Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Анализ состояния производства и применения гидрофобизированных цементных материалов 10
1.2 Требования к сырьевым материалам и методы защиты изделий, подвергающихся агрессивным воздействиям окружающей среды 13
1.3 Эволюция структуры и свойств бетонов при эксплуатации во влажных условиях 17
1.4 Особенности составов и свойств гидрофобизирующих компонентов цементных материалов 21
1.5 Способы введения гидрофобизирующих компонентов в бетонную смесь 29
1.6 Выводы 34
2 Методы исследования и применяемые материалы 36
2.1 Методы исследования 36
2.1.1 Методы оценки фазового состава и структурных характеристик сырьевых и синтезированных материалов 36
2.1.2 Методы исследований кремнеземного сырья и гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 37
2.1.3 Изучение свойств бетонной смеси и мелкозернистого бетона 38
2.1.4 Методика выращивания высолов и моделирования атмосферных процессов 40
2.2 Применяемые материалы 42
2.2.1 Характеристика компонентов гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 42
2.2.2 Характеристика компонентов бетонной смеси 44
2.3 Выводы 47
3 Модифицирование цементной матрицы гидрофобизирующим гранулированным заполнителем 48
3.1 Выбор способа введения гидрофобизирующих добавок 49
3.2 Оценка гидрофобизирующей способности растворов полисиликатов натрия в зависимости от состава 63
3.3 Поведение гидрофобизирующего гранулированного заполнителя в цементной системе 80
3.4 Выводы 88
4 Повышение эксплуатационных характеристик мелкозернистого бетона за счет использования гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 89
4.1 Реологические характеристики цементной системы с гидрофобизирующим гранулированным заполнителем 90
4.2 Определение оптимальной дозировки гидрофобизирующего гранулированного заполнителя в мелкозернистом бетоне 93
4.3 Влияние состава мелкозернистого бетона на степень пропитки содержимым гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 101
4.4 Анализ степени высолообразования и устойчивости к вымыванию водорастворимых соединений бетона с гранулированным гидрофобизирующим заполнителем 113
4.5 Механизм взаимодействия компонентов в системе «мелкозернистый бетон – гидрофобизирующий гранулированный заполнитель» 122
4.6 Эксплуатационные характеристики мелкозернистого бетона с использованием гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 126
4.6.1 Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона с гидрофобизирующими добавками 127
4.6.2 Физико-механические и гидрофизические и характеристики мелкозернистого бетона с гидрофобизирующим гранулированным заполнителем 130
4.7 Выводы 135
5 Внедрение и технико-экономическое обоснование результатов исследований 138
5.1. Технология производства изделий малых архитектурных форм с использованием гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 139
5.1.1 Производство гидрофобизирующего гранулированного заполнителя 140
5.1.2 Производство изделий малых архитектурных форм 141
5.2 Экономическая эффективность производства изделий малых архитектурных форм на основе мелкозернистого бетона с гидрофобизирующим гранулированным заполнителем 146
5.3 Внедрение результатов исследований в промышленных условиях и учебном процессе 152
5.4 Выводы 153
Общие выводы 155
Библиографический список
- Эволюция структуры и свойств бетонов при эксплуатации во влажных условиях
- Изучение свойств бетонной смеси и мелкозернистого бетона
- Поведение гидрофобизирующего гранулированного заполнителя в цементной системе
- Анализ степени высолообразования и устойчивости к вымыванию водорастворимых соединений бетона с гранулированным гидрофобизирующим заполнителем
Эволюция структуры и свойств бетонов при эксплуатации во влажных условиях
Авторы многочисленных исследований [14-21] предлагают использование гидрофобизации для бетонов, с целью применения их в районах с влажным климатом, районах Крайнего Севера в виде стеновых и дорожных конструкций и т.д. Кроме того, эффективные смеси с высокими гидрофобными свойствами могут быть использованы в качестве растворов для защиты, ремонта и восстановления строительных объектов, а также, дорожных одежд [18-21].
В нашей стране применение добавок-гидрофобизаторов для ответствен ных гидротехнических и промышленных сооружений, ремонтных работ в су ровых климатических условиях начато в 60-х годах прошлого века. С исполь зованием кремнийорганических гидрофобизаторов возведены железобетонные конструкции, эксплуатируемые в зоне переменного уровня воды Баренцева моря, конструкции плотин Красноярской и Зейской ГЭС; восстановлены конструкции Морского порта Владивостока, конструкции Ки евского и Московского метрополитенов и др. [1, 22-24].
За рубежом объемная и поверхностная гидрофобизация и супергидро-фобизация используются как для обработки индивидуальных домостроений, так и при строительстве дорог, а также гидротехнических сооружений (мостов, опор и т.д.) [5, 26-31]. Также гидрофобные материалы применяются для строительства фундаментов во влажных почвах. На сегодняшний день предлагается использование и для почв в засушливых районах в случаях капиллярного подсоса без использования гидроизоляции, что технологически более эффективно с точки зрения сокращения сроков монтажа и стоимости [31].
В России бетоны с объемной гидрофобизацией, несмотря на огромный комплекс исследований, проведенных в 80-х, 90-х годах прошлого века, широкого распространения не получили. Хотя опыт применения различных гидрофобизирующих добавок велик. Их вводили в набрызг-бетоны, центрифугированные и монолитные бетоны, в сборные железобетонные изделия и бетоны раннего замораживания [3]. В настоящий момент чаще всего для придания гидрофобных свойств на поверхность изделий наносится пропитка, которая периодически обновляется и придает материалу требуемые свойства. Развитию способствует широкий комплекс добавок для поверхностного применения, имеющийся на строительном рынке [32-35]. Следует учесть, что после поверхностной обработки бетонных конструкций требуется периодическое возобновление нанесенного слоя, а также при действии солнечной радиации возможна потеря гидрофобизирующей способности покрытий [1, 13]. К тому же, для проведения поверхностной гидрофобизации необходимо свободное пространство, иногда остановка технологического процесса при обработке конструкций промышленных зданий. В случае гидрофобизации способом погружения, обработанный материал необходимо просушивать, а при транспортировке и монтаже пропитанный слой может быть поврежден [36]. Также, в случае поверхностной гидрофобизации опасным является накопление и перекристаллизация в приповерхностных слоях материала щелочей, что в условиях знакопеременных температур приводит к деструкции материала [37].
В свою очередь, использование объемной гидрофобизиции осложняется из-за негативного влияния гидрофобизирующих добавок на гидратационные процессы портландцемента. Преимуществами же объемной гидрофобизации являются: равномерность распределения гидрофобизирующей добавки и исключение увлажнения материала в случае повреждения поверхности [36].
Несмотря на отмеченные недостатки, использование различных способов гидрофобизации в таких материалах как: бетоны на пористых заполнителях, газобетоны, силикатные автоклавные материалы [38-42] позволяет значительно расширить области их применения, в том числе во влажных и агрессивных условиях.
Одним из положительных эффектов введения гидрофобизаторов является проявление «самозалечивания» трещин бетона при условии наличия свободной воды [3]. В гидрофобизированных цементных материалах имеется «клинкерный фонд» - непрореагировавшие частицы цемента, которые в процессе длительной эксплуатации способны гидратировать с образованием гидросиликатов кальция и портландита.
Тема «самозалечивания» бетонов сейчас очень актуальна за рубежом. Учеными разных стран предлагаются разнообразные способы достижения этого эффекта [43, 44]. Среди них – использование полых волокон и микро капсул с восстанавливающим агентом, минеральных геополимерных порош ков [45] с расширяющимися агентами, бактерий. Эффективность данных ме тодов доказана неоднократно зарубежными учеными, но при их реализации имеется ряд трудностей, таких как: сложность получения и распределения в бетоне волокон и микрокапсул, негативное влияние на прочностные характе ристики бетона, преждевременное протекание реакции в случае использова ния минеральных порошков, сложность полного восстановления при дли тельных нагрузках и т.д. Тем не менее, указанные методики внедряются при проектировании современных «гибких» бетонов (bendable concrete), также называемых – проектируемые цементные композиты (Engineered
Cementitious Composite (ECC)) [46, 47]. Помимо микроармирования в гибких бетонах реализуется методика направленного микро-трещинообразования, за счет чего он сохраняет прочность при значительных изгибах.
Таким образом, гидрофобизация используется для широкого диапазона строительных материалов, как плотных, так и пористых, как правило, в виде поверхностной обработки. В то же время, объемная гидрофобизация применяется для возведения ответственных сооружений, эксплуатируемых в агрессивных условиях, как в России, так и за рубежом. На современном этапе развития строительного материаловедения при проектировании материалов не достаточно достичь только гидрофобных свойств композита, необходимо, чтобы материалы оставались достаточно прочными, имели способность самовосстанавливаться, а их себестоимость снижалась.
Изучение свойств бетонной смеси и мелкозернистого бетона
Для оценки влияния гидрофобизирующих добавок на размолоспособ-ность кремнеземного сырья определялась кинетика помола (табл. 3.2).
Помол смесей производился с использованием планетарной мельницы МП/0,5. Расчет дозировки гидрофобизаторов осуществлялся исходя из рекомендаций производителя для объемного введения (0,2-1 % от массы цемента – стеарат кальция; 0,1-0,2 % от массы цемента – ГКЖ-11 БСП). Из расчета, что предлагаемый заполнитель будет введен в количестве 30 % от объема сухой смеси, а также на основе рекомендаций к подбору состава мелкозернистого бетона для производства изделий по вибролитьевой технологии, при помоле компонентов смесей ядра, было рассчитано содержание гидрофоби-затора для всех составов (табл. 3.2). Следует отметить, что на эффективность влияния ПАВ на процесс сухого тонкого измельчения материала оказывает влияние множество факторов. Один из главных – дозировка гидрофобизи-рующей добавки. Оптимальным при сухом помоле является такое количество гидрофобизирующей добавки, которое обеспечит формирование мономолекулярного слоя на поверхности частиц материала. В случае избытка добавки на поверхности частиц измельчаемого материала формируются полимолекулярные слои с обратной или неупорядоченной ориентацией молекул гидро-фобизатора, что замедляет процесс помола [154].
Анализ кинетики помола (табл. 3.2) подтверждает положительное влияние гидрофобизаторов на размолоспособность кремнеземного сырья.
Стоит отметить, что помол свыше 15 минут нецелесообразен для всех составов, т.к. дальнейшего значительного роста удельной поверхности не наблюдается.
Для опоки Алексеевского месторождения наилучшие результаты по размолоспособности достигнуты при совместном помоле со стеаратом кальция в количестве 1,35 % от массы опоки, что эквивалентно дозировке 0,6 % от массы цемента при введении ГГЗ в состав мелкозернистого бетона.
При помоле золы-уноса наибольшая интенсификация наблюдается при введении ГКЖ-11 БСП в количестве 0,25 % от массы золы-уноса, что эквивалентно дозировке 0,1 % от массы цемента при введении ГГЗ в состав мелкозернистого бетона. Таблица 3.2
Таким образом, наблюдается различие характера взаимодействия ГД и кремнеземных компонентов. Это может быть объяснено различием: функциональных групп гидрофобизирующих добавок (–O–Ca–O– - у стеарата кальция, –O–Na – у ГКЖ-11 БСП); химического состава кремнеземного сы 55 рья (преимущественно силикатный состав – у опоки; алюмосиликатный состав – у золы-уноса).
Стоит отметить, что при помоле золы-уноса необходим меньший расход гидрофобизирующих добавок (№№ 9, 12, табл. 3.1), чем для опоки (№№ 4, 6, табл. 3.1), в связи с меньшим количеством активных центров на ее поверхности. Иначе, перерасход добавки приводит к замедлению размола. Это наблюдается не только для золы-уноса (№№ 11, 14, табл. 3.1), но и для опоки при помоле со стеаратом кальция (№ 7, табл. 3.1).
Совместный помол золы-уноса со стеаратом кальция привел к агрегированию частиц через 20 минут помола, что отражается на значениях удельной поверхности и среднего размера частиц.
На основе полученных результатов для дальнейших исследований были приняты следующие дозировки гидрофобизирующих добавок: - для опоки – 0,45 % ГКЖ-11 БСП; 1,35 % стеарата кальция; - для золы-уноса – 0,25 % ГКЖ-11 БСП; 0,5 % стеарата кальция. Распределение частиц кремнеземного сырья по размерам (рис. 3.2) после 15 минут помола с установленными оптимальными дозировками добавок подтверждает интенсифицирующее действие гидрофобизаторов на размоло-способность сырья. Также подтверждается бльшая эффективность использования стеарата кальция при помоле опоки, а ГКЖ-11 БСП при помоле золы-уноса. На графиках распределения частиц опоки по размерам (рис. 3.2, а) после помола отмечается увеличение весовой доли более мелких частиц в следующей последовательности: без гидрофобизатора – с ГКЖ-11 – со стеа-ратом кальция. В случае с золой-уноса (рис. 3.2, б) последовательность имеет вид: без гидрофобизатора – со стеаратом кальция – с ГКЖ-11.
Высокая удельная поверхность кремнеземного сырья может оказать негативное влияние на его реакционную способность с щелочным компонентом. Кроме того,реакция функциональных групп гидрофобизирующих добавок с активными центрами минерального сырья при помоле [19] приводит к хемосорбции добавки и формированию пленки на поверхности частиц, что также может затруднить реакцию щелочного компонента с кремнеземным.
В связи с этим, для каждого этапа помола определялся коэффициент активности согласно разработанному ранее экспресс-методу [119] (рис. 3.3), иисследовалась сорбционная способность кремнеземных компонентов по отношению к гидроксиду кальция (рис. 3.3). Размер частиц, мкм
Зависимость характеристик кремнеземного сырья от времени помола и вида гидрофобизатора: - - количества поглощенного СаО по методу Запорожца; := - коэффициента активности а - опоки Алексеевского месторождения; б - золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ Для сравнения также проводился анализ кремнеземного сырья в исходном состоянии (0 минут помола, синяя линия) и после помола (5-20 минут, синяя линия). Анализируя полученные результаты можно отметить бльшую активность опоки по сравнению с золой-уноса, а также сходный характер зависимостей коэффициента активности и количества поглощенного CaO от времени помола и вида гидрофобизатора у всех составов.
Помол кремнеземного сырья без гидрофобизирующих добавок приводит к увеличению количества активных центров, о чем свидетельствует рост коэффициента активности кремнеземного сырья и количества поглощенного CaO, что связано с увеличением площади реакционной поверхности. Однако помол дольше 15 минут нерационален, что соответствует полученным ранее результатам определения кинетики помола.Помол опоки без гидрофобизи-рующих добавок в течение 15 минут позволяет повысить ее активность на 20 %, а количество поглощенного CaO на 34 %. Помол золы-уноса без гидрофо-бизирующих добавок позволяет повысить коэффициент активности на 77 % и количество поглощенного CaO на 112 %.
Наблюдается различное действие ГД на кремнеземное сырье при совместном помоле. Совместный помол опоки с ГКЖ-11 БСП и золы-уноса со стеаратом кальция (способ 2) снижает количество активных центров (активность) кремнеземного сырья, что может быть обусловлено экранированием поверхности частиц кремнеземного сырья, а также нарушением процессов размола. Незначительное снижение активности опоки при совместном помоле со стеаратом кальция и золы-уноса с ГКЖ-11 БСП по сравнению с помолом без добавок косвенно свидетельствует о присутствии ГД на поверхности частиц кремнеземного сырья. Смешение кремнеземного сырья с ГД (0 минут помола) (способ 1, способ 3) также вызывает снижение активности кремнеземного сырья.
Из полученных результатов, учитывая необходимость получения наибольшего количества раствора полисиликатов натрия, можно сделать вывод, что при использовании в качестве кремнеземного компонента опоки эффективным является совместный помол со стеаратом кальция (способ 2), при использовании золы-уноса – помол с ГКЖ-11 (способ 2).
Исследование микроструктурных особенностей кремнеземного сырья в исходном виде, а также после помола с гидрофобизирующими добавками позволяет отметить различие форм и размеров частиц.
Поведение гидрофобизирующего гранулированного заполнителя в цементной системе
Таким образом, результаты исследований поведения ГГЗ различного состава в цементной среде позволяют сделать вывод, что на количество прореагировавшего в ядре ГГЗ вещества влияет pH среды, что подтверждается большей потерей массы гранул в среде шлакопортландцемента. Введение ГД незначительно снижает реакционную способность содержимого ядра ГГЗ. Доказана возможность снижения количества щелочного компонента в составе ядра ГГЗ до 10 % для опоки и до 2 % для золы-уноса. Снижение количества щелочи обеспечит уменьшение высолообразования на поверхности бетонных изделий с ГГЗ.
1. Установлен оптимальный способ введения гидрофобизирующих добавок в состав ГГЗ. При использовании в качестве кремнеземного сырья – опоки, эффективным является совместный помол со стеаратом кальция (способ 2), при использовании золы-уноса – помол с ГКЖ-11 БСП (способ 2).
2. Установлен характер влияния вида кремнеземного сырья на эффективность действия гидрофобизирующей добавки в зависимости от состава сырья. Использование в составе ГГЗ системы «опока – стеарат кальция» либо «зола-уноса – метилсиликонат натрия (ГКЖ-11 БСП)» приводит к повышению размолоспособности кремнеземного сырья, более равномерному распределению гидрофобизирующей добавки, сохранению активности без значительного экранирующего эффекта, улучшению гидрофобизирующей способности растворов полисиликатов натрия.
3. Показана принципиальная возможность использования в качестве носителей ГД кремнеземных компонентов с широким диапазоном коэффициента активности: от 4,5 до 40,5.
4. Методами рентгенофазового анализа и инфракрасной спектроскопии доказано, что появление гидрофобных свойств материалов обусловлено в том числе формированием кристаллических новообразований гейландита Б.
5. Исходя из состава и физико-механических особенностей кремнеземного сырья установлено рациональное значение удельной поверхности, необходимое и достаточное для взаимодействия в системе компонентов ядра ГГЗ при ТВО. Оно составляет для опоки и золы-уноса 2000 и 500 м2/кг соответственно.
6. Установлены особенности поведения ГГЗ в цементной системе. На количество прореагировавшего в ядре ГГЗ вещества влияет pH среды, что подтверждается большей потерей массы гранул в среде шлакопортландце мента. Введение ГД незначительно снижает реакционную способность со держимого ядра ГГЗ. Доказана возможность снижения количества щелочного компонента в составе ядра ГГЗ до 10 % для опоки и до 2 % для золы-уноса. Снижение количества щелочи обеспечит уменьшение высолообразования на поверхности бетонных изделий с ГГЗ.
На данный момент установлено влияние на характеристики бетона с гранулированным наноструктурирующим заполнителем (ГНЗ) таких факторов, как время и температура тепловлажностной обработки (ТВО), время предварительной выдержки перед ТВО, степень пропитки бетонной матрицы раствором полисиликатов натрия [118, 119]. Остались неисследованными вопросы влияния состава бетонной матрицы на характеристики композита, а именно, соотношений «цемент : песок», В/Ц, количества гидрофобизирую-щей добавки (ГД). Кроме того, не рассмотрены особенности использования гранулированных заполнителей с фракцией менее 1,25 мм.
Как известно [1-3, 94, 97, 172], состав бетонной матрицы определяет не только физико-механические, но и гидрофизические свойства12 бетонов. К способам повышения стойкости матрицы строительных изделий к миграции воды относят снижение В/Ц и повышение плотности матрицы. При использовании ГГЗ высокая плотность матрицы может отрицательно сказаться на степени ее пропитки гидрофобизирующим раствором.
В связи с этим, необходимо установить оптимальный состав бетонной матрицы, удовлетворяющий одновременно следующим условиям: обеспечение минимальной миграции влаги в материале за счет максимальной пропитки гидрофобизирующим раствором с сохранением физико-механических характеристик материала.
Необходимым также является подбор оптимального количества гранулированного заполнителя и гидрофобизатора в его составе. Это обусловлено тем, что увеличение количества гидрофобизатора может привести к значительному экранированию реакции в ядре ГГЗ и снижению количества образующегося гидрофобизирующего раствора. Недостаток же, как добавки, так и самого заполнителя, не позволит достичь ожидаемого гидрофобизирующего эффекта.
Гидрофизические свойства характеризуют поведение материала во влажной среде. К ним относят: водопоглощение, морозостойкость, сорбционная влажность и др. 4.1 Реологические характеристики цементной системы с ГГЗ
Для подтверждения того, что гидрофобизирующая добавка остается в ядре заполнителя при смешивании компонентов, было проведено исследование реологических характеристик цементного теста с ГГЗ.
На первом этапе проводилось исследование влияния стеарата кальция и ГКЖ-11 на реологические характеристики цементного теста (В/Ц=0,28) (рис. 4.1).
В области малых значений скорости сдвига (до 50 с–1) введение гидро-фобизирующих добавок в цементное тесто нормальной густоты (рис. 4.1) приводит к снижению вязкости системы. При введении ГКЖ-11 вязкость снижается на 32 % при скорости сдвига 20 с–1; стеарата кальция – на 8 % при скорости сдвига 20 с–1. При увеличении градиента скорости сдвига выше 50 с–1 вязкость цементной системы с гидрофобизирующими добавками незначительно превышает вязкость системы без добавок, в дальнейшем вязкость систем выравнивается. Данные результаты свидетельствуют о незначительном разжижающем действии ГД, т.к. они являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Таким образом, если подобный эффект будет наблюдаться и при введении ГГЗ, это будет свидетельствовать о попадании ГД в цементную матрицу в процессе перемешивания смеси.
На следующем этапе в цементное тесто был добавлен ГГЗ на основе опоки Алексеевского месторождения (рис. 4.2).
Количество гидрофобизирующих добавок в составе ГГЗ соответствовало количеству, вводимому в цементный раствор в предыдущем эксперименте. Введение ГГЗ в цементный раствор значительно повысило водопотребность системы. В связи с этим в систему вводилось дополнительное количество воды (В/Ц=0,5). Этим обусловлено снижение вязкости в сравнении с цементным раствором без ГГЗ (см. рис. 4.1).
Анализируя полученные реограммы (рис. 4.2) в области малых значений скорости сдвига (до 50 с–1) можно отметить превышение вязкости систем с ГД по сравнению с системой без ГД. При введении ГГЗ с ГКЖ-11 вязкость повышается на 35 % при скорости сдвига 20 с–1; стеарата кальция – на 4 % при скорости сдвига 20 с–1. Повышение вязкости обусловлено прерывистой («точечной») гидрофобностью ГГЗ и неравномерным распределением жидкости в системе. При использовании ГГЗ на основе опоки с ГКЖ-11 данный эффект значительно выше, что может негативно сказаться на процессе перемешивания бетонной смеси. Снижения вязкости системы на протяжении всего эксперимента не обнаружено. Это может косвенно свидетельствовать о том, что при использовании опоки в качестве кремнеземного компонента гидрофобизирующие добавки не поступают в смесь в процессе ее перемешивания.
В системе «цементное тесто – ГГЗ на основе золы-уноса» (рис. 4.3) изменение вязкости между растворами с ГГЗ различного состава незначительно. Однако в сравнении с исследованными ранее системами (см. рис. 4.1, рис. 4.2) наблюдается значительное снижение вязкости. Как сказано выше, рост водопотребности смеси в результате введения ГГЗ привел к необходимости повышения расхода воды, что и отразилось на величине вязкости системы в процессе исследования. Разница между величиной вязкости образцов с ГГЗ на основе опоки и золы-уноса может быть обусловлена различным строением и составом данных материалов, что определяет различное водопоглощение и водоотдачу в процессе перемешивания.
Анализ степени высолообразования и устойчивости к вымыванию водорастворимых соединений бетона с гранулированным гидрофобизирующим заполнителем
На тонкостенных конструкциях из мелкозернистого бетона часто наблюдается высолообразование. Образование высолов обусловлено миграцией растворов щелочей в направлении открытой поверхности изделия. Цикличность данной миграции производит деструкционное воздействие на структуру материала в связи с кристаллизацией новообразований, являющихся продуктами взаимодействия растворимых компонентов бетонной матрицы с водой, не только на поверхности, но и в поровом пространстве материалов.
Доказано, что введение в состав бетонной матрицы ГГЗ обеспечивает значительное снижение водопоглощения. Следовательно, должна снижаться степень миграции воды и высолообразование на поверхности мелкозернистого бетона с ГГЗ. Но, существует вероятность включения в процесс вымывания щелочи, вводимой в состав ГГЗ, в случае ее избытка и присутствия в свободном виде в составе ГГЗ или цементно-песчаной матрицы.
Для изучения степени высолообразования на поверхности бетона с ГГЗ (с учетом возможного негативного влияния щелочи, входящей в состав ядра ГГЗ) проведен анализ степени высолообразования при воздействии атмосферных факторов и изучен химизм данного процесса.
Мелкозернистый бетон с ГНЗ (без гидрофобизирующих добавок) (№№ 2, 3, табл. 4.8) характеризуется меньшей степенью высолообразования, что обусловлено меньшим водопоглощением в сравнении с образцами без ГНЗ (№ 1, табл. 4.8).
Образцы, изученные на высолообразование, по степени увеличения интенсивности выноса и кристаллизации вещества на поверхности, можно расположить в следующей последовательности: мелкозернистый бетон с ГГЗ - мелкозернистый бетон с ГЗ без гидрофобизирующей добавки - мелкозернистый бетон.
Минеральный состав высолов (рис. 4.12) на исследованных образцах отличается незначительно и представлен в основном следующими компонентами: calcite CaCО3, trona Na3CO3(HCO3)(H2O)2, wegscheiderite Na5CO3(HCO3)3, natrite Na2CO3, thenardite Na2SO415.
. Рентгенограммы высолов на мелкозернистом бетоне на основе портландцемента: а – без ГГЗ; б – с ГНЗ на основе опоки (без гидрофобизирующих добавок) Высолы на поверхности образцов представляют собой сростки вытянутых непараллельных друг другу кристаллов диаметром 1-2 мкм и длиной 8-10 мкм (рис. 4.13). Сростки кристаллов имеют радиально 15 Ввиду отсутствия высолов на поверхности образцов с ГГЗ на основе опоки со стеаратом кальция и золы-уноса с ГКЖ-11 БСП рентгенофазовый и микроструктурный анализы не проводились лучистую форму и концентрируются на различных участках поверхности образцов, вероятно, в зонах дефектов структуры (табл. 4.8).
Для определения устойчивости к вымыванию легкорастворимых в воде соединений и исследования химизма протекающих в материале процессов при постоянном воздействии воды, проводились исследования с использованием экстрактора Сокслета.
Основная цель данного исследования – оценка поведения мелкозернистого бетона различного состава примоделировании атмосферных процессов, а именно при циклическом воздействии влаги. Оценка проводилась путем сравнения химического состава остаточной твердой фазы образцов после вымывания и исходных образцов.
Использование экспериментального метода, моделирующего цикл: атмосферные осадки – фильтрация – накопление - испарение, позволит ожидать возникновения ряда явлений, типичных для бетона в естественных условиях.
В ходе исследований были использованы образцы трех видов мелкозернистого бетона: без ГГЗ; с ГГЗ на основе золы-уноса и ГКЖ-11 БСП; с ГГЗ на основе опоки и стеарата кальция.
Размеры образцов: 202020 мм. Состав образцов: Ц:П = 1:3, количество вводимого ГГЗ – 25 % от объема сухой смеси, В/Ц=0,5.
В ходе эксперимента использовались цельные образцы бетона с целью максимального приближения к реальным условиям.
После тепловлажностной обработки и выдержки в нормальных условиях в течение суток, образцы были предварительно взвешены, затем часть образцов помещалась в цилиндр экстрактора Сокслета, а вторая часть выдерживалась в течение всего эксперимента в нормальных условиях при комнатной температуре и влажности воздуха 40-50 %.
В колбу-приемник фильтрата заливалась дистиллированная вода в количестве – 500 мл. В экстракторе Сокслета вся вода, моделирующая атмосферные осадки, полностью дренируется через образцы и накапливается в цилиндре.
В зависимости от положения в цилиндре имеются образцы полностью обводненные, частично обводненные и необводненные.
После достижения определенного уровня в цилиндре инфильтрационная вода, содержащая вещества, вымытые из образцов, сливалась через боковую трубку-сифон в нижнюю колбу-приемник.
У всех образцов отмечается резкое возрастание pH инфильтрационных вод в первые сутки циркуляции воды. Это свидетельствует о вымывании свободной щелочи, находящейся в материале. Наибольшие значения pH характерны для инфильтратов образцов мелкозернистого бетона без ГГЗ. В дальнейшем рост pH продолжается, но менее интенсивно, что обусловлено меньшей растворимостью компонентов цементного камня, а именно гидро 119 силикатов и гидроалюминатов кальция, в сравнении с портландитом. После 11 суток испытаний величина pH стабилизировалась.
Стойкость к вымыванию щелочей у образцов с ГГЗ может быть обусловлена снижением степени миграции воды в толще материала, а также связыванием свободной щелочи продуктами реакции компонентов ядра ГГЗ. Стоит отметить, что при использовании ГГЗ как на основе опоки состеаратом кальция, так и на основе золы-уноса с ГКЖ-11 БСП практически прекращается рост pH инфильтрата после первых суток испытания, что свидетельствует о высокой стойкости разработанных материалов к атмосферному воздействию вследствие формирования плотной матрицы из малорастворимых новообразований.
Наблюдения за макроскопическими изменениями образцов в цилиндрах проводились на протяжении всего эксперимента. Результаты показали, что при использовании ГГЗ структура поверхности образцов бетона не претерпевает видимых изменений. На образцах без ГГЗ к концу эксперимента поверхность стала сахаровидной.
Моделирование атмосферных процессов проводилось в течение 30 дней, после чего определялось изменение массы и прочности на сжатие образцов после высушивания до постоянной массы (табл. 4.9), а также химический состав остаточной твердой фазы (табл. 4.10-4.12).
Снижение массы образцов после испытания на приборе Сокслета обусловлено выносом легкорастворимых соединений. Постоянное воздействие жидкой среды на бетон вызывает коррозию первого вида, т.е. растворение компонентов цементного камня.
Наибольшая потеря массы отмечается для обводненных образцов мелкозернистого бетона без ГГЗ (табл. 4.9). Вынос легкорастворимых соединений подтверждается снижением в испытанных образцах содержания оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (CaO, MgO, Na2Oи K2O), а также оксида серы (SO3) (табл. 4.10). Важно отметить, что химический состав материала рассчитывается в % от общей массы, и при уменьшении содержания одного из оксидов, содержание остальных увеличивается. Этим обусловлено увеличение содержания SiO2 у образцов после испытания.
