CC BY
172
УДК 691.327:620.1
М. В. Яковлева (к.т.н., проф., зав. каф.), Ю. Ф. Юсупова (ст. преп.)
Исследование структуры бетона, пропитанного органическими средами
Самарский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра городского строительства и хозяйства 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, тел. (846) 3391497, факс (846) 3330649, e-mail: rekonstrukzia@mail.ru
M. Yakovleva, Yu. F. Yusupova
Examination the structure of concrete, impregnated by the organic media
Samara State University of Architecture and Civil Engineering 194, Molodogvardeyskaya Str., 443001, Samara, Russia; р^ (846) 3391497, fax (846) 3330649; e-mail: rekonstrukzia@mail.ru
Рассматриваются вопросы изменения эксплуатационных качеств бетона железобетонных конструкций при воздействии минеральных масел. Анализируются причины снижения прочности бетона под их влиянием. Приводятся результаты натурных и лабораторных исследований в рамках указанной проблемы. Рентгенофазо-вые и оптико-микроскопические исследования промасленного бетона не выявили в нем новообразований.
Ключевые слова: бетон; диагностика; конструкции; коррозия; минеральные масла.
The problems of functional changing of concrete of reinforced concrete constructions under the impact of mineral oils are examined. The parents of concrete's hardness decrease are analysed. The results of full-scale and laboratory investigations within the posted research are given. X-ray phase and optic-microscopic examination of the oiled concrete doesn't reveal new growths.
Key words: diagnostic; concrete; constructions; corrosion; mineral oil.
Сохранность строительного фонда и эффективность его технической эксплуатации зависит, в первую очередь, от умения определить техническое состояние конструкций, своевременно обнаружить в них дефекты и повреждения, правильно оценить опасность и выработать рациональные способы их устранения.
Определяющим фактором снижения долговечности зданий и сооружений является наличие агрессивной среды, вызывающей коррозионные повреждения материала конструкций. Несмотря на значительный объем исследований в этом направлении, производственная практика показывает необходимость совершенствования методов диагностики поврежденных коррозией конструкций.
Актуальными остаются вопросы оценки состояния и восстановления промасленных железобетонных конструкций. Известно, что
Дата поступления 28.04.09
при длительном воздействии некоторых нефтепродуктов прочность бетона может снижаться до 30% от первоначальной, а сцепление с гладкой арматурой — до 70% 1.
Опыт обследования и экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений показывает, что подобная форма коррозии достаточно широко распространена в производственной практике. Попадание нефтепродуктов на строительные конструкции возможно при эксплуатации объектов теплоэнергетики, металлообработки, машиностроения, нефтехимии и нефтепереработки.
Практически на любом предприятии со станочным и машинным оборудованием применяют минеральные масла: индустриальные, моторные, турбинные, компрессорные, трансмиссонные. При систематическом попадании их на железобетонные конструкции происходит изменение физико-механических свойств бетона и возникает вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации.
Вопросы диагностики технического состояния неравномерно промасленных конструкций решались при обследовании здания масло-хозяйства ОАО «Куйбышевский НПЗ», мас-лоподвала завода «Металлург», насосного отделения цеха №7 ООО «Самараоргсинтез», отделения полимеризации цеха Е-1 ООО «То-льяттикаучук» и других объектов.
В частности, сотрудниками научно-исследовательской лаборатории университета проводилось обследование технического состояния промасленных конструкций производственного здания Станкозавода. Необходимость технической диагностики была вызвана предполагаемой реконструкцией цеха под торговый центр.
Монолитное железобетонное перекрытие толщиной 18 см выполнено из тяжелого бетона М300, на карбонатном заполнителе, армировано сеткой из стали класса А1 диаметром 10 мм. За более чем тридцатилетний период эксплуатации перекрытие было промасленно насквозь.
Из конструкции перекрытия были извлечены образцы-пробы, из которых изготовлены стандартные кубики. Сцепление арматуры с бетоном было полностью нарушено, сетка легко отделялась от бетона руками.
Испытания бетона проводились механи-
2
ческим разрушающим методом на гидравлическом прессе ЗИМ МС-500. Средняя прочность образцов составила 100 кг/см2. По результатам обследования был сделан вывод, что за тридцать лет эксплуатации под действием индустриальных масел прочность бетона снизилась в три раза.
Природа снижения физико-механических характеристик бетона под влиянием минеральных масел объясняется следующим 3.
Некоторые жидкости, содержащие поверхностно-активные вещества, способны понижать прочность цементных бетонов. Поверхностно-активными являются углеводородные молекулы, в которых содержатся полярные группы, в том числе гидроксил-, карбоксил-, метиловая, аминогруппа.
Молекулы ПАВ под действием сил капиллярного давления проникают в устья микротрещин, адсорбируются на поверхностях микродефектов, снижая свободную энергию твердого тела за счет снижения сил межмолекулярного притяжения. Такое взаимодействие создает в устьях пор и микротрещин предварительное расклинивающее напряжение. Этот процесс снижает величину усилия, необходимого для дальнейшего развития микродефекта и величину энергии, затрачиваемой на эти цели.
Минеральные масла состоят в основном из смеси нафтеновых, ароматических и парафиновых углеводородов, не обладающих полярными свойствами^.
Для увеличения маслянистости, смачивающей способности и вязкости масел в них оставляются при очистке 1.0—1.5 % кислород-, серо- или азотосодержащих смол. Молекулы нефтяных смол по Барнету и Хилмену 5 имеют следующее строение (рис. 1).
СН3
СН3
Л
О БСЫ)
Рис. 1. Молекулы нефтяных смол
Содержащиеся в минеральных маслах смолы состоят, как правило, из циклических углеводородов, имеющих в своем составе кислород, азот и серу, причем кислород является необходимой составной частью таких смол, а сера и азот могут взаимозаменять друг друга.
При недостаточном количестве смол в маслах в них вводят антиокислительные, противоизносные, антикоррозионные присадки, специально на базе гетероциклических (Ы, О, Б) углеводородов 9. Смолы и присадки улучшают качество минеральных масел, например, снижают влияние изменений температуры на их вязкость.
Смолы, присадки и асфальтены, содержащиеся в маслах, обладают сильно полярными свойствами. Поверхностно-активные вещества накапливаются в теле бетона, заполняя микродефекты, и со временем снижают его прочность.
Агрессивность нефтепродуктов по отношению к бетону определяется концентрацией в них поверхностно-активных веществ. При пропитке бетона легкими нефтепродуктами (бензином, керосином, вазелиновым маслом), не содержащими ПАВ, снижения прочности бетона не происходит.
Наиболее агрессивны по отношению к бетону отработанные минеральные масла. После прохождения технологического цикла концентрация ПАВ в маслах резко возрастает за счет дополнительного образования асфальто-смо-листых веществ.
Изменение эксплуатационных характеристик бетона под действием минеральных масел объясняется современной структурной теорией механики разрушения бетона 6 как чисто физи-
ческое явление, связанное накоплением микродефектов структуры и последующей деградацией упаковки, без каких-либо химических преобразований.
Однако на практике на бетон попадают отработанные масла, которые могут содержать конечные и промежуточные продукты окисления 4, которые в условиях контакта с цементным камнем теоретически могут вступать с ним в химическое взаимодействие.
Сравнительный анализ структуры бетона,
пропитанного «свежим» и отработанным мас-
3 7
лом, ранее не проводился .
В рамках исследований по данной тематике проведен рентгенофазовый и электронно-микроскопический анализ структуры промасленных образцов 8. Подготовлены образцы из тяжелого бетона класса В25 и В7.5 на гранитном заполнителе: контрольные, находившиеся в нормально-влажностных условиях; насыщенные «свежим» минеральным маслом И20А; пропитанные отработанным минеральным маслом.
Задача исследований состояла в выявлении возможных новообразований в цементном камне бетона.
Метод рентгеновской дифрактометрии позволяет по интенсивности дифракционных отражений на рентгенограмме качественно оценить минеральный состав цемента и продуктов его гидратации. Рентгеновские исследования проводились на аппарате ДРОН-2.0 в CoKa-излучении при ускоряющемся напряжении U=20 кВ, силе тока 1=20 мА, скорость вращения счетчика 2 град/мин.
На дифрактограммах (рис. 2) представлены интерференционные пики, которые являются отражением рентгеновских лучей от определенных атомных плоскостей кристалла. На дифрактограмме фиксируются углы отражения 20. Через каждый двойной угол отражения прибор фиксирует вертикальную метку. Зная углы отражения для каждого инференци-онного пика, можно определить межплоскост-
d о
ные расстояния —, А между атомными плоскостями вещества. Согласно уравнению Вуль-фа-Брегга:
d _ Я n 2 sin в
где Я — длина волны рентгеновского излучения; в — угол отражения рентгеновских лучей.
Сравнивая межплоскостные расстояния с табличными, устанавливается, какому интерференционному пику соответствует межплоскостное расстояние и определяется фаза.
Изменение фазового состава цементного камня бетона после выдержки в разных средах оценивали качественным сравнением интенсивности главных линий отдельных минералов на дифрактограммах.
Цементный камень обычного бетона содержит трехкальциевый алюминат, свободный гидроксид кальция и большое количество других гидратированных соединений кальция.
Дифрактограммы 1 и 6 (рис. 2) показывают, что клинкерные минералы контрольных образцов находятся в основном в гидратиро-ванном состоянии, что подтверждается отсутствием на них интерференционных пиков алита и белита. Хорошо выражены отражения гид-
о
роксида кальция 1.918 А .
По сравнению с контрольным, промасленный цементный камень характеризуется меньшей степенью гидратации клинкерных минералов, судя по наличию интерференционных пиков алита и белита. На дифрактограммах 2, 3, 4, 5 показаны отражения, характерные для негидратированных клинкерных минералов: алита - 1.778, 1.760, 1.755; белита - 2.856,
2.871 А .
В промасленном цементном камне также содержится кристаллический портландит
о
(2.628 А - дифрактограмма 2; 2.630 - дифрак-
о
тограмма 3; 2.634 А - дифрактограмма 4).
Дифрактограммы показывают примерно одинаковое содержание кальцита (3.025; 2.490; 2.275; 2.283; 2.124; 2.122) как в промасленных, так и в контрольных образцах.
Судя по интенсивности и качеству отражений негидратированных клинкерных минералов, хуже всего идут процессы гидратации при насыщении цементного камня бетона неотработанным минеральным маслом. «Свежее» минеральное масло, обладая меньшим по сравнению с водой краевым углом, вытесняет влагу из пор и капилляров, прекращая процессы гидратации.
Отработанные минеральные масла, имея большую вязкость по сравнению со «свежими», медленнее диффундируют в тело бетона. При этом в изолированных маслом объемах происходит более интенсивное образование гидросиликатов кальция.
Электронно-микроскопический анализ структуры промасленного бетона классов В7.5
Рис. 2. Дифрактограммы цементного камня бетона: 1 — контрольный образец бетона класса В25; 2 — бетон класса В25, пропитанный «свежим» маслом И20А; 3 — бетон класса В7.5, пропитанный «свежим» маслом И20А; 4 — бетон класса В25, выдержанный в отработанном масле; 5 — бетон класса В7.5, выдержанный в отработанном масле; 6 - контрольный образец бетона класса В7.5
и В25 выполнен на электронном микроскопе Intel-Play QX3 с 60-кратным увеличением. Установлено, что насыщение цементного камня бетона класса В 7.5 и В25 (рис. 3а) «свежим» маслом равномерное. Более вязкое отработанное минеральное масло, заполняет круп-
ные поры и капилляры плотного бетона класса В25, четко прослеживается фронт его диффузии (рис. 3б). Структура бетона В7.5 крупнопористая, рыхлая, заполнение микродефектов цементного камня «свежим» и отработанным маслом равномерное. Крупный заполнитель во
а
б
в
Рис. 3. Структура промасленного бетона: а — пропитанная «свежим» маслом; б — пропитанная отработанным минеральным маслом; в — концентрация масла в зоне контакта крупного заполнителя и цементного камня
всех образцах находится в ненасыщенном состоянии.
При промасливании тяжелого бетона на гранитном заполнителе часть флюида концентрируется в зоне контакта цементного камня и крупного заполнителя (рис. 3в). Ядра гранита покрыты масляными пленками и достаточно легко отделяются от растворной составляющей; при испытаниях таких бетонов установлено, что они разрушаются по цемент-
ному камню или по зоне контакта с крупным заполнителем.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
♦ ренгенофазовые и оптико-микроскопические исследования не выявили новообразований в промасленном бетоне;
♦ в цементном камне замедляются или прекращаются процессы гидратации из-за изоляции воды масляными пленками;
♦ хуже всего идут процессы гидратации при пропитке бетона «свежим» маслом;
♦ характер насыщения бетона определяется структурой упаковки и вязкостью флюида;
♦ гранитный заполнитель находится в ненасыщенном состоянии;
♦ часть флюида концентрируется на границе крупного заполнителя с матрицей, снижая тем самым адгезионную прочность контактного слоя.
Литература
1. Васильев Н. М. Влияние нефтепродуктов на прочность бетона // Бетон и железобетон.— 1981.- №3.- С. 36.
2. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.- М., 1991.- 35 с.
Васильев Н. М. Влияние минеральных масел на физико-механические свойства бетона и его защита: Автореф. дис. ... канд. техн. наук.— М.: НИИЖБ, 1966.- 16 с.
Топлива. Смазочные материалы. Технические жидкости. Справочник/ Под ред. В. М. Школьникова.- М.: Техинформ, 1999.- 596 с.
Саид Мохамад Саид. Влияние нефтепродуктов на эксплуатационные свойства бетона и железобетона.- М.: ВНИИНТПИ, 2003.- 29 с.
Комохов П. Г., Попов В. П. Энергетические и кинетические аспекты механики разрушения бетона / П. Г. Комохов, В. П. Попов.- Самара: Изд-во Самарского филиала секции «Строительство» РИА, 1999.- 111 с.
Саратов А. Д. Физико-химические особенности соединимости бетона, подвергавшегося воздействию минеральных масел: Дис. ... канд. техн. наук.- Харьков, 1986.- 174 с. Горшков В. С., Тимашев В. В, Соловьев В. Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ.- М.: Высшая школа, 1981.- 335 с.
3
4
5
6
7
8
