CC BY
119
118
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 666.972.1 Ю. А. Сорвачева
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ВЛИЯНИЕ НАНО-КРЕМНЕЗЕМА НА КИНЕТИКУ ПРОТЕКАНИЯ ЩЕЛОЧНОЙ КОРРОЗИИ БЕТОНА
Исследование вопросов внутренней коррозии бетона и методов ее предотвращения является одним из направлений деятельности по обеспечению долговечности конструкций во всем мире. Известно, что активные минеральные добавки снижают расширение образцов, вызванное проявлением щелоче-силикатной реакции, однако механизм этого воздействия остается не исследованным до конца. С целью изучения воздействия нано-кремнезема на процесс протекания щелочной коррозии бетона и формирование цементной матрицы были проведены ускоренные испытания по оценке потенциальной реакционной способности одного из потенциально опасных в сочетании с высокощелочным цементом заполнителей с измерением линейных деформаций расширения; проанализировано влияние введения нано-кремнезема на кинетику набора пластической прочности цементного камня. Методом электронной микроскопии выявлено, что введение нано-кремнезема в бетонную смесь способствует образованию щелоче-силикатного геля в цементной матрице, а не в порах образца, что способствует замедлению протекания щелочной коррозии бетона.
щелоче-силикатная реакция, нано-кремнезем, внутренняя коррозия бетона.
Введение
В 1940 г. американский ученый Т. Стэнтон положил начало многочисленным исследованиям в области внутренней коррозии бетона. обнародовав информацию о разрушениях ряда сооружений, построенных в период с конца 1920-х до начала 1940-х годов в Калифорнии (шт. Вирджиния). Он назвал это явление щелоче-силикатной реакцией [1]. Поскольку одним из факторов, способствующим протеканию реакции, является повышенная температура окружающей среды, в таких странах, как Дания, Германия и Великобритания было высказано предположение, что эта проблема их не затронет в связи с географическим расположением и геологической ситуацией. Опубликованные позже отчеты о наблюдаемых повреждениях бетонных и железобетонных конструкций показывают, что предположение было неверным.
На севере Германии впервые был диагностирован случай щелоче-силикатной реакции в 1964 г. в городе Любек: разрушению
были подвержены мостовые конструкции. Также разрушения отмечались в Дании (1950), Исландии (1960-1970), Великобритании (1971), Турции (1975), Австралии (1980), Швеции и Норвегии (1980-1990), Швейцарии (1995), Нидерландах (1995-1998) и Финляндии (2011). Разрушениям подвергались здания, мосты, автодорожные и аэродромные покрытия, плотины, водопропускные сооружения и железобетонные подрельсовые конструкции [2]-[11]. В Российской Федерации долгое время отсутствовали статистические сведения о подобных явлениях, однако в 2004 г. обследования, проведенные кафедрой «Строительные материалы и технологии» ПГУПС, позволили спустя 3 года после начала эксплуатации железобетонных подрельсовых конструкций выявить их разрушение, вызванное щелоче-силикатной реакцией [12].
Введение в состав бетона активных минеральных добавок, таких как микрокремне-
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
119
зем, зола-уноса, молотый гранулированный доменный шлак, эффективно предотвращает щелоче-силикатную реакцию, однако многие аспекты, связанные с их ингибирующим действием, остаются невыясненными [13]. Вместе с тем отдельные работы показывают, что некоторые виды добавок могут повышать нежелательное расширение образцов [14], [15].
В настоящее время не существует специального метода оценки влияния активных минеральных добавок на процесс протекания внутренней коррозии бетона, отсутствуют сведения об их оптимальной дозировке и размере частиц, поэтому было проведено исследование влияния нано-кремнезема на расширение образцов бетона вследствие внутренней коррозии.
1 Характеристика материалов
В ряде национальных и зарубежных норм установлено предельно допустимое содержание щелочей в цементе в пересчете на эквивалентное значение оксида натрия, равное 0,6 %. При проведении исследований использовался высокощелочной портландцемент (см. таблицу).
Анализ показывает, что цемент содержит 1,19 % щелочей в пересчете на Na2Oeq, это в
2 раза превышает допустимую норму.
При изготовлении образцов использовался дробленный крупный заполнитель одного из южных месторождений России. По результатам петрографического анализа он состоял из кварца —20-25 %, полевых шпатов —20-25 %, халцедона ~18—20 %, амфиболов —13—15 %, рудных минералов —13—14 %, пироксенов —3-4 %, слюды и гидрослюды —3-4 % и СаСО3 —1-2 %. По результатам химического анализа выявлено, что заполнитель содержал 38,1 ммоль/л аморфного кремнезема, что на 24 % ниже предельной установленной границы в 50 ммоль/л.
С целью предупреждения возникновения щелоче-силикатной реакции и снижения деформаций расширения в бетонную смесь был введен коллоидный нано-кремнезем (содержание SiO2 99,2 %) с удельной поверхностью 300 м2/г в количестве 0,025 % и 0,125 % от массы цемента.
2 Результаты исследования
Для изучения формирования структуры цементного камня на его ранних стадиях была определена пластическая прочность в разные моменты времени с использованием конического пластометра. Было проанализировано влияние нано-кремнезема на кинетику набора пластической прочности цементного камня (рис. 1).
ТАБЛИЦА. Химико-минералогический состав цемента
Минералогический состав, % Химический состав, %
C3S 52,9 SO3 2,89
SiO2 20,7
C2S 19,4 Al2O3 5,21
Fe2O3 4,15
C3A 6 CaO/CaO своб. 63,9/0
MgO 1,75
C4AF 12,5 K2O 0,60
Na2O 0,80
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
120
Общетехнические задачи и пути их решения
0,7
0,6
Й 0,5
0
1
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Кс х. X 1
3
2
Нс х.
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Время, мин
1-ПЦ ^^2-ПЦ + 0,025 % НК -^3-ПЦ + 0,125 % НК
Рис. 1. Влияние нано-кремнезема на кинетику набора пластической прочности цементного камня
Анализ результатов показал, что введение нано-кремнезема оказывает незначительное влияние на сроки схватывания цементного камня: при сохранении времени начала схватывания неизменным (2 ч 30 мин) он незначительно сокращает время конца схватывания (с 5 ч 30 мин до 5 ч 00 мин) при увеличении его дозировки.
С целью определения влияния нано-кремнезема на процесс гидратации портландцемента был проведен качественный и количе-
ственный анализы проб цементного камня по стандартной методике с введением 20 % оксида цинка кристаллической структуры, образованные в результате пики цинкита при качественном анализе принято не учитывать (рис. 2).
Результаты анализа позволяют сделать вывод о практическом отсутствии в представленных образцах эттрингита (значение колеблется в пределах от 0,97 до 0,46 %), что объясняется малым количеством гипса
ПЦ+0,125% НК ПЦ+0,025% НК ПЦб/д
Рис. 2. Рентгенограммы образцов
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
121
в используемом цементе и исключает расширение образцов вследствие его увеличения в объеме. В свою очередь, введение нано-кремнезема способствует ускорению процесса гидратации и увеличению на 55 % содержания портландита.
Для проведения ускоренных испытаний по оценке потенциальной реакционной способности заполнителя были приготовлены бетоны из трех бетонных смесей с одинаковым водоцементным отношением, равным 0,42. Результаты средних значений относительных деформаций расширения представлены на рис. 3.
Несмотря на то, что в действующих нормативных документах установлена граница длительности испытаний 11 циклов, исследования были продолжены до 21 цикла.
При проведении испытаний после 11 циклов относительное расширение у контрольных образцов достигло значения 0,13 %, при введении нано-кремнезема в количестве 0,025 и 0,125 % от массы - 0,09 и 0,07 %, соответственно, т. е. было ниже критического значения.
На основе полученных результатов можно было сделать вывод, что введение нанокремнезема в бетонную смесь предупреж-
дает возникновение щелоче-силикатной реакции, однако при дальнейшем выдерживании образцов в одномолярном растворе гидрооксида натрия деформации расширения продолжали расти и на 21-й день превысили допустимую границу в 1,5-2 раза. Полученные результаты доказывают, что введение нано-кремнезема не предотвращает щело-че-силикатную реакцию, а лишь замедляет ее протекание.
Для подтверждения высказанного предположения и выявления наличия геля как продукта щелоче-силикатной реакции, были проведены микроскопические исследования образцов с помощью 3Б-микроскопа (рис. 4).
Установлено, что в образце без добавок практически все поры полностью или частично заполнены щелоче-силикатным гелем, что говорит о продолжающейся внутренней коррозии бетона. Наличие геля в порах ускоряет процесс расширения образцов с последующим образованием микротрещин.
В свою очередь, образцы с введенным нано-кремнеземом характеризуются образованием щелоче-силикатного геля не в порах, а в цементной матрице, что объясняет замедление протекания химической реакции между щелочами цемента и кремнеземом
0,25
0,2
О)
1 0,15
О.
S
3
и
го
0,1
0,05
1 0 ,22
I ),13 2 0 ,18
0,09 3 0,15
4 / г* \ 0 ,07
it-ч И И А 6 * £ 'г*
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Время, дни
—^1-ПЦ б/д -^2-ПЦ+0,025% НК -^3-ПЦ+0,125% НК
Рис. 3. Результаты оценки относительного расширения образов мелкозернистого бетона
0
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
122
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 4. Щелоче-силикатный гель в поре бездобавочного образца, х75
заполнителя и, как следствие, замедление проявления расширения образцов. На рис. 5 представлен образец бетона с введением 0,125 % нано-кремнезема.
При проведении рентгеноспектрального микроанализа в точке EDX2 (рис. 5) было подтверждено протекание щелочной коррозии в цементной матрице. Поэлементный состав геля представлен на рис. 6.
С точки зрения количественного состава в представленном участке геля преобладает оксид кремния, который составляет примерно 64 %, а также присутствуют оксид натрия в количестве 9 %, оксид калия - 4 %, карбонат кальция - 23 %.
Рис. 5. Щелоче-силикатный гель в цементной матрице, х500
Заключение
Необходимым условием высокой долговечности бетонных и железобетонных конструкций является оценка факторов, влияющих на возможность возникновения щело-че-силикатной реакции в бетоне. Результаты, полученные в исследовании, позволяют сделать вывод, что использование нано-кремнезема позволяет лишь замедлить протекание щелоче-силикатной реакции, но не предотвратить ее полностью. Замедление реакции объясняется образованием геля не в порах, а в цементной матрице, в связи с чем в последнем случае требуется гораздо большее
Skalierung, Counts: 983
10-EDX2-AKR
<innn Si
onn 1
enn 0
ЛПП j I
200- 0- c 1 r a 1 Ca A
jL , A a
klm-5-В
keV
Рис. 6. Состав щелоче-силикатного геля
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
123
количество геля, способного повлечь нежелательное расширение образцов. Можно констатировать, что исследования по наиболее широко применяемой ускоренной методике не позволяют сделать достоверные выводы о действии нано-кремнезема на процесс разрушения бетона вследствие прохождения внутренней коррозии.
Для получения объективной оценки необходимо проведение дополнительных микроскопических исследований с целью обнаружения щелоче-силикатного геля или более длительные испытания.
Благодарность
Работа финансирована стипендией Президента Российской Федерации для обучения за рубежом в 2013/2014 учебном году и выполнена в Веймарском Институте строительных материалов им. Ф. А. Фингера Строительного Университета Германии.
Библиографический список
1. Stanton, T. E. (1940). Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate. Proceedings American Society of Civil Engineers, 66, 1781-1811.
2. Hobbs, D.W. (1988). Alkali-silica reaction in concrete, London.
3. Jensen, V. (1993). Alkali aggregate reaction in Southern Norway: thesis, Trondheim.
4. Jensen, V., Merz, C. (2008). Alkali-aggregate reaction in Norway and Switzerland - survey investigations and structural damage. Proceedings of the 13th ICAAR, Trondheim, 785-795.
5. Bodeker, W. (2003). Alkalireaktion im Bauwerksbeton - Ein Erfahrungsbericht. Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton (DAfStb), 539.
6. Bakker, J. D. (1999). ASR in 20 bridges in and over motorway 59 in the Netherlands. Proceedings of the 8th International Conference on Structural Faults and Repair, London, cd-rom, pp. 8.
7. Andi^-^akir, O., £opuroglu, O., Katayama, T. (2012). A Review of Alkali-Silica Reactivity in Turkey: A Case Study From Izmir, west Anatolia. Proceedings of the 14th ICAAR, Austin, 10 p.
8. Nerenst, P. (1957). Alment om Alkali Re-aktioner i Beton. The Danish National Institute of Building Research and the Academy of Technical Sciences, Committee on Alkali Reactions in Concrete, Progress Report Al, Copenhagen.
9. Gudmundsson, G., Asgeirsson, H. (1975). Some Investigation on Alkali Aggregate Reaction.
10. Lagerblad & Tragardh. (1992). Alkali-silica reactions in Swedish Concrete, Stockholm.
11. Pyy, H., Ferreira, M., Holt, E. (2012). Assessing the extent of AAR in Finland. Proceedings of the 14th ICAAR, Austin, 6 p.
12. К вопросу о долговечности железобетонных конструкций / Т. М. Петрова, Ю. А. Сорва-чева // Сб. науч. трудов Sworld. - 2013. - Т. 43, № 1. - С. 68-76.
13. Lindgard, J. (2012). Alkali-silica reactions (ASR): Literature review on parameters influencing laboratory performance testing. Cement & Concrete Research, 42 (2), 223-243.
14. Diamond, S. (1983). Alkali-aggregate reactions in concrete - Pore solution effects. Proceedings of 6th International Conference on AAR in Concrete, Copenhagen, 155-167.
15. Duchesne, J., Berube, M. A. (1994). Effectiveness of supplementary cementing materials in suppressing expansion due to ASR: Part 2 Effect on the pore solution chemistry. Cement & Concrete Research, 24, 221-230.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
