Влияние структуры бетона на его сопротивляемость физическим и химическим агрессивным воздействиям

УДК 691.328.5

В. С. Изотов

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ БЕТОНА НА ЕГО СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИМ И ХИМИЧЕСКИМ АГРЕССИВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Ключевые слова: цементный бетон, структура, долговечность, усадка, морозостойкость.

В работе изложены результаты экспериментальных исследований сульфато- и щелочестойкости, усадки и морозостойкости растворов и бетонов на смешанном вяжущем. Отмеченные выше важнейшие свойства бетона рассматриваются в тесной взаимосвязи с составом и свойствами смешанного вяжущего и с микроструктурой цементного камня в бетоне.

Keywords: cement, concrete, structure, durability, shrinkage, creep resistance, frost resistance

In this paper the results of experimental studies of sulfate - and mesocestoides, shrinkage and frost resistance of mortars and concretes mixed binder. The above important properties of concrete are considered in close connection with the composition and properties of the mixed binder and microstructure of cement paste in concrete.

Введение

Долговечность цементных бетонов является важнейшей эксплуатационной характеристикой, определяющей не только техническую, но и экономическую эффективность применения бетонных изделий и железобетонных конструкций в различных отраслях народного хозяйства. В первую очередь это касается предприятий химической и нефтехимической отраслей промышленности.

Действию агрессивных сред подвергаются более 20% строительных конструкций зданий и сооружений. Поэтому важнейшей задачей является использование резервов повышения коррозионной стойкости строительных материалов и изделий.

Использование смешанных вяжущих, полученных на основе алюмосиликатов природного (це-олитсодержащие породы- ЦСП) и техногенного происхождения (золы гидроудаления), открывает новые возможности в этой области.

Наряду с воздействием агрессивных сред, бетон конструкций в зданиях и сооружениях может подвергаться воздействию и других эксплуатационных факторов, например, попеременному увлажнению и высушиванию, замораживанию и оттаиванию. Кроме того, при использовании бетонов, в том числе и на смешанных вяжущих могут применяться различные химические добавки, оказывающие влияние на формирование микро- и макроструктуры цементного камня, и соответственно, на долговечность бетона.

Поэтому, для получения гарантированной долговечности бетонов на смешанных вяжущих, необходимо проведение комплекса исследований поведения таких бетонов при воздействии на них перечисленных выше эксплуатационных факторов.

В данной статье приводятся результаты изучения сульфато- и щелочестойкости, усадки, набухания и морозостойкости растворов и бетонов на смешанном вяжущем, а также их защитных свойств по отношению к стальной арматуре. Отмеченные выше важнейшие свойства бетона рассматриваются в тесной взаимосвязи с составом и свойствами смешанного вяжущего и с микро- и макроструктурой бетона.

Особенностью структуры бетона на портландцементе является ее высокая неоднородность, определяющаяся тремя факторами: пористостью цементного камня, значительным различием составляющих бетона по упругим и прочностным характеристикам, наконец, дефектностью структуры бетона на всех ее уровнях.

В зависимости от размеров, в цементном камне выделяют три группы пор: поры геля, капиллярные поры и макропоры. Поры геля имеют средний размер 15-30х 10-4 мкм и составляют, по Пауэр-су, около 28% от его объема [1-3].

Капиллярная составляющая пор характеризуется спектром пор от сотых долей до несколько микрон и изменяется в пределах от 10 до 40 % и более. Меньшее значение пористости соответствует цементному камню нормального твердения в возрасте 28 суток при В/Ц около 0,2, большее значение - при В/Ц около 0,8. В этом интервале В/Ц прочность цементного камня изменяется в пределах одного порядка: на сжатие приблизительно от 100 до 15 МПа.

Макропоры в цементном камне - это поры с размерами до 10-4 мкм. Несмотря на незначительное содержание их в цементном камне и бетоне (всего несколько %), они отрицательно влияют на прочность бетона [4].

Отмеченные выше особенности микроструктуры бетона оказывают существенное влияние на все его свойства, в частности усадку, сульфато-стойкость, стойкость к шелочной коррозии заполнителя и морозостойкости.

Экспериментальная часть

В процессе исследований были использованы следующие материалы:

а) вяжущее:

- портландцемент марки ПЦ400-Д0-Н ГОСТ 10178-85 ОАО «Вольскцемент».

б) заполнитель:

- кварцевый песок камского месторождения с модулем крупности 2,5;

в) активные минеральные добавки:

-цеолитсодержащая порода Татарско-шатрашанского месторождения Республики Татарстан;

-зола гидроудаления Казанской ТЭЦ-2 с удельной поверхностью 250м2/кг.;

г)пластифицирующая добавка - лигносуль-фонат технический (ЛСТ) ;

д)водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

Образцы балочки размером 4х4х16см из цементно-песчаного раствора, которые по сути могут служить моделью цементного бетона, изготавливали и испытывали по ГОСТ 310. Смешанное вяжущее готовилось путем совместного домола портландцемента, золы гидроудаления или цеолит-содержащей породы и пластифицирующей добавки ЛСТ в шаровой мельницы до удельной поверхности 480м2/кг.

Изучение сульфатостойкости цементного раствора состава 1:3 на смешанном вяжущем производилось по стандартной методике. Образцы-балочки с размерами 4х4х16см изготавливали из равноподвижных растворных смесей по ГОСТ 310.4-81. Оценку сульфатостойкости производили по коэффициенту сульфатостойкости (Кс), представляющему собой отношение прочности образцов на изгиб, хранившихся в растворе сульфата натрия (5%) в течении 180 суток к прочности аналогичных образцов, хранившихся в воде.

Измерение усадочных деформаций проводили на образцах-балочках размером 4х4х16см при помощи автоматического регистратора усадочных деформаций «Автограф». Прибор оснащен датчиками линейной деформации, температуры и влажности окружающей среды.

Влияние состава смешанного вяжущего на щелочную коррозию бетона изучалось в соответствии с методикой НИИЖБ [5] на образцах-призмах сечением 25,4х25,4 мм и длиной 250 мм. Заполнителем служил песок, полученный при измельчении гравия Камского месторождения с содержанием растворимого в щелочах кремнезема 250 ммоль/л. Для создания условий протекания коррозионного процесса образцы изготавливалась с добавкой гидроксида натрия, который вводился в растворную смесь с водой затворения в количестве 1,5% от массы вяжущего в пересчете на оксид натрия.

Результаты исследований

Содержание АМД в вяжущем и результаты испытания образцов на сульфатостойкость приведены в табл. 1.

Как видно из данных табл.1, сульфатостой-кость портландцемента без минеральных добавок очень низкая, о чем свидетельствует снижение прочности образцов на растяжение при изгибе не 74%.

С увеличением содержания АМД в составе вяжущего наблюдается устойчивое повышение сульфатостойкости бетона по сравнению с бездобавочным цементом. При этом коэффициент сульфа-

тостойкости на смешанном вяжущем увеличивается в 6-7 раз.

Таблица 1 - Влияние состава вяжущего на суль-фатостойкость цементного раствора

Результаты испытаний образцов через 180 суток:

количество АМД в вяжущем, % Прочность (МПа) на изгиб после хранения: Коэффициент сульфатостойкости, Кс

в воде в растворе

0 5,78 1,50 0,26

30 5,44/5,39 8,34/7,91 1,53/1,46

50 7,63/7,42 9,06/8,67 1,19/1,17

Примечание: над чертой показатели раствора с ЦСП, под чертой- с золой ТЭЦ.

Основной причиной повышения сульфато-стойкости бетона на цементных вяжущих с повышенным содержанием добавок ЦСП и золы ТЭЦ является их высокая гидравлическая активность, которая оказывает существенное влияние на особенности формирование микроструктуры цементного камня. Введение в состав портландцемента любой из указанных выше минеральных добавок (не мене 20% от массы клинкера), содержащей достаточное количество активного кремнезема, приводит к связыванию Са(ОН)2 в гидросиликаты низкоосновного типа и образованию гидроалюминатов низкоосновного типа. В результате этих реакций отсутствуют условия образования эттрингита в цементном камне и кристаллизации гипса в порах и капиллярах, приводящих к снижению прочности.

Причиной повышения сульфатостойкости вяжущего с повышенными дозировками АМД является значительное снижение концентрации Са(ОН)2 в цементном камне (табл.2.) вследствие его химического связывания компонентами активных минеральных добавок.

Таблица 2 - Кинетика поглощения СаО из жидкой фазы смешанного вяжущего

Доля ЦСП в вяжущем % Количество СаО в жидкой фазе, ммоль/л за время поглощения, сут:

7 14 21 28

0 44,37 25,05 13,55 10,15

10 38,48 21,61 9,24 7,28

20 39,49 19,50 8,07 6,13

30 29,35 16,10 7,81 5,17

40 30,22 15,32 5,17 3,83

Оценку влияния состава смешанного вяжущего на щелочную коррозию бетона производилась по результатам измерения относительных деформаций расширения образцов. В соответствии с общепризнанной методикой изучения внутренней коррозии принято считать, что допустимое значение относительной деформации расширения бетона через 6 месяцев твердения в указанных выше условиях не должно превышать 0,05% , а через 12 месяцев не более 0,1% [6].

Результаты измерения деформаций расширения показали, что введение в состав вяжущего золы или ЦСП в количестве 30% от массы клинкера позволяет полностью предупредить развитие внутренней коррозии бетона, изготовленного на реакци-

онно-способном заполнителе. При этом относительная деформация расширения бетона на портландцементе через 12 месяцев составила 0,6%, в то время как относительная деформация бетона на смешанном вяжущем не превысила 0,1% .

Основной причиной повышенной стойкости бетона к щелочной или внутренней коррозии является наличие в составе смешанного вяжущего активной минеральной добавки, имеющей кислый характер, что приводит к уменьшению основности вяжущего и понижению отношения "щелочь - активный кремнезём заполнителя" за счет химического поглощения щелочи аморфным кремнеземом ЦСП или стеклофазы золы, а также образования дополнительного количества гидросиликатов кальция за счет уменьшения количества наименее устойчивого компонента цементного камня - Са(ОН)2.

Морозостойкость тяжелого бетона марок 200-350, изготовленного на смешанном вяжущем и пропаренного по режиму 3+3+7+2 ч. при температуре изотермической выдержки 90оС, изучалась на образцах кубах с ребром 10 см согласно методике, изложенной в ГОСТ 10060-87 при температуре -20о С. В качестве базового состава бетона для оценки влияния состава смешанного вяжущего на морозостойкость принят следующий состав: портландцемент 236 кг/м3, песок кварцевый 591кг/м3, гравий фракции 5-20мм- 1296кг/м3.

По результатам испытания контрольных образцов через 150 циклов замораживания и оттаивания снижение прочности в контрольных образцах на обычном портландцементе составило 3%, а через 200 циклов-10%, что соответствует марки по морозостойкости М150. Испытания образцов бетона на смешанном вяжущем, содержащем 20% ЦСП показало снижение прочности через 150 циклов на 1,2%, а через 200 циклов на 3%, что соответствует марки по морозостойкости М200. Бетон на смешанном вяжущем, где содержится зола ТЭЦ показал снижение прочности через 200 циклов замораживания-оттаивания на 3,5%, а через 250 циклов на 5,5%, что соответствует марки М200. Повышение морозостойкости бетона на смешанном вяжущем обусловлено снижением водовяжущего отношения и формированием более плотной, однородной и мелкопористой структуры, как это следует из данных табл.3.

Таблица 3 - Основные параметры структуры пор мелкозернистого бетона на смешанном вяжущем

Доля Инте- Средний Однород- рН

ЦСП в гральная радиус ка- ность пор водной

вяжущем порис- пилляров по разме- вытяж-

% тость, % рам ки

0 7.37 0.54 0.60 12.9

10 7.01 0.39 0.65 12.9

20 6.81 0.32 0.55 12.8

30 6.91 0.35 0.56 12.7

40 7.50 0.51 0.62 12.3

50 8.50 0.56 0.76 11.6

Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что наибольшую интегральную (кажущуюся) пористость имеет бетон с максимальным содержанием

активной минеральной добавки в составе смешанного вяжущего, а наименьшую -бетон, где в составе вяжущего содержится 30% активной минеральной добавки; наибольший средний радиус капилляров характерен для

структуры бетона, изготовленного на смешанном вяжущем с содержанием ЦСП 50% от массы вяжущего; а наименьший - для структуры бетона на смешанном вяжущем, содержащим 20% ЦСП; наиболее однородной по размерам пор является структура бетона на смешанном вяжущем с максимальным содержанием ЦСП, а соответственно наименее однородной - структура бетона на смешанном вяжущем содержащим 20% добавки.

Усадка бетона вызвана физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и определяется, главным образом, усадкой цементного камня. Заполнители, применяемые в бетонах, обладают ничтожно малой усадкой, вызываемой капиллярными явлениями при их высыхании. Поэтом в работе изучено влияние состава вяжущего на усадку цементного камня. Измерение деформации усадки производилось через 60 суток нахождения образцов в среде с относительной влажностью 60%, когда значения деформации стабилизировались. В контрольном составе камня на портландцементе среднее значение величины усадки составило 1,6 мм/м, в образцах на смешанном вяжущем, содержащем 20% ЦСП -1.25%, а в образцах с золой ТЭЦ- 1,2%. Таким образом, цементный камень на смешанном вяжущем обладает пониженной усадкой (на 22-25%), что обусловлено особенностями формирования его микроструктуры (табл.3).

Заключение

1.Выполненные исследования показали, что сопротивляемость бетона физическим и химическим агрессивным воздействиям зависит от состава вяжущего и особенностей микроструктуры цементного камня.

2.Бетоны на смешанном вяжущем оптимального состава отличаются повышенной морозостойкостью, сульфато- и щелочестойкостью и пониженной усадкой, что обуславливается пониженной интегральной пористостью, а также. значительным снижением концентрации Са(ОН)2 в цементном камне вследствие его химического связывания компонентами активных минеральных добавок.

Литература

1. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов.-М.:Стройиздат, 1972.- 351 с.

2. Торопов Н.А. Химия цементов. М.: Промстройиз-дат,1956.-С.24.

3. Десов А.Е., Красильников К.Г., Цилосани З.Н. Некоторые вопросы теории усадки бетона. // Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1979.- С.25-255.

4. Горчаков Г.И. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.:Стройиздат,1976.-С.97-113

5. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н, и др. 6 Рекомендации по определению реакционной способ-

Коррозия бетона и железобетона. Методы их защиты. ности заполнителей бетона со щелочами цемента,- М.:

М.: Стройиздат. 1980.-536с. НИИЖБ, 1972.- С.4.

© В. С. Изотов - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. технологии, организации и механизации строительства, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, v_s_izotov@mail.ru.

© V. S. Izotov - D. Sc. in Engineering, Prof., Head of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, v_s_izotov@mail.ru.