Щелоче-силикатная коррозия в легких бетонах на цементном вяжущем с пористым заполнителем на основе гранулированного пеностекла

РЕФЕРАТ. Применение гранулированного пеностекла в производстве легких портландцементных бетонов не может не вызвать вопросов о том, насколько это повышает риск развития щелоче- силикатных реакций и щелочной коррозии в теле бетона. В работе исследованы проявления щелоче-силикатной коррозии в легких бетонах на основе гранулированного пеностекла марки «Неопорм» (ЗАО «Компания «СТЭС-Владимир», г. Владимир). Проведены ускоренные испытания на расширение бетонных образцов, а также дополнительные микроструктурные и физико-механические исследования образцов после проведения испытаний. При проведении ускоренных и долгосрочных испытаний по ГОСТ 8269.0 были выявлены признаки протекания щелоче-силикатных реакций (ЩСР) в образцах легких бетонов, содержащих пеностекло, хотя расширение образцов ни в одном из случаев не вышло за пределы допустимых значений, установ- ленных ГОСТ. Щелоче-силикатный гидрогель, образующийся в ходе испытаний при взаимодействии пеностекла со щелочами поровой жидкости, откладывается в пустотах легкого заполнителя, что является фактором, сдерживающим проявление негативных последствий ЩСР.

Ключевые слова: легкие бетоны, гранулированное пеностекло, щелоче-силикатные реакции.

Keywords: lightweight concrete, granulated foam glass, alkali-silica reactions.

1. Введение

В последние годы активно развиваются исследования в области производства и применения гранулированного пеностекла (ГПС) и пеностеклокерамики — продуктов переработки пиропластическим методом кремнистых пород и отходов стекольной промышленнос­ти [1]. Данные материалы представляют собой гранулы, кристаллическая структура которых состоит из замкнутых ячеек сферической и гексагональной формы и отличающиеся высокими физико-механическими и теплотехническими свойствами при относительно невысокой средней насыпной плотности. В настоящее время на рынке наблюдается тенденция расширения номенклатуры теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов в связи с тем, что ГПС все чаще применяется в штукатурках, растворах и бетонах на цементном вяжущем. Множество предприятий, такие как Ivsil, Murexin, Arbon, «Тиги Крамер», Baugran, «Победит», «ВосЦемПродукт», «Теплая штукатурка», Dennert Poraver, уже используют подобные материалы при изготовлении своей продукции.

Вообще говоря, применение ГПС в цемент­ных системах может вызвать щелоче-силикатные реакции (ЩСР) и щелочную коррозию в бетоне [2, 3]. Поэтому исследование свойств легких бетонов с заполнителями на основе гранулированного пеностекла (бетонов с ГПС) касается в том числе его устойчивости к ЩСР и долговечности. Щелочная коррозия проявляется в виде образования гелеобразных продуктов реакции на границе раздела фаз заполнитель—цементный камень, что способствует возникновению внутренних напряжений, разрушающих бетон. Проблеме ЩСР уделялось и уделяется большое внимание [4—7].

В работе [8] приведены результаты микроструктурных исследований содержащих ГПС образцов, в возрасте 1 года. Эти исследования не выявили продуктов взаимодействия заполнителя с цементной матрицей. Однако, как известно, щелоче-силикатная коррозия может проявиться и в более позднем возрас­те. В работе [9] приведены результаты исследований деформации образцов бетона на основе ГПС марки «Пеноситал» с применением ускоренных методов испытаний. Согласно этим результатам, деформации образцов не превысили допустимых пределов. Авторы связывают это со структурными особенностями исследуемого кремнеземного заполнителя: частичной закристаллизованностью его поверх­ностного слоя. Однако большинство известных материалов, представляющих собой пеностекло, являются полностью рентгеноаморфными. В работах [10, 11] отмечается высокая химическая активность ГПС при взаимодействии с щелочами бетона. Вместе с тем незначительные деформации образцов бетона с ГПС свидетельствуют об отсутствии негативных последствий, вызванных ЩСР в теле бетона с ГПС. При этом в работах [2, 3] отмечено значительное линейное расширение образцов бетона с ГПС, что ставит под сомнение возможность применения ГПС в цемент­ных системах.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют однозначные представления о безопасности применения ГПС в бетонах, что отчасти обусловлено отсутствием адекватных методов испытаний подобных материалов на устойчивость к щелочной коррозии [12]. Чтобы охарактеризовать проявление ЩСР в каж­дом конкретном случае применения ГПС в портландцементных бетонах, требуется комплекс­ное исследование, включающее в себя и методы определения реакционной способности заполнителя, и методы физико-химического анализа структуры бетона и заполнителей.

Цель настоящей работы — исследование реакционной способности ГПС марки «Неопорм» (ЗАО «Компания «СТЭС-Владимир», г. Владимир) в составе портландцементных бетонов.

2. Методика эксперимента и материалы

Размер гранул исследованного ГПС не превышал 5 мм. Его фракционный состав по данным ситового анализа приведен в табл. 1.

В качестве вяжущего для изготовления образцов легкого бетона применялся портланд­цемент марки ЦЕМ I 42.5 Н.

Активность ГПС в отношении участия в ЩСР исследовалась по методикам, приближенным к ГОСТ 8269.0—97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний».

Химический и фазовый анализы заполнителя выполнены с использованием метода рентгенофлуоресцентной спектроскопии на приборе ARL ADVANT'X и метода рент­геновской дифрактометрии на приборе XRD 3003 TT (Seifert) соответственно.

Химический состав ГПС и цемента по данным рентгенофлуоресцентного метода приведены в табл. 2. Содержание Na₂O_экв в цементе составляло 0,87 %.

Чтобы определить содержание растворимого SiO₂ в ГПС, по 1 г каждой фракции ГПС поместили в отдельные полипропиленовые колбы объемом 60 мл и добавили по 10 мл 1М NaOH. Выбранное соотношение между раствором NaOH и заполнителем выше по сравнению с указанным в ГОСТ 8269.0 (25 мл 1М NaOH на 25 г заполнителя), что обусловлено поризованной структурой ГПС. Колбы герметично закрыли и выдержали 24 ч при 80 °С. Каждые 6 ч содержимое колб взбалтывали. Через 24 ч растворы профильтровали и определили содержание в них SiO₂ методом оптической эмиссионной спектроскопии на спектрометре Optima 7000 DV.

Для проведения дальнейших испытаний (по ускоренной и долгосрочной методикам в соответствии с ГОСТ 8269.0) был подобран состав легкого бетона, содержащего ГПС в каче­стве заполнителя. Прочность бетона составила 5—6 МПа при плотности 750— 800 кг/м³. Состав бетона с ГПС, оптимизированного по этим характеристикам, подобрали с применением аппарата математического планирования эксперимента. В результате была принята следующая рецептура бетонной смеси, кг/м³: ГПС — 140, цемент — 360, вода — 180. Для использования в составе бетона подобран следующий фракционный состав ГПС, масс. %: 0,16—0,63 —7,5; 0,63— 1,25—12,5; 1,25—2,5—20; 2,5—5— 60.

И для ускоренного, и для долгосрочного методов на расширение бетонных призм были изготовлены балочки размерами 160 × 40 × 40 мм. В формы предварительно были установлены специальные реперы для последующих измерений линейных деформаций образцов. Для приготовления балочек использовались образцы бетонной смеси подобранного состава: контрольные — без добавления дополнительной щелочи в композит (в случае ускоренных и долгосрочных испытаний), а также с добавкой NaOH c водой затворения, при которой достигалось содержание Na₂O_экв, равное 1,72 и 2,58 % массы цемента (при долгосрочных испытаниях).

При ускоренном методе через 1 сут хранения в условиях 100 %-й влажности образцы распалубили и выдерживали 1 сут в дистиллированной воде при температуре 80 °С. Затем образцы поместили в полиэтиленовые пакеты и охлаждали в течение 4 ч при 20 ± 2 °С. Далее первый раз измерили длину образцов на электронном индикаторе часового типа. Далее образцы хранили в 1М растворе NaOH при 80 °С и соотношении между объемами образцов и раствора, равном 1,0 : 1,6, ежесуточно измеряя длину образцов. Перед замером образцы охлаждали в полиэтиленовом пакете в течение 4 ч при 20 ± 2°С. Общая продолжительность испытаний составила 14 сут. 

Испытывали по четыре образца каждого состава, за результат брали среднее арифметическое значение относительных удлинений образцов. Для сравнения отдельную серию образцов хранили в дистиллированной воде при прочих одинаковых условиях.

При долгосрочном испытании их распалубили через 48 ч хранения при 20 °С в условиях 100 %-й влажности. После распалубки образцы выдержали в течение 24 ч в климатической камере при 40 °С и 100 %-й влажности. Затем образцы охладили при комнатной температуре в течение 8 ч и первый раз измерили их длину. В дальнейшем образцы хранили в этих же условиях, измеряя их длину 1 раз в месяц. Перед каждым измерением образцы охлаж­дали при комнатной температуре в течение 8 ч. Продолжительность эксперимента составила 12 мес. Для сравнения отдельную серию образцов после первоначального измерения длины хранили 12 мес. при температуре 20 °С и влажности 60 %, т. е. в условиях, не стимулирующих протекание ЩСР, измеряя деформации с той же периодичностью.

После завершения всех испытаний были проведены микроструктурные и физико-механические исследования образцов. Микроструктурные исследования образцов выполнили с применением растрового электронного микроскопа XL 30 ESEM (Philips FEI) с аналитической приставкой энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии EDX-System quantax 400 (Bruker).

3. Результаты и обсуждение

По данным рентгенофлуоресцентного анализа, содержание SiO₂ в ГПС — около 70 %, а рентгенофазовый анализ показал полную рентгеноаморфность ГПС, т. е. заполнитель, как и следовало ожидать, преимущественно представлен стекловидной фазой.

Cодержание растворимого SiO₂ для зерен различных фракций ГПС было практически одинаковым (320—330 ммоль/л). При этом следует учесть, что в ходе эксперимента использовалось соотношение между объемом раствора NaOH и навеской ГПС, сильно завышенное по сравнению со значением, указанным в ГОСТ. Таким образом, в целом можно заключить, что для ГПС имеет место значительное превышение допустимого предела по содержанию растворимого SiO₂ (50 ммоль/л), принятого в ГОСТ 8269.0 и условно разграничивающего неактивные и реакционноспособные в отношении ЩСР заполнители. В данном случае, однако, очень высокие значения содержания растворимого SiO₂ могут свидетельствовать также о высокой пуццолановой активности ГПС, обусловленной его высокой степенью поризованности. Четкой границы между реакционноспособностью в отношении ЩСР и пуццолановыми свойствами, как известно, не существует [12, 13].

Как правило, материалы, представляющие потенциальную опасность в отношении ЩСР, с увеличением дисперсности и удельной поверхности частиц приобретают пуццолановые свойства и способность ингибировать ЩСР. Таким образом, результаты данного метода не позволяют однозначно прогнозировать предрасположенность ГПС к участию в ЩСР.

Кривые линейного расширения образцов бетона с ГПС одного состава, выдержанных в 1М растворе NaOH и в дистиллированной воде, полученные при применении ускоренного метода, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Линейные деформации образцов в условиях ускоренной методики испытаний. Среда хранения: 1 — 1М раствор NaOH, 2 — дистиллированная вода

На рис. 2 приведены кривые линейного расширения образцов бетона с ГПС при различных значениях Na₂O_экв (0,87; 1,72 и 2,58 масс. %) в условиях долгосрочного метода испытаний.

Рис. 2. Линейные деформации образцов бетона с ГПС в условиях долгосрочных испытаний. Содержание Na₂O_экв в образцах, масс. %: 1 — 0,87; 2 — 1,72; 3 — 2,58

Согласно данным рис. 1 и 2, в условиях испытаний образцы претерпевают значительные линейные деформации, однако ни в одном из случаев расширение образцов после завершения испытаний не превысило допустимых пределов, указанных в ГОСТ 8269.0 (0,1 и 0,04 % для ускоренного и долгосрочного методов соответственно), причем в случае долгосрочной методики — даже при значениях Na₂O_экв, превышающих значение 1,5, установленное стандартом. Вместе с тем отметим отсутствие тенденции к замедлению расширения со временем в случае ускоренного метода.

Расширение образцов бетона, хранящихся в воде при 80 °С (рис. 1), очевидно, обусловлено созданием щелочной среды из-за гидролиза ГПС, возможного в условиях испытаний.

Образцы, выдержанные в течение 12 мес при температуре 20 °С и влажности 60 %, т. е. в условиях, не стимулирующих ЩСР, независимо от содержания Na₂O_экв, претерпели усадку, свойственную легким бетонам (до 0,1 %).

На рис. 3 приведены результаты микроструктурных исследований образцов после завершения ускоренных и долгосрочных испытаний, а также образцов сравнения (все образцы содержали 0,87 масс. % Na₂O_экв), которые хранились в условиях, не стимулирующих протекание ЩСР.

Рис. 3. Электронные микрофотографии бетона с ГПС: а, б — после завершения ускоренных испытаний (а — отслоение стенок гранулы от матрицы, б — скопление геля в порах гранулы); в, г —  пос­ле завершения долгосрочных испытаний (в — деструкция стенки гранулы, г — скопление геля в мелких порах гранулы); д, е — образцы сравнения (д — цементный гель между гранулами стекла, е — поровая структура).

Согласно результатам микроструктурных исследований, после выдерживания в 1М растворе NaOH при 80 °С в течение 14 сут в образцах отмечается сильное нарушение структуры и трещинообразование в гранулах (рис. 3, а). Типичные продукты ЩСР можно наблюдать в порах ГПС (рис. 3, б). Результаты энергодисперсионного микроанализа различных участков структуры образцов, отмеченных цифрами на рис. 3, приведены в табл. 3. Сравнение составов в точках 2 и 6 показывает, что в пустотах образцов, испытанных по ускоренной методике (точка 2), присутствуют продукты с повышенным содержанием натрия и кальция и меньшим содержанием кремния по сравнению с образцами сравнения (точка 6). Аналогичные признаки протекания ЩСР присутствуют в образцах, выдержанных в течение 1 года при температуре 40 °С и относительной влажности 100 % (рис. 3, в, г). В то же время в образцах сравнения признаки протекания ЩСР практически отсутствуют (рис. 3, д, е).

Прочность при сжатии образцов-балок, выдержанных в условиях долгосрочной методики, и образцов сравнения составила соответственно 2,7 ± 0,2 и 4,1 ± 0,3 МПа. Таким образом, в среднем прочность при сжатии образцов, прошедших долгосрочные испытания, оказалась на 35 % ниже прочности образцов сравнения.

Выводы

В соответствии с полученными данными, пеностекло марки «Неопорм» в составе легких портландцементных бетонов принимает активное участие в ЩСР в условиях ускоренной и долгосрочной методик испытаний.

Тем не менее линейные деформации образцов бетона предложенного состава в ходе испытаний не превысили допустимых значений, установленных ГОСТ 8269.0. Щелоче-силикатный гидрогель, образующийся в ходе испытаний при взаимодействии пеностекла со щелочами поровой жидкости, откладывается в пустотах заполнителя. Таким образом, участие пеностекла в деструктивных щелоче-силикатных реакциях отчасти компенсируется наличием у него развитой поровой структуры, способной аккумулировать продукты ЩСР. Эта интерпретация соответствует представлениям, изложенными в обзорной работе [12].

По результатам длительных испытаний в условиях, стимулирующих ЩСР, прочность образцов снижается приблизительно на 35 %. То есть в случае протекания ЩСР в бетоне с ГПС есть вероятность снижения марки бетона по прочности с М50 до М35 или М25, что необходимо учитывать при проектировании зданий и сооружений из представленного бетона. Однако область применения изучаемого материала, как правило, ограничивается ограж­дающими конструкциями малоэтажного строительства, где требования к прочностным характеристикам менее жесткие по сравнению с высотным строительством. Поэтому снижение несущей способности до 35 % не ограничивает применение бетона с ГПС в качестве теплоизоляционно-конструкционного материала в малоэтажном строительстве.

Благодарность

Авторы выражают признательность директору Института строительных материалов строительного факультета Дрезденского технического университета (Германия) профессору Виктору Мещерину за предоставленную при проведении экспериментов лабораторную базу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кетов А.А., Толмачев А.В. Пеностекло — технологические реалии и рынок // Строительные материалы. 2015. № 1. С. 17— 23.

2. Limbachiya M., Meddah S., Fotiadou S. Performance of granulated foam glass concrete // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 28, N. 1. P. 759–768.

3. Bumanisa G., Bajarea D., Locsb J., Korjakinsa A. Alkali-silica reactivity of foam glass granules in structure of lightweight concrete // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 47. P. 274— 281.

4. Москвин В.М., Рояк Г.С. Коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителя. М.: Госстройиздат, 1962. 164 с.

5. Розенталь Н.К., Любарская Г.В. Коррозия бетона при взаимодействии щелочей с диоксидом кремния заполнителя // Бетон и железобетон. 2012. № 1 (6). C. 50—60.

6. Брыков А.С. Щелочно-силикатные реакции и коррозия бетона // Цемент и его применение. 2009. № 5. С. 31—37.

7. Сорвачева Ю.А., Петрова Т.М., Гибсон К., Федченко А.А. Влияние суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов на щелочесиликатное расширение бетона // Строительные материалы. 2014. № 5. С. 15—21.

8. Иванова С.М., Чулкова И.Л. Композиционный цементный пеностеклобетон // Строительные материалы. 2005. № 10. С. 22—24.

9. Кетов А.А., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Опыт производства пеностеклянных материалов из стеклобоя // Строительные материалы. 2007. № 3. С. 70—72.

10. Ducman V., Mladenovič A., Suput J.S. Lightweight aggregate based on waste glass and it’s alkali-silica reactivity // Cement and Concrete Res. 2002. Vol. 32, N. 2. P. 223—226.

11. Mladenovič A., Suput J.S., Ducman V., Skapin A.S. Alkali-silica reactivity of some frequently used lightweight aggregates // Cement and Concrete Res. 2004. Vol. 34, N 10. P. 1809—1816.

12. Lindgard J., Andic-Cakir O., Fernandes I. et al. Literature review on parameters influencing laboratory performance testing // Cement and Concrete Res. 2012. Vol. 42, N 2. P. 223—243.

13. Thomas M. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction: a review // Cement and Concrete Res. 2011. V. 41. N. 12. P. 1224—1231.