Влияние эксплуатационных воздействий на высолообразование в мелкозернистом бетоне Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Библиографический список

1. Нойферт П., Нефф Л. Проектирование и строительство. Дом, квартира, сад. 3-е изд., перераб. и доп. / пер. с нем. М.: Архитектура-С, 2007. 264 с.

2. Нойферт Э. Строительное проектирование. 2-е изд. / пер. с нем. К.Ш. Фельдмана, Ю.М. Кузьминой; под ред. З.И. Эст-рова и Е.С. Раевой. М.: Стройиздат, 1991.

3. СП 54.13330.2011. Свод правил. Здания жилые многоквартирные. Актуализированная редакция СНиП 31-01-2003; утв. приказом Минрегиона РФ от 24.12.2010 г. № 778, введен

с 20.05.2011 г.

4. Губернский Ю.Д., Лицкевич В.К. Жилище для человека. М.: Стройиздат, 1991. 225 с.

5. Гардеробные комнаты elfa. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.garderobnye.com/ (Дата обращения: 25.06.2012)

6. Георгафия.ш - сайт географического общества. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.geografia.ru (Дата обращения: 21.06.2012)

УДК 691.335

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВЫСОЛООБРАЗОВАНИЕ В МЕЛКОЗЕРНИСТОМ БЕТОНЕ

© И.В. Жерновский1, А.И. Бондаренко2, А.В. Клочков3, В.В. Строкова4

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Приведены возможные агрессивные условия и проведен анализ существующих методов борьбы с высолами. Отражены основные проблемы, возникающие при длительном воздействии агрессивных сред. Количественная оценка химического состава позволила установить увеличение количества выносимого вещества (оксидов щелочных и щелочноземельных металлов). Предложены следующие меры предотвращения высолов: применение композиционных вяжущих; увеличение плотности бетонной смеси путем корректировки ее гранулометрического состава и рационального выбора генетического типа заполнителя. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: солевые образования мелкозернистый бетон; тротуарная плитка; микроструктура бетона.

ENVIRONMENTAL IMPACTS ON EFFLORESCENCE IN FINE GRAIN CONCRETE I.V. Zhernovsky, A.I. Bondarenko, A.V. Klochkov, V.V. Strokova

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov 46 Kostyukov St., Belgorod, Russia, 308012.

The paper presents possible aggressive conditions, analyzes existing methods to fight efflorescence, and describes the main problems arising under the prolonged action of aggressive media. The quantitative evaluation of chemical composition allowed to identify the increased amount of worn away substances (oxides of alkali and alkaline earth metals). The authors propose the following measures to prevent efflorescence: using the composite binding, increasing the density of the concrete mixture by adjusting its grain-size composition, and the rational choice of the genetic type of the aggregate. 4 figures. 1 table. 4 source.

Key words: salt formations; fine grain concrete; concrete paving slabs; concrete microstructure.

Производство дорожно-строительных материалов, обладающих высокими конструктивными, эксплуатационными и декоративными качествами в сочетании с экологической безопасностью, является весьма актуальным. В большей мере перечисленным требованиям отвечают штучные изделия из мелкозернистого бетона - тротуарная плитка. Преимущество мощения плиткой очевидно и заключается в долговечности применяемого материала, его ремонтной пригодности, возможности получения архитектурного разнообразия

и внесения индивидуальности, достигаемой за счет использования различных по цвету и форме изделий.

В отличие от стеновых цементно-песчаных изделий тротуарная плитка эксплуатируется в более сложных температурно-влажностных условиях при постоянном агрессивном воздействии выхлопных газов. Одна из причин снижения долговечности изделий и конструкций из мелкозернистых бетонов - это коррозия, последствием которой являются солевые образования на тротуарной плитке, именуемые в техниче-

1Жерновский Игорь Владимирович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры строительных материалов, изделий и конструкций, тел.: 89511310448, e-mail:[email protected]

Zhernovsky Igor, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials, Products and Structures, tel.: 89511310448, e-mail: zhernovsky.igor @ mail.ru

2Бондаренко Александра Игоревна, аспирант, тел.: 89507131581, e-mail: [email protected] Bondarenko Alexandra, Postgraduate, tel.: 89507131581, e-mail: [email protected]

3Клочков Александр Владимирович, аспирант, тел.: 89205500559, e-mail: [email protected] Klochkov Alexandr, Postgraduate, tel.: 89205500559, e-mail: [email protected]

4Строкова Валерия Валерьевна, доктор технических наук, профессор кафедры строительных материалов, изделий и конструкций, тел.: 89103205623, e-mail: [email protected]

Strokova Valeriya, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Materials, Products and Structures, tel.: 89103205623, e-mail: [email protected]

ской литературе высолами. Помимо снижения эксплуатационных показателей высолы приводят к ухудшению архитектурной выразительности дорожных покрытий.

В отличие от цементобетонных изделий, используемых при возведении фасадов зданий и сооружений, дорожные покрытия эксплуатируются в несравнимо более агрессивных условиях, под постоянным динамическим воздействием, в соприкосновении с такими вредными веществами, как:

- выхлопные газы высокой плотности, находящиеся в атмосфере, концентрирующиеся в приповерхностных частях земли (до 1,5 м);

- органические испарения с соседствующих асфальтобетонных покрытий;

- резиновой пылью от покрышек (выделение канцерогенных веществ от них больше, чем из выхлопных газов двигателя или асфальтового дорожного покрытия);

- атмосферные осадки, покрывающие тротуарную плитку (в некоторых регионах срок покрытия составляет до четырех месяцев в году).

Поэтому, как показывают наблюдения, высолы на тротуарной плитке могут появляться, исчезать и формироваться вновь.

Анализ причин образования высолов свидетельствует о том, что наибольший вклад в кристаллизацию на поверхности тротуарной плитки новообразований вносит высокое содержание растворимых веществ в исходных и синтезированных материалах и нарушение технологии производства [1].

Рассмотрение существующих методов борьбы с высолами показало, что большинство вторичных методов, в частности различные виды очистки и гидро-фобизирующие пропитки, практически не приемлемы для изделий, используемых в покрытии дорог и тротуаров [2]. В связи со спецификой условий эксплуатации тротуарной плитки снижение высолообразования на поверхности цементобетонных дорожно-

строительных материалов может быть достигнуто посредством оптимизации состава и структуры бетонной смеси на стадии подбора компонентов. Оптимально подобранная смесь будет способствовать повышению плотности материала и снижению содержания растворимых компонентов.

В целях установления влияния эксплуатационного периода на интенсивность миграции и количество растворимых веществ была изучена динамика поведения химических элементов в массиве мелкозернистого бетона, для чего была создана модель процессов поверхностного выветривания [3]. Исследования проводились на образцах тротуарной плитки заводского состава новой и бывшей в эксплуатации в течение пяти лет (таблица).

Количественная оценка химического состава фильтратов в зависимости от качества тротуарной плитки позволила выявить увеличение количества выносимого вещества (оксидов щелочных и щелочноземельных металлов) в изделиях, имеющих эксплуатационный срок пять лет: СаО - на 37% , №20 и К20 -на 15 и 33% соответственно (см. табл.). За счет действия фильтрационных вод происходит разрушение компонентов кристаллической структуры цементного камня, разуплотнение структуры бетона и, как следствие, увеличение открытой пористости. В результате этого происходит более интенсивный вынос растворимого вещества не только с поверхностных слоев, как это происходит в свежеприготовленной плитке, но и со всего объема образца.

Изучение динамики поведения химических элементов цементно-песчаной тротуарной плитки под воздействием непрерывного цикла воды свидетельствует о том, что ввиду нарушения микроструктуры бетона в эксплуатационный период возможность формирования высолов не снижается, а, напротив, возрастает.

Анализ влияния эксплуатационного периода на микроструктуру цементного камня мелкозернистого

Влияние эксплуатационного периода на возможность миграции химических элементов _в тротуарной плитке_

Материал бЮ2 М2О3 Ре203 СаО МдО №20 К20 Б03 ТЮ2 Р205 Ре0 П.п.п.

До эксплуатации

Плитка до испытания*, % 62,28 6,72 1,67 14,81 0,48 1,82 1,11 0,60 0,28 0,077 0,47 6,0

Плитка после испытания, % 62,05 6,37 1,63 14,45 0,40 1,40 0,93 0,49 0,26 0,065 0,35 5,72

А, % 0,23 0,3 0,04 0,36 0,08 0,42 0,18 0,11 0,02 0,012 0,12 0,28

Фильтрат, г/см3 0,05 3,45 0,05 3,2 0,2 22,0 16,0 0,02 н/о < 0,01 0,09 0,05

После эксплуатации

Плитка до испытания, % 64,24 6,52 1,70 14,23 0,49 1,63 0,84 0,55 0,30 0,066 0,30 6,05

Плитка после испытания, % 64,05 5,81 1,33 13,98 0,37 1,25 0,79 0,51 0,20 0,058 0,22 5,59

А, % 0,19 0,71 0,37 0,25 0,12 0,38 0,05 0,04 0,1 0,008 0,08 0,46

3 Фильтрат, г/см 0,08 2,82 0,09 5,1 0,2 26,0 24,0 0,01 н/о < 0,01 0,05 0,05

* Испытания проводились в аппарате «Сокслет». ** Потери при прокаливании.

в)

Рис. 1. Морфология новообразований на зернах заполнителя плитки, прошедшей эксплуатацию в течение пяти лет: а - окатанное зерно кварца с кавернозной поверхностью, покрытое коркой новообразованного вещества; б - морфология вещества, слагающего корку; в - морфология кристаллов кальцита со структурами роста на гранях

бетона дал возможность предложить следующую картину трансформации структуры мелкозернистого бетона, корректировка состава которого позволила наметить пути снижения высолообразования на тротуарной плитке [4].

Цементный камень в заводской тротуарной плитке имеет достаточно рыхлую структуру, сложенную, в основном, глобулярной массой, а также новообразованными кристаллами продуктов гидратации вяжущего. В поровом пространстве встречаются удлиненные столбчатые кристаллы гидросиликатов кальция, имеющие локальное расположение и создающие микрокаркас материала.

В отличие от структуры бетона, поставляемого потребителю, изделия того же состава, но прошедшие эксплуатационный период в течение пяти лет, имеют иной характер микроструктуры. Окатанные частицы заполнителя покрыты плотной коркой новообразованного вещества (рис. 1,а), что напоминает натечные почкообразные формы, характерные для кристаллизации вещества в карстовых пространствах и трещинах из гидротермальных источников. Однако при изучении данных структур при увеличении *10000 и х25000 диагностируются призматические кристаллы размером до 5 мкм с четко выраженными гранями (рис. 1,6). Судя по характеру контакта кристаллов с окружающей массой натечного вида, это вещество одного и того же состава. Достаточно четко визуали-

зируются структуры роста на гранях кристаллов (рис. 1,е). Исходя из формы кристаллов, покрывающих сплошной массой зерна кварца фазового состава изучаемой системы, отсутствия данных форм в свежих образцах и условий эксплуатации материала, можно сделать вывод об их составе - эпигенетический кальцит. Это свидетельствует об интенсивной диффузии растворенного вещества из материала по контактной зоне цементного камня с заполнителем, где и происходит отложение и кристаллизация растворимых компонентов данной системы.

Анализ общего вида структуры свидетельствует о сформировавшейся в процессе эксплуатации материала значительной пористости (рис. 2), что не характерно для исходного образца. Поровое пространство имеет как близкую к изометричной форму, так и карстовый вид пространства. Это объясняется равномерностью выщелачивания вещества по объему при заполнении существующих в цементом камне капиллярных пор и пустот водой.

Морфология новообразований, наблюдаемых на стенках пор, и характер их заполнения кристаллами не характерны для традиционного цементного камня; подобные друзы правильно ограненных кристаллов могут формироваться при длительном времени заполнения порового пространства насыщенным раствором и благоприятных условиях синтеза.

в)

Рис. 2. Микроструктура цементного камня и новообразований в поровом пространстве тротуарной плитки, прошедшей эксплуатацию в течение пяти лет: а - общий вид структуры мелкозернистого бетона; б - форма поры и характер ее заполнения; в - морфология новообразований стенок пор

Учитывая тот факт, что карбонатно-натриевые и сульфатно-натриевые высолы растворимы в воде и при эксплуатации тротуарной плитки являются самоликвидирующимися, основной задачей является предотвращение формирования практически нерастворимых карбонатно-кальциевых высолов. В составе высолов плитки заводского состава обнаружены: кальцит (СаС03), портландит (Са(ОН)2), безводный сульфоалюминат кальция (3(СА)■СаSO4) (рис. 3). Вы-

солы на тротуарной плитке представляют собой незакономерные сростки кристаллов - друзы (рис. 4,а). Четко прослеживается несколько генераций портлан-дита в виде кристаллов до 10-15 мкм, покрытых более тонкодисперсными новообразованиями, не превышающими 0,2 мкм (рис. 4,6). Это может свидетельствовать об автоколебательной природе процесса формирования высолов при изменении концентрации и интенсивности поступления раствора.

о

т

& «О

оЗ Р. св О ^ О

Рис. 3. Состав высолов по данным РФА

Рис. 4. Структура высолов на тротуарной плитке заводского состава: а - друзы портландита на поверхности бетона; б - морфология кристаллов портландита, покрытых той же фазой более поздней генерации

Таким образом, изучение динамики поведения химических элементов цементно-песчаной тротуарной плитки под воздействием непрерывного цикла воды показало, что ввиду нарушения микроструктуры бетона в эксплуатационный период возможность формирования высолов не снижается, а возрастает. Установлено увеличение количества выносимого вещества в изделиях, прошедших эксплуатационный срок пять лет. За счет воздействия фильтрационных вод происходит нарушение кристаллической структуры цементного камня, разуплотнение структуры бетона и, как следствие, увеличение открытой пористости. Следствием этого является более интенсивный вынос растворимого вещества не только с поверхностных слоев, как это происходит в свежеприготовленной плитке, но

и со всего объема образца. Это подтверждается наличием нескольких генераций портландита и кальцита, что свидетельствует о непрерывном процессе формирования высолов при изменении концентрации и интенсивности поступления раствора.

Учитывая особенности миграции вещества и характер изменения микроструктуры при эксплуатации, были реализованы следующие меры предотвращения высолов: использованы композиционные вяжущие; увеличена плотность бетонной смеси путем корректировки ее гранулометрического состава и рационального выбора генетического типа заполнителя [4].

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова; Гранта РФФИ №12-08-87603.

Библиографический список

1. Степанова В.Ф., Розенталь Н.К., Чехний Г.В. Причины образования высолов на поверхности строительных конструкций // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. № 3. С. 30-31.

2. Способы снижения высолообразования тротуарной плитки / Ю.В. Фоменко, А.И. Топчиев, Ю.В. Литвинова, А.П. Гринев // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 46-47.

3. Строкова В.В., Фоменко Ю.В., Комарова Н.Д. Динамика поведения химических элементов цементно-песчаной троту-

арной плитки под воздействием экзогенного цикла воды // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. 37. Днепропетровск: Изд-во ПГАСА, 2006. С. 476-480.

4. Фоменко Ю.В. Мелкозернистый бетон для тротуарной плитки с пониженным высолообразованием: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05; Белгородск. гос. технолог. ун-т им. В.Г. Шухова. Белгород, 2007. 12 с.