CC BY
61
УДК 666.97
Е.Л. Королева, Е.Г. Матвеева, О.В. Науменко, Т.Н. Нырикова
ФГБОУ ВПО «БГИТА»
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОГО БЕТОНА В СРЕДЕ СТОЧНЫХ ВОД
Приведены результаты исследований влияния различных видов модификаторов на коррозионную стойкость модифицированных бетонов в агрессивной среде сточных вод. Дана характеристика агрессивной среды. Спроектированы составы модифицированных бетонов с оптимальной поровой структурой.
Ключевые слова: бетон, коррозионная стойкость, долговечность, суперпластификатор, микрокремнезем.
Увеличение долговечности бетонов в условиях агрессивных сред сточных вод возможно путем проектирования многокомпонентных составов с различными добавками. Их применение приводит к образованию нерастворимых кристаллических комплексов, ликвидирующих дефектность структуры, повышая плотность, прочность и морозостойкость конструкций.
Целью работы являлось проектирование составов многокомпонентных бетонов с оптимизированной поровой структурой для резервуаров очистных сооружений с последующим исследованием их стойкости в условиях агрессивной среды.
В работе проводились исследования коррозионной стойкости тяжелого бетона на портландцементе М 500 Д0 ОАО «Мальцовский портландцемент», кварцевом песке Мкр = 1,6 и гранитном щебне фракции 10...20 с добавками микрокремнезема в качестве микродисперсного наполнителя, углерод-кремнеземистой добавки (УКД) — в качестве ультрадисперсного компонента и пластификаторами Muroplast FK63 и Sika H20E.
Измерение мезо- и макропор диаметром от 0,0055 до 360 мкм проводили на ртутном порозиметре AutoPore IV 9500. Рентгенофазовый анализ исследуемых образцов проводили на дифрактометре ARL X'TRA фирмы Thermo Scientific (Швейцария).
Для моделирования условий эксплуатации образцы-кубики модифицированных бетонов в возрасте 28 сут естественного твердения подвергались действию агрессивной среды (табл. 1) в течение 1 года при пониженной температуре (+4±2 °С) и при повышенной (+20±2 °С) с целью выявления особенности линейных деформаций. После каждого цикла — 3 месяцев, образцы испыты-вались на сжатие.
Табл. 1. Агрессивность среды сточных вод
Соединения Содержание, мг/л Степень агрессивности рН
SO4 2- 980 Слабоагрессивная 7,8
HSO3 490
СО2 (свободный) 32
NH 4 43
ВЕСТНИК
МГСУ-
2/2013
Как видно из табл. 1, среда характеризуется высоким содержанием сульфат-ионов и свободного СО2. Известно, что сульфат-ионы способны вступать во взаимодействие с алюминатной фазой цемента с образованием крупнокристаллических соединений — экспансивных фаз, что приводит к деструктивным процессам [1]. Высокое содержание сульфатов в среде приводит к развитию коррозии третьего вида, однако внутренним источником может быть сам заполнитель [2—5]. К новообразованиям цементного камня, характеризующимся экспансивным характером, относятся эттрингит и таумасит, которые, образуясь в свежеприготовленной бетонной смеси, не являются причиной его разрушения [6, 7]. Интенсивность деструктивных процессов, происходящих в результате образования вторичного эттрингита, зависит от концентрации реагирующих компонентов на участках структуры бетона и кристаллической формы новообразований. Сульфатная коррозия в данном случае происходит за счет взаимодействия гидроалюминатов кальция и моносульфата с образованием эттрингита и в присутствии карбонат-иона — с образованием таумасита. Процентные соотношения этих кристаллических фаз зависят от внешних условий, воздействующих на систему: при понижении температуры интенсифицируется образование таумасита, при увеличении — эттрингита [8—10]. На рис. 1, 2 приведены особенности линейных деформаций модифицированных бетонов при пониженной и повышенной температурах.
4,5
& о
3,5 3
& 2,5
-с
Я
«
о
м
к ^
2 1,5 1
0,5 0
Контрольный состав Состав с УКД Состав с МК Состав с Б1ка Состав с Б1ка, МК
6 9
Месяцы испытания
5
4
Рис. 1. Линейные деформации модифицированных бетонов при кристаллизации таумасита
Установлено, что деструкция образцов бетона в агрессивной среде сточных вод при образовании таумасита проходит менее интенсивно, чем при образовании эттрингита.
Оптимизация структуры бетона достигается путем проектирования состава с плотной упаковкой компонентов. Применение микродисперсного кремнезема обусловливает получение бетона с высокой стойкостью к сульфатной и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, низкой водопроницаемостью. Применение пластификаторов позволяет снизить В/Ц до 0,4 в композициях при равной подвижности с контрольным составом.
Контрольный состав Состав с УКД Состав с МК Состав с Sika Состав с Sika, МК
6 9
Месяцы испытания
Рис. 2. Линейные деформации модифицированных бетонов при кристаллизации эттрингита
Составы модифицированных бетонов из равноподвижных смесей и их свойства представлены в табл. 2 и 3.
Табл. 2. Составы модифицированных бетонов
№ состава Цемент, кг Песок, кг Щебень, кг Вода, л Микрокремнезем, % УКД, % Sika H20E
1 400 670 1280 180 — — —
2 400 670 1280 175 — 5 —
3 400 670 1280 185 10 — —
4 400 670 1280 168 — — 1
5 400 670 1280 175 10 — 1
Табл. 3. Свойства бетонов
№ состава Предел прочности при сжатии, МПа Марка по водонепроницаемости Водопоглощение, %
1 42 W8 7
2 56 W8 5
3 46 W8 5
4 82 W12 3
5 86 W12 3
Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми микрочастицами и частицами добавки УКД, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости, увеличению плотности, прочности и проницаемости бетона (рис. 3, 4).
ВЕСТНИК
МГСУ-
2/2013
Log Differential Intrusion
Log Differential Intrusion vs Pore s
Cumulative Intrusion
1,000
Pore size Diameter (nm)
Рис. 3. Гистограмма распределения пор по размерам, нм, контрольного образца цементного камня (пористость 24 %)
Log Differential Intrusion
Log Differential Intrusion vs Pore size
Cumulative Intrusion
/
у /
1 1 1
1,000 100 Pore size Diameter (nm)
Рис. 4. Гистограмма распределения пор по размерам, нм, модифицированного образца цементного камня состав 6 (пористость 12,7 %)
Ликвидация макропор осуществляется за счет повышения плотности упаковки компонентов при снижении В/Ц, использовании микрокремнезема, заполнение мезо-пор осуществляется новообразованиями за счет взаимодействия УКД с основными клинкерными минералами. Качественный состав новообразований цементной матрицы модифицированных бетонов (табл. 4) подтверждает их высокие прочностные характеристики.
Табл. 4. Новообразования в системе цемент-микрокремнезем^ка 20 НЕ через 28 сут твердения
10
0.04
0.05
3.03
0.04
0.03
0.02
0.02
0.01
0.01
10
Новообразования (d, нм) Высота пиков, см
Портландит (0,49) 0,6
Эттрингит (0,56) 0,9
CSH I (1,25.. .1,29) 2,8
CSH II (9,8.9,9) 2,4
C3S (0,274.0,284) 1,3
Микрокремнезем (МК) приводит к преобладанию в цементном камне гидросиликатов кальция пониженной основности, более стойких к снижению щелочности среды при хранении в сточных водах, и катализации процесса гидратации.
Потеря прочности бетонов в агрессивной среде приведена на рис. 5.
Прочность до испытания
Прочность после 3х месяцев испытания
Прочность после 6 месяцев испытания
Прочность после 12 месяцев испытания
Рис. 5. Прочностные показатели образцов бетона после испытания коррозии агрессивной среды сточных вод
Высокая прочность и низкая пористость образцов бетона, модифицированного добавкой Sika 20 HE и совместно с микрокремнеземом, обеспечивает высокую коррозионную стойкость в агрессивной среде с высоким содержанием сульфат- и карбонат-ионов. Таким образом, коэффициент коррозионной стойкости в условиях агрессивной среды сточных вод у модифицированных с помощью Sika и МК образцов повышается на 29 %.
Вывод. Установлено, что разрушение бетона происходит более интенсивно при сниженной температуре в агрессивной среде сточных вод, что вызвано интенсификацией при этих условиях образования вторичного эттрингита.
Спроектированы составы тяжелого бетона, модифицированного добавками, обладающие наилучшими показателями коррозионной стойкости в условиях коррозии третьего вида.
Библиографический список
1. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В.М. Москвин, Ф.М. Иванов, С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев. М. : Стройиздат, 1980.
2. Clark L. Thaumasite form of sulfate attack // Concrete International. Vol. 22, № 2, February 1999. Pp. 37—40.
3. Жуков Ю.А. Влияние гидроокиси кальция на развитие деструктивных процессов в бетоне при щелочной коррозии : автореф. ... канд. техн. наук. Л. : ЛИИЖТ, 1972. 19 с.
4. Stark J. Alkali-Kieselsäure-Reaktion. F.A. Finqer Institute für Baustoffkunde. 2008. 139 p.
5. Stanton T. E. Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate. Proc., Amer. Soc. Civ. Eng., 1940. Pp. 1781—1811.
ВЕСТНИК ofon, ~
2/2013
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation — A Holistic Approach and New Hypothesis // Concrete International. Vol. 21, № 1, January 1999. Pp. 69—74.
7. ШтаркЙ., Больманн К., Зайфарт К. Является ли эттрингит причиной разрушения бетона? // Цемент и его применение. 1998. № 2. С. 13—22.
8. Базанов С.М. Механизм разрушения бетона при воздействии сульфатов // Строительные материалы. 2004. № 9. С. 46—48.
9. Stanton T.E. Influence of cement and aggregate on concrete expansion. Engineering News Record, Feb., № 1, 1940.
10. Midness S., Young J.F., Darwin D. Concrete. 2nd Ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ. 2002. Pp. 142—154.
Поступила в редакцию в ноябре 2012 г.
Об авторах: Королева Елена Леонидовна — кандидат технических наук, доцент кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, korol63@mail.ru;
Матвеева Елена Геннадьевна — кандидат технических наук, ассистент кафедры производства строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, molekulka.22@mail.ru;
Науменко Ольга Викторовна — студент, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, naum32@mail.ru;
Нырикова Татьяна Николаевна — студент, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), г. Брянск, проспект Ст. Димитрова, д. 3, tata32@mail.ru.
Для цитирования: Исследование коррозионной стойкости модифицированного бетона в среде сточных вод / Е.Л. Королева, Е.Г. Матвеева, О.В. Науменко, Т.Н. Нырикова // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 101—107.
E.L. Koroleva, E.G. Matveeva, O.V. Naumenko, T.N. Nyrikova
STUDY OF CORROSION RESISTANCE OF MODIFIED CONCRETE IN THE SEWAGE MEDIUM
The objective of the research project was to design multi-component concrete with an optimized pore structure designated for sewage water treatment facilities. It was followed by the study of their stability in aggressive environments. Measurement of meso-pores and macropores with diameters of 0.0055 to 360 mcm was taken using AutoPore IV 9500 porosimeter. X-ray analysis of samples was performed using diffractometer ARL X'TRA produced by Thermo Scientific (Switzerland). Modified 28-day concrete cubes were exposed to aggressive environments for 1 year at low (+4 ± 2 °C) and high temperatures (+20 ± 2 °C) to identify their linear deformation characteristics. Compressive strength of samples was tested upon completion of each three-month period.
The authors have found out that degradation of concrete samples in the corrosive environment of waste waters accompanied by generation of thaumasite is less intensive than that in the waste waters that have ettringite generated. Thus, the authors have discovered that the lower the temperature of the aggressive environment of the waste water, the more intensive the formation of ettringite that causes destruction of the concrete. Optimization of the concrete structure is attained through the optimization of the concrete composition. Application of fine-grained silica causes generation of concrete that is highly resistant to the aggressive effects of sulfates and chlorides.
Key words: concrete, nanoscale additives, corrosion resistance, durability, super-
plasticizer, silica fume.
References
1. Moskvin V.M., Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Korroziya betona i zhelezobe-tona, metodyikh zashchity [Corrosion of Concrete and Reinforced Concrete; Methods of Their Protection]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1980.
2. Clark L. Thaumasite Form of Sulfate Attack. Concrete International. Vol. 22, no. 2, February 1999, pp. 37—40.
3. Zhukov Yu. A. Vliyanie gidrookisi kal'tsiya na razvitie destruktivnykh protsessov v betone pri shchelochnoy korrozii [Influence of Calcium Hydroxide onto Development of Degenerative Processes in the Concrete Exposed to Alkaline Corrosion]. Leningrad, LIIZhT Publ., 1972, 19 p.
4. Stark J. Alkali-Kieselsäure-Reaktion. F.A. Finqer Institute für Baustoffkunde, 2008, 139 p.
5. Stanton T. E. Expansion of Concrete through Reaction between Cement and Aggregate. Proc., Amer. Soc. Civ. Eng., 1940, pp. 1781—1811.
6. Collepardi M. Damage by Delayed Ettringite Formation — a Holistic Approach and New Hypothesis. Concrete International. Vol. 21, no. 1, January 1999, pp. 69—74.
7. Shtark Y., Bol'mann K., Zayfart K. Yavlyaetsya li ettringit prichinoy razrusheniya betona? [Is Ettringrite the Reason for Concrete Destruction?] Tsement i ego primenenie [Cement and Its Application]. 1998, no. 2, pp. 13—22.
8. Bazanov S.M. Mekhanizm razrusheniya betona pri vozdeystvii sul'fatov [Pattern of Concrete Destruction in the Event of Exposure to Sulfates]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2004, no. 9, pp. 46—48.
9. Stanton T.E. Influence of Cement and Aggregate on Concrete Expansion. Engineering News Record, Feb., no. 1, 1940.
10. Midness S., Young J.F., Darwin D. Concrete. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2002, pp. 142—154.
About the authors: Koroleva Elena Leonidovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Production of Building Structures, Bryansk State Academy of Engineering Technology (BSAET), 3 prospekt St. Dimitrova, 241037, Bryansk, Russian Federation; korol63@mail.ru;
Matveeva Elena Gennad'evna — Candidate of Technical Sciences, assistant lecturer, Department of Production of Building Structures, Bryansk State Academy of Engineering Technology (BSAET), 3 prospekt St. Dimitrova, 241037, Bryansk, Russian Federation; mole-kulka.22@mail.ru;
Naumenko Ol'ga Viktorovna — student, Bryansk State Academy of Engineering Technology (BSAET), 3 prospekt St. Dimitrova, 241037, Bryansk, Russian Federation; naum32@mail.ru;
Nyrikova Tat'yana Nikolaevna — student, Bryansk State Academy of Engineering Technology (BSAET), 3 prospekt St. Dimitrova, 241037, Bryansk, Russian Federation; tata32@mail.ru.
For citation: Koroleva E.L., Matveeva E.G., Naumenko O.V., Nyrikova T.N. Issledovanie korrozionnoy stoykosti modifitsirovannogo betona v srede stochnykh vod [Study of Corrosion Resistance of Modified Concrete in the Sewage Medium]. Vestnik MGSu [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 101—107.
