Проблемы, связанные с щелоче-кремнеземной реакцией, в Японии и Таиланде

РЕФЕРАТ. В данной статье изложен японский опыт профилактики щелоче-кремнеземной реакции (ЩКР) и представлены новые идеи в этой области. В Японии с 1986 года предпринимаются профилактические меры против ЩКР, однако она по-прежнему вызывает проблемы в обеспечении долговечности бетона. По всей видимости, эта ситуация обусловлена ненадежностью предпринятых мер. Пример использования новой методологии — анализ случая ЩКР на строительном объекте в Таиланде. Следы щелоче-кремнеземной коррозии, обнаруженные в фундаменте, были вызваны микрокристаллическим кварцем в граните — медленнореагирующей породе. Несмотря на присутствие эттрингита главным механизмом расширения признана ЩКР. Аргументом в пользу такого заключения стала морфология продукта, образующегося в заполнителе и цементном камне. В ходе этих исследований определена другая важная высокореакционноспособная фаза. В жарком и влажном климате слюда в граните может подвергнуться изменениям и образовать опал, который является типичным быстрореагирующим минералом. Этот измененный продукт может быть распространен по всей Юго-Восточной Азии и представлять собой вполне возможную причину развития коррозии.

Ключевые слова: щелоче-кремнеземная реакция, микрокристаллический кварц, гранитный милонит, опал.

Keywords: alkali silica reaction, microcrystalline quartz, granite mylonite, opal.

Введение

Реакция щелочь—заполнитель является одной из причин снижения долговечности бетона. Некоторые виды заполнителя в бетоне реагируют со щелочами, входящими главным образом в состав цемента, с образованием набухающих щелочно-силикатных гелей. Данный феномен обнаружил Т.Е. Стэнтон [1]. После этого были предложены различные методы для выявления реакционной способности заполнителя и дальнейшего подавления его вредной реакции с щелочами.

Исторически реакции щелочь—заполнитель подразделяются на несколько видов: щелочно-кремнеземная реакция (ЩКР); щелочно-карбонатная реакция; щелочно-силикатная реакция. Однако на основании тщательного петрографического исследования [2] установлено, что щелоче-карбонатное расширение на самом деле обусловлено участием в реакции не карбонатов, а кремнезема. Конечно же, доломит (CaMg(CO₃)₂), находящийся в глинистом доломитите, участвует в реакциях, приводящих к образованию кальцита (CaCO₃) и брусита (Mg(OH)₂) или M—S—H (гидросиликата магния), но эти реакции идут с уменьшением объема вещества. В породе данного типа содержатся зерна скрытокристаллического кварца (SiO₂), но они незаметны из-за малого размера. Этот скрытокристаллический кварц и вызывает расширение. Поэтому щелоче-карбонатная реакция на самом деле является разновидностью щелоче-кремнеземной реакции. Аналогичным образом, во многих случаях так называемая щелоче-силикатная реакция на самом деле была вызвана присут­ствием скрытокристаллического кварца, который ранее оставался незамеченным.

В вышесказанном заключаются современные представления о ЩКР. Тем не менее эти результаты учитываются не во всех странах. Канадский стандарт CSA A23.2 27A-09 представляется одним из наиболее передовых стандартов. По сравнению с CSA японский стандарт JIS оказывается в этом вопросе далеко позади. Многие страны стремятся вводить свои собственные стандарты, но чтобы их принимать, необходимо правильным образом оценивать предыдущие работы. Существует довольно большое число стандартов и исследований, о которых сложно судить — значимы они или нет.

В данной статье предпринята попытка критически рассмотреть японский стандарт и содержащиеся в нем ограничения, а также предложить наиболее совершенную методологию профилактики ЩКР. Самой большой сложностью в вопросах долговечности всегда является установление истинной причины деструктивных процессов в бетоне. В связи с этим в работе представлен пример диагностики ЩКР в поврежденных бетонных сооружениях в Бангкоке.

2. История исследования ЩКР и разработки мер профилактики в Японии

В табл. 1 приведены важнейшие события, касающиеся профилактики ЩКР на строи­тельных объектах в Японии. Так же как и во многих других странах, в Японии до определенного момента проблема ЩКР считалась не очень значительной. Однако после осознания ее последствий были проведены интенсивные исследования и разработаны контрмеры. Для испытаний заполнителей были введены химический метод JIS A 1145 (на основе ASTM C 289) и метод растворных балочек JIS A 1146 (на основе ASTM C227). Хотя недостатки этих методов были известны в Японии [3], оба они тем не менее получили распространение — прежде всего из-за простоты применения. В этих методах ввели ряд упрощений, например, в химическом методе устранили границу между вредными и потенциально вредными заполнителями.

Профилактика ЩКР базируется на трех видах мер:

1) контроле общего количества щелочей (до 3,0 кг/м³);

2) использовании материалов, частично замещающих цемент;

3) использовании «пассивных» заполнителей.

Предел содержания щелочей был установлен опытным путем: при общем содержании щелочей в бетоне менее 3,0 кг/м³ имеет место ограниченное расширение для любых видов заполнителей [4]. Тем не менее эксперименты проводили в течение лишь одного года, и в дальнейшем они не были продолжены.

После введения контрмер число случаев повреждения по причине ЩКР резко сократилось. Однако представляется, что это сокращение вызвано отчасти уменьшением содержания щелочей в цементе из-за замены глинистого сырья золой-уносом электростанций, содержащей намного меньше щелочей [5]. Это нововведение в технологии цемента по времени совпало с введением профилактики ЩКР. В течение длительного времени эффективность предпринятых мер не подтверждалась на официальном уровне. Лишь недавно комитет по исследованиям Института бетона Японии заявил о несовершенствах традицион­ного подхода и настоял на том, чтобы его изменить [6].

Один из объектов, которому был нанесен серьезный вред из-за ЩКР — Восточно-Японская железная дорога (JR-East); после того как это произошло, в работе [7] предложили новую методологию, в которой критерии химического метода и метода растворных балочек были изменены в сторону более «жестких» значений. В зависимости от категории заполнителя установлены различные меры профилактики:

• для определенно вредных заполнителей требуется использовать цемент с добавками;

• для заполнителей, представляющих потенциальный риск, общее содержание щелочей в бетоне не должно превышать 2,2 кг/м³ или же необходимо применять цемент с добавками;

• для заполнителей, не представляющих опасности, меры профилактики не требуются.

Благодаря этим мерам проблема ЩКР отчасти будет решена. Тем не менее до сих пор не предпринималось попыток установить основные недостатки этих методов.

Недавно опубликованы результаты 23-летних натурных испытаний, выявляющих ограничения химического метода, метода растворных балочек и рекомендаций по общему содержанию щелочей [8]. Теперь в Японии должна быть проведена работа для внедрения новой методологии [9].

3. Примеры анализа ЩКР в Японии

3.1. Быстрое расширение

Описанные здесь примеры приведены в работах [10, 11].

Один из железнодорожных мостов получил серьезные повреждения вслед­ствие ЩКР уже через несколько лет после окончания строительства. Прошло более 15 лет, но расширение бетона еще продолжается, даже после покраски моста с целью предотвратить проникновение влаги внутрь материала. Исследование поверхности среза образца бетона свидетельствует, что трещины проходят сквозь частицы андезита в крупном заполнителе, но не сквозь частицы долерита (рис. 1). На увеличенном изображении частицы андезита виден выделившийся вязкий щелоче-силикатный гель — от прозрачного и бесцветного до окрашенного в белый цвет (рис. 2).

Рис. 1. Поверхность скола поврежденного бетона. A — андезит, D — долерит

Рис. 2. Щелоче-силикатный гель, выделяющийся из прореагировавшего заполнителя

На микрофотографии, сделанной при помощи поляризационного микроскопа, видна трещина, идущая от частиц андезита в цементную пасту (рис. 3). Это — ключевое доказательство, позволяющее определить, что андезит — основной материал, вызывающий расширение. Более детальное исследование показывает, что щелоче-силикатный гель (ЩС-гель) образовался у опаловой прожилки, сопутствую­щей кристобалиту. На рис. 4 показана опаловая прожилка в андезите, который затем использован в составе бетона. Применявшийся при строительстве моста бетон содержал только 2,2 кг/м³ щелочей, но этот высокореакционноспособный минерал, как полагают, реагирует с ними даже при таком малом их количестве.

Рис. 3. Микрофотография поврежденного бетона (плоскополяризованный свет)

Рис. 4. Микрофотография опаловой прожилки в андезите перед использованием (плоскополяризованный свет)

Подобные серьезные повреждения из-за ЩКР обнаружены в последнее время в бетонных сооружениях вокруг акватории залива Токио. При строительстве местный песок был несколько мелковатым для бетона, и в целях корректировки гранулометрии его смешивали с крупным песком. Ввиду отсутствия местных источников крупных заполнителей известняк для производства бетона поставлялся из месторождений, расположенных за сотни километров от места строительства. Один из видов заполнителей содержал в небольшом количестве высокореакционноспособный опал. Этот минерал и вызвал серьезные деструктивные явления даже при содержании щелочей в бетоне всего 2,2 кг/ м³. На рис. 5 показана реагирующая частица опала. В самых критичных местах бетон заменили через несколько лет после завершения строительства (рис. 6) [11].

Рис. 5. Микрофотография реагирующей частицы опала (плоско­поляризованный свет)

Рис. 6. Поврежденная бетонная тротуарная плита

3.2. Карта повреждений и рисков от ЩКР в Японии

В Японии серьезные повреждения были вызваны вулканическими породами, такими как андезит, приводящими к быстрому развитию деформаций. Однако детальные исследования не проводились в должном объеме, и лишь в последнее время исследованиям поврежденных структур придается большее значение. Более того, деформации вслед­ствие ЩКР имели также место и в долгосрочном периоде даже при предполагаемом содержании щелочей менее 3,0 кг/м³. Исследование таких случаев имеет ограниченный характер, возможно, потому, что не существует стандартизованных методов их анализа. По этой причине был учрежден технический совет по диагностике ЩКР при Институте бетона Японии [10].

На рис. 7 приведена карта, на которой отмечены случаи ЩКР, имевшие место на строительных объектах в Японии, а на рис. 8 — карта важнейших месторождений пород, в которых возможны включения высокореакционноспособных пород. Между ними имеются значительные расхождения. Таким образом, можно предположить, что о многих случаях ЩКР до сих пор не сообщалось. Даже если они до сих пор не отмечались в некоторых регионах, возможность их существует, о чем позволяют говорить знание геологии и существующий опыт в отношении ЩКР.

Рис. 7. Карта зарегистрированных случаев ЩКР

Рис. 8. Расположение месторождений пород, содержащих реакционноспособные компоненты

4. Пример ЩКР в Таиланде

4.1. Геологические и географические характеристики Таиланда

С геологической точки зрения Таиланд располагается в Альпийской горообразующей зоне, продолжающейся от Индонезии к Альпам, и делится на три области: параплатформа Шан Тай на западе, платформа Хорат Контум на востоке, подвижный пояс Юннан-Малай в средней части страны. Существуют значительные различия между Японией и Таиландом, например, геологический возраст пород в этих странах совершенно разный. Бóльшая часть территории Японии в основном сложена кайнозойскими вулканическими породами. Их сопровождают некоторые мезозойские и палеозойские метаморфические или другие породы. Таиланд же расположен на мезозойских и палеозойских пластах, изменяющихся вследствие различных тектонических движений. Это означает, что любая горная порода на территории Таиланда может медленно реагировать и расширяться из-за присутствия скрыто- или микрокристаллического кварца, образованного путем метаморфизма, милонитизации и катакластической деформации. Кроме того, необходимо обратить внимание на присутствие халцедона в каждом типе пород. Понимая эти особенности геологии, можно предсказать поведение заполнителей, изготовленных из этих пород. Очевидно, чтобы обнаружить реакционноспособный заполнитель в Таиланде, необходимо использовать метод ASTM C 1260. Тем не менее в жарком и влажном климате Таиланда существует также возможность присутствия опала в некоторых заполнителях. Для такого типа заполнителя может потребоваться метод испытаний с использованием призм из бетона, такой как RILEM AAR-3 или AAR-4.

4.2. Исследования поврежденной конструкции

В Таиланде повреждениям подверглось множество автострад, в основном их фундаменты (рис. 9). В табл. 2 представлены результаты исследования бетона (методом оптической микроскопии шлифов) из четырех конструкций, поврежденных в разной степени. Необходимые пояснения приведены в табл. 3. Основной заполнитель, вызывающий ЩКР — гранитный милонит, содержащий скрыто- и микрокристаллический кварц. Гранит — крупнозернистая вулканическая порода — подвергается милонитизации при тектонических движениях в ходе континентального дрейфа, при этом размер его зерен уменьшается до незаметного даже под оптическим микроскопом (менее нескольких микрометров). Кроме того, другие типы пород, такие как известняк, роговик и сланец, содержат некоторое количество реакционноспособного скрыто- и микрокристаллического кварца. Все эти типы пород распространены во многих местах Таиланда вследствие его геологической специфики.

Рис. 9. Вид сооружений с повреждениями, обусловленными ЩКР

На рис. 10 показана микрофотография поврежденного бетона. Трещины выходят из гранитного милонита и проникают в цементную пасту, окружающую заполнитель. Они заполнены щелоче-силикатным гелем (в заполнителе) и эттрингитом (в цементном камне). По сравнению с заполнителем, в цементном камне содержится очень немного щелоче-силикатного геля. Существует вероятность того, что бóльшая часть щелоче-силикатного геля была замещена эттрингитом. Как уже сообщалось [4], эттрингит обнаруживается в различных местах, заполняя поры и трещины. Изредка на строительных объектах в Японии также обнаруживались скопления эттрингита в порах бетона и в виде текстуры замещения щелоче-силикатного геля.

Рис. 10. Микрофотография текстуры в поврежденном бетоне (плоскополяризованный свет)

На рис. 11 приведена микрофотография текстуры гранитного милонита. На ней в изо­билии виден деформированный скрыто- или микрокристаллический кварц, порож­денный милонитизацией.

Рис. 11. Микрофотография текстуры гранитного милонита (кросс-поляризация)

В табл. 4 приведены предполагаемые химические составы использованных в повреж­денном бетоне цементов и состав японского рядового портландцемента. Между ними существует значительная разница. Поскольку содержание SO₃ в тайском цементе выше, а концентрация сульфат-ионов в окружающей среде, где располагаются поврежденные структуры, ограничена, именно сульфат-ионы из цемента могут быть причиной образования больших количеств эттрингита [12]. Установить, по какой причине образовались трещины — из-за отложенного образования эттрингита или ЩКР, — трудная задача. Ключ к пониманию состоит в характере заполнения трещин [13]. Эттрингит имеет относительно высокую растворимость и поэтому легко перемещается и переосаждается в бетоне. Отложенное образование эттрингита, как полагают, происходит благодаря его формированию внутри геля C—S—H, где эттрингит уже не может снова раствориться и переотложиться в других местах. Видимые скопления эттрингита в пустотах и трещинах — это вторично образованный эттрингит, и он не является причиной повреждений. Если открытые трещины, наблюдаемые внутри заполнителя, не заполнены щелоче-силикатным гелем, это может быть свидетельством расширения цементной пасты благодаря отложенному образованию эттрингита. В таких случаях трудно игнорировать значение этого процесса, но очевидных подтверждений отложенного образования эттрингита в данном исследовании не наблюдалось.

4.3. Возможность формирования опала в граните

На рис. 12 показана поверхность среза поврежденного бетона. Есть типичные признаки присутствия щелоче-силикатного геля, окружающего реакционноспособный заполнитель. Области вокруг частиц белого гранита, в отличие от других областей, выглядят влажными из-за более темного цвета. Гель, вытекший из сердцевины заполнителя, присутствует в этой темной части. Трещины в частицах гранита заполнены типичным щелоче-силикатным гелем (рис. 13 и 14).

Рис. 12. Поперечный срез бетона, на котором виден щелоче-силикатный гель, выделяющийся из частиц гранита

Рис. 13. Микрофотография частицы гранита в бетоне (в плоско­поляризованном свете)

Рис. 14. Электронно-микроскопический снимок трещины, заполненной гелем

Интересная текстура наблюдается и на других участках. На рис. 15 показан фрагмент границы зерна, возможно, аморфных материалов, таких как опал и аллофан (гид­ратированный алюмосиликат). В граните, как правило, содержится слюда, которая, как полагают, может измениться и сформировать эти минералы. Под изменением, которое в данном случае относится к диагенезу, в геологии подразумевается понятие, означающее изменение породообразующих минералов вследствие какого-либо воздействия, связанного с водой, такого как гидротермальная активность, погодные условия и др. Это явление распространено в жарком и влажном климате Юго-Восточной Азии. Соотношение между годовым количеством осадков и изменением глинистых минералов по данным работы [14] показано на рис. 16. При большом количестве осадков диоксид кремния высвобождается из алюмосиликата, и в породе остаются минералы, обогащенные оксидом алюминия. Это означает, что кремнезем будет способен перемещаться и сможет отложиться в виде аморфного кремнезема, такого как опал. Вместе с тем аморфный кремнезем может осаждаться из грунтовых вод. Поэтому в странах Юго-Восточной Азии важно помнить о присутствии опала в любом заполнителе. Опал представляет собой аморф­ный материал, и его невозможно обнаружить при помощи рентгеновской дифракции. Единственный и простой способ его обнаружения — наблюдение тонких шлифов под оптическим микроскопом в поляризованном свете. Если помнить об этом, можно обнаружить его при диагностике ЩКР.

Рис. 15. Микрофотография измененных продуктов, обнаруженных в граните (в плоскополяризованном свете).

Рис. 16. Соотношение между количеством осадков и изменениями в составе глинистых минералов [14]

5. Выводы

Основные заполнители, вызывающие ЩКР на строительных объектах в Японии — это высокореакционноспособные породы, такие как андезит. Исходя из этого для испытания использовали традиционные химический метод и метод растворных балочек, а ограничение общего содержания щелочей значением 3,0 кг/м³ являлось основной контрмерой. Тем не менее очевидно, что использование указанных методов имеет ограничения, поэтому в техническом комитете Института бетона Японии (JCI) будет обсуждаться и подготавливаться пересмот­ренная методика.

Для разработки новых мер профилактики важно знать механизм разрушения бетона. В качестве примера бетонные конструкции в Таиланде, поврежденные в результате ЩКР, были исследованы с помощью петро­графического анализа. Скрыто- и микрокристаллический кварц в милоните гранита был основным минералом, вызывающим расширение. Кроме того, с позиций геологии, существует возможность образования опала (за счет изменения минералов) и обуслов­ленных этим повреждений, характерная для жаркого и влажного климата Юго-Восточной Азии.

Благодарность

Авторы благодарят проф. Т. Сомнук (T. Somnuk) (Tammasat University) за предоставление информации о бетонных конструкциях в Таиланде, а также д-ра Т. Катаяма (T. Katayama) (Taiheiyo Consultant Co. Ltd.) за технические консультации и помощь в написании этой статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Stanton T.E. Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate // ASCE. 1940. Vol. 66. P. 1781—1811.

2. Katayama T. The so-called alkali-carbonate reaction (ACR) — Its mineralogical and geochemical details, with special reference to ASR // Cement and Concrete Res. 2010. Vol. 40. P. 64—675.

3. Kawamura M., Yanaba M. Mechanism of alkali silica reaction (на японском языке) // Concrete J. 1984. Vol. 22. P. 6—15.

4. Collaboration report on controlling of alkali aggregate reaction by limiting alkali amount in cement (на японском языке) // Japan cement association. Public works research institute, Japan cement association. Collaboration Report. 1989. 25.

5. Yamada K. ASR problems in Japan // 7th Annual Concrete Conf. Rayong, Keynote. 2011. P. 26—35.

6. Torii K., et al. Technical Committee on Time-dependent Behavior of Cement-based Materials [Электронный ресурс] www.jci-net.or.jp/j/jci/study/tcr/tcr2008/TC062A.pdf (дата доступа 25.03.15].

7. Matsuda Y., et al. The preventive method of alkali-silica reaction uniquely established by JR East // Concrete journal. 2012. Vol. 50, N 8. P. 669—675.

8. Koga H., et al. Alkali-silica reactivity of aggregate in Japan verified by 23-years exposure test // J. of Japan Society of Civil Engineers, Ser. E2 (Materials and Concrete Structures). 2013. Vol. 69, N 4. P. 361—376 (на японском языке).

9. Yamada K., et al. Technical committee on ideal and present forms against ASR diagnosis // JCI-TC115FS. 2014. [Электронный ресурс] www.jci-net.or.jp/~tc115a/ [дата доступа 25.03.15)] (на японском языке).

10. Yamada K. Continuing alkali silica reaction, what is not enough? First part // Cement & Concrete. 2012. Vol. 785. P. 40— 49 (на японском языке).

11. Obana Y., Torii K. Case studies on deterioration of ASR-affected PC and PCa members // Proc. of the Japan Concrete Institute. 2008. Vol. 30, N 1. P. 1065—1070 (на японском языке).

12. Baingam L., et al. Diagnosis of a combined alkali silica reaction and delayed ettringite formation // Tammasat International J. of Sci. and Techn. 2012. Vol. 17, N 4. P. 22—35.

13. Thomas M., et al. Diagnosing delayed ettringite formation in concrete structures // Cement and Concrete Res. 2008. Vol. 38, N 6. P. 841—847.

14. Barshad I. The effect of a variation in precipitation on the nature of clay mineral formation in soils from acid and basic igneous rocks // Inter. Clay Conf., Jerusalem, 1966. Vol. 1. P. 167—173.