Применение реакционноспособных заполнителей для получения бетонов, стойких в агрессивных средах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.32

К.Б. САФАРОВ, инженер (sk90@mail.ru)

Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

Применение реакционноспособных заполнителей для получения бетонов, стойких в агрессивных средах

Необходимость исследовать заполнители, обладающие реакционной способностью к щелочам цементного камня, вызвана отсутствием в отдельных регионах инертных материалов, отвечающих требованиям нормативно-технической документации для получения бетонов, стойких в агрессивных средах. Анализ имеющихся литературных данных показал необходимость оценить возможность использования местных инертных материалов при строительстве Рогунской гидроэлектростанции в Таджикистане. В целях предотвращения реакционной способности инертных материалов Рогунских месторождений и возможности использования их в качестве заполнителей в бетоны были рассмотрены зола-уноса и микрокремнезем, как активные минеральные добавки. Подобран состав бетона, в котором 15% цемента заменено золой-уноса и 5% - микрокремнеземом, что значительно снизило реакционную способность инертных материалов и подтвердило возможность их эффективного использования.

Ключевые слова: реакционная способность заполнителей, зола-уноса, микрокремнезем, коррозия.

K.B. SAFAROV, Engineer (sk90@mail.ru)

Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)

The Use of Reactive Aggregates for Producing Concretes Resistant to Aggressive Media

The necessity to study fillers, which have the reactive ability to alkalis of cement stone, is caused by the absence, in some regions, of inert materials which meet requirements of normative-technical documentation for producing concretes resistant to aggressive media. An analysis of available literature data shows the need for assessment of the possibility to use local inert materials in the course of construction of the Rogun HPS in Tajikistan. To prevent the reactive capacity of inert materials of Rogun deposits and to use them as fillers for concrete, fly ash and micro-silica were considered as active mineral additives. The composition of concrete in which 15% of cement was replaced by fly ash and 5% - by micro-silica was selected; this significantly reduced the reactive capacity of inert materials and confirmed the possibility of their efficient application. Keywords: reactive capacity of fillers, fly ash, micro-silica, corrosion.

Необходимость исследования заполнителей, обладающих реакционной способностью к щелочам цементного камня, вызвана отсутствием в отдельных регионах инертных материалов, отвечающих требованиям нормативно-технической документации для получения бетонов, стойких в агрессивных средах [1—3]. О последствиях использования реакционноспособных заполнителей в бетоне известно по опыту применения бетонов в конструкциях мостов, тоннелей и плотин. В период с 1922 по 1942 г. в США были обнаружены разрушения четырех плотин (в штатах Калифорния, Орегон, Айдахо, Арканзас), трех зданий (в штатах Вайоминг, Канзас, Айдахо), моста (в штате Канзас) и дорог (в штатах Калифорния, Вашингтон, Небраска). В качестве выявленной причины повреждений бетона были определены реакции между щелочами цемента и используемыми за-

полнителями. Внешние повреждения послужили в США поводом для многочисленных исследований причин и мер противодействия [4, 5]. В начале 1950-х гг. реакция щелочь — кремниевая кислота получила известность в Австралии, а с середины 1950-х гг. повреждения отмечались во многих странах (Канада, Дания, Исландия, ЮАР и т. д.). Общественность в Германии обратила внимание на проблему последствий реакции в результате повреждений Лахсверского моста, который был построен в 1965/66 г. и уже в 1968 г. из-за опасности эксплуатации должен был быть снесен. На территории ГДР первые повреждения вследствие реакции щелочь — кремниевая кислота были отмечены в 1979/80 г. в Мекленбурге и в 1983 г. в Саксонии и Тюрингии [4, 5]. Повреждение шпал из предварительно напряженного железобетона вследствие реакции щелочь — кремниевая

Таблица 1

Минерал и вид кремнезема Виды потенциально реакционноспособных пород Минимальное содержание минерала, мас. %, при котором возможна щелочная коррозия бетона

Опал Базальты и другие лавы. Известняки, роговики, сланцы опаловидные 0,25

Кристобалит, тридимит, кристаллические Расплавы, состоящие из кремнезема (материалы, полученные плавлением) 1

Кварц выветрелый деформированный Кварцевые витрофиры, кварциты, песчаники, вулканические и метаморфические кислые породы 3

Стекло кислое аморфное Обсидианы,перлиты,липариты, дациты, андезитодациты, андезиты, туфы и аналоги этих пород, имеющие стекловидную основу 3

Халцедон криптомикро-кристаллический Кремни, известняки, доломиты, песчаники с опалохалцедоновым и халцедонокварцевым цементом, яшмы, роговики 5

Таблица 2

Карьер Материал Содержание растворимого кремнезема ^Ю2), ммоль/л

Растворимый SiO2 Примечание

15Б Щебень фр. 5-10, 10-20, 20-40 Песчаник - 40% Известняк - 20% Гранит - 20% Сланцы - 6% Амфиболит - 4% Аргиллит красный - 5% 55,33

Лабидара Щебень фр. 5-10, 10-20, 20-40 Песчаник - 35% Известняк - 18% Гранит - 20% Сланцы - 2,5% Алевролит - 2,5% Амфиболит - 22% 66,31 ГОСТ 8736-93 ГОСТ 8267-93

2Б Щебень фр. 5-10, 10-20, 20-40 Песчаник -100% 77,33

Таблица 3

№ Длительность испытания, сут Среднее относительное удлинение образцов о Е1+Е2+Е3 ь 3

1 3 0,004

2 4 0,013

3 5 0,023

4 6 0,046

5 7 0,079

6 8 0,097

7 9 0,11

8 10 0,12

9 11 0,129

10 12 0,138

11 13 0,154

кислота привело к огромным потерям на железных дорогах Германии и России. Постоянно становится известно о новых разрушениях.

Под потенциальной реакционной способностью (ПРС) заполнителей для бетона подразумевается их свойство вступать в химическое взаимодействие со щелочами цемента. Это взаимодействие приводит в определенных условиях к проявлению внутренней коррозии бетона [1—11].

Заполнители вступают в химическое взаимодействие со щелочами цемента, если при петрографическом анализе обнаружено наличие одной или нескольких разновидностей минералов, содержащих реакционноспо-собный кремнезем в количествах, равных или превышающих значения, указанные в табл. 1 [11].

Анализ имеющихся литературных данных показал необходимость оценить возможность использования местных материалов для крупного заполнения бетона при строительстве Рогунской гидроэлектростанции, строящейся в Таджикистане на реке Вахш. Для получения коррозионно-стойких бетонов, позволяющих обеспечить длительную и надежную эксплуатацию конструкций, необходимо произвести оценку свойств мелкого и крупного заполнителя.

Анализ местных материалов, имеющихся в регионе (мелкий и крупный заполнитель), показал, что это в основном песчаник, доломитовый известняк, туф, гранит, гранодиорит. Химический анализ выявил во всех минералах наличие кремниевых пород, кальцита и его модификаций, микрокристаллов кварцита и хлоритовых минералов. По своему минералогическому составу заполнители могут быть реакционноспособными к щелочам цемента. В связи с этим были проведены исследования в соответствии с ГОСТ 8269.0—97 на определение реакционной способности заполнителей к щелочам цемента. Полученные результаты по содержанию растворимого кремнезема показали, что практически все заполнители являются потенциально реакционноспособ-ными, содержание растворимого SЮ2 находится в пределах от 55,33 до 77,33 моль/л (табл. 2). Однако судить о возможности внутренней коррозии бетона только по химическому анализу заполнителей и содержанию растворимого SiO2 недопустимо [4, 5, 11].

Реакционная способность заполнителей определяется комплексом методов: петрографический и химический методы применяются, как правило, на стадии

разведки месторождения и периодически при его разработке. Ускоренный метод с измерением деформаций необходимо провести на растворных или бетонных образцах в установленные сроки (не более 1 мес), непосредственный метод испытания образцов бетона проводится в течение одного года, в случае, если предыдущие испытания показали, что заполнители являются реакционноспособными.

Были проведены ускоренные испытания с измерениями деформаций на растворных образцах. Полученные данные показали, что величина деформации расширения образцов в растворе гидроксида натрия более 0,1% и одиннадцатый результат испытания отличается от предыдущих на 16,23% (табл. 3), т. е. более чем на 15% (согласно ГОСТ8269.0-97 п. 4.22.3.4, заполнитель считается потенциально реакционноспособным с щелочами цемента).

Руководствуясь стандартными методами, регламентируемыми соответствующими нормативными документами СНИП 2.03.11-85, ГОСТ 25818, ТУ 21-26-11-90, ТУ 5743-049-02495332-96 и Рекомендациями НИИЖБ по защите бетона от коррозии, вызываемой диоксидом кремния заполнителей со щелочами цемента в целях предотвращения химической активности материалов заполнителей Рогунских месторождений в качестве минерально-активной добавки были рассмотрены зола-уноса (Варзобская ТЭС, Душанбе, Таджикистан) и микрокремнезем (Казахстан) [6, 7]. В табл. 4 приведен результат входного контроля применяемой золы-уноса.

Испытания проводились ускоренным методом с измерением деформаций растворных образцов. Задача эксперимента заключалась, в том, что часть цемента заменяется золой-уноса и микрокремнеземом с измерениями деформаций на растворных образцах.

После проведения ряда промежуточных экспериментов (рисунок, а-г) был получен ожидаемый результат (рисунок, д), который подтверждает эффективность использования добавок для предотвращения реакционной способности материалов заполнителей Рогунских месторождений. В табл. 5 приведены составы подобранных растворов.

На рисунке, а показано, что среднее относительное удлинение образцов (без применения минерально-активных добавок) превышает допустимые нормы (еср <0,1%).

На рисунке, б, в и г показано, что с применением минерально-активных добавок (золы-уноса и микро-

18

июль 2015

Таблица 4

Оксиды Содержание, %

AI2O3 22,56

Fe2O3 4,48

SiO2 53,82

CaO 2

MgO 2,45

Таблица 5

Материалы Состав 1 Состав 2 Состав 3 Состав 4 Состав 5

Цемент, кг 440 308 365,2 356,4 352

Песок, кг 990 990 990 990 990

Вода, л 206,8 206,8 206,8 206,8 206,8

Зола, кг - 132 (30%) 52,8 (12%) 66 (15%) 66 (15%)

Микрокремнезем, кг - - 22 (5%) 17,6 (4%) 22 (5%)

0,1

0,284

0,206

0,177

0,122

0,022 1 1 1

10 15

Длительность испытаний, сут

20

25

10 15 20 25 Длительность испытаний, сут

35

кремнезема) среднее относительное удлинение образцов уменьшилось менее 0,1%, но последние результаты испытаний отличаются от трех предшествующих результатов измерений более чем на 15%, что не соответствует техническим условиям нормативных документов. Соответственно по ГОСТ 82690—97 заполнитель считается потенциально реакционноспособным со щелочами цемента.

На рисунке, д показано, что путем замещения 15% цемента золой-уноса и 5% микрокремнезема найден эффективный путь снижения реакционной способности материалов заполнителей, полученных из местных карьеров. Далее с учетом полученных результатов будут подбираться составы бетонов и исследоваться их физико-механические и коррозионные свойства с целью повышения стойкости против щелочной коррозии. Это является одной из важнейших научно-технических задач, которые предстоит решить для повышения коррозионной стойкости бетонов, а следовательно, и для повышения долговечности железобетонных конструкций в гидротехнических сооружениях Рогунской ГЭС.

Список литературы

0,4 0,3 0,2

. 10,1

0,019 0,021 0 -L

0,032 0,034

0,036

0,04 —О

0

10 15 20 25 Длительность испытаний,сут

30

е 0,4

н

ль е 0,3

ит е,

ос н от н е н и 0,2

е е н 0,1

ш

о 0

0,019 0,025 0,037 0,043

Длительность испытаний,сут

е 0,4

н

ль те чО 0,3

ит е,

ос н от н е н и 0,2

е е н ¡а у 0,1

Ф

О 0

35

0,072

35

0,016

0,017

0--

0,018 0,021 t

0,029 =t«=

0,03 -о-

10 15 20 25 Длительность испытаний, сут

30

0,035 35

Измерения деформаций растворных образцов (по табл. 5): а - состав 1; б - состав 2; в - состав 3; г - состав 4; д - состав 5

1. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Оценка риска щелочной коррозии геополимерного бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/ 2015/03/50853 (дата обращения 15.06.2015).

2. Рояк Г.С., Грановская И.В., Стржалковская Н.В., Миленин Д.А. Зола-унос в бетоне для уменьшения последствий реакции щелочи цемента с кремнеземом заполнителей // Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2014. № 4-5 (36). С. 80-90.

3. Розенталь Н.К., Розенталь А.Н., Любарская Г.В. Коррозия бетона при взаимодействии щелочей с диоксидом кремния заполнителя // Бетон и железобетон. 2012. № 1. С. 50-60.

4. Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Пер. с нем. / Под ред. П. Кривенко. Киев: Оранта, 2004. 301 с.

5. Рояк Г.С. Внутренняя коррозия бетона. М.: ЦНИИС, 2002. 156 с.

6. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) — performance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 68-90.

7. Rossella Pignatelli, Claudia Comi, Paulo J.M. Monteiro. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica reaction // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 196-210.

8. M.D.A. Thomas. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction. // Cement and Concrete Research. 2011. No. 41, pp. 1224-1231.

9. J.W. Pan, Y.T. Feng, J.T. Wang, Q.C. Sun, C.H. Zhang, D. R. J. Owen, Modeling of alkali-silica reaction in concrete // Frontier of Structural Civil Engineering. 2012. No. 6, pp. 1-18.

а

0

0

5

б

в

г

д

5

10. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) — performance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on concrete porosity, moisture state and transport properties // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 145-167.

11. Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и особо низкой проницаемости. М., 2006. 419 c.

References

1. Eroshkina N.A., Korovkin M.O., Timchuk E.I. Risk assessment of alkaline corrosion of geopolymer concrete. Sovromenniye nauchniye issledovaniya i innovacii. 2015. No. 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50853 (date of access 15.06.15). (In Russian).

2. Royak, G.S., Granovskaya, I.V., Strzhalkovskaya, N.V., Milenin, D.A. Fly ash in concrete for mitigating the consequences of the reaction of cement alkalis with silica in aggregates. Cement. Beton. Suhie smesi. 2014. No. 4-5 (36), pp. 80-90. (In Russian).

3. Rozental N.K, Rozental А.Н., Lyubarskaya G.V. Corrosion of concrete by reacting alkalis with silica aggregates. Beton i Zhelezobeton. 2012. No. 1, pp. 50-60. (In Russian).

4. Shtark I., Vikht B. Dolgovechnost' betona. Pod red. P. Krivenko [The durability of concrete (trans. from German.). Ed. A.P. Krivenko]. Kiev: Oranta. 2004. 301 p.

5. Rojak G.S. Vnutrenyaya korroziya betona [Internal corrosion of concrete]. Moscow: CNIIS. Moscow. 2002. 156 p.

6. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) — performance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 68-90.

7. Rossella Pignatelli, Claudia Comi, Paulo J.M. Monteiro. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 196-210.

8. M.D.A. Thomas. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research. 2011. No. 41, pp. 1224-1231.

9. J.W. Pan, Y.T. Feng, J.T. Wang, Q.C. Sun, C.H. Zhang, D. R. J. Owen, Modeling of alkalisilica reaction in concrete. Frontier of Structural Civil Engineering. 2012. No. 6. pp. 1-18.

10. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) — performance testing: Influence of specimen pre-treatment, exposure conditions and prism size on concrete porosity, moisture state and transport properties. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 145—167.

11. Rozental N.K. Korrozionnaya stoykost cementnih betonov nizkoy i osobo nizkit pronicayemosti [Corrosion resistance of cement concrete of low and very low permeability]. Moscow: 2006. 419 p.

_НОВОСТИ

Медицинские потолки КНАУФ для учреждений с высокими требованиями к гигиене и чистоте

В 2015 г. в ассортименте растровых подвесных потолков КНАУФ появились материалы для учреждений с высокими требованиями к чистоте и гигиене - это плита Danotile. Особенность данной плиты в том, что гипсовый сердечник, армированный стекловолокном, с двух сторон покрыт особой пленкой. Такое покрытие можно мыть щелочными и кислотными растворами не только мягкой тканью, но и щеткой. Пленка с тыльной стороны препятствует намоканию плиты в случае протечек и образования конденсата.

Класс чистоты плиты Danotile - ISO 5, что позволяет применять данный материал в операционных, родовых комнатах, лабораториях и палатах. Даная продукции имеет все необходимые сертификаты и испытания в России, в том числе Сертификат Соответствия и экспертное заключение ФГБНУ «Центр здоровья детей». Danotile уже много лет используется в странах Западной Европы, а в этом году появились первые объекты и в России.

По материалам компании КНАУФ

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 20 июль 2015 Ы *