2146

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS

AND PRODUCTS

УДК 691-022.312

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ С УЧЕТОМ СУЛЬФАТНОЙ КОРРОЗИИ

В.П. Селяев, Л.М. Ошкина, П.В. Селяев, Е.В.Сорокин

Приведены результаты исследования механизма протекания сульфатной коррозии в наполненных цементных композитах.

Ключевые слова: коэффициент химической стойкости, наполненный композит, коррозия, сульфаты, агрессивная среда.

RESEARCH OF CHEMICAL FIRMNESS OF CEMENT CONCRETE TAKING INTO ACCOUNT SULPHATIC CORROSION

V.P. Selyaev, L.M. Oshkina, P.V. Selyaev, E.V. Sorokin

The results of researching the mechanism of sulpha corrosion in filled cement composites are given in the article.

Keywords: coefficient of chemical stability, filled composite, corrosion, sulphatic corrosion.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Сульфатная коррозия цементных бетонов характеризуется процессами, развитие которых сопровождается накоплением в порах бетона малорастворимых продуктов реакции или веществ, способных при фазовых переходах, полимеризации увеличивать объем твердой фазы в порах бетона. При этом в бетоне создаются внутренние напряжения, разрушающие структуру бетона.

Сульфатная агрессия является наиболее распространенной, так как сульфат-ионы присутствуют практически во всех видах природных и сточных вод.

В процессе сульфатной коррозии цементного камня образуются гипс и эттрингит по следующей схеме:

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O→CaSO4·H2O+2NaOH

CaSO4·2H2O+3CaOAl2O3·6H2O+24H2O→CaOAl2O3CaSO4·32H2O

Объем, занимаемый эттрингитом, в 2,27 раза больше, чем объем исходных продуктов. На начальном этапе коррозии образующиеся продукты уплотняют и упрочняют бетон, но затем избыточное накопление продуктов реакции приводит к образованию трещин и снижению прочности бетона.

Несмотря на то, что сульфатная коррозия бетона была предметом обширных исследований, отдельные стороны этого сложного процесса до сих пор не ясны.

Вработах многих исследователей достаточно убедительно утверждается, что при коррозии третьего вида свойства бетона изменяются значительно и неравномерно по глубине (послойно). Однако экспериментально эти предположения не подтверждены и нет данных, о кинетике изменения в процессе сульфатной коррозии прочностных и деформативных свойств цементного камня на поверхности и по объему изделия.

Для определения механизма взаимодействия цементного камня с агрессивными средами методом склерометрической микротвердости изучен характер изменения прочностных и деформативных свойств по высоте поперечного сечения экспериментальных образцов из наполненных композитов, оптимальные составы которых были подобраны на основании предварительных исследований, выполненных Л.И. Куприяшкиной, Л.М. Ошкиной. По линиям изменения микротвердости были построены изохроны деградации, отражающие неравномерное распределение по площади поперечного сечения свойств материала под действием агрессивного раствора.

Параллельно с изохронами определялись прочностные и сорбционные характеристики экспериментальных составов.

На рис. 1-7 представлены графики изменения основных прочностных, деформативных и сорбционных характеристик образцов из наполненных композитов на основе отходов производства ферросилиция (ОПФ). Составы 1 и 2 различаются технологией приготовления. В первом случае скорость перемешивания υ, во втором – 10υ.

Прочность экспериментального состава на 90-е сутки экспонирования в агрессивной среде превосходит прочность контрольного состава: OПФ (1) – на 40 % (рис. 1),

ОПФ (2) – на 70 %.

Вхарактере изменения массы и объема образцов также можно отметить общие тенденции. Увеличение массы образцов происходит до 56 суток, увеличение объема – до 28 суток (см. рис. 2, 3).

Изохроны деградации образцов, наполненных ОПФ в количестве 10 % (см. рис. 3), на 7-е сутки экспонирования в 2 %-м растворе серной кислоты представляют собой прямую линию, проходящую несколько ниже первоначальной, соответствующей микротвердости в 0 суток; деления на зоны не зафиксировано. Это можно объяснить тем, что накопление эттрингита и гипса в порах цементного камня не достигло объемов, влияющих на прочность. Зона накопления объемов продуктов реакции, влияющих на прочность, фиксируется только на 14-е сутки выдержки в агрессивном растворе.

Максимальные абсолютные значения микротвердости появляются при критическом заполнении пор продуктами реакции на 56-е сутки экспонирования. На 120-е сутки линия микротвердости располагается выше первоначальной; присутствует деление на три зоны. Полное сглаживание «пиков» происходит лишь на 155-е сутки. Именно с этого момента начинается деградация материала по всему объему. Максимальное увеличение микротвердости в зоне «пиков» – в 2 раза.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Рис. 1. Изменение прочности в 2 % растворе H2SO4 (равноподвижные составы с ОПФ)

Рис. 2. Коэффициент химстойкости в 2 % растворе H2SO4 (равноподвижные составы с ОПФ)

Рис. 3. Изменение массы в 2 % растворе H2SO4 (равноподвижные составы с ОПФ)

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис. 4. Изменение микротвердости в 2 % растворе H2SO4 (наполнение ОПФ – 10 % (1))

Рис. 5. Изменение микротвердости в 2 % растворе H2SO4 (наполнение ОПФ – 10 % (2))

Рис. 6. Изменение микротвердости в 2 % растворе H2SO4 (наполненный состав без нагрузки)

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Рис. 7. Изменение микротвердости в 2 % растворе H2SO4 (наполненный состав, 0,7Рразр)

Химическое сопротивление цементных композитов, подвергавшихся действию сжимающих нагрузок разных уровней, оценивалось, как и в случае ненагруженного материала, по изменению прочностных свойств.

Из анализа изохрон деградации цементных композитов следует, что уровень нагружения влияет на характер взаимодействия агрессивной среды с компонентами материала.

На рис. 6-7 представлены графики изменения микротвердости по высоте поперечного сечения образцов контрольного состава, испытанных в течение 28 суток при одновременном воздействии сжимающих нагрузок разных уровней и 2 %-го раствора серной кислоты.

Характер изменения микротвердости по высоте поперечного сечения остается таким же, как и на образцах, экспонированных без приложения сжимающих напряжений. Во внешних слоях образцов в начальные сроки экспозиции отмечается зона с повышенными физико-механическими свойствами. Однако абсолютные значения микротвердости образцов, выдержанных в течение 28 суток в условиях сжимающих нагрузок и агрессивной среды, превышают абсолютные значения микротвердости образцов, экспонированных в 2 %-м растворе серной кислоты без приложения сжимающих напряжении. Зона проникновения агрессивной среды у образцов, экспонированных под нагрузкой, значительно меньше, чем у образцов, экспонированных без нагрузки. С ростом уровня сжимающих напряжений (от 0,3 до 0,7 Рразр) вследствие уплотнения структуры глубина проникновения агрессивной среды в материал снижается.

Необходимо отметить, что для образцов, экспонированных в 2 %-м растворе серной кислоты под нагрузкой, не замечено первоначального снижения прочности и микротвердости.

Уплотнение структуры сжимающими напряжениями приводит к увеличению прочностных показателей и микротвердости в пределах поперечного сечения образца.

Установлено, что прочностные харакетристики можно с достаточной точностью оценивать с помощью микротвердости.

Одним из основных показателей химического сопротивления материала является ордината переднего фронта коррозии, характеризующая глубину повреждения цементного камня (глубинный показатель). Этот параметр в общем виде предложено определять функциональной зависимостью вида:

где t – время воздействия агрессивного раствора; k(ξ) – коэффициент, учитывающий инструментальную точность определения координаты «а»; для цементного камня можно принять k(ξ) = 0,1; D – коэффициент диффузии.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

На рис. 8 представлен график, отражающий зависимость между экспериментальными и теоретическими значениями ординаты переднего фронта коррозии. На рис. 9 приведена зависимость коэффицинета переноса агрессивной среды D для контрольного ненаполненного состава, рассчитанного по формуле D = a2/0,01t.

t , сут

Рис. 8. Изменение глубинного показателя а во времени

t, сут

Рис. 9. Зависимость коэффициента переноса агрессивной среды D для контрольного ненаполненного состава

Исследованиями влияния совместного действия сжимающей нагрузки и 2 %-го водного раствора H2SO4 установлено, что сжимающие напряжения замедляют процесс переноса агрессивной среды в объем образца. На рис. 10 по результатам склерометрических исследований изображены графики зависимости глубинного показателя а от

длительности экспозиции ( t ), уровни сжимающих напряжений 0,3Рразр(1),

0,5Рразр(2), 0,7Рразр(3) для цементных составов без наполнителя (К – контрольные), наполненных молотым шлаком (Ш). Цементные композиции изготавливались путем скоростного перемешивания (*) и перемешивания в обычном смесителе.

Анализ полученных графиков показывает, что технология изготовления, вид добавки, уровень напряжений не влияют на вид функциональной зависимости глубинного показателя от длительности действия агрессивной среды. Сжимающие напряжения замедляют процесс переноса, и коэффициент диффузии уменьшается в 2-3 раза.

Зависимость коэффициентов диффузии (D·106 м2/ч) от уровня сжимающей нагрузки