Применение серы для пропитки поровой структуры строительных материалов
Одним из эффективных методов повышения стойкости конструкций к различным агрессивным воздействиям среды и, следовательно, повышения их долговечности является уплотнение поровой структуры строительных материалов прониткой. Для этой цели используют довольно разнообразные пропиточные композиции.
В последнее время большое внимание уделяется изучению технологии пропитки строительных материалов мономерами типа стирола, метилметакрилата и др. с последующей полимеризацией мономера в поровой структуре материала термокаталитическим или радиационным способом. Преимущества материалов, обработанных пропиткой мономерами, убедительно показаны в экспериментальных работах многих исследователей в нашей стране и за рубежом. Имеются примеры практического применения в экспериментальном строительстве бетонополимеров — бетонов, обработанных мономерами.
Мономеры, применяемые для пропитки бетонов, наряду с положительными свойствами (низкая вязкость, высокая прочность после полимеризации и т. п.) обладают такими отрицательными свойствами, как летучесть, взрывоопасность паров, токсичность, которые в некоторых случаях сильно усложняют практическое применение этого способа. Кроме того, мономеры очень дороги (стирол 380, метилметакрилат 800 р/т). Дефицитность этих материалов в промышленности ограничивает их использование в строительстве. Поэтому изыскание новых, более дешевых и доступных для строительства пропиточных композиций является важной и актуальной задачей.
Одним из решений такой задачи является использование расплава серы для пропитки строительных материалов. Сера — довольно распространенный элемент в природе. Его стоимость 62 р/т.
При нормальной температуре сера представляет собой твердое кристаллическое вещество объемной массой 1,96— 2,07 г/см3. При нагреве до 120°С плавится, превращаясь в подвижную жи; кость желтого цвета, при 160° при 190° превращается в вязку) темно-коричневую массу. Нагретая 300, сера вновь переходит в жидком состояние. Температура ее кипения 445°С. В воде сера практически не растворяется.
Сера используется в качестве связукщего для получения так называемого серного бетона, для антикоррозионной зашиты аппаратов и строительных кон струкций.
Технология пропитки строительных материалов и изделий серой должны включать ряд последовательных операций. Серу подогревают до получены расплава при температуре до 140°С Изделия после формования пропаривают по обычной технологии (в термокамере или автоклаве), высушивают, подвергая прогреву при 140°С, и в горячем состоянии погружают в контейнер и заливают расплавом серы. Пропитку изделий производят при регулируемой температуре 100С при нормальном атмосферном давлении. Для интенсификации процесса пропитки могут быть использованы вакуум и избыточное давление. После окончания пропитки изделия выгружают из контейнера и охлаждают до температуры окружающей среды. Если изделия небольшого размера, их рекомендуется опустить на короткое время в воду с целью уменьшения потерь серы из поровой структуры от стекания и испарения. При охлаждении на 2—3° ниже 120°С сера из жидкого переходит в кристаллическое состояние.
Для исследований первоначально были изготовлены образцы из песчаного бетона 30X30X30 мм с ВЩ=0,5 и различным расходом цемента. В составах соотношение цемента и песка принимали от I : 1 до 1 :7 по массе. Прочность образцов в возрасте 28 сут была в пределах от 7 до 40 МПа в зависимости от расхода цемента. Естественная влажность образцов составляла 4—5,5%.
Пропитку образцов производили при нормальном атмосферном давлении и под вакуумом. Перед пропиткой в расплаве серы образцы высушивали до постоянного веса при температуре 140С. Подогретые до 140°С, образцы устанавливали в контейнер и заливали расплавом серы. Если партия пропитывалась при нормальном давлении, то контейнер помещали в термошкаф с регулируемой температурой 140°С, если режим пропитки предусматривал вакуумирование, то контейнер с образцами помещали в вакуумный термошкаф при той же температуре и создавали разрежение 0,08 — 0,09 Мн/м2. Время пропитки при нормальном давлении составляло 4 и 24 а под вакуумом 45 мин, 2 и 4 ч.
По результатам испытаний определяли привес образцов в процентах, прочность на сжатие н водопоглощение.
В зависимости от начальной прочности и режима образцы имели различный привес после пропитки. Образцы с начальной прочностью 7 МПа имели увеличение веса до 25% при вакуумировании и до 20% прн нормальном давлении. Образцы с начальной прочностью 40 МПа после пропитки имели привес в пределах от 15 до 17% как при вакуумировании, так и при нормальном давлении (рис. 1).
Испытания показали, что после пропитки прочность образцов возрастает. Наибольшую по абсолютной величине прочность имели образцы, пропитанные под вакуумом в течение 4 ч, с начальной прочностью 20—30 МПа. После пропитки образцы этих партий имели привес 20—22% и увеличение прочности до 85— 90 МПа, т. е. по сравнению с контрольными (непропитанными) их прочность увеличивалась в 4—4,5 раза (рис. 2).
Наибольшее относительное увеличение прочности наблюдалось у образцов с низкой начальной прочностью (7 МПа). Эти образцы имели состав с соотношением Д:Л=1:7. При пропитке образцов в течение 4 и 24 ч при нормальном давлении увеличение прочности было в 4—4,5 раза, а при пропитке под вакуумом в течение 4 ч — в 9,5 раза. Образцы с начальной прочностью 40 МПа имели увеличение прочности в 1,2—2,2 раза как при пропитке под вакуумом, так и при нормальном давлении.
Испытания на водопоглощение проводили на образцах, пропитанных при нормальном давлении в течение 4 и 24 ч. Результаты испытаний показали снижение водопоглощения пропитанных образцов всех составов в 15—20 раз по сравнению с контрольными (рис. 3), которые прн погружении в воду и выдержке до 28 сут имели увеличение веса до 13— 15%. Водопоглощение пропитанных образцов после 28 сут хранения в воде составило 0,5—1,5%.
В расплаве серы под вакуумом в течение 4 ч были пропитаны 2 плиты из песчаного бетона размером 200Х200ХЗО мм. Привес плит после пропитки составил 182 г, или 7,6%. Прочность контрольных образцов до пропитки составляла 34 МПа. Одну из пропитанных плит распилили на 36 кубов с размером ребра 30 мм и испытали иа сжатие. Результаты испытаний показали, что прочность бетона увеличилась в 1,9 раза и составила после пропитки 63,4 МПа.
Метод пропитки расплавом серы был использован также и для уплотнения поровой структуры и упрочнения асбестоцементных образцов, изготовленных из листового асбестоцемента Воскресенского завода, которые до пропитки имели прочность на изгиб 34,6 МПа. Образцы были высушены до постоянного веса при температуре 140°С, затем погружены в расплав серы, имеющей такую же температуру. Пропитку производили в контейнере при нормальном атмосферном давлении в сушильном шкафу при 140°С по двум режимам — 3 н 72 ч. Испытания пропитанных образцов показали увеличение прочности на изгиб в 1,5 раза как при первом (3 ч), так и при втором режиме (72 ч) пропитки.
Накопленный нами опыт проектирования составов морозостойких бетонов, а также результаты проведенных натурных исследований долговечности конструкций и многочисленных обследований состояния сооружений показали, что некоторые предложения Г. А. Когана не оправданы.
Бетон облицовок оросительных каналов представляет собой тонкостенную конструкцию (5—15 см), которая имеет малую тепловую инерцию и может подвергаться замораживанию и оттаивания цемента, пропитанного в расплаве серы, не уступают асбестоцементу, пропитанному мономером (стиролом, метилметакрилатом, метилакрилатом).
Полученные экспериментальные данные убедительно показывают, что для бетонов н других пористых строительных материалов в качестве пропиточной композиции может быть использован расплав серы. При этом может быть получено увеличение прочностных характеристик в 3—4 раза и снижение водопоглощения в 15—20 раз по сравнению с исходным материалом, со значительным экономическим эффектом по сравнению с пропиткой в мономерах.
Изделия, пропитанные серой, могут найти широкое применение в конструкциях, испытывающих в процессе эксплуатации агрессивные воздействия (трубы и лотки для агрессивных жидкостей, емкости, элементы защитных облицовок типа тюбингов, блоков), в конструкциях с повышенной морозостойкостью (дорожные покрытия, тротуарные плитки, бордюрный камень, различные архитектурные детали и конструкции гражданских и промышленных зданий, элементы градирен, морских и речных причалов и др.).