Щелочная коррозия бетона
Впервые о щелочной коррозии бетона сообщил Т. Стентон. С того времени было установлено много случаев разрушения бетона по этой причине. Щелочи взаимодействуют с активным кремнеземом очень медленно, однако в некоторых случаях первые его признаки появились через 1 год после укладки бетона.
Наряду со щелочами в коррозионных процессах участвует и гидрат окиси кальция. Взаимодействие щелочи с активным заполнителем в присутствии гидрата окиси кальция во времени проходит несколько стадий, заканчивающихся реакцией с гидратом окиси кальция. Участие Ca(OH)2 в коррозионных процессах заключается: в выводе кремнекислоты из раствора, восстановлении концентрации щелочи и создании благоприятных условий для дальнейшего перевода части кремнезема заполнителя породы в растворимое состояние, а также в образовании с кремнекислотой из раствора гелеобразного гидросиликата, принимающего наряду с гидросиликатами, образующимися в процессе гидратации цемента, участие в создании оболочки вокруг зерен заполнителя.
Эффект расширения бетона в результате взаимодействия щелочей с активным кремнеземом зависит от молкулярно-го соотношения едкой щелочи (R2O) к реакционно- способному кремнезему (SiО2) заполнителя. Это отношение определяет количество щелочей на каждую реагирующую частицу, а также относительную местную концентрацию щелочей и извести, поскольку последняя уменьшает тенденцию превращения продукта реакции в разбухающий гель. При слишком малом содержании щелочи образуется незначительное количество геля, в то время как при повышенном количестве щелочи получается более жидкий продукт реакции, показывающий меньшее давление. Присутствие воды также очень важно для реакции расширения, которая невозможна в сухом бетоне.
Действие поташа на бетон с реакционноспособными заполнителями равноценно действию щелочей. Этим и обусловлено запрещение изготовления бетонов с добавками поташа с применением заполнителей, содержащих кремнезем в активной форме. Это ограничение распространяется и на другие добавки, содержащие щелочной катион (Li+, Na+, К+).
По иному стоит вопрос о возможности коррозии бетона на обычных заполнителях. Хотя и установлено, что на поверхности кварца при взаимодействии его со щелочами образуется гелеобразный (активный) кремнезем, однако при введении в состав цемента тонкомолотых пуццолановых добавок (которые можно условно приравнять к гелеобразному кремнезему, образующемуся при взаимодействии кварца со щелочью) предотвращается коррозия бетона на активных заполнителях.
Положительное влияние пуццолановых добавок обусловлено их способностью поглощать натрий и калий из растворов, в результате чего продукты реакции распределяются по всему бетону, а не концентрируются в виде скоплений вокруг зерен заполнителя, способных вызвать давление при расширении, или связыванием гидрата окиси кальция, поскольку он способствует превращению продуктов реакции в набухающий гель.
Н.С. Сальников и Ф.М. Иванов установили, что с добавкой поташа даже при применении заполнителей, классифицируемых по номограмме Чейкина и Холстида как неактивные, объем растворных образцов увеличивается.
Чтобы проследить развитие коррозии бетона вследствие взаимодействия щелочей с неактивными кремнеземистыми заполнителями, О.Е. Королева исследовала дэформативность прессованных образцов. Прессованием как бы ускоряли процесс, так как давление образующихся продуктов коррозии должно сразу сказаться на размерах эти образцов, в то время как при использовании обычных (вибрированных) образцов их расширение может произойти только после заполнения пор продуктами гидратации.
Под давлением 200 кгс/см прессовали образцы размером 10x10x30 мм из раствора состава 1:2 с В/Ц =0,35. В качестве вяжущих использовали синтезированные трехкальциевый силикат и алюминат, а также цементы, приготовленные помолом (до 3000 см/г) клинкеров Николаевского и Спасского заводов с добавкой гипса. Заполнителем служил кварцевый песок Вольского карьера
фракции 0,2-0,5 мм. При изготовлении образцов в воду затворения вводили поташ и нитрит натрия (соответственно 5, 10, 15 и 5, 7, 10% веса вяжущего).
В результате введения поташа в растворы на трехкальциевом алюминате и силикате изменяются линейные размеры образцов, особенно на трехкальциевом алюминате: к 30-суточному возрасту увеличение размеров достигает 30 мм/м (рис. 62). Видимо расширение С3А при введении поташа, а также нитрита натрия, обусловлено действием едких щелочей или самих солей на гель алюминия, так как оно наблюдалось в образцах из С3А без добавки песка.
Что же касается расширения образцов из С3S при введении 15% добавки, то оно может быть результатом взаимодействия щелочи с кремнеземом самого минерала (скорее всего) или заполнителя.
Следует отметить, что деформаций расширения образцов с добавками поташа, хранившихся в воздушно-сухих условиях, а также образцов с добавкой нитрита натрия (кроме C3A + NaNO2 водного хранения) не наблюдалось.
Клинкерные цементы с добавками поташа характеризуются усадочными деформациями, а относительные деформации образцов с добавками нитрита натрия мало отличаются от соответствующих эталонов. При храпении образцов в воздушно-сухих условиях наблюдаются лишь деформации усадки (рис. 63, 64).
Щелочную коррозию бетона на неактивных заполнителях определяли также в образцах размером 7,07x7,07x21,5 см, приготовленных из смеси состава 1:1,5:3:0,45 на известковом щебне, кварцевом песке, пикалевском и спасском портландцементах с добавками поташа. Образцы в течение 90 суток выдерживали при -5 (5% K2CO3) и -15 (10% K2CO3)°С, после чего помещали в воздушно-сухие условия, в воду, в пропарочную камеру с температурой 40°С, а также выдерживали над водой и при переменных условиях (7 суток пропаривания при 40°С, 7 суток выдерживания над водой), В результате установлено, что для всех образцов затвердевшего бетона характерна усадка независимо от введенного количества поташа, минералогического состава цемента, температурно-влажностных условий твердения и последующего выдерживания, но ее величина определяется перечисленными факторами.
Наименьшей усадкой обладают образцы, хранившиеся в воде и над водой. Усадка образцов с 5% поташа несколько меньше, чем для образцов с 10% K2CO3 и без него. На протяжении 1-2 месяцев размеры образцов, хранившихся в воде и над водой, незначительно увеличились, после чего проявилась тенденция к усадочным деформациям. Величина относительных деформаций для этих образцов в возрасте 225-275 суток почти одинакова и составляет 0,09-0,10 мм/м.
Наибольшей усадкой характеризуются образцы, хранившиеся в естественных и переменных условиях, Размеры образцов, подвергавшихся непрерывному пропариванию при 40°С, незначительно (менее 0,05 мм/м) увеличились в течение первых 2-3 месяцев. Наибольшее увеличение размеров наблюдается у образцов на спасском портландцементе без добавок и с 5% поташа (рис. 65).
Следует отметить, что бетонные образцы, изготовленные на основе спасского (высокоалюминатного) цемента во всех условиях твердения имели меньшие значения усадочных деформаций или большие величины деформаций расширения по сравнению с образцами на пикалевском (среднеалюминатном) цементе.
Рассматривая вопрос щелочной коррозии бетона, необходимо остановиться на следующем. Так как в результате взаимодействия поташа с Ca(OH) образуются нерастворимые в воде карбонаты кальция, то равновесие реакций (8) и (9) сильно смещено вправо, в сторону образования CaCO3. При этом для взаимодействия 1% поташа с гидроокисью кальция необходимо 0,406% CaO. Всего же при гидратации трехкальциевого силиката при обычной степени гидратации цементов (около 40%) может выделиться около 6,15% CaO.
Следовательно, чтобы поташ, в основном, взаимодействовал с гидролитической окисью кальция, заметно не разрушая гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, его можно вводить в состав бетона (раствора) не более 15% веса цемента. В этом случае для полного прохождения реакции Ca(OH)2 + K3CO4 потребуется 6,09% гидролитической CaO. Это количество поташа следует рассматривать как максимально допустимое.