1882

1.3.1.Особенности проникания сульфатсодержащих сред

вжелезобетонные конструкции

Достаточно полный обзор экспериментальных данных по кинетике проникания сульфатсодержащих сред (газообразных и жидких) в железобетонные конструктивные элементы, приводится в работе [91]. Однако следует отметить, что количество экспериментальных данных, позволяющих выяснить скорость, глубину проникания и распределение сульфат иона по толщине материала, а также определить кинетику химического взаимодействия проникших сульфат-ионов, весьма ограничено.

В работе [92] изучался характер накопления и распределения связанных цементным камнем сульфат ионов при воздействии 5 и 10 %-х растворов Na2SO4 на свежеуложенную бетонную смесь. Исследования проводились на бетонных образцах-призмах размером 4х4х16 см, приготовленных на портландцементе (С3А=7 %), сульфатостойком портландцементе (С3А=2,8 %) и барий-содержащем портландцементе Карачаево-Черкес- ского завода (ВаО=3,3 %). Бетонирование осуществлялось в 5 и 10 %-е растворы Na2SO4. Через 28, 90, 180 и 360 суток нахождения в указанных средах в условиях полного погружения из образцов с глубины 0,3; 1,1 и 1,9 см от поверхности отбирали пробы бетона для химического анализа с целью определения количества связанных цементным камнем бетона сульфат-ионов SO3 (рис. 1.33).

Рис. 1.33 Количество связанных цементным камнем бетона сульфат-ионов SO3: а – портландцемент; б – сульфатостойкий портландцемент;

в – барийсодержащий портландцемент; 1 – 28 сут; 2 – 90 сут; 3 – 180 сут; 4 – 360 сут;

---- – исходное содержание SO3 (a-4 %; б-2,45 %; в – 3,79 %)

41

В работе [93] приводятся данные о распределении связанных цементным камнем сульфат-ионов в пересчете на SO3 по глубине зоны взаимодействия при воздействии раствора Na2SO4 различной концентрации (рис. 1.34). Бетонные образцы были приготовлены на портландцементе Воскресенского завода, состав 1:2, В/Ц=0,48.

Рис. 1.34. Распределение связанных цементным камнем сульфат-ионов в пересчете на SO3 по глубине зоны взаимодействия при воздействии раствора Na2SO4 различной концентрации:

а – 11,6 г/л; б –33,8 г/л; в – 67,6 г/л.

– 1 год; • – 3 года

В работе [94] представлены экспериментальные данные по скорости и глубине проникания сульфатсодержащих сред в цементный камень на сульфатостойком цементе.

Исследовались сульфаты различных металлов, широко используемых в промышленности и содержащихся в природных водах: меди, никеля, цинка, натрия, магния, железа, марганца, кобальта, кадмия, алюминия, бериллия при концентрации растворов 3; 5; 10 и 25 г/л по SO42–. Послойное содержание сульфат-иона в пленке продуктов коррозии и в цементнопесчаных образцах, хранившихся 1 год в растворах сульфатов металлов при концентрации 10 г/л по SO42–, показано в табл. 1.9. Пленку продуктов коррозии снимали скальпелем с поверхности образцов, а пробы из образцов отбирали без учета поверхностной пленки на наждачном круге на глубине до 0,5 мм, затем на глубине от 0,5 до 1 мм и от 1 до 2 мм.

42

Таблица 1 . 9 Содержание сульфат-ионов в бетоне по результатам опытов

Встатье [95] приводятся результаты исследований бетонных образцов

вусловиях действия рассолов оз. Сиваш, содержащих в наибольших коли-

чествах сернокислые и хлористые соли натрия и магния (NaCl, MgCl2, MgSO4). Образцы были изготовлены на низкоалюминатном портландцементе Себряковского завода марки М500. За исходный приняли состав бетона с расходом цемента 525 кг/м3 при В/Ц=0,45. Исследования проводились на образцах из пропаренного бетона и бетона нормального твердения. Для установления глубины проникания в бетон основных составляющих

рассола образцы-призмы размером 10 10 40 см подвергли химическому анализу. Пробы отбирали послойно путем распиловки образцов. Толщина первого наружного слоя составляла 5 мм, затем шли 3 слоя по 10 мм и последний, пятый слой имел толщину 15 мм. Поскольку соседние слои отличаются по содержанию в них агрессивных ионов незначительно, анализировали только нечетные слои по содержанию магния, сульфатов и хлоридов обычными методами химического анализа [96] (табл. 1.10).

Таблица 1 . 1 0 Распределение агрессивных веществ по толщине бетонных образцов после 12 лет нахождения в агрессивной среде

43

На основании анализа результатов опытов [91] можно утверждать, что проникание сульфатсодержащей среды в бетонные и железобетонные конструкции происходит в основном по механизму активированной диффузии. На величину коэффициента диффузии наиболее существенное влияние оказывают следующие факторы:

1)повышение водоцементного соотношения приводит к увеличению пористости бетона, вследствие чего бетон становится более проницаемым для сульфатсодержащей среды (среда проникает в более глубокие слои), увеличивается реакционная поверхность бетона (увеличивается количество связанных цементным камнем сульфат-ионов);

2)с увеличением содержания в цементе С3А увеличивается количество связанных цементным камнем сульфат-ионов;

3)увеличение концентрации приводит к более глубокому прониканию среды в бетон и более интенсивному связыванию цементным камнем сульфат-ионов;

4)количество связанных цементным камнем сульфат-ионов зависит от уровня напряжений, то есть чем выше уровень напряжений, тем большее количество сульфат-ионов связывается цементным камнем; увеличение

напряжений сжатия до уровня 0,4-0,6Rпр приводит к снижению количества связанных цементным камнем сульфат-ионов, однако при дальнейшем увеличении уровня напряжений сжатия в бетоне увеличивается количество микро- и макродефектов в структуре бетона, облегчается проникание суль- фат-ионов во внутренние объемы и на возросшей реакционной поверхности бетона в определенной степени интенсифицируется процесс коррозии.

При определенных условиях (увеличение пористости бетона до некоторого значения, наличие гидростатического напора) проникание сульфатсодержащей среды в бетон может происходить по механизму фильтрации. Возможен также случай, когда проникание сульфатсодержащей среды на определенную глубину происходит по механизму фильтрации, а далее, в результате падения гидростатического напора, по механизму активированной диффузии. Таким образом, проникание сульфатсодержащей среды можно приближенно описать уравнением активированной диффузии и, учитывая, что взаимодействие сульфатсодержащей среды с бетоном является физико-химическим процессом, уравнение должно содержать член, учитывающий химическое связывание. Кинетику появления новообразований (приводящих к изменению механических свойств бетона) можно описать с помощью специально вводимого интегрального параметра химического взаимодействия, кинетика которого будет определяться наиболее медленным из процессов, контролирующих изменение механических свойств.

44

мые ухудшения физико-механических свойств материала, выражающееся в стабильном снижении прочностных характеристик. Авторы отмечают, что изменение свойств цементных бетонов под влиянием агрессивных сред происходит послойно. Графические зависимости, полученные по результатам испытаний на склерометре, позволяют выделить 1) зону деструкции (разрушения); 2) зону позитивной коррозии, характеризуемой повышенными значениями физико-механических свойств; 3) зону деградации (рис. 1.36).

В работе [98] представлены результаты исследований влияния сульфатсодержащих сред различных концентраций на прочность бетонов во времени. Бетонные образцы размером 4 4 16 см были изготовлены из различных клинкерных цементов. Образцы испытывали при постоянном погружении в растворы сернокислого натрия (с концентрацией SO42– 20000

и35000 мг/л), сернокислого магния (с концентрацией SO42– 5000 и 20000 мг/л

иMg2+ 1150 и 4600 мг/л), в насыщенном растворе гипса, а также в 5 %-ном растворе хлористого магния. Результаты трехлетних испытаний приведены на рис. 1.37.

Гузеевым Е.А. в лаборатории НИИЖБ был выполнен ряд работ по влиянию сульфатсодержащей среды (сульфата натрия) на прочность бетона и на деформации бетона в нагруженном и ненагруженном со-

стоянии [99–106]. Опыты проводили в растворах Na2SO4 при содержании SO42– 1000 мг/л, 13,7 г/л, 33,8 и 67 г/л. Влияние сульфатсодержащих сред на прочность бетона оценивалось величиной коэффициента стойкости бетона (отношение прочности бетона, погруженного в коррозионную среду, к прочности бетона в условиях постоянного погружения в воду при сжатии и растяжении), значения которой приведены в табл. 1.11, 1.12.

Таблица 1 . 1 1 Коэффициент стойкости бетона (В/Ц=0,6, состав Ц:Щ:П=1:2,4:3,0) в

растворах сульфата натрия различной концентрации

46

В условиях развития преимущественно гипсовой коррозии при длительных испытаниях в растворах с концентрацией сульфат-ионов 13,7; 33,8 г/л и особенно 67 г/л прочность бетона на начальных этапах испытаний несколько возрастает, что связано, по-видимому, с развитием физико-химических процессов, вызывающих уплотнение, кольматацию пор. Затем ее рост отстает от роста прочности бетона в воде. Прочность понижается за время 12000 ч (500 сут.) до своего исходного уровня. С ростом концентрации сульфат-ионов в растворах коэффициент стойкости понижается (см. табл. 1.11, 1.12). Для бетона на низкоалюминатном портланд-

47

цементе значение Кст составляет 1,02-0,71, для бетона на высокоалюминатном цементе значения Кст существенно ниже.

Исследования деформативных свойств бетонов, насыщенных к моменту испытаний до постоянной массы водой или растворами солей (сульфата натрия) в основном равномерно по всему объему, проводились в условиях кратковременной возрастающей со стандартной скоростью нагрузкой на пропаренном бетоне. Структура бетона различалась плотностью, В/Ц=0,4; 0,5; 0,6 и 0,7.

В табл. 1.13 приводятся опытные данные о деформациях образцов (бетон состава Ц:Щ:П=1:2,4:3,0 на низкоалюминатном цементе) в условиях воздействия сульфата натрия различной концентрации, в воде и в состоянии естественной влажности. В этих же условиях бетон на цементе с повышенным содержанием С3А=10 % имел деформации расширения в 1,5 раза больше, чем при набухании в воде (табл. 1.14).

Таблица 1 . 1 3 Деформации бетонных образцов в условиях воздействия сульфата натрия

(В/Ц=0,6, состав 1:2,4:3,0, низкоалюминатный цемент)

П р и м е ч а н и е . в скобках указана продолжительность испытаний до разрушения образцов в ч.

48

Таблица 1 . 1 4

Деформации бетонных образцов в условиях воздействия сульфата натрия (В/Ц=0,6, состав 1:2,4:3,0, высокоалюминатный цемент)

Пр и м е ч а н и е . В скобках приведена продолжительность испытаний в ч.

Вработах [103, 104] приводятся данные по прочности бетонных призм в процессе длительного их выдерживания в растворах без нагрузки). Анализ опытных данных, приведенных в табл. 1.15 и табл. 1.16 показывает, что прочность образцов из бетона на низкоалюминатном цементе при выдержке в воде и агрессивном растворе в течение 8 мес (240-250 сут) и через 16 мес. (480 сут) увеличилась по сравнению с прочностью образцов в первоначальном водонасыщенном состоянии. Однако степень агрессивности раствора проявилась в снижении уровня прироста прочности: за

8 мес – на 17-20 % и за 16 мес – на 41-57 % (рис. 1.38).

Визменении прочности образцов из бетона на высокоалюминатном цементе наблюдалась такая же закономерность, но более заметно и особенно при испытаниях на растяжение.

49

Рис. 1.38. Снижение уровня прироста прочности:

1 – призмы из бетонов с В/Ц = 0,6 на низкоалюминатном цементе после 240 сут испытаний; 2 -то же, после 480 сут; 3 – то же, на высокоалюминатном цементе после 240 сут испытаний; 4 – то же, после 480 сут

Таблица 1 . 1 5 Прочность бетона на сжатие после 8 месяцев испытаний образцов

размером 40 40 160 мм

50