CC BY
19УДК 691.33
В.В. РУСИНА, канд. техн. наук, Е.В. КОРДА, С.А. ЛЬВОВА, инженеры (smit@brstu.ru), Братский государственный университет (Иркутская обл.)
Коррозионная стойкость мелкозернистых бетонов на основе техногенного сырья
Сегодня одним из возможных путей обеспечения многих объектов строительства недорогими, но эффективными коррозионно-стойкими материалами является их производство на бесцементной основе. Так, например, известно, что высокой стойкостью к воздействию самых различных агрессивных сред обладают щелочные и щелочно-щелочноземельные, в том числе шлакоще-лочные, вяжущие вещества. К этому следует добавить, что такие материалы базируются на максимальном использовании промышленных отходов, что делает их применение еще более выгодным [1].
В условиях Братска актуально вовлечение в строительное производство таких многотоннажных промышленных отходов, как микрокремнезем Братского завода ферросплавов (БЗФ), зола-унос сухого отбора ТЭЦ-7 «Иркутскэнерго» и отвальная золошлаковая смесь (ЗШС) ТЭЦ-6 «Иркутскэнерго». В настоящее время это техногенное сырье не находит рационального применения и удаляется в отвалы, усугубляя экологическую напряженность в городе.
На основе вышеперечисленных отходов получены жидкое стекло (из микрокремнезема); золо- и золошла-кощелочные вяжущие вещества (ЗЩВ и ЗШЩВ) из жидкого стекла и соответственно золы-уноса и молотой отвальной ЗШС [2—4].
Цель настоящей работы — создание на основе ЗЩВ и ЗШЩВ с использованием жидкого стекла из микрокремнезема коррозионно-стойких бетонов.
Как известно, определенное влияние на показатели качества и долговечности бетона оказывает заполнитель. Помимо известных требований к заполнителям для бетона считается целесообразным ограничивать размер заполнителя 10—20 мм или применять мелкозернистые бетоны, так как крупный заполнитель уменьшает сопротивляемость бетона усталостному разрушению при воздействии различных факторов, вызывающих неоднородное поле внутренних напряжений и темпера-турно-влажностные градиенты и деформации. Поэтому исследования проводили на мелкозернистых бетонах, в которых в качестве заполнителя использовался песок из отсевов от дробления диабазовых масс на щебень с Мк = 2,6. Коррозионная стойкость изучалась на образцах-балочках размером 4x4x16 см, изготовленных из растворных смесей состава зола или молотая ЗШС:песок из отсевов диабаза = 1:3. Твердение образцов происходило при тепловлажностной обработке в течение 10 часов при температуре изотермической выдержки 85оС. Эксперименты проводились с использованием 3 и 5% раствора H2S04, 0,1% раствора HCl и 5% раствора Na2SO4.
Оценка коррозионной стойкости по изменению прочности при сжатии, будучи пригодной для исследования коррозии I и II видов, по В.М. Москвину, не является основным критерием при коррозии III вида [5, 6]. В связи с этим коррозионная стойкость исследуемых бетонов оценивалась по коэффициенту химиче-
ской стойкости (Кхст.) — изменению предела прочности при изгибе (отношение предела прочности при изгибе образцов, находящихся в агрессивной среде, к пределу прочности при изгибе образцов, находящихся в воде) по формуле:
„агр.среда _ ^изг
к.
„во;
В результате выполненных экспериментов установлена достаточно высокая коррозионная стойкость исследуемых мелкозернистых золо- и золошлакощелоч-ных бетонов на жидком стекле из микрокремнезема. На протяжении всего исследуемого периода (30, 90, 180 и 360 сут) для всех исследуемых сред коэффициент химической стойкости составил более 0,8.
Стойкость к действию различных агрессивных сред изучаемых бетонов связана не только с высокой коррозионной стойкостью используемого заполнителя — песка из отсевов от дробления диабаза, но главным образом с химическим составом вяжущих и характером цементирующих новообразований. Так, с помощью электронно-микроскопического, рентгенофазового и дифференциально-термического анализа установлено, что в продуктах твердения щелочных вяжущих на жидком стекле из микрокремнезема отсутствует свободная известь, выщелачивание которой приводит к разрушению цементного камня на основе портландцемента, а также высокоосновные гидросиликаты кальция, способствующие сульфатной коррозии бетонов, содержащих портландцемент. Поэтому значения коэффициента стойкости исследуемых материалов в 5% растворе Nа2SО4 достаточно высоки и составляют 0,85-1,1.
При действии слабых растворов кислот на образцы золо- и золошлакощелочных бетонов происходит частичная нейтрализация свободной натриевой щелочи, содержащейся в жидком стекле и не связанной гидрат-ными новообразованиями, и, как следствие, замедление диффузии растворов кислот в глубь образцов. Кислоты, нейтрализуя имеющуюся в теле вяжущих свободную щелочь, почти не затрагивают при этом новообразований, обладающих к тому же малой растворимостью и высокой прочностью. При этом сам коррозионный процесс происходит в поверхностных слоях бетона. Что касается несколько больших показателей (К- = 0,91,15) коррозионной стойкости бетонных образцов в растворе серной кислоты (по сравнению с соляной, где К- = 0,85-,98), то, возможно, это связано с дополнительной сульфатной активизацией золошлаковых компонентов вяжущих и различной растворимостью продуктов коррозии.
Как известно, основными факторами, определяющими стойкость бетонов к действию агрессивных сред, являются: устойчивость структурообразующих продуктов гидратации вяжущего; плотность цементного камня и бетона; способность к частичному или полному вос-
fj научно-технический и производственный журнал
® август 2011 29~
Таблица 2
Влияние вида заполнителя на кислотостойкость (5% раствор Н^04) золощелочного бетона
Таблица 1
Влияние типа микрокремнезема на кислотостойкость (5% раствор Н2SO4) золощелочного бетона
Тип микрокремнезема Содержание в микрокремнеземе примесей (С+SiС), мас. % Свойства бетона
Сразу после ТВО После ТВО и дальнейшего испытания на кислотостойкость
Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Кислотостойкость (Кх.с.)
I 4,85 + 6,2 = 11,05 8,2 29,2 7,9 33,6 1,1
II 5,25 + 5,4 = 10,65 6,3 27,8 6,5 32,3 0,97
III 4,25 + 4,8 = 9,05 6,1 26,5 6 31,7 0,93
IV 7 + 1,9 = 8,9 5,8 24,6 5,6 31 1,17
V* 0 5,2 21,3 4,8 24,7 0,84
* Данные по промышленному жидкому стеклу из силикат-глыбы (не содержит примесей графита и карборунда).
Свойства бетона Вид заполнителя
Шлаковая составляющая ЗШС Песок из отсева от дробления диабаза
Сразу после ТВО: - предел прочности при изгибе, МПа - предел прочности при сжатии, МПа 5,1 18,9 5 24,5
После ТВО и дальнейших испытаний на кислотостойкость: - предел прочности при изгибе, МПа - предел прочности при сжатии, МПа - коэффициент химической стойкости 6,1 29,4 1,15 4,7 20,5 0,98
Примечание. Состав бетонов, свойства и расход жидкого стекла в обоих случаях одинаковы.
становлению разрушений за счет дальнейшей гидратации непрореагировавших частиц вяжущего [5,6].
Щелочные и щелочно-щелочно-земельные вяжущие, а также бетоны на их основе отличаются высокой плотностью и гомогенностью затвердевшего камня, особенностями пористой структуры — преобладанием гелевых пор и микропор сферической формы [1]. Безусловно, эти факторы также оказывают на коррозионную стойкость исследуемых бетонов немаловажное влияние. Однако при этом не следует забывать, что вяжущие на жидком стекле из микрокремнезема БЗФ существенно отличаются от известных [7] — содержат в своем составе мельчайшие кристаллические частицы графита (С) и карбида кремния ^С) [2,3,8]. Результаты экспериментов, представленные в табл. 1, свидетельствуют о том, что примеси, содержащиеся в жидком стекле из микрокремнезема, не только не снижают, но даже способствуют повышению коррозионной стойкости золощелочно-го бетона. Как известно, одной из основных теоретических предпосылок прочности, коррозионной стойкости и долговечности строительных композитов является создание оптимальной микроструктуры цементного камня, уменьшение пористости и повышение трещино-стойкости за счет направленного применения минеральных наполнителей. В исследуемых материалах для активного управления структурой бетонных смесей и коррозионно-стойких бетонов используются примеси жидкого стекла — частицы графита и карбида кремния. Обладая высокой химической стойкостью в самых различных средах, С и SiС являются тонкой составляющей твердой фазы коррозионно-стойких бетонов, выполняя роль коррозионно-стойкого микронаполнителя. Поэтому вполне очевидно, что частицы графита и кар-
борунда, располагаясь в порах вяжущего, создают тем самым физическую структуру цементного камня и, обладая к тому же высокой химической стойкостью, они способствуют повышению коррозионной стойкости исследуемого бетона. Причем, как видно, с увеличением суммарного содержания С и SiС коррозионная стойкость бетона к действию 5% раствора Н2SО4 возрастает. Исключение составляет лишь бетон на жидком стекле из микрокремнезема IV типа. В этой связи необходимо обратить особое внимание на высокую химическую стойкость графита, благодаря чему он традиционно используется в качестве наполнителя в химически стойких материалах.
Таким образом, выполненные эксперименты показали, что мелкозернистые бетоны на основе ЗЩВ и ЗШЩВ с использованием жидкого стекла из микрокремнезема обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью в самых различных агрессивных средах, что обусловлено особенностями химического состава и характера цементирующих новообразований, поровой структурой вяжущих, а также наличием примесей жидкого стекла. Присутствие последних способствует более быстрому формированию низкоосновных гидросиликатов кальция и цеолитоподобных новообразований, уменьшению пористости материала, а их высокая химическая стойкость придает бетонам повышенную коррозионную стойкость.
Между тем известно, что наиболее уязвимым местом всех композиционных материалов является контактная зона вяжущее—заполнитель. Именно с контактной зоны начинается проникновение агрессивных сред в глубь материала и его разрушение. На наш взгляд, весьма эффективным является использование в качестве заполнителя
30
научно-технический и производственный журнал
август 2011
шлаковой составляющей отвальной ЗШС (табл. 2). Вполне очевидно, что при замене коррозионностойкого, но инертного заполнителя (песок из отсева дробления диабаза) на химически активный (шлак ЗШС) происходит активное взаимодействие жидкого стекла с частицами заполнителя по поверхности, так как шлак представляет собой алюмосиликатное сырье, как и зола, используемая в качестве компонента вяжущего. В результате этого заполнитель плавно переходит в цементную матрицу, а контактная зона как таковая отсутствует. К этому следует добавить, что по контактной зоне дополнительно формируются химически стойкие низкоосновные гидросиликаты кальция и цеолитоподобные новообразования, что способствует уплотнению структуры бетона и снижению его проницаемости. Физико-химические процессы твердения вяжущих систем приводят к образованию прочного конгломерата сложного химического состава с капиллярно-пористой структурой цементного камня, обладающего высокоразвитой поверхностью новообразований, в значительной степени определяющего интенсивность коррозионных процессов между внешней средой и бетоном. Поэтому коэффициент химической стойкости золощелочного бетона на основе шлакового заполнителя составляет более 1.
Экономическая эффективность производства изделий из разработанных бетонов заключается в замене дальнепривозного и высокоэнергоемкого жидкого стекла из силикат-глыбы на менее энергоемкое жидкое стекло из микрокремнезема, снижении трудо- и мате-риалозатрат. Производство предлагаемых материалов и изделий не вызывает дополнительных загрузок межрегиональных транспортных линий, поскольку все сырьевые компоненты являются местными материалами. Более того, это многотоннажные промышленные отходы, которые на сегодняшний день мало где применяются (как правило, вывозятся в отвалы). При этом
для «производителей» отходов устраняется необходимость бюджетных платежей за образование и размещение отходов, повышается рентабельность основного производства. Для потребителей отходов снижается себестоимость материалов, расширяется номенклатура, повышается качество продукции. Для населения — улучшается экологическая обстановка в городе.
Ключевые слова: коррозионная стойкость, жидкое стекло, микрокремнезем, примеси, графит, карборунд, заполнитель, коэффициент химической стойкости, мелкозернистые золо- и золошлакощелочные вяжущие.
Список литературы
1. Глуховский В.Д. Щелочные вяжущие системы // Цемент. 1990. № 6. С. 3-7.
2. Русина В.В. Жидкое стекло из микрокремнезема // Изв. вузов. Строительство. 2004. № 9. С. 122-125.
3. Русина В.В., Тарасова Н.Ю. Сравнительная оценка микрокремнезема различных полей // Изв. вузов. Строительство. 2007. № 10. С. 86-93.
4. Русина В.В., Грызлова Е.О. Особенности состава и свойств отвальной золошлаковой смеси // Строительные материалы. 2009. № 5 / Результаты научных исследований. С. 62-64.
5. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Госстройиздат, 1952. 342 с.
6. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
7. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла: Жидкое стекло. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд., 1991. 176 с.
8. Русина В.В. Закономерности формирования состава и свойств микрокремнезема // Бетон и железобетон. 2009. № 3. С. 20-23.
ГОРОД ншк
ЯШШТСТ'ПТТГ
ВАШ КОНСУЛЬТАНТ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
строительно монтажные и ремвнтноотделочныв работы;
об а рудо вон не длл строительства и ремонта, материалы, инструменты:
архитектурные проекты н ландшафтный дизайн:
системы во до- и теплоснабжения, кондиционеры, сантехника.
рптол
" ¡¿¡И И. м. иашгтна. Зй. теп. (££ЗГСБй-77-бВ. |нп1«|М! ивмлшяпо.пг. шнн.ийми1ен[ш.п:
BbZKO
bsr-iÄS
Cj научно-технический и производственный журнал
® август 2011 31
