Высолостойкость

Известна возможность получения декоративных бетонов на основе цветных цементов или введения пигментов в бетонную смесь в процессе ее перемешивания. Применение декоративных бетонов позволяет получать изделия широкой цветовой палитры с любой фактурой — гладкой, бугристой или рельефной. Использование же в них конструктивного и отделочного материала природы способствует оптимальным условиям их совместной работы. Однако до настоящего времени эти декоративные покрытия широко не внедряются в практику строительства. Одна из существенных причин этого — недостаточная эксплуатационная стойкость покрытий, связанная с появлением на их поверхности так называемых высолов, которые резко ухудшают внешний вид зданий и сооружений.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ВЫСОЛООБРАЗОВАНИЯ И ИХ, ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

Под высолами понимают солевые налеты, появляющиеся на поверхности растворов и бетонов в процессе их изготовления и эксплуатации.

Высолы образуются на бетонных плоскостях, а также на кирпичной кладке в виде тонких пленок, относительно прочно связанных с поверхностью каменного материала, или же в виде рыхлых кристаллических наростов. Высолы ухудшают внешний вид сооружений, изменяя цвет отделочных растворов, и могут служить причиной возникновения механических напряжений, от которых с течением времени разрушаются бетон и кирпич.

Появление высолов - вернейший признак присутствия сырости. Белые пятна и натеки можно часто видеть на поверхности штукатурки в местах попадания на нее воды. Источниками увлажнения при этом являются атмосферные осадки, конденсационная и эксплуатационная влага, грунтовые воды, попадающие в бетон и раствор вследствие подсоса при плохой изоляции фундамента.

Образование высолов связано с физико-химическими процессами, возникающими в результате проникновения в бетон воды с последующим развитием коррозии первого вида — по В. М. Москвину. Если создать условия для постепенного выщелачивания гидроксида кальция из цементного камня, то вначале в раствор будет переходить свободный гидроксид кальция, когда же удалится значительная его часть, начнется гидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. При воздействии воды на цементный камень в раствор переходят и другие его составляющие. Причем вначале разрушаются высокоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, а затем низкоосновные. При этом В. М. Москвин обращает внимание на влияние щелочей, скорость растворения которых превышает скорость растворения основных компонентов цементного клинкера — силикатов, алюминатов, ферритов.

Образование белого налета на поверхности бетона органически связано с составом портландцемента и процессами, протекающими при его твердении. М. И. Х!игерович отмечает, что портландцемент способен образовывать высолы благодаря процессам миграции растворимых в нем солей (даже при ничтожном их содержании) на поверхность. При этом установлен следующий состав высолов (в %): СаО—12—46,3; Na₂О— 6—60; SO₃—11 — 55; MgO— 13,9—59. Хотя, по мнению многих исследователей, основным источником высолов является гидроксид кальция, так как его количество по сравнению с гидроксидами щелочных металлов относительно велико, зачастую при определении состава высолов преобладания Са(ОН)₂ по отношению к другим элементам не наблюдалось. Так, по П. И. Боженову, высолы, обнаруженные на поверхности изделий Ачинского свинокомплекса, со значительным количеством R₂О (больше 1 %), состояли (в %): Na₂О — 21,9— 37; К₂О — 0,8—9,28; SO₃ —0,63—24,5; SiО₂—10,84—19,32; СО₂ — 12,65—23 75; А1₂О₃— 1,95—4,52; Fe₂О₃— 1,63—1,81; СаО —2,64— 6,35. Высолы, снятые с панелей Ярославского ДСК-1 и Ленинградского ДСК-2, содержали в своем составе (%): SiО₂ — 8,5—29,27; Na₂О—.3,25—30,28; К₂О — 0,15—3,23; СаО — 8,17—46,23; SО₃ — 3,68—44,28; Ре₂О₃,— 1,63—3,22; MgO — 1,04; потери при прокаливании — 5,99—34,63; Nai₂О и К₂О (растворимые)—0—:29.

Причиной образования высолов кроме вяжущего могут служить легкорастворимые вещества, привнесенные с химическими добавками, заполнителем, например песком, если он содержит в своем составе полевые шпаты Na₂О•Al₂0₃•6SiО₂, водой  затворения и даже водой для поливки изделий, если она в своем составе содержит значительное количество растворенных солей.

Интенсивность высолообразования зависит от количества и вида растворяющихся под воздействием мягких вод соединений в теле бетона и от проницаемости его структуры, которая в значительной мере определяет механизм переноса на поверхность изделий растворенных веществ. Перепад давлений, концентраций, температур и электрических потенциалов у противоположных поверхностей капиллярно-пористого тела приводит к переносу вещества, направленному от большего давления (соответственно концентрации и т. д.) к меньшему. Полидисперсность структуры цементного камня и цементно-песчаного раствора, при которой размеры каналов фильтрации характеризуются широким диапазоном радиусов капилляров — от 15А^о до десятых долей миллиметра, обусловливает и различные механизмы переноса жидкостей и газов. Некоторые закономерности кинетики высолообразовання выявлены при экспериментальном исследовании этого процесса.

Исследования заключались в отборе и химическом анализе водных вытяжек цементно-песчаных образцов с определением количества СаО, Na₂О, К₂О, SiО₂, Аl₂О₃ и SО₃. В эксперименте использовали клинкеры и цементы, содержащие C₃S от 47 до 60 % и R₂О от 0,17 до 1,44 %. а также обычно вводимые в состав декоративных цементов активные минеральные добавки с R₂О — от 0 до 2,11 %. Кинетику процесса высолообразовання изучали на образцах, твердевших в нормальных и гидротермальных условиях. При сравнений, величины высолов за весь наблюдаемый период воздействия воды на клинкерно-песчаные образцы выявлена отчетливая тенденция к возрастанию общей величины высолов с повышением содержания в клинкере R₂О, причем это возрастание происходит за счет увеличения в высолах доли К₂О и Na₂О. Вместе с тем у клинкеров, содержащих практически равное количество R₂О, величина высолов возрастает с увеличением в них C₃S, т. е. за счет выделяющейся Са(ОН)₂.

В данном разделе исследований также установлено, что величина высолов у высокощелочного цемента (R₂O=l,44%) значительно больше, чем у низкощелочного (R₂О=0,17%) и составляет 90,3 мг/см² против 47,6•10^-2 мг/см². Причем в процессе коррозионного воздействия общая интенсивность высолообразовання снижается. Экспериментально установлено, что введение в цемент активных минеральных добавок «в зависимости от содержания в них щелочей может приводить как к снижению величины высолов, так и к некоторому ее возрастанию. Так, введение в состав высокощелочного портландцемента 10 % бокситового шлама или 30 % доменного шлака увеличило общее количество высолов с 90,3 до 91,7 и 96•10^-2 мг/см² соответственно. Введение же 10% трепела и шлака снизило количество высолов тех же образцов до 49,5 и 68,8•10^-2 мг/см²

Анализ состава высолов показал, что они на 90 % состоят из СаО, Na₂О+K₂О и SiО₂, а 10 % составляют Al₂0₃+S0₃. Увеличение содержания R₂О в цементе и активной минеральной добавки приводит к возрастанию в составе высолов Na₂0+K₂0 SiO₂. По мере увеличения времени воздействия на цементно-песчаный раствор воды изменяется соотношение составляющих высолов, причем доля Na₂О+K₂О в составе высолов высокощелочного цемента на ранней стадии коррозионного процесса оказывается значительно меньше, чем на поздней (рис. 1)

Влияние условий твердения на процесс образования высолов изучали на цементно-песчаных образцах, изготовленных на основе низко- (R₂O=0,17%) или высокощелочного (R₂O=l,44%) цемента с активной минеральной добавкой нормального твердения и подвергнутых тепловлажностной обработке при различных температурах изотермической выдержки. В результате исследований установлено, что у образцов, подвергнутых тепловлажностной обработке, величина высолов возрастает (рис. 2) по сравнению с образцами нормального твердения. Повышение максимальной температуры тепловой обработки при атмосферном давлении с 80 до 90°С приводит к росту величины высолов, а в условиях автоклавной обработки при более высокой температуре изотермической выдержки (208,6°С) величина высолов оказывается меньшей, чем при запарке с более низкой температурой (190,7°С).

Анализ причин возрастания общей величины высолов образцов гидротермального твердения показывает, что оно вызвано резким увеличением в их составе содержания Na₂0+K₂0 и Si0₂ и снижением, как правило, содержания СаО. При этом затухание процесса миграции Na₂0+K₂0 происходит более медленно, чем миграции СаО.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЦВЕТОСТОЙКОСТИ ФАКТУР И ИЗДЕЛИИ НА ОСНОВЕ ДЕКОРАТИВНЫХ ЦЕМЕНТОВ

На современном уровне развития промышленности, техники и технологии отделочных производств возрастающее значение приобретает использование методов объективной колориметрии для измерения цветовых характеристик сырья и готовой продукции, определения шалых цветовых различий и воспроизводимости цвета в соответствии с заданным эталоном.

Авторы исследовали проблему установления критерия оценки допустимых отклонений в цвете отделочных бетонных фактур. Анализ научных работ о методах измерений цветовых отклонений в различных отраслях промышленности показал, что измерения осуществляют в основном четырьмя способами:

1) расчетом цветовых отклонений по специальным формулам на основе найденных координат цвета образца и эталона;

2) определением цветовых различий с помощью специальных шкал (чаще всего с помощью серой шкалы);

3) сравнением трех характеристик цвета (λ, р и ρ) образца и эталона до и после испытаний;

4) визуальной оценкой.

Установление допустимых отклонений для трех характеристик цвета практически весьма затруднительно, а часто визуальная оценка носит весьма субъективный характер, поэтому возможность определения цветовых различий изучали первым и вторым способами. Для оценки цветостойкости декоративных растворов и бетонов представлялось необходимым наряду с разработкой способов определения цветовых отклонений разработать предельно допустимые значения. Поскольку ранее опыта определения цветовых отклонений и их допустимых значений для декоративных растворов не было, авторы разработали специальные методики их определения.

Для исследований изготовляли плитки десяти цветов и оттенков размером 160х90х10 мм, отформованные из декоративного цементно-песчаного раствора пластичной консистенции по ГОСТ 310.4 — 85. Исследования проводили следующим образом. Одна половина каждой плитки служила эталоном, другую подвергали периодическому увлажнению и высушиванию. Причем длительность увлажнения выбирали таким образом, чтобы цветовые различия между образцом и эталоном нарастали постепенно — от слабых до резких. Изучение возможности измерения цветовых отклонений с помощью формул выполняли в два этапа. На первом этапе осуществляли визуальную оценку цветовых различий между образцами и эталонами. Затем определяли спектральные коэффициенты отражения образцов и эталонов, по которым рассчитывали координаты цвета х, у, z. 

На основе полученных координат по специальной формуле рассчитывали цветовые различия. Второй этап состоял в сопоставлении и статистической обработке визуальных и приборных оценок цветовых отклонений с целью установления степени их согласованности.

Для визуальной оценки цветовых различий была привлечена группа архитекторов ЛенЗНИИЭПа (9—13 человек). Образцы рассматривали в комнате при естественном освещении с расстояния 50 см. Освещенность контролировали люксметром. Каждый из архитекторов при сравнительной оценке половин образцов заносил в специальный бланк степень цветового различия между ними в баллах. Для нахождения средней величины цветовых различий для каждого образца полученные результаты обрабатывали следующим образом. Определяли произведение количества наблюдателей на выставленную ими оценку цветового различия в баллах, затем эти произведения суммировали и сумму делили на общее количество наблюдателей.

Как известно, основной принцип измерения цвета объекта заключается в разложении на спектральные компоненты лучистого потока, направленного от объекта к глазу наблюдателя, и измерений каждого компонента в отдельности. Для расчета координат цвета несамосветящегося объекта необходимо знать относительное спектральное распределение лучистого потока, падающего на объект, спектральные коэффициенты отражения объекта и значения удельных координат цвета.      

В качестве стандартного источника излучения был принят источник D₆₅, соответствующий дневному свету с изменением состояния неба от облачного до ясного. Для интерпретации спектрофотометрических данных приняты удельные координаты х? (λ), у?(λ),z?(λ) (находят по таблицам). Спектральные коэффициенты отражения образцов и эталонов снимали на спектрофотометре марки СФ-14.

Координаты цвета х, у, z определяли как сумму произведений ординат спектральных коэффициентов отражения на принятые удельные координаты цвета и источника излучения во всём диапазоне видимого спектра с интервалом 10 нм. Известно, что расстояние между точками цветового пространства х, у, г непропорционально визуально воспринимаемым различиям между сравниваемыми образцами. Поэтому были разработаны различные системы, стремящиеся к воспроизведению равноконтрастного цветового пространства, однозначно связанного с основной колориметрической системой.

В 1973 г. комитет по колориметрии Международного колориметрического общества предложил для преимущественного использования формулу цветовых различий

где ?Е— величина цветового различия;

Расчет координат цвета и цветовых различий вели на ЭВМ-222 по специально разработанной программе. Вопрос о согласованности инструментальной и визуальной оценок решали методами математической статистики с помощью коэффициента корреляции. Найденная величина коэффициента корреляции для всех изучаемых цветов была равна 0,71. При этом для красного и зеленого цветов коэффициент корреляции был равен 0,99, а для голубого — 0,87.

Статистическая обработка результатов эксперимента показала высокую степень связи между визуальными и приборными оценками цветовых отклонений.

Таким образом, исследования дали возможность объективного приборного определения цветовых отклонений декоративных растворов в единицах ?Е(L*a*b*).

Для решения вопроса об использовании декоративного отделочного покрытия, показавшего при испытании ту или иную степень изменения цвета (против заданной эталоном), было предпринято трехэтапное исследование по определению допустимых значений цветовых отклонений. На первом этапе осуществляли визуальную оценку различий между образцами и их эталонами и устанавливали возможность применения покрытий, характеризующихся данной степенью цветовой неоднородности для различных элементов фасадов зданий. На втором этапе определяли спектральные коэффициенты отражения образцов и эталонов на их основе по описанной выше методике и рассчитывали координаты цвета х, у, z и величину цветового различия в единицах ?Е(L*a*b*). Третий этап исследования состоял в статистической обработке визуальных и приборных оценок цветовых отклонений с целью установления величины допустимых цветовых отклонений.

Все эксперименты проводили с образцами — плитками из декоративного цементно-песчаного раствора, описанными выше. Допустимую величину цветовых различий устанавливала та же группа архитекторов ЛенЗНИИЭПа. Каждый из них при сравнительной оценке половин образца заносил в специальный бланк как степень наблюдаемого цветового различия между ними в баллах, так и суждения о возможности применения отделочного покрытия, характеризующегося данной степенью цветовой неоднородности для основных элементов фасада — плоскости стен, цоколя, парапета, лоджии, ограждений лоджий. Средние величины цветовых различий, полученные в результате визуальных наблюдений, рассчитывали по описанной выше методике. Приемлемость фактур, имеющих те или иные цветовые различия, для разных элементов фасада зданий устанавливали на основе математической обработки визуальных оценок всех наблюдателей с помощью критерия знаков с вероятностью 95—97,5 %. Ошибку средней величины определяли по формуле

где σ — среднее квадратическое отклонение; п — количество опытов;

t— критерий Стьюдента (равный 1,96 для п>30).

Для повышения точности средней величины допускаемых цветовых отклонений с надежностью 98,7 % ошибку этой величины увеличивали в 2,5 раза. В результате расчетов выяснилось, что величины допускаемых цветовых отклонений для различных частей здания при визуальной и расчетной оценках различаются незначительно, в пределах их ошибки. Поэтому для всех элементов здания вычисляли среднюю величину допускаемых цветовых отклонений и ее ошибку. Для расчетной оценки она составила 1,61±0,7 ед. ?E(L*a*b*), а для визуальной—1,91±0,49. Таким образом, полученные результаты позволяют научно обоснованно оценивать эффективность тех или иных приемов, разрабатываемых с целью повышения цветостойкости декоративных растворов.

Как известно, для ускоренного определения цветовых различий в ряде отраслей промышленности используют геометрическую серую шкалу, которая состоит из пяти пар накрасок. Первая пара, обозначенная пятеркой, соответствует отсутствию различий, а последняя, обозначенная единицей, — значительному контрасту. В промежутке между ними — пары с постепенным усилением цветовых различий. Измерения необходимо вести на однородном сером фоне, который должен быть менее темным, чем самая темная из накрасок.

Исследуемый образец следует располагать рядом с эталоном так, чтобы между ними не было пространства. Образцы должны быть освещены дневным светом. Свет должен падать на поверхность образца под углом 45°, взгляд наблюдателя — направлен перпендикулярно к поверхности образца. Определение начинается с сопоставления исследуемого образца и эталона с контрастом пятой пары накрасок серой шкалы. Определяемое цветовое различие есть тот номер (балл) пары накрасок шкалы, который соответствует контрасту между эталоном и изучаемым образцом. Если цветовое различие изучаемого образца и эталона находится между двумя парами накрасок, то образец получает среднюю оценку. Если образец стал только светлее эталона, то достаточна оценка, получаемая с помощью серой шкалы. Когда изучаемый образец отличается от эталона не только светлотой, а наблюдается и изменение оттенка, то дополнительно используют условные термины, например «краснее», «зеленее», «голубее», «ярче» и т. д. Данный раздел исследований проводили на образцах размером 80х90х10 мм, отформованных из декоративного строительного раствора. Одновременно формовали два образца: один служил эталоном, а другой подвергали периодическому увлажнению и высушиванию с целью образования на нем высолов.

Порядок эксперимента был принят следующий. Шестнадцать наблюдателей с нормальным цветовым зрением осуществляли визуальную и инструментальную (с помощью серой шкалы) оценку цветовых различий. Каждый наблюдатель при сравнительной оценке различий между образцом и эталоном заносил в специальный бланк степень цветового различия между ними в баллах визуальной оценки и серой шкалы. При этом в указанном бланке визуальная оценка цветовых отклонений имела, так же как и в серой шкале, пять градаций различий — от слабого до резкого. Для нахождения средней величины цветовых различий, по данным 16 наблюдателей, для каждого образца при двух способах их опенки определяли произведения количества наблюдателей на выставленную ими оценку, затем произведения каждого вида определений суммирован и сумму делили на общее количество наблюдателей. Так как индексация в баллах серой шкалы — обратная по отношению к визуальной оценке (один балл визуальной оценки соответствует пяти баллам по серой шкале), при расчете средней величины они были приведены в соответствие. Вопрос о согласованности инструментальной и визуальной оценок также решали методами математической статистики с помощью коэффициента корреляции. Коэффициент в этом случае был равен 0,97, что свидетельствовало о высокой степени связи между визуальными и инструментальными оценками цветовых различий.

Таким образом, исследования доказали возможность использования серой шкалы для оценки цветовых отклонений декоративных растворов. Исходя из соответствия градаций изменений цвета при визуальной оценке и серой шкалы, нашли, что найденное значение визуальной оценки 1,42—2,4 (1,91 ±0,49), допустимое для всех элементов здания, соответствует 5—3,5 балла серой шкалы.

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЫСОЛООБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕКОРАТИВНЫХ БЕТОННЫХ ФАКТУР

Эффективность использования декоративных цементных растворов в значительной мере зависит от их цветостойкости, т. е. сохранности первоначально заданного цвета в условиях эксплуатации.

Под цветостойкостью в исследованиях понимали величину цветовых отклонений, возникших после испытаний покрытий в условиях, моделирующих эксплуатационные воздействия.

Исходя из литературных данных, выбрали максимальную длительность обработки декоративных растворов в климатической камере, равную 500 ч. Образцы испытывали по следующему режиму: температура окружающей среды — 30 °С, влажность — 65%, обучение — постоянное, длительность дождевания — 5 мин с интервалом 25 мин. После испытаний возникшие цветовые отклонения определяли с помощью серой шкалы или расчетом по формулам в единицах ?E(L*a*b*) и сопоставляли с ранее определенной величиной их допустимых значений.

В качестве вяжущих были использованы цветные цементы, подученные совместным помолом клинкеров белого и рядового портландцементов (Щуровского и Пикалевского цементных заводов) с органическими и минеральными пигментами.

Как уже отмечено выше, высолы возникают в результате выноса на поверхность растворов и бетонов их растворимых составляющих, т. е. появление высолов связано с наличием растворимых веществ, растворителя и путей миграции. В соответствии с этими представлениями для выявления способов повышения цветостойкости декоративных фактур до необходимых пределов все приемы можно условно разделить на три группы:

1) изменение состава цемента и применение различных режимов тепловлажностной обработки, влияющих на концентрацию растворенных в поровой жидкости веществ;

2) введение добавок, влияющих на структуру материала;

3) обработка поверхности составами, затрудняющими подвод влаги и вынос растворенных в ней веществ.

Результаты экспериментальной проверки эффективности указанных мероприятий изложены ниже.

В исследованиях использовали низко- и высокощелочные цементы, содержащие в своем составе различные активные минеральные добавки.

Результаты испытаний соответствующих серий образцов представлены в табл. 1. Их анализ показывает, что растворы, приготовленные на цементах, не содержащих активных минеральных добавок, не удовлетворяют требованиям по цветостойкости. При этом цветостойкость декоративных растворов на высокощелочном цементе ниже, чем на низкощелочном. При введении в состав вяжущих активных минеральных добавок цветостойкость декоративных растворов возрастает.

Однако требуемая сохранность цвета достигается только при введении активных минеральных добавок в состав низкощелочного цемента. Влияние тепловлажностной обработки на цветостойкость декоративных растворов изучали при использовании в качестве вяжущих низко- и высокощелочных цементов, содержащих в своем составе 5 % трепела и 10 % шлака соответственно. Исследования проводили с применением тепловлажностной обработки при избыточном атмосферном давлении с температурой изотермической выдержки соответственно 190,7, 208,6 и 80,9 °С.

Результаты исследований представлены в табл. 2 и 3. Из анализа их данных можно видеть, что тепловлажностная обработка при атмосферном давлении снижает цветостойкость декоративных растворов, причем особенно значительно—с повышением ее максимальной температуры с 80 до 90°С. Необходимую цветостойкость декоративных растворов удается получить на образцах, подвергаемых тепловлажностной обработке при максимальной температуре не выше 80 °С с использованием низкощелочного белого цемента, содержащего в своем составе 5 % трепела.

Исследования цветостойкости образцов, подвергнутых автоклавной обработке (см. табл. 3), показывают, что автоклавная обработка в значительной мере снижает цветостойкость декоративных растворов, причем наибольшее ее снижение наблюдается у образцов, изготовленных на высокощелочном цементе.

Однако и у образцов на низкощелочном цементе автоклавная обработка не позволяет получить требуемую цветостойкость.

На основе представленного материала можно заключить следующее:

цветостойкость декоративных растворов существенно зависит от содержания в цементе щелочей и условий твердения образцов;

необходимая цветостойкость декоративных растворов при естественном твердении достигается с использованием низкощелочного цемента, содержащего в своем составе 5 и 10 % трепела или 10 % доменного шлака;

в условиях тепловлажностной обработки требуемая цветостойкость декоративных растворов достигается при принятых в исследовании режимах с температурой изотермической выдержки 80°С и при использовании низкощелочного цемента, содержащего активную минеральную добавку (5 и 10 % трепела или 10 % шлака).

Результаты предыдущей серии экспериментов показали возможность получения покрытий необходимой стойкости только в случае применения низкощелочного портландцемента, содержащего в своем составе активную минеральную добавку, а при тепловлажностной обработке — с соблюдением оптимальной температуры изотермической выдержки.

В настоящее время имеется значительное количество рекомендаций по снижению высолообразования с помощью различных добавок, вводимых в состав декоративного цементного раствора с водой затворення. При этом нигде нет указаний на достаточность этих приемов с позиций зрительных восприятий цветовых различий, возникающих даже при небольшом высолообразовании между отдельными частями здания.

Поскольку оценить эффективность всех предлагаемых химических добавок невозможно, представлялось необходимым расклассифицировать их в соответствии с влиянием на свойства растворной смеси и затвердевшего раствора на следующие группы: пластифицирующие;

пластифицирующе-воздухововлекающие;

гидрофобно-пластифицирующие;

воздухововлекающие;

микрогазообразующие;

комплексные;

уплотняющие;

микрогазообразугоще-пластифицирующие и полнмерные;

образующие на поверхности пор, капилляров, зерен цемента и заполнителя тонкую пленку, повышающую сцепление между заполнителем и цементным камнем, морозостойкость и непроницаемость.

В качестве представителен от каждого вида в соответствии с представленной классификацией использовали следующие добавки:

сульфитно-спиртовую барду ССБ;

метилсиликонат натрия ГКЖ-11; полиметилсилоксан ПМС;

смолу древесную омыленную СДО;

полиалкилгидросилоксан ГКЖ-94;

сульфитно-спиртовую барду ССБ+нитрат кальция;

сульфитно-спиртовую барду ССБ+полиалкилгидросилоксан ГКЖ-94;

дивинилстирольный латекс СКС-65ГП;

бутодиеннитрильный латекс БН-26НГП.

Все добавки, кроме ПМС, вводили в раствор с водой затворения, а полиметилсилоксан — при помоле клинкера. Концентрация добавок в растворе принята в соответствии с руководством по их применению. В качестве вяжущего использовали рядовой портландцемент (R₂0=l,44), окрашенный при помоле клинкера красным железоокисным пигментом.

Эффективность мероприятий по повышению цветостойкости декоративных растворов различными добавками оценивали на образцах, подвергнутых наиболее часто встречающейся в условиях крупнопанельного домостроения тепловлажностной обработке при атмосферном давлении. Режим твердения был выбран 2+3+6 ч с максимальной температурой 90 °С, а при использовании микрогазорбразующей добавки, в соответствии с руководством по применению добавок, — 4+6+6 ч. При этом наряду с климатическими испытаниями осуществляли оценку эффективности добавок при одностороннем подсосе влаги. Результаты исследований представлены в табл. 4.

Из данных табл. 4 видно, что все добавки при климатических воздействиях в той или иной степени повышают цветостойкость декоративных растворов. Однако только введение в состав отделочных растворов пластифицирующе-воздухововлекающей добавки ГКЖ-11 или микрогазообразующей ГКЖ-94 повышает их цветостойкость в необходимой мере. В меньшей, но достаточно высокой степени повышают цветостойкость отделочных растворов воздухововлекающая добавка СДО, комплексная ГКЖ—94+ССБ и полимерные — СКС-65ГП и БН-26. В меньшей степени влияет на цветостойкость декоративных растворов применение пластифицирующей (ССБ), гидрофобно-пластифицирующей (ПМС) и комплексной уплотняющей (ССБ+Са(N0₃)₂) добавок.

Механизм действия указанных выше добавок на свойства бетонов и растворов изучен достаточно хорошо. Так, при введении в состав декоративных растворов пластифицирующе-воздухововлекающих добавок в растворную смесь вовлекается Дополнительное количество воздуха, гидрофобизируются стенки пор и капилляров. При применении микрогазообразующей добавки образуется мелкопористая структура раствора с равномерно распределенными замкнутыми порами и частичной гидрофобизацией всех пор и капилляров. Воздухововлекающая добавка, являясь активным пенообразователем, способствует вовлечению в растворную смесь воздуха в виде пузырьков сферической формы диаметром 25— 250 мкм, повышает удобоукладываемость смеси, позволяя снизить водоцементное отношениё и тем самым достигнуть повышенной плотности затвердевшего камня. При использовании пластифицирующей добавки улучшается удобоукладываемость, в растворную смесь вовлекается заметное количество воздуха (до 2%), снижается водоцементное отношение. Влияние комплексной добавки складывается из влияния входящих в нее индивидуальных добавок. Введение в растворную смесь полимеров в виде латексов приводит, по мере удаления воды из раствора или бетона, к образованию на поверхности пор, капилляров, зерен цемента и заполнителя тонкой пленки, которая и повышает непроницаемость конгломерата. Анализируя влияние добавок, можно видеть, что добавки, приводящие к вовлечению в растворную смесь воздуха или газа и гидрофобизирующие, хотя бы частично, поры и капилляры, наилучшим образом повышают цветостойкость декоративных растворов. Значительно повышают цветостойкость последних и добавки, образующие на поверхности пор и капилляров полимерную пленку.

Результаты исследований влияния указанных выше добавок на цветостойкость декоративных растворов при одностороннем подсосе влаги представлены в табл. 5.

Из материалов таблицы видно, что все добавки повышают цветостойкость декоративных растворов, однако наиболее эффективными в условиях одностороннего подсоса влаги являются пластифицирующая (ССБ) и гидрофобно-пластифицирующая (ПМС) добавки.

Неплохой эффект повышения цветостойкости в этих условиях дают комплексные уплотняющие (CCБ+Ca(N0₃)₂), микрогазообразующе—пластифицирующие (ГКЖ-94+ССБ) и полимерные (БН-26НГП) добавки. Незначительно повышают цветостойкость декоративных растворов воздухо и газововлекающие добавки (ГКЖ-11, ГКЖ-94, СДО).

Таким образом, наиболее эффективными при одностороннем подсосе влаги являются добавки, значительно повышающие пластичность (удобоукладываемость) растворной смеси и гидрофобизирующие поверхность пор и капилляров.

На основе результатов экспериментов о влиянии добавок на цветостойкость декоративных растворов, подвергнутых различным воздействиям, можно сделать следующие выводы:

требуемая цветостойкость декоративных растворов, находящихся в условиях климатических воздействий, достигается добавками, вовлекающими в растворную смесь воздух или газ с частичной гидрофобизацией стенок пор и капилляров (ГКЖ-11 — 0,15%; ГКЖ-94 —0,04 %; СДО —0,02%; ССБ — 0,20%) и полимерной добавкой, образующей пленку на поверхности пор и капилляров (СКС-65ГП —3,00 %), при этом наибольший эффект достигается при введении ГКЖ-11 и ГКЖ-94;

при одностороннем подсосе влаги цветостойкость декоративных растворов значительно повышается при использовании добавок, пластифицирующих смесь и гидрофобизирующих поверхность пор и капилляров (ПМС —0,15%; ССБ —0,20%; ГКЖ-94 — 0,04 %+ССБ-0,20%).

Из материалов предыдущих исследований можно видеть, что необходимое повышение цветостойкости декоративных растворов может быть достигнуто различными путями: введением в состав низкощелочного цемента активной минеральной добавки, выбором оптимальной температуры изотермической выдержки при тепловлажностной обработке образцов, введением в состав раствора добавок различных видов. Однако использование этих приемов повышения цветостойкости не всегда возможно в условиях заводов сборного железобетона и домостроительных комбинатов в связи с трудностями как получения необходимого цемента, так и изменения режимов тепловлажностной обработки, увязанных с технологическим процессом. Эти трудности, связанные с нарушениями заводской технологии, можно преодолеть, используя многочисленные рекомендации по снижению высолообразования, путем обработки готовой поверхности растворов и бетонов растворами различных соединений, затрудняющих подвод воды к растворимым составляющим цементного камня. При этом, так же как и в рекомендациях по снижению высолообразования введением различных видов добавок в состав раствора, нигде нет указаний на достаточность этих приемов с позиций зрительных восприятий цветовых различий, возникающих при высолообразовании между отдельными частями здания. Поэтому, исходя из изложенного выше, представляло значительный интерес оценить возможность повышения цветостойкости декоративных растворов до необходимых установленных пределов путем поверхностной пропитки уже готового покрытия, изготовленного на высокощелочном вяжущем (R₂0=l,44%), без введения добавок как в вяжущее, так и в раствор, подвергнутый тепловлажностной обработке при неоптимальной (с позиций высолообразования) максимальной температуре. Поскольку большинство исследователей для снижения высолообразования путем поверхностной пропитки рекомендуют кремнийорганические и полимерные соединения, то их и использовали в настоящем исследовании. В качестве представителей от каждой группы таких соединений были выбраны наиболее известные: полиэтилгидросилоксан (ГКЖ-94), полиэтилсилоксан (ПЭС), полиметнлсилоксан (ПМС). полистирол (ПС), эпоксидная смола (ЭД-20) с отвердителем ПЭП (2:1 мас. ч). В качестве растворителей использовали бензин и толуол. Растворы наносили кистью на сухую и обеспыленную поверхность образцов из декоративного раствора, их цветостойкость оценивали как после климатических испытаний в аппарате искусственной погоды, так и при одностороннем подсосе влаги. Результаты исследований представлены в табл. 6 и 7.

Приведенные данные показывают, что поверхностная пропитка декоративных покрытий растворами кремнийорганических соединений и полимеров повышает их цветостойкость как при климатических испытаниях образцов, так и при испытании в условиях одностороннего подсоса влаги.

При климатических испытаниях необходимая цветостойкость декоративных растворов достигается при пропитке их поверхности 10 %-ными растворами полиэтилсилоксана (ПЭС) в бензине и полистирола в толуоле. Несколько меньшую цветостойкость в этих условиях имеют образцы, поверхность которых пропитана 5 %-ным раствором полистирола в толуоле и 10 %-ным — полиметилсилоксана в бензине. Малоэффективной в условиях климатических воздействий оказалась пропитка) поверхности декоративных растворов 5- и 10 %-ным раствором полиэтилгидросилоксана (ГКЖ-94) в бензине и 10 %-ным раствором эпоксидной смолы (ЭД-20) в толуоле. В условиях одностороннего подсоса влаги наибольший эффект повышения цветостойкости декоративных растворов достигался при пропитке их поверхности 10 %-ным раствором полиметилсилоксана в бензине, несколько меньший — при пропитке 5- и 10 %-ным раствором полиэтилгидросилоксана (ГКЖ-94) в бензине и 10 %-ным раствором полистирола в толуоле. Наименьший эффект в этом случае достигался при пропитке образцов 5 %-ным раствором полистирола и 10 %-ным раствором эпоксидной смолы в толуоле.

Полученные результаты показывают, что поверхностная пропитка декоративных покрытий растворами кремнийорганических соединений менее эффективна при климатических воздействиях, чем при одностороннем подсосе влаги. Это согласуется с данными ряда авторов, изучавших механизм действия гидрофобных покрытий. Весьма важным условием получения устойчивых гидрофобных покрытий является их способность противостоять дождеванию, т. е. воздействию капель воды, падающих со скоростью 80—100 км/ч с мгновенным гидростатическим давлением, соответствующим давлению водяного столба высотой 25 см. Установлено, что длительное воздействие атмосферных осадков приводит к разрушению только поверхностного (0,5 мм) гидрофобного слоя, под которым на глубине примерно 4,7 мм находится несмачивающийся слой. Поэтому при длительном воздействий воды на поверхность бетона выносятся растворимые составляющие цементного камня, находящиеся в этом, ставшем уже гидрофильным слое.

Для выяснения сохранности части гидрофобного слоя после климатических испытаний декоративных растворов был проведен специальный эксперимент. Образцы, пропитанные гидрофобизирующим составом (10%-ный раствор ГКЖ-94 в бензине), после климатических воздействий (1000 циклов дождевания) погружали на треть толщины образца (1,7 мм) в 10 %-ный раствор Na₂S0₄. Для сравнения в этот же раствор погружали непропитанные образцы. Через 24 ч негидрофобизированные образцы покрылись сплошным белым налетом, а на поверхности гидрофобизированных образцов, прошедших климатические испытания, никаких налетов обнаружено не было, т. е. внутренний гидрофобный слой декоративных растворов, и после климатических испытаний сохранялся.

Что касается поверхностной пропитки 10%-ным раствором полистирола в толуоле, то установлено, что она эффективно повышает цветостойкость декоративных растворов как при климатических воздействиях, так и при одностороннем подсосе влаги, что связано со значительно большей прочностью гидрофобного слоя из полистирола, чем из кремнийорганических соединений. Однако в случае применения маловязкой композиции (ЭД-20), дающей прочный гидрофобный, слой, эффект повышения цветостойкости невысок, что связано, вероятно, с худшим, по сравнению с полистиролом, проникновением композиции в поры декоративного раствора.

Таким образом, на основе изложенных в данном разделе материалов исследований можно отметить - следующее. Поверхностная пропитка декоративных растворов кремнийорганическими и полимерными составами повышает их цветостойкость как при воздействии климатических факторов, так и при испытании в условиях одностороннего подсоса влаги. Кремнийорганические соединения более эффективно повышают цветостойкость декоративных растворов, подвергнутых испытанию на односторонний подсос влаги, чем при климатических воздействиях, в связи с частичным разрушением гидрофобного слоя под действием дождевания. Необходимая цветостойкость декоративных растворов достигается при пропитке их поверхности 10 %-ными растворами полиэтилсилоксана в бензине и полистирола в толуоле.

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ ЦВЕТОСТОЙКИХ БЕТОНОВ НА ЛЕНИНГРАДСКИХ ЗАВОДАХ СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Цех железобетонных изделий производственной базы Ленжилуправления постоянно выпускает железобетонные детали, предназначенные для ограждения территорий промышленных предприятий, медицинских и учебных учреждений, складов и других объектов, тротуарные плиты мощения и детали гаражей индивидуального пользования. Выпускаемые детали ограждения состоят из панели сплошной конструкции размером 3х2,5х0,15 м, которая с одной стороны имеет выпуклую рельефную поверхность, с другой — гладкую. Панели ограждения изготовляют из обычного серого бетона, а после монтажа окрашивают в построечных условиях. Тротуарные плиты мощения размером 0,75х0,375х0,05 м имеют мелкорельефную рабочую поверхность, их также изготовляют из обычного серого бетона.

Наблюдения за состоянием окрашенных панелей ограждения показали, что их окраска в климатических условиях Ленинграда практически через 2—3 года требует восстановления.

Тротуарные плиты мощения из серого бетона в условиях довольно монотонного цветового окружения в Ленинграде не радуют глаз и не украшают улиц, садов и парков.

В настоящее время на производственной базе Ленжилуправления рядом с существующим цехом железобетонных изделий построен цех по выпуску декоративной тротуарной плитки. При этом подача бетона в цех предусмотрена с существующего бетоносмесительного узла с установкой дополнительно одной бетономешалки. В целях подготовки производства по выпуску декоративных тротуарных плит в новом цехе; изучения возможностей выпуска плит в работающем цехе и в связи с отсутствием на заводе отдельных емкостей для хранения цветного цемента была поставлена задача организовать приготовление декоративных бетонов в условиях существующего бетоносмесительного хозяйства с выпуском опытно-промышленной партии декоративных плит.

Исходя из ранее полученных данных о снижении требований по цветостойкости к цокольной части зданий; считали, что требуемая цветостойкость декоративных бетонов для панелей ограждения и тротуарных плит мощения должна соответствовать 3— 4 баллам серой шкалы. При изготовлении на Промышленной базе Ленжилуправления декоративных деталей ограждений и тротуарных плит минеральные пигменты вводили в бетон в количестве до 8 %, а органические — до 0,5 % массы цемента.

При определении вида пигмента выбирали материалы, применяемые на промышленной базе. В качестве вяжущего использовали рядовой портландцемент марки 300 Сланцевского цементного завода, содержащий значительное количество щелочей (R₂O= 2%).

В результате экспериментов было установлено, что наиболее эффективно бетон окрашивается окисью хрома, красным железо- окисным, и голубым фталоцианиновым пигментами, а также техническим фталоцианином меди. По согласованию с заказчиком в связи с отсутствием в необходимых количествах красного желе-зоокисного пигмента применяли только три последних из указанных выше пигментов.                                                             

Введение пигментов в бетон осуществляли следующим образом. В дозаторном отделении в специальных емкостях (50 л) приготовляли водные суспензии пигментов: суспензию окиси хрома— обычным смешиванием пигмента с, водой в пропорции 1:3,5 масс воды и пигмента. Суспензию органических красящих веществ приготовляли по специальной технологии в связи с тем, что эти органические вещества гидрофобны и С водой не смешиваются. Известно приготовление водной суспензии фталоцианиновых пигментов путем введения в воду поверхностно-активных веществ в количестве 0,1—0,15 % массы цемента. Для повышения,  цветостойкости в состав бетона в процессе его приготовления вводили совместно с суспензией пигмента раствор сульфитно-спиртовой барды в количестве 0,1 % массы цемента, а после изготовления плит на их рабочую поверхность на складе готовой продукции наносили 10 %-ный раствор ГКЖ-94 в бензине. После заливки в дозатор воды необходимого количества суспензии пигмента,  дозатор заполняли требуемым количеством воды с учетом воды, пошедшей на приготовлений суспензий, всю смесь подавали в бетономешалку (гравитационного типа вместимостью 1200 л), предварительно загруженную заполнителем и цементом.

Длительность загрузки основных материалов составляла 1 мин, смесь сухих компонентов-предварительно перемешивали в течение 1 мин, а бетона — 2—3 мин.                       

В остальном технология изготовления плит из декоративного бетона практически не отличалась от существующей поточно-агрегатной технологии. Панели ограждения: изготовляли в горизонтальных одиночных формах, а плиты мощения тротуаров — в кассетах в вертикальном положении. Перед формованием осуществляли тщательную очистку и смазку форм синтетическим эмульсолом ЭКС МРТУЗ-1-199-66. Через 5—10 мин после нанесения смазки излишки эмульсола стекали в углубления рельефа формы, откуда их убирали ветошью. Формовку элементов ограждения и плит мощения выполняли па двух различных постах. Приготовленный бетон по транспортерной ленте подавали в бетоноукладчики (объем бункера — 1,2 м³, скорость перемещения—15 м/мин), заполнение формы плит ограждений бетонной смесью (осадка конуса— 2—3 см) вели три раза (время вибрации после каждого заполнения составляло 1 мин 40 с), а заполнение кассеты (осадка конуса — 4—5 см) — постоянно, в процессе вибрации, по мере перемещения смеси в течение 4—5 мин.

Уплотнение бетонной смеси осуществляли на виброплощадке с частотой колебаний 2930 кол./мин и амплитудой 0,4 мм. Заглаживание открытой поверхности- изделий выполняли вручную при помощи полутерка. Тепловлажностную обработку изделий вели в безнапорных камерах ямного типа с максимальной температурой 90 °С по режиму 2+4+8+2 ч с охлаждением вентилированием камеры до 40 °С. Испытания показали, что прочность декоративного бетона с окисью хрома и ССБ была на 10—15% выше, чем у аналогичного бетона без пигмента.

После распалубки изделия подавали на склад готовой продукции, где на их лицевую поверхность наносили 10 %-ный раствор ГКЖ-94 в бензине. Внешний вид и качество поверхности готовых деталей ограждений соответствовали эталонам и удовлетворяли требованиям (табл. 8).

После осмотра готовых панелей, ограждения и тротуарных плит неоднородностей окраски и высолов на их поверхности не обнаружено. Для контроля за влиянием климатических воздействий на цветостойкость декоративного бетона (кроме уже уложенных смонтированных плит) несколько тротуарных плит были поставлены в естественных условиях на стенде, открытом действию солнечных лучей и ветра под углом 45° к горизонту. Наблюдение за состоянием уложенных плит и смонтированных ограждений показало, что годичная эксплуатация изделий из высолостойкого декоративного бетона в климатических условиях Ленинграда не вызывает изменений их цвета сверх допустимых пределов и составляет 4—5 баллов серой шкалы.

Приготовление бетонной смеси для декоративных плит мощения планируется осуществлять по следующей технологической схеме: подготовка суспензии пигментов и раствора добавки — в специальной разделенной на отсеки емкости, находящейся под бетоносмесительным узлом; суспензии пигмента и добавки следует заготовлять на сутки работы цеха; для исключения возможности осаждения пигмента предусматривается постоянная барбатация суспензии; готовую суспензию по мере надобности насосы будут закачивать в дозаторное отделение бетоносмесительного узла.

Полученные в результате исследований рекомендации использованы также на Экспериментальном заводе Ленстройкомитета при выпуске партии изделий малых архитектурных форм (кашпо для цветов) В качестве вяжущего использовали цветной портландцемент марки 400. Отформованные изделия подвергали тепловлажностной обработке с максимальной температурой 90— 95°С. Для повышения цветостойкости на готовую поверхность изделий наносили 10 %-ный раствор полистирола в толуоле.

В дополнение к существующему представлению о преобладающей роли в составе высолов содержания извести выявлено, что интенсивность затухания процесса высолообразования и количество высолов в значительной мере зависят от присутствия в цементе и активной минеральной добавке щелочей вследствие их интенсивной миграции. При этом установлено, что изделия, подвергнутые тепловлажностной обработке с максимальной температурой 80, 90, 190,7 и 208,6 °С дают больше высолов, чем твердевшие в естественных воздушно-влажностных условиях. Причем увеличение высолов. в значительной мере происходит из-за повышения в их составе количества щелочей. Одновременно выявлено, что тепловлажностная обработка при атмосферном давлении увеличивает количество высолов с повышением температуры изотермической выдержки с 80 до 90 °С. Повышение же максимальной температуры при автоклавной обработке образцов со 190,7 до 208,6 °С, наоборот, приводит к снижению величины высолов.

Изменение цвета декоративных растворов, происходящее в результате высолообразования, можно в зависимости от необходимой степени точности определять по формуле цветовых различий ?E(L*a*b*) или серой шкале с учетом предельной величины допустимых цветовых отклонений, равной 1,61±0,7 ед. ?E(L*a*b*) или 5-3,5 балла серой шкалы.

Наиболее эффективными добавками, повышающими цветостойкость декоративных растворов на высокощелочном вяжущем (R₂0=1,44%) до необходимого уровня при климатических воздействиях, являются кремнийорганические жидкости ГКЖ-94 и ГКЖ-11, вводимые в состав отделочных покрытий, а при обработке их поверхности—10%-ный раствор полистирола в толуоле или полиэтилсилоксана в бензине.

Осуществленный на основе приведенных рекомендаций промышленный выпуск изделий из цветостойкого декоративного бетона и натурные испытания их на строительных объектах Ленинграда подтвердили эффективность указанных рекомендаций.

Экономическая эффективность при использовании разработанных рекомендаций по повышению цветостойкости декоративных бетонов на производственной базе Ленжилуправления и Экспериментальном заводе Ленстройкомитета выражается в сумме 18,38 тыс. руб. в год.

ВЫСОЛОСТОЙКОСТЬ ОТДЕЛОЧНЫХ БЕТОННЫХ ФАКТУР И СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

Л.И. ХОЛОПОВА, М.А. МАХОТИН

1989