CC BY
26УДК 691.328.43
DOI 10.24411/2686-7818-2020-10012
ВЛИЯНИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ №й НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ, АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫМИ СТЕРЖНЯМИ*
© 2020 В.П. Селяев, И.Н. Шабаев, И.П. Терешкин, М.Ф. Алимов**
Представлены результаты исследований влияния водных растворов NaCl на прочность цементных композитов, армированных композитными стеклопластиковыми стержнями. Показаны графики процесса сорбции бетонных образцов, изменения прочности и коэффициента химического сопротивления и график изменения глубинного показателя проникновения агрессивной среды с течением времени. Представлено аналитическое описание химического взаимодействия реакционноспособных компонентов, входящих в состав цементных композитов и агрессивных сред.
Ключевые слова: хлористый раствор, цементный композит, композитная стеклопластиковая арматура, коэффициент химического сопротивления, модели химического взаимодействия.
Интенсивное развитие современных технологий промышленного производства связано с применением различных химических реагентов, которые могут оказывать негативное влияние на эксплуатационные характеристики бетонных и железобетонных изделий, вызывать их коррозию [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Под действием растворов, содержащие агрессивные реагенты (ионы хлора, сульфаты и т.д.), происходит деградация бетона, увеличиваются расходы, связанные с обеспечением нормальной эксплуатации железобетонных конструкций. Обеспечить надежную работу железобетонных конструкций в условиях действия агрессивных сред можно путем применения: новых видов бетонов и арматуры с повышенным химическим сопротивлением; комплексной химизации в технологии цементных бетонов; более точных методов прогнозирования долговечности, надежности, ресурса изделий, работающих в условиях действия агрессивных сред, ос-
нованных на результатах теоретического и экспериментального исследования механизмов взаимодействия цементного бетона с хлоридными средами [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Целью настоящей работы является изучение механизма разрушения изделий из цементных бетонов, армированных композитными стержнями, при совместном действии водных хлорсодержащих растворов и сжимающей нагрузки. Для конструкций из железобетона ионы хлора, представляют угрозу не только для цементного бетона, но и для стальной арматуры. Тренд современного строительства все больше ориентирован на применение высокопрочных цементных бетонов и композитной арматуры. Совместная работа этих материалов в условиях действия агрессивных сред и силовых факторов практически не изучена.
Композитная стеклопластиковая арматура наиболее доступная химически стойкая в агрессивных средах. Однако композиты на
* Работа представлена на Всероссийской научно-технической конференции, посвящённой 75-летию Заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, профессора Селяева В.П. (3-5 дек. 2019 г., Саранск) «Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций».
** Селяев Владимир Павлович (ntorm80@mail.ru) - Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, академик РААСН, заведующий кафедрой строительных конструкций; Шабаев Ильшат Наильевич (ntorm80@mail.ru) - аспирант; Терешкин Иван Петрович (ntorm80@mail.ru) - кандидат технических наук, доцент; Алимов Марат Фатихович (ntorm80@mail.ru) - аспирант; ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва», г. Саранск, Россия
эпоксидном связующем предрасположены к деградации в условиях действия щелочной среды, которая содержится в капиллярной жидкости цементного камня. Химическое сопротивление высокопрочных бетонов обеспечивается высокой плотностью, однородностью структуры, но есть предположение, что введение суперпластификаторов, минеральных и органических добавок, повышение тонкости помола цемента могут отрицательно влиять на химическое сопротивление цементного композита.
Для изучения закономерностей работы армированных цементных композитов в условиях агрессивного воздействия водных растворов солей N8^, было изготовлено 22 образца в виде призм с размерами 40х40х160 мм. Восемь призм армировали композитными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6,5 мм, располагая их по оси призмы. Состав бетона приведен в табл. 1.
Всего было изготовлено 22 образца в виде призм с размерами 40х40х160 мм, восемь из которых армировали композитными стеклопластиковыми стержнями диаметром 6,5 мм, располагая их по оси призмы. Образцы с момента разопалубки и до начала испытаний выдерживались 28 суток при температуре 24 °С и влажности - 90%. Затем 4 образца были испытаны для определения контрольных значений прочности при сжатии, остальные поместили в 10% водный раствор NaCl. Перед погружением и через 1, 2, 3 и 4 месяца производилось взвешивание образцов. Кинетика изменения веса образцов, выдержанных в средах, показана на рис. 1.
Испытания на сжатие проводились на прессе 13 DP/40 Welle Geotechnick. Образцы располагались вертикально и нагружались со скоростью 0,3 мм/мин и частотой сбора данных 0,01 ^ 0,1 секунд, до полного разрушения (рис. 2). Номера образцов, их характер-
Таблица 1. Состав бетонной смеси
Состав Состав смеси на один экспериментальный замес Осадка конуса, мм
Вид цемента Кол-во, г. Песок, г. Добавки В/Ц
Вид добавки Кол-во, %
Ol ЦЕМ I 42,5 Н 1-1,5 10570 МКУ-85 9 0,44 1-1,5
Хидетал ГП-9? 0,8
2.5
1.5
0.5
1 а
i --"в** • 1
-—т. cvt
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Рис. 1. Кинетика процесса сорбции бетонных образцов, экспонированных в 10% растворе NaCl:
1 - без армирования; 2 - армированные
а) б)
Рис. 2. Общий вид разрушенных образцов: а - армированных; б - без армирования
ные особенности, время выдержки в агрессивной среде и результаты определения прочности представлены в табл. 2.
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что разрушение
армированных образцов происходит при более низком уровне сжимающей нагрузки, по сравнению с образцами без армирования. Очевидно этот эффект можно объяснить потерей устойчивости арматурного стержня в бетонном образце. Продольный изгиб арматурного стержня создает дополнительный распор, который снижает несущую способность армированной призмы (рис. 3). Следовательно, для повышения несущей способности призмы необходимо повысить устойчивость продольной арматуры.
Кинетика изменения прочности бетона, после экспонирования в агрессивной среде, представлена графически на рис. 4. Изменение коэффициента химического сопротивления от длительности экспонирования показано на рис. 5.
Аналитическое описание химического взаимодействия реакционноспособных компонентов, входящих в состав цементных композитов и агрессивных сред предлагается производить на основании закона Гульбер-
Таблица 2. Характеристики и результаты испытаний изготовленных образцов
№ Вид армирования, Длительность Предел прочности, МПа Модуль упругости, МПа
образца арматуры экспонирования, мес.
ОБРАЗЦЫ, АРМИРОВАННЫЕ КОМПОЗИТНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ АРМАТУРОЙ (СПА)
4(1) 1СПА 6,5 0 32,02 7965,02
5(1) 1СПА 6,5 0 34,52 9485,03
Среднее значение 33,27 8725,03
7(1) 1СПА 6,5 1 20,34 6493,62
7(3) 1СПА 6,5 1 24,339 6299,6
8(1) 1СПА 6,5 2 15,59 4843,69
8(3) 1СПА 6,5 2 30,147 8296,3
9(1) 1СПА 6,5 3 29,64 7697,36
9(3) 1СПА 6,5 4 31,259 9713,4
ОБРАЗЦЫ БЕЗ АРМИРОВАНИЯ (СПА)
22(2) - 0 54,06 13235,5
23(2) - 0 62,49 13477,1
Среднее значение 58,28 13356,3
19(1) - 1 45,44 11942,6
20(1) - 1 44,63 11528,9
21(1) - 2 48,04 10434,8
22(1) - 3 18,31 3116,9
23(1) - 3 18,33 5630,95
24(1) - 3 18,56 6214,42
Примечания:
1(1) - образец под номером один (из первой партии);
1СПА 6,5 - один стержень стеклопластиковой арматуры диаметром 6,5 мм.
Рис. 3. Стадии разрушения армированных образцов
60
40
30
10
1*, МПа
14
А 1
•
Т
2 *
1,сут
Рис. 4. График изменения прочности бетонных образцов, экспонированных в 10% растворе NaCl:
1 - без армирования; 2 - армированные
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
Я, отн.
"В
•--- —•--<
Т ЛШ
20
40
60
80
100
120
140
Рис. 5. График изменения коэффициента химического сопротивления бетонных образцов,
экспонированных в 10% растворе NaCl:
1 - без армирования; 2 - армированные
га-Вааге, согласно которому скорость взаимодействия вещества пропорциональна их концентрации. Математически это выглядит
dc
в виде уравнения — = ~кС1" • С • С0... Считается, что больше трех частиц одновременно столкнуться не могут. Поэтому предложено рассматривать три аналоговые модели: моно-, би-, тримолекулярную, которые описывают кинетику изменения прочности бетона под действием агрессивных сред [1].
Обработка экспериментальных данных по изменению прочности цементного композита под действием агрессивной среды с учетом трех аналоговых моделей дает возможность определить наиболее адекватную и применять ее при построении деградаци-онных функций.
Для обработки экспериментальных данных, представленных на рис. 5, и определения параметра «к» произведем линеаризацию функций полученных после решения дифференциальных уравнений описываю-
da dc
щих аналоговые модели — = — ■ Предложено [1], представить первую модель линейной зависимостью между 1п к и соответ-
1 1 ственно вторую и ^ и третью ~гг и t
(гДе kxi о,-(0)):
In k, = In C - k1t;
x1 0 '
1 1 , — = — + k2t;
kx 2 C0
(1)
(2)
Рис. 6. Линеаризация мономолекулярной модели взаимодействия бетонных образцов экспонированных в 10% растворе №0:
1 - без армирования; 2 - армированные
Рис. 7. Линеаризация бимолекулярной модели взаимодействия бетонных образцов экспонированных в 10% растворе NaCl:
1 - без армирования; 2 - армированные
? Тримолекулярная модель 1
у 1
__•— -*--«
Длите льноеть экепон <|рования, сут
(3)
Рис. 8. Линеаризация тримолекулярной модели взаимодействия бетонных образцов экспонированных в 10% растворе №0:
1 - без армирования; 2 - армированные
11.,
— = — + 2к3Г.
к2 С2 3
Кх 3 С0
Графическое представление результатов линеаризации экспериментальных данных для соответствующих моделей представлены на рис. 6, 7, 8. Значения коэффициентов корреляции построенных графиков трех моделей деградации представлены в табл. 3.
Статистический анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что мономолекулярная модель наиболее точно описывает изменения прочности, для всех типов образцов, после экспонирования в 10% растворе N8^. Найдем функции к , кх2, и кх3 химического сопротивления. Для этого определим кинетические характеристики химического взаимодействия между материалом и агрессивной средой С0, к , кх2, и кх3.
Из граничных условий, если Г = 0, то
к 1 = к 2 = к 3 = 1, то С0 = 1.
х1 х2 х3 ' 0
Значения к „, к .,, и к ^ определим из ана-
XV х2' х3 1 ^
лиза графиков по формулам:
1 1 .
-1 --1
к2
, к3 = к 3
к - |пк1 к
к1 ' к2 -Ь2 .3
. 2 . 3 2г Тогда функции к , к , и к примут вид:
кх!- ехр{-кгг}; кх 2- 1
а
(0)
а(0) к2Г + 1
к ^ 1 х3 С(0) рк3. +1
Результаты определения к , кх2, и кх3 представлены в табл. 4.
Для определения предельной сорбцион-ной емкости о и кинетической константы
Таблица 3. Значения коэффициентов корреляции построенных графиков моделей деградации
Модель Значение коэффициента корреляции
Образцы не армированные Образцы армированные СПА
Мономолекулярная -0,99946 -0,43122
Бимолекулярная 0,985193 0,411839
Тримолекулярная 0,954321 0,393787
Таблица 4. Характеристики и результаты испытаний изготовленных образцов
Формула определения Образцы
Без армирования Армированные СПА
1п к х1 0,673 0,396
Г, час 1320 1320
- |пк1 к1 - Г 0,0005 0,0003
рассмотрим графики изменения массо-содержания цементных образцов, экспонированных в 10% растворе NaCl (см. рис. 1).
Обработка сорбционных кривых позволяет нам рассчитать значение коэффициента диффузии по формуле: 0=
где к - константа скорости реакции; R - размер образца;
- кинетическая константа. к = 0,4 - 0,1; R = 0,04 см.
Период полураспада определяем из графика (см. рис. 8). Результаты расчетов представлены в табл. 5.
Таблица 5. Характеристики и результаты испытаний изготовленных образцов
t
0,5
Формула определения Ед. изм. Образцы
Без армирования Без армирования
1 ®0 отн. ед. 0,45 0,49
®0 отн. ед. 2,2 2,05
®0,5 = — отн. ед. 1,1 1,025
to,5 сут 13 14,32
to,5 ч 312 344
k отн. ед. 0,1
R м 0,04
d=kRL t0,5 м2/ч 0,512 * 10-6 0,465 * 10-6
Таблица 6. Определение ширины диффузионной зоны
Формула определения Ед. изм. Образцы
Без армирования Без армирования
D м2/ч 0,512 * 10-6 0,465 * 10-6
D м2/сут 0,123 * 10-4 0,112 * 10-4
k 00 0,2
a = k (tyJDt м 0,701 * 10-3 * Vf 0,669 * 10-3 * Vf
Рис. 9. График изменения глубинного показателя проникновения агрессивной среды с течением времени, после экспонирования бетонных призм 4х4х16, в 10% растворе NaCl:
1 - без армирования, 2 - армированные
Определение глубинного показателя. Ширину диффузионной зоны а найдем по формуле:
а = к (Е,)у[Ш,
где к (£) = 0,2.
Результаты расчетов представлены в табл. 6.
Рассмотрим временной промежуток от 0 до 1000 суток и построим график зависимости значения глубинного показателя от времени (рис. 9).
Выводы
Анализ результатов прочностных и сор-бционных испытаний образцов из цементных мелкозернистых бетонов с повышенной прочностью при сжатии показал:
❖ предельная сорбционная емкость цементных композитов повышается с увеличением концентрации NaCl в водном растворе;
❖ армирование призм отдельными стекло композитными стержнями с гибкостью
^25 снижает несущую способность сжато-
го элемента вследствие распора, создаваемого при потере устойчивости арматурным стержнем;
❖ при экспонировании призм из мелкозернистого бетона в водном растворе NaCl наблюдается снижение прочности.
И тем не менее, полученные результаты исследований показывают, что армирование стеклопластиковыми стержнями цементных композитов - позволяет повышать их стойкость в водных растворах хлорида натрия.
Библиографический список
1. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций / Н.И. Карпенко [и др.] // ACADEMIA - 2015 - С. 318.
2. Коррозия и антикоррозионная защита железобетонных мостовых конструкций. / Т.С. Овчинникова, А.Н. Маринин, И.Г. Овчинников / / Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». - 2014. -Вып. 5(24). - URL: https://naukovedenie.ru/PDF/ 06KO514.pdf
3. СП 28.13330.2012. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85 (с Изменениями № 1, 2).
4. Химическое сопротивление и долговечность строительных материалов, изделий, конструкций: ечеб. пособие / В.П. Селяев, Т.А. Низина, В.Н. Уткина - Саранск: Изд-во Мордов. унта - 2003. - С. 37-44.
5. Высокопрочные бетоны: актуальность использования, способы получения и область применения в современных условиях / А.А. Пан-чина, И.П. Терешкин // XLVI Огарёвские чтения: материалы науч. конф. : в 3 ч. / отв. за вып. П. В. Сенин. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2018. -С. 28-32.
6. Исследование защитного действия бетона с гиперпластификаторами на поликарбокси-латной основе по отношению к стальной арматуре / В.П. Селяев, И.П. Терешкин, Н.А. Епофа-нова // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф., посвященной 70-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, д.т.н. Селяева В.П. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - С. 294-299.
Поступила в редакцию 25.02.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 2 (5)
IMPACT OF NaCl AQUEOUS SOLUTIONS ON THE STRENGTH OF CEMENT COMPOSITES REINFORCED WITH FIBERGLASS RODS
© 2020 V.P. Selyaev, I.N. Shabaev, I.P. Tereshkin, M.F. Alimov*
The article shows the research results of the NaCl aqueous solutions impact on the strength of cement composites reinforced with fiberglass rods. Have been considered the graphs of the sorption process of concrete samples, changes in strength and factor of chemical resistance and the change graph of the depth indicator of the aggressive medium infiltration. The descriptive analysis of reactive components chemical interaction, which are part of cement composites and aggressive media, was presented.
Keywords: chloride solution, cement composite, composite fiberglass fitting, chemical resistance factor, chemical interaction models.
* Selyaev V.P. (ntorm80@mail.ru) - Honored Worker of Science of the Russian Federation, Dr. of Technical, Prof., Academician of RAABS, Head of the Department of Building Structures; Shabaev I.N. (ntorm80@mail.ru) - Postgraduate; Tereshkin I.P. (ntorm80@mail.ru) - Candidate of Technical, Associate Professor; Alimov M.F. (ntorm80@mail.ru) - Postgraduate; Mordovian State University named after N. P. Ogarev, Saransk, Russia.
Received for publication on 25.02.2020
