Регулирование реакционной способности заполнителей и повышение сульфатостойкости бетонов путем совместного применения низкокальциевой золы-уноса и высокоактивного метакаолина

УДК 691.32

К.Б. САФАРОВ1, инженер,

1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

2 Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона

Регулирование реакционной способности заполнителей и повышение сульфатостойкости бетонов путем совместного применения низкокальциевой золы-уноса и высокоактивного метакаолина

Изыскание новых эффективных путей одновременного регулирования реакционной способности заполнителей и повышения сульфатостойкости бетона является одной из важнейших научно-исследовательских и практических задач, которые предстоит решить для обеспечения долговечности гидротехнических сооружений. В работе представлен один из вариантов решения данной проблемы за счет введения нескольких видов минеральных добавок. Также изучена степень активации низкокальциевой золы-уноса и ее влияния на прочность цементного камня с помощью применения высокоактивного метакаолина.

Ключевые слова: щелочная и сульфатная коррозия, низкокальциевая зола-уноса, метакаолин.

K.B. SAFAROV1, Engineer

1 Moscow state university of civil engineering

2 Research, Design and Technological Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev

Regulation of Reaction Capacity of Fillers and Increasing Sulfate Resistance of Concretes by Combined Use of Low-Calcium Fly Ash and High-Active Metakaolin

Finding new effective ways for simultaneous regulation of the reaction capacity of fillers and increasing the sulfate resistance of concretes is one of the most important research and practical problems which need to be addressed to ensure durability of hydraulic structures. The article presents one of options of this problem solution due to introduction of several types of mineral additives. The degree of low-calcium fly ash activation and its impact on the strength of cement stone have been also studied with the help of high-active metakaolin use.

Keywords: alkaline and sulfate corrosion, low-calcium fly ash, metakaolin.

В настоящее время существуют множество гидротехнических сооружений, бетонные конструкции которых одновременно подвергаются нескольким видам коррозии. Одним из таких объектов является Рогунская ГЭС, строящаяся на реке Вахш в Республике Таджикистан. В строительстве Рогунской ГЭС для приготовления бетонной смеси используются заполнители, изготовленные из местных горных пород. Они содержат 40% песчаника, 20% гранита, 20% известняка и 20% амфоболита, сланцев, алевролитов и т. д. По результатам петрографических исследований и химических анализов выявлено, что содержание растворимого кремнезема в заполнителях превышает 50 ммоль/г, что является первым признаком потенциальной реакционной способности. Результаты определения реакционной способности ускоренным методом по измерению деформаций растворных балочек, а также базовым методом по измерению деформаций бетонных призм подтвердили потенциальную реакционную способность рогунских заполнителей [1, 2].

Химический состав подземных грунтовых вод района строительства Рогунской ГЭС является агрессивным по отношению к железобетону. Результат проведенных химических анализов говорит о превышающем количестве сульфат-ионов в местных подземных грунтовых водах, которые могут стать причиной сульфатной коррозии бетона. С целью выявления данной угрозы были отобраны керны из бетонных конструкций подземных гидротехнических сооружений Рогунской ГЭС, построенных в 1980-е гг. Образцы кернов были исследованы современными методами в Центральной строительной лаборатории Рогунской ГЭС на спектрометре и рентге-нофазовом дефрактометре. Результаты анализов пока-

зали, что в структуре отобранных кернов содержатся такие минералы, как эттрингит и таумасит, которые свидетельствуют о протекании процесса сульфатной коррозии.

Таким образом, выявлено, что одновременно две проблемы оказывают влияние на обеспечение долговечности бетонных конструкций гидротехнических сооружений Рогунской ГЭС. То есть, в то время, когда реакционная способность заполнителей способствует внутренней щелочной коррозии, подземные агрессивные воды с повышенным содержанием сульфат-ионов просачиваются в капиллярно-пористую структуру бетона и становятся причиной внешней сульфатной коррозии. Изыскание новых эффективных путей одновременного регулирования реакционной способности заполнителей и повышения сульфатостойкости бетона является одной из важнейших научно-исследовательских и практических задач, которые предстоит решить для обеспечения долговечности сооружений [1, 2].

Известно [3—5], что разрушение структуры цементных композиций может быть предотвращено вводом в нее активных минеральных добавок, в частности золы-уноса. Учеными из Канады изучена сульфатостойкость образцов цементных строительных растворов, содержащих высококальциевую и низкокальциевую золы-уноса. Хорошие результаты дали испытания образцов из растворов, содержавших до 40% низкокальциевой золы-уноса [6—8]. Недостатком низкокальциевой золы-уноса является то, что ее моноприменение способствует снижению прочности бетона вследствие низкой гидравлической активности. Поэтому в целях активации низкокальциевой золы-уноса целесообразно применять ее вместе с добавками высокой пуццолановой активности.

70

май 2016

yuJ

Таблица 1

Показатель Единица измерения Высокоактивный метакаолин ВМК-45

Истинная плотность г/см3 0,83 0,43 0,77

Насыпная плотность г/см3 4,1 2,1 2,04

Удельная поверхность см2/г 18000 12000 9500

Химический состав

SiO2 % 52,5 97,12 53,82

AI2O3 % 44,5 0,01 22,56

Fe2O3 % 0,9 0,05 4,48

TiO2 % 1,7 0,02 0,01

CaO % 0 0,37 2,0

MgO % 0 0,28 2,45

Na2O % 0 0,04 0

K2O % 0 0,58 0

MnO2 % 0 0,04 0

P2O5 % 0 0,08 0

SrO % 0 0,01 0

BaO % 0 0 0

SO3 % 0 0,04 0

ППП % 0,7 1,36 0,9

Таблица 2

Растворы Цемент, г Вода,мл Зола-уноса, г МКУ, г ВМК, г Прочность, кгс/см2

1 сут 3 сут 7 сут 28 сут

Контрольный 2000 700 - - - 97 155 331 397

Зола 1500 700 500 (25%) - - 59 119 250 364

Зола+МКУ 1500 700 400 (20%) 100 (5%) - 90 158 341 409

Зола+ВМК 1500 700 400 (20%) - 100 (5%) 104 179 341 442

Одним из наиболее часто применяемых минеральных добавок является микрокремнезем (МК) — отход производства кремнийсодержащих сплавов, состоящий из сферических частиц размером 0,01—0,1 мкм и содержащий до 95% чистого аморфного кремнезема, способного активно реагировать с известью, выделяемой портландцементом при его гидратации, с образованием нерастворимых в воде компонентов. При всех своих положительных качествах МК обладает и некоторыми недостатками: являясь отходом производства, характеризуется нестабильностью свойств, включая цвет, поэтому производители материалов с применением МК должны быть готовы к колебаниям его активности, скорости реакции, водопотребности и др. Ультрадисперсный размер частиц МК обусловливает его высокую водопотребность, что требует введения большого количества суперпластификаторов для компенсации загущающего эффекта. При реакционной способности заполнителей влияние микрокремнезема может стать как позитивным, так и негативным фактором стойкости бетона. Микрокремнезем может играть роль реакцион-носпособного наполнителя в том случае, когда вводится в сухом виде. Продукты новообразования величиной 100—800 мкм могут быть причиной деформаций бетона.

В последнее время в качестве высокоэффективной пуццолановой добавки все большую популярность в

мире получает высокоактивный метакаолин (ВМК) [9]. По своей химической природе ВМК существенно отличается от МК, представляя собой смесь аморфного кремнезема и глинозема практически в равных количествах со средним размером частиц 1—5 мкм и удельной поверхностью, достигающей 30 м2/г. Для компенсации повышения водопотребности при введении ВМК требуется значительно меньшее добавление количества пластификаторов. Более того, при оптимальных дозировках ВМК способен даже проявлять пластифицирующий эффект на цементные растворы. Этот эффект можно объяснить тем, что гранулометрия метакаолина дополняет гранулометрию цемента [10, 11].

Исходя из вышеизложенного проведен ряд опытно-экспериментальных работ с целью оценки эффективности совместного применения низкокальциевой золы-уноса с высокоактивным метакаолином, а также исследования их одновременного влияния на реакционную способность заполнителей и сульфатную коррозию. Технические характеристики применяемых минеральных добавок приведены в табл. 1.

Для определения сравнительного влияния комплекса минеральных добавок на прочность растворных образцов они были изготовлены с одинаковым В/Ц. Составы растворов и результаты испытания образцов на прочность приведены в табл. 2 и рис. 1.

май 2016

71

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

3 7

Возраст образцов, сут

Рис. 1. Зависимость влияния минеральных добавок на прочность образцов: 1 - контрольный; 2 - зола; 3 - зола + МКУ; 4 - зола + ВМК

На рис. 1 можно увидеть, что прочность образцов с применением 20% низкокальциевой золы-уноса и 5% высокоактивного метакаолина в возрасте 1, 3, 7 и 28 сут на 25% выше прочностей контрольных образцов и образцов с моноприменением золы-уноса и дабавле-нием 20% низкокальциевой золы-уноса и 5% микрокремнезема.

Определение степени регулирования реакционной способности заполнителей аналогичными комплексами минеральных добавок выполнено ускоренным медодом измерения деформаций растворных образцов согласно ГОСТ 8269.0—97, п. 4.22. Были изготовлены цементно-песчаные образцы трех составов растворов, в двух из которых часть цемента заменена комплексами зола— микрокремнезем и зола—метакаолин. Составы растворов приведены в табл. 3. Результаты измерения деформаций растворных образцов приведены в табл. 4 и рис. 2.

На рис. 2 показано, что деформации растворов с применением комплекса зола—микрокремнезем и зола—метакаолин развивались в пределах допустимого значения 0,1%, что нельзя сказать про деформации контрольных образцов.

Влияние комплекса испытуемых минеральных добавок на сульфатостойкость бетона определено ускоренным методом согласно ASTM C1012. Были изготовлены образцы из трех цементно-песчаных растворов аналогично предыдущим испытаниям. Составы растворов и результаты испытания приведены в табл. 5, 6 и рис. 3.

Рис. 2. Деформация образцов во времени: 1 МКУ; 3 - зола + ВМК

14 21 28

Длительность испытания,сут

контрольный; 2 - зола +

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105

Длительность испытания,сут

Рис. 3. Деформация образцов в сульфатной среде: 1 - контрольный; 2 - зола + МКУ; 3 - зола + ВМК

Из зависимостей, представленных на рис. 3, можно заключить, что деформации контрольных образцов и образцов с применением комплекса зола-микрокремнезем превышают пределы допустимого значения 0,1%, а деформации образцов с применением комплекса зола—метакаолин развиваются в пределах нормы. Выводы.

1. Активация низкокальциевой золы-уноса с помощью высокоактивного метакаолина показана полученными результатами испытаний образцов на прочность.

2. Показано, что замена 25% цемента на комплексную добавку, состоящую из 20% низкокальциевой золы-уноса и 5% высокоактивного метакаолина, позволяет регулировать реакционную способность заполнителей.

Таблица 3

Таблица 5

Материалы Контрольный Зола+МКУ Зола+ВМК

Цемент, г 440 330 330

Песок, г 990 990 990

Вода, мл 207 207 207

Зола-уноса, г - 88

Микрокремнезем, г - 22 (5%) -

Метакаолин, г - - 22

Таблица 4

Длительность испытания, сут Контрольный Зола+МКУ Зола+ВМК

1 0,044 0,019 0,029

3 0,123 0,036 0,032

7 0,175 0,041 0,038

11 0,209 0,053 0,043

14 0,287 0,061 0,051

28 0,311 0,069 0,059

35 0,384 0,076 0,066

Материалы Контрольный Зола+МКУ Зола+ВМК

Цемент, г 500 375 375

Песок, г 1375 1375 1375

Вода, мл 230 230 230

Зола-уноса, г - 100

Микрокремнезем, г - 25 (5%) -

Метакаолин, г - - 25

Таблица 6

Длительность испытания, сут Контрольный Зола+МКУ Зола+ВМК

7 0,058 0,037 0,027

14 0,132 0,044 0,031

21 0,165 0,054 0,036

28 0,219 0,069 0,036

56 0,271 0,081 0,036

91 0,324 0,117 0,037

105 0,352 0,133 0,04

72

май 2016

.ùJ

3. Экспериментально доказано, что применение комплексной добавки из 20% низкокальциевой золы-уноса и 5% высокоактивного метакаолина повышает сульфатостойкость цементно-песчаных образцов.

Список литературы

1. Сафаров К.Б., Применение реакционноспособных заполнителей для получения бетонов, стойких в агрессивных средах // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 17-21.

2. Сафаров К.Б., Степанова В.Ф., Проблемы повышения коррозионной стойкости железобетонных конструкций в гидротехнических сооружениях Рогун-ской ГЭС // Сборник материалов научно-технической конференции «Поиск-2015». 2015. Ч. 2. С. 230-231.

3. Lindgard Jan, Thomas Michael D.A., Sellevold Erik J., Pedersen Bard, Andis-^akir Ozge, Justnes Harald, F. Ronning Terje. Alkali-silica reaction (ASR)— performance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion. Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 53, pp. 68-90.

4. Pignatelli Rossella, Comi Claudia, Monteiro Paulo J.M. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica. Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 53, pp. 196-210.

5. Pan J.W., Feng Y.T., Wang J.T., Sun Q.C., Zhang C.H., Owen D.R.J. Modeling of alkali-silica reaction in concrete: a review. Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2012. Vol. 6. Iss. 1, pp. 1-18.

6. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Оценка риска щелочной коррозии геополимерного бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50853.

7. Брыков А.С., Воронков М.Е. Щелочекремнеземные реакции, щелочная коррозия портландцементных бетонов и пуццолановые добавки - ингибиторы коррозии. Цемент и его применение. 2014. № 5. С. 87-94.

8. Розенталь Н.К., Розенталь А.Н., Любарская Г.В. Коррозия бетона при взаимодействии щелочей с диоксидом кремния заполнителя // Бетон и железобетон. 2012. № 1. С. 50-60.

9. Захаров С.А., Калачик Б.С. Высокоактивный мета-каолин - современный активный минеральный модификатор цементных систем. Строительные материалы. 2007. № 5. С. 56-57.

10. Thomas Michael. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction: A review. Cement and Concrete Research. 2011. Vol. 41. Iss. 12, pp. 1224-1231.

11. Несветаев Г.В., Фан Та Ван. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4. Ч. 1. С. 139.

Можно заключить, что высокоактивный метакаолин (ВМК) активирует низкокальциевую золу-уноса, повышает прочность цементного камня, одновременно регулирует реакционную способность заполнителей и повышает сульфатостойкость бетона конструкций.

References

1. Safarov K.B. The use alkali-silica aggregates for producing corrosion resistant concretes. Stroitelniye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 7, pp. 17-21. (In Russian).

2. Safarov K.B., Stepanova V.F. Problems of increasing the corrosion resistance of reinforced concrete structures in hydraulic engineering structures Rogun HPP. The collection of materials of scientific-technical conference "Poisk-2015". 2015. Part. 2, pp. 230-231. (In Russian).

3. Lindglrd Jan, Thomas Michael D.A., Sellevold Erik J., Pedersen Bard, Andif-Cakir Ozge , Justnes Harald, F. Ronning Terje. Alkali-silica reaction (ASR)-perfor-mance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion. Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 53, pp. 68-90.

4. Pignatelli Rossella, Comi Claudia, Monteiro Paulo J.M. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica. Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 53, pp. 196-210.

5. Pan J.W., Feng Y.T., Wang J.T., Sun Q.C., Zhang C.H., Owen D.R.J. Modeling of alkali-silica reaction in concrete: a review. Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2012. Vol. 6. Iss. 1, pp. 1-18.

6. Eroshkina N.A., Korovkin M.O., Timchuk E.I. Risk assessment of alkaline corrosion of geopolymer concrete. Sovromenniye nauchniye issledovaniya i innovacii. 2015. No. 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50853. (In Russian).

7. Brykov A.S., Voronkov M.E. Alkali-silica reaction, alkali corrosion of Portland cement concrete and pozzolanic additives - corrosion inhibitors. Tsement i ego primenenie. 2014. No. 5, pp. 87-94.

8. Rozental' N.K, Rozental' А.Н., Lyubarskaya G.V. Corrosion of concrete by reacting alkalis with silica aggregates. Beton i Zhelezobeton. 2012. No. 1, pp. 50-60. (In Russian).

9. Zakharov S.A., Kalachik B.S. Highly active metakaolin - modern active mineral modifier cement systems. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2007. No. 5, pp. 56-57. (In Russian).

10. Thomas Michael. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction: A review. Cement and Concrete Research. 2011. Vol. 41. Iss. 12, pp. 1224-1231.

11. Nesvetayev G.V., Ta Van Fan. Effect of white carbon and metakaolin in the strength and deformation properties of cement stone. Injenerniy vestnik Dona. 2012. No. 4, Part 1, p. 139. (In Russian).

МЕТАКАОЛИН МКЖЛ - МОДИФИКАТОР СТРУКТУРЫ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Метакаолин МКЖЛ - аморфный силикат алюминия, полученный при термической обработке обогащенного каолина месторождения Журавлиный Лог.

Минералогичесий состав метакаолина МКЖЛ представлен полностью аморфизованным каолинитом (90-93%), кристаллическая фаза представлена реликтовыми слюдой (2,5-3%) и кварцем (4-5%), кристаллические новообразования (муллит, кристаболит) практически отсутствуют.

ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ООО «ПЛАСТ-РИФЕЙ» Адрес: 457020, Челябинская обл., г. Пласт, Магнитогорский тракт, 1. Тел./факс:+7 (35160) 229-45, 216-40, 210-24 E-mail: plast-rifey@chel.surnet.ru

май 2016

73