Причины проявления внутренней коррозии и снижения долговечности железобетонных шпал Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Материалы и экология

87

Б. Я. Трофимов, Л. Я. Крамар // Строительство и образование : сб. науч. тр. - Вып. 2. - Екатеринбург : УГТУ, 1999. - С. 76-78.

4. Определение водонепроницаемости бетонов по кинетике капиллярного поднятия

воды в их толщу / А. С. Королев, Б. Я. Трофимов, Л. Я. Крамар // Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений : сб. науч. тр. - Пермь : ПГТУ, 1999. - С. 240244.

УДК 625.142.42

Т. М. Петрова, Ю. А. Сорвачёва

Петербургский государственный университет путей сообщения

ПРИЧИНЫ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ И СНИЖЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ

Рассмотрены факторы, влияющие на долговечность железобетонных шпал. Показано, что присутствие в портландцементах щелочей сверх установленных пределов и заполнителей, содержащих реакционно-способные минералы, может вызвать внутреннюю коррозию бетона, что угрожает долговечности конструкций при эксплуатации под поездной динамической нагрузкой.

Приведены фотографии конструкций после трех лет эксплуатации в пути и результаты оценки реакционной способности заполнителей.

железобетонные шпалы, реакционно-способный заполнитель, содержание щелочей в портландцементе, разрушение конструкций, снижение долговечности.

Введение

Долговечность бетонов для подрельсовых конструкций определяется взаимодействием и взаимовлиянием различных факторов, главные из которых: условия эксплуатации, стойкость к попеременному замораживанию и оттаиванию, проявление внутренней коррозии, связанной с несовместимостью исходных материалов для изготовления бетона, и др.

Для обеспечения долговечности предварительно напряженных железобетонных шпал необходимы понимание процесса внутреннего и внешнего их разрушения и разработка обоснованных методов прогнозирования и предотвращения этих явлений.

В 1940-е гг. в США было отмечено и описано разрушение бетона, причиной которого являлось взаимодействие щелочей цемента с заполнителями [1]. Следует отметить, что опубликование работ по этому вопросу положило начало серии исследований стойкости бетона в связи с обнаружением неизвестных раннее явлений.

Было установлено, что при использовании определенных заполнителей происходит образование трещин и разрушение бетона. Первоначально случаи изменения структуры бетона объясняли неравномерностью изменения объема цементов при твердении из-за содержания в них повышенного количества свободного оксида кальция и оксида магния. Однако дальнейшие исследования показа-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

88

Материалы и экология

ли, что причиной разрушения служило прохождение реакции «щелочь - кремниевая кислота» [2].

Под реакцией «щелочь - кремниевая кислота» понимается химическая реакция между кремниевой кислотой, вносимой заполнителем, и раствором гидрооксида щелочного металла, содержащегося в цементном камне.

Впоследствии были определены внешние видимые признаки, по которым можно судить о разрушающей реакции «щелочь -кремниевая кислота» [3]:

- появление на поверхности бетона выделений в виде гелевидных капель, сначала прозрачных и густотекучих, затем мутных и относительно твердых;

- выделение продуктов карбонизации в результате воздействия СО2 воздуха в виде белых пятен, имеющих форму от точечной до кольцеобразной («выцветы»);

- поверхностные наросты и воронкообразные отслаивания, являющиеся следствием реакции «щелочь - кремниевая кислота», в которой участвуют находящиеся недалеко от поверхности реакционные зерна заполнителя;

- мелкие сетевидные трещины, которые при достижении значительной глубины могут привести к полной потере несущей способности и эксплуатационных свойств строительных сооружений или изделий из бетона;

- увеличение объема (однако здесь существует опасность смешивания данной причины с другими, вызывающими подобные

повреждения, - например, сульфатное расширение).

Наиболее яркими проявлениями реакции «щелочь - кремниевая кислота» являются гелеобразные выделения и кольцеобразные «выцветы».

Особенность этого вида коррозии бетона - наличие скрытого периода различной продолжительности, иногда - несколько недель или месяцев, иногда - несколько лет, в течение которых могут проявиться признаки коррозионного взаимодействия.

1 Случаи разрушения железобетонных конструкций вследствие реакции «щелочь - кремниевая кислота»

В начале 1950-х гг. разрушающее действие этой реакции на бетон было отмечено в Австралии, а с середины 1950-х гг. разрушение конструкций отмечались во многих странах мира: Канаде, Дании, Исландии, Южной Африке и др. В Дании разрушение бетона, вызываемое этой причиной, приняло настолько массовый характер, что был создан Национальный комитет по проблеме щелочестойкости бетона. Чаще всего разрушениям подвергались такие конструкции, как мосты, автодорожные покрытия, железобетонные подрельсовые конструкции, фундаменты опор, реже - здания. В таблице приведены сведения о некоторых известных разрушениях конструкций вследствие внутренней коррозии бетона [2]-[5].

ТАБЛИЦА. Примеры разрушения железобетонных конструкций

Вид конструкций Место обнаружения Год строительства сооружения Год обнаружения повреждений Возраст, лет

Мосты США, Канзас 1934 1942 8

США, Вашингтон 1919-1920 1923 3

Германия 1965-1966 1968 2

Автодорожные покрытия США, Калифорния 1927 1932 5

1932 1941 9

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Материалы и экология

89

Окончание таблицы

Вид конструкций Место обнаружения Год строительства сооружения Год обнаружения повреждений Возраст, лет

Автодорожные покрытия США, Вашингтон 1930-1931 1939 8-9

США, Небраска 1931 1932 1

Германия, Раштадт 1985 1996 11

Германия, Дормштадт - Франкфурт 1993 2004 11

Германия, Менхоф-драйек - Франкфурт 1997 2004 7

Германия, Притувакл - Пархим 1994-1996 2002 8

Фундаменты опор контактной сети ж. д. СССР - - 3

Железобетонные подрельсовые конструкции Германия - - 2-5

Россия 2001 2004 3

Повреждения и разрушения железобетонных шпал, например в Германии, из-за внутренней коррозии бетона привели к миллиардным потерям.

2 Механизм реакции «щелочь -кремниевая кислота»

Скорость процессов коррозии и изменений структуры бетона вследствие их про-

хождения может быть различной, она зависит от содержания щелочей в цементе, вида реакционно-способных составляющих в заполнителях, качества бетона, толщины конструкций, температурно-влажностных условий их твердения и эксплуатации.

Последовательность прохождения реакции «щелочь - кремниевая кислота» может быть представлена на рис. 1 [3].

При этом протекают следующие химические реакции:

Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O ^ CaSO4 • 2H2O + 2NaOH

I

(Na+, OH)

2NaOH + SiO2 + wH2O ^ Na2SiO3 • wH2O

I

Гель силиката щелочного металла Реакция частично может протекать дальше:

Na2SiO3 • wH2O + Ca(OH)2 + wH2O ^ CaSiO3 • wH2O + 2NaOH

I I

Фаза C - S - H

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

90

Материалы и экология

Рис. 1. Схема реакции «щелочь - кремниевая кислота»: 1 - образование гидрооксидов щелочных металлов; 2 - диффузия ионов к месту реакции; 3 - ионный обмен и ионная реакция;

4 - водопоглощение и процесс набухания

Коррозионное взаимодействие при наличии реакционно-способных составляющих в заполнителях может возникнуть и при действии щелочей извне или введении в состав бетона щелочесодержащих добавок.

Как правило, при замещении кремниевой кислоты солями щелочных металлов в конце реакции вновь высвобождается щелочной металл в виде гидрооксида, чтобы снова вступить в реакцию в более глубоких слоях зерна реакционно-способного заполнителя. Это обстоятельство обусловливает опасность этой реакции.

Известно, что абсолютно инертных заполнителей не существует. Все заполнители в большей или меньшей степени реагируют с цементным камнем. Реакция между кремниевой кислотой и раствором гидрооксида протекает в любых случаях. Однако она приводит к повреждениям бетона только при реакционно-активном SiO2 и высоком содержании №20-эквивалента. Растворимость кремниевой кислоты зависит от показателя pH среды, температуры, кристаллического состояния модификации Si02. При этом содержание Na20 и K20 приводится к общему содержанию щелочи.

3 Требования к материалам

для изготовления железобетонных

шпал

В России требования к материалам для изготовления шпал устанавливаются в ОСТ 32.152-2000 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации. Общие технические условия» и ГОСТ 10629-88 «Шпалы железобетонные предварительно напряженные для железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия». По сравнению с техническими требованиями, принятыми в Европе для подобных конструкций в EN 13230, российские требования более мягкие и, в частности, не включают информацию о возможном проявлении внутренней коррозии бетона, бетонных и железобетонных конструкций.

Европейскими нормами предусмотрено обязательное определение щелочестойкости мелких и крупных заполнителей. На предприятия, выпускающих шпалы для российских железных дорог, поставляются цементы, различающиеся по химико-минералогическому составу и содержанию щелочей. Так, мини-

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Материалы и экология

91

мальное содержание щелочей в пересчете на Na2O соответствует 0,5, максимальное - более 1,2, что в два раза превышает допустимый предел содержания щелочей в цементе, рекомендуемом для обеспечения безопасного применения реакционно-способного заполнителя.

В паспортах на заполнители, поставляемые на предприятия-изготовители, чаще всего отсутствуют сведения о наличии аморфных разновидностей диоксида кремния, растворимых в щелочах. Вместе с тем отмечены случаи повреждения конструкций, вызванных ненадлежащим сочетанием щелочности цементов и состава заполнителей.

4 Причины разрушения железобетонных шпал

Авторами статьи проанализированы причины разрушения шпал, отмеченные через три года после их укладки в путь, что сопровождалось появлением трещин с разной шириной раскрытия (рис. 2, 3).

На фотографиях образцов-кернов, выбуренных нами из конструкций при обследовании одного из участков пути, видны зерна крупного заполнителя, разрушившиеся с выделением геля, что является одним из характерных признаков реакции «щелочь -кремниевая кислота» (рис. 4).

Исследования реакционной способности заполнителя ускоренным методом, с измере-

Рис. 4. Зерна крупного заполнителя.

нием деформаций на исходных материалах, применявшихся на предприятии, подтвердили, что деформации расширения образцов

Рис. 2. Повреждения шпал

Рис. 3. Трещины на шпалах (крупные и мелкие сетевидные)

разрушившиеся с выделением геля

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/2

92

Материалы и экология

превышали 0,1 % от их длины, что является предельной границей реакционной способности заполнителя (рис. 5). Для сравнения на графике приведены данные по линейной деформации бетонов, изготовленных на заполнителях другого состава.

Анализ показал, что только два вида заполнителя (3 и 4) позволяют избежать проявления внутренней коррозии бетона и снижения долговечности конструкций при использовании в качестве вяжущего цемента с повышенным содержанием щелочей.

Заключение

Результаты, полученные при исследовании, указывают на необходимость строгого контроля содержания щелочей в цементах и наличия в заполнителях реакционно-способных минералов в материалах для изготовления шпал, что должно указываться в паспортах качества материалов, поступающих на заводы по производству железобе-

тонных шпал. Необходимым условием высокой долговечности конструкций является оценка совместимости материалов для их изготовления.

Библиографический список

1. Influence of cement and aggregate on concrete expansion / T. E. Stanton // Engineering News - Record, Feb., № 1, 1940.

2. Внутренняя коррозия бетона / Г. С. Ро-як // Труды ЦНИИС. - Вып. 210. - М. : ЦНИИС, 2002. - 156 с.

3. Долговечность бетона / И. Штарк, Б. Вихт ; под ред. П. Кривенко ; пер. с нем. - Киев : Оран-та, 2004. - 301 с.

4. Жуков Ю. А. Влияние гидроокиси кальция на развитие деструктивных процессов в бетоне при щелочной коррозии : автореф. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Л. : Ленингр. ин-т инженеров ж.-д. транспорта, 1972. - 19 с.

5. Stark J. Alkali-Kieselsaure-Reaktion. F. A. Finqer Institute fur Baustoffkunde. - 2008. - 139 p.

Рис. 5. График зависимости линейной деформации бетона от времени выдержки в одномолярном растворе NaOH при t = 80 °C; состав образцов:

1 - портландцемент, содержание щелочей - 0,89, заполнитель 1 (обозначены исходные материалы, на которых были изготовлены поврежденные шпалы); 2 - тот же цемент, заполнитель 2; 3 - тот же цемент, заполнитель 3; 4 - тот же цемент, заполнитель 4

2012/2

Proceedings of Petersburg Transport University