Повышение физико-химического сопротивления цементных материалов добавками, образующими буферные системы
Известно, что буфер представляет собой систему, которая предназначена для смягчения какого-либо удара механического, физического, химического и др. В этой связи интерес вызывают буферные добавки к цементным материалам, которые могли бы «смягчить» химическое воздействие на него агрессивной среды.
В химии под буферными системами понимают системы с определенной концентрацией водородных ионов, состоящих чаще всего из смеси слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его сочи, незначительно меняющие значение pH при разбавлении, концентрировании, а также при добавлении небольшого количества сильной кислоты или щелочи. Реже для поддержания окислительно восстановительного потенциала среды применяют системы, представляющие собой смеси соединений, содержащих элементы переменной валентности, находящиеся в двух степенях окисления.
Практическое постоянство pH буферных смесей обеспечивается наличием в них, с одной стороны, химических форм, способных связывать ионы Н, с другой - форм, связывающих ионы ОН. Буферное действие таких систем основано на следующем. Если к буферной смеси, содержащей слабую кислоту НАn и соль этой кислоты KtAn, прибавить некоторое количество сильной кислоты, то произойдет следующий процесс:
будет сильно подавлен из за воздействия на равновесие одноименных Аn ионов соли.
При добавлении к раствору кислоты сильной щелочи ионы водорода соединяются с ионами гидроксила, образуя слабый электролит - воду, а израсходованные ионы Н* будут пополняться вследствие диссоциации кислоты. В результате как в случае добавления ионов Н+, так и в случае добавления ионов ОН эти ионы связываются, поэтому pH раствора при определенных степенях воздействия практически не меняется.
Выражение для определения pH буферного раствора состоящего из смеси слабой кислоты и ее соли, как более удобного для применения имеет вид
Способность буферных систем поддерживать постоянство значения pH зависит от качественного состава буферной смеси и концентрации ее компонентов. При добавлении к буферному раствору значительных количеств сильной кислоты или сильного основания может наблюдаться резкое изменение pH, т е. буферные системы обладают определенной емкостью.
Возможность буферных систем определенное время защищать pH цементной системы от воздействия агрессивной среды явилась основной теоретической предпосылкой, на основании которой нами было рекомендовано применение этих веществ в качестве добавок в бетоны для повышения их физикохимического сопротивления. В этой связи большой интерес вызвали буферные добавки к цементному камню, которые могли бы «смягчить» химическое воз действие на него растворов сильных неорганических кислот небольших концентраций.
В качестве основного был принят первый вид буферных систем, который состоит из слабой кислоты и соли, образованной ее взаимодеиствием с сильным основанием, в основном с едким натром. Такой выбор следует объяснять не только меньшей зависимостью этих систем от температуры, но и возможностью получения для затворения цементных материалов сред с pH < 7.
Известно, что pH среды оказывает влияние на гидратацию цемента. Причем применяемая для его затворения вода с pH от 3,2 до 1,6 позволяет получать материал с улучшенными физико-химическими и структурными характеристиками. Обогащение воды затворения ионами Н способствует увеличению скорости гидратации цементных материалов, а повышенное содержание гидроксильных ионов приводит к существенному замедлению реакции гидратации. В этой связи мы предположили, что поскольку буферными системами можно изменять как природу, так и pH среды затворения, то можно тем самым добиваться улучшения свойств бетонных смесей и бетонов, в частности повышать прочностные характеристики и физико-химическое сопротивление отвержденного материала.
Из рисунка 6.3 видно, что введением ацетатных буферных систем в состав смеси можно на 45-100% увеличить прочность при сжатии цементного бетона, отвержденного с применением тепловлажностной обработки. В то же время было установлено, что повышенный расход добавок приводит к снижению прочности.
Так, бетон при изготовлении которого вводили 2,4% уксусной кислоты и 2,4% ацетата натрия, имел прочйость при сжатии примерно в 1,5 раза меньше, чем подобная характеристика материала контрольного состава. Значительно повышается сопротивляемость цементных материалов с буферными добавками слабым растворам неорганических кислот. Рассмотрим это влияние на примере цементных композитов с оксалатными буферными системами.
При действии растворов соляной и серной кислот на несвязанную оксалатную буферную систему происходят взаимодействия согласно уравнениям:
Вероятно, в зоне реакции будут содержаться обе составляющие оксапатной буферной системы щавелевая кислота и оксалат натрия, способствующие сохранению pH внутренней среды материала. Результаты исследований подтвердили позитивное влияние добавок, об разующих оксалатные буферные системы, на физико химическое сопротивление цементных бетонов.
В таблице 6.1 представлены первоначальные прочностные характеристики мелкозернистого бетона состава 1:3 и В/Ц = 0,47 с добавками щавелевой кислоты и ее натриевой соли, а также значения прочности материала, который содержит обе добавки и выдержан 120 сут в 2% НСl.
Видно, что введение добавок не приводит к повышению первоначальной прочности материала, но заметно влияет на ее потерю при выдерживании бетона в 2% НСl. По истечении 4 месяцев воздействия бетон с добавками имеет предел прочности при сжатии в 2-3 раза больше, чем материал бездобавочного состава. Сохранение прочности при изгибе выражено в еще большей степени. Таким образом, подбирая сопротивление буферных систем изменением pH внутренней среды материала, можно получить более химически стойкие его структуры.
