Позитивная коррозия бетонов как предпосылка улучшения их свойств агрессивными воздействиями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1975. 816 с.

2. Применение полимерных материалов в качестве покрытий / С. В. Генель, В. А. Белый, В. Я. Булгаков, Г. А. Гехтман. М.: Химия, 1968. 304 с.

3. Соломатов В. И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / В. И. Солома-тов, А. Н. Бобрышев, К. Г. Химмлер; Под ред. В. И. Соломатова. М.: Стройиздат, 1988. 312 с.

4. Фрейдин А. С. Прочность и долговечность клеевых соединений. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1981. 272 с.

Поступила 20.03.02.

ПОЗИТИВНАЯ КОРРОЗИЯ БЕТОНОВ

КАК ПРЕДПОСЫЛКА УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ

АГРЕССИВНЫМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ

А. П. ФЕДОРЦОВ, кандидат технических наук

Под позитивной коррозией бетона понимаются физико-химические изменения, происходящие в его структуре под действием внутренних и внешних факторов и приводящие к улучшению или сохранению свойств материала [2].

В результате исследования физико-химического сопротивления различных видов бетонов было установлено, что при воздействии агрессивных сред всегда наряду с негативными для материала процессами протекают и позитивные, которые могут привести к упрочнению, уплотнению, повышению однородности его структуры [ 7; 10]. Такие процессы закономерны. Они могут проявляться в большей или меньшей степени и зависят от внутренних и внешних ресурсов при взаимодействии состав ляющих.

Так, исследования коррозии бетонов в кислых средах показали, что временное уплотнение и упрочнение их структуры наблюдается не только при действии кислот, которые могут образовывать с составляющими материала малорастворимые соединения, но и при действии других их видов, образующих при взаимодействии более растворимые продукты, например соляной, уксусной кислоты и т. д. (рис. 1). При действии 2% раствора Н2304 на це-

KJ

ментныи камень, изготовленный из цементного теста с В/Ц = 0,35, прочность материала по сравнению с первоначальной повышалась до 20 °

я

н о о

X

¡г о

ГУ

о

ь*

о

сх

С

а

С

S

s

к

н

сЗ *

О

К

Си

44

40

36

32 •

23

24

20

16

12

8

IX

■■ » 4 i U ■ ^ - х«^-

0 7 14 21 28

Длительность выдерживания, сут

Рис. 1. Изменение прочности цементного камня и бетона при выдержке в растворах кислот:

1 — пропаренного камня при выдержке в 2% H2S04;

2 — пропаренного бетона при выдержке в 2% уксусной кислоте; 3 — бетона, отвержденного в н. у., при выдержке в 2% H2S04; 4 — бетона, отвержденного в воде, при выдержке в 2% HCL

Эффекты позитивной коррозии находят проявление и при действии на бетоны растворов щелочей. По нашим данным, мелкозернистый цементный бетон состава 1 : 3 с В/Ц = 0,45, отвержденный в воде,

© А. П. Федорцов, 2002

при выдержке в течение 28 суток в 15% КОН не потерял прочности при сжатии, а при изгибе увеличил ее более чем

на 25 % [10].

Явление упрочнения и уплотнения бетонов в агрессивных средах можно объяснить следующими основными причинами:

— временным «залечиванием» средой поверхностных дефектов;

— процессом разрыва связей в перенапряженных участках, сопровождающимся релаксацией внутренних напряжений и более равномерным их распределением в объеме [3];

— уменьшением крупности дефектов ввиду того, что при действии агрессивных сред, вызывающих пластификацию материала, ускоряется закономерный переход высококонцентрированных дефектов в область низкоконцентрированных;

— ускорением или продолжением твердения бетонов;

— уплотнением структуры бетонов продуктами коррозии с образованием на их поверхности плотного инертного слоя;

— обратными взаимодействиями, способствующими восстановлению разорванных связей.

В соответствии с работой [6] физико-химическое сопротивление бетонов с учетом позитивных процессов СКф х.) будет являться функцией длительности воздействия среды (¿Л скоростей массопереноса (Ум), прямых (Уп) и обратных (Уо6) взаимодействий, геометрии изделия СО, то есть

R

ф.х.

(1)

При определении функции сопротивления бетонов в качестве основной изменяемой характеристики материала в большинстве случаев принимается показатель прочности. Очевидно, что для ее выражения необходимо знать изменение прочности бетона за любой промежуток времени в результате физического и химического воздействия среды на его структуру, то есть Дст(Ум, Уп, Уо6,I, £). Тогда, определяя функцию как изменяемый во времени относительный показатель прочности, можем записать [6]:

R

ф.х.

ар ± Аст(Ум, Уп, Уоб ,L,t)_

где а0 -на; А?,

= 1±Д?±Д*, (2)

первоначальная прочность бето-

— изменение показателя фи-

зико-химического сопротивления за время £ в результате соответственно физического и химического воздействия среды.

Положительные изменения в выражении (2) свидетельствуют о протекании в материале уплотняющих и упрочняющих процессов. При этом известно, что сниже-

ние прочности под воздействием жидких физически активных сред имеет в основном обратимый характер, а изменение д*

в зависимости от позитивных взаимодействий может иметь различную долю обратимости и определяется количеством дефектов, накопленных за время

Пусть — количество образую-

щихся дефектов (включая разорванные связи) под воздействием агрессивной среды в единице объема материала за время ¿; Сп(0 — количество дефектов, уничтоженных позитивными процессами (включая восстановленные связи) в единице объема материала за время Тогда Сп(0 — количество дефектов, которое накопилось в единице объема материала за время Ь, определится из уравнения баланса:

Сп(0 = С{1(4)-Сй (О. (3)

Для определения Сд(£) необходимо

знать скорость распада связей (образования дефектов) при прямой реакции в любой момент времени которая может быть

(4)

выражена как

УП(0 = ^СА(0СБ(£),

где — кинетическая константа прямой реакции; CA(t), CB(t) — концентрация реакционных связей соответственно в агрессивной среде и бетоне в любой момент времени t.

Для плотных и химически стойких

бетонов, когда СБ(0 - const, или СБ(0 Са(£), можно записать

kxCB(t) = Kv

(5)

выражение

справедливо для гетерогенных реакции, то есть когда коррозия протекает с поверхности. Это характерно, например, при дей-

ствии химически агрессивных сред па цементные бетоны. Таким образом, выражение (5) может быть применено в большинстве случаев воздействия на бетоны агрессивных сред.

Скорость уничтожения дефектов из-за образования плотных продуктов и восстановления связей в результате обратных реакций У0(О будет пропорциональна концентрации накопившихся дефектов в объеме материала Сп(£):

У0(О = К2Сп(О, (6)

где К2 — кинетическая константа обратных процессов.

Тогда для определения скорости образования дефектов (распада связей) будем иметь выражение

(7)

Э£

Условие сохранения и упрочнения материала запишется [7; 9]:

К2Сп(*)**1СА(*). (8)

Общее решение уравнения (7) было найдено выражения:

= + \Ш)ек*<н}9 (9)

где Сц (О — средняя концентрация распавшихся (образовавшихся) связей в любой момент времени Сд — постоянная величина, определяемая при нулевом начальном условии, то есть при Ь = О, С и = 0; КО — функция скорости распада связей.

Наличие позитивных взаимодействий позволяет целенаправленно обеспечивать технологические приемы, приводящие к повышению физико-химического сопротивления бетонов, то есть добиваться выполнения условия (8).

Очевидно, что можно целенаправленно обеспечивать «яркое» проявление позитивной коррозии в материалах путем создания для нее условий в процессе эксплуатации (за счет активных к агрессивной среде добавок) или отверждения изделий. Нами предложены добавки, которые при взаимодействии с агрессивными средами приводят к повышению физико-химического сопротивления материалов. Определены классы этих веществ. Основными из них являются [7]:

— добавки, образующие при взаимодействии с агрессивной средой нерастворимые соединения;

— ионообменные добавки, т. е. вещества, способные обменивать свои ионы на ионы агрессивных сред;

— добавки, образующие буферные системы и способствующие сохранению рН внутренней среды материала;

— мелкодисперсные металлы различной активности (не менее одной пары), ослабляющие действие агрессивной среды в результате протекающей между ними электрохимической коррозии;

— вещества, способные восстанавливать компоненты сред (восстановители) и тем самым приводить к повышению физи-ко-химического сопротивления.

Выраженные эффекты позитивной коррозии являются своего рода предпосылкой для улучшения свойств материалов агрессивными воздействиями. Она состоит в том, что если жидкие агрессивные среды могут вызывать эффекты уплотнения, упрочнения, повышения физи-ко-химической стойкости, то при действии других разрушающих факторов среды (нагрузок, замораживаний и оттаиваний, излучений ит. д.) также возможны соответствующие позитивные изменения. При этом самим понятием «позитивная коррозия», характеризующим изменения, происходящие в структуре бетонов под действием внутренних и внешних факторов и приводящие к улучшению или сохранению свойств материала [2], уже определена такая возможность. Следовательно, подтверждение положения о возможности улучшения свойств бетонов действием жидких агрессивных сред дает основание применять для этих целей воздействия других видов.

Согласно [8] даже сильно агрессивные среды в определенные периоды эволюции цементного бетона могут приводить к повышению плотности и прочности его структуры. Эффекты упрочнения в 2% растворе Н2504 составляли от 20 до 63 % и зависели от активности вяжущего: чем меньше активность, тем значительнее повышение прочности. Очевидно, что одной из основных причин большого упрочнения является ускоренная гидратация минералов цементного камня на низкоактивном вяжущем в агрессивной среде.

По другим данным [4], обработка в течение 8 мин поверхности полимербетон-ных элементов 50% раствором NaOH при t = 30 °С привела к 17% повышению первоначальной прочности. Основной причиной упрочнения явилось сглаживание поверхностных дефектов. Создание плотного слоя из продуктов реакции на поверхности полимербетона путем обработки его в течение 1 мин 50% NaOH при температуре 50 °С позволило затормозить деструкцию материала в 15% растворе этого же вещества. Однако кратковременная обработка материала в агрессивной среде не всегда приводит к получению на поверхности изделий плотного инертного слоя, а для цементных бетонов такую возможность можно рассматривать лишь как исключение и только применительно к отдельным видам агрессивных сред.

Другой путь повышения физико-химического сопротивления — целенаправленное обеспечение приспособления бетонов к воздействию агрессивных сред. Мы считаем, и это подтверждено экспериментально [8; 9], что адаптацию материала к агрессивным факторам среды во избежание нарушения равновесия его структуры в период эксплуатации наиболее целесообразно производить заранее, т. е. на стадиях отверждения. Так, согласно нашим исследованиям, мелкозернистый бетон состава 1:3с В/Ц = 0,45, на который в период отверждения действовали 0,5% раствором H2S04, имеет более высокую стойкость в 1% H2S04, чем материал, от-вержденный в воде. Отверждение цемент-

ного камня с применением 0,25% и 0,5% растворов серной кислоты также привело к повышению стойкости к ее 2% раствору

[5].

Очевидно, что, подбирая интенсивность, длительность и время воздействия среды, можно добиваться целенаправленного упрочнения материала, повышения его фи-зико-химического сопротивления. Следует заметить, что таким же образом можно улучшить и другие свойства бетона, например повысить его прочность, морозостойкость и т. д. Для этого необходимо в определенный период эволюции материала воздействовать на него с заранее установленной интенсивностью нагрузкой, жидкой средой, средой с отрицательной температурой и т. д. Так, по данным [8], мелкозернистый бетон приведенного выше состава, подвергнутый после двух недель водного хранения одному циклу замораживания и оттаивания с последующей выдержкой до 28 сут в воде, повысил по сравнению с материалом контрольного состава предел прочности при сжатии на 17 %. При этом отмечалось повышение плотности структуры, т. е. появление фактора, который способствует повышению морозостойкости материала.

Результаты экспериментальных исследований и теоретические предпосылки свидетельствуют о том, что обеспечением позитивных взаимодействий бетона с агрессивной средой в период как отверждения, так и эксплуатации изделий можно добиваться повышения прочности материала, его физико-химического сопротивления, улучшения других свойств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Глинка Н. Л. Общая химия: Учеб. пособие для втузов. 20-е изд., испр. / Под ред. В. А. Рабиновича. Л.: Химия, 1979. 720 с.

2. Соломатов В. И. Позитивная коррозия бетонов / В. И. Соломатов, А. П. Федорцов // Работоспособность композиционных строительных материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов: Межвуз. сб. Казань, 1982. С. 10 — 13.

3. Соломатов В. И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / В. И. Соломатов,

A. Н. Бобрышев, К. Химмлер; Под ред. В. И. Соломатова. М.: Стройиздат, 1988. 312 с.

4. Соломатов В. И. Щелочестойкость полиэфирных полимербетонов и пути ее повышения /

B. И. Соломатов, А. П. Федорцов // Деформирование материалов и элементов конструкций в агрессивных средах: Межвуз. науч. сб. / Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1983. С. 67 — 76.

5. Федорцов А. П. Влияние условий твердения на химическую стойкость цементного камня / А. П. Федорцов, Л. М. Ошкина // Современные проблемы строительного материаловедения: Тез. докл. IV академ. чтений РААСН: В 2 ч. Пенза, 1998. Ч. 2. С. 145-146.

6. Федорцов А. П. Исследование химического сопротивления и разработка полимербетонов, стойких к электролитам и воде: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1981. 20 с.

7. Федорцов А. П. Позитивная коррозия, или коррозия по В. И. Соломатову, и физико-химическое сопротивление бетонов / Успехи строительного материаловедения: Материалы юбил. конф.

М., 2001. С. 214 - 218.

8. Федорцов А. П. Повышение прочности и физико-химического сопротивления бетонов агрессивными факторами среды // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сб.

науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2002. С. 344 — 346.

9. Федорцов А. П. Повышение физико-химического сопротивления цементных композитов путем применения при их отверждении агрессивных сред / А. П. Федорцов, В. Т. Ерофеев // Вестн. ВРО

РААСН [Ниж. Новгород]. 2002. Вып. 5. С. 98 - 101.

10. Федорцов А. П. Характеристика сред и особенности их взаимодействия с бетонами /

А. П. Федорцов, А. Ф. Андронов // Материалы научной конференции «XXX Огаревские чтения (естественные и технические науки)». Саранск, 2001. С. 335 — 338.

Поступила 18.02.02.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПОД ПОДОШВОЙ ШТАМПА НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ С ВОЗРАСТАЮЩИМ ПО ГЛУБИНЕ

МОДУЛЕМ УПРУГОСТИ

А. Е. ДУРАЕВ, кандидат технических наук

В работе В. И. Моссаковского [2] дано решение задачи о штампе на упругом полупространстве с модулем упругости, изменяющимся с глубиной 1 по закону Е = ЕпЪп. В этой модели полупространства в плоскости контакта (1 = 0) штампа с полупространством модуль упругости равен нулю. В работе приводится формула для определения давления под штампом, куда входит осадка штампа значение которой не определено. Ниже рассмотрим эту задачу при условии, что модуль упругости полупространства будет иметь конечное (не равное нулю) значение на его поверхности. Закон изменения модуля упругости примем в следующем виде:

Е = Е0+Епгп, (!)

где £ о — модуль упругости полупространства в плоскости контакта его со штам-

1

пом; Еп — добавочный модуль на глубине 1 = 1 (коэффициент увеличения); п — показатель степени, характеризующий изменение модуля упругости по глубине (0 < п < 1).

Если бы полупространство имело по-

стоянный модуль упругости Е} то давление под подошвой симметрично нагруженного круглого штампа можно было бы определить по формуле

=_Ш?_

Р~тг(1-у(¡)(а2-г2)°>5' Ш

где — коэффициент Пуассона полупространства; а — радиус штампа; г — расстояние от центра подошвы штампа до точки, где определяется давление; V/ — осадка штампа от действия силы Р, определяемая по формуле

(3)

2 аЕ

Для решения задачи полупространство с модулем упругости, изменяющимся по закону (1), условно разделим на полупространство с постоянным модулем упругости Е0 и полупространство, модуль упругости которого изменяется в соответствии с выражением Е^ Долю силы Р, приходящуюся на полупространство с модулем упругости £0, обозначим через Я. Тогда на другое полупространство остается доля 1-Я. При этих условиях давление в по-

© А. Е. Дураев, 2002