Анализ осадка при взаимодействии наполненного цементного камня с солями магния

КУПРИЯШКИНА Л. И., ГАРЫНКИНА Е. Н., КУПРИЯШКИНА Е. И., СЕДОВА А. А АНАЛИЗ ОСАДКА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НАПОЛНЕННОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С СОЛЯМИ МАГНИЯ Аннотация. Показано влияние степени наполнения цеолитсодержащей породой на прочность цементного композита под воздействием сульфата магния и хлорида магния. Дан анализ показателя рН, полученного в результате взаимодействия цементных композитов с солями магния. Рассмотрено влияние агрессивной среды на содержание свободных ионов магния и кальция в фильтрате осадка.

Ключевые слова: бетон, композиционный материал, соли магния, цеолитсодержащие породы, водородный показатель, хлорид магния, сульфат магния, фильтрат, осадок, прочность, ионы.

KUPRIYASHKINA L. I., GARYNKINA E. N., KUPRIYASHKINA E. I., SEDOVA A. A.

ANALYSIS OF SEDIMENTATION AT INTERACTION OF FILLED CEMENT STONE WITH MAGNESIUM SALTS Abstract. The tests show the effect of the degree of filling with zeolite-containing rock on the strength of cement composite at interaction with magnesium sulphate and magnesium chloride. The pH value obtained as a result of the interaction of cement composites with magnesium salts is analyzed. The effect of an aggressive medium on the content of free magnesium and calcium ions in the sediment filtrate is considered.

Keywords: concrete, composite material, magnesium salts, zeolite-containing rocks, hydrogen index, magnesium chloride, magnesium sulfate, filtrate, sediment, strength, ions.

Бетон на сегодняшний день является одним из самых популярных материалов в строительстве. Ежедневно он подвергается воздействию агрессивных сред, частично или полностью разрушаясь. Соли магния MgCh и MgSO4 распространены повсеместно: сточные, грунтовые воды, морская вода и т.д. Поэтому при длительном действии этих солей возникает необратимый характер разрушения бетона. Данные соли вызывают магнезиальную коррозию:

Са(ОН)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)21;

Са(ОН)2 + MgS04 + H2O = СаS04 2 H2O + Mg(OH)21. Магнезиальная коррозия вызывает разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также выпадение осадка - гидроксида магния (рыхлой объемной массы). Все это непосредственно приводит к разрушению бетона [1].

Чтобы выявить процессы, приводящие к разрушению при действии солей магния, были проанализированы осадки, полученные при выдерживании цементного камня в растворах хлорида и сульфата магния различной концентрации в течение 7, 14, 28 суток и изменения прочности.

При проведении эксперимента использовали цементные композиты, наполненные цеолитсодержащими породами на 0; 10; 20; 30 %. Образцы помещали в емкости по 5 шт. и заливали 0,5; 1,5; 2,5 %-ным раствором хлорида магния (М^СЬ). В другом варианте - 0,5; 1,0; 1,5 %-ным раствором сульфата магния (М§Б04). Цементные композиты выдерживали в растворах солей 7; 14; 28 суток, следя за изменением концентрации ионов магния и кальция с помощью ионного анализатора Р1А-100 и за изменением водородного показателя рН. Прочность композитов испытывали на сжатие на разрывной машине Р-20 со шкалой 4 тонны. Результаты проведенного эксперимента приведены соответственно в таблицах 1, 2.

Состояние водных растворов внешней агрессивной среды и среды железобетонных конструкций (кислой рН<7; нейтральной рН=7; щелочной рН>7) оценивается через концентрацию ионов водорода с помощью водородного показателя рН, который численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода (Н+), выраженной в молях на литр:

рН = -Ьд(Н+).

В железобетонных конструкциях для бетона, имеющего щелочную среду, наиболее опасной является коррозия стальной арматуры. При снижении показателя рН ниже 11,8 в поровой жидкости бетона нарушается пассивация стали, тем самым начинает корродировать арматура. В бетоне появляются сетки трещин, поры, новообразования, позволяющие проникать агрессивным хлорид-ионам и кислороду к арматуре. Бетон начинает разрушаться. Вследствие чего мы можем утверждать, что рН-показатель является неотъемлемым элементом при оценке состояния железобетонных конструкций [2].

Анализ фильтрата в растворах хлорида (табл. 1) и сульфата (табл. 2) магния показывает, что постепенно происходит повышение рН с 6 (контрольные составы) до 8,5-10 с последующим незначительным снижением за счет выщелачивания гидроксида кальция из цементного камня.

Во время эксперимента фиксировали изменение содержания ионов магния и кальция методом ионной хроматографии. В таблицах 1 и 2 представлено динамическое изменение концентрации ионов магния при выдерживании цементного камня, наполненного ЦСП (цеолитсодержащие породы) при 10; 20; 30% и без наполнения в течение 28 суток в растворах хлорида магния с концентрацией 0,5; 1,5; 2,5%. Из таблиц видно, что реакция обмена между гидроксидом кальция и хлоридом магния зависит от концентрации соли,

степени наполнения и времени экспонирования цементного камня в растворах хлорида магния. Обменная реакция между цементным камнем без ЦСП протекает с более высокой скоростью при всех концентрациях раствора хлорида магния.

Таблица 1

Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня в растворах хлорида магния различной концентрации

Т, сут ю, % MgCl2 ю, % ЦСП Содержание ионов, мг/л Xср ± • я) / ^П , мг/л pH

Mg2+ Ca2+ SiO2  nH2O а-

14 0,5 0 1061,141 27,835 0,207 2717,608 8,460

10 878,925 26,512 0,132 2697,916 9,830

20 916,502 192,310 0,145 2693,118 8,990

30 1082,663 44,427 0,042 2720,869 9,320

1,5 0 2530,236 64,447 0,079 8486,367 8,940

10 2288,565 102,620 0,042 8232,624 8,900

20 2223,172 433,220 0,058 8635,201 9,030

30 2326,792 118,445 0,108 8509,945 8,890

2,5 0 3679,389 149,466 0,079 13514,241 8,550

10 3321,635 272,747 0,301 13513,333 9,110

20 3748,612 186,353 0,265 13993,917 9,570

30 3685,195 177,367 0,423 13802,035 9,580

28 0,5 0 1006,917 19,838 0,223 2615,999 8,790

10 816,557 16,53 0,281 2524,315 9,210

20 742,083 147,63 0,186 2673,285 9,572

30 999,826 23,496 0,127 2518,400 9,730

1,5 0 2529,255 45,641 0,089 7665,861 9,200

10 1771,166 30,52 0,113 7924,934 8,830

20 1514,278 178,66 0,081 7868,010 8,690

30 1860,404 70,045 0,116 7676,389 9,200

2,5 0 3598,633 85,247 0,292 13207,274 9,430

10 3029,991 191,382 1,113 13414,241 9,260

20 3226,918 90,791 0,494 13894,667 8,930

30 3277,710 101,313 0,464 13772,685 9,890

Введение ЦСП понижает скорость обменной реакции. Наиболее медленно реакция протекает при 30% степени наполнения. В этом случае в растворе содержится наибольшее количество свободных ионов магния. Это, вероятно, связано с понижением содержания оксида кальция в цементном камне за счет снижения доли самого цемента в бетоне (содержание СаО в портландцементе ~ 65%, в ЦСП ~ 7,2%). По результатам эксперимента можно сделать вывод, что ЦСП снижает коррозию цементного камня [3].

Таблица 2

Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня

в растворах М^04 различной концентрации

т, сут ю, % М§Б04 ю, % ЦСП Содержание ионов, мг/л Хср± • Я) / УП , мг/л рН

Мв2+ Са2+ БЮ2  ПН20 Б04-

7 0,5 0 359,786 158,511 - - 9,890

10 10,334 854,549 0,134 4469,073 9,710

20 338,860 402,591 0,116 4056,701 9,620

30 697,209 175,174 0,134 3850,515 9,710

1,0 0 2033,399 933,183 - - 9,870

10 1739,506 1346,335 0,234 9872,164 9,660

20 2182,883 416,337 0,161 8800,000 9,690

30 2776,112 268,938 0,249 7150,516 9,740

1,5 0 3245,620 2161,515 - - 9,850

10 4323,927 1329,251 0,141 17377,320 9,530

20 4541,973 534,377 0,187 15977,318 9,780

30 4757,402 409,377 0,193 16787,628 9,760

14 0,5 0 234,917 269,426 - - 9,664

10 0 980,697 0,432 3614,937 9,755

20 170,914 485,340 0,375 3770,579 9,660

30 672,469 235,217 0,381 3423,985 9,560

1,0 0 0 3991,599 - - 9,640

10 1360,306 1856,878 0,423 8003,846 9,630

20 1975,193 781,371 0,409 7345,027 9,489

30 2511,359 353,264 0,567 5581,946 9,612

1,5 0 2552,112 3142,035 - - 9,651

10 3990,893 1730,120 0,340 14097,697 9,693

20 4364,444 762,720 0,427 14034,960 9,530

30 4510,582 346,501 0,425 13452,048 9,620

28 0,5 0 61,571 149,371 0,276 2630,000 9,440

10 0 688,626 0,549 2163,074 9,365

20 0 347,931 0,551 3204,124 9,162

30 516,308 48,323 0,959 2832,990 9,180

1,0 0 0 3406,131 0,249 6997,938 9,220

10 479,821 1846,652 0,471 5925,773 9,210

20 1332,631 917,253 0,429 6255,670 8,980

30 2052,792 401,561 0,648 4564,94 9,010

1,5 0 2216,620 2028,277 0,212 10750,515 9,040

10 2788,775 1949,610 0,491 10255,670 9,060

20 2983,746 706,724 0,462 9810,684 9,200

30 4146,798 271,895 0,549 9224,742 9,030

В таблицах 1 и 2 показано изменение концентрации ионов кальция при выдерживании цементного камня с различным содержанием ЦСП. Концентрация свободных ионов кальция увеличивается в зависимости от доли ЦСП в цементном камне. Самая низкая концентрация ионов кальция наблюдается в растворе при контакте с цементным камнем со степенью наполнения 30%.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что обменная реакция между гидроксидом кальция и сульфатом магния протекает медленно. При степени наполнения ЦСП на 30% свободных ионов магния в растворах больше, чем с более низкой степенью наполнения.

Прослеживается взаимосвязь содержания свободных ионов магния в растворе с содержанием ионов кальция. С увеличением концентрации ионов магния уменьшается содержание ионов кальция. На указанную взаимосвязь оказывает влияние степень наполнения цементного камня ЦСП. Чем больше степень наполнения, тем меньше оксида кальция в цементном камне и тем больше свободных ионов магния в растворе.

Параллельно с анализом фильтратов осадков была определена прочность образцов на сжатие. Результаты эксперимента показали, что наиболее высокой прочностью обладают цементные композиты, наполненные ЦСП на 20% - 41,4 МПа, выдержанные в 1,5% растворе хлорида магния. С повышением концентрации хлорида магния до 2,5% наблюдали понижение прочности до 37,8 МПа. Ненаполненные композиты при всех изученных концентрациях хлорида магния показали более низкую прочность. Степень наполнения композитов ЦСП оказывает заметное влияние на прочность, так же, как и концентрация агрессивной среды [4-6].

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: цеолитсодержащие породы можно использовать в качестве наполнителя в цементное вяжущее для получения химически стойких железобетонных конструкций. Согласно полученным результатам в системе «цементный камень - хлорид магния» степень наполнения цементного камня при 10 и 20% наиболее эффективна в плане повышения прочности и коррозионной стойкости. Более низкой прочностью обладают композиты, выдержанные в системе «цементный камень - сульфат магния». Экспериментальные данные показали, что при повышении степени наполнения ЦСП до 30% и выше прочность цементных композитов понижается. Введение цеолитсодержащих наполнителей позволяет уменьшить корродируемость арматуры в железобетонных конструкциях, работающих в агрессивных средах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Барбакидзе Б. Ш. Долговечность строительных конструкций и сооружений из композиционных материалов. - М.: Стройиздат, 1993. - 256 с.

2. Куприяшкина Л. И., Гарынкина Е. Н., Куприяшкина Е. И. Влияние цеолитсодержащих пород на рН-показатель бетонов // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. - С. 273-275.

3. Баландина А. В., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Савинова О. Н., Седова А. А., Селяев В. П. Влияние концентрации солей магния на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой [Электронный ресурс] // Огарев-online. -2016. - № 19. - Режим доступа: http://joumal.mrsu.ru/arts/vliyanie-koncentracii-solej-magniya-na-prochnost-cementnogo-kamnya-napolnennogo-ceolitsoderzhashhej-porodoj.

4. Куприяшкина Л. И., Седова А. А., Куприяшкина Е. И., Гарынкина Е. Н. Действие магнезиальных солей на наполненные цементные композиты // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, д.т.н. профессора Соломатова В.И. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. - С. 59-64 .

5. Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К. Комплексное изучение процессов повреждения цементного камня растворами карбоновых кислот// Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2013. - № 8. - С. 34-41.

6. Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Куприяшкина Е. И. Изучение процессов повреждения цементного камня, наполненного цеолитосодержащей породой, растворами хлористоводородной кислоты // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2014. - № 7. - С.32-38.