// //
Дом arrow Статьи и публикации arrow Каримов И. - Механизм расширения бетона при взаимодействии щелочей цемента с кремнеземом заполнит
Каримов И. - Механизм расширения бетона при взаимодействии щелочей цемента с кремнеземом заполнит

МЕХАНИЗМ РАСШИРЕНИЯ БЕТОНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЩЕЛОЧЕЙ ЦЕМЕНТА С КРЕМНЕЗЕМОМ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

ENGLISH VERSION

 http://dh.ufacom.ru/Articlealkali.html

 

К.т.н. Ильдар Каримов

Адрес для контакта: 450071, Россия, г.Уфа, а/я 21, Башкирский государственный аграрный университет, Кафедра теоретической и прикладной механики, Телефон/факс: (3472) 30-81-38, E-mail: dh@ufacom.ru

  

Данный литературный обзор освещает современные представления о механизме взаимодействия щелочей цемента с кремнеземом заполнителей.

 

Одной из причин вызывающих образование и развитие трещин в бетонах на портландцементах является его расширение вследствие реакции щелочей цементов с заполнителями.

Согласно [22] различают три вида указанных реакций. Первым видом является реакция между щелочами и реакционноспособным кремнеземом заполнителя.

Вторым типом реакции являются процессы, сопровождающиеся образованием набухающих глинистых материалов, возникающие при взаимодействии щелочей с монтмориллонитом, вермикулитом и иллитом.

Третий тип реакции - взаимодействие щелочей с карбонатными породами, имеющее место при применении в качестве заполнителя доломита. Отмечается, что явление набухания, возникающее в этом случае, вопреки ранее существовавшим представлениям является следствием набухания глинистых материалов, присутствующих в доломитовой породе.

Наиболее распространенной является реакция между активными кремнеземистыми составляющими заполнителя и щелочами цемента. Реакционноспособными модификациями кремнезема являются опал (аморфный), халцедон (скрытокристаллический, волокнистый) и тридимит ( кристаллический).

По данным Белла Ф. [4] заполнители, содержащие >0,25% опала, 5% халцедона, 3% стекловидных или криптокристаллических слабокислых вулканических пород, реагируют с цементом в том случае, если содержание Na2O и K2O в нем превышает 0,6%. Высокой реакционной способностью обладают породы содержащие свыше 40% дисперсного кварца, базальты, содержащие >5% вторичных халцедонов или опалов или 15% палагонитов. Аналогичные свойства проявляют песчаники и кварциты, содержащие >5% кремнистого сланца.

Реакция начинается с взаимодействия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей (Na2O и K2O), и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема заполнителя.

Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию. Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое в конце концов приводит к возникновению трещин и разрушению цементного камня. При этом, по данным [23], это давление может превышать 2 Н/мм2. По-видимому, расширение вызвано гидравлическим осмотическим давлением, хотя оно может быть также вызвано повышающимся давлением еще твердых продуктов реакции щелочей с кремнеземом. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. Некоторая часть мягкого геля выщелачивается водой и откладывается в трещинах, появившихся в результате разбухания заполнителя.

Авторами [12] исследован процесс деструкции бетона в результате щелочной реакции заполнителя. Первая стадия реакции характеризуется образованием вокруг крупного заполнителя и части матрицы прожилок коллоидного силиката шириной 10-100 мкм, 2-я стадия реакции - образованием вокруг прослоек силиката и в матричной части микрокристаллов кальцита с высоким показателем двойного преломления, 3-я стадия - заполнением контактной зоны цементной пасты, содержащей микрокристаллы кальцита (в порах матрицы присутствуют пластинчатые волокнистые кристаллы с низким показателем двойного преломления и гелевидные продукты на границе пор и матрицы - кристаллы кальцита), 4-я стадия отличается образованием сетчатых трещин шириной до нескольких мм на поверхности бетонных конструкций, 5-я стадия реакции характеризуется отслаиванием бетона и переходом большей части цементной составляющей в кальцит.

Авторами [19] исследован градиент концентрации щелочи в образцах раствора на цементе с повышенным содержанием щелочи (полученном введением щелочи в обычный портландцемент), твердевших в среде с относительной влажностью 100%. Градиент концентрации во многом определяет возникновение щелочной реакции заполнителя, содержащего реакционноспособный кремнезем. Показано резкое снижение концентрации щелочи от центра образца к периферии (для Na2O от 0,27% в центре до 0,08% на расстоянии 4,5 см от центра, для K2O - c 0,11% до 0,07% соотв.). При превышении определенной величины содержания щелочи происходит взаимодействие с ней реакционноспособного заполнителя. Распределение концентрации щелочи в бетоне по его сечению обусловливает изменение расширения и концентрации напряжений в сечении. Возникновение напряжений внутри бетона вызывает образование напряжений растяжения в поверхностных слоях, где не происходит реакций, что является причиной образования трещин.

Этими же авторами в работе [20] исследовано влияние времени на величину градиента концентрации щелочей в образце портландцементного раствора размером 7х7х20 см (соотношение воды, цемента и песка из андезита составляло 0,5:1:2,25). Содержание щелочи в цементе составляло до 1,5%. По истечении 1,2,4,7 и 28 сут образцы разрезали на 7 частей, в которых определяли содержание щелочи и степень гидратации. Выявлено, что градиент концентрации щелочи формируется в довольно ранний период твердения : в возрасте 2 сут уже наблюдается повышение концентрации щелочи к центру образца. Изменение концентрации щелочи по сечению образца обусловлено миграцией воды внутри образца в процессе гидратации цемента.

Авторами [30] установлено, что реакция между щелочами и кремнеземом включает три стадии: растворение частиц кремнезема с поверхности; диффузионное взаимодействие; состояние равновесия. Скорость диффузионного процесса в значительной степени определяется температурой и рН среды, а также присутствием в щелочном растворе различных ионов. От концентрации последних зависит энергия активации и насыщение раствора силикатными ионами.

Авторами [25] установлено, что взаимодействие между реакционноспособным SiO2 в заполнителе и поровой жидкостью цементного камня, содержащей ионы OH-, Na+ и K+, представляет собой реакцию двух типов: реакцию нейтрализации слабокислого силанового радикала и реакцию разрыва силоксановой связи с образованием геля силиката щелочного металла (Si-ONa). Слой геля образуется на поверхности заполнителя, содержащего реакционноспособный SiO2, затем проникает с течением времени во внутренние слои заполнителя, вызывая снижение его твердости и расширение. Менее изучена реакция между щелочью в цементе и заполнителем из карбонатных пород - глинистым доломитовым известняком. Предполагается, что механизм реакции связан с разложением доломита, сопровождающимся образованием Mg(OH)2 и расширением вследствие взаимодействия между Mg2CO3 и Са(ОН)2. Для этой реакции характерно наличие реакционного слоя в виде кольца на поверхности заполнителя, отсутствие геля и наличие продуктов вторичной реакции.

Авторами [35] установлено 3 типа продуктов взаимодействия: 1. Na2O-K2O-SiO2; 2. Na2O-K2O-Ca-SiO2 и 3. Na2O-K2O-CaO-SiO2. Продукты типов 1 и 2 характерны для заполнителей на основе вулканических, а типа 3 - на основе осадочных пород. Кинетика деформаций расширения зависит от типа реакционноспособного заполнителя. При использовании вулканического заполнителя характерно быстрое расширение в течение первых двух месяцев и последующая стабилизация деформаций к 6-7 мес. Для заполнителя из осадочных пород, напротив, характерно медленное расширение в течение первых двух месяцев, последующее нарастание деформаций после 4 месяцев и стабилизация линейных размеров к 12 мес.

По мнению Глассера Л. [8], в гелевых системах, образуемых силикатами Са или Na, в заметной степени протекают явления, свойственные полиэлектролитам, что значительно усиливает процесс набухания по сравнению с инертными гелями, например гелем целлюлозы. Набухание геля силикатов определяется также диффузией ионов. При взаимодействии щелочей и заполнителя под действием ионов ОН- происходит разрушение каркаса связей Si-O-Si в кремнеземе, и набухание геля кремнезема резко увеличивается.

Тем же автором [9], исследованы процессы, происходящие в водной системе щелочь-Ca(OH)2-SiO2, являющейся моделью взаимодействия кремнезема заполнителей с щелочами цемента при твердении различных цементных композиций. В качестве компонентов системы использовали NaOH и KOH (концентрация в системе 0,01-0,1 моль), СаО (продукт обжига СаСО3 в течение 3 ч при температуре 1000С) и силикагель (удельная поверхность по Блейну 0,23 м2/г, размер частиц 0,125-0,25 мм, п.п.п. 7,8%).

Установлено, что при введении в щелочной раствор силикагеля концентрации ионов Na+ (или К+) и ОН- начинают немедленно уменьшаться вследствие их адсорбции и взаимодействия с твердым кремнеземом. Если начальная концентрация ионов Са2+ ограничена, то они также быстро адсорбируются кремнеземом, образуя CSH. При очень низкой концентрации ионов Са2+ постепенно начинает возрастать концентрация SiO2, при этом часть адсорбированных гидроксильных ионов может снова выделяться в раствор. Отмечается, что равновесные концентрации силикатных ионов определяются величиной рН. При высокой активности силикагеля на его крупных частицах могут появляться и постепенно расти новообразования, если раствор не будет подвергаться перемешиванию. В этом случае на поверхности частиц силикагеля через некоторое время образуются пленки, обладающие свойствами полупроницаемой мембраны, поэтому дальнейшее проникание ионов в кремнезем может протекать по диффузионной схеме.

Одлером И. [31] проведено исследование миграции Na2O, K2O и SO3 при диффузии воды в порах за счет ее испарения с открытых поверхностей. В результате обнаружено, что значительная часть щелочей цемента не связана с твердой фазой и быстро переходит в воду затворения и мигрирует сней в пористой системе цементного камня. Однако, определенная часть щелочей оказывается связанной в твердой фазе (клинкерных минералах и продуктах их гидратации) и не способна к миграции даже при большом избытке воды, диффундирующем через цементный камень. Отмечается, что в начале гидратации щелочи мигрируют в виде сульфатов, однако после быстрого связывания SO3 в гидросульфоалюминат кальция миграция щелочей происходит в виде гидроксидов. Миграция щелочей в результате испарения поровой воды приводит к обогащению поверхностных слоев изделий щелочами, что может служить причиной ускорения реакций между щелочами и активными кремнеземистыми заполнителями в поверхностных слоях и их разрушению.

Авторами [36] установлено, что введение шлака или золы-уноса приводит к росту содержания в цементном камне связанной воды и снижению количества свободного Са(ОН)2, а также изменению поровой структуры новообразований, которые становятся менее проницаемы по отношению к ионам Na+. Коэффициент диффузии этих ионов в цементном камне особенно заметно уменьшается при введении золы-уноса. Отмечается, что введение в цемент пуццолановых добавок приводит к изменению ряда характеристик цементного камня (структура и удельная поверхность пор, отношения Ca/Si в продуктах гидратации, значение x -потенциала), от которых зависит диффузия щелочных ионов.

Авторами [10] исследовано распределение Na и К в жидкой и твердой фазах твердеющего портландцементного камня. Установлено, что ~ 70% от общего количества Na содержится в твердых продуктах гидратации портландцемента и ~ 30% переходит в жидкую фазу, находящуюся в порах цементного камня. Распределение К совершенно иное: ~ 75% - в жидкой фазе и ~ 25% - в твердой.

Авторами [1] предложена эмпирическая зависимость, определяющая деформацию бетона (e , мм/м) при взаимодействии реакционноспособного заполнителя со щелочами цемента:

e =a× S× R3,2, (1)

где a -коэффициент, зависящий от свойств породы данного карьера, определяемый опытным путем, S - содержание растворимого диоксида кремния в заполнителе (в ммоль/л), R - содержание щелочных оксидов (в % от массы цемента).

Можно предсказать, что при использовании определенных материалов будет происходить реакция щелочей цемента с заполнителями, но обычно нельзя оценить разрушительное воздействие этого процесса на бетон, зная лишь содержание реакционноспособных материалов. Например, на фактическую реакционную способность заполнителя влияют размер его зерен и пористость, поскольку от них зависит величина площади поверхности заполнителя, на которой может протекать реакция. Взаимодействие щелочей с кремнеземом протекает тем интенсивнее, чем дисперснее зерна заполнителя (что особенно характерно для молотого кварцевого песка), чем больше в заполнителе кристаллизационной воды (например, при применении опала) и чем больше его пористость (что справедливо для халцедона).

Хотя содержание щелочей определяется лишь видом цемента, их концентрация на реакционноспособной поверхности заполнителя будет определяться величиной площади этой поверхности. Минимальное содержание щелочей цемента, при котором может быть реакция расширения, составляет 0,6% (в пересчете на эквивалент щелочи Na2O). Содержание солей калия пересчитывается на эквивалентное количество Na2O умножением содержания K2O в клинкере на коэффициент 0,658. Известно, однако, что в исключительных случаях цементы даже с низким содержанием щелочей вызывают расширение. В определенном диапазоне расширение бетона, приготовленного на реакционноспособном заполнителе, тем больше, чем выше содержание щелочей в цементе, а для данного состава цемента - чем выше его тонкость помола.

В работе [14] исследована зависимость между удельной поверхностью реакционноспособного заполнителя и объемными деформациями раствора на его основе. В работе использовали пористый заполнитель (содержание кремнезема 95,61%) с водопоглощением 15,39%, а также плотный заполнитель (содержание кремнезема 94,4%) с водопоглощением 1,79%. Расход реакционноспособных заполнителей составлял 10% от общего количества заполнителей. полученные данные позволили установить, что расширение раствора не зависит от пористости реакционноспособного заполнителя и вызывается, в основном, образованием гидросиликата щелочного металла. Величина расширения раствора пропорциональна удельной поверхности реакционноспособного заполнителя. При удельной поверхности >1,6 м2/г расширение уменьшается, так как при этом снижается концентрация гидроксильных ионов в растворе.

Авторы [18] считают, что предельное содержание щелочей (в кг/м3 в расчете на Na2O) должно быть: в растворе 3-5, в бетоне <5.

Хобсом Д.В. и Гуттериджем В.А. [11] были исследованы растворные образцы, содержавшие различное количество реакционноспособного опаловидного заполнителя с крупностью от 0,15 до 4,8 мм. Показано, что возраст появления трещин в образцах при постоянном содержании заполнителя не зависит от его крупности. Скорость образования продуктов реакции щелочей цемента с кремнеземом заполнителей определяется взаимодействием гидроксильных ионов с реакционноспособным кремнеземом, а не скоростью переноса реагента через цементный камень или слой гелевидных продуктов. Поэтому скорость реакции прежде всего зависит от объема реакционноспособных зерен заполнителя, а не от их площади поверхности.

Авторами [32] исследовано влияние содержания щелочей в цементе и их распределения в основных минеральных фазах клинкера на расширение твердеющего цементного раствора вследствие взаимодействия этих щелочей с активным кремнеземом заполнителя. Исследования проводили на 4 цементах с содержанием щелочей (в расчете на Na2O) 0,83-1,18%, при этом распределение щелочей в кристаллических клинкерных фазах было неодинаково: в виде K2SO4, K2Ca(SO4)2 или растворов в С3А и C2S. Установлено, что при прочих равных условиях от распределения щелочей в цементе в значительной степени зависят кинетика и конечное значение расширения растворных образцов вследствие взаимодействия щелочей с активным кремнеземом заполнителя. Наибольшее расширение (0,33-0,36%) имели образцы на основе заполнителя, содержащего 2-4% опала, и цемента, в котором щелочи преимущественно находились в растворимой щелочно-сульфатной форме. Расширение образцов на основе цементов, в которых щелочи были в связанном виде в силикатной фазе, было сравнительно небольшим и составило ~ 0,1%.

Авторами [33] исследовано влияние щелочей, содержащихся в кремнеземистых заполнителях, на реакционную способность активного кремнезема этих заполнителей в бетоне. Установлено, что щелочи, содержащиеся в заполнителе, частично переходят в жидкую фазу, вступают в обменные реакции с Са(ОН)2 и, так же как щелочи цемента, взаимодействуют с активным кремнеземом заполнителя. При обработке водой с температурой 380С в течение 90 сут исследованные заполнители выделяли в раствор 0,79-10% (от содержания цемента в расчетной цементной композиции) щелочи, причем выделение щелочи из заполнителя, содержащего андезит и альбитовый полевой шпат было наибольшим и составило соответственно 5,73 и 10%. выделение щелочи при обработке водой с температурой 800С было еще большим. Расширение растворных образцов на основе исследованных заполнителей после обработки последних уменьшилось в 5-10 раз.

Авторами [34] установлено, что величина расширения зависит от В/Ц: расширение увеличивается при повышении В/Ц с 0,28 до 0,40 и достигает максимума при В/Ц=0,40. при повышении В/Ц повышается пористость и следовательно коэффициент диффузии Na+. При увеличении содержания вовлеченного воздуха на 4% расширение снижается на 40%.

Авторами [6] исследована взаимосвязь между расширением цементного раствора вследствие взаимодействия щелочей с кремнеземом и содержанием Са(ОН)2 в продуктах гидратации цемента. С этой целью для испытаний были выбраны 3 цемента: обычный портландцемент и 2 шлакопортландцемента, содержащие 65% гранулированного доменного шлака, при этом было известно, что в продуктах гидратации последних не содержится Са(ОН)2. Установлено, что образцы на основе портландцемента, в продуктах гидратации которого зафиксировано значительное количество кристаллов портландита, имели через 1, 4 и 8 недель испытаний расширение соответственно 0,038; 0,622 и 0,644%, в то время как образцы на основе шлакопортландцемента, практически не содержащие в возрасте 28 сут Са(ОН)2, имели через 1 неделю испытаний расширение всего 0,005-0,015%, а через 4 и 8 недель приобрели усадочные деформации, которые составили соответственно 0,015-0,019 и 0,024-0,039%. Этими результатами подтверждается, что процесс взаимодействия кремнезема с щелочами в значительной степени контролируется гидроксидом кальция.

Среди других факторов, влияющих на ход реакций щелочей цемента с заполнителем, следует указать присутствие неиспаряющейся воды в цементном камне и степень водопроницаемости цементного камня. В условиях попеременного увлажнения и высыхания наблюдается ускорение реакции.

Авторами [23] сделан вывод, что использование для изготовления раствора сухого заполнителя приводит к более интенсивному развитию щелочных реакций, чем при использовании влажного заполнителя. Это объясняется интенсивным впитыванием зернами сухого заполнителя богатого щелочами раствора, что вызывает быстрое начало щелочных реакций.

Бакером А. и Пулом А. [3] исследовано взаимодействие щелочей, содержащихся в портландцементе, с поверхностным слоем реакционноспособного опалового заполнителя, в состав которого входит растворимый кремнезем.

Установлено, что при твердении растворов ионы Na, K и Ca мигрируют из цементного теста к поверхности опаловых зерен и через 3 сут проникают в них на глубину 50-500 мкм. Образующийся гидросиликатный гель уменьшает сцепление между цементным камнем и заполнителем. Увеличение обьема геля может вызвать образование микротрещин в контактном слое. образующаяся гидросиликатная пленка на поверхности реакционноспособного заполнителя на определенной стадии гидратации может регулировать скорость миграции щелочных ионов, являясь полупроницаемой мембранной перегородкой на их пути в зону взаимодействия. При повышенной сверх определенного уровня концентрации щелочных ионов в жидкой фазе, находящейся в порах цементного камня, гидросиликатная пленка на поверхности заполнителя не пропускает вглубь зерен часть ионов, препятствуя быстрому разрушению затвердевшего раствора или бетона.

Повышенная температура ускоряет эту реакцию, по крайней мере в диапазоне 10...400С. При этом проведенные Сидерисом К. [29] экспериментальные исследования показали наличие на кривой зависимости между температурой и расширением бетона за счет щелочных реакций максимума при температуре 400С. Причина указанной зависимости объясняется тем, что несмотря на повышение растворимости аморфной кремнекислоты в водном щелочном растворе с увеличением температуры концентрация образующегося при этом коллоидного раствора падает за счет коагуляционных явлений, усиливающихся при температурах >400С, что приводит к уменьшению осмотического давления и уменьшению степени расширения бетонных изделий.

Таким образом, можно видеть, что влияние различых физических и химических факторов обусловливает сложность процессов при взаимодействии щелочей цемента с заполнителем. В частности, в результате водопоглощения гель может изменять свою структуру, что приводит к повышению давления, в то время как в других случаях наблюдается диффузия геля из замкнутого пространства.

По данным работы [28], заполнители, содержащие мелкозернистые доломитизированные известняки с межзерновыми включениями кальцита и глины, взаимодействуют с щелочами цемента в две стадии:

CaMg(CO3)2+2MOH=Mg(OH)2+CaCO3+M2CO3

M2CO3+Ca(OH)2=2MOH+CaCO3,

где М - щелочной металл.

При этом, исследование зоны контакта заполнителя с цементом показало наличие трех слоев - слой А в заполнителе, из которого ионы магния диффундировали в глубь заполнителя или в цементное тесто, слой В, в котором в цементном камне осаждается кальцит и регенерируется NaOH, и слой С, в котором образуется гидроокись взамен гидросульфоалюмината кальция.

Установлено, что расширение вследствие реакции щелочей цемента с заполнителем может быть уменьшено или исключено совсем путем введения в бетонную смесь реакционноспособного кремнезема в тонкоизмельченном виде. Этот кажущийся парадокс авторы [27] объясняют следующим. В области низкого содержания кремнезема повышение количества кремнезема при определенном содержании щелочей приводит к увеличению расширения, однако при более высоких значениях содержания кремнезема положение меняется; чем больше поверхность реакционноспособного заполнителя, тем меньше количество щелочей, приходящихся на единицу поверхности, и тем меньше образуется щелочесиликатного геля. С другой стороны, благодаря чрезвычайно низкой подвижности гидроокиси кальция в реакции участвует только гидроокись кальция, которая непосредственно контактирует с поверхностью заполнителя. Поэтому количество гидроокиси кальция, приходящейся на единицу поверхности заполнителя, не зависит от величины общей площади поверхности заполнителя. Таким образом, увеличение площади поверхности приводит к повышению соотношения между гидроокисью кальция и щелочами в растворе в контактном слое заполнителя. В таких условиях образуется безвредный нерасширяющийся щелочной силикат кальция.

По мнению авторов [16], в присутствии сравнительно небольшого (5-10%) количества кремнеземистого пылеуноса из жидкой фазы, содержащейся в порах твердеющего раствора, происходит частичное удаление гидроксильных ионов и ионов щелочных металлов, что уменьшает скорость реакции между щелочами и кремнеземом. В присутствии кремнеземистого пылеуноса образующийся гель гидросиликатов кальция, натрия и калия медленно адсорбирует влагу, в результате чего расширение растворов, содержащих кремнеземистый пылеунос, протекает медленнее, чем бездобавочных.

Установлено, что активные минеральные добавки, такие как дробленное стекло пирекс или зола-унос, являются эффективными средствами для уменьшения проницаемости зерен крупного заполнителя. Согласно Бутлеру Г. и Ньюману В. [5], оптимальная дозировка добавки золы-уноса составляет 30...35% по массе. По мнению данных авторов эффект действия золы-уноса обусловлен тем, что она связывает свободную известь, выделяющуюся при гидратации цемента. Образующееся в результате этой реакции дополнительное количество геля C-S-H уплотняет структуру цементного камня, препятствуя миграции гидроксильных групп и предотвращая их взаимодействие с кременеземом заполнителей. Другим немаловажным фактором является эффект снижения щелочности при замене части цемента золой-уносом.

В работе [24] исследовано влияние минеральных добавок (туф, зола-унос, доменный шлак), на расширение раствора на основе портландцемента с повышенным содержанием щелочей и песка, содержащего включения частиц с высоким содержанием растворимого кремнезема.

Установлено, что исследованные минеральные добавки заметно снижают скорость реакции между щелочами и кремнеземом. Защитное действие минеральных добавок по отношению к реакционноспособному заполнителю определяется их кислотностью, то есть в основном содержанием активного SiO2, а также их физической структурой. Влияние физической структуры минеральных добавок проявляется в их способности адсорбировать на своей поверхности выделяющиеся в раствор ионы К+ и Na+. По степени активности и пассивирующего действия на реакцию между щелочами цемента и кремнеземом заполнителя исследованные минеральные добавки можно расположить в следующем порядке: туф > зола-унос > шлак, что соответствует содержанию SiO2 в этих материалах.

С целью оценки стойкости шлакопортландцементов по отношению к заполнителям, в работе [7] исследовано влияние состава шлакопортландцементов (состав клинкера и шлака, их соотношение, тонкость помола, содержание щелочей и гипса) на расширение бетона на их основе. Установлено, что добавление шлака к клинкеру значительно уменьшает расширение образцов. Несмотря, на высокое содержание щелочей в клинкере при введении 70% шлака расширение образцов практически не происходит (<0,03%), в то время как при дозировке шлака 10-20% оно через 28 и 365 суток твердения составляет соответственно 0,37 и 0,43%. Расширение образцов на основе шлакопортландцементов, содержащих 50% клинкера и 50% шлака, не превышает через 1 год выдерживания 0,1%. Повышение дисперсности шлакопортландцементов приводит к некоторому уменьшению величины расширения образцов, в то время как у образцов на основе портландцемента при повышении их дисперсности расширение обычно возрастает. Изменение дозировки гипса не привело к каким-либо изменениям в расширении образцов на основе исследованных шлакопортландцементов. Отмечается, что некоторое различие в составах двух испытанных клинкеров и шлаков также не оказало существенного влияния на расширение образцов.

Авторы [21] считают, что армирование несколько ограничивает деформации расширения и трещинообразования в бетоне при взаимодействии реакционноспособных заполнителей со щелочами. наибольший эффект ограничения деформаций обеспечивает дисперсное армирование.

Авторами [17] обследованы конструкции, в которых использован реакционноспособный заполнитель. У неармированных конструкций (дамбы) отмечено наличие трещин шириной 2-3 мм идущих от поверхности на глубину 300-500 мм. На поверхности железобетонных конструкций со средним процентом армирования обнаруживаются сплошные сетки трещин. В предварительно напряженных конструкциях трещины, как правило, отсутствуют.

Авторами [13] исследовано влияние воздухововлекающей добавки на взаимодействие щелочей с кремнеземом песка в твердеющем цементном растворе и вызванное этим процессом расширение раствора. Из раствора состава 1:3 на основе портландцемента и морского песка (размер частиц <4 мм), содержащего небольшую добавку нейтрализованной винсоловой смолы (и без нее), формовали призмы размером 4х4х16 см, выдерживали их во влажных условиях, затем хранили в течение 8 недель в концентрированном растворе щелочных солей, периодически измеряя длину призм. Установлено, что в растворе с воздухововлекающей добавкой среднее расширение при хранении в щелочной среде составило ~ 65% от среднего расширения раствора, не содержащего воздухововлекающую добавку, то есть введение ~ 4% воздуха приводит к снижению расширения в этих условиях на ~ 40%. Петрографический анализ показал, что воздух в растворе с воздухововлекающей добавкой находится в виде равномерно распределенных мелких пузырьков, в то время как в обычном растворе воздушные включения представляют собой крупные неравномерно распределенные поры. Мелкие поры в растворе с воздухововлекающей добавкой после хранения образцов в щелочном растворе заполнены частично или полностью (в зависимости от реакционной способности песка) гелеобразной массой, крупные воздушные поры в обычном растворе в тех же условиях остались практически пустыми. Продукт взаимодействия кремнезема заполнителей со щелочами в обычном растворе приводит к заметному его расширению, а в растворе с воздухововлекающей добавкой расширение релаксируется за счет равномерного распределения гелеобразного продукта реакции в поровой структуре и приводит к уплотнению раствора без изменения объема.

Авторами [15] показано, что по скорости диффузии ионы располагаются в следующий ряд: Na+<K+<Cl-. Скорость диффузии указанных ионов через бетон связана с величиной радиуса гидратного иона (Na+>K+>Cl-).

Авторами [37] изучено влияние величины водоцементного отношения, вида цемента, и длительности гидратации на скорость диффузии ионов натрия через цементный камень, строительный раствор и бетон. Установлено, что коэффициент диффузии ионов натрия через цементный камень изменяется в пределах (0,2-20)× 10-8 см2/с и снижается с увеличением длительности гидратации и уменьшением В/Ц. Коэффициент диффузии теста, твердевшего при 400С, незначительно зависит от вида цемента. Коэффициент диффузии ионов натрия через строительный раствор близок к их коэффициенту диффузии через цементный камень; проницаемость бетона значительно выше и сохраняется на высоком уровне даже после 91 сут его твердения. Проницаемость затвердевшего цементного бетона для иона Na+ определяется его диффузией через капиллярные поры и переходную зону между тестом и заполнителем. Проницаемость исследованных материалов находится в прямой зависимости от объема, занимаемого в них порами с размером ³ 50 нм. Поскольку более грубые поры, особенно диаметром 50 нм и выше, заполняются в бетоне на пуццолановом цементе продуктами реакции, движение щелочного иона через них затруднено. Ионы Na в бетоне концентрируются главным образом вокруг зерен заполнителя в зоне обогащенной Са(ОН)2, и в содержащих Са(ОН)2 областях цементной матрицы; в С-S-H-фазе содержание ионов Na невелико.

Авторами [2] делают вывод, что взаимодействие между щелочами и заполнителями в бетоне в условиях очень низкой пористости наблюдалось в том случае, если бездоломитовый заполнитель содержал достаточное количество примесных силикатов в виде микровключений. В частности, отмечено растрескивание образцов в результате этого взаимодействия при содержании таких микровключений в заполнителе <4% и даже <1%. Собственная пористость заполнителя оказывает незначительное влияние на интенсивность взаимодействия, которое наблюдается уже при величине общей пористости заполнителя 0,8 мм3/г (общая пористость стандартного бетона 44 мм3/г). Вероятность образования трещин зависит также от степени равномерности распределения силикатной фазы в заполнителе. На степень разрушающего воздействия геля, образовавшегося в результате взаимодействия между щелочами и кремнеземом, влияет форма пор и наличие сужений между сообщающимися порами.

Авторами [38] исследована взаимосвязь между расширением бетона, вызванным взаимодействием активного кремнеземистого заполнителя с щелочами, и кинетикой образования и развития в бетоне трещин. Отмечается, что между значениями линейного расширения и длиной трещин нет строгой прямой пропорциональности, поскольку с момента образования трещин в бетоне происходит перераспределение напряжений.

Авторами [26] было проведено экспериментальное исследование взаимосвязи между щелочной реакцией заполнителя, образованием трещин и величиной расширения бетона. Установлено, резкое увеличение расширения бетона при суммарном содержании щелочи в бетоне >3,0-4,5 кг/м3; при этом расширение равно 0,2-0,4% при содержании щелочи 9,0 кг/м3 после 3-12 мес выдерживания. Выявлено, что модуль упругости обратно пропорционален расширению и снижается на 80% при расширении >0,1%, что может вызвать разрушение бетона. С увеличением расширения увеличивается суммарное количество трещин, однако, суммарная ширина трещин не зависит от величины расширения.

 

Список использованной литературы

1.   Цановски Ст. Прогнозиране размера на деформациите в бетона, предизвикани от алкалиреакциите с разтворимия силициев двуокис от добавьчните материале. Прогнозирование деформаций бетона при взаимодействии реакционноспособных заполнителей со щелочами цемента. //Науч.тр.НИСИ. -1984. -№2. -pp.11-22.

2.   Bachiorrini A., Montanaro L. Alkali-Silica Reaction in Carbonate Rocks. Взаимодействие между щелочами и кремнеземом в карбонатных породах. //Cem. and Concr. Res. -1988. -№5. -pp.731-738.

3.   Baker A.F., Poole A.B. Cement Hydrate Development at Opal-Cement Interfaces and Alkali-silica Reactivity. Гидратация цемента на границе с опаловым заполнителем и взаимодействие щелочей с кремнеземом. //Quart. J. Eng. Geol. -1980. -№4. -pp.249-254.

4.   Bell F.G. How Aggregates affect Concrete Quality. Влияние заполнителей на качество бетона. //Civ. Eng. (Gr.Brit.). -1977. -July-Aug. -pp. 39,41,43.

5.   Buttler Frank G., Newman John B. PFA and the Alcali-Silica Reaction. Влияние золы-уноса на взаимодействие кремнезема заполнителей со щелочами цемента. //Consult. Eng. (Gr.Brit.). -1980. -№11. -pp.57, 59-62.

6.   Chatterji S., Clausson-Kaas N.F. Prevention of Alkali-Silica Expansion by Using Slag-Portland Cement. Предотвращение расширения раствора вследствие взаимодействия щелочей с кремнеземом путем применения шлакопортландцемента. //Cem. and Concr. Res. -1984. -№6. -pp.816-818.

7.   Frigione G., Marotta R. Portland Blast-Furnace Slag cements and Resistance to the Alkali-Aggregate Reaction. Стойкость шлакопортландцементов по отношению к реакционноспособному заполнителю. //World Cem. Technol. -1981. -№2. -pp.73-74,76,78.

8.   Glasser L.S.D. Osmotic Pressure and the Swelling of Gels. Осмотическое давление и набухание гелей. //Cem. and Concr. Res. -1979. -№4. -pp.515-517.

9.   Glasser L.S., Kataoka N. On the Role of Calcium in the Alkali-Aggregate Reaction. Роль кальция при взаимодействии заполнителей с щелочами. //Cem. and Concr. Res. -1982. -№3. -pp.321-331.

10.               Glasser F.P., Marr J. Il Legame Potenziale degli Alcali dei Cementi Portland Ordinari e dei Cementi di Miscela. Способность портландцемента и пуццолановых цементов к связыванию щелочей. //Cemento. -1985. -№2. -pp.85-94.

11.               Hobbs D.V., Gutteridge W.A. Particle Size of Aggregate and its Influence upon the Expansion Caused by the Alcali-Silica Reaction. Влияние размера зерен заполнителя на расширение бетона при взаимодействии щелочей с кремнеземом. //Mag. Concr. Res. -1979. -№109. -pp.235-242.

12.               Iiama Tosimiti. Structural changes of concrete when alkali-aggregate reaction. Структурные изменения бетона при взаимодействии реакционноспособных заполнителей со щелочами. //Конкурито когаку = Concr.J. -1988. -№7. -C.50-60.

13.               Jensen A.D., Chatterji S., Christensen P. Studies of Alkali-Silica Reaction. Part II. Effect of Air-Entrainment on Expansion. Исследование взаимодействия между щелочами и кремнеземом. Часть II. Влияние воздухововлечения на расширение. //Cem. and Concr. Res. -1984. -№3. -pp.311-314.

14.               Kaba Sigemasa, Kavamura Micuki, Takemoto Kunio. Volumetric deformations of concrete at alkali-silica aggregate reaction. Объемные деформации бетона при взаимодействии щелочей цемента с реакционноспособным кремнеземистым заполнителем. //Сэмэнто конкурито = Cem. and Concr. -1981. -№408. -pp.8-15.

15.               Kawai Kenii, Kobayashi Kazusuke. Investigation of ions diffusion through concrete. Исследование диффузии ионов через бетон. //Сэйсан кэнкю = Mon. J. Inst. Ind. Sci. Univ. Tokyo. -1989. -№9. -C.739-740. ГПНТБ СССР.

16.               Kawamura Mitsunori, Takemoto Kunio. Effect of Silica Fume on Alkali-Silica Expansion and its Mechanism. Влияние кремнеземсодержащего пылеуноса на расширение бетона при взаимодействии щелочей цемента с активным кремнеземом заполнителей и механизм реакции. //Rev. 39nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1985, Synops. -Tokyo. -1985. -pp.258-261.

17.               Kawamura M. Cracking of concrete at alkali-aggregate reaction. Образование трещин в бетоне вследствие взаимодействия заполнителей со щелочами цемента. //Сэмэнто конкурито=Cem. and Concr. -1984. -№451. -pp.118-129.

18.               Kishitani Koichi, Yoon Jai Hwan. Safe Limit of Alkali Content in Alkali-Silica Reaction. Допускаемое содержание щелочей при возможном их взаимодействии с кремнеземом. //Rev. 39nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1985, Synops. -Tokyo. -1985. -pp.240-243.

19.               Kobayashi Kazusuke, Shiraki Ryoji, Kawai Kenii, Seno Yasuhiro. Gradient of alkali concentration in concrete. Градиент концентрации щелочи в бетонном элементе. //Сэйсан кэнкю = Mon.J.Inst.Ind.Sci.Univ. Tokyo. -1988. -№6. -C.301-304.

20.               Kobayashi Kazusuke, Shiraki Ryoji, Kawai Kenii. Gradient of alkali concentration in concrete design. Effect of time. Градиент концентрации щелочи в бетонной конструкции. Влияние времени твердения. //Сэйсан кэнкю = Mon.J.Inst. Ind. Sci. Univ. Tokyo. -1989. -№3. -C.201-202. ГПНТБ СССР.

21.               Koyanagi Wataru, Rokudo Keitetsu. Effects of Reinforcements on Concrete Deteriorated by Alkali-Silica Reaction. Влияние армирования на разрушение бетона вследствие взаимодействия реакционноспособного заполнителя со щелочами цемента. //Rev. 39nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1985, Synops. -Tokyo. -1985. -pp.270-273.

22.               Lesage R., Sierra R. Le Point sur les Reactions Alcalis-Granulats dans les Betons Hydrauliques. Взаимодействие между щелочами и заполнителями в бетонах на гидравлических вяжущих. //Bull. liais. Lab. Ponst et chaussees. -1977. -№90. -pp.103-105, 123-125, 127, 130.

23.               Ludwig Udo. Einflusse auf die Alcali-Zuschlag-Reaction. О реакции между заполнителями и щелочами цемента. //Cem. and Concr. Res. -1976. -№6. -pp.765-772.

24.               Ming-shu Tang, Yu-feng Ye, Mei-qi Yan, Shi-hua Zhen. The Preventive Effect of Mineral Admixtures on Alkali-Silica Reaction and its Mechanism. Влияние минеральных добавок на взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителей. //Cem. and Concr. Res. -1983. -№2. -pp.171-176.

25.               Nakano K. The mechanism and features of alkali-aggregate reactions. Механизм и особенности взаимодействия реакционноспособных заполнителей со щелочами. //Конкурито когаку = Concr. J. -1986. -№11. -pp.17-22.

26.               Nishibayashi Shinzo, Yamura Kiyoshi. Estimation of cracking in concrete at alkali-aggregate reaction. Оценка образования трещин в бетоне вследствие реакции заполнителя со щелочами цемента. //Дзайрё = J.Soc.Mater.Sci. Jap. -1989. -№431. -C.946-952.

27.               Perry C., Gillott J.E. The Feasibility of Using Silica Fume to Control Concrete Expansion due to Alkali-Aggregate Reactions. Возможность применения кремнеземистой пыли для регулирования расширения бетона вследствие взаимодействия щелочей с заполнителями. //Durabil. Build. Mater. -1985. -№2. -pp.133-146.

28.               Poole A.B., Sotiropoulos P. Reactions between Dolomitic Aggregate and Alkali Pore Fluids in Concrete. Реакции между доломитизированными заполнителями и щелочной жидкой средой в порах бетона. //Quart. J. Eng. Geol. -1980. -№4. -pp.281-287.

29.               Sideris K. Uber Das Temperatur-Expansions-maximum bei der Alcali-Kieselsaure-Reaction. О зависимости между температурой и расширением бетона при реакциях между щелочами и кремнекислотой. //Zem-Kalk-Gips. -1979. -№10. -pp.508-509.

30.               Suzuki Kazutata, Nishikawa Tadahiro. Kinetic Investigation of Alkali-Silica Reaction by Using Quartz Powder. Исследование кинетики взаимодействия щелочей цемента с кремнеземом заполнителя при использовании порошкообразного кварца. //Rev. 39nd Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1985, Synops. -Tokyo. -1985. -pp.254-257.

31.               Staassinopoulos E. N., Odler I. Uber die Migration von Alkalien und SO3 in Zementpasten und Mortelr. О миграции щелочей и SO3 в цементных пастах и растворах. //TIZ-Fachber.Rohst.-Eng. -1982. -№5. -pp.327-328,330.

32.               Struble Leslie, Diamond Sidney. Influence of Cement Alkali Distribution on Expansion due to Alkali-Silica Reaction. Влияние распределения щелочей в цементе на расширение раствора при их взаимодействии с кремнеземом. //Alkalies Concr. Symp., Los Angeles, Calif., 25 June, 1985. -Philadelphia,Pa. -1986. -pp.31-45.

33.               Stark David, Bhatty Muhammad S.Y. Alkali-silica Reactivity: Effect of Alkali in Aggregate on Expansion. Взаимодействие щелочей с кремнеземом: влияние щелочей заполнителя на расширение. //Alkalies Concr. Symp., Los Angeles, Calif., 25 June, 1985. -Philadelphia,Pa. -1986. -pp.16-30.

34.               Tamura H. The alkali-aggregate reaction and the requirements to concrete components. Взаимодействие реакционноспособного заполнителя со щелочами цемента и требования к составляющим материалам для бетона. //Конкурито когаку = Concr. J. -1986. -№11. -pp.23-28.

35.               Tatematsu Hidenobu. Destructive processes in concrete at alkali-aggregate reaction and chemical methods of their forecasting. Деструктивные процессы в бетоне в результате взаимодействия реакционноспособного заполнителя со щелочами и химические методы их прогнозирования. //JREA: Jap. Railway Eng. Assoc. -1987. -№3. -pp.17141-17143.

36.               Uchicawa Hiroshi, Uchida Shunichiro, Ogawa Kenji. Diffusion of alkaline ions in hardened cement paste with the additives of ground granulated blast furnace slag and fly ash. Диффузия щелочных ионов в цементном камне, содержащем шлак или золу-унос. //Онода кэнкю хококу = J. Res. Onoda Cem. Co. -1985. -№113. -pp.1-9.

37.               Uchikawa H., Hanehara S., Sawaki D. Influence of Water Cement Ratio on the Ionic Penetrability of Blended Cement Paste, Mortar and Concrete. Влияние водоцементного отношения на ионную проницаемость цементного камня, строительного раствора и бетона на смешанном цементе. //Онода кэнкю хококу = J.Res. Onoda Cem. Co. -1991. -№125. -pp. 111-124.

38.               Uomoto Taketo, Nishimura Tsugio. Expansion and Cracking of Concrete caused by Alkali-Aggregate Reaction. Расширение и растрескивание бетона вследствие реакции щелочей с заполнителями. //Rev. 41st Gen. Meet. Cem. Assoc. Jap. Techn. Sess., Tokyo, 1987, Synops. -Tokyo. -1987. -pp.312-313.

Публикация обзора без ссылки на автора запрещена.

 

Уважаемые коллеги

· Предлагаю Вам подборки статей по основным проблемам бетоноведения. Пожалуйста укажите публикации по указанным проблемам, которые не вошли в данный обзор по e-mail dh@ufacom.ru.

· Напишу рецензию на Вашу статью, доклад, диссертацию по исследованию бетона.

· Дам рекомендации по основным направлениям исследований в механике бетона.

· Переведу на английский язык и окажу содействие в публикации Ваших работ в ведущих зарубежных изданиях.

Искренне желаю Вам успехов в дальнейшем развитии и совершенствовании новых бетонных составов и технологий и надеюсь на плодотворное сотрудничество.

С уважением,

Ильдар Каримов

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.