачиваемость поверхности субстрата или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение) адгезива, например введением поверхностно активных веществ (ПАВ) или изменением температуры.

Введение ПАВ, снижающих поверхностное натяжение на границе раздела «твердое вещество - жидкость», в дисперсную среду цементного теста приводит к нежелательному результату - дополнительному воздухововлечению и снижению прочности матричного компонента цементного композита.

Очевидным для увеличения работы адгезии цементной матрицы к субстрату - заполнителям, наполнителям, волокнам и т.д. - остается путь улучшения смачиваемости поверхности субстрата.

Для выявления некоторых аспектов повышения адгезии цементной матрицы к зернам заполнителей, дисперсной арматуре, а также на границе раздела «старый бетон - свежий бетон» был проведен ряд модельных испытаний, раскрывающих суть поверхностных явлений, влияющих на прочностные характеристики цементных композитов.

Модельные исследования поверхностной адсорбции воды вследствие изменения степени смачивания поверхности заполнителей включали поверхностную обработку мелкого заполнителя регулятором смачивания - аппретирующим агентом, изготовление цементно-песчаных растворов и определение их прочностных показателей.

Цементно-песчаные растворы изготавливались с соотношением цемент/песок = 1:3 и равными водоцементными отношениями (В/Ц = 0,6). Аппретирование заполнителя производилось пульверизацией 5-процентного водного раствора регулятора смачивания - полиэфира жирной кислоты с дальнейшей сушкой заполнителя.

По результатам испытаний выявлено, что повышение гидрофильности зерен заполнителя улучшает прочностные показатели на 10...15% и водонепроницаемость композита на 40...50% при прочих равных условиях. Следовательно, управляя степенью смачивания заполнителей можно управлять внутренним сцепление и когезией между компонентами цементных композитов.

Еще один компонент, хорошее сцепление которого с цементной матрицей имеет решающее значение для получения прочных цементных композитов, - полимерная фибра.

Наиболее значимым фактором эффективного модифицирования поверхности полимерных фибр с целью улучшения адгезии цементного камня к их поверхности является обеспечение максимального смачивания волокон водной средой цементного теста. Полимеры ряда полиолефинов плохо смачиваются водой, имеют низкую поверхностную энергию, что не позволят обеспечивать хорошее сцепление, например с воднодисперсионными красками равно как и с цементным камнем. Повысить энергетическую активность полимеров возможно несколькими способами: обработкой поверхности тлеющим разрядом, низкотемпературной плазмой, пламенем газовой горелки, окислителями (например бихроматом калия), силанами и т.д. Еще один способ улучшения смачиваемости полиолефинов - введение в их структуру родственных полимеров с повышенной поверхностной энергией, например сэвилена - сополимера полиэтилена и винилацетата.

Рассмотренный выше способ улучшения смачиваемость субстрата - аппретирование поверхности - мы применили к полимерным волокнам. Такой прием позволяет повысить работу адгезии путем создания волокнах тонкого слоя ионогенного ПА= (регулятора смачивания), повышающего энергетическую активность полимера.

Для выявления оптимальной толщины пленки аппретирующего агента был проведен эксперимент, заключающийся в обработке поверхности фиксированной навески фибры раствором регулятора смачивания различной концентрации и последующей оценке прочностных свойств цементно-песчаных растворов, содержащей фибру в количестве 0,5 г/л растворной смеси. На основе данных расхода и плотности регулятора смачивания был проведен расчет толщины регулятора смачивания на поверхности фибры, получены зависимости прочности раствора от толщины пленки регулятора и расхода фибры, приведенные на рис. 2, 3.

Как было установлено, с увеличением толщины адгезионного покрытия адсорбция воды по площади поверхности протекает неравномерно. Это связано с изменением характера покрытия и с изменением силы внутреннего сцепления молекул адгезива. При достаточно тонких пленках покрытия (до 15 нм) работа когезии регулятора смачивания превышает удвоенную работу адгезии к поверхности полипропилена. При этом регулятор смачивания стремится собраться в микрокапли, обнажая гидрофобную поверхность волокон. Адсорбция водных оболочек локализована, а адгезия цементного камня к волокнам практически отсутствует, что отрицательно сказывается на прочности композита.

Дальнейшее увеличение толщины пленки адгезива до 30...35 нм приводит к аппретированию всей поверхности волокна и позволяет уже лиофильному волокну абсорбировать воду на всей своей поверхности с обеспечением высокой адгезии волокна к матрице, вследствие чего прочность композита возрастает.

По мере удаления от приповерхностных слоев мера упорядочения молекул адгезива, как и любой другой жидкости с дифильными молекулами, уменьшается. Работа когезии в молекулярных слоях, близких к поверхности раздела, оказывается выше, чем в остальной массе молекул. Внешний слабосвязанный молекулярный слой адгезива способен за короткое время смываться, отдавая отдельные молекулы в водную среду, а, как следствие, и в цементное тесто, препятствуя нормальному твердению цементного камня. Это было установлено при свободном введении адгезива в растворную смесь в отсутствии волокон. Поэтому чрезмерная толщина пленки адгезива свыше 40 нм способствует снижению прочности как на растяжение, так и на сжатие. В данном случае положительное влияние улучшенной адсорбционной способности волокна нивелируется и даже ухудшается отрицательным моментом от присутствия в цементном тесте молекул аппретирующего агента - полиэфира жирной кислоты.

В целом эксперимент показал, что введение полипропиленовой фибры приводит к повышению прочности цементных композитов, но лишь при условии оптимальной толщины регулятора смачивания и расхода фибры.

Проблемы сцепления строительных, отделочных или ремонтных материалов на основе цемента с другими материалами или основаниями также представляют большой интерес для исследования. Сегодня, когда разработаны высокопрочные, быстротвердеющие ремонтные смеси на основе цемента, вопросы долговечности ремонта такими составами особенно актуальны. Да и отделка стен высококачественными и достаточно дорогими штукатурными и шпаклевочными смесями целесообразна лишь при условии обеспечения хорошей адгезии наносимых материалов к основанию. Поверхностные явления на границе раздела «основание - ремонтный слой» (выше такая граница условно названа «старый бетон - свежий бетон») основаны всё на тех же принципах управления смачиваемостью субстрата. На данном этапе работы были проведены модельные исследования процессов и явлений, протекающих на границе раздела двух по сути разнородных, взаимодействующих друг с другом материалов - достаточно прочного бетонного основания и высокопрочного цементно-песчаного раствора (аналога ремонтной смеси).

Была проведена серия модельных экспериментов. Поверхность бетона первоначально обрабатывалась водной эмульсией бутадиенстирольного латекса различной концентрации и высушивалась до полной полимеризации латекса и создания полупроницаемой или непроницаемой для воды полимерной пленки. Это не позволяло бетону достаточно быстро впитывать воду из наносимых в тонком слое раствор воды от первоначальной концентрации латекса.

После подготовки поверхности определяли ее смачиваемость водой косвенно по площади (диаметру) капли известного объема (рис. 5). Было установлено, что полимеризованная пленка латекса, толщина которой достаточна для предотвращения впитывания воды из раствора, плохо смачивается водой и в перспективе все наносимые на поверхность таким образом огрунтованного бетона жидкие и твердые вещества будут иметь невысокую адгезию к бетону. Поэтому в дальнейшем на подготовленную поверхность бетона распылением наносили слой аппретирующего агента известной концентрации. После высыхания регулятора смачивания на бетон укладывали высокопрочный цементно-песчаный раствор слоем толщиной 5...8 мм в виде круглых «пятачков» для определения адгезии раствора к бетону.

Было установлено, что адгезия цементно-песчаного раствора тем выше, чем выше водонепроницаемость слоя латекса и чем выше смачиваемость этого чрезвычайно тонкого полимерного слоя. Наилучший результат был получен при огрунтовывании бетона неразбавленной латексной эмульсией и последующем нанесении примерно 10 мг/см2 аппретирующего агента, что соответствует толщине пленки смачивателя, равной примерно 30 нм. Отрыв при этом происходил не по контактной зоне и не по раствору, а по бетону, который имел марку 500.

В результате можно утверждать, что адгезия мелкозернистых цементных композиций к бетонным поверхностям возможна на достаточно высоком уровне, когда прочность на адгезионный отрыв по контактной зоне может превышать когезию весьма прочного бетона. Однако этому должна способствовать как можно менее проницаемая для воды, но как можно более энергетически активная поверхность бетона с хорошей смачиваемостью.

Все проведенные модельные эксперименты подтверждают факт улучшения физико-механических характеристик цементных композитов за счет направленного регулирования смачиваемости субстрата -заполнителей и дисперсной арматуры Улучшение смачиваемости, повышение энергетической активности поверхности субстрата ведет к повышению прочности адгезионного соединения матричного компонента с субстратом.

Литература:

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник для вузов. М.: Химия, 1982.400 с.

2. MUNZINGCHEMIEGMBH - Поверхность и субстрат. № 1. 2001.