Гипсоизвестково-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе: экспериментальная оценка долговечности

УДК 691.332

Л.И. РЯБОКОНЬ, канд. техн. наук, С.В. БЕДНЯГИН, инженер, И.К. ДОМАНСКАЯ, канд. техн. наук

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Гипсоизвестково-шлаковые вяжущие и бетоны на их основе: экспериментальная оценка долговечности

Описана история создания гипсоизвестково-шлакового вяжущего, а также промышленный опыт производства и применения стеновых изделий и конструкций на его основе. Представлены результаты натурных обследований 10 зданий, построенных из гипсоизвестково-шлаковых бетонов в Свердловской области в период с 1960 по 1980 г., которые подтверждают высокую атмосферостойкость и долговечность искусственного камня на основе этого вида гипсовых вяжущих. Прочность гипсоизвестково-шлаковых бетонов после полувековой эксплуатации в виде стеновых конструкций практически в два раза превышает отпускную и составляет 11-13 МПа.

Ключевые слова: гипсовое вяжущее, бетоны, гипсоизвестково-шлаковое вяжущее, стеновые блоки, долговечность.

L.I. RYABOKON, Candidate of Sciences

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Eltsin

Gypsum-Lime-Slag Binders and Concretes on their Basis: an Experimental Assessment of Durability

The history of creation of a gypsum-lime-slag binder as well as the industrial experience in production and application of wall products and structures on its basis is described. The results of on-site investigations of 10 buildings constructed of gypsum-lime-slag concretes in Sverdlovsk Oblast from 1960 up to 1980 that confirms the high weathering stability and durability of the artificial stone on the basis of this type of gypsum binders are presented. The strength of gypsum-lime-slag concretes after the half-century operation in the form of wall structures exceeds two times the handling strength and is 11-13 MPa. Keywords: gypsum binder, concretes, gypsum-lime-slag binder, wall blocks, durability.

Проблемы долговечности и надежности цементных бетонов, несмотря на достигнутую их высокую эффективность, не только не теряют своей актуальности, но и приобретают более острый характер [1—3]. Наблюдается ускорение коррозионных процессов, требующих значительно больших затрат на ремонтные и восстановительные работы, чем в прошлом [4, 5]. Участились случаи внезапного обрушения бетонных сооружений, построенных, как правило, в течение последних 30—40 лет, причем в их числе как бетоны естественного твердения (монолитные), так и пропаренные (конструкции заводского изготовления) [6].

По мере внедрения в практику промышленного производства концепции устойчивого развития (Sustainable development) особую значимость приобретают экологические проблемы бетона и железобетона, особенно их вяжущей части — портландцемента. В качестве перспективных в настоящее время рассматриваются малоклинкерные композиционные, геополимерные, серные, водостойкие гипсовые и некоторые другие вяжущие вещества [7—11].

В нашей стране среди водостойких гипсовых наибольшую известность получили многокомпонентные гипсоцементно-пуццолановые (ГЦПВ) и гипсоизвест-ково-шлаковые вяжущие (ГИШВ).

Опыт производства и применения водостойких гипсовых вяжущих и бетонов на их основе в Уральском регионе

Первые отечественные публикации, свидетельствующие о возможности сочетания в одном материале бы-стротвердеющего строительного гипса и гидравлического компонента, повышающего его водостойкость, появились в литературе еще в 30-40-е гг. XX в. [12—14]. В последующем вопросами повышения прочности и водостойкости гипсовых изделий в разное время занимались Ф.Ф. Алкснис, Ю.М. Баженов, А.Ф. Бурьянов,

A.В. Волженский, П.Ф. Гордашевский, В.В. Иваницкий,

B.Ф. Коровяков, В.И. Стамбулко, Н.В. Чернышева, A.B. Ферронская и др.

По общепризнанному мнению, авторство разработки технологий смешанных гипсовых вяжущих и бетонов на их основе принадлежит российским вузам: ГЦПВ — Московскому инженерно-строительному институту (МИСИ, сейчас - МГСУ); ГИШВ - Уральскому политехническому институту (УПИ, сейчас — УрФУ). Если московская научная школа в качестве гидравлической части смешанных гипсовых вяжущих предложила использовать портландцемент, а возможность возникновения эттрингита регулировала путем снижения щелочности добавками активных пуццоланов, то уральская школа исследователей ориентировалась на создание водостойких гидроалюмосиликатов кальция за счет щелочной и сульфатной активизации кислых доменных шлаков.

Основателем и бессменным руководителем уральской научной школы по разработке ГИШВ в течение нескольких десятилетий был доцент кафедры городского строительства УПИ А.А. Антипин, начавший свои исследования еще в 1936 г. Благодаря его активной деятельности в Уральском политехническом институте в 1952 г. была создана лаборатория гипсобетона, занимавшаяся, помимо разработки составов и исследований свойств ГИШВ, внедрением в производство технологий изготовления стеновых блоков из легких бетонов на их основе (ГИШВ-бетонов). На разных этапах в деятельности лаборатории принимали участие сотрудники и студенты восьми факультетов УПИ, Свердловского архитектурного института, врачи-гигиенисты СЭС, сотрудники ряда специализированных проектных и научно-исследовательских организаций Свердловской области, Уфы, Москвы и Московской области. В результате были созданы и с 1960 по 1972 г. эксплуатировались три опытно-промышленные установки по отработке технологии производства гипсобетонных крупноразмерных стеновых

изделий и объемных санитарно-технических кабин: УПИ (Уфа), УПИ-1 и УПИ-2 (Свердловск), а также технологическая линия по производству высокопрочного гипсового вяжущего из фосфогипса на Среднеуральском медеплавильном заводе (г. Ревда, Свердловская обл., 1982—1985 гг.). Наличие первых установок позволило осуществить экспериментальное строительство 23 жилых и производственных зданий различного назначения в Уфе, более 80 зданий в Свердловской области, в числе которых 12-квартир-ные двухэтажные здания, одноэтажные одноквартирные дома, административные, производственные, сельскохозяйственные здания и сооружения, в том числе животноводческие фермы.

Одновременно с отработкой технологии изготовления строительных изделий и конструкций на основе ГИШВ на опытной базе института Уралпром-стройНИИпроект (Свердловск) проводились крупносерийные исследования натурных образцов стеновых крупных блоков и фрагментов кладки стен из них. Было установлено, что повышение водостойкости ГИШВ-бетона в сравнении с обычным гипсобетоном проявляется в наибольшей степени не в увеличении коэффициента размягчения, а в резком, на два и более порядка, снижении показателей ползучести и росте долговременной прочности во влажном состоянии.

Результаты этих исследований стали основой для проектирования и строительства в 1976 г. первого в стране и не имеющего зарубежных аналогов завода гипсобетонных изделий в г. Красноуфимске Свердловской обл. Основную номенклатуру гипсобе-тонных изделий этого предприятия составляли крупноразмерные стеновые блоки с унифицированной толщиной 400, длиной от 800 до 3600, высотой от 800 до 1600 мм, имевшие крупные вертикальные пустоты (240x320 мм). Существенное преимущество блоков такой конструкции — возможность варьирования термического сопротивления стен за счет использования различных теплоизоляционных материалов для заполнения пустот, а также возможной облицовки наружной поверхности (кирпич, плитка, штукатурка). Из продукции завода были построены тысячи зданий различной этажности и назначения: жилые дома, общественные здания, школы, детские сады, аптеки, животноводческие комплексы, склады удобрений и зернохранилища, гаражи, мастерские ремонта сельхозтехники и др.

В настоящее время в Свердловской области не существует промышленного производства ГИШВ-бетонов. После 1995 г. в связи с падением объемов строительства и спроса на стеновые блоки завод гипсобетонных изделий прекратил их выпуск.

ГИШВ получали совместным измельчением исходных компонентов; тонина помола не более 15% остатка на сите № 02. Предел прочности при сжатии образцов ГИШВ составлял в зависимости от состава 6—10 МПа (по ГОСТ 23789-79).

В качестве заполнителя для изготовления бетонов на основе ГИШВ использовали доменный гранулированный шлак того же состава или дробленый керамзит.

Распалубку изделий производили через 20-30 мин после формования. В процессе формования имелась возможность облицовки наружной поверхности блоков керамической плиткой или получения рельефной поверхности гипсобетона различной фактуры. Термическая обработка изделий, включая сушку, технологией изготовления ГИШВ-бетонов не предусматривалась.

На основе анализа работы завода гипсобетонных изделий в г. Красноуфимске и качества выпускаемой им продукции был разработан ГОСТ 27563-87 «Блоки стеновые гипсобетонные для зданий высотой до двух этажей. Технические условия» (в настоящее время не действует на территории РФ).

Необходимо подчеркнуть, что важной особенностью технологии ГИШВ являлось изначально принятое соотношение исходных компонентов. В его составе принципиально не предусматривалось какое-либо количество портландцемента, содержащего высокоосновные алюминаты кальция, которые могли бы способствовать формированию гидросульфоалюминатов кальция различной основности. Таким образом, предполагалось создание устойчивого на длительную перспективу искусственного камня, в фазовом составе которого изначально отсутствуют термодинамически неустойчивые соединения, а фазовые переходы со временем могли бы вызвать его разупрочнение или трещинообразование.

Опытная проверка долговечности ГИШВ-бетонов

Основными факторами, обеспечивающими долговечность любого строительного объекта в соответствии с ГОСТ Р 54257-2010, являются:

- условия эксплуатации по назначению;

- влияние окружающей среды;

- свойства применяемых материалов, возможные средства их защиты от негативных воздействий среды, а также возможность деградации их свойств.

Для изделий и конструкций, изготовленных на основе смешанных (композиционных) гипсовых вяжущих, возможность деградации свойств имеет объективные предпосылки, так как механизм их твердения

Особенности технологии ГИШВ и бетонов на его основе

Составы ГИШВ, разработанные под руководством А.А. Антипина и предназначенные для промышленного производства, содержали 60—70% высокопрочного гипсового вяжущего, не более 5% молотой негашеной извести, остальное — молотый доменный гранулированный шлак с модулем основности не более 1 (табл. 1).

Жилой дом на 12 квартир в г. Березовском, Свердловская область. Здание построено из ГИШВ-бетона в 1967 г.; ремонт фасада выполнен в 2010 г.

Таблица 1

Химический состав доменного гранулированного шлака, мас. %

SiO2 A^Oa Fe2Oa CaO MgO SO3 Атпрк

36,2 17,7 0,62 37,22 5,22 0,19 0,12

Таблица 2

Характеристика некоторых обследованных строительных объектов, построенных из крупноразмерных гипсобетонных блоков

Характеристика объекта Место расположения Год постройки Примечание

Двухэтажный 8-квартирный жилой дом Свердловская область, г. Березовский, ул. Овощное отделение, д. 10 1967 Наружный ремонт выполнен в 2011 г.

Одноэтажный двухквартирный усадебный жилой дом Свердловская область, с. Патруши, ул. Колхозная, д. 21 1973 Снаружи не ремонтировался в течение всего срока эксплуатации

Двухэтажный блокированный многоквартирный жилой дом, 4 секции Свердловская область, г. Красноуфимск, ул. Дружбы, д. 17 1980 Снаружи не ремонтировался в течение всего срока эксплуатации

Двухэтажный блокированный многоквартирный жилой дом, 2 секции Свердловская область, г. Красноуфимск, ул. Дружбы, д. 19 1980 Снаружи не ремонтировался в течение всего срока эксплуатации

Таблица 3

Сравнительная характеристика среднестатистических показателей прочности ГИШВ-бетона

Класс прочности

Плотность ГИШВ-бетона* Нормируемая (требуемая) прочность, МПа (ГОСТ 27563-87, ГОСТ 18105-86)** Фактическая прочность, МПа (по контрольным образцам, ГОСТ 10180-2012)***

1200-1700 кг/м3 5-10 10-15

* В зависимости от вида заполнителя. ** Соответствует проектной; определялась в лаборатории завода гипсобетонных изделий (г. Красноуфимск, 1976-1995 гг.). *** Определена в лаборатории кафедры технологии вяжущих материалов и строительных изделий (г. Екатеринбург, Уральский федеральный университет, 2013 г.).

объединяет процессы гидратации и кристаллизации сульфатных и силикатных соединений кальция, которые при определенных условиях могут формировать деструктивно опасные фазы [15]. Многочисленные лабораторные исследования долговечности, основанные на моделировании условий воздействия окружающей среды, не могут обеспечить полной картины сложных многофакторных коррозионных процессов искусственного камня, поэтому натурные исследования объектов, эксплуатировавшихся длительный срок в реальных климатических условиях, имеют несомненную ценность.

Влияние окружающей среды для Свердловской области имеет свои особенности. Ее климат, как и всего Уральского региона, можно отнести к суровым: среднемесячная температура января составляет не менее -15оС; иногда морозы могут достигать -40оС; годовая сумма осадков — 400—500 мм, причем 60—70% из них приходится на теплый период года (часто в виде ливневых дождей); снежный покров держится в среднем 140—200 дней в году. Считается, что суровость климата в сочетании с сильными ветрами требует неизбежных дополнительных капитальных вложений при строительстве (http://www. svgimet.ru/index.php?page=prognos&pid=100013 (дата обращения 11.07.2016).

Оценку долговечности ГИШВ-бетонов проводили путем натурных обследований ограждающих стеновых конструкций десяти зданий различного назначения, построенных на территории Свердловской области в 1967—1985 гг. Характеристика некоторых объектов представлена в табл. 2.

При обследовании производили внешний осмотр зданий, визуальную оценку состояния конструкций, отбор проб (по возможности) для определения физико-механических свойств и физико-химических исследований.

Отмечено, что гипсобетонные ограждающие конструкции всех десяти обследованных зданий находятся в отличном состоянии (см. рисунок). Трещин, вызванных объемными изменениями затвердевшего камня, а также относящихся к внутреннему арматурному каркасу, не обнаружено. Отслоения, сколы, деформации отсутствуют. Все незначительные видимые дефекты, обнаруженные на некоторых объектах, относились к качеству заделки швов между блоками, т. е. к дефектам строительных работ.

На некоторых объектах были обнаружены фрагменты поверхностей гипсобетона, имевших повышенную шероховатость глубиной до 1 мм, причем только в тех случаях, где защитные покрытия стеновых конструкций отсутствовали на протяжении всего периода эксплуатации. Это свидетельствует о наличии медленно текущих процессов выветривания ГИШВ-бетонов и целесообразности защиты их наружных поверхностей.

По мнению отечественных ученых, важнейшим показателем долговечности бетонов является их морозостойкость, основанная на изменении прочностных показателей и массы образцов в процессе плановых воздействий [4]. Следует отметить, что проектная марка ГИШВ-бетонных блоков по морозостойкости (ГОСТ 27563—87) составляла F15—F35. Следовательно, можно было ожидать спустя десятилетия их эксплуатации в качестве стеновых наружных конструкций падения прочности, не превышающего 15% от исходной величины.

Результаты определения фактической прочности ГИШВ-бетона обследованных стеновых конструкций после 30—50 лет их эксплуатации показали не только высокую атмосферную устойчивость (реальную морозостойкость), но и существенное упрочнение (табл. 3).

Таким образом, выполненные исследования позволяют сделать вывод о высокой способности ГИШВ-бетонов сохранять физические свойства, установленные при проектировании и обеспечивающие нормальную эксплуатацию и заданные функции в течение практически полувекового срока службы в качестве стеновых конструкций, даже при не всегда надлежащем техническом обслуживании. Следовательно, ГИШВ-бетоны обладают высокой долговечностью и надежностью.

Список литературы

1. Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Киев: Оранта, 2004. 295 с.

2. Tang S.W., Yao Y., Andrade C., Li Z.J. Recent durability studies on concrete structure // Cement and Concrete Research. 2015. Vol. 78. Part A, pp. 143-154.

3. Glassera F.P., Marchanda Ja., Samsonc E. Durability of concrete — Degradation phenomena involving detrimental chemical reactions // Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38, pp. 226—246.

4. Янковский Л.В. Долговечность цементных бетонов в свете перехода на европейские стандарты // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 16—18.

5. Hornbostela K., Larsena C.K., Geikera M.R. Relationship between concrete resistivity and corrosion rate — A literature review // Cement and Concrete Composites. 2013. Vol. 39, pp. 60—72.

6. Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Анализ срока службы современных цементных бетонов // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. http://www.science-education. ru/ru/artic le/view?id=6559, дата обращения 11.07.2016 г.

7. Huntzingera D.N., Eatmonb T.D. A life-cycle assessment of Portland cement manufacturing: comparing the traditional process with alternative technologies // Journal of Cleaner Production. 2009. Vol. 17, pp. 668— 675.

8. Juengera M.C.G., Winnefeldb F., Provisc J.L., Idekerd J.H. Advances in alternative cementitious binders // Cement and Concrete Research. 2011. Vol. 41, pp. 1232—1243.

9. Zhang Z., Provis J., Reid A., Wang H. Geopolimer foam concrete: An emerging material for sustainable construction // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 56, pp. 113—127.

10. Sun H., Jain R., Nguyen K., Zuckerman J. Sialite technology — sustainable alternative to portland cement // Clean Technologies and Environmental Policy. 2010. Vol. 12, pp. 503—516.

11. Riechert C., Scharfe F., Fischer H.-B. Zur Eignung von Gips-Zement-Puzzolan-Bindemitteln fur Putzanwendungen. Ibausil: Tagungsband. Weimar. 2012, pp. 0432— 0441.

12. Будников П.П. Гипс, его исследование и применение. М.-Л.: Стройиздат наркомстроя. 1943. 378 с.

13. Антипин A.A. Гипсовые строительные детали для скоростного строительства // Опыт стройки. 1939. № 4. С. 43.

14. Волженский А.В. Производство известково-гипсо-вых смесей и повышение их водоустойчивости // Промышленность строительных материалов. 1940. № 10. С. 10—11.

15. Алкснис Ф.Ф. Твердение и деструкция гипсоце-ментных композиционных материалов. Л.: Стройиздат, 1988. 103 с.

Полученные результаты подтверждают правильность подхода уральской научной школы к формированию устойчивого фазового состава водостойких гипсовых вяжущих. Они свидетельствуют о высоком потенциале ГИШВ как перспективного вяжущего для создания строительных композитов конструкционного назначения, жизненный цикл которых, даже для суровых климатических условий Уральского региона, составляет не менее 50 лет. Есть основания полагать, что его фактическая величина окажется существенно выше.

References

1. Shtark I., Vikht B. Dolgovechnost' betona [Durability of concrete]. Kiev: Oranta. 2004. 295 p.

2. Tang S.W., Yao Y., Andrade C., Li Z.J. Recent durability studies on concrete structure. Cement and Concrete Research. 2015. Vol. 78. Part A, pp. 143-154.

3. Glassera F.P., Marchanda Ja., Samsonc E. Durability of concrete - Degradation phenomena involving detrimental chemical reactions. Cement and Concrete Research. 2008. Vol. 38, pp. 226-246.

4. Yankovskiy L.V. Durability of Cement Concretes in the Light of Transition of European Standards. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 1, pp. 1618. (In Russian).

5. Hornbostela K., Larsena C.K., Geikera M.R. Relationship between concrete resistivity and corrosion rate — A literature review. Cement and Concrete Composites. 2013. Vol. 39, pp. 60-72.

6. Rapoport P.B., Rapoport N.V., Polyanskiy V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V. Analysis of service life of modern cement concrete. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovani-ya. 2012. No. 4. http://www.science-education.ru/ru/ article/view?id=6559 (date of access 11.07.2016). (In Russian).

7. Huntzingera D.N., Eatmonb T.D. A life-cycle assessment of Portland cement manufacturing: comparing the traditional process with alternative technologies. Journal of Cleaner Production. 2009. Vol. 17, pp. 668-675.

8. Juengera M.C.G., Winnefeldb F., Provisc J.L., Idekerd J.H. Advances in alternative cementitious binders. Cement and Concrete Research. 2011. Vol. 41, pp. 1232— 1243.

9. Zhang Z., Provis J., Reid A., Wang H. Geopolimer foam concrete: An emerging material for sustainable construction. Construction and Building Materials. 2014. Vol. 56, pp. 113-127.

10. Sun H., Jain R., Nguyen K., Zuckerman J. Sialite technology - sustainable alternative to portland cement. Clean Technologies and Environmental Policy. 2010. Vol. 12, pp. 503-516.

11. Riechert C., Scharfe F., Fischer H.-B. Zur Eignung von Gips-Zement-Puzzolan-Bindemitteln für Putzanwendungen. Ibausil: Tagungsband. Weimar. 2012, pp. 0432-0441.

12. Budnikov P.P. Gips, ego issledovanie u primenenie [Gypsum, its study and application]. Moscow-Leningrad: Stroyizdat narkomstroya. 1943. 378 p.

13. Antipin A.A. Plaster construction details for high-speed construction. Opyt stroyki. 1939. No. 4, p. 43. (In Russian).

14. Volzhenskiy A.V. Production of limy and plaster mixes and increase of their water proofness. Promyshlennost' stroitel'nykh materialov. 1940. No. 10, pp. 10-11. (In Russian).

15. Alksnis F.F. Tverdenie i destruktsiya gipsotsementnykh kompozitsionnykh materialov [Curing and destruction plaster and cement composite materials]. Leningrad: Stroyizdat. 1988. 103 p.