Гидротехнические коррозионностойкие бетоны на реакционноспособных заполнителях Сафаров Комрон Бахрилоевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1 Современные представления о механизме реакционной способности заполнителей бетона 12

1.2 Особенности сульфатной коррозии бетона в гидротехнических сооружениях 17

1.3 Одновременное воздействие реакционноспособных заполнителей и сульфатной коррозии на бетонные конструкции гидротехнических сооружений на примере Рогунской ГЭС 30

1.4 Применение активных минеральных добавок в бетонных смесях и их влияние на долговечность бетона 32

1.5 Улучшение реологических свойств бетонной смеси и физико-технических характеристик бетона путём применения поликарбоксилатных гиперпластификаторов 36

Глава 2. Характеристика используемых материалов и методы исследования

2.1 Характеристики используемых материалов 39

2.2 Методы исследования 42

2.2.1 Определение реакционной способности заполнителей 42

2.2.2 Исследование влияния разработанной комплексной добавки на реакционную способность заполнителей 43

2.2.3 Оценка влияния разработанной комплексной добавки на реологические свойства бетонной смеси 45

2.2.4 Определение физико-технических характеристик бетона (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, истираемость) 46

2.2.5 Исследования сульфатостойкости бетона 46

2.2.6 Спектрометрический и рентгенофазовый анализ бетона 47

2.2.7 Электронная микроскопия бетонных шлифов 48

Глава 3. Обследование коррозионного состояния бетона железобетонных конструкций в гидротехнических сооружениях

3.1 Оценка состояния бетона в гидротехнических сооружениях 49

3.2 Инструментальное обследование бетона 53

3.2.1 Химический анализ подземных грунтовых вод 53

3.2.2 Спектрометрический и рентгенофазовый анализ отобранных кернов из бетонов гидротехнических сооружений 54

3.2.3 Исследования микроструктуры шлифов, изготовленных из отобранных кернов 56

Выводы по главе 3 58

Глава 4. Исследование и разработка состава комплексной добавки для бетонов на реакционно-способных заполнителях

4.1 Оценка свойств заполнителей и определение реакционной способности со щелочами цемента 59

4.2 Исследование минеральных добавок для снижения опасности внутренней коррозии бетона 62

4.2.1 Исследование влияния механоактивации низкокальциевой золы уноса на повышение конечной прочности бетона 62

4.2.2 Исследование влияния смеси минеральных добавок на повышение прочности и коррозионной стойкости бетона 70

4.2.3 Исследование влияния смеси низкокальциевой золы-уноса и высокоактивного метакаолина на степень гидротации цемента 76

4.3 Исследование поликарбоксилатных гиперпластификаторов для улучшения реологических свойств бетонной смеси и повышения коррозионной стойкости бетона 78

4.3.1 Выбор поликарбоксилатных гиперпластификаторов по их совместимости с типом цемента 78

4.3.2 Подбор состава самоуплотняющегося бетона на поликарбоксилатных гиперпластификаторах и смеси минеральных добавок 82

4.4 Разработка комплексной добавки для получения гидротехнического коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях 86

Выводы по главе 4 87

Глава 5. Исследование коррозионной стойкости бетона на реакционно-способных заполнителях с применением комплексной добавки

5.1 Исследование физико-технических характеристик бетона 89

5.1.1 Реологические свойства смеси и прочность на сжатие 89

5.1.2 Водонепроницаемость бетона 91

5.1.3 Морозостойкость бетона 92

5.1.4 Истираемость бетона 94

5.2 Исследование влияния комплексной добавки на реакционную способность заполнителей бетона 96

5.3 Исследование сульфатостойкости бетона с комплексной добавкой 100

5.4 Исследование влияния разработанной комплексной добавки на фазовый состав бетона 108

Выводы по главе 5 110

Заключение 113

Список литературы 116

Приложение А Акт внедрения результатов исследований на производстве строительства ОАО «Рогунская ГЭС» 126

Приложение Б Титульный лист технических условий на разработанную комплексную добавку 128

Приложение В Рекомендации по защите гидротехнических бетонов на реакционноспособных заполнителях, эксплуатирующиеся в агрессивных сульфатсодержащих средах 129

• Особенности сульфатной коррозии бетона в гидротехнических сооружениях
• Исследование влияния механоактивации низкокальциевой золы уноса на повышение конечной прочности бетона
• Подбор состава самоуплотняющегося бетона на поликарбоксилатных гиперпластификаторах и смеси минеральных добавок
• Исследование сульфатостойкости бетона с комплексной добавкой

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

При строительстве гидротехнических сооружений в различных регионах часто приходиться сталкиваться с заполнителями, содержащими реакционноспособный растворимый кремнезм, который, вступая в реакцию со щелочами цемента, вызывает внутреннюю щелочную коррозию бетона и может привезти к преждевременному разрушению бетонных конструкций. Также конструкции гидротехнических сооружений имеют непосредственный контакт с водой, и очень часто воздействующие воды, являются агрессивными по отношению к бетону. Наиболее распространнными являются агрессивные сульфатсодержащие воды, которые, проникая в капиллярно-пористую структуру бетона, вызывают сульфатную коррозию, что приводит к снижению долговечности конструкций. Условия эксплуатации железобетонных конструкций осложняются также климатическими воздействиями: это знакопеременные температурные нагрузки в зонах надводного и переменного уровня воды; гидроабразивное истирание, что вносит дополнительные сложности при выборе материалов и разработки бетона.

Фундаментальные исследования в области коррозии бетона проводились

отечественными и зарубежными учными, однако одновременное воздействие

реакционноспособных заполнителей и агрессивной сульфатсодержащей среды практически не изучалась. Нормативно-техническая документация по методам защиты бетона от коррозии в отмеченных выше условиях отсутствует. Отмеченное определило актуальность настоящей работы, которая направлена на изыскание оптимального решения повышения коррозионной стойкости бетона. Обеспечения новых эффективных путей снижения реакционной способности заполнителей и повышения стойкости бетона против сульфатной коррозии является одной из важнейших научно-технических задач, решение которой позволит не только использовать заполнители, обладающие реакционной способностью, но и обеспечить долговечность бетонных конструкций в условиях воздействия сульфатных агрессивных сред.

Степень разработанности темы.

Диссертационная работа является закономерным продолжением научного направления, связанного с теоретическими и экспериментальными исследованиями коррозии бетона, приготовленного с использованием реакционноспособных заполнителей при одновременном воздействии агрессивных сульфатсодержащих сред. Отмеченное и определило цель настоящей работы, которая направлена на изыскание оптимального решения повышения коррозионной стойкости бетона, а, следовательно, и долговечности гидротехнических сооружений.

Цели и задачи исследования.

Целью работы является получение гидротехнического коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях для изготовления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, эксплуатирующийся в агрессивных сульфатсодержащих средах.

Поставленная цель определяет задачи исследования:

1. Изучение отечественного и зарубежного опыта, а также современного уровня развития науки в области коррозии бетона.

2. Проведение натурных обследований коррозионного состояния бетонов в эксплуатирующихся гидротехнических сооружениях.

3. Выбор активных минеральных и химических добавок для получения коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях.

4. Разработка состава и способа приготовления сухой комплексной добавки на основе низкокальциевой золы-уноса, высокоактивного метакаолина и поликарбоксилатного гиперпластификатора.

5. Определение реологических свойств бетонной смеси с разработанной комплексной добавкой (удобоукладываемость, сохраняемость, однородность, эффект самоуплотнения и самовыравнивания) для густоармированных конструкций гидротехнических сооружений.

6. Исследование реакционной способности заполнителей бетона с разработанной комплексной добавкой.

7. Определение основных физико-технических и эксплуатационных характеристик бетона с разработанной комплексной добавкой.

8. Исследование коррозионной стойкости бетона с комплексной добавкой в агрессивной среде с высокой концентрацией сульфат-ионов.

9. Разработка рекомендаций по защите бетона при одновременном воздействии реакционноспособных заполнителей и агрессивной сульфатсодержащей среды и осуществление опытно-промышленного внедрения бетона с разработанной комплексной добавкой.

Научная новизна работы.

Научно обоснована и экспериментально доказана принципиальная возможность получения гидротехнического коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях с содержанием растворимого кремнезма более 50 ммоль/л, при использовании портландцемента с повышенным содержанием щелочей свыше 0,6% и трехкальциевого алюмината более 5%.

Получены зависимости изменения структуры и фазового состава цементного камня от содержания различных компонентов разработанной комплексной добавки, включающей низкокальциевую (кислую) золу-уноса, высокоактивный метакаолин, гиперпластификатор на

основе эфиров поликарбоксилатов с высокой скоростью адсорбции и позволяющей снизить потенциальную реакционную способность заполнителей и обеспечить коррозионную стойкость бетона в агрессивных сульфатсодержащих средах.

Доказано, что разработанная комплексная добавка является стабилизатором структуры и ингибитором щелочной коррозии заполнителя, способствующий замедлению коррозионных процессов и повышению сульфатостойкости бетона за счт уменьшения содержания портландита и исключения образования эттрингита и таумасита, являющиеся участниками деструктивных процессов расширения.

Установлено, что ингибирующий эффект золы-уноса обусловлен низкой основностью образуемого ею пуццоланового продукта и его способностью адсорбировать значительное количество щелочных соединений непосредственно во время образования. Метакаолин среди исследованных высокоактивных добавок обладает наибольшей эффективностью, что обусловлено участием ионов алюминия в дополнительной пассивации частиц реакционноспособного заполнителя.

Показано, что сульфатостойкость цементного камня с минеральными добавками зависит от соотношения сульфоалюмината создаваемого в камне в присутствии этих добавок. В цементном камне с добавкой метакаолина образование вторичного эттрингита, обуславливающего разрушение бетона в поздние сроки твердения, сдерживается пониженными значениями сульфаалюминатов по сравнению с бездобавочным камнем.

Установлено, что применение разработанной комплексной добавки способствует улучшению реологических свойств бетонной смеси с эффектом самоуплотнения-самовыравнивания и повышению основных физико-технических и эксплуатационных характеристик бетона (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, истираемость).

Теоретическая значимость.

Представленные в диссертационной работе исследования позволили:

– Предложить научно-обоснованный подход к разработке коррозионностойких бетонов для гидротехнических сооружений, возводимых в условиях сложного комплекса суровых климатических условий, агрессивной среды и необходимости применения заполнителей не удовлетворяющих требованиям стандартов.

– Теоретически и практически обосновать получение состава комплексной добавки на основе смеси минеральных и химических добавок;

– Сформулировать основные принципы обеспечения коррозионной стойкости бетона, изготовленного на реакционноспособных заполнителях в конструкциях гидротехнических сооружений при одновременном воздействии на них агрессивных сульфатсодержащих сред;

– Изучить влияния комплексной добавки на реологические свойства бетонной смеси и физико-технические характеристики бетона;

Практическая значимость.

Проведены натурные обследования коррозионного состояния бетона в железобетонных конструкциях гидротехнических сооружений и установлены основные причины преждевременного разрушения бетона.

Осуществлено внедрение результатов исследования диссертационной работы на производственной линии строительства ОАО «Рогунская ГЭС», расположенной по адресу: Республика Таджикистан, г. Рогун, ул. Сохтмончин 40 и дано технико-экономическое обоснование применения комплексной добавки в бетоне густоармированных железобетонных конструкций стен и свода гидротехнического строительного туннеля СТ-3, расположенного на правом берегу Рогунского гидроузла. Объм опытно-промышленной партии бетона составляет 50 м³. Экономический эффект применения комплексной добавки составил 418 рублей на 1 м³ бетонной смеси (итого за 50 м³: 20900 рублей).

Разработана комплексна добавка, сочетающий в свом составе активные минеральные и химические добавки.

Методы исследования.

Основой методологии исследования при выполнении диссертационной работы послужили основы строительного материаловедения, опирающиеся на оптимизацию, испытание, обработку экспериментальных данных, математическое моделирование и использование системного подхода. Исследования проведены по действующим нормативным документам с применением современных методов анализа, таких как: спектрометрия, рентгенофазовый анализ, электронная микроскопия.

Положения, выносимые на защиту:

10. Результаты обследований коррозионного состояния бетона в железобетонных конструкциях гидротехнических сооружений.

11. Принципы получения комплексной добавки, позволяющие, как регулировать реакционную способность заполнителей бетона, так и способствовать повышению сульфатостойкости бетона;

12. Состав комплексной добавки, состоящий из смеси активных минеральных и химических добавок - низкокальциевой золы-уноса, высокоактивного метакаолина и гиперпластификатора на основе эфиров поликарбоксилатов, позволяющих улучшить реологические свойства бетонной смеси и повысить физико-технические характеристики бетона.

4. Бетонные смеси с реологическими свойствами, обеспечивающими эффект самоуплотнения и самовыравнивания в густоармированных железобетонных конструкциях.

5. Результаты экспериментальных исследований коррозионной стойкости бетона, изготовленного на реакционноспособных заполнителях, при воздействии на него агрессивной сульфатсодержащей среды.

Личный вклад автора внесен при изучении теоретических основ с целью разработки комплексной добавки на основе смеси активных минеральных и химических добавок -низкокальциевой золы-уноса, высокоактивного метакаолина и гиперпластификатора на основе эфиров поликарбоксилатов; участии в получении коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях; проведении исследований реологии бетонной смеси и основных физико-технических характеристик бетона с применением разработанной комплексной добавки; исследовании коррозионной стойкости бетона; подготовке научных трудов по результатам исследований на тему диссертационной работы; проведении опытно-промышленного внедрения и технико-экономического обоснования применения комплексной добавки в бетоне железобетонных конструкций стен и свода гидротехнического строительного туннеля СТ-3, расположенного на правом берегу Рогунского гидроузла;.

Степень достоверности результатов обусловлена проведением испытаний с
использованием стандартизированных методов и современных физико-химических

исследований, которые позволяют получать экспериментальные данные с требуемой воспроизводимостью, автоматизацией, точностью, вероятностно-статистической обработкой результатов испытаний и использованием новейших приборов и устройств. Достоверность подтверждена сходимостью теоретических принципов и экспериментальных результатов, а также их корреляцией с известными закономерностями.

Апробация работы.

Результаты исследований на тему диссертационной работы были доложены на международных конференциях:

- Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов с
международным участием «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - ПОИСК - 2015», 21 – 23 апреля 2015 года,
г. Иваново, Российская Федерация;

- Международная конференция по продвижению строительных материалов и систем
«ICACMS-2017» в рамках 71-ой научной недели РИЛЕМ, 3 – 8 сентября 2017 года, г. Ченнай,
Индия;

Научные труды.

По результатам научных исследований на тему диссертационной работы подготовлено 6 публикаций, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение, список литературы, 3 приложений. Работа написана на 133 страницах машинописного текса, имеющего 48 рисунка, 28 таблиц, 103 наименований литературы в библиографическом списке.

Автор благодарит научного руководителя, доктора технических наук, профессора Степанову В. Ф., доктора материаловедения, профессора Фаликмана В. Р. и коллектив кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов» НИУ МГСУ за консультацию и помощь в научно-исследовательском процессе.

Особенности сульфатной коррозии бетона в гидротехнических сооружениях

Конструкции гидротехнических сооружений - бетонные опоры мостов, обделки подземных тоннелей, плотин гидроэлектростанций, входные и выходные порталы водоприёмных и водосбросных туннелей, подпорные стены -подвергаются систематическому увлажнению, воздействию знакопеременных температур и гидроабразивному истиранию. Часто, воды, воздействующие на бетонные конструкции гидротехнических сооружений, являются агрессивными по отношению к бетону. Наиболее распространённой является агрессивная сульфатосодержащая среда, которая может стать причиной возникновения внешней сульфатной коррозии бетона. Следовательно, важно отметить, что угроза и риск преждевременного разрушения бетона от воздействия коррозионных процессов возрастает при одновременном протекании внутренней щелочной коррозии заполнителей и внешней сульфатной коррозии бетона в конструкциях гидротехнических сооружений.

Коррозионную стойкость бетонов на портландцементе начали изучать одновременно с изучением процессов твердения этого вяжущего. По мере улучшения качества цемента, углубления знаний о процессах, происходящих в системе цемент - вода, появилась необходимость изучить коррозионные процессы и устойчивость соединений цементного камня к различным воздействиям. В бывшем СССР такие исследования проводились НИИЖБ, МАДИ, НИИПромстрой, Харьковский ВНИИВодгео, Донецкий и Ростовский (на Дону) Промстройниипроекты и другие научно-исследовательские организации и вузы [20]. Наиболее ответственными элементами, для которых впервые применялся бетон на портландцементе, были гидротехнические сооружения. Большую роль в развитии отечественного гидротехнического строительства из железобетона сыграли обследования состояния сооружений, проведенные в 1902-1904 г. А. Р. Шуляченко, В. И. Чарноморским и А. А. Байковым. Идеи А. А. Байкова явились основополагающими для современных представлений о твердении и коррозионной стойкости цементов, и нашли подтверждение в более поздних исследованиях. В исследованиях коррозии бетона в 30-х годов принимали участие П. П. Будников, Ю. М. Бутт, Ф. М. Иванов, В. В. Кинд, К. Г. Красильников, С. В. Шестоперов. Большое значение в определении направления и координации работ имела «Первая всесоюзная конференция по коррозии бетона и мерам борьбы с ней», проведенная в 1937 году академией наук СССР. Значительные исследования в области изучения механизма коррозионных процессов выполнены В. М. Москвиным; в его монографии «Коррозия бетона», изданной в 1952 г., впервые было предложено рассматривать процессы коррозии в зависимости от действующих на бетон факторов и дана классификация этих процессов по трём видам. Эти положения были развиты А. Ф. Полаком, В. Б. Ратиновым, Ф. М. Ивановым и другими исследователями. В настоящее время разработка количественной теории коррозионных процессов при действии на бетон различных агрессивных сред и прогноз долговечности являются предметом обширных исследований. Большая роль в этих исследованиях принадлежит работам: Г. С. Рояка, Н. К. Розенталя, Ю. М. Баженова, В. Ф. Степановой, В. Р. Фаликмана, А. В. Волженского, П. Г. Комохова, О. П. Мчедлова-Петросяна, В. И. Соломатова, А. Е. Шейнина и т. д.

За рубежом значительные работы по оценке коррозионной стойкости бетона в США выполнены Американским институтом бетона, во Франции Лабораторией мостов и дорог, в Германии -Немецким комитетом по железобетону и т.д. Проблемы коррозии и защиты бетона рассматриваются рядом международных организаций: RILEM - Reunion intemationale des Laboratories d Essai et Recherche sur les Materiaux es les Construction (Международный союз лабораторий по испытанию материалов и конструкций); ISO -International organization for Standardization (Международная Организация по стандартизации); СЕВ - Committee Euro International du Beton (Европейский комитет по бетону); FIP – Federation Internationale de la Precontrainte (Международная организация по предварительно напряженному железобетону); CEN - Comite European de Normalisation (Европейский комитет по нормализации). Широкую известность получили исследования, проведенные Дж. Бенстедом (J. Bensted), X. Тейлором (Н. Taylor), Й. Штарком (J. Stark), П. Мехтой (P. Mehta), Р. Оберхольстером (R. Oberholster), Дж. Ван-Аардом (J. Van Aardt), X. Ючикавой, (Н. Uchikawa) и С. Ючидой (S. Uchida) [21-29].

Свойства агрессивных сред и условия их воздействия на железобетонные конструкции очень разнообразны, как и свойства бетона. Следовательно, невозможно перечислить каждый коррозионный процесс, который может протекать при воздействии внешней среды на железобетонные конструкции. Для оценки характера коррозионного процесса и степени агрессивного действия различных веществ, содержащихся во внешней среде на бетоны, необходима классификация таких воздействий по общим признакам. Анализ большого экспериментального материала и результатов исследований сооружений, подвергавшихся действию различных агрессивных сред, позволил В.М. Москвину [1] выделить три основных вида коррозии бетона: - Первый вид коррозии включает процессы, возникающие в бетоне при действии жидких сред, способных растворять компоненты цементного камня. Составные части цементного камня растворяются и выносятся из структуры бетона. Особенно интенсивно эти процессы происходят при фильтрации воды через толщу бетона.

- Второй вид коррозии включает процессы, при которых происходят химические взаимодействия - обменные реакции - между компонентами цементного камня и агрессивной среды, образующиеся продукты реакции или легко растворимы и выносятся из структуры в результате диффузии влаги, или отлагаются в виде аморфной массы.

- Третий вид коррозии включает процессы, при развитии которых происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объёма твёрдой фазы в порах бетона. Кристаллизация этих продуктов создаёт внутренние напряжения, которые приводят к повреждению структуры бетона. Соли либо образуются вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды с составными частями цементного камня, либо приносятся извне и выделяются из раствора за счёт постепенного испарения из него воды. К третьему виду коррозии бетона относится - сульфатная коррозия.

Сульфаты встречаются в большинстве природных вод. В пресных озёрах и реках по данным [1, 2, 21] содержание сульфат ионов 50 в среднем составляет до 60 мг/л. В минерализованных грунтовых водах оно значительно выше. В морской воде при солёности 33 - 35 г/л количество ионов 50 составляет 2500 -2700 мг/л [30]. Действие сульфатов может являться причиной развития процессов коррозии третьего вида. Выделение твёрдой фазы и рост кристаллообразований могут вызвать на определённой ступени развития значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров и разрушение структурных элементов цементных растворов и бетонов [31, 32].

При действии на бетон минерализованных вод с преобладающим содержанием в них ионов сульфатов, в цементном камне накапливаются малорастворимые кристаллизующиеся соли. При содержании в водном растворе солей сульфатов натрия, либо кальция, сульфат взаимодействует с гидроксидом кальция цементного камня с образованием сернокислого кальция (CaSO42H20), который повышает концентрацию в жидкой фазе ионов 50" и Ca2+. Трёхкальцевый гидроалюминат взаимодействует с ними и образует моносульфатную форму гидросульфоалюмината кальция ЗСаО А12Оз CaS04 12Н2O. В результате этой реакции первоначальный объем трёхпальцевого гидроалюмината возрастает примерно в 3 раза. Увеличение объёма при образовании трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция 3CaOAl2033CaSO431H2O (эттрингит) достигает приблизительно 5 раз по сравнению с первоначальным объёмом гидроалюмината кальция; если эттрингит образуется при действии агрессивной сульфатной среды, то это приводит к ухудшению качества бетона [24].

Природный минерал эттрингит был обнаружен Леманном в 1874 году во включениях известняка базальтовой лавы, расположенной недалеко от г. Майен (Айфель, Германия) [23]. Примерно в 1890 году М. Кандлот и В. Михаэлис при исследованиях причин увеличения объёма гипса получили искусственный эттрингит и установили его роль при сульфатном расширении. Первое упоминание об эттрингите в химии цемента как о «бацилле цемента» появляется в 1892 г. в журнале «Тониндустрицайтунг».

Исследование влияния механоактивации низкокальциевой золы уноса на повышение конечной прочности бетона

Известно, что введение в состав бетона активных минеральных добавок, таких как микрокремнезём, зола-уноса, доменный шлак приводят к снижению расширения бетона, вызванного проявлением реакционной способности заполнителей со щелочами цемента и сульфатной коррозии [5, 16, 85], однако нет однозначного решения по влиянию на замедление или приостановление данного процесса.

Руководствуясь стандартными методами, регламентируемые соответствующими нормативными документами в целях предотвращения и регулирования реакционной способности инертных материалов Рогунских месторождений в качестве активных минеральных добавок были рассмотрены низкокальциевая зола-уноса и ультрадисперсный микрокремнизём и высокоактивный метакаолин.

Нами было исследовано влияние низкокальциевой золы-уноса на процессы одновременного протекания щелочной коррозии заполнителей и сульфатной коррозии [86]. Исследованная низкокальциевая зола-уноса не обладала выраженной гидравлической активностью, и её применение в количествах от 20% до 30% от массы цемента снижает реакционную способность заполнителей и сульфатную коррозию, но способствует снижению конечной прочности бетона.

В литературе достаточно подробно описаны разнообразные приёмы активации минеральных добавок при различных воздействиях [17, 18]. Известно [87], что механоактивация минеральных добавок, с одной стороны, повышает гидравлическую активность минеральной добавки, а с другой, усиливает в цементной системе так называемый «эффект микронаполнителя», а также зародышеобразование гидросиликатных фаз, что и обеспечивает повышение прочности. В связи с этим было принято решение изучить возможности механоактивации низкокальциевой золы-уноса для повышения ее активности и обеспечения необходимой прочности бетона.

Нами была выполнена механическая активация золы-уноса на лабораторной дисковой мельнице RetschRS200 (рисунок 4.1), которая выполняет помол твёрдых частиц методом истирания и доводит размеры измельчённых частиц от 100 до 0.1 мкм. Определение гранулометрического состава золы-уноса до и после измельчения выполняли с помощью лазерного гранулометра «Analyzette-22NanoTech» (рисунок 4.2).

После выполненной механоактивации удельная поверхность испытуемой золы-уноса повысилась от 3500 см2/г до 9500 см2/г. Результаты анализа гранулометрического состава исходной и измельчённой золы-уноса также подтвердили факт увеличения тонкости помола и повышения дисперсности частиц золы-уноса (таблица 4.4; рисунок 4.3).

С целью определения влияния механоактивированной золы-уноса на прочность бетона нами были изготовлены образцы мелкозернистого бетона с одинаковым водо-вяжущим отношением (В/В) и степенью замещения цемента 20 и 30%. Из каждого замеса было изготовлено 9 образцов-призм, по 3 образца на каждый срок испытания - 3, 7 и 28 сут. Исследования проводились с использованием сульфатостойкого портландцемента ССПЦ М400 Д0 / СС СЕМI 32,5H (C3A 3,5%).

По результатам испытаний прочность образцов цементно-песчаных растворов с 20% измельчённой золы-уноса превышает прочности образцов без золы-уноса и образцов с 20% исходной золы-уноса на 18% и 21%, соответственно. Прочность образцов с 30% измельчённой золы-уноса, в свою очередь, превышает прочности образцов без золы-уноса и образцов с 30% исходной золы-уноса на 11% и 13%, соответственно (таблица 4.5, рисунок 4.4).

Как показано [88], механоактивация золы, с одной стороны, повышает гидравлическую активность минеральной добавки, а с другой, усиливает в цементной системе так называемый «эффект микронаполнителя», а также зародышеобразование гидросиликатных фаз, что и обеспечивает указанное повышение прочности.

Полученные результаты повышения прочности бетона на механоактивированной низкокальциевой золе-уноса позволил нам производить исследование механоактивированной золы-уноса на снижение реакционной способности заполнителей бетона и повышения коррозионной стойкости бетона в сульфатосодержащих средах.

Испытания по исследованию влияния механоактивированной золы-уноса на снижение реакционной способности заполнителей бетона были проведены ускоренным методом путем измерения деформаций растворных образцов согласно ГОСТ 8269.0-97. Нами были изготовлены образцы цементно-песчаных и цементно-зольно-песчаных растворов 3-х составов, в двух из которых 20% и 30% цемента заменены измельчённой золой-уноса (таблица 4.6).

Результаты исспытаний показали, что деформации образцов с механоактивированной золой-уноса на порядок ниже, чем деформации образцов без механоактивированной золы-уноса. В то же время среднее относительное удлинения образцов без применения золы заметно превышают допустимые нормы ср 0,1% (рисунок 4.5).

Результаты испытания по исследованию влияния механоактивированной золы-уноса на снижение реакционной способности заполнителей бетона показали, что моноприменение механоактивированной золы-уноса с дозировкой 20-30% замещения массы цемента, снижает реакционную способность заполнителей.

Подбор состава самоуплотняющегося бетона на поликарбоксилатных гиперпластификаторах и смеси минеральных добавок

Основными варьируемыми технологическими параметрами при подборе состава бетона должны быть: водоцементное отношение (В/Ц), доля песка в смеси заполнителей и расход добавки.

Подбор составов бетонов из самоуплотняющихся смесей (с расплывом стандартного конуса от 55 до 85 см) осуществляется по тем же принципам, которые лежат в основе метода подбора обычных бетонов с учетом особенностей, связанных с обязательным использованием добавок и дополнительными требованиями к качеству и количеству компонентов смесей.

В качестве компонентов самоуплотняющихся бетонных смесей могут быть использованы следующие материалы: - ЦЕМ I и ЦЕМ II соответствующие ГОСТ 31108-2016 [97];

- пески с модулем крупности от 1,1 до 3,0, согласно ГОСТ 8736-2014 [98];

- крупный заполнитель согласно ГОСТ 8267-93 [99]; В качестве химических добавок следует использовать:

- суперводоредуцирующие согласно ГОСТ 24211-2008;

- стабилизирующие (водоудерживающие), согласно ГОСТ 24211-2008;

- минеральные добавки, соответствующие ГОСТ Р 56592 – 2015 [100], включая активные (микрокремнезём, зола-уноса, метакаолин, тонкомолотые доменный гранулированный шлак и природные пуццоланы) и инертные – микронаполнители.

Расход цемента в составе бетона должен находиться в диапазоне от 300 до 500 кг/м3 для тяжелого бетона. Общее количество тонкодисперсных компонентов, включающих цемент, минеральные (активные и инертные микронаполнители) или органоминеральные добавки должен находиться в диапазоне от 550 до 600кг на м3.

Следовательно, в рамках вышеперечисленных норм, требований и рекомендаций нами произведён подбор состава бетона с целью получения самоуплотняющегося бетона для густоармированных железобетонных конструкций гидротехнических сооружений с высокоэффективными реологическими свойствами и повышенными физико-техническими характеристиками бетона, установленными государственными стандартами, техническими условиями и проектной документацией на основании класса ответственности строительства сооружения и условий эксплуатации.

В качестве исследуемых минеральных наполнителей были рассмотрены низкокальциевая золы-уноса, микрокремнезём уплотнённый (МКУ) и высокоактивный метакаолин (ВМК). Применяемой химической добавкой был поликарбоксилатный гиперпластификатор «PowerFlow2695». Исследования проводились с использованием сульфатостойкого портландцемента СС СЕМI 32,5H (C3A 3,5%). На основании результатов ранее проведённых исследований (глава 4, пункт 4.1; 4.2; 4.3) при подборе состава самоуплотняющегося бетона, с целью выявления наилучшего варианта сочетания добавок, позволяющих получить высокоэффективный коррозионностойкий бетон, были проведены исследования оценки эффективности и сравнительный анализа совместного применения смеси испытуемых активных минеральных добавок и поликарбоксилатного гиперпластификатора. Рабочий состав бетона для эталонных образцов без минеральных добавок имел следующее соотношение:

Цемент: Песок: Щебень: Вода = 1: 1,85: 1,49: 0,37

Соблюдая соотношения рабочего состава, нами были приготовлены замесы 4 разных составов:

1) Без активных минеральных добавок, на «PowerFlow2695»;

2) 20% золы-уноса и «PowerFlow2695»;

3) 20% золы-уноса, 5% микрокремнезёма и «PowerFlow2695»;

4) 20% золы-уноса, 5% метакаолина и «PowerFlow2695»;

В связи с требованиями сомоуплотняющихся бетонных смесей из-за большого расхода цемента, применения смеси активных минеральных добавок с высокими удельными поверхностями, повышения дисперсности тонкомолотых компонентов и водопотребности смеси, дозировка поликарбоксилатного гиперпластификатора была увеличена до 1%. Реологические свойства бетонных смесей исследуемых составов были доведены до эффекта самоуплотнения-самовыравнивания и испытаны по следующим критериям:

Расплыв конуса, см

Сохраняемость, расплыв конуса через 60 мин, см

J - Кольцо, см

V - Воронка, сек

L - Короб, коэф.

Количество вовлеченного воздуха, % Результаты исследования реологических свойств бетонных смесей показали, что бетонная смесь состава №4, приготовленная с добавлением комплекса добавок состоящий из 20% золы-уноса, 5% метакаолина и 1% поликарбоксилатного гиперпластификатора «PowerFlow2695», по сравнению с составами №1, №2 и №3 обладает наилучшими реологическими свойствами (таблица 4.14), проходит через препятствия испытаний (J – кольцо, V – воронка, L – коробка) в рамках допустимых значений и является самоуплотняющейся бетонной смесью. Это объясняется стабилизирующей способностью метакаолина, её меньшей водопотребностью, чем микрокремнезём и хорошей совместимостью с поликарбоксилатными гиперпластификаторами.

Согласно результатам проведённых исследований (пункт 4.1; 4.2; 4.3), можно сделать вывод о том, что совместное применение низкокальциевой золы уноса, высокоактивного метакаолина и поликарбоксилатного гиперпластификатора в указанной дозировке позволил получить высокоэффективный самоуплотняющийся бетон на реакционноспособных заполнителях для дальнейшего исследования его коррозионной стойкости.

Для удобства введения и дозировки исследуемых добавок нами было предложено изготовление сухой комплексной добавки, состоящий из активных минеральных и химических добавок.

Исследование сульфатостойкости бетона с комплексной добавкой

Исследования влияния разработанной комплексной добавки на повышение коррозионной стойкости бетона в сульфатосодержащих средах были проведены в соответствии с ГОСТ 27677-88. Согласно данному методу численным показателем сульфатостойкости бетона считается коэффициент стойкости, являющийся отношением прочности образцов, выдержанные в 5%-ном растворе сульфата натрия, к прочности образцов, выдержанные в пресной воде. Испытания проводились параллельно с применением двух видов цемента:

1) Сульфатостойкий портландцемент СС СЕМI 32,5H (C3A 3,5%)

2) Рядовой портландцемент СЕМI 32,5H (C3A 8%)

С использованием каждого вида цемента, нами была исследована сульфатостойкость бетона путём анализа изменения прочности образцов-кубов на одноосное сжатие и изменения прочности образцов-призм на растяжение при изгибе, приготовленные на реакционноспособных заполнителях с применением разработанной комплексной добавки (основные составы) и без добавки (контрольные составы). Были изготовлены по 24 образцов-кубов с ребром 10 см и по 24 образцов-призм с размерами 10 10 40 см из бетонной смеси с использованием сульфатостойкого портландцемента (таблица 5.7) и рядового портландцемента (таблица 5.8). По 12 образцов кубов и призм выдерживались параллельно в 5% растворе сульфата натрия и в питьевой воде на протяжении 12 месяцев. По истечении 1, 2, 3, 6, 9, 12 месяцев по 2 образца кубов и призм доставали из воды и раствора сульфата натрия и испытывались на прочность при сжатии и прочность при изгибе.

Результаты испытаний бетона с использованием сульфатостойкого портландцемента (таблица 5.7) показали, что коэффициент стойкости (КС) образцов бетона основного состава (с разработанной комплексной добавкой) (рисунок 5.4а; 5.4б) близки к единице, чего нельзя наблюдать на результатах (рисунок 5.3а; 5.3б) образцов бетона контрольного состава (без добавки).

Аналогичные результаты показали и испытания бетона с использованием рядового портландцемента (таблица 5.8), где коэффициент стойкости (КС) образцов бетона основного состава (с разработанной комплексной добавкой) (рисунок 5.6а; 5.6б) близки к единице, что нельзя сказать о результатах образцов бетона контрольного состава (рисунок 5.5а; 5.5б), приготовленный без добавки.

Таким образом, на основании исследований видно, что коэффициенты стойкости по показателям прочности при сжатии и изгибе образцов бетона обеих основных составов (с разработанной комплексной добавкой), как с использованием сульфатостойкого, так и рядового портландцемента, в агрессивной сульфатной и нейтральной воде – близки к единице. Из этого можно вывести, что за период испытаний в 12 месяцев, предполагаемая фаза прогрессирования прочности бетона в агрессивной сульфатсодержащей среде за счёт повышения плотности в порах с образованием гидросульфоалюмината кальция не наступила, что доказывает высокую стойкость исследуемых бетонов в агрессивных сульфатсодержащих средах.

Анализ результатов исследования влияния разработанной комплексной добавки на стойкость бетона в сульфатосодержащих средах позволяет нам сделать вывод о том, что исследуемая комплексная добавка повышает сульфатостойкость бетона как при использовании сульфатостойкого портландцемента, так и рядового портландцемента. Нужно отметить, что далее имеет смысл исследовать влияния разработанной комплексной добавки на фазовый состав бетона. С целью выяснения вопроса о механизме воздействия разработанной комплексной добавки на повышение эксплуатационных свойств гидротехнического коррозионностойкого бетона на реакционноспособных заполнителях, нами были проведены исследования фазового состава бетона и определение продуктов новообразования при гидратации цемента в бетоне с комплексной добавкой.