Многообразие условий эксплуатации полов промышленных зданий определяет широкий диапазон свойств и предъявляемых к ним требований, в том числе, не в последнюю очередь, санитарно-гигиенического и экологического характера.
Основными показателями, определяющими качество материалов для полов, являются механическая прочность, стойкость к истирающим, химическим и влажностным воздействиям, стабильность состава и свойств, отсутствие выделения вредных веществ и пыли в процессе их эксплуатации и, наконец, технологичность материала, что предполагает минимизацию материальных и трудовых затрат, связанных с приготовлением бетона, устройством и эксплуатацией покрытия.
Соблюдение перечисленных требований в значительной степени обеспечивает применение магнезиального цемента [1]. Бетон на его основе отличается высокими прочностными характеристиками, химической стойкостью и износостойкостью, что позволяет использовать его для устройства полов промзданий, в том числе с тяжелыми условиями эксплуатации(предприятия химической промышленности, тяжелого машиностроения, энергетического комплекса и т. п.).
Существует целый ряд промышленных методов производства МgО, однако в строительстве реальное применение имеет главным образом продукт обжига магнезита - каустический магнезит [2]. Однако мировые запасы магнезита относительно невелики и строительная индустрия не может рассчитывать на полное удовлетворение своей потребности в каустическом магнезите, так как основная часть продукта обжига МgСО₃ направляется на производство огнеупоров.
Следует отметить, что уже несколько десятилетий, как найдена достойная альтернатива для магнезита. Речь идет о доломитах, дешевых и весьма распространенных минералах [1, 3, 4], представляющих собой двойной карбонат магния и кальция (МgСО₃ ^. СаСО₃), содержащий теоретически 30,4% СаО, 21,9% МgО и 47,7% СО₂. Каустический доломит представляет собой продукт тонкого помола обожженного природного доломита при температуре диссоциации МgСО₃ (около 650-720°С). Полуобожженный доломит содержит в своем составе 20-28% активного оксида магния и инертное вещество, представленное в основном СаСО₃ в количестве 60-70%. Для приготовления бетона полуобожженный доломит, как и каустический магнезит, затворяют растворами некоторых солей-электролитов типа MgCI₂ ^. 6H₂O, MgSO₄ ^. 7H₂O, FeSO₄ ^. 5H₂O и т. д. [1].
С точки зрения теории микробетона профессора Юнга, магнезиально-доломитовый цемент можно рассматривать как естественную композицию магнезиального цемента с карбонатным наполнителем [4]. Другими словами, продукт селективной диссоциации доломита является дисперсной системой, в которой активный оксид магния, обладающий высоким энергетическим потенциалом, равномерно распределен в среде микронаполнителя СаСО₃.
Комплекс экспериментальных исследований, выполненных ГУП "НИИЖБ" и ЗАО "Полимод", показал, что предназначенный для производства высокопрочных бетонов каустический доломит должен соответствовать следующим требованиям:
содержание МgО - не менее 19,0% массы доломита;
интервал температуры термического разложения МgСО₃ в доломите (начало-конец разложения) должен составлять 40-60°С;
преобладающая крупность кристаллов (зерен), поданным петрографического анализа, -80-120 мкм [5].
Анализ результатов определения прочности бетонов, полученных на основе каустического доломита, измельченного по различным режимам, показывает, что для этого вяжущего увеличение дисперсности является эффективным средством повышения прочности бетона. В частности, увеличение удельной поверхности каустического доломита с 1320 до 5500 см²/г обеспечивает существенный рост прочности бетона (более чем в 2 раза) во все сроки твердения. Дальнейшее увеличение тонкости помола в пределах до 8500 см²/г технически нецелесообразно, так как повышает прочностные характеристики всего на 10-20%.
Обеспечивая высокие прочностные характеристики бетонов (до 60-80 МПа и более), применение каустического доломита в то же время связано с такими технологическими и техническими недостатками, как ускоренное структурообразование и схватывание бетонных смесей, значительные собственные деформации расширения, превышающие границы уровня безопасности, а также низкую водостойкость бетона.
С целью регулирования строительно-технических свойств вяжущего на основе каустического доломита было изучено влияние различных химических добавок на сохраняемость бетонных смесей на его основе, а также на физико-механические свойства и долговечность бетонов (темпы твердения, прочность, собственные деформации, водостойкость, морозостойкость и водонепроницаемость, стойкость в агрессивных средах). В качестве модификаторов были использованы апюмофосфатная, фосфатная, боратная добавки и их сочетания. Добавки вводили на стадии помола полуобожженого доломита. Установлено, что при использовании комплексных фосфатно-боратных добавок существенно нормализуются процессы структурообразования и твердения бетонов на основе каустического доломита и улучшаются их свойства: достигается устойчивый рост прочности, снижаются собственные деформации расширения, уменьшается опасность развития деструктивных процессов (образование трещин) и т.д. Так, например, введение указанных добавок в количестве 1-3,2% массы каустического доломита в магнезиально-доломитовые бетонные смеси значительно повышает их сохраняемость. Механизм действия этих добавок как замедлителей схватывания связан, по-видимому, с осаждением и формированием фосфатно-боратных комплексов. Мелкие частицы труднорастворимых добавок адсорбируются при помоле на частицах активного оксида магния, затрудняя доступ к ним затворителя. Затем в растворе образуются хелатные комплексы, влияющие на прочность и структуру цементного камня. Кроме того, образуя указанные комплексы, фосфатно-боратные добавки обеспечивают наибольшее повышение водостойкости бетона на каустическом доломите: значение коэффициента размягчения возрастает с 0,43 до 0,92-1,03 для бетонов из умеренно подвижных смесей и до 0,85-0,93 для бетонов из высокоподвижных смесей. Установлено, что химические добавки на основе фосфатных и боратных соединений способствуют также существенному повышению морозостойкости и водонепроницаемости, значения которых обеспечиваются на уровне F100 и W10, соответственно. Отметим, что прочность модифицированных бетонов с добавками в возрасте 7-28 сут соответствует прочности контрольного бетона или превышает его. Подтверждена также высокая стойкость бетона на каустическом доломите в таких агрессивных средах, как бензин, дизельное топливо, спирты, минеральные масла и пр.
Кроме того, анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что смешанная добавка фосфат + борат снижает уровень деформаций расширения бетона на каустическом доломите в возрасте 28 сут практически в 10 раз [5].
Для выявления механизма улучшения показателей качества бетонов на каустическом доломите при введении добавок фосфатно-боратных соединений были проведены исследования поровой структуры методами оптической микроскопии с соответствующей компьютерной обработкой.
Представленные на рисунках 1 и 2 микрофотографии поровой структуры бетонов и анализ ее параметров (см.таблицу), показывают, что бетон с добавками, по сравнению с бездобавочным бетоном, имеет уменьшенную (на 15%) общую пористость при пониженном среднем диаметре пор (на 39%) и значительно большем относительном содержании пор размером до 0,3 мм, а также значительно увеличенную среднюю толщину междупоровых перегородок (в 1,87 раза). Такая структура обеспечивает повышение прочностных характеристик бетона, а в сочетании с образованием нерастворимых фосфатно-боратных комплексов и повышением плотности - увеличение его водонепроницаемости, морозостойкости и стойкости в агрессивных средах.