СУЛЬФАТОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ИЗ НЕФЕЛИНСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
К слабому звену материалов конгломератной структуры относятся контактные по-верхности, так как именно они доступны для диффузии агрессивных агентов вглубь мате-риала. Снизить проводимость контактных поверхностей можно путем использования ак-тивных заполнителей, которые взаимодействуя с цементной матрицей по различным меха-низмам, уменьшают проницаемость контактных поверхностей, что повышает долговеч-ность материалов. Химически активные заполнители взаимодействуют с гидроксидом кальция жидкой фазы бетона с образованием гидросиликатов кальция тоберморитовой группы, что кольматирует контактные поверхности и замедляет (тормозит) диффузию агрессивных компонентов внешней среды вглубь материала. Экспериментальные исследова-ния показали, что активные заполнители положительно влияют на коррозионную стой-кость бетона. Авторами, на основе сравнительных исследований установлены преимуще-ства цементных бетонов на химически активном (уртит) заполнителе по сравнению с обычным (кварцевый песок).

Ключевые слова:
уртиты, мелкозернистый бетон, сульфатная коррозия, коррозионная стойкость.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение. К основным способам повышения долговечности строительных материалов гидратационного твердения относится уменьшение количества алюминатов в цементном клинкере, применение минеральных добавок, связывающих гидроксид кальция, и уменьшение пористости бетона [1–5].  Повысить диффузионное сопротивление проникновению агрессивных ионов можно при помощи активных заполнителей за счет снижения проводимости контактной зоны [6-8]. В нормальных условиях химической активностью по отношению к Са(ОН)2 жидкой фазы бетона обладают заполнители из вулканических горных пород, шлака и др. Однако, заполнитель из шлака повышает водопотребность бетонной смеси, что приводит к снижению эффекта активного заполнителя [9, 10]. В этой связи вызывает интерес исследование способа повышения коррозионной стойкости бетона благодаря использованию заполнителей на основе уртита. К уникальным свойствам уртитов относится то, что они отличаются от апатитонефелиновых руд только количественным соотношением минералов. Ориентировочные запасы уртитов в пределах известных апатитовых месторождений Хибинского массива составляют несколько десятков млрд.т. 

На основе термодинамических расчетов [11] установлено, что нефелин характеризуется повышенной химической активностью по отношению к Са(ОН)2, содержащимся в жидкой фазе бетона, что относит его к химически активным заполнителям. В работе [12] изучена стойкость бетонов на нефелинсодержащем заполнителе в условиях подземных выработок рудников.    На основе расчетов [11] установлен ряд сравнительной активности различных минералов как компонентов заполнителей бетонов: нефелин > стеклообразный волластонит > кварц> микроклин >альбит >анортит > кристаллический волластонит. Это показывает, что нефелин обладает повышенной химической активностью по отношению к Са(ОН)2, что явилось основанием для выбора уртита (нефелинсодержащей породы) в качестве химически активного заполнителя. Этому вопросу посвящается данная работа.

Методика. Для исследований коррозионной стойкости использовали образцы 2,5х2,5х10 см состава Ц:П=1:3, в качестве вяжущего использовали  портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н (ЗАО «Белгородский цемент»). После испытаний в агрессивных средах в течение 1, 3, 6 и 12  мес  образцы подвергали внешнему осмотру, испытывали на прочность при сжатии и  изгибе, определяли состав (РФА) и микроструктуру корродированной зоны (РЭМ) [13, 14]. Эталоном служили составы на Курском кварцевом песке карьера «Майская Заря» с модулем крупности Мкр= 1,65; полный остаток на сите № 063–16,7 %; содержание пылевидных и глинистых примесей – 1,5 %; насыпная плотность – 1473 кг/м3 ; значение удельной эффективной активности естественных радионуклеидов – 12,0 Бк/кг.

Основная часть. Минеральный состав уртитов характеризуется постоянством, при этом среднее содержание нефелина составляет 71,3 %, эгирина – 16,4 %, полевого шпата – 6,2 %,
сфена – 2,8 %, в небольших количествах присутствуют титаномагнетит, апатит, слюда, содалит, натролит и др. Содержание в породах
SO3 не более 0,18 %, содержание растворимого кремнезема – 20 ммоль/л, что относит уртиты к нереакционноопасным по отношению к щелочам цемента.  Уртит обладает высокими физико-механическими показателями: дробимостью не менее 1200, высокой прочностью при сжатии (160 МПа) и морозостойкостью (не менее 300 циклов), низким водопоглощением (0,17 %).  

Фазовый состав уртитов приведен на рис. 1.

 

 

 

Рис. 1. Рентгенограмма уртита

 

Рентгенограмма уртита показывает наличие нефелина  (3,85; 3,27; 3,01; 2,89; 2,35 Ǻ); калиевого полевого шпата (3,24; 1,98, 1,79 Ǻ); сфена (3,20; 2,59; 2,98;. 2,26 Ǻ); эгирина (2,66 Ǻ).

На поверхности уртита содержатся преимущественно положительно заряженные центры, что обусловлено содержанием катионов алюминия в породе. Это приводит к тому, что в зоне контакта формируется в основном прослойка из гидросиликатов кальция с отрицательно заряженной поверхностью, что можно наблюдать на рис. 2, где по контакту заполнителя с цементной матрицей расположен слой гидросиликатного геля толщиной 1–2 мкм (рис. 2).

Из результатов испытаний образцов мелкозернистого бетона следует, что уртиты повышают коэффициент стойкости и прочность бетона, твердеющего в 1 %-м растворе сульфата магния (рис. 3), в сравнении с кварцевым песком.

После 6 мес испытаний прочность при изгибе возрастает на 43 % (Rизг), а при сжатии на 46 % (Rсж). Раствор MgSO4 более агрессивен по отношению к бетону на кварцевом песке,  при твердении от 3 до 6 мес наблюдалось снижение прочности при изгибе, при этом  предел прочности при сжатии не изменился в этом интервале сроков (рис.3). К году испытаний образцы всех составов не имели трещин или других видимых признаков разрушения. Процесс коррозии в магнезиальных средах сопровождается формированием пленки гидроксида магния на поверхности бетона, за счет взаимодействия MgSO4 с  Cа(ОН)2, диффундирующим к поверхности из бетона. Следует отметить значительную разницу по прочности бетона на уртите и бетона контрольного состава до и после испытаний в растворе MgSO4. Прочность при сжатии бетона на уртитовом заполнителе превосходила  в 2 –3 раза, а прочность при изгибе в 1,7–2 раза прочность бетона на кварцевом песке.  Коэффициент стойкости составил КС360=1,02, что выше 1,3–3,2 раза коэффициента стойкости бетона на кварцевом песке.

 

Рис. 2. Контактная зона цементный камень – уртит (180 сут твердения в н.у.)

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Кинетика прочности образцов мелкозернистого бетона на уртитовом заполнителе,

твердеющего в 1%-ном растворе МgSO4

 

 

Рассмотрим рис. 4 (а), где показана частица уртита, а на рис. 4 (б) – участок контактной зоны в корродированном слое, увеличенный в 10 раз. Анализируя микрофотографии можно увидеть, что между частицей уртита и цементным камнем наблюдается прочный контакт, представленный тонким слоем гидратных фаз, образующихся в результате взаимодействия поверхности заполнителя с гидроксидом кальция. Показано, что контактная зона не подвержена коррозионным процессам из-за слабой проницаемости для агрессивных агентов. При этом трещины, образованные деструктивными коррозионными процессами, образуются в цементном камне, что четко видно на рис.4 (а).

 

а)                                                            б)

 

Рис. 4. Контактная зона между уртитом и цементным камнем ( р-р МgSO4, 360 сут)

 

Таким образом, заполнитель из уртита, благодаря повышенной активности по отношению к гидроксиду кальция в сравнении с кварцевым песком, выполняет роль химически активного заполнителя, обеспечивая кольматацию крупнокапиллярных пор на поверхности раздела заполнителей с цементной матрицей бетона, что способствует повышению коррозионной стойкости цементных бетонов.

Выводы. Химически активные заполнители на основе уртита обладают повышенной активностью по отношению к гидроксиду кальция, содержащимся в жидкой фазе бетона, что вызывает кольматацию крупно капиллярных пор и тем самым повышает коррозионную стойкость цементных бетонов в растворах сульфатов натрия и магния.

Коррозионная стойкость мелкозернистого бетона на основе уртита выше в 1,3–2,6 раза, по сравнению с бетоном на кварцевом песке в условиях солевой сульфатной агрессии высокой интенсивности. Это обусловлено снижением проводимости контактных поверхностей между цементной матрицей и заполнителем благодаря химическому сродству породообразующего минерала нефелина к гидроксиду кальция.

Рентгенофлуоресцентный анализ корродированных образцов подтвердил особенности поведения бетонов на активных заполнителях в агрессивных средах. Исследования контактной зоны заполнитель–цементный камень с помощью РЭМ показали, что в бетоне на уртите меньше образуются продуктов коррозии, чем в бетоне на кварцевом песке.

*Работа выполнена в рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.

Список литературы

1. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. Под общей редакцией В.М. Москвина. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.

2. Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Киев: Оранта. 2004. 301 с.

3. Мюллауэр В., Бедду Р., Хайнц Д. Механизмы воздействия сульфатов на бетон: факторы химической и физической устойчивости // Цемент и его применение. 2013. № 9. С. 34-43.

4. Рахимбаев Ш.М., Смирнова, Е.Н., Ха-халева Е.Н. О влиянии минерального состава на кинетику твердения цементного камня // Вклад ученых и специалистов в националь-ную экономику: сб. науч. тр. Междунар. конф., Брянск: Изд-во БГИТА, 2005. Т. 1. С. 188-191.

5. Рахимбаев Ш.М., Хахалева Е.Н. Закономерности кинетики химической коррозии камня из портландцемента // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: матер. Междунар. науч.-техн. конф., Пенза: ПГАСА, 2001. Ч. 2. С. 66-68.

6. Хахалева Е.Н. Исследование коррозионной стойкости цементного камня в отходах сахарного производства // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: сб.науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002. Ч.2. С. 225-228.

7. Хахалева Е.Н. Влияние вида заполнителя на коррозионную стойкость бетона // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова: Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии, посвященного 150-летию В.Г. Шухова: матер. Междунар. конгресса., Белгород: Изд-во «Один Мир». 2003. №5. Ч. 1. С. 162-164.

8. Rakhimbayev Sh.M., Tolypina N.M., Khakhaleva E.N. Ways Of Strengthening Filler Coupling With Cement Concrete Matrix. International Journal of Applied Engineering Research (IJAER). 2015. №10 (24). Р.45069-45074.

9. Хахалева Е.Н., Топчиев А.И. Подбор опти-мального грансостава заполнителя из домен-ного шлака для мелкозернистого бетона // Современные проблемы строительного мате-риаловедения: матер. III Междунар. науч.-практ. конф. школы-семинара молодых уче-ных, аспирантов и докторантов, Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. Ч.1. С. 108-110.

10. Рахимбаев Ш.М., Хахалева Е.Н. Вли-яние вида заполнителя на коррозионную стойкость бетона в сточных водах, содержа-щих смеси органических кислот // Вестник Белгородского государственного технологи-ческого университета им. В.Г. Шухова. 2005. № 9. С. 192-194.

11. Рахимбаев И.Ш., Толыпина Н.М. Тер-модинамический расчет активности в щелоч-ной среде минералов, входящих в состав за-полнителей бетонов // Вестник Центрального Регионального отделения: мат-лы Академиче-ских науч. чтений «Науч. и инженер. пробл. строит.-технол. утилизации техногенных от-ходов». Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шу-хова, 2014. Вып.13. С.174-178.

12. Белогурова Т.П., Крашенинников О.Н. Утилизация вскрышных пород Хибинских апатитонефелиновых месторождений в стро-ительстве //Строительные материалы. 2004. №7. С. 32-35.

13. Хахалева Е.Н. Исследование коррози-онной стойкости цементного камня в сточных водах предприятий пищевой промышленно-сти // Повышение качества среды жизнедея-тельности города и сельских поселений архи-тектурно-строительными средствами: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф., Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2005. С. 252-256.

14. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. Ме-тоды оценки коррозионной стойкости це-ментных композитов // Вестник Белгородско-го государственного технологического уни-верситета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С.23-24.


Войти или Создать
* Забыли пароль?