Использование вторичной кристаллизации и золы-уноса в гидроизоляционных материалах для повышения стойкости бетона к агрессивным газам и жидкостям
В данной статье описано применение гидроизоляционной стяжки и гидроизоляционного покрытия на цементной основе, в которых 10 % исходного количества цемента заменено золой-уноса и добавлено 2 % кристаллизационной добавки от массы цемента, в качестве средства защиты бетон против агрессивных сред. Модифицированные материалы наносились на подстилающий бетон и подвергались испытаниям физико-механических свойств после воздействия агрессивных сред сроком до 18 месяцев. Результаты анализа показали, что после применения гидроизоляционных материалов в подстилающем бетоне происходит достаточное развитие кристаллов для повышения его долговечности. Таким образом, можно функционально и эффективно использовать летучую золу в полимерцементных системах в качестве заменителя цемента вместе с кристаллизационной добавкой.
1. Введение
Бетон, вероятно, является наиболее часто используемым строительным материалом из-за его универсальности [1]. К сожалению, долговечность не является неотъемлемым свойством бетона, и в некоторых случаях бетон нуждается в защите от агрессивного воздействия окружающей среды. Агрессивная среда может быть обусловлена химическими и физическими воздействиями [2, 3]. Бетон представляет собой многокомпонентный композит, содержащий цементный герметик, в котором значительно больше пор и капилляров, чем в плотных заполнителях. По этой причине он гораздо более подвержен физическому и химическому разложению. Основным фактором, который вносит основной вклад в процессы деградации, является вода. Это может быть жидкая форма, пар или любые растворенные вещества. Он может путем диффузии, капиллярности и ионного обмена проникать в бетон через систему открытых и взаимосвязанных капиллярных пор и мешать цементному герметику. Мехта и Монтейро [4] и Кумар и Бхаттачарджи [5] обнаружили, что диаметр капиллярных пор колеблется от 10 нм до сотен микрон. Капиллярный поток определяется следующим:
в котором Q: объемный расход (м 3 ·с −1 ), π: число Людольфа (3.1415…), pt: давление воздуха в капилляре (Па), t: время (с), η: динамическая вязкость (Па·с), r: радиус капилляра (м) и l: длина капилляра (м).
Из уравнения (1) видно, что радиус капилляра в четвертой степени является критическим фактором текучести, и поэтому целесообразно уменьшить диаметр капилляра, чтобы замедлить скорость деградации. Воздействие на цементный герметик агрессивными газами, образующимися в результате промышленных процессов, двигателей внутреннего сгорания, живых организмов и т. д., обусловлено влажностью наряду с наиболее распространенными агрессивными газами, такими как CO.2, SO2НЕТ2, HCl, Н2С, ВЧ, НХ3и Cl2.
Разбавление кислых газообразных выдыхаемых газов в воде создает разбавленные растворы неорганических кислот, которые реагируют с компонентами цементного герметика, особенно с Ca(OH).2 [6]. Продукты коррозии цементного теста занимают больший объем, нарушая сцепление затвердевшего цементного теста, что приводит к снижению рН и растрескиванию. Следовательно, эти трещины способствуют ускоренной коррозии стальной арматуры из-за более быстрого снижения рН [7, 8].
К основным факторам, оказывающим наибольшее влияние на оценку агрессивных газовых сред, относятся следующие: (i) концентрация газов в воздухе (ii) относительная влажность воздуха (iii) температура (iv) действие более агрессивных агентов одновременно
Агрессивные воды содержат растворенные кислые газы и различные соли в различных концентрациях. Эммонс и Эммонс [9] установили, что в зависимости от природы продуктов коррозии различают три типа деградации: Тип I: деградация, связанная с действием водных сред с низким содержанием солей и преимущественно нейтральной реакцией Тип II: деградация под воздействием очень агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи, некоторые соли, такие как хлорид натрия или магния Тип III: разрушение из-за проникновения жидких сред в поры, которые образуют нерастворимое кристаллическое соединение большего объема с поровой жидкостью или цементом герметик
Брумфилд [10] упоминает, что одним из вариантов защиты от коррозионных сред является отделка бетона, которая может уменьшить или предотвратить попадание воды и агрессивных веществ в его структуру. Такая отделка обычно используется для того, чтобы защитить бетон от пагубного воздействия этих агрессивных веществ. Один из таких широко используемых методов называется вторичной защитой. При проектировании самой вторичной защиты необходимо учитывать степень агрессивности среды, тип основания и правильный выбор материала для защиты. Одной из подгрупп гидроизоляции и обработки поверхностей являются полимерцементные гидроизоляционные покрытия и стяжки. Они представляют собой проверенную, доступную и экологически приемлемую альтернативу традиционной гидроизоляции на основе асфальта или полимеров. Гибкие полимерные цементные герметики существуют в виде двухкомпонентных систем с жидким полимерным компонентом, чаще всего на основе стирол-акрилатной дисперсии, цементного вяжущего и подходящего сухого наполнителя. В качестве альтернативы эти системы изготавливаются на основе полимерных редиспергируемых порошков, что позволяет формировать однокомпонентные системы, которые перед обработкой смешиваются только с водой [11].
Стяжка и выравнивающие составы, часто на основе этиленвинилацетата, используются для выравнивания и выравнивания обычных бетонных оснований (монолитов и сборных), цементных стяжек или репрофилируемых растворов для восстановления железобетона. Эти ремонтные растворы на основе цемента представляют собой очень подходящее и экономичное решение для защиты бетона, поскольку они имеют очень схожие свойства с бетоном, что обеспечивает их взаимную совместимость; кроме того, такие материалы частично проницаемы для водяного пара, что позволяет просушить бетон. Непроницаемые полимерные покрытия задерживают влагу в пористой цементной основе, вызывая дополнительные повреждения бетона в циклах замерзания и оттаивания. Цель состоит в том, чтобы получить достаточно гладкую и ровную поверхность с гидроизоляционной функцией, которая служит завершающей обработкой или подходящей основой под систему покрытия. Современные технологии позволяют использовать выравнивающие и выравнивающие стяжки, которые можно наносить слоями от менее 1 мм до 5 мм. В то же время возможно изготовление материала с гидроизоляционной функцией даже при очень малой толщине наносимого слоя за счет соответствующих рецептур и использования герметизирующих материалов.
Вяжущие и полимерные компоненты этих материалов увеличивают их стоимость, в связи с чем предпринимаются попытки найти способы снижения содержания вяжущего. Одной из таких попыток является частичная замена цемента отходами или вторичным сырьем, таким как зольная пыль или шлак. Включение такого вторичного сырья имеет дополнительное преимущество, заключающееся в снижении воздействия на окружающую среду, связанного с проблемами размещения отходов и CO.2 производство при обжиге клинкера. Использование летучей золы в качестве частичной замены цемента также способствует увеличению долговечности цементных композитов, поскольку летучая зола способна вступать в пуццолановую реакцию с гидроксидом кальция, в результате чего образуются дополнительные гидраты силиката кальция (CSH) и гидраты силиката кальция-алюминия. (НАЛИЧНЫЕ). Они дополнительно вызывают измельчение и снижение проницаемости пористой структуры цементной матрицы, поскольку пуццолановая реакция протекает медленнее, чем гидратация цемента, как показано в исследованиях Moffatt et al. [12] и Фенг и соавт. [13].
Еще одним эффективным средством защиты и повышения долговечности цементных композитов являются поверхностные покрытия [14]. Пан и др. [15] описали множество преимуществ и недостатков различных видов обработки поверхности бетона. Разработка новых гидроизоляционных материалов также приводит к использованию специальных кристаллизационных добавок для усиления защитной функции. В основном это порошкообразные вещества на основе тонкоизмельченного цемента, обработанного мелкодисперсного кварцевого песка и активного химического вещества. Обычные покрытия и стяжки выполняют только функцию защиты поверхности, тогда как кристаллизационные примеси проникают через пористую систему в структуру бетона, где она герметизируется. Принцип действия – каталитическая химическая реакция, обусловленная достаточной относительной влажностью. Это приводит к дополнительному процессу кристаллизации еще не гидратированных клинкерных минералов в системе пор бетона, в результате чего практически все капиллярно-активные поры бетона заполняются игольчатыми кристаллами. Таким образом, введенное активное химическое вещество является не источником кристаллов, а всего лишь катализатором, который обеспечивает рост кристаллов в порах бетона из необработанных клинкерных минералов, присутствующих в цементном герметике. В процессе гидратации Ca(OH)2 временно производится, после чего следует процесс каталитической кристаллизации и рост полученных кристаллов непосредственно в пористой структуре бетона. Вероятно, это накопленный процесс, сопровождающийся образованием 3CaO·2SiO2· 3H2O вместе с образованием 3CaO·Al2O3· Са(ОН)2· 12H2О. В этой химической реакции образуются разветвленные игольчатые кристаллы. Активные вещества проникают в поры вместе с влагой на расстояние до десяти сантиметров от их источника и катализируют реакции образования кристаллов в системе пор цементного герметика [16, 17]. По данным рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФА) игольчатые кристаллы (рис. 1), вероятно, содержат кальций или кремний [18].
Добавки в качестве гидроизоляции
Интегральные гидроизоляционные добавки, в том числе кристаллические и различные уплотнители, оказались отличным решением для новых бетонных конструкций.
Бетон – пористый материал, склонный к растрескиванию. Вот почему почти во всех коммерческих и жилых бетонных проектах указывается тот или иной тип гидроизоляционной системы. Обычно для защиты от влаги используется напыляемое покрытие или пленочная пленка.
Однако все большее число проектов используют комплексные гидроизоляционные добавки, которые закупоривают естественные поры и капилляры изнутри бетона и делают сам бетон непроницаемым для влаги. Некоторые формы интегральной гидроизоляции могут самовосстанавливаться даже при незначительных трещинах.
преимущества
Интегральная гидроизоляция имеет ряд преимуществ перед покрытиями и мембранами. Например, цельная гидроизоляция не рвется и не повреждается при засыпке, не расслаивается, не разлагается и не изнашивается. Если крупные трещины все-таки образовались, интегральную гидроизоляцию можно легко отремонтировать с внутренней (отрицательной стороны) конструкции.
Благодаря полной и долговременной защите встроенная гидроизоляция особенно полезна в агрессивных средах и для проектов с серьезными последствиями, где отказ невозможен. Это чрезвычайно полезно для работы вслепую, например, для глубоких фундаментов и пробуренных туннелей, где внешняя часть конструкции недоступна, для сложных конструкций, где трудно применить листовые материалы, а также для резервуаров и труб с питьевой водой, где качество воды является важным. проблема.
Несмотря на все эти преимущества, интегральная гидроизоляция на удивление экономична. Обычно это исключает из расписания целую второстепенную операцию и снижает риск задержек, связанных с погодными условиями. Гидроизоляционные добавки экономят так много времени и денег в процессе строительства, что нередко они являются наиболее экономичным вариантом.
Гидроизоляционные добавки обычно представляют собой сухой порошок и могут быть добавлены на заводе-изготовителе или, как показано здесь, добавлены непосредственно в бункер грузовика для готовых смесей в водорастворимых мешках.
Выберите
В настоящее время на рынке представлено более десятка различных марок гидроизоляционных добавок, и все они немного отличаются друг от друга. Большинство из них можно отнести к одной из трех категорий: уплотнители, гидрофобизаторы и кристаллические составы.
Уплотнители заполняют микроскопические поры в бетонной матрице, предотвращая просачивание воды. Они обычно содержат микрокремнезем в качестве основного ингредиента, размер частиц которого составляет 1/100 диаметра средней частицы портландцемента. Уплотнители легко реагируют с водой, а также придают смеси значительную прочность. Используя микрокремнезем, можно легко получить бетон с прочностью на сжатие более 15,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм. Интегральные гидроизоляционные материалы уплотняющего типа являются лучшим выбором, когда требуется высокопрочный бетон, а также для применений, которые будут подвергаться воздействию соли против обледенения, таких как дороги и мосты.
Hycrete, популярная добавка типа уплотнителя, недавно была использована для ремонта эстакады моста в Нью-Джерси и ежегодно экономит десятки тысяч долларов.
Водоотталкивающие средства работают, заставляя воду капать на поверхность бетона. Поверхностное натяжение самой воды не позволяет ей проникнуть через стену. Активным ингредиентом этих добавок обычно является стеарат или масло на нефтяной основе. Этот тип интегральной гидроизоляции особенно популярен для надземных работ, таких как сборные облицовочные панели, но также хорошо работает под землей и в транспортном секторе.
Последняя категория, кристаллические примеси, вызывает образование микроскопических кристаллов, блокирующих воду, в бетонной матрице, закупоривающих поры и микротрещины. Из трех типов гидроизоляционных добавок только кристаллическая технология обладает способностью к самовосстановлению.
Hycrete, популярная добавка типа уплотнителя, недавно была использована для восстановления эстакады моста в Нью-Джерси. Это экономит десятки тысяч долларов ежегодно.
В присутствии воды ингредиенты перестраиваются, образуя кристаллы. Эти кристаллы вырастают достаточно большими, чтобы физически блокировать влагу, проникающую через поры и микротрещины в бетоне, даже спустя годы после его заливки, что со временем неизбежно разовьется в бетоне. Используя метод гидроизоляции кристаллического бетона, бетон может самоизолироваться за счет роста кристаллов в любое время, когда внутрь попадает вода.
Кристаллические гидроизоляционные добавки обычно состоят из портландцемента, кварцевого песка и специальных химикатов. Обычно он поставляется в виде простого в использовании сухого порошка, который можно добавить в грузовик для готовой смеси на заводе или на стройплощадке. Xypex, один из самых популярных брендов гидроизоляционных добавок, продается в растворимых мешках, которые используются в полевых условиях более десяти лет, и сообщения о комкованиях или дисперсии незначительны.
Кристаллические продукты отличаются друг от друга, потому что они одинаково хорошо работают независимо от того, не пропускают ли они воду или удерживают ее внутри, например, в резервуарах или трубопроводах. «Интегральная кристаллическая гидроизоляция идеально подходит для хранения резервуаров и подземных сооружений», — говорит Лес Фор, директор по рекламе и продвижению в Xypex. Он добавляет, что, в отличие от многих покрытий и мембран, кристаллические продукты настолько безопасны, что их разрешено использовать внутри резервуаров с питьевой водой.
Aquafin предлагает кристаллическую добавку в виде текучей жидкости. «Мы являемся единственным производителем, предлагающим жидкокристаллическую гидроизоляцию, — говорит Елена Кесси, президент. «Это полностью устраняет риск комкования и обеспечивает равномерное распределение гидроизоляции по всему бетону». Их смесь также доступна в виде порошка: водорастворимые 50-фунтовые мешки идеально подходят для загрузки непосредственно в грузовик, или 250-фунтовые мешки для заводского дозирования. Жидкая форма поставляется в шестигаллонных ведрах и XNUMX-галлонных контейнерах.
Бад Эрли, технический директор Aquafin, говорит: «Нанесение так же просто, как залить раствор в бетонную смесь, дать ей перемешаться в течение трех-пяти минут, а затем уложить бетон. Это очень экономичное и простое решение для гидроизоляции новых бетонных конструкций». Он продолжает: «Мембраны должны применяться правильно, чтобы работать так, как задумано, и даже в этом случае срок службы ограничен. Добавки сохраняются в течение всего срока службы конструкции и менее трудоемки в установке. Не беспокойтесь о пузырьках, волдырях и проблемах с адгезией».
Недавно его компания также разработала версию кристаллической гидроизоляции для торкретбетона.
Kryton – еще один известный производитель кристаллической гидроизоляции. Их внутренняя мембрана Krystol (KIM) используется во всем мире уже более тридцати лет. В настоящее время он используется для герметизации бетона в Hudson Yards на западной стороне Манхэттена, крупнейшей частной застройке в истории США.
Четвертой маркой этого типа является TechCrete, продаваемый Alchemco. Как и многие другие гидроизоляционные добавки, это порошок, который добавляется в свежий бетон либо на заводе, либо на стройплощадке. Доказанная технология кристаллизации защищает бетонные конструкции по всему миру уже более 30 лет. (См. тематическое исследование на стр. 22-23 этого выпуска).
Марио Баджо, генеральный директор Alchemco, говорит: «Одна из уникальных особенностей концентрата TechCrete Admix заключается в том, что он состоит примерно на 90% из гидроизоляционного материала и только на 10% из наполнителя. Это позволяет легко рассчитать смесь, поскольку соотношение составляет один водорастворимый мешок на 22 унции на каждый кубический ярд бетона, независимо от указанной плотности бетона».
В сочетании с наносимой распылением гидроизоляционной системой TechCrete 2500 и применением сертифицированными установщиками Alchemco предлагает 30-летнюю водонепроницаемую гарантию производителя на работы и материалы.
Он продолжает: «Первоначальная идея разработки этого уникального продукта возникла из-за увлечения ученого-биохимика способностью человеческого тела постоянно залечивать порезы на коже. В результате эта система способна герметизировать будущие трещины по мере их возникновения, обеспечивая пожизненную водонепроницаемую защиту стальной арматуры внутри бетонной конструкции».
Манхэттен Мегапроект
Грегори Моджери и Уильям Делла Сорте являются владельцами компании New England Dry Concrete, одного из ведущих производителей интегральных кристаллических добавок от Kryton в стране. Они работали и консультировали по тысячам проектов, охватывающих все виды коммерческого строительства, включая плотины, резервуары, гаражи, водоочистные сооружения, туннели, коммерческие и промышленные здания.
Могери указывает на Hudson Yards как на пример недавнего успешного проекта по использованию кристаллической гидроизоляции. Hudson Yards — это масштабный проект застройки, который в настоящее время реализуется на западной стороне острова Манхэттен в Нью-Йорке. Это крупнейшее частное строительство недвижимости в истории Соединенных Штатов. Только один подиум и башня, получившие название 30 Hudson Yards, предложат 2.6 миллиона квадратных футов офисных площадей и возвышаются более чем на 1,300 футов. Клиенты из списка Fortune 500, в том числе Time Warner Cable и Wells Fargo, уже арендовали помещения в здании.
Могери объясняет: «30 Hudson Yards — самая высокая из башен мегапроекта Hudson Yards. Необходимость построить структуру, которая была бы столь же функциональной, сколь и потрясающей, была важна. Здание будет иметь фундамент ниже уровня земли, что может привести к проникновению воды и затоплению. Для этого требовалась система гидроизоляции бетона, которая могла бы полностью поддерживать конструкцию в течение всего срока ее службы».
Hudson Yards на западной стороне Манхэттена является крупнейшим частным комплексом недвижимости в истории Соединенных Штатов. Кристаллическая добавка Kryton использовалась для гидроизоляции фундаментной плиты, шахт лифтов и резервуара для сбора воды.
Kohn Pedersen Fox, архитектурная фирма, рекомендовала использовать кристаллическую добавку Kryton, Krystol Internal Membrane (KIM), решение, поддержанное консультантом по ограждающим конструкциям. KIM использовался для гидроизоляции фундаментной плиты, приямков лифта и резервуара для сбора воды под башней. Строительные швы и проходы были герметизированы с помощью дополнительной системы гидрошпонок Kryton.
Проект начался с гидроизоляции подводных сводов и ям путем добавления KIM в бетон и обработки всех строительных швов и проходов Krytonite Swelling Waterstop. Эти же продукты затем использовались для защиты от наводнений стены, которая охватывает весь периметр здания. Наконец, вся открытая дорожка, окружающая пирс, была загерметизирована кристаллическим поверхностным герметиком, а сверху нанесено покрытие с добавкой КИМ.
Могери говорит: «Добавка KIM компании Kryton успешно используется на всем Северо-Востоке. Сообщество дизайнеров полностью приняло использование добавок в качестве полной замены мембран». Могери отмечает, что недавние изменения в строительных нормах Нью-Йорка больше не определяют мембраны конкретно, а вместо этого позволяют дизайнерам выбирать любую систему гидроизоляции, которую они хотят использовать, включая интегральную гидроизоляцию.
Музей Среднего Запада
В сентябре 2017 года, после десяти лет планирования и строительства, Аквариум «Чудеса дикой природы» (WOW) открылся для публики в Спрингфилде, штат Миссури. Аквариум площадью 350,000 XNUMX кв. футов, расположенный рядом со всемирной штаб-квартирой Bass Pro Shops, недавно был назван USA Today лучшим аквариумом в Соединенных Штатах.
Официально названный Национальным музеем и аквариумом «Чудеса дикой природы Джонни Морриса», он включает в себя 1.5 мили «троп» через две основные секции: музей дикой природы с чучелами животных и аквариум с более чем 35,000 XNUMX водных животных.
Great Oceans Hall построен вокруг резервуара с морской водой объемом 300,000 30 галлонов, имитирующего открытый океан с акулами, скатами и морскими черепахами. Второй резервуар имеет высоту в три этажа и представляет собой «приманку» из тысяч сельдей размером с палец, которые служат пищей для черноперых акул, живущих в одном резервуаре. Третий — также более XNUMX футов в высоту — имитирует Большой Барьерный риф со всеми видами красочных рифовых рыб и аненом.
Все три потрясающих места обитания в океане были построены с использованием передовых материалов, включая высокопрочный бетон, обработанный кристаллической гидроизоляцией Xypex. Xypex был указан компанией BRP Architects из Спрингфилда, штат Миссури, на которую фирма ссылается в этом отрывке со своего веб-сайта:
«Конструкция танков оказалась довольно сложной задачей. Поскольку все они содержат соленую воду, команда проекта изучила варианты обеспечения долговечности при защите внутренних поверхностей в агрессивной среде. Решение включало арматурную сталь с эпоксидным покрытием и гидроизоляционную добавку для фундаментов, полов и стен бетонных резервуаров».
Было использовано приблизительно 34,000 500 фунтов Xypex Admix C-15, дозированных через XNUMX фунтов. растворимые мешки. Во всех аквариумах, составляющих Great Oceans Hall, использовался высокопрочный бетон, усиленный Xypex.
Чтобы герметизировать массивные аквариумы глубиной 40 футов в этом аквариуме в штате Миссури, специалисты по техническому заданию обратились к интегральной кристаллической присадке от Xypex. Было уложено более 2,000 кубометров обработанного бетона.
Резервуар Большого Барьерного рифа был построен компанией Carson-Mitchell в 2015 году, примерно за два года до торжественного открытия «Чудес дикой природы». «Конечно, это был сложный проект, — говорит Крис Карсон, старший менеджер проекта Carson-Mitchell, Inc. сложная компоновка с точки зрения построения бетонных форм и армирования».
Глубина и объем воды в огромном резервуаре были еще одной проблемой. Бетон на дне подвергается более чем 40-футовому гидростатическому давлению.
Для строительства трех резервуаров было использовано более 2,000 кубических ярдов бетона, обработанного Xypex Admix C-500. Чтобы разместить более 400 кубических ярдов бетона в резервуаре Барьерного рифа, команда Карсона собрала два крана внутри здания Great Oceans Hall.
«Мы использовали кристаллическую гидроизоляцию Xypex в других проектах и знаем, что она работает очень хорошо», — отмечает Карсон. «Неудивительно, что он был выбран для таких огромных аквариумов».
Заключение
За последние несколько десятилетий гидроизоляционные добавки стали применяться в строительной отрасли и зарекомендовали себя на проектах по всему миру. Для гидроизоляции широко используются уплотнители, гидрофобные растворы и кристаллические технологии.
У интегральной гидроизоляции есть несколько недостатков. Только кристаллические примеси могут самовосстанавливаться, и даже большинство из них ограничиваются трещинами размером менее полмиллиметра. Независимо от выбранной системы стыки, проходы и переходы все равно потребуют внимания.
Однако, в отличие от мембран для наружного применения, которые лучше всего действуют в день их применения, кристаллические аппликации со временем становятся более эффективными.
