1

На правах рукописи

КОЖУХОВА МАРИНА ИВАНОВНА

АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ

ДЛЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОР ЕФЕР АТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород 2014 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

–

Научный руководитель Строкова Валерия Валерьевна доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты – Низина Татьяна Анатольевна доктор технических наук, профессор профессор кафедры строительных конструкций ФБГОУ ВПО Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева – Королева Елена Леонидовна кандидат технических наук, доцент доцент кафедры производства строительных конструкций ГОУ ВПО Брянская государственная инженерно-технологическая академия – ГОУ ВПО Сибирская государственная

Ведущая организация автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Защита состоится « 30 » сентября 2014 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул.

Костюкова, 46, ауд. 242. Телефон для справок 8(4722) 55-95-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://gos_att.bstu.ru/dis.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва просим прислать на e-mail: gos.att.bstu.ru.

Автореферат разослан «30» июля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _ Г.А. Смоляго Актуальность. Вопрос повышения срока эксплуатации изделий из бетона является одним из наиболее актуальных в строительной отрасли. Ввиду высоких пористости и капиллярного водопоглощения, цементобетон становится уязвимым под действием многочисленных факторов, способствующих разрушению целостности его структуры. Попеременное замораживание-оттаивание, воздействие агрессивных жидкостей (сульфатных растворов, образующихся в результате применения противогололедных солевых реагентов) накладывают существенный отпечаток на срок службы материалов. Повышение водостойкости, а также снижение адгезии льда к поверхности бетона определяют его долговечность, что особенно актуально для дорожно-строительных материалов.

Одним из перспективных путей защиты бетона от образования наледей в зимний период является достижение антиадгезионного эффекта системы «лед – бетонная поверхность» путем создания антиобледенительного сверх- и супергидрофобного1 слоя на поверхности цементобетонных изделий.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках: ФЦП Меропр. 1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей (согл. № 14.B37.21. 2012–2013 гг.); программ стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова № А-16/12 и № Б-11/14 (2012–2014 гг.).

Цель и задачи работы. Разработка комплексного антиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона, включающего высокоразвитую поверхность бетона и гидрофобную эмульсию.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

– изучение состава, свойств и морфологических особенностей высокодисперсных веществ, как компонентов антиобледенительного защитного покрытия;

– разработка составов и оптимизация технологического процесса получения гидрофобного силоксанового покрытия;

– разработка составов и технологии создания антиобледенительного поверхностного слоя для плит тротуарных на основе мелкозернистого бетона (МЗБ);

– подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований; промышленная апробация.

Научная новизна. Предложены принципы формирования антиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона со сверх- и супергидрофобными свойствами поверхности, заключающиеся в создании комплексного антиобледенительного защитного слоя: поверхность бетона с иерархической структурой и гидрофобная эмульсия. Микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость – за счет капиллярно-пористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном слое, а также гидрофобного силоксанового комСверхгидрофобная поверхность – поверхность, для которой характерно значение краевого угла (КУ) смачивания в диапазоне 120° < < 150°.

Супергидрофобная поверхность – поверхность, для которой характерно значение (КУ) смачивания в диапазоне 150° < < 180°, при значении критического угла скатывания (К ус) не более 10°.

понента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы бетона.

Используя математический аппарат топологии, установлена закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона, заключающаяся в том, что с увеличением дисперсности уменьшается плотность упаковки дискретной системы в поверхностном слое и возрастает число тонкодисперсных частиц, что способствует повышению их поверхностной энергии и, как следствие, возрастанию энергетической активности. Наличие размерной гетерогенности в диапазоне нано-, субмикро- и микроразмерности минеральных компонентов, а также их энергетического состояния в условиях критического размера2 способствует стабилизации ограноминеральной эмульсии и формированию сил взаимодействия частиц с верхним слоем цементной матрицы.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения минеральных высокодисперсных компонентов – микрокремнезем или метакаолин, в качестве стабилизатора гидрофобной силоксановой эмульсии, а также элементов формирования иерархической структуры капиллярно-пористой поверхности мелкозернистого бетона. Использование ПВС-фибры в составе цементнопесчаной композиции защитного слоя бетона обеспечивает образование ворсистой структуры поверхности и вносит вклад в формирование ее микро- и макрошероховатости. Совокупный эффект этих явлений позволяет создать многоуровневую морфологию на поверхности бетона, способствуя формированию сверх- и супергидрофобных свойств антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ.

Практическая значимость работы. Разработаны составы комплексного антиобледенительного защитного покрытия (КАЗП), состоящего из: мелкозернистого фибробетона с использованием ПВС-фибры; гидрофобной эмульсии, включающей гидрофобизатор (MHX-1107 или ГКЖ-94М), эмульгатор (ПВС) и тонкодисперсный минеральный наполнитель (микрокремнезем или метакаолин).

Разработана технология получения антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ, позволяющая получать верхний защитный слой бетона с плотностью 2251–2400 кг/м3, пределами прочности при сжатии 43,6–71,8 МПа;

марками по морозостойкости F200–F400, истираемостью 0,3–0,58 г/см2, водопоглощением 4,4–5,6 %, адгезионной прочностью льда 0,03–0,057 МПа, обеспечивающая значения краевого угла смачивания поверхности 135–156 и критического угла скатывания 41,8–5,7°.

Предложена технология производства плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях проводилась на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» Белгородской области при производстве плит тротуарных. Для внедрения результатов Критический размер – размер частиц и их конгломераций, при котором проявляется необычное изменение одного или комплекса свойств по сравнению со свойствами массивного тела. Необычные свойства малых частиц проявляются в интервале таких размеров, когда плотность упаковки элементов их дискретности в поверхностном слое становится заметно ниже, а количество их больше, чем в удаленных к центру их объема.

научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:

– стандарт организации СТО 02066339-011-2013 «Покрытие силоксановое. Технические условия»;

– стандарт организации СТО 02066339-013-2014 «Плиты тротуарные гидрофобизированные. Технические условия»;

– технологический регламент на производство гидрофобизированных плит тротуарных с использованием защитной силоксановой эмульсии;

– рекомендации по использованию защитной силоксановой эмульсии для производства гидрофобизированных плит тротуарных.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 – «Строительство» профилей «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и «Наносистемы и трансфер технологий», а также магистров по направлению 08.04. – «Строительство» профиля подготовки «Наносистемы в строительном материаловедении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2011); конкурсе XI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012»; XXII International Materials Research Congress (IMRC) (Мексика, 2013); ІI Международной научно-практической конференции «Технические и математические науки: актуальные проблемы и перспективы развития» (Киев, Украина, 2013); The ACI Wisconsin Chapter Meeting at The Machine Shed Pewaukee (США, 2013); IV Всероссийской школе молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия» (Черноголовка, 2013);

Международной конференции молодых ученых РАН и РААСН «Наносистемы в материаловедении. Перспективы создания и внедрения инновационных технологий» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в девяти научных публикациях, в том числе в трех статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 46 рисунков, 30 таблиц, список литературы из наименований, 10 приложений.

На защиту выносятся:

– принципы формирования антиобледенительного гидрофобного покрытия для МЗБ;

– закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона;

– теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности применения микрокремнезема (или метакаолина) и ПВС-фибры в качестве разноуровневых компонентов иерархической структуры КАЗП;

– составы и технология получения защитного антиобледенительного покрытия для МЗБ;

– технология производства плит тротуарных на основе МЗБ с комплексным антиобледенительным защитным покрытием.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Производство материалов с водоотталкивающими характеристиками является важной задачей, в большей мере, дорожно-строительной отрасли. Цементобетон, применяемый в дорожном строительстве, как правило, подвергается внешним воздействиям, таким, как эрозия, истирание, воздействие агрессивных сред, а также замерзание-оттаивание воды при перепаде температур. Кумулятивный эффект циклического замораживания-оттаивания в конечном итоге вызывает трещинообразование, разрыхление бетонного монолита и, как следствие, его разрушение. Это также способствует высокой силе адгезии льда к поверхности покрытия, что значительно снижает действие антигололедных средств и приводит к проблематичному удалению ледяной корки механическим способом.

На основании проанализированных механизмов деструкции бетона в процессе эксплуатации при отрицательных температурах предложены две модели разрушения ледяного слоя на поверхности цементобетона (рисунок 1).

Риснок 1. Модели разрушения поверхностного слоя системы «лед – бетон»:

Модель I описывает развитие трещин в системе «лед – бетон» (рисунок 1, а) при условии, что разрушающее напряжение, возникающее при отрыве льда от поверхности бетона (ад ), выше напряжений, образующихся при трещинообразовании льда (тр). В этом случае система «лед – бетон» работает как единый элемент, что приводит к развитию трещин во льду и дальнейшему разрушению поверхностного слоя бетона.

Модель II описывает развитие трещин при условии, что разрушающее напряжение, возникающее при отрыве льда от поверхности бетона (ад), ниже напряжений, образующихся при трещинообразовании льда (тр) (рисунок 1, б). В этом случае траектория развития трещины в ледяной корке будет проходить на границе контакта льда с бетоном, как в зоне наиболее слабых сил взаимодействия.

Таким образом, обеспечение минимальной адгезии льда к бетону позволит предотвратить последствия обледенения, минимизировав разрушение поверхностных слоев мелкозернистого бетона, а также обеспечит эффективность очистки льда с дорожных покрытий и снизит степень аварийности, возникающую вследствие образования гололеда на поверхности дорожного полотна.

На сегодняшний день существует ряд способов по борьбе с обледенением бетонных сооружений. В большинстве стран Западной Европы, а также в крупных городах РФ ввиду низкой стоимости и широкой доступности распространено использование химических реагентов, которые, взаимодействуя с верхним слоем дорожного покрытия, предотвращают или разрушают сцепление между слоем льда или снежным покровом и поверхностью дорожного покрытия. Однако данный способ борьбы не позволяет решить вопросы ледяных образований в зимний период времени без загрязнения окружающей среды. Кроме того, используемые химические реагенты вызывают деструктивные процессы в бетоне, а также способствуют коррозии транспортных средств.

В связи с этим рабочей гипотезой данной работы явилась возможность создания комплексного антиобледенительного защитного покрытия для МЗБ (эффект «лотоса»), включающего: высокоразвитую морфологию поверхности бетона (иерархическую структуру) и защитное гидрофобное покрытие, и обеспечивающим:

– повышенное значение поверхностного натяжения водяной капли на поверхности бетона;

– меньшую площадь контакта би-системы «вода/лед – бетон»;

– слабые адгезионные силы сцепления системы «вода/лед – бетон» при отрицательных температурах.

Данное КАЗП должно являться верхним слоем изделия из бетона и проектироваться с учетом требований, предъявляемых к материалу, для которого оно предназначено.

Для разработки КАЗП использовались следующие сырьевые материалы 3:

– мелкий заполнитель для МЗБ – стандартный фракционированный песок со средним размером частиц 425 мм (США); песок Вяземского месторождения (Смоленская область) с модулем крупности 2,7;

– портландцемент типа I (Lafarge, США), а также портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н (ЗАО «Белгородский цемент», РФ);

– гиперпластификатор Glenium 7700 (США); Melflux 1641F (РФ);

– гидрофобизатор – полиметилгидросилоксан MHX-1107 (США); ГКЖ-94М (РФ);

– эмульгатор – поливиниловый спирт (ПВС);

– тонкодисперсные минеральные наполнители – микрокремнезем производства Elkem (США); метакаолин производства Burgess Optipozz (США);

– фибровый наполнитель – ПВС-фибра производства Kuralon (Япония).

Используемые в работе минеральные компоненты метакаолин и микрокремнезем представляют собой тонкодисперсные порошкообразные материалы (таблица 1) полидисперного состава (рисунок 2) с размерами от 300 нм до 50 мкм для метакаолина (рисунок 4, а) и 100–600 нм для микрокремнезема (рисунок 4, б). В их составе преобладает содержание рентгеноаморфной фазы, о чем свидетельствуют ярко выраженные гало в диапазонах 15–35 и 17–30 2 (°) для метакаолина и микрокремнезема соответственно (рисунок 3). Метакаолин представлен частицами преимущественно пластинчатой формы и их агрегатами в виде столбчатых пакетов (рисунок 4, а); микрокремнезем – хлопьеобразными формированиями, состоящими из более мелких скоплений сферических частиц (рисунок 4, б).

Используемая в качестве фибрового наполнителя ПВС-фибра представляет собой прозрачные гладкие стекловидные цилиндрические стержни диаметром 25– 100 мкм (рисунок 4, в, таблица 2).

Используя математический аппарат топологии, основанный на корпускулярногеометрических свойствах дискретных систем, рассчитан наибольший эффективный Исследования проводились с использованием аналитической и лабораторной базы ЦВТ БГТУ им. В.Г. Шухова (РФ) и университета Висконсин-Милуоки (США).

(критический) размер агрегаций синтезированных тонкодисперсных минеральных компонентов. Размерный диапазон этого параметра, при котором начинает проявляться их энергетическая активность, составляет 350–450 нм – для микрокремнезема и 600–700 нм – для метакаолина. Это согласуется с данными, полученными с помощью прибора Nanosizer&ZetaPALS, где были выявлены значения среднего диаметра частиц и их агрегаций: 407 нм – для микрокремнезема и 655 нм – для метакаолина.

Содержание частиц, % При разработке гидрофобных покрытий определяющими параметрами в оценке Съемка проводилась на РЭМ Mira 3 FesSem (рисунок 4, а, б) и оптическом поляризационном микроскопе ПОЛАМ-Р312 (рисунок 4, в).

гидрофобности поверхности является значение краевого угла (КУ) смачивания и критического угла скатывания (Кус)5.

Установлена теоретическая зависимость КУ смачивания от распределения фибрового компонента и его линейных параметров (диаметр и высота фибры) на поверхности гетерогенной минеральной системы (рисунок 5) и коэффициента шероховатости Rf поверхности. При увеличении степени шероховатости, а также диаметра и высоты выступающей фибры наблюдается повышение показателей КУ смачивания. Однако при увеличении межфибрового расстояния наблюдается тенденция снижения КУ смачивания. Согласно полученным данным, для достижения максимальных значений КУ смачивания межфибровое расстояние (l) должно быть ограничено диапазоном 600–1200 мкм, с высотой выступающей фибры (h) равной 100–250 мкм и высокой степенью шероховатости (Rf = 3).

Краевой угол смачивания, o Рисунок 5. Зависимости расчетных значений КУ смачивания от распределения и линейных параметров фибрового компонента на поверхности гетерогенной минеральной системы: d – средний диаметр фибры (мкм); h – высота выступающей фибры (мкм); Rf и Rf3 – коэффициенты шероховатости со значениями 1 и 3 соответственно Лабораторными исследованиями было установлено, что наиболее эффективной для исследуемых эмульсионных систем является ПВС-эмульгатор с молекулярным весом 16 000. Для этой эмульсии характерна более высокая степень стабильности при высокой концентрации эмульгатора. Рациональное содержание эмульгатора составило 5 %.

Наиболее эффективным для приготовления гидрофобных эмульсий был выбран способ, заключающийся в равномерном распределении тонкодисперсного минерального компонента в водном растворе эмульгатора с последующей эмульсификацией полученной суспензии и гидрофобного (силоксанового) компонента. Данный способ обеспечивает формирование глобулярных образований гидрофобизатора в узком размерном диапазоне (5–15 мкм) и их более равномерное распределение в объеме эмульсии.

Минеральный компонент (микрокремнезем либо метакаолин) выступает в качеКраевой угол (КУ) смачивания – угол, который образует капля жидкости на поверхности твердого вещества к данной поверхности.

Критический угол скатывания (Кус) – угол наклона поверхности, при котором происходит скатывание капли жидкости.

Обозначение hRf1=50 – коэффициент шероховатости равный 1 при высоте выступающей фибры 50 мкм.

стве эффективного стабилизатора гидрофобной эмульсии. Его рациональное содержание составляет 1 %. При повышении его концентрации увеличивается вязкость эмульсионной системы, что препятствует равномерному распределению компонентов и созданию эмульсионной структуры.

Исходя из экспериментальных данных (рисунок 6) рациональная дозировка гидрофобной эмульсии, наносимой на поверхность МЗБ, составила 0,09 л/м2.

Выявлено, что при повышении В/Ц от 0,3 до 0,5 и Ц/П от 1:1 до 1:3 увеличивается степень шероховатости поверхности и степень гидрофобности материала. При большей шероховатости не наблюдается значительных отличий в значениях КУ смачивания при использовании метакаолин- или микрокремнеземсодержащей эмульсии. При более высокой плотности и меньшей шероховатости поверхности бетона (В/Ц = 0,3 и Ц/П = 1:1) содержание метакаолина с составе эмульсии дает более выраженный эффект гидрофобности за счет придания дополнительной субмикро- и микрошероховатости (300нм–50мкм) поверхности при наличии частиц и их агрегатов, находящихся в большем размерном диапазоне в сравнении с микрокремнеземсодержащей эмульсией. В этой эмульсионной системе частицы и конгломераты микрокремнезема составляют более узкий размерный диапазон, создавая в большей степени нано- и субмикрошероховатость (100–600 нм), соизмеримый с естественной шероховатостью пористо-капиллярной поверхности бетона.

Рисунок 6. Влияние дозировки используемой гидрофобной эмульсии на показатели КУ смачивания в зависимости от состава цементно-песчаной матрицы:

С целью изменения структуры поверхности цементно-песчаных образцов ей придавалась дополнительная шероховатость путем введения ПВС-фибры, а также посредством механической обработки абразивом. Наилучшие значения КУ смачивания принадлежат образцам с шероховатостью, обеспечиваемой абразивом зернистостью Р60. Рациональное содержание ПВС-фибры в МЗБ в качестве элемента иерархической структуры поверхности и подложки для микро- и наноэлементов минеральной составляющей эмульсии составило 1 % от количества вяжущего. Это количество позволяет обеспечить формирование микро- и макрошероховатость с созданием регулярной ворсистой структуры на поверхности материала.

Для оценки изменения гидрофобных характеристик цементно-песчаной поверх Значения КУ и К ус в зависимости от вида поверхности Анализ микроструктуры комплексного гидрофобного защитного покрытия подтвердил формирование иерархической структуры, обеспечивающей нано-, субмикро- и микрошероховатость8 поверхности. Введение ПВС-фибры обеспечивает формирование ворсистой структуры на поверхности бетона, придавая ему дополнительную шероховатость на микро- и макроуровнях (рисунок 7, а).

При последующем нанесении на шероховатую поверхность мелкозернистого защитного бетонного слоя гидрофобная эмульсия, содержащая в своем составе частицы и агрегации тонкодисперсного минерального компонента, покрывает все неровности поверхности, в том числе ПВС-фибру (рисунок 7, б). Частицы минерального компонента (микрокремнезема либо метакаолина), содержащиеся в эмульсии, закрепляются на бетонной поверхности и выступающих волокнах ПВС-фибры, обеспечивая, при этом микро-, субмикро- и наношероховатость (рисунок 7, в).

Таким образом, формирование сверх- и супергидрофобных свойств бетонной поверхности, обеспечивающих минимальную адгезию льда к бетону и, как следствие, создающих антиобледенительный эффект, происходит за счет формирования иерархической структуры (рисунок 8), путем совместного действия компонентов системы «поверхность бетона – гидрофобный слой». Микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя МЗБ, в состав которого входит ПВС-фибра; нано-, субмикро- и микрошероховатость – за счет естественной капиллярно-пористой поверхности мелкозернистого бетона и присутствия высокодисперсных компонентов (микрокремнезема или метакаолина) в защитном слое, а также гидрофобного силоксанового компонента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы.

1 – МЗБ без механической поверхностной обработки абразивом;

2 – МЗБ с поверхностной механической обработкой абразивом;

3 – мелкозернистый фибробетон (МЗФБ) с ПВС-фиброй и поверхностной абразивной обработкой;

4 – МЗБ без механической поверхностной обработки, покрытый гидрофобной эмульсией;

5 – МЗБ с механической поверхностной обработкой, покрытый гидрофобной эмульсией;

6 – МЗФБ с механической поверхностной обработкой, покрытый гидрофобной эмульсией.

Согласно размерной классификации частиц: нано- (1–100 нм), субмикро- (100–1000 нм), микро- (1000 мкм–0,1см).

Рисунок 7. Микроструктура гидрофобизированного МЗФБ9:

а – ворсистая структура поверхности мелкозернистого фибробетона, б – поверхность МЗФБ, покрытая гидрофобной эмульсией, в – характер формирования разноуровневой иерархической структуры шероховатой поверхности МЗФБ Рисунок 8. Модель формирования Рисунок 9. Контактная зона «силоксановый иерархической структуры поверхности защитный слой – бетон»

Высокие эксплуатационные показатели МЗБ с комплексным антиобледенительным защитным покрытием (адгезионная прочность льда; истираемость, КУ смачивания, Кус) обеспечиваются за счет эффективного взаимодействия гидрофобного слоя с бетоном в контактной зоне «силоксановое покрытие – цементно-песчаная матрица». Анализ контактной зоны (рисунок 9) показал отсутствие четкой границы раздела, что подтверждает наличие химического взаимодействия используемого кремнийорганического компонента (MHX-1107 либо ГКЖ-94М) и цементнопесчаной матрицы.

С учетом особенностей исследованных минеральных и органических компонентов и на основе предложенных составов цементно-песчаной композиции в рамках работы были разработаны составы антиобледенительного гидрофобного покрытия (таблица 4) для плит тротуарных с плотностью 2251–2400 кг/м3, пределом прочности при сжатии 43,6–71,8 МПа, марками по морозостойкости F200–F400, истираемостью 0,3–0,58 г/см2, водопоглощением 4,4–5,6 %, адгезионной прочностью льда к фибро-цементно-песчаной поверхности в диапазоне 0,024–0,057 МПа, а также показателями КУ смачивания поверхности в диапазоне 135–156 и Кус в диапазоне 41,8– 5,7°.

Съемка проводилась на поляризационном оптическом микроскопе ПОЛАМ-Р311М (рисунок 7, а) и растровом микроскопе РЭМ SM-300 (Topcon (рисунок 7, б, в).

Состав и свойства тротуарных плит из мелкозернистого бетона с комплексным антиобледенительным защитным покрытием состава _ *«С» – составы гидрофобизированного бетона на сырьевых материалах США; «Р» – составы гидрофобизированного бетона на сырьевых материалах РФ Предложена технологическая схема производства плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием, включающая следующие технологические операции: приготовление МЗБ и формование нижнего слоя плит тротуарных; приготовление МЗБ и формование защитного слоя; абразивная обработка верхнего слоя изделия; приготовление гидрофобной эмульсии и ее нанесение на конечное изделие.

Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» (г. Белгород) при производстве плит тротуарных.

Экономическая эффективность производства разработанных плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием из гидрофобизированного МЗБ обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, получением изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

простотой в обслуживании при эксплуатации плит тротуарных в зимний период, а также снижением затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ. С учетом применения химических реагентов (песко-соляная смесь), а также сезонных ремонтно-восстановительных работ при использовании традиционных плит, экономическая эффективность применения плит тротуарных с КАЗП составляет 1,5 и 55 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены принципы формирования антиобледенительного покрытия для мелкозернистого бетона со сверх- и супергидрофобными свойствами поверхности, заключающиеся в создании комплексного антиобледенительного защитного слоя: поверхность бетона с иерархической структурой и гидрофобная эмульсия. Микро- и макрошероховатость формируется за счет естественной морфологии бетонной поверхности и ворсистой структуры верхнего слоя мелкозернистого фибробетона; нано- и субмикрошероховатость – за счет капиллярнопористой поверхности цементно-песчаной матрицы и высокодисперсных минеральных компонентов, содержащихся в защитном слое, а также гидрофобного силоксанового компонента, входящего в состав эмульсии, покрывающей разноразмерные структурообразующие элементы бетона.

2. Используя математический аппарат топологии, установлена закономерность дискретного распределения микро- и наноразмерных элементов на поверхности мелкозернистого бетона, заключающаяся в том, что с увеличением дисперсности уменьшается плотность упаковки дискретной системы в поверхностном слое и возрастает число тонкодисперсных частиц, что способствует повышению их поверхностной энергии и, как следствие, возрастанию энергетической активности. Наличие размерной гетерогенности в диапазоне нано-, субмикро- и микроразмерности минеральных компонентов, а также их энергетического состояния в условиях критического размера способствует стабилизации ограноминеральной эмульсии и формированию сил взаимодействия частиц с верхним слоем цементной матрицы.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность применения минеральных высокодисперсных компонентов – микрокремнезем или метакаолин, в качестве стабилизатора гидрофобной силоксановой эмульсии, а также элементов формирования иерархической структуры капиллярнопористой поверхности мелкозернистого бетона. Использование ПВС-фибры в составе цементно-песчаной композиции защитного слоя бетона обеспечивает образование ворсистой структуры поверхности и вносит вклад в формирование ее микро- и макрошероховатости. Совокупный эффект этих явлений позволяет создать многоуровневую морфологию на поверхности бетона, способствуя формированию сверх- и супергидрофобных свойств антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ.

4. Разработаны составы комплексного антиобледенительного защитного покрытия (КАЗП), состоящего из: мелкозернистого фибробетона с использованием ПВС-фибры; гидрофобной эмульсии, включающей гидрофобизатор (MHX- или ГКЖ-94М), эмульгатор (ПВС) и тонкодисперсный минеральный наполнитель (микрокремнезем или метакаолин).

5. Разработана технология получения антиобледенительного защитного покрытия на поверхности МЗБ, позволяющая получать верхний защитный слой бетона с плотностью 2251–2400 кг/м3, пределами прочности при сжатии 43,6– 71,8 МПа; марками по морозостойкости F200–F400, истираемостью 0,3–0, г/см2, водопоглощением 4,4–5,6 %, адгезионной прочностью льда 0,03–0, МПа, обеспечивающая значения краевого угла смачивания поверхности 135– и критического угла скатывания 41,8–5,7°.

6. Предложена технология производства плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием. Проведена промышленная апробация полученных результатов на предприятии ООО «БелЭкоСтрой» (г. Белгород) и выпущена опытно-промышленная партия плит тротуарных.

7. Экономическая эффективность производства разработанных плит тротуарных с комплексным антиобледенительным защитным покрытием из гидрофобизированного МЗБ обусловлена использованием доступных сырьевых материалов, получением изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

простотой в обслуживании при эксплуатации плит тротуарных в зимний период, а также снижением затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ. С учетом применения химических реагентов (песко-соляная смесь), а также сезонных ремонтно-восстановительных работ при использовании традиционных плит, экономическая эффективность применения плит тротуарных с КАЗП составляет 1,5 и 55% для плит с фибросодержащим и безфибровым покрытием соответственно.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хархардин, А.Н. Критический размер микро- и наночастиц, при котором проявляются их необычные свойства / А.Н. Хархардин, В.В. Строкова, М.И. Кожухова // Известия Вузов. Строительство. – 2012. – № 10. – С. 109–115.

2. Кожухова, М.И. Комплексное силоксановое покрытие для супергидрофобизации бетонных поверхностей / М.И. Кожухова, И. Флорес-Вивиан, С. Рао, В.В. Строкова, К.Г. Соболев // Строительные материалы. – 2014. – № 3. – С. 26– 30. (ИФ–0,182).

3. Кожухова, М.И. Особенности гидрофобизации мелкозернистых поверхностей / М.И. Кожухова, В.В. Строкова, К.Г. Соболев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 4. – С. 33–35. (ИФ–0,06).

4. Flores-Vivian, I. Self-assembling particle-siloxane coatings for superhydrophobic concrete / I. Flores-Vivian V. Hejazi, M.I. Kozhukhova, M.

Nosonovsky, K. Sobolev // ACS Applied Materials&Interfaces. – 2013. – № 5 (24). – 13284–13294. (ИФ–5,008).

5. Кожухова, М.И. Проблемы формирования гидрофобных и супергидрофобных поверхностей // Сборник докладов ІI Международной научнопрактической конференции «Технические и математические науки: актуальные проблемы и перспективы развития». – 2013. – г. Киев, Украина. – 14 ноября 6. Кожухова, Н.И. Зависимость механизма структурообразования от химического состава как ключевого фактора вяжущей системы / Н.И. Кожухова, А.И. Бондаренко, М.И. Кожухова // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и строительного факультета.–Улан-Удэ:

ВСГУТУ. –2012. – С. 162– 7. Кожухова, Н.И. Структурно-морфологический фактор алюмосиликатов в системе минеральных вяжущих полимеризационного типа твердения / Н.И. Кожухова, М.И. Кожухова, Р.В. Чижов, В.А. Калашникова // III Всероссийская школа молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия»: сб. трудов, Черноголовка, 25 сентября 2012 г. – Черноголовка, 2012. – С.

23–25.

8. Кожухова, Н.И. Особенности формирования микроструктуры вяжущих систем гидратационного и полимеризационного типов твердения / Н.И. Кожухова, А.И. Бондаренко, М.И. Кожухова // межвузовский сборник научных трудов //«Строительные материалы и изделия»:. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, – 2013.– С. 57– 9. Кожухова, М.И. К проблеме о гидро- и аэрофобизации материалов строительного назначения / М.И Кожухова, Ю.Н. Огурцова, В.В. Строкова // Сборник трудов по материалам IV Всероссийской школы молодых ученых «Экспериментальная минералогия, петрология и геохимия», Черноголовка, 25 сентября 2013 г.

– Черноголовка, 2013. – С. 20–22.

Автор выражает благодарность доктору философии, доценту кафедры гражданского строительства и механики Соболеву К.Г. за оказанное содействие в проведении исследований, консультации и активное участие в обсуждении результатов работы в период научной стажировки в университете Висконсин-Милуоки (США).

Подписано в печать 11.08.14. Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,0.

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова,