Повышение долговечности бетона при помощи добавки молотого гранулированного доменного шлака

РЕФЕРАТ. Штат Гуджарат в Индии имеет береговую линию длиной более 1000 км. Прилегающие к ней области характеризуются засоленностью почв, высоким содержанием сульфатов и хлоридов в воде и другими особенностями, поэтому все больше возрастает спрос на долговечный конструкционный бетон, способный противостоять агрессивной среде приморских окрестностей. Цементные компании в последнее время приступили к изучению использования молотого гранулированного доменного шлака (МГДШ) для решения проблем, связанных с долговечностью бетона, применяющегося на строительстве различных объектов в Гуджарате. Современная тенденция заключается в использовании МГДШ для замещения им 40—50 масс. % клинкера. Авторы данной статьи изучили перспективы замещения шлаком до 60 масс. % цемента, чтобы обеспечить требуемые показатели долговечности бетона марки M25 при различных испытаниях. Были приготовлены три бетонные смеси с замещением шлаком 0, 40 и 60 масс. % цемента. Результаты испытаний кислотоустойчивости показали более высокую потерю массы и более значительное снижение прочности при сжатии для контрольного бетона по сравнению с бетоном, содержащим шлак (шлакобетоном). Результаты испытаний на стойкость к воздействию сульфатов и хлоридов показали, что бетоны со шлаком сопоставимы по потерям массы и прочности с контрольным бетоном. Согласно результатам ускоренного испытания устойчивости арматуры к коррозии, с ростом содержания шлака скорость коррозии арматуры уменьшается. Шлакобетон имеет лучшие показатели в сравнении с контрольным бетоном по данным экспресс-теста на проницаемость хлоридов. В целом можно утверждать, что увеличение дозировки МГДШ привело к повышению качества бетона в отношении свойств, характеризующих его долговечность.

Ключевые слова: портландцемент, молотый гранулированный доменный шлак, химическое воздействие, коррозия, ускоренное испытание на проницаемость хлоридов.

Keywords: OPC, GGBS, chemical attacks, accelerated corrosion, rapid chloride penetration test.

Введение

С учетом экологических особенностей прибрежного региона штата Гуджарат шлакобетон имеет потенциал для повышения долговечности конструкций строящихся здесь объектов. Установлено, что добавление молотого гранулированного доменного шлака (МГДШ) в бетон способствует повышению его долговечности. В Гуджарате расположены крупнейшие предприятия, которые в принципе обладают потенциалом для производства МГДШ. В штате предполагается создание цементных заводов, производящих шлакопортландцемент с содержанием 40 масс. % шлака, что должно привести к снижению производственных затрат, экономии энергии и сокращению объема отходов.

В работе [1] отмечено, что добавление до 50 масс. % МГДШ в сочетании с другими цементозамещающими материалами (золой-уносом и микрокремнеземом) положительно влияет на долговечность бетона. Авторы работы [2] исследовали влияние МГДШ в дозировке 50 и 70 масс. % на сульфатную и кислотную коррозию портландцементных связующих и пришли к выводу, что устойчивость к ней в присутствии шлака значительно повышается. В работе [3] приведены результаты испытаний воздействия на бетон 1 %-й серной кислоты и 3 %-й соляной кислоты и показано, что частичное замещение цемента МГДШ и золой рисовой шелухи (соответ­ственно 22,5 и 7,5 масс. %) обеспечивает более высокую стойкость бетона в этих средах по сравнению с контрольным образцом. В работе [4] исследовано влияние МГДШ в количестве 30 и 50 масс. % на устойчивость бетона в растворе MgSO₄. Отмечено, что при увеличении массовой доли шлака повышается устойчивость бетона к воздействию сульфата. В работе [5] исследовано воздействие электрического тока на бетон, содержащий 0, 25 и 50 масс. % МГДШ; наилучшими показателями обладал состав с 25 масс. % шлака. Авторы работы [6] исследовали влияние замещения цемента шлаком (0, 25, 50 и 75 масс. %) на проникновение хлоридов в бетон экспресс-методом. Отмечено, что проницаемость бетона значительно уменьшается с ростом содержания МГДШ.

Цель исследования

Современная тенденция заключается в использовании МГДШ для замещения им до 40 масс. % клинкера. Предполагается, что еще большее увеличение степени замещения клинкера будет способствовать большей долговечности бетона. Поэтому в данной работе изучены перспективы замещения до 40 и 60 масс. % цемента шлаком. Сравнивались устойчивость бетона со шлаком и обычного бетона марки M25 в условиях различных испытаний на долговечность.

Программа эксперимента

Использованные материалы и рецептура бетонной смеси

Материалы. Свойства использованных цемента и МГДШ приведены в табл. 1 и 2 соответственно. Свойства заполнителей, определенные в соответствии с нормативом IS 383–1970 [10], приведены в табл. 3. Используемый в исследовании песок относится к категории II.

Состав бетонной смеси. Состав смеси для изготовления бетона марки М25 подбирался в соответствии с IS 10262 [11]. Для приготовления бетонной смеси требуется портландцемент класса 53, расход которого — 320—450 кг/м³. Максимальный размер зерен крупного заполнителя — 20 мм. Водоцементное отношение не должно превышать 0,50; осадка конуса — 100 мм. Расход компонентов на 1 м³ приготовленной бетонной смеси приведен в табл. 4. Дозировка суперплас­тификатора на основе поликарбоксилатного эфира (0,7 % массы цемента) установлена с помощью конуса Марша. Обозначения, используемые в статье для различных составов бетона: M25 — состав без МГДШ; M25–2 и M25–3 — составы, в которых соответственно 40 и 60 масс. % цемента замещены МГДШ.

Методы испытаний

Испытания бетонов на кислотостойкость и устойчивость к воздействию сульфатов и хлоридов определяли в соответ­ствии с требованиями стандарта IS 4456 [12] по остаточной прочности при сжатии и изменению массы после воздействия реагента. При каждом испытании три образца бетона каждого состава в 28-суточном возрасте в виде кубов с длиной ребра 150 мм погружали на 30, 60 и 90 сут в 5 %-й раствор H₂SO₄, 5 %-й раствор Na₂SO₄ или 5 %-й раствор NaCl. Значение рН раствора поддерживали на уровне 3, 8 или 7 соответственно и проверяли его каждые 15 сут.

Ускоренное испытание на коррозию арматуры [5]. Изготавливали бетонные цилиндры диаметром 150 мм и высотой 300 мм, закладывая в каждый образец два стержня диаметром 8 мм: один — из стали марки HYSD, другой — из нержавеющей стали. Цилиндры погружали в емкость с 5 %-м раствором NaCl. Стержень из стали HYSD подсоединяли к положительной клемме источника постоянного тока (аноду), а стержень из нержавеющей стали — к отрицательной клемме (катоду) (рис. 1). Напряжение постоянного тока устанавливали равным 30 В. Значения силы тока контролировали и записывали для каждого конкретного образца с использованием мультимет­ра. После завершения испытаний образцы ломали пополам при помощи пресса таким образом, чтобы на одной из половин обнажить арматуру. Степень коррозии арматуры определяли визуально и по уменьшению диа­метра арматуры в образцах.

Рис. 1. Схема установки для ускоренного испытания на коррозию арматуры

Экспресс-тест на проницаемость бетона для хлоридов (ASTM C1202) [13]. Для каждого состава изготавливали по три образца-цилиндра диаметром 150 мм и высотой 50 мм и хранили их в воде в течение 28 сут. После извлечения из воды цилиндры вытирали тканью для удаления с них остатков воды и выдерживали в камере в условиях 95 %-й влажности в течение 2 ч. После этого боковую поверхность покрывали водонепроницаемой краской, чтобы ограничить влагообмен образца.

Цилиндрический образец вставляли в электрохимическую ячейку, состоящую из двух одинаковых камер из полиметилметакрилата (рис. 2). Каждая камера содержала электропроводящую сетку и внешние провода. Между образцом и ячейкой наносился герметик во избежание протечек. Часть ячейки, контактирующую с верхней поверхностью образца, заполняли 3,0 %-м раствором NaCl. Указанная часть ячейки соединена с отрицательной клеммой источника питания. Другая часть ячейки подключена к положительной клемме источника питания и заполнена 0,3Н NaOH. На ячейку подавали напряжение 60 В. Для каждого образца регистрировали начальное значение тока, затем показания регистрировали каждые 30 мин в течение 6 ч.

Рис. 2. Установка для экспресс-теста на проницаемость бетона для хлоридов

Результаты экспериментов и их обсуждение

Тест на кислотостойкость. Данные об изменении массы для каждого состава при испытаниях бетонов на кислотостойкость приведены в табл. 5. Наибольшие потери массы (11,53 %) были у контрольного образца после воздействия кислоты в течение 90 сут. Состав M25–3 имеет незначительные потери массы — в пределах 2—5 %. Таким образом, эти потери возрастают со временем экспозиции и сокращаются с увеличением дозировки МГДШ.

В табл. 6 приведены данные о прочности при сжатии образцов до и после воздей­ствия на них кислоты. Прочность контрольных образцов снизилась в большей степени, чем прочность образцов из шлакобетона. С увеличением дозировки МГДШ улучшается сопротивление бетона кислотному воздей­ствию.

Тест на устойчивость к сульфатам. В табл. 7 приведены значения прочности при сжатии образцов после сульфатного воздействия. Во всех случаях имело место увеличение массы образцов до 1 % из-за проникновения сульфатов в бетон.

Прочность при сжатии всех образцов снижалась после воздействия сульфата: в наибольшей степени — для контрольного бетона, в наименьшей — для состава M25–3.

Тест на устойчивость к хлоридам. Пос­ле выдерживания образцов в растворе хлорида натрия наблюдалось незначительное увеличение их массы. Прирост массы становился более выраженным при увеличении продолжительности воздействия. Повышение массы можно рассматривать как результат проникновения хлорида в бетонные образцы.

В табл. 8 приведены данные о прочности бетона при сжатии до и после хлоридного воздействия. Прочность при сжатии шлакобетона находится на одном уровне с прочностью контрольного бетона. Шлакобетоны демонстрируют лучшую устойчивость к воздействию хлоридов по сравнению с контрольным бетоном. Более высокая дозировка размолотого МГДШ обеспечивает наибольшую устойчивость бетона к хлоридам.

Ускоренный тест коррозии арматуры. На рис. 3 приведена зависимость силы тока от времени (продолжительность эксперимента составила 13 сут); сила тока измерялась ежедневно. Ток, проходивший по арматуре контрольного образца, был выше, чем проходивший по арматуре шлакобетонных образцов. Более высокие значения силы тока свидетельствуют о меньшей коррозионной устойчивости контрольного бетона. Бетон состава M25–3 имел наилучшие показатели.

Рис. 3. Значения силы тока для бетонных смесей во время ускоренного теста на коррозию

На рис. 4 показан внешний вид образцов бетона после завершения испытания. По сравнению с другими образцами образец M25–1 сильно поврежден и имеет широкие трещины. Образец M25–3 оказался наиболее устойчивым, видимых трещин на нем не наблюдалось.

Рис. 4. Образцы после ускоренного теста на коррозию

В табл. 9 приведены значения диаметра арматуры образцов после завершения испытания. В случае контрольного образца диаметр арматуры уменьшился на 2,21 мм. В случае образца M25–3 имело место наименьшее сокращение диаметра — лишь на 0,26 мм.

На рис. 5 показано, что арматура кон­трольного бетона полностью корродирована. Внешняя поверхность арматурного стержня образца M25–2 проржавела по всей длине. На арматуре образца M25–3 признаков коррозии не наблюдалось.

Рис. 5. Внешний вид и состояние арматуры после ускоренного теста на коррозию

Экспресс-тест на проницаемость для хлорид-ионов. На рис. 6 приведена зависимость силы тока от времени для исследуемых составов бетона. Силу тока регистрировали каждые 30 мин. 

Рис. 6. Результаты экспресс-тест на проницаемость бетонных смесей для хлоридов

Площадь под кривой характеризует полный заряд, прошедший через соответствующий образец. Заряд вычислялся по правилу трапеции:

Q = 900 (I₀ + 2I₃₀ + …. + 2I₃₀₀ + 2I₃₃₀ + 2I₃₆₀),

где Q — суммарный заряд (в кулонах); I_o — сила тока (в амперах) сразу после приложения напряжения; I_t — сила тока через время t (в минутах) после подачи напряжения.

В табл. 10 приведены результаты экс­пресс-теста на проникновение хлоридов. Шлакобетоны более устойчивы к проникновению хлорид-ионов по сравнению с кон­трольным бетоном. Образец M25–3 имел существенно более низкую проницаемость по сравнению с образцом M25–2.

Выводы

Воздействие кислоты на контрольный бетон приводит к наиболее высоким потерям массы и наибольшему снижению прочности при сжатии. Бетоны с замещением 40 и 60 масс. % цемента на МГДШ показали высокую кислотостойкость. Самая высокая дозировка МГДШ обеспечивает наибольшую кислотостойкость бетона.

В сульфатной среде масса бетонных образцов возрастает. Прочность при сжатии шлакобетонов находится на одном уровне с прочностью контрольного бетона. Более высокая дозировка МГДШ в бетонных смесях обеспечивает наибольшую устойчивость бетона в сульфатной среде.

Увеличение массы всех образцов наблюдается после их выдерживания в растворе хлорида натрия. Прочность при сжатии шлакобетона находится на одном уровне с проч­ностью контрольного бетона. Шлакобетоны демонстрируют лучшую устойчивость к воздействию хлоридов по сравнению с контрольным бетоном. Более высокая дозировка размолотого МГДШ обеспечивает наибольшую устойчивость бетона к хлоридам.

Во время ускоренного испытания арматуры на устойчивость к коррозии сила тока, проходившего через арматуру для контроль­ных образцов бетона, была выше, чем у проходившего через арматуру для шлакобетонных образцов. В результате диаметр арматуры в контрольном образце уменьшился в большей степени, чем в шлакобетонах. Таким образом, устойчивость к коррозии возрас­тает с увеличением дозировки МГДШ.

Заряд, проходивший через шлакобетон, был меньше по сравнению с зарядом, проходившим через контрольный бетон, что видно из результатов теста RCP (экспресс-теста на проницаемость хлоридов). Таким образом, шлакобетон обладает более высокой устойчивостью к проникновению хлорид-ионов по сравнению с контрольным бетоном. Снижение проникновения хлорид-ионов наблюдается с увеличением содержания шлака в бетоне.

Из всех результатов и наблюдений можно сделать вывод, что шлакобетон обладает лучшими показателями по сравнению с кон­трольным бетоном. Увеличение дозировки МГДШ приводит к более высоким показателям долговечности бетона.

Благодарности

Авторы благодарны директору технологического института Университета Нирма (Ахмедабад, Индия) за разрешение на проведение настоящего исследования и опуб­ликование его результатов. Авторы благодарны также компании Hi-bond cement (Ахмедабад, Индия) за техническую поддержку исследования и компании Stallion energy ltd. (Раджкот, Индия) за предоставление шлака.

ЛИТЕРАТУРА

1. Elahia A., Basheerb P.A.M., Nanukuttanb S.V., Khana Q.U.Z. Mechanical and durability properties of high performance concretes containing supplementary cementitious materials // Construction and Building Materials. 2010. Vol. 24, N 3. P. 292—299.

2. O’Connell M., Mcnally C., Richardson M.G. Performance of concrete incorporating GGBS in aggressive wastewater environment // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 27, N 1. P. 368—374.

3. Gadpalliwar Sonali K., Deotale R.S., Narde Abhijeet R. To study the partial replacement of cement by GGBS & RHA and natural sand by quarry sand in concrete // J. of Mechanical and Civil Engineering. 2014. Vol. 11. P. 69—77.

4. Pavia S., Condren E. Study of the durability of OPC versus GGBS concrete on exposure to silage effluent // J. of Materials in Civil Engineering. 2008. Vol. 20, N 8. P. 313—320.

5. Topuc I., Boga A. Effect of ground granulated blast-furnace slag on corrosion performance of steel embedded in concrete // Material and Design. 2010. Vol. 31, N 7. P. 3358—3365.

6. Aldea C., Young F., Wang K., Shah S. Effects of curing conditions on properties of concrete using slag replacement // Cement and Concrete Res. 2000. Vol. 30, N 3. P. 465—472.

7. Specification for 53 grade ordinary Portland cement. No. 12269. Bureau of Indian Standards, 1987.

8. Specification for Granulated slag for the manufacture of Portland slag cement. No. 12089. Bureau of Indian Standards, 1987.

9. Method of test for Pozzolanic materials. No. 1727. Bureau of Indian Standards, 2009.

10. Specification for coarse and fine aggregates from natural sources for concrete. No. 383. Bureau of Indian Standards, 1970.

11. Concrete mix proportion guidelines. No. 10262. Bureau of Indian Standards, 2009.

12. Methods of test for chemical resistant mortars. No. 4456–1. Bureau of Indian Standards, 1967.

13. Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration. C1202. American Society for Testing and Materials.