CC BY
79УДК 691.335:620.193
Технические науки
Ерошкина Н. А., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный
университет архитектуры и строительства», Пенза, Россия Коровкин М. О., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Пенза, Россия Лавров И. Ю., магистрант, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Пенза, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОПОЛИМЕРНЫХ БЕТОНОВ В КАЧЕСТВЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ АЛЬТЕРНАТИВЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО БЕТОНА
Аннотация: Рассмотрены результаты исследования коррозионной стойкости геополимерных бетонов. Показано, что этот вид бетона обладает более высокой коррозионной стойкостью в сравнении с портландцементным бетоном при воздействии кислот и сульфатных ионов благодаря отсутствию в его составе Ca(OH)2 и кольматации пор геополимерного камня продуктами его коррозии. Повышенная коррозионная стойкость геополимерного бетона позволяет рекомендовать его в качестве альтернативы цементного бетона в условиях воздействия растворов кислот и сульфатных вод.
Ключевые слова: геополимер, портландцементный бетон, коррозионная стойкость, раствор кислоты, сульфатная коррозия.
Abstract: This paper presents the results of a study of the corrosion resistance of geopolymer concrete. It is shown that this type of concrete has a higher corrosion resistance compared to Portland cement concrete when exposed to acid and sulfate ions. This is due to the absence of Ca (OH)2 in geopolymer concrete and the pore clogging of the geopolymer stone by its corrosion products. The increased corrosion
resistance of geopolymer concrete allows us to recommend it as an alternative to cement concrete under conditions of exposure to solutions of acids and sulfate waters.
Keywords: geopolymer, Portland cement concrete, corrosion resistance, acid solution, sulfate corrosion.
Портландцементный бетон характеризуется высокой долговечностью при эксплуатации в условиях исключающих коррозионное воздействие на него кислот, минерализованных морских и грунтовых вод, атмосферного воздуха с повышенным содержанием сернистых соединений, а также кислотных дождей. При эксплуатации бетона в условиях воздействия коррозионных факторов применяются методы первичной и вторичной защиты, которые не всегда способны защищать цементный камень достаточно продолжительное время. Кроме того, применение различных методов коррозионной защиты бетона приводит к дополнительным затратам при возведении строительных объектов и проведении ремонтно-восстановительных работ.
В качестве материала, способного во многих случаях заменить цементный бетон, рассматривается бетон на основе геополимерного вяжущего [1; 2]. К преимуществам этого вяжущего относятся возможность использования при его производстве многотоннажных промышленных отходов, отсутствие в технологии высокотемпературного обжига, низкие объемы технологических выбросов углекислого газа в атмосферу, а также, как показывают некоторые исследования, более высокая коррозионная стойкость в сравнении с портландцементом.
В работе [1] отмечается, что геополимерный бетон на основе низкокальциевой золы-уноса обладает высокой сульфатостойкостью: на образцах, подвергшихся воздействию раствора сульфата натрия в течение одного года, отсутствовали видимые признаки разрушения поверхности, трещины или отслаивание, а прочность бетона не снизилась.
Геополимеры обладают меньшей кислотостойкостью, чем сульфатостойкостью. Тем не менее, максимальное снижение характеристик
геополимерных материалов через 1 год выдержки образцов в 2 %-м растворе серной кислоты по данным [1] не превышало 3 %, что было совсем незначительно по сравнению с полным разрушением контрольных образцов на основе портландцемента. Степень повреждений, связанных с воздействием кислоты, прямо пропорциональна концентрации кислоты в растворе погружения. Исследования Davitovits [1] показали полное разрушение образцов на основе портландцемента при их выдерживании в 5 % растворах HCl и H2SO4; а при выдерживании геополимерных образцов в аналогичных растворах не было отмечено существенных изменений их массы, длины или прочности при сжатии.
В работе [3] отмечается, что геополимерный бетон в сравнении с цементным бетоном обладает значительно более высокой кислотостойкостью при воздействии азотной кислоты в течение 24 недель. Как видно на рис. 1, геополимерный бетон с повышенным содержанием Na2O имел наименьшее значение потери прочности при сжатии. При этом потеря прочности образцов после воздействия серной кислоты была больше по сравнению с образцами, которые экспонировались в растворе азотной кислоты.
а)
100
о О
к
V о
s
8 S
о
о
80
60
40
20
Содержание Na2O, %:
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 Продолжительность экспонирования, недели
0
б)
100
д 80
Р о
В
Г 60
о &
13 40
ас ^
§ 20
о
О
0
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 Продолжительность экспонирования, недели
Рис. 1. Остаточная прочность при сжатии с различным содержанием №20 после и азотной кислот [3]
_ Содержание Na2O, %: _
геополимерных растворов воздействия серной (а)
Результаты исследования [4] показали, что геополимерные мелкозернистые бетоны на основе буроугольной золы обладают более высокой стойкостью к воздействию 3% раствора серной кислоты и 5 % раствора сульфата натрия по сравнению с цементными растворами. Потеря прочности при воздействии серной кислоты в течение 120 суток в этих бетонах не превышала 3,6 %. Кислото- и сульфатостойкость геополимерных материалов объясняется [4] высокой стойкостью к деструкции под действием агрессивных сред трехмерной полимерной структуры геополимерного вяжущего по сравнению с многофазной структурой гидратированного цемента.
В работе [5] показано, что кислотостойкость геополимерных мелкозернистых бетонов при использовании в качестве активатора гидроксида натрия, выше, чем в бетонах с силикатом натрия.
Установлено [6], что для геополимерного бетона, несмотря на более высокое, чем в цементном бетоне содержание щелочей, не характерна щелоче-кремнеземистая реакция.
При воздействии кислот и сульфатов на геополимерные мелкозернистые бетоны за 28 сут по данным [7] они теряют не более 2,5% начальной массы, в то время как масса образцов цементных бетонов снижается: в растворе H2SO4 -более чем на 22 %, а в растворе HCl - 8 %. Причиной повышенной кислото- и
сульфатостойкости геополимерных бетонов авторы [7] считают отсутствие в их составе Ca(OH)2.
Сравнительные исследования снижения прочности и массы геополимерных и цементных бетонов в растворах серной кислоты показали значительно более высокую коррозионную стойкость бетонов на основе трехкомпонентных геополимерных вяжущих, состоящих из доменного шлака, измельченной пылевидной фракции отсева дробления гранитного щебня и кислой золы-уноса (рис. 2 и 3). Установлено, что потеря массы и прочности в исследованных геополимерных бетонах в 2-3 раза ниже, чем в цементных бетонах [8]. Причиной более высокой коррозионной стойкости безцементных бетонов является не только отсутствие в их составе Ca(OH)2, но и кольматация их пор продуктами коррозии.
v4.fr ч* ж 4 г. - '¿> - ь--
V*! йь. Л ' г «■- Ж ' ■
>4 в». * ¿ь г> " V«*
■4
V
т
■'«и« 4 »; *
.V
91
а
У
*
г'* 4 . а .гл * г
к
Ч у,
Д
Рис. 3. Образцы геополимерного бетона при
содержании шлака в вяжущем 20 (а, г), 30 (б, д) и 40 % (в, е) после экспонирования в растворах кислоты с концентрацией 2,5 % (а, б, в) и 5 % (г, д, е)
Рис. 2. Образцы цементного бетона с В/Ц 0,5 (а, г), 0,4 (б, д) и 0,3 (в, е) после экспонирования в растворах кислоты с концентрацией 2,5 % (а, б, в) и 5 % (г, д, е)
а
а
б
б
в
в
г
г
д
е
е
Анализ результатов исследования коррозионной стойкости геополимерных бетонов показывает, что эти материалы могут рассматриваться в качестве более долговечной альтернативы портландцементных бетонов в условиях воздействия кислот и сульфатных ионов благодаря отсутствию в их составе Ca(OH)2 и кольматации пор геополимерного камня продуктами его коррозии. Геополимерные бетоны могут быть рекомендованы для опытно -экспериментального использования, по результатам которого должны быть разработаны рекомендации по применению этих материалов в промышленных масштабах.
Библиографический список:
1. Davidovits, J. Geopolymer chemistry and applications / J. Davidovits
rH
// 3 eddition. - France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. - 614 p.
2. Ерошкина Н.А. Технология и свойства геополимерных материалов строительного назначения: моногр. / Н.А. Ерошкина, С.М. Саденко. - Пенза: ПГУАС, 2019. - 188 с.
3. Thokchom, S. Acid resistance of fly ash based geopolymer mortars / S. Thokchom, P. Ghosh, S. Ghosh // Int. J. Recent Trends Eng. Technol. 2009. Vol. 1(6).P. 36-40.
4. Sata, V. Resistance of lignite bottom ash geopolymer mortar to sulfate and sulfuric acid attack / V. Sata, A. Sathonsaowaphak, P. Chindaprasirt // Cement Concr. Compos. 2012. Vol. 34. P.700-708.
5. Erdogan, S.T. Properties of ground perlite geopolymer mortars // J. Mater. Civ. Eng. 2015. Vol. 27(7). P. 1-10.
6. Garcia-Loderio, I. Alkali-Aggregate Reaction in Activated Fly Ash Systems / I. Garcia-Loderio, A. Palomo, A. Fernandez-Jimenez / I. Garcia-Lodeiro, A. Palomo, A. Fern'andez-Jim'enez, D.E. MacPhee // Cement and Concrete Research. 2007. N 37. P. 175-183.
7. Kim, Y.Y. Strength and durability performance of alkali-activated rice husk ash geopolymer mortar / Y.Y. Kim, B. Lee, V. Saraswathy, S. Kwon // Sci. World. J. 2014. Vol. 2014. P.1-11.
8. Ерошкина, Н.А. Сернокислотная коррозия геополимерных бетонов с минеральными добавками на основе отходов / Н.А. Ерошкина, М.Ю. Чамурлиев, М.О. Коровкин // Транспортные сооружения. 2019. №3, Том 6. URL: https://t-s.today/PDF/27SATS319.pdf. (дата обращения: 28.11.2019).
