Перспективы применения композиционных вяжущих при производстве железобетонных изделий

УДК 691.316

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

© Н.И. Алфимова1, В.С. Лесовик2, А.В. Савин3, Е.Е. Шадский4

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

В настоящее время наблюдается переориентация промышленности строительных материалов на бетоны с пониженным расходом цемента. Это обусловлено тем, что на первое место в мире выходят экологически чистые технологии. Композиционные вяжущие, в которых доля клинкерной составляющей (30-90%) заменена на кремнеземсодержащее сырье, можно по праву отнести к таким инновационным материалам. Однако ряд причин, в частности недостаточная изученность влияния композиционных вяжущих на процессы коррозии арматуры, сдерживает их широкое применение. Целью данного исследования явилось изучение пассивирующих свойств бетона на композиционных вяжущих по отношению к арматуре. В качестве объектов исследования выступали вяжущие низкой водопотребности и тонкомолотые многокомпонентные цементы, изготовленные с применением кварцевого песка и отсева дробления кварцитопесчаника. Исследования проводились с помощью метода снятия потенциодинамических поляризационных кривых. Полученные данные позволили сделать вывод о наличии первоначальных защитных свойств у исследуемых вяжущих по отношению к стальной арматуре. Также были установлены определяющие рецептурные факторы, оказывающие первостепенное влияние на коррозию арматуры. Табл. 1. Библиогр. 20 назв.

Ключевые слова: коррозия; железобетон; композиционные вяжущие; техногенное сырье; анодные поляризационные кривые.

COMPOSITE BINDER APPLICATION PROSPECTS IN MANUFACTURING REINFORCED CONCRETE PRODUCTS N.I. Alfimova, V.S. Lesovik, A.V. Savin, E.E. Shadsky

Shukhov Belgorod State Technological University, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.

Today building materials industry is reorienting into low-cement concretes. This is due to the fact that environmentally friendly technologies are taking the central stage in the modern world. Composite binders, in which silica-containing raw materials have substituted the proportion of a clinker component (30-90%), can be referred to these innovative materials. However, a number of reasons, including insufficient knowledge about the influence of composite binders on reinforcing bar corrosion, limits their widespread use. In this connection, the purpose of the study is to examine the passivating properties of composite binder concrete as related to reinforcing bars. The objects of the study are low water binders and fine ground multi-component cements produced with the use of quartz sand and quartzitic sandstone screening. The study applies the method of potentiodynamic polarization curve recording. The data received allow to derive a conclusion that binders under investigation obtain the property to be initial protective for steel reinforcement. Formulation factors that have the primary effect on reinforcement corrosion have been identified as well. 1 table. 20 sources.

Key words: corrosion; reinforced concrete; composite binders; technogenic raw materials; anodic polarization curves.

Введение

В настоящее время актуальным направлением в строительстве является использование максимально экологически чистых технологий, сущность которых

заключается в снижении энергозатрат на производство, а также повышение качества конечного продукта, использование техногенного сырья и т.д. При этом в литературе широко используются понятия «зеленый

1Алфимова Наталия Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, тел.: 89205602511; e-mail: alfimovan@mail.ru

Alfimova Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials Science, Products and Structures, tel.: 89205602511 ; e-mail: alfimovan@mail.ru

2Лесовик Валерий Станиславович, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительного материаловедения, изделий и конструкций, тел.: (4722) 558201; e-mail: naukavs@mail.ru

Lesovik Valery, Corresponding Member of Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Building Materials Science, Products and Structures, tel.: (4722) 558201; e-mail: naukavs@mail.ru

3Савин Алексей Владимирович, соискатель кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, тел.: (4722) 558201.

Savin Aleksei, Competitor for a scientific degree of the Department of Building Materials Science, Products and Structures, tel.: (4722) 558201.

Шадский Евгений Евгеньевич, студент, тел.: (4722) 558201. Shadsky Evgeny, Student, tel.: (4722) 558201.

бетон» и «зеленое строительство». В США и Европе к таким видам относят бетоны, в которых расход цемента снижен на 50-60%. Предприятия, занимающиеся выпуском таких бетонов, имеют значительные налоговые льготы.

К инновационным материалам, которые могут лечь в основу создания «зеленого бетона» также можно отнести композиционные вяжущие (КВ), такие как тонкомолотые многокомпонентные цементы (ТМЦ), и вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), в которых доля клинкерной составляющей (от 10 до 70%) может быть заменена на кремнеземистое сырье природного или техногенного происхождения [1-7 и

др.].

Выявлено, что применение композиционных вяжущих приводит к изменению микроструктуры и состава новообразований. При этом уменьшается не только капиллярная пористость, но и размер новообразований, состав гидросиликатов кальция, уменьшается количество микротрещин при твердении системы [8].

Установлено, что в качестве сырья для получения КВ целесообразно применять определенные горные породы. Из пород магматического происхождения -эффузивные стекловатой структуры, метаморфических - кварцсодержащие породы зеленосланцевой степени метаморфизма, осадочных - силициты из зоны диагенеза и раннего катагенеза и др. [9]. Это позволило разработать широкую номенклатуру композиционных вяжущих и бетонов на их основе: мелкозернистых [2; 3; 8], высокопрочных [10], ячеистых [1113], силикатных [14; 15 и др.] и фибробетонов [16-19 и др].

К сожалению, необходимо отметить, что при производстве железобетонных изделий данный вид вяжущего не нашел широкого применения. Это обусловлено в первую очередь тем, что вопросы коррозионного поведения стальной арматуры в бетонах с использованием ТМЦ и ВНВ, в которых доля клинкерного компонента составляет менее 50%, недостаточно изучены.

В то же время вопросы качества и долговечности строительных конструкций как в техническом, так и в экономическом аспекте привлекают все большее внимание строителей. Это обусловлено тем, что по разным статистическим оценкам от 15 до 75% конструкций подвергаются воздействию агрессивных сред, около 30% из них требуются защиты, и от 5 до 10% строительных конструкций ежегодно выходят из строя. Очевидно, что во многих случаях экономически оправдано увеличение первоначальных затрат на изготовление конструкций и их надежную защиту, если это позволяет сократить количество и стоимость ремонтов в процессе эксплуатации [20]. В особенности это относится к железобетонным конструкциям из бетонов на КВ, в которых стальная арматура может быть хорошо защищена бетоном, а последнему можно придать значительную стойкость при попеременном замораживании и оттаивании, намокании и высушивании.

Таким образом, коррозионная стойкость и долго-

вечность железобетонных конструкций на КВ является важнейшей проблемой. Ее решение будет способствовать увеличению срока службы конструкций в частности и зданий и сооружений в целом.

Развитие теории коррозии и защиты арматуры в железобетонных конструкциях получило широкое освещение в работах как отечественных (В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, В.С. Артамонов, В.И. Бабушкин, Ю.М. Баженов, Ф.М. Иванов, Н.К. Розенталь и др.), так и зарубежных авторов (Р. Шалон, В. Штельзел, К. Шираяма и др.). Известны также работы, посвященные вопросам коррозионной стойкости арматуры в бетонах на смешанных вяжущих.

Как известно, скорость коррозии стали в бетоне зависит от степени агрессивности воды - среды, которая для этого случая может оцениваться рН, и содержанием кислорода. Длительная устойчивость стали в плотных цементных бетонах обеспечивается пассивностью железа в щелочных электролитах, щелочность которых должна иметь водородный показатель рН > 11,8.

Пассивная пленка на стали разрушается при снижении рН поровой жидкости бетона, например вследствие взаимодействия портландита с углекислым газом, наличия в бетоне активных заполнителей, нейтрализующих гидроксид кальция, а также при присутствии (в количестве более критического) хлоридов и сульфатов.

Исходя из того, что в состав композиционных вяжущих вводится кремнеземистый компонент, который связывает гидроксид кальция с образованием дополнительных низкоосновных гидросиликатов, можно сделать предположение, что наряду с упрочнением структуры бетона также инициируется снижение щелочности его жидкой фазы. Это может снижать пассивирующие свойства бетона на КВ по отношению к стальной арматуре.

Целью данного исследования являлось выявление способностей композиционных вяжущих первоначально пассивировать стальную арматуру.

Методы исследования

Оценка защитных свойств композиционных вяжущих по отношению к стальной арматуре проводилась в соответствии с ГОСТом Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» путем снятия потенциодинамиче-ских поляризационных кривых. Сущность данной методики основана на оценке пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре и получении зависимости плотности электрического тока от электрического потенциала стальной арматуры (по-тенциодинамический метод) или значения потенциала стальной арматуры в бетоне от плотности тока (гальванодинамический метод) и сравнении полученных результатов с установленными критическими значениями.

При погружении стального электрода в раствор электролита ионы железа переходят в раствор (анодный процесс). Эквивалентное количество электронов освобождается в металле. На границе металла и жидкости образуется двойной электрический слой, блоки-

рующий дальнейшее растворение металла. Избыточные электроны восстанавливают ионы деполяризатора (катодный процесс), равновесие в двойном слое нарушается, и некоторое количество ионов железа вновь переходит в раствор. Если бетонный образец с заделанным в него стальным электродом погрузить в электролит и включить в электрическую цепь, то, поддерживая определенную величину потенциала, можно наблюдать за изменением тока в цепи, то есть за скоростью электрохимического процесса (потенциостати-ческий метод). Поляризационная кривая «ток - потенциал» характеризует зависимость скорости электрохимического процесса на поверхности электрода от потенциала, наложенного от внешнего источника тока. Если образец выдерживают при каждом выбранном значении потенциала до стабилизации тока, то получают потенциодинамическую кривую.

С увеличением плотности протекающего через электрод тока потенциал катода становится отрицательнее первоначального значения, а потенциал анода - положительнее. Смещение потенциала при изменении тока характеризует катодную или анодную поляризуемость электрода. По степени поляризуемости электрода можно судить о скорости протекания коррозионного процесса. Если поляризуемость электрода небольшая, то и коррозионный процесс тормозится мало. Когда же небольшому увеличению тока соответствует значительное смещение потенциала, это свидетельствует о том, что коррозионный процесс сильно тормозится.

Для испытания в суспензиях из композиционных вяжущих готовились пасты нормальной консистенции. Очищенный и обезжиренный ацетоном стержень погружался в суспензию и анодно поляризовался. Затем определялась площадь коррозионных поражений.

Результаты и обсуждения

В качестве объектов исследования при проведении экперимента были рассмотрены тонкомолотые многокомпонентные цементы и вяжущие низкой водо-потребности с использованием отсевов дробления кварцитопесчаника Лебединского горно-

обогатительного комбината (ТМЦ-50 (КВП), ВНВ-50 (КВП)) и кварцевого песка (ТМЦ-50 (П), ВНВ-50 (П)), а также портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н Белгородского цементного завода (контрольный состав). В качестве суперпластификатора для изготовления ВНВ использовалась добавка «Полипласт СП-1» в количестве 0,7% от массы цемента. Изготовление композиционных вяжущих осуществлялось путем совместного помола всех компонентов в шаровой лабораторной мельнице до удельной поверхности порядка 500 м2/кг. Данный способ изготовления позволяет активизировать не только клинкерную составляющую портландцемента, но и дополнительно повысить активность кремнеземистого компонента за счет его частичной аморфизации.

Выбор кремнеземистых компонентов был обусловлен тем, что отсев дробления кварцитопесчаника является генетически активированным сырьем в сравнении с кварцевым песком и, как следствие, способен

более полно связывать выделяющийся в процессе гидратации портландит, тем самым снижая щелочность среды и защитные свойства бетона по отношению к арматуре.

Для испытаний готовились растворы на чистых композиционных вяжущих (без заполнителей), а также растворы с соотношением вяжущих к песку 1:2 и 1:3 по массе.

Анодные поляризационные кривые стали снимали сразу после тепловлажностной обработки (по режиму 3+6+3 при температуре изотермической выдержки f = 80°С) и после шести месяцев попеременного увлажнения и высушивания. Это было обусловлено тем, что бетоны на вяжущих, изготовленных с использованием кремнеземистых компонентов, рациональнее всего использовать после пропаривания, помимо этого защитные свойства бетона, прошедшего тепловую обработку, ниже свойств твердеющего в нормальных условиях бетона.

Согласно СТ СЭВ 4421-83 критерием оценки защитного действия бетонов по отношению к стальной арматуре является плотность тока при потенциале Е = 300 мВ. В таблице приведены результаты испытаний состояния стали в пастах и песчаных растворах на композиционных вяжущих. Как видно из данных таблицы, значение плотности тока в стали не опускается ниже критического - 10 мкА/см2, при этом величина стационарного потенциала у всех композиционны вяжущих в исходном состоянии не превышает -400 мВ, это свидетельствует о том, что исследуемые КВ обладают первоначальным защитным свойством по отношению к стальной арматуре.

Необходимо отметить, что значения плотности тока в стали для вяжущих низкой водопотребности ниже, чем для тонкомолотых многокомпонентных цементов, что обусловлено большей плотностью защитного слоя, создаваемого ВНВ. Данный вывод подтверждается исследованием микростуктуры образцов композиционных вяжущих, согласно которому в ТМЦ-50 среди негидратированной цементирующей массы наблюдаются зерна негидратированных клинкерных минералов, дисперсность которых достигает 100-200 мкм, а преобладающий размер агрегатов - 50-80 мкм. Зерна песка в основном имеют размеры до 50 мкм, встречаются зерна с размером до 100-150 мкм. Для ВНВ-50 характерна более однородная, компактная и слитная тонкодисперсная структура, это обусловлено введением в систему суперпластификатора, что положительно сказывается на процессе помола (оптимизирует гранолометрию), а также способствует снижению количества воды затворения.

Показатели рН композиционных вяжущих незначительно ниже показателей рН портландцемента, однако находятся в пределах, обеспечивающих пассивность стали (более 11,80). При этом коррозионные поражения стали в композиционных вяжущих отсутствуют. Необходимо отметить, что с увеличением расхода мелкого заполнителя в смеси наблюдается снижение значений рН, эта закономерность сохраняется и после шести месяцев испытаний.

Результаты испытаний состояния стали в пастах и песчаных растворах

на композиционных вяжущих

Вид вяжущего Соотношение «вяжущее: песок» Стационарный потенциал Ест, мВ Плотность тока при Е = 300 мВ Площадь коррозии 5, % Значение рН

исходное состояние 6 мес. испытаний исходное состояние 6 мес. испытаний исходное состояние 6 мес. испытаний исходное состояние 6 мес. испытаний

ЦЕМ I 42,5 Н чистое вяжущее -260 -280 6,4 4,8 0 0 12,46 12,33

1:2 -340 -120 4,5 3,2 0 0 12,28 12,18

1:3 -310 -80 7,7 2,7 0 0 12,25 12,14

ЦЕМ I 42,5 Н + СП1 чистое вяжущее -210 -180 6,3 3,3 0 0 12,57 12,43

1:2 -290 -60 7,1 5,8 0 0 12,41 12,36

1:3 -260 -40 3,4 1,8 0 0 12,22 12,18

ТМЦ-50 (КВП) чистое вяжущее -230 -420 8,5 6,2 0 0 12,32 12,16

1:2 -210 -58 5,7 4,2 0 0 12,28 12,07

1:3 -180 -120 3,8 2,4 0 0 12,18 11,98

ВНВ-50 (КВП) чистое вяжущее -220 -380 9,1 11,3 0 0 12,18 12,11

1:2 -280 -240 7,0 1,8 0 0 12,08 12,01

1:3 -180 -220 5,5 2,7 0 0 12,05 11,97

ТМЦ-50 (П) чистое вяжущее -350 -260 7,8 7,1 0 0 12,18 12,06

1:2 -360 -380 7,3 4,6 0 0 12,11 12,01

1:3 -280 -110 5,7 3,5 0 0 12,03 11,96

ВНВ-50 (П) чистое вяжущее -380 -440 4,4 2,7 0 0 12,24 12,11

1:2 -200 -360 5,1 5,3 0 0 12,13 12,0

1:3 -190 -380 7,2 4,5 0 0 12,01 11,91

Таким образом, при проектировании состава бетона большое значение будет играть расход композиционного вяжущего, количество которого в смеси должно обеспечивать значения рН не ниже критических значений, обеспечивающих пассивность стали.

Выводы

Анализ полученных данных показал, что исследуемые композиционные вяжущие, изготовленные с использованием кварцевого песка и отсевов дробления кварцитопесчаника, обладают первоначальным защитным свойством по отношению к стальной арматуре, что подтверждается значениями плотности тока в стали и стационарного потенциала. При этом большое значение имеет общий расход вяжущего в смеси, с

уменьшением которого снижается рН, что может стать основной причиной коррозии арматуры.

Повысить защитные свойства композиционных вяжущих можно также за счет введения при помоле суперпластификатора, который оптимизирует грану-ломитрия вяжущих, что положительно сказывается на структуре цементного камня, плотности защитного слоя и, как следствие, коррозионной стойкости арматуры.

Работа выполнена в рамках реализации гранта Президента Российской Федерации МК-5667.2013.8 и программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.

Статья поступила 03.04.2014 г.

Библиографический список

1. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использова- технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 3. ния отходов производства керамзита в строительном мате- С. 21-24.

риаловедении // Вестник Белгородского государственного 2. Влиянии генезиса минерального наполнителя на свойства

композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 1. С. 91-94.

3. Использование композиционных вяжущих для повышения долговечности брусчатки / В.С. Лесовик [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 4. С. 52-54.

4. Лесовик В.С., Агеева М.С., Иванов А.В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 29-32.

5. Рациональные области использования сырья угольных разрезов / Е.И. Ходыкин [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 125-128.

6. Фомина Е.В., Кожухова М.И., Кожухова Н.И. Оценка эффективности применения алюмосиликатной породы в составе композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 5. С. 31-35.

7. Обогащение как способ повышения эффективности использования техногенного сырья в качестве компонента композиционных вяжущих / М.С. Шейченко [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 1. С. 16-21.

8. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих техногенных песках: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05. Белгород, 2009. 402 а

9. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород. М.: Изд-во АСВ, 2006. 526 с.

10. Высококачественные бетоны на техногенном сырье для ответственных изделий и конструкций / Л.А. Сулейманова [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2008. № 4. С. 34-37.

11. Сулейманов Л.А., Жерновский И.В., Шамшуров А.В. Специальное композиционное вяжущее для газобетонов неавтоклавного твердения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

2012. № 1. С. 39-45.

12. Сулейманова Л.А., Кара К.А. Оптимизация состава неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 2. С. 28-30.

13. Ячеистые бетоны с использованием попутнодобываемых пород Архангельской алмазоносной провинции / А.Н. Волод-ченко [и др.] // Известия вузов. Строительство. 2007. № 2. С. 13-18.

14. Техногенное сырье для силикатных материалов гидра-тационного твердения / С.И. Алфимов [и др.] // Современные наукоемкие технологии. 2006. № 2. С. 59-60.

15. Володченко А.Н., Ходыкин Е.И., Строкова В.В. К проблеме использования попутно добываемого сырья угольных месторождений для производства автоклавных силикатных материалов // Технология бетонов. 2013. № 6 (83). С. 40-41.

16. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

2013. № 1. С. 37-40.

17. Лесовик Р.В., Клюев С.В. Фибробетон на композиционных вяжущих и техногенных песках Курской магнитной аномалии для изгибаемых конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 3 (29). С. 41-47.

18. Отходы горнодобывающего производства как сырье для производства мелкозернистого бетона, армированного фибрами / А.В. Клюев [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 1. С. 81-84.

19. Перспективы повышения эффективности фибробетонов за счет применения композиционных вяжущих / Я.Ю. Вишневская [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 35-37.

20. Степанова В.Ф. Теоретические основы и практическое обеспечение сохранности арматуры в бетонах на пористых заполнителях: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.05. М., 2003. 268 а

УДК 316.334.56: 711

«ПРЕСЛЕДУЮЩАЯ» ДИНАМИКА В ПРОЦЕССЕ АГЛОМЕРИРОВАНИЯ © С.Е. Бегеза1

Центральный научно-исследовательский и проектный институт по градостроительству Российской академии

архитектуры и строительных наук,

119331, Россия, г. Москва, пр. Вернадского, 29.

Выдвигается положение о том, что в процессе агломерирования внутренняя динамика в развитии крупного города вызывает изменения динамики его взаимодействия с ближайшим окружением в этом же направлении, но с некоторой задержкой. Подчеркивается, что такая «преследующая» динамика характерна интеграционным процессам как таковым, будь то внутригородские или агломерационные. Отмечаются проблемы протекания агломерационного процесса в условиях Иркутска. Эмпирической базой служат данные авторского социально -пространственного обследования городов Иркутска, Шелехова и Ангарска, проведенного в сентябре-октябре 2013 г., в сопоставлении с подобными проведенными ранее исследованиями городов Москвы, Таллина, Новосибирска.

Табл. 3. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: процесс агломерирования; интеграционный; интегративный; преследующая динамика; агломерация; город; социально-пространственный; социология города; урбанология; урбанизация.

1Бегеза Сергей Евгеньевич, младший научный сотрудник отдела урбанологии, тел.: 89684906959, e-mail: s.y.begeza@yandex.ru

Begeza Sergey, Junior Researcher of Urbanology Department, tel.: 89684906959, e-mail: s.y.begeza@yandex.ru