Н.Л.Полейко, к.т.н, Р.Ф.Осос, Д.Н.Полейко, , С.В.Журавский
БНТУ, «Белкальматрон» г. Минск
Республика Беларусь
Долговечность, срок службы зданий, сооружений или их отдельных элементов определяется их конструктивным решением, выбором материалов, качеством производства строительно-монтажных работ и условиями эксплуатации. Основными факторами, влияющими на их долговечность, особенно в климатических районах с ярко выраженными переменными факторами, является воздействие воды, водяного пара, мороза, агрессивных сред, высоких температур. Разрушение бетона в агрессивных средах происходит главным образом по связующему – цементному камню. Подземные и наземные транспортные сооружения в процессе эксплуатации подвержены воздействию воды различной минерализации, вызывающему коррозию бетона по 1 виду, называемую выщелачиванием. При выщелачивании в первую очередь удаляется известь Ca(ОН)2, а интенсивность зависит от скорости прохождения воды через конструкцию и Рн воды. Для защиты бетонов от выщелачивания наибольшую роль играют их плотность и водонепроницаемость, а также химический и минералогический составы цемента. Коррозия бетона при действии кислот классифицируется как коррозия 2-го вида. Скорость разрушения бетона определяется количеством новообразований, их растворимостью в воде и скоростью удаления. Наиболее распространенными из жидких агрессивных сред являются промышленные и подземные воды, содержащие сульфаты. Сульфатная коррозия бетона классифицируются как 3-ий вид.
Перечисленные виды коррозии редко протекают в чистом виде, поэтому интенсивность коррозии бетона во многом зависит как от химического взаимодействия агрессивной среды с цементным камнем, так и от физического состояния конструкции, в первую очередь – плотности бетона, его газо- и водонепроницаемости.
Основными технологическими параметрами, влияющими на долговечность бетона, является его свойство пропускать и накапливать различные агрессивные реагенты, т.е. пористость и проницаемость. Существуют различные способы и материалы, позволяющие улучшить эти показатели. Широкое применения, в связи с этим, получили цементные защитные составы проникающего действия, предназначенные для обеспечения водонепроницаемости и повышения долговечности бетонных, железобетонных конструкций.
В Научно-исследовательской лаборатории модифицированного бетона и строительной продукции БНТУ г. Минск совместно с предприятием «Белкальматрон», проведены исследования по расширению области применения кольматирующих составов. Наибольший интерес вызывает применения кольматирующих составов в конструкциях, которые подвергаются постоянному гидростатическому давлению с высокими требованиями по водонепроницаемости и долговечности. Однако, на данный момент возникают вопросы, связанные с влиянием кольматирующих составов на изменение характеристик пористости бетона и связанных с этим показателей характеризующих долговечность – водонепроницаемость, водопоглощение, морозо- и коррозионная стойкость.
Из многочисленных классификаций структур бетона, предложенных различными авторами, наиболее общей представляется классификация, выделяющая три основных типа структуры: микроструктуру – структуру цементного камня; мезоструктуру – структуру цементно-песчаного раствора в бетоне; макроструктуру – двухкомпонентную систему (раствор – крупный заполнитель) [1]. Для каждой из перечисленных структур характерны свои особенности, связанные с их образованием. Наиболее важными технологическими факторами, влияющими на формирование микроструктуры цементного камня, являются химико-минералогический состав цемента, тонкость его помола, водоцементное отношение и условия твердения. Важными факторами для мезоструктуры цементно-песчаного раствора, является состав раствора, гранулометрический и минералогический состав песка и форма его зерен, характер поверхности частиц и их загрязненность. Макроструктура бетона имеет много общего с мезоструктурой, так как в этом случае может быть рассмотрен цементно-песчаный раствор, в котором распределен крупный заполнитель. Влияние на свойство макроструктуры бетона, помимо свойств цементно-песчаного раствора, оказывают свойства крупного заполнителя (форма и характер поверхности зерен, максимальная его крупность и загрязненность, а также количество и равномерность распределения в объеме).
Известно, что даже незначительное по объему содержание пустот в материалах приводит к резкому изменению их свойств. В тоже время, например, объем пор в цементном камне колеблется, в зависимости от водоцементного отношения, возраста и других факторов, в среднем от 15 до 50 %. Объем пор в бетонах и растворах, у которых весь объем пустот между зернами заполнителя заполнен цементным камнем, конечно меньше (примерно пропорционален объему цементного камня в этих материалах), но все же достаточно велик. Поэтому становится понятным, что все важные для практики свойства бетона в той или иной степени связаны с объемом и характером структуры его порового пространства.
Поровым пространством материала считаются все его несплошности, не занятые твердой фазой исходных материалов и новообразований. Образование основного объема пор в бетоне связано с избыточным количеством воды, которая вводится в бетонную смесь для придания ей необходимой подвижности. Объем свободной воды в затвердевшем бетоне составляет от 5 до 20 % его объема. Эти поры образуют в цементном камне и бетоне систему сообщающихся капилляров – капиллярная пористость. Размер капиллярных пор колеблется от 0,1 до 20-50 мкм и более.
Образование в бетоне воздушных пор может быть вызвано несколькими причинами – воздухом, адсорбированным на поверхности зерен цемента и заполнителей, который не был удален при перемешивании, либо введением специальных воздухововлекающих добавок. Эти поры обычно имеют сферическую форму и размеры от 25 до 500 мкм.
К дефектам структуры бетона относятся также седиментационные поры, образуемые в результате наружного и внутреннего водоотделения. При наружном водоотделении вода, обтекая крупный заполнитель, выходит наверх, образуя систему направленных, сообщающихся капиллярных пор. При внутреннем водооотделении, часть воды скапливается под крупным заполнителем, насыщая зоны контакта. Седиментационные поры имеют размер 50-100 мкм. Чем меньше прослойка раствора вокруг крупного заполнителя, тем меньше наружное и внутреннее водоотделение в бетоне. Седиментационные поры являются основными путями проникновения в бетон воды, агрессивных сред и играют решающую роль в процессах фильтрации, оказывают большое влияние на долговечность бетона.
Водонепроницаемость, коррозионная стойкость, морозостойкость и ряд других свойств цементного камня и бетона зависят не только от его капиллярной пористости, но и от параметров поровой структуры цементного камня, раствора и бетона — среднего размера открытых капиллярных пор и показателя однородности размеров открытых капиллярных пор [2].
Универсальным методом определения параметров поровой структуры цементного камня, раствора и бетона является метод, использующий кинетику поглощения капиллярно-пористым материалами смачивающей их жидкости. Метод, основанный на явлении капиллярности, позволяет определить как интегральные (общую пористость), так и дифференциальные (показатели среднего размера пор и однородности размеров пор) параметры поровой структуры материалов. Метод качественно выявляет и количественно характеризует довольно большой диапазон размеров пор и капилляров бетона, активно влияющих на его свойства. Он достаточно чувствителен к изменениям параметров пористости бетона и дает надежные, воспроизводимые результаты. Метод является неразрушающим, позволяющим испытывать различные по размеру и форме образцы, не требующий сложных приборов и оборудования. По своей природе он соответствует реальным условиям работы бетона в период его эксплуатации.
В общем случае кривые поглощения поликапиллярными материалами смачивающей жидкости выражаются экспоненциальными функциями типа
у которых величина λ1 и λ2 характеризует некоторый средний размер капилляров материала, а величина α – однородность размеров капилляров.
Величины λ и α дают нам возможность оценить наиболее важные характеристики поровой структуры бетона. Для упрощенного определения показателей λ1 , λ2 и α по экспериментальным данным построены номограммы [3].
При постоянном среднем размере капилляров λ1 , однородность размеров капилляров α снижается в связи с тем, что в бетоне имеются капилляры с размерами большими и меньшими чем средний. Поэтому в начальный период насыщения, благодаря крупным капиллярам, общая скорость насыщения бетона увеличивается, а в последующий уменьшается из-за наличия в бетоне мелких капилляров. Чем больше неоднородность капилляров по размеру, тем больше будет увеличиваться скорость насыщения в начальный период, и уменьшаться в конечный.
Теория процессов твердения цементного камня хорошо описывает причины его несовершенства, заключающиеся в цепной незавершенности реакций гидратации. Затворение цементного вяжущего происходит за одну стадию, а реакции растворения и его схватывания в удельном объеме смеси протекают эстафетно. Именно поэтому в бетоне присутствуют продукты незавершенных фазовых состояний, которые по своей физической природе могут сосуществовать только в условиях стабильного гигротермического равновесия со средой. В реальных условиях стабилизация завершается разрушением бетона.
Догидратация вяжущего в бетоне позволит получить совершенно новый по своим параметров поровой структуры материал. Суть догидротации сводится к простой эстафете реакций смещения фаз цементного камня: — проникнуть к непрогидротированному вяжущему — растворить всё то, что поддается растворению в любой степени — распределиться в свободном объеме тела бетона, а затем затвердеть единым монолитом. Скорость и объем растворения зависит от энергетических характеристик растворителя и степени разрушения связей между вяжущим и заполнителем. Продукты растворения образуют пересыщенные растворы, из которых образуются более термодинамически устойчивые гидратные новообразования. Эти гидратные новообразования характеризуются меньшей растворимостью, большей площадью поверхности и высокой плотностью.
Достаточно перспективными, с точки зрения влияния на процессы формирования поровой структуры бетона, являются кольматирующие составы, химические реагенты которых равномерно распределяются в объеме бетонной смеси на стадии приготовления, растворяются в воде и вступают в химические реакции с активными составляющими цемента. В результате формируются сложные соли, способные создавать нерастворимые кристаллогидраты. Их образование происходит постепенно, с меньшей скоростью, чем реакции гидратации цемента, поэтому сеть новообразованных кристаллов заполняет капилляры, микротрещины и поры бетона. При этом кристаллы являются составной частью структуры бетона и оказывают влияние на его поровую структуру и, в конечном счете, на его физико-механические свойства [3].
Исследуя поровую структуру бетона с кольматирующими добавками, на примере состава проникающего действия «Кальматрон», получены результаты, подтверждающие изменение среднего размера и показателя однородности размеров открытых капиллярных пор в зависимости от условий и сроков твердения бетона. Для исследования изготовлены две серии образцов бетона шести различных составов. Составы бетона приведены в таблице 1. Физико-механические свойства состава проникающего действия «Кальматрон», порядок изготовления и методика испытания составов бетона, изложены в [4], [5], [6], [7].
Таблица 1. Составы бетона для определения поровой структуры
Определение показателей пористости определяли по кинетике водонасыщения бетонных образцов высушенных до постоянной массы при дискретном взвешивании через 0,25, 1,0, 24 и 48 часов. По результатам испытаний рассчитывали относительное водопоглощение по массе в момент времени t1=0,25 и t2=1,0 ч. Кажущеюся пористость (интегральный объем открытых пор, доступный водопоглощению) оценивается значением объемного водопоглощения. По этим величинам с помощью номограмм определяют вспомогательный параметр λ1 и параметр α, по которым рассчитывают параметр λ[8]. Параметры пористости λ и α, серии образцов определяли как среднее арифметическое значение результатов испытаний всех образцов серии.
На образцах первой серии определяли изменение параметров показателей пористости в разные сроки твердения. Для этого определяли водопоглощение первой серии на бетонных образцах после 28 суток твердения в нормально-влажностных условиях. Затем образцы в течении 14 суток выдерживались в воде и повторно проводили определение водопоглощения.
Результаты определения водопоглощения первой серии образцов приведены в таблице 2. Результаты определения показателей пористости λ, α и вспомогательного параметр λ1 первой серии образцов приведены в таблице 3.
Таблица 2. Водопоглощение бетонных образцов нормально-влажностного твердения
Примечание: над чертой приведено начальное водопоглощение образцов, под чертой после выдержки их в течении 14 суток в воде.
Таблица 3. Показатели пористости образцов нормально-влажностного твердения
Влияние условий твердения на поровую структуру бетона определяли на второй серии образцов, которые 1 сутки выдерживались в форме и 27 суток в воде, т.е. создавались благоприятные условия для образований нерастворимых кристаллических соединений в капиллярах и порах бетона. Затем бетонные образцы дополнительно выдерживались еще 14 суток в воде и повторно проводили дискретной взвешивание. Результаты испытаний приведены в таблице 4.
Результаты определения показателей пористости λ, α и вспомогательного параметр λ1 образцов твердевших в водной среде приведены в таблице 5.
Таблица 4. Водопоглощение бетонных образцов при твердении в воде
Примечание: над чертой приведено начальное водопоглощение образцов, под чертой после выдержки их в течении 14 суток в воде.
Таблица 5. Показатели пористости серии образцов при твердении в воде
В результате исследований влияния кольматирующего состава «Кальматрон» на водопоглощение бетона, в зависимости от условий и сроков твердения установлено, что водопоглощение бетонных образцов меняется в зависимости от содержания кольматмрующей добавки. Оптимальным является содержание добавки в 16,6 кг/м3 бетона. В зависимости от условий твердения – нормально-влажностные или водные, меняется водопоглощение и показатели пористости бетона. В благоприятных условиях, создаются предпосылки для развития химических реакций нерастворимых новообразований, которые накапливаются в капиллярах. Это подтверждается изменением показателей однородности размеров открытых капиллярных пор (показатель α приближается к единице) и показателем среднего размера открытых капиллярных пор λ. Показатели пористости значительно изменяются со временем. Повторные исследования через 14 суток водного твердения показывают динамику снижения водопоглощения бетонных образцов, изменение показателей однородности размеров открытых капиллярных пор и показателями среднего размера открытых капиллярных пор. Это подтверждает предпосылки о том, что со временем, в результате химических реакций происходит кольматация капиллярных пор, снижается водопоглощение бетона, увеличивается его водонепроницаемость и долговечность.
Практическое применение полученных результатов нашло на заводе РУП «Спецжелезобетон» г.п. Микашевичи, где было изготовлено несколько серий виброгидропрессованных труб. Трубы изготавливались на заводских составах с использованием кольматирующей добавки «Кальматрон» и испытывались избыточным давлением в 1,4 МПа. Трубы считались выдержавшими испытания на водонепроницаемость, если к моменту его окончания на поверхности изделий не будет обнаружено фильтрация воды в виде влажных пятен, капель или течи. При проведении испытания фиксировались причины (дефекты) вызывающие течь воды Проведенные исследование виброгидропрессованных труб, изготовленных с кольматирующей добавкой «Кальматрон», показали эффективность применения указанной добавки. Количество труб, прошедших гидростатические испытания, в сравнении с контрольными изделиями увеличилось на 20 %. Использование добавки «Кальматрон» позволяет также изготовить виброгидропрессованные труб I класса, выдерживающим гидростатическое давление до 1,8 МПа, не изменяя принятого технологического процесса производства указанных изделий.
Литература:
1. Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. М.:, Стройиздат., 1979. – 344 с.
2. Шейкин А.Е. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня. М.:, Стройиздат., 1974. – 192 с.
3. Гурский В.А. Антикоррозионная защита бетонных и железобетонных конструкций // Материалы международной научно-практической конференции «Защита от коррозии в строительстве и народном хозяйстве» 17-19 мая 2005 г. Москва.
4. Розенталь Н.К., Степанова В.Ф., Чехний Г.В. Защитные материалы проникающего действия для повышения долговечности конструкций. // Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии». М.: Центр экономики и маркетинга, 2002. с.75-79.
5. Полейко Н.Л., Осос Р.Ф., Полейко Д.Н. Применение гидрофобизатора типа «Кальматрон» в производстве железобетонных труб методом виброгидропрессования // Материалы международной научно-технической конференции «Наука и технология строительных материалов: состояние и перспективы развития. Мн.: БГТУ 2005. с. 216-219.
6. Полейко Н.Л., Осос Р.Ф., Полейко Д.Н. Гидроизоляционный материал «Кальматрон» — перспективы применения. Архитектура и строительство. Мн.: «Издательство «Белорусский дом печати» № 5 2005. с. 94-97.
7. ТУ РБ 190463765.365-2004 Состав цементный защитный проникающего действия «Кальматрон».
8. ГОСТ 12730.4-78. Бетоны. Методы определения показателей пористости.
Аннотация
В данной работе приведены результаты исследования поровой структуры бетона с добавкой состава «Кальматрон», в зависимости от условий и сроков твердения, а также от содержания кольматмрующей добавки. Подтверждены предпосылки о том, что со временем, в результате химических реакций происходит кольматация капиллярных пор, снижается водопоглощение бетона, увеличивается его водонепроницаемость и долговечность. Полученные результаты нашли применение при изготовлении железобетонных конструкций на промышленных предприятиях строительной отрасли.
Abstract
In given work are brought results of the study поровой structures of the concrete with additive of the composition «Kalmatron», depending on conditions and periods of the repeating over and over again, as well as from contents compaction additives. The Confirmed premiseses about that that since time, as a result chemical reaction occurs compacting capillary times, falls water to absorb concrete, increases his(its) waterproofness and longevity. The Got results have found using at fabrication concrete design on industrial enterprise of the building branch.
