Коррозия бетона, вызванная взаимодействием щелочей цемента с кремнезёмом заполнителя

http://www.stroinauka.ru/biblio.asp?d=12&dc=86&dpc=0&dr=5809

По материалам II Всероссийской конференции по бетону и железобетону

В докладе приведен критический обзор современных методов определения реакционной способности заполнителей со щелочами цемента с учётом опыта работы НИИЖБ. Выполненные в НИИЖБ исследования РЩК показывают необходимость использования специальных методов идентификации коррозионного процесса. Результаты испытаний заполнителей различных месторождений с содержанием растворимого кремнезёма от 20 до 4000 ммопь/п показывают недостаточность критерии - количество растворимого в щелочах кремнезёма, принятого в ГОСТ 26663 и ГОСТ 8267 равным 50 ммоль/л.

Коррозия бетона, вызванная реакцией щелочей цемента с кремнеземом заполнителя (РЩК), протекает, как правило, долго и нередко при обследовании конструкций неправильно идентифицируется, поскольку ее внешние признаки имеют сходство с процессами морозной деструкции и коррозии, вызванной агрессивной средой.

Методы определения реакционной способности заполнителей со щелочами цемента разрабатываются РИЛЕМ и в РФ регламентированы стандартом ГОСТ 8269.0, разработанным с учетом рекомендаций РИЛЕМ.

Проблема исследования, диагностики и предупреждения внутренней коррозии бетона, вызванной взаимодействием заполнителя с компонентами цементного камня, не решена полностью и в настоящее время. Наиболее распространённым процессом внутренней коррозии является взаимодействие соединений щелочных металлов (натрия и калия) с кремнезёмом заполнителя. В современных модифицированных бетонах высокое содержание щелочей обусловлено, во-первых, применением цементов с повышенным содержанием оксидов натрия и калия. Повышение количества оксидов натрия и калия в цементах является следствием высокой степени очистки газов, отходящих из цементных печей и возврата цементной пыли в технологический процесс Содержание щелочей в цементах (по Na2O) изменяется от 1 до 2%. При расходе цемента в бетоне от 350 до 700 кг/м3 содержание щелочей в нём изменяется от 3,5 кг/м3 до 14 кг/м3. Во-вторых, количество щелочей в бетоне увеличивается вследствие применения химических, минеральных и органоминеральных добавок, содержащих щёлочи. Во взаимодействие с кремнезёмом заполнителей могут вступать хлориды натрия и калия, проникающие в бетон из агрессивной среды (морские соли, противогололёдные реагенты, засоленные грунты).

Реагировать со щелочами может не только аморфный кремнезём, но и некоторые разновидности 'микрокристаллического кварца, в особенности кварца с нарушенной регулярностью кристаллической решётки. В результате такого взаимодействия на поверхности контакта заполнителя с цементным камнем образуются гидратированные продукты, набухающие во влажных условиях, а в бетоне возникают растягивающие напряжения, вызывающие деформации, образование трещин, снижение прочности и разрушение бетона. В этих случаях на поверхности бетона образуется сетка трещин, затем происходит полная деструкция бетона. В отдельных случаях из пор бетона выдавливаются капли силикатного геля. Известны случаи «отстрела» площадок бетона на поверхности конструкции, когда на дне образовавшегося кратера обнаруживается зерно реакционноспособного заполнителя.

Проблема оценки реакционной способности заполнителей осложняется тем, что процессы взаимодействия кремнезёма заполнителей со щелочами цемента протекают крайне медленно и нередко разрушение бетона начинается через 10~20 лет после ввода бетонного сооружения в эксплуатацию. В то же время идентификация процесса крайне затруднена. Внешне процесс разрушения бетона при взаимодействии кремнезема заполнителей со щелочами цемента часто не отличается от повреждений, вызываемых воздействием мороза на бетон и действием ряда агрессивных сред, в том числе сульфатов, других кристаллизующихся в бетоне солей при капиллярном всасывании растворов и испарении.

Длительное время оценку реакционной способности заполнителей со щелочами цемента выполняли методами, аналогичными нормированным стандартами США А5ТМ. Использовались три метода: петрографический, химический с определением количества растворимого в щелочах кремнезёма и отношения количества связанной щёлочи к количеству растворённого SiO; и метод испытании растворных призм во влажной среде при температуре 38°С с измерением деформаций.

Петрографические исследования состоят в установлении в горной породе количества пород и минералов, содержащих Кремнезём в аморфной или скрытокристаллической форме. Такими породами и минералами являются халцедон, опал, тридимит, кристобалит, не кристаллизованное вулканическое стекло, а также цеолиты, аргиллитовые и гидрослюдистые минералы. Петрографический метод используется в процессе разведки месторождений.

В исследованиях заполнителей использовался химический метод определения количества растворимого в щелочах кремнезёма. В качестве критического значения было принято 50 ммоль/л. В дальнейшем, с накоплением экспериментального материала было установлено, что среди пород и минералов, содержащих более 50 ммоль/л растворимого б щелочах кремнезёма, некоторые материалы не вызывают опасных деформаций бетона. В этой ситуации решающее значение приобрели прямые испытания заполнителей в бетоне. Критической величиной деформаций образцов мелкозернистого бетона после 1 года испытаний было принято расширение 0,1%. Этим методом была установлена высокая реакционная способность некоторых песчаников, в которых цементирующей частью является не закристаллизованный кремнезём. Метод определения отношения количества связанной щелочи к количеству растворённого SiO; в отечественной практике практически не применялся.

Длительность испытаний образцов не позволяла оперативно оценивать качество заполнителей для бетона. В связи с этим начались исследования и разработка ускоренных методов испытаний. По состоянию на 1995 г в различных странах мира использовались следующие методы испытаний (таблица 1). Номинально одинаковые методы испытаний бетонных образцов в разных странах существенно различаются в деталях. Для унификации методов испытаний был создан технический комитет при международной организации РИЛЕМ, разрабатывающий методы испытаний заполнителей. К настоящему времени в РФ сложилась следующая практика испытаний заполнителей, закреплённая стандартом ГОСТ 8269 0-97 «Щебень и гравий из плотных пород и отходов промышленного производства для строительных работ.

Методы физико-механических испытаний.

Испытания заполнителей начинаются на стадии разведки месторождения и состоят в минерало-петрографической оценке горной массы (метод 1). Затем выполняется анализ на содержание в заполнителе растворимого в щёлочи кремнезема (метод 2). Далее проводятся ускоренные испытания растворных образцов в 1М растворе NaOH при SOT (метод 3). Длительность испытаний с изготовлением образцов - 3 недели. Исследования заполнителей завершаются испытанием бетонных образцов, которые в течение 1 годэ находятся во влажной среде при температуре 38°С (метод 4). На каждой стадии испытаний даётся оценка заполнителю, «реакционноспособен» или «нереакционноспособен». При получении оценки «нереакционноспособен» дальнейшие испытания прекращаются. При получении оценки «реакционноспособен» выполняются испытания следующим по порядку методом. В случае, если после годичных испытаний бетонных образцов заполнитель оценивается как реакционноспособный, принимаются специальные технологические меры по предотвращению повреждения бетона: используются портландцементы с содержанием щелочей до 0,6%, применяются шлакопортландцементы и другие.

В таблице 2 приведены результаты испытаний отечественных заполнителей вторым и третьим методами, выполненными в лаборатории коррозии НИИЖБ.

Полученные результаты показывают, что критерий - содержание растворимого в щелочах кремнезема 50 ммоль/л не характеризует действительной реакционной способности заполнителя со щелочами цемента в бетоне. Образцы заполнителя гравия и яшмы не показали опасного развития деформаций при содержании растворимого в щелочах кремнезема 500-1000 ммоль/л. Сланец, содержащий 20 ммоль/л растворимого в щелочи кремнезема, показал деформации 0,145 %, что превышает критическую величину 0,1%. С другой стороны, реакционноспособные заполнители не обнаруживают развития деформаций, если в состав бетона не вводятся значительные количества (более 10 кг/м3 в пересчёте на Na2O) добавок соединений щелочных металлов, формиата натрия NaCOOH, гидроксида натрия NaOH и нитрита натрия NaNO2 (таблица 3).

В испытаниях использован бетон состава Ц:П:Щ=1:1,55:2,8, В/Ц=0,55 Расход цемента 400 кг/м3. Бетон состава 1 изготовлен на портландцементе Красноярского завода. В заполнителях содержание SiO2 растворимого 37 ммоль/л. Бетоны 2~6 изготовлены на портландцементе Воскресенского завода. Содержание SiO2 растворимого в бетонах 2 и 4 - 302 ммоль/л (Вяземский карьер, щебень из гравия, основной потенциально реакционный минерал - кремень). Бетоны 3, 5, 6 изготовлены на Карнаутском щебне (вулканический шлак) с содержанием SiO2, растворимого - 315 ммоль/л. Сопоставляя результаты исследований химическим методом и методами измерения деформаций образцов, следует признать, что химический метод может быть использован только на предварительном этапе оценки месторождений заполнителей. В любом случае возможность развития реакции «щёлочь-заполнитель» должна быть проверена испытаниями с измерением деформаций.

Методы определения реакционной способности заполнителей за рубежом

За рубежом разработкой методов определения реакционной способности заполнителей занимается Международный союз испытательных лабораторий РИЛЕМ в лице технического комитета ТК 191-ARP. В работе комитета участвует около 20 стран мира, в том числе и Россия.

РИЛЕМ подготовлены или находятся в стадии разработки методы испытаний заполнителей, образующие следующий комплекс (таблица 4):

Петрографический метод, ускоренный метод испытания растворных образцов и метод испытания бетонных призм используются в РФ (ГОСТ 8269.0-97). Метод определения количества растворимого в щелочи кремнезема не входит в состав методов, разрабатываемых РИЛЕМ. Как отмечено выше, этот метод не характеризует возможности разрушения бетона на испытываемом заполнителе. Существенно новыми являются методы AAR-4 «Ускоренный (60°С) метод испытаний бетонных призм» и AAR-5 «Испытание карбонатных заполнителей».

Ускоренный (60°С) метод испытаний бетонных призм AAR-4

Данный метод отличается от метода испытаний бетонных призм AAR-3 существенно уменьшенном длительностью испытаний - 20 недель по сравнению с 1 годом по AAR-3. Испытания выполняются при температуре 60°С, тогда как по AAR-3 образцы испытывают при температуре 38°С Испытания выполняются во влажной среде (в герметичной ёмкости во влажной ткани).

С увеличением объема строительства и исчерпанием старых месторождений в производство вводятся новые материалы, нередко с высоким содержанием реакционноспособных компонентов. Назревает проблема использования в качестве заполнителей доломитизированных известняков и доломитов.

Метод испытаний карбонатных заполнителей AAR-5

В настоящее время комитетом ТК 191-ARP разрабатывается метод испытаний карбонатных заполнителей AAR-S. Метод предназначен для оценки возможности коррозии заполнителя из доломитизированного известняка или доломита. В основе он близок к методу AAR-2, но имеет определённые отличия.

Процедура испытаний включает следующее. Образцы после изготовления и извлечения из форм помещают в среду с температурой 80°С и после 24-часовой выдержки погружают в 1М раствор щёлочи NaOH при температуре 80°С. Периодически измеряют деформации расширения образцов. Отличие метода OT AAR-2 состоит в том, что применяют более крупный заполнитель - фракцию 4~8 мм (в AAR-2 фракция Q-4 мм). Размер образцов в методе AAR-5 равен 40x40x160 мм, тогда как в AAR-2-25x25*285 мм. Используют цемент с содержанием щелочей (Na2O+0,658 K2O) 0,9-1,1%. Удельная поверхность цемента - не менее 450 м2/кг. Испытания в растворе щёлочи продолжаются в течение 28 суток. Критерий опасного расширения для указанного метода в РИЛЕМ не разработан, однако в Китае в качестве критической величины принята 0,1%.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Проанализированы отечественные и зарубежные методы испытаний реакционной способности заполнителей со щелочами цемента. Показано, что применяемый в РФ метод определения количества растворимого в щелочах кремнезема не позволяет сделать вывод о реакционной способности заполнителя и при переработке стандарта должен быть исключен.
2. Разрабатываемые Техническим комитетом ТК 191-ARP РИЛЕМ новые методы испытаний требуют проверки на российских материалах, особенно при испытании заполнителей из доломитизированного известняка и доломита.
3. Испытан ряд отечественных заполнителей, в том числе отличающихся высоким содержанием растворимого в щелочах кремнезема. Испытания показали, что многие заполнители, ранее оцененные химическим методом как реакционноспособные, не вызывают разрушения бетона.

Технологии бетонов »

Н.К. Розенталь, к.т.н., зав. сектором, Г.В. Любарская, с.н.с., НИИЖБ

Концепция инновационной деятельности »

Методика (методология) научных исследований »

Материалы »

No. 5/2005
03.04.2006