Влияние микрокремнезема на прочность бетона

     В настоящее время микрокремнезем недостаточно широко используется в строительной сфере, поскольку в российских литературных источниках практически не описаны характеристики арматуры с подобными добавками. В иностранных источниках описаны добавки кремнезема, имеющего в своем составе не меньше 85% двуокиси кремния

      Однако в нашей стране к микрокремнеземам относят дисперсные металлургические отходы с более разнообразными свойствами, чем у зарубежных коллег 

     Качество микрокремнезема находится в зависимости не только от его физических и химических свойств, но и от вида используемой водоредуцирующей химической добавки. Самым продуктивным является одновременная добавка микрокремнезема с пластификатором С-3.


Микрокремнезем и пластификатор

   Использование подобных добавок усиливает связывание извести, которая выделяется при смешивании цемента с водой, в низкоосновные гидросиликаты кальция, что может вызвать понижение рН жидкой фазы бетона и ослабление пассивации коррозии металлических стержней. 

     Однако, перестроение поровой структуры застывшего цемента при использовании подобных добавок и снижение количества капиллярных пор влечет за собой уменьшение диффузии элементов окружающей среды в бетон, что благотворно влияет на снижения темпов разрушения арматуры.

     Взяв за основу данную гипотезу, в НИИЖБ провели ускоренные и длительные исследования тяжелого бетона с добавками микрокремнезема МК-85, МК-65, MK-45 (согласно ТУ 7-249533-01-90) с содержанием 92%, 67% и 45 % двуокиси кремния и оценили его пассивирующее действие. 

       Перед испытанием была произведена тепловлажная обработка образцов по схеме 3-3-6-2 часа при Tиз 80 град. Образцы различались по типу и доле МК, но имели одинаковое количество цемента и воды (табл.1). Использовали воскресенский портландцемент с добавлением 12% трепела и шлакопортландцемент с добавлением 40% шлака на основе цемента М400. Для замедления коррозии применяли NaNO2. Для регулирования подвижности смесей вводили суперпластификатор (табл.1).

Примечание

1. Образцы с 30 % микрокремнезема на портландцементе (состав 3) и с 20 % микрокремнезема на шлакопортландцементе (состав 2) изготавливались с добавлением и без добавления 2 % NaNO2 (далее по тексту 3Н и 2Н).

 

2. Во всех образцах содержалось 1175 кг/м3 щебня и 154 л/м3 воды.

 

 

3. Подвижность смесей на портландцементе – 80 мм, на шлакопортландцементе – 50 мм.


Ускоренные испытания

     Ускоренные электрохимические исследования проводились в согласно СТ СЭВ 4421-81 «Зaщитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний», и по иным методикам. Применялись образцы 70×70×140 мм с арматурой из сплава А1 диаметром 0,6 см, длиной 12 см. 

      Перед испытанием проводилась тепловлажная обработка, кроме того - 30 и 60 циклов увлажнения - высушивания. Выводы об электрохимии сплавов делали на основании анодных поляризационных графиков. О степени коррозии судили по площади коррозийных зон на металлических прутках, которые извлекли из образцов по завершении электрохимических исследований (табл. 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Перед дробью – данные испытаний арматуры в образцах на портландцементе, после дроби – на шлакопортландцементе.

Длительные испытания

Длительные испытания арматуры в бетоне с МК производили при нормальной и при высокой влажности.

     Образцы из армированного бетона размещали на стенде (естественная влажность московской климатической зоны) и в закрытых помещениях с относительной влажностью газовоздушной смеси 65%, 75%, 85% и 95%. После 1 и 2 лет выдержки измеряли размеры участков коррозии, глубину карбонизации бетона с МК и рН поровой жидкости бетона в области размещения стальных стержней. Данные испытания сплавов можно видеть в табл.3.

    ПРИМЕЧАНИЕ: Перед дробью – данные исследований арматуры в образцах на портландцементе, после дроби – на шлакопортландцементе.

     Степень коррозии арматуры в испытанных образцах позволяет заключить, что применение МК-45, МК-65 и МК-85 в дозах до 20% массы портландцемента (составы 2) и до 10% массы шлакопортландцемента (составы 1) не уменьшает пассивирующего влияния бетона на сталь. 

    Использование бетонов с большим содержанием МК (состав 3 на портландцементе и состав 2 на шлакопортландцементе) ведет к возникновению коррозии сразу по завершении тепловлажной обработки.

Влияние относительной влажности

    По итогам длительных исследований было выявлено, что при относительной влажности газовоздушной смеси до 75% и при нормальной влажности на протяжении 2 лет коррозийных зон не возникает. 

     При более высокой относительной влажности появляются коррозийные участки, при этом их размер увеличивается с ростом влажности, что объясняется сниженным рН жидкой составляющей бетона.

     Измерив рН поровой жидкости бетонов до испытания (см. табл.2) и после длительных исследований (см. табл.3) в образцах с содержанием до 20% МК от массы портландцемента и до 10% от массы шлакопортландцемента (составы 2 и 1), выяснили, что оно остается почти неизменным и колеблется в пределах 11,83-12,3. 

    Еще большее повышение содержания МК снизило щелочность жидкой составляющей ниже требуемого для пассивации коррозии минимума (11,8). Применение коррозионного замедлителя NaNO2 в дозировке 2% от массы цементной смеси дало возможность увеличить содержание МК до 30% массы портландцемента и 20% массы шлакопортландцемента (составы ЗН и 2Н) без снижения относительной эффективности пассивации стали.

     При долгом контакте с атмосферой в естественной среде бетон карбонизируется под действием СО2, в результате чего содержащаяся в бетоне щелочь связывается в карбонаты, рН жидкой составляющей бетона снижается, и, соответственно, замедляется возникновение коррозии на стальных прутках, что ведет к более долгому сроку службы сооружения.

Диффузия углекислого газа в бетон

     Одним из показателей защиты стальных стержней от коррозии считается степень диффузии углекислого газа в карбонатной прослойке [5]. Измерения проницаемости бетонов с МК и С-3 для СО2 выявили, что добавка 10 % микрокремнезема ведет к понижению проникновения углекислого газа на 40-60 %, что увеличивает протяженность защиты арматурных прутков с помощью добавления МК в бетон. 

      Дальнейший рост содержания МК до 20%почти не изменяет диффузию углекислого газа в бетоне. При достижении планки в 30 % массы бетона диффузия углекислого газа растет, что по нашему мнению объясняется небольшим количеством клинкера в цементе и высокой долей низкоосновных гидросиликатов кальция [4], карбонизующихся относительно быстро. Но и в этой ситуации срок нивелирования защиты данных составов составит, как минимум, 70 лет.

    Добавки микрокремнезема в количестве более 20 % от массы цемента требовали более тщательного исследования устойчивости бетона при значительных изменениях температурного режима при эксплуатации. 

   Были проанализированы различные конструктивные железобетонные элементы зданий и сооружений производственного и жилого назначения, а также цельные железобетонные конструкции, эксплуатировавшиеся в разных климатических зонах в течении длительного времени. 

    Исследуемые конструкции были выпущены павлодарским, актюбинским и новокузнецким предприятиями по производству железобетона в 1988-1992 годах с использованием добавок микрокремнезема и пластификатора С-3. Исследование подтвердило, что сооружения пребывают в удовлетворительном состоянии, коррозийный явлений обнаружено не было.

    Для увеличения срока службы металлокаркаса в сооружениях из железобетона допускается использование добавок микрокремнезема МК-85, МК-65 и МК-45. Содержание МК в портландцементе не должно превышать 20 %, а в шлакопортландцементе - 10 % от массы. 

     Использование NaNO2 в качестве антикоррозийного замедлителя в дозировке 2% от суммарной массы цемента и микрокремнезема дает возможность увеличить содержание МК до 30 % от массы портландцемента и 20 % от массы шлакопортландцемента без снижения эффективности. 

    Применение до 20% МК дает возможность выпускать бетоны особой плотности, что позволяет продлить срок службы металлокаркаса при использовании готовых сооружений в условиях относительной влажности атмосферы не более 75%.