CC BY
8УДК 691.328.1
В.С. ЛЕСОВИК, член-корр. РААСН, д-р техн. наук, А.В. САВИН, инженер,
Н.И. АЛФИМОВА, А.В. ГИНЗБУРГ, кандидаты техн. наук,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Оценка защитных свойств бетона из композиционных вяжущих по отношению к стальной арматуре
В результате нерационального и некомплексного освоения недр в ХХ столетии образованы десятки тысяч техногенных месторождений рыхлого зернистого сырья, которые изменили геоморфологию земной поверхности, привели к нарушению гидрогеологического строения территорий. При добыче и переработке полезных ископаемых, дроблении пород на щебень образуются большие объемы техногенного песка, складирование которого требует значительных площадей, что приводит к изменению рельефа, нарушению инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий размещения хранилища отходов.
Ранее были предложены способы повышения эффективности мелкозернистого бетона и композиционных вяжущих за счет рационального использования энергетики техногенных песков [1—4]. Многообразие размеров и форм частиц дезинтегрированного сырья
приводит к разнообразию физико-химических условий синтеза новообразований [5, 6], которые могут оказывать влияние на долговечность и защитные свойства бетона на основе композиционных вяжущих с использованием техногенных кремнеземных компонентов по отношению к арматуре. Вопрос этот столь важен, что зачастую может стать основным при определении областей их применения, так как имманентным свойством таких вяжущих является связывание гидроксида кальция активными составляющими минеральных компонентов с образованием преимущественно низкоосновных гидросиликатов. Этот процесс наряду с упрочнением структуры бетона инициирует также снижение щелочности его жидкой фазы. Известно, что щелочность жидкой фазы обычного бетона обеспечивается в основном только клинкерным компонентом вяжущего.
Таблица 1
Расход вяжущего, кг/м3 -Естац, мВ i при Е=300 мВ, мкА/см2 Е через 2 мин, мВ Площадь коррозии, % рН жидкой фазы
28 сут 3 мес 6 мес 28 сут 3 мес 6 мес 28 сут 3 мес 6 мес 28 сут 3 мес 6 мес 28 сут 3 мес 6 мес
ЦЕМ I 42,5 Н
220 270 250 210 5,8 5,3 4,4 +110 +100 +180 0 0 0 12,25 12,38 12,27
300 300 240 390 6,2 5,9 3,5 +90 +40 +170 0 0 0 12,14 12,11 12,16
380 380 320 270 6,9 5,1 2,8 +80 +60 +100 0 0 0 12,15 12,23 12,25
460 460 300 340 7,1 7,4 5,3 +50 +80 +150 0 0 0 12,32 12,49 12,51
ТМЦ-50 (КВП)
220 340 200 360 4,9 2,5 2,9 +60 +50 +30 0 0 0 12,19 12,08 11,82
300 260 430 340 6,1 2,7 1,9 +80 +80 +120 0 0 0 12,13 12,35 12,06
380 200 430 410 6,2 3,1 3,2 +150 +140 +120 0 0 0 12,09 12,3 12,13
460 290 340 380 5,7 4,6 2,9 +70 +90 +110 0 0 0 12,38 12,42 12,25
ВНВ-50 (КВП)
220 260 230 280 3,1 2,3 3,3 +100 +70 +30 0 0 0 12,43 12,31 12,13
300 330 260 170 4,9 2,2 1,9 +80 +60 +100 0 0 0 12,24 12,27 12,1
380 370 310 280 6,9 3,9 4,5 +100 +150 +120 0 0 0 12,32 12,03 11,96
460 340 240 190 4,1 3,9 3,7 +80 +100 +120 0 0 0 12,28 12,24 12,19
ТМЦ-50 (П)
220 380 360 210 4,5 7,8 3,8 +100 +70 +30 0 2 7 12,23 12,04 11,62
300 410 340 200 5,9 3,2 1,7 +80 +80 +110 0 0 0 12,03 11,98 11,95
380 360 310 170 3,9 4,0 1,1 +40 +60 +190 0 0 0 12,19 12,18 12,1
460 330 300 180 7,1 1,9 2,4 +30 +50 +100 0 0 0 12,2 12,15 12,04
ВНВ-50 (П)
220 350 330 180 5,1 4,4 3,8 +30 +40 +60 0 0 0 12,33 12,24 12,09
300 340 290 150 5,3 3,8 3,5 +10 +20 +50 0 0 0 12,26 12,17 12,14
380 300 280 110 3,4 2,9 2,3 +30 +50 +100 0 0 0 11,28 12,21 12,11
560 380 320 120 4,7 4,2 2,9 +40 +60 +120 0 0 0 12,24 12,21 12,19
56
научно-технический и производственный журнал
июль 2013
jVJ ®
Таблица 2
Вид вяжущего Расход вяжущего, кг/м3 Соотношение вода/вяжущее □ 28н.т псж Глубина карбонизации, мм Эффективный коэффициент диффузии, Д10-4, см2/с Период нейтрализации защитного слоя, годы
20 мм 30 мм
ЦЕМ I 42,5 Н 220 0,95 18,3 4,5 1,25 54 >100
300 0,7 29,5 3,2 0,53 98 >100
380 0,55 42,6 1,3 0,18 >100 >100
460 0,45 55,7 0,5 0,03 >100 >100
ТМЦ-50 (КВП) 220 0,9 16,1 26,5 21,5 4 9
300 0,65 24,7 12,8 6,8 8 19
380 0,5 32,3 6,6 2,3 25 56
460 0,42 42,9 3,8 0,9 76 >100
ВНВ-50 (КВП) 220 0,75 26,3 7,8 1,85 18 21
300 0,55 39,5 4,8 0,95 47 >100
380 0,45 53,7 1,7 0,15 >100 >100
460 0,36 71,7 0,9 0,05 >100 >100
ТМЦ-50 (П) 220 0,92 13,4 28,4 24,55 1 3
300 0,67 23,5 15,3 9,75 4 10
380 0,53 30,1 10,4 5,7 10 23
460 0,43 39,8 5,9 2,25 31 71
ВНВ-50 (КВП) 220 0,8 21,9 10,1 3,15 11 24
300 0,6 33,8 6,2 1,6 28 64
380 0,45 42,6 3,1 0,5 >100 >100
460 0,4 56,4 1,5 0,15 >100 >100
Можно предположить, что для оценки защитного действия бетона на композиционном вяжущем по отношению к арматуре важно определение минимально допустимого содержания клинкерной составляющей из условия обеспечения первичной пассивации и длительной сохранности стальной арматуры.
Критериями оценки коррозионного состояния стали в бетоне является щелочность жидкой фазы бетона, характеризуемая значением рН не ниже 11,8 [7] и обеспечивающая первичную пассивацию стальной арматуры, а также параметры проницаемости бетонов, т. е. их способность сохранять первичную пассивацию на полный срок эксплуатации, характеризуемая, в частности, коэффициентом диффузии углекислого газа в бетоне.
С целью определения параметров коррозионного состояния стальной арматуры в бетоне на композиционном вяжущем (КВ) были проведены коррозионные испытания на составах бетона классов В10—В40 с различными видами КВ и различным расходом клинкерной составляющей. В качестве вяжущих были рассмотрены тонкомолотые многокомпонентные цементы (ТМЦ) и вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) с использованием отсевов дробления кварцитопесчаника (ТМЦ-50 (КВП), ВНВ-50 (КВП)) и кварцевого песка (ТМЦ-50 (П), ВНВ-50 (П)), а также портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н Белгородского цементного завода (контрольный состав). В качестве суперпластификатора для изготовления ВНВ использовали Полипласт СП-1 в количестве 0,7% массы цемента.
Образцы через 1 сут после формирования распалуб-ливали и далее хранили в камере нормального твердения до момента испытаний. Оценку состояния стальной арматуры в бетоне проводили в соответствии с ГОСТ 31383—2008 путем ускоренных электрохимических испытаний, т. е. снятием анодных поляризационных кривых стали в бетоне до и после выдерживания в режиме переменного увлажнения и высушивания.
Для оценки коррозионного состояния стали в бетоне применяли комплекс электрохимических критериев:
стационарный потенциал, анодные поляризационные кривые, кривые спада потенциала после прекращения анодной поляризации, а также площадь коррозионных поражений на стальных стержнях и величина рН исследуемого бетона (табл. 1).
Характер поляризационных кривых и данные таблицы показывают, что сталь в бетоне исследуемых составов вяжущих пассивна во все сроки испытаний, коррозионные поражения арматуры отсутствуют при содержании клинкерной составляющей от 110 до 230 кг/м3, за исключением состава ТМЦ-50 на природном песке с расходом вяжущего 220 кг/м3. Об этом свидетельствуют слабые коррозионные поражения на стержнях арматуры после вскрытия образцов через 6 мес испытаний. Слабое коррозионное поражение арматуры подтверждается величиной рН водной вытяжки из указанного состава, которая снизилась до рН=11,62 (ниже критического значения 11,8).
С целью определения длительности защитного действия бетона на основе композиционного вяжущего по отношению к стали были проведены исследования его диффузионной проницаемости путем определения скорости нейтрализации (карбонизации) углекислым газом при хранении образцов в атмосфере с влажностью 75% и содержанием 10% СО2 в течение 3 и 7 сут по ускоренной методике, изложенной в ГОСТ 31383—2008.
Эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в бетоне D1, см2/с, рассчитывали по формуле:
т0-х2
2-с-т
(1)
где с — концентрация углекислого газа в камере в относительных величинах; т — продолжительность испытаний, с.
Глубину карбонизации бетона х1 при концентрации углекислого газа в воздухе с1 за время т1 рассчитывали по данным результатов испытаний образцов в камере с повышенной концентрацией углекислого газа с: глубина
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® июль 2013 57"
Таблица 3
Вид вяжущего Расход вяжущего, кг/м3 Минимальный расход клинкерной составляющей, кг/м3 Суперпластификатор мас. % Период нейтрализации защитного слоя, годы
20 мм 30 мм
ЦЕМ I 42,5 Н 220 220 - 54 >100
ТМЦ-50 (КВП) 380 190 - 25 56
ВНВ-50 (КВП) 300 150 0,7 47 >100
ТМЦ-50 (П) 460 230 - 31 71
ВНВ-50(П) 300 150 0,7 28 64
карбонизации бетона х, продолжительность испытаний т. Расчет выполняли по формуле:
С ■Т
(2)
Время карбонизации т1 защитного слоя бетона толщиной х1 при концентрации углекислого газа в воздухе с1 рассчитывали по формуле:
xf-C-г
(3)
Результаты испытаний приведены в табл. 2. Анализ полученных данных позволяет установить, что увеличение доли клинкерной составляющей в композиционных вяжущих благоприятно отражается на снижении проницаемости бетона.
Таким образом, главенствующим фактором защитных свойств бетона на КВ по отношению к арматуре является вид дисперсной минеральной добавки, наличие суперпластификатора в вяжущем и количество клинкерной составляющей в бетоне (табл. 3).
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— в тяжелом бетоне на композиционном вяжущем, содержащем до 50% техногенных или природных кварцевых песков, обеспечивается защита стальной арматуры при расходе клинкерной составляющей от 190 кг/м3 и более;
— повышение защитных свойств бетона на КВ может быть достигнуто путем введения в вяжущее при помоле суперпластификатора, в этом случае расход клинкерной составляющей может быть снижен до 110 кг/м3;
— на портландцементе (эталон) и КВ с использованием отсева дробления кварцитопесчаника и суперпластификатора при расходе вяжущего 380 кг/м3 (клинкерной составляющей 190 кг/м3) может быть получен бетон пониженной проницаемости.
Работа выполнена в рамках реализации программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012—2016 гг. и гранта Президента Российской Федерации МК-5667.2013.8.
Ключевые слова: кварцитопесчаник, композиционное вяжущее, клинкер, анодные поляризационные кривые, диффузионная проницаемость.
Список литературы
1. Лесовик Р.В. Использование техногенных песков для производства мелкозернистых бетонов // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 78.
2. Лесовик Р.В., Жерновский И.В. Выбор кремнеземсо-держащего компонента композиционных вяжущих веществ // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 78-79.
3. Сулейманова Л.А. и др. Высококачественные бетоны на техногенном сырье для ответственных изделий и конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2008. № 4. С. 34-37.
4. Лесовик В.С. и др. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. № 1. 2009. С. 30-33.
5. Строкова В.В., Жерновский И.В., Фоменко Ю.В. О влиянии размерных параметров полиморфных модификаций кварца на его активность в композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2007. № 3. С. 48.
6. Бондоренко А.И., Фоменко Ю.В., Жерновский И.В., Строкова В.В. Оценка влияния кварца различного происхождения на свойства ВНВ // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 41-44.
7. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js 58 июль 2013 Ы *
