книги из ГПНТБ / Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции

Т а б л и ц а 3.9. Предполагаемое поведение бетонов на различных расширяющихся и напрягающих цементах при внешней сульфатной агрессии

даться дополнительным дозированием CS для связыва­ ния в гндросульфоалюминат кальция СзА портландцементного клинкера.

Сульфатостойкость японского расширяющегося на­ прягающего цемента исследовал Т. Оно [ 1 4 2 С в о б о д н о расширяющийся цемент с содержанием (CAS) от 10 до 13%, исследованный в агрессивной среде (0,2%-ной серной кислоте), показал понижение прочности в такой же сте­ пени, как и исходный портландцемент, и поэтому явля­ ется несульфатостойким.

В Калифорнийском университете исследовали суль­ фатостойкость бетонов на К-цементе на бетонных кубах размером 15X15X15 см, изготовленных с расходом вя­ жущего 307 и 417 кг/м3, и с двухосным ограничением рас­ ширения соответственно р,=0,17 и р,=0,82%. Образцы выдерживали 28 суток в воде, затем 1 год в растворе, со­ держащем 5 г M g O + 5 г N a 2 S 0 4 на 100 г воды, и периоди­ чески взвешивали. Наблюдалось увеличение веса всех образцов без понижения прочности. На поверхности всех образцов возникало шелушение, углы ослаблялись. Луч­ ше сохранялись образцы напрягающего цемента, когда портландцементный клинкер НЦ содержал мало С3 А— от 1,8 до 5,9%; в образцах, содержащих С3 А 11,4—12,4%, явления поверхностной коррозии были значитель­ ными.

В НИИЖБ [173] на протяжении ряда лет ведутся исследования сульфатостойкости растворов 1:1 на на­ прягающем цементе, твердеющих как в свободном, так и в связанном состоянии. Всесторонне исследовались об­ разцы бетона, выпиленные из самонапряженных кон­ струкций.

Результаты испытаний образцов в условиях периоди­ ческого увлажнения в 5-ном растворе сульфата натрия с последующим высушиванием представлены на рис. 3.9,

а в условиях постоянного воздействия такого же раство­

ра — на рис. 3.10. Анализ полученных данных показы­ вает, что образцы, изготовленные из НЦ со свободным расширением 5—7%, имеют значительно меньшую суль­ фатостойкость, чем аналогичные образцы, изготовленные из НЦ со свободным расширением 3—4%. Уменьшение свободного расширения до 3—4% повышает сульфато­ стойкость НЦ до уровня сульфатостойкости низкоалюминатного портландцемента.

Для выяснения причины разрушения образцов в про­ цессе их испытания на сульфатостойкость были примене­ ны петрографические и термографические методы иссле­ дования*. Макроструктуру образцов изучали стереоско-

5^ 100

?Че>

200 Ш В00 800 WOO 1200 ПОО

•3* s

Рис. 3.9. Зависимость динамического модуля упругости и веса образцов из торкрет-бетона от числа циклов по­ переменного увлажнения и высушивания

; Сеток на напрягающем цементе со свободным расширением 5,12—7,08%; 2 — бетон на портландцементе марки 400 Воскресен­ ского'завода; 3 — бетон на напрягающем цементе со свободным расширением 3,1—4%

162

пическим микроскопом при увеличении 45, микрострук­ туру — под поляризационным микроскопом при увеличе­ нии 160 и больше.

Петрографический анализ показал, что эталонные * образцы, изготовленные из портландцемента, после пе­ риодического воздействия 5%-ного раствора сульфата натрия имеют в основном плотную структуру: визуаль­ но было установлено, что углы и ребра не разрушены, наблюдаются округлые поры с плотными краями. Гидратированная часть портландцемента очень мелкозерниста, общий показатель светопреломления ее равен N—\,507. В массе с трудом можно различить новообразования — кристаллы извести, кальцита, двуводного гипса и гидро­ сульфоалюмината высокосульфатной формы. На неко­ торых участках образцов обнаружены большие зазоры между цементным камнем и зернами заполнителя. На поверхности образцов и в порах хорошо виден мучнис­ тый налет, состоящий из кристаллов извести, кальцита, гипса и единичных иголок гидросульфоалюмината каль­ ция. Эндотермический эффект при 125° С на термограмме подтверждает наличие в образце кристаллических ново­ образований, в том числе кристаллов гидросульфоалю­ мината кальция высокосульфатной формы. Эндотерми­ ческие эффекты при 500 и 800° С соответствуют дегидра­ тации С а ( О Н ) 2 и разложению СаСОз.

Такие же эталонные образцы, находившиеся в усло­ виях постоянного воздействия 5%-ного раствора сульфа­ та натрия, по микроструктуре мало отличаются от пре­ дыдущих. Однако среди перечисленных выше кристал­ лических новообразований отмечено большое количество иголок гидросульфоалюмината кальция; это подтвержда­

но пронизана кристаллами кальцита и извести, показа­ тель светопреломления ее около 1,500. В массе образцов и inopax обнаружены бруски двуводного гипса и большое ко­ личество иголок гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы. Термограмма показала большой эн­ дотермический эффект при 130° С, свидетельствующий о значительном количестве кристаллических новообразо­ ваний.

Образцы из трубы, изготовленной из НЦ, свободное расширение которого характеризовалось величиной 3— 4%, после периодического и постоянного воздействия 5%-

гюго раствора сульфата натрия имеют относительно плотную структуру; наблюдаются лишь отдельные мел­ кие трещины и небольшое округление углов. В кристал­ лических новообразованиях обнаружены в большом ко­ личестве кристаллы извести, в меньшем — зерна кальци­ та и небольшое количество кристаллов гипса, гндросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы, отдель­ ные кристаллы тенардита и гидроалюмината кальция. Сцепление между цементным камнем и зернами запол­ нителя хорошее.

Таким образом, результаты петрографического и тер­ мографического анализов подтвердили полученные дан­ ные по коррозионной стойкости образцов на напрягающем цементе с различной величиной свободного расши­ рения. Следует обратить внимание на то, что испытани­ ям были подвергнуты образцы, выпиленные из труб, са­ монапряжение которых проходило в условиях ограниче­ ния свободных деформаций сопротивлением арматуры, т. е. имелось связанное расширение бетона на НЦ, а даль­ нейшее выдерживание в агрессивной среде осуществля­ лось в условиях свободной, неограниченной деформации. Однако даже в том случае, когда величина связанного расширения бетона при самонапряжении из обоих со­ ставов НЦ была примерно в 10 раз меньше значения его свободного расширения, различие характеристик расши­ рения НЦ решающим образом отразилось иа сульфатостойкости образцов, дальнейшее расширение которых происходило в свободном состоянии.

В самонапряженном железобетоне в угловых и тор­ цовых частях изделия, а также в защитных слоях, осо­ бенно в трубах, бетон при самонапряжении и при даль­ нейшей эксплуатации не имеет необходимого ограниче­ ния деформаций свободного расширения. Поэтому ис­ пользование для самочапряженного железобетона НЦ с повышенными показателями свободного расширения неминуемо должно привести к ослаблению бетона в ука­ занных частях изделия.

По той же методике на сульфатостойкость испытыва­ ли образцы, выпиленные из самонапряженных труб, из­

72 : 20 : 8 (портландцемент : глиноземистый цемент : гипс) со свободным расширением 3—4%. Кроме того, были ис­ пытаны образцы на НЦ, изготовленные вибрированием

164

и центрифугированием, расширявшиеся в свободном состоянии на 7—8%.

После 3-месячного выдерживания образцов связанно­ го расширения в среде 5%-ного раствора сульфата нат­ рия динамический модуль упругости образцов, выпилен­

ким же, как и образцов из самонапряженных труб, изго­ товленных торкретированием. Вибрированные и центри­ фугированные образцы, расширявшиеся в свободном состоянии, характеризовались высокой скоростью разру­ шения. Так, после 93-суточного пребывания в 5%-ном растворе сульфата натрия динамический модуль упруго­ сти визированных образцов снизился на 38% и вес на 16% по сравнению с первоначальными значениями. В центрифугированных образцах соответствующие пока­ затели уменьшились за тот же срок на 39 и 20% . Полу­ ченные результаты вполне закономерны, так как образцы бетона на НЦ расширились в свободном состоянии.

Таким образом, можно сделать вывод, что способ формования бетонов на НЦ практически не влияет на на сульфатостойкость. Решающим фактором является ограничение свободных деформаций в процессе развития расширения бетона, характеристика расширяемости бе­ тона в свободном состоянии и его водоцементное отно­ шение, обусловливающее в известной степени начальную пористость его структуры.

Для исследования НЦ на сульфатостойкость из раз­ личных по своему минералогическому составу цементов готовили образцы, соотношение компонентов в которых выбиралось таким образом, чтобы к моменту полного связывания гипса, входящего в состав НЦ и в гидросульфоалюминат кальция, в системе оставалось минимальное количество свободных гидроалюминатов кальция. Иссле­ довали образцы, расширение которых ограничивалось в одном и двух направлениях. С этой целью использова­ лись динамометрические кольца I и I I типа (см. прило­ жение 2), которые помещали вместе с образцами в агрес­ сивные растворы. В этом случае опытные образцы в от­ личие от выпиленных из самонапряженных изделий все время находятся в условиях ограничения деформаций свободного расширения, как это наблюдается непосред­ ственно в самонапряженном железобетоне, подвергаемом воздействию агрессивной среды.

165

ведения необходимо продолжительное время. Так, даже при высоких концентрациях агрессивных сульфатных растворов опытные образцы первые 1,5—2 года не проя­ вили признаков коррозионного разрушения. Только по истечении длительного времени образцы начинают в той или иной степени проявлять признаки коррозионного раз­ рушения, если оно к этому времени имеется вообще. По данным, полученным в настоящее время, наибольшую стойкость показывают образцы на НЦ, для приготовле­ ния которого использован низкоалюминатный портланд­ цемент: образование гидросульфоалюмината кальция в процессе расширения затвердевшего НЦ происходит в основном при взаимодействии гипса и гидроалюмината кальция, образующихся при гидратации глиноземистого цемента, входящего в состав НЦ; ко времени завершения этого процесса в среде НЦ правильно подобранного со­ става в системе не остается свободных гидроалюминатов. Поэтому сульфатостойкость такого НЦ приближается к сульфатостойкости цемента или низкоалюминатного портландцемента.

В отношении всех видов агрессии I и I I вида напряга­ ющие цементы, создающие самонапряжение в связанном

стойкость бетонов на напрягающем цементе в среде неф­ ти и минерального масла. Изучению подверглись образ­ цы бетона с расходом НЦ 500—670 кг/м3, наблюдаемые в этих агрессивных средах в течение 3 лет. В табл. 3.10 приведены данные изменения прочности на растяжение образцов, хранившихся в воде, нефти и минеральном масле. Как видно, никаких изменений прочности не на­

167

бетоны пригодными к применению в конструкциях для нефтяных продуктов.

Таким образом, напрягающие цементы могут быть рекомендованы с соответствующим армированием к применению в самых разнообразных случаях, и в том числе в условиях морской воды.

3.11. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АРМАТУРЫ В СРЕДЕ НАПРЯГАЮЩЕГО БЕТОНА И СЦЕПЛЕНИЕ С НИМ

Стальная арматура в самонапряженном железобе­ тоне, изготовленном с применением НЦН или НЦТ, не корродирует и надежно сохраняет свои механические свойства, так же как и в плотном тяжелом бетоне на портландцементе. Об этом свидетельствуют как много­ летние наблюдения за состоянием арматуры в самона­ пряженных изделиях, так и специально поставленные эксперименты. В плотном бетоне на портландцементе длительная сохранность арматуры обеспечивается обыч­ но благодаря тому, что в таком бетоне у поверхности арматуры существует щелочная среда, пассивирующая сталь. Недостаточно плотный бетон с течением времени теряет щелочность в результате карбонизации и сорбции агрессивных веществ из окружающей среды.

Поэтому изучение коррозии арматуры в железобетон­ ных конструкциях по сравнению с изучением коррозии открытого металла усложняется тем, что бетон необходи­ мо рассматривать как возможную коррозионную среду для арматуры с присущими ей особенностями. Одной из основных особенностей бетона является пестационарность его свойств во времени в результате постоянного взаи­ модействия с окружающей средой, изменением влажно­ сти, карбонизацией и т. п. Если влажностное состояние бетона достаточно для протекания коррозии арматуры, то наличие ее, а также скорость ее протекания будут за­ висеть от величины рН среды, в которой находится арма­ тура.

Коррозия арматуры в среде бетона на НЦ не должна наблюдаться по следующим причинам. Гипс, входящий в состав НЦ, полностью связывается в гидросульфоалюминат кальция в период его расширения, и в системе нет свободного гипса. Бетон на НЦ характеризуется боль­ шой плотностью и высокой степенью непроницаемости

1С8

как для воды, так и для газа. Глиноземистый цемент, входящий в состав -НЦ, быстро гидратируется, и образу­ ющиеся при этом гидроалюминаты кальция в значитель­ ной своей части связываются в гидросульфоалюминат кальция при взаимодействии с гипсом. Гидратация основ­ ного компонента НЦ — портландцемента — обеспечива­ ет постоянное насыщение среды гидратом окиси каль­ ция, что должно пассивировать стальную арматуру, за­ щищая ее от коррозии.

Известно, что прямые эксперименты" по выявлению коррозии арматуры в бетоне, выполняемые по ускоренной методике, в той или иной степени носят условный харак­ тер, поскольку в искусственном режиме таких испытаний не всегда можно воспроизвести многообразие факторов, действующих в натуре и во времени. Поэтому особое значение в экспериментальной оценке коррозионной стой­ кости арматуры в бетоне на НЦ имеют результаты мно­ голетних наблюдений за состоянием арматуры в само­ напряженных конструкциях.

Такие наблюдения велись за самонапряженными тру­ бами. Труба диаметром 340 мм более 18 лет находится в атмосферных условиях на открытой площадке на тер­ ритории НИИЖБ. Труба была изготовлена в 1954 г. спо­ собом торкретирования из бетона состава 1 : 1 (НЦ :песок, по весу). В процессе изготовления трубу подвергали гидротермальной обработке в течение 2 ч в воде при тем­ пературе 80° С с последующим выдерживанием в воде при температуре 20+5° С в течение 10 суток. После ис­ пытания на внутреннее гидростатическое давление труба была оставлена для длительных наблюдений за состоя­ нием бетона и находящейся в его среде арматурой. В пе­ риод длительного хранения на открытой площадке наблюдаемая труба подвергалась многократному замора­ живанию и оттаиванию, воздействию атмосферных осад­ ков и высушиванию в различных погодных условиях. Пе­ риодически через 3—4 года в нескольких местах на трубе отбивали (с большим трудом) защитный слой и осматри­ вали арматуру. Последний осмотр был в 1971 г. Во всех случаях арматура, как продольная, так и спиральная, была совершенно чистой без каких-либо признаков кор­ розии, что свидетельствовало о полной ее сохранности. Толщина защитного слоя трубы равна 12—18 мм, глуби­ на его карбонизации, определенная пробой на фенолфта­ леин, составляла 3—4 мм.

169