Крупный заполнитель из гранита в условиях ускоренных испытаний, стимулирующих взаимодействие между щелочами и кремнеземом

РЕФЕРАТ. Проведены исследования, направленные на выявление характерных признаков щелоче-кремнеземных повреждений в бетоне с гранитными крупными заполнителями, а также установить, в какой мере различные типы песка позволяют влиять на реакцию между щелочами и кремнеземом в бетоне с гранитным заполнителем. Установлено, что пребывание образцов бетона в условиях, предусмотренных ускоренным методом его испытаний, может привести к активизации щелоче-кремнеземных взаимодействий в гранитном крупном заполнителе. Концентрация раствора хлорида натрия, применяющегося в качестве среды в испытаниях бетона при температуре 60 °C с внешним подводом щелочи, может повлиять на реакционную способность двух видов песка (речного и кварцевого), используемых в рецептуре бетонных покрытий с гранитным зернистым заполнителем. Пока не ясно, почему это происходит в бетоне, содержащем гранит и песок, в то время как в бетонах, в которых песок используется в сочетании с другими крупными заполнителями, заполнитель не активизируется. Полученные результаты пока не позволяют однозначно и надежно оценить с практической точки зрения крупные заполнители и рецептуру бетонов, а также безопасность их применения в бетонных сооружениях класса WS.

Ключевые слова: бетон, щелоче-кремнеземная реакция, гранитный крупный заполнитель, речной песок, кварцевый песок.

Keywords: concrete, alkali-silica reaction, granite coarse aggregate, river sand, quartz sand.

Введение

В течение последних двух десятилетий на бетонных покрытиях федеральных автома­гистралей в Германии неоднократно обнаруживались повреждения, связанные с реакцией между щелочами и кремнеземом. Наряду с повышенным проникновением в толщу покрытия NaCl при применении противообледенительных средств и увеличением динамической нагрузки одной из основных причин таких повреждений считается использование крупных заполнителей (так называемых «малореакционноспособных» заполнителей), которые активны по отношению к щелочам, но реагируют с ними медленно. Для предотвращения щелоче-кремнеземных повреждений бетонных сооружений класса WS (например, бетонных дорожных покрытий) разработаны два стандартизированных метода диагностики [1, 2], которые в настоящее время используются для оценки крупных заполнителей и бетона [3]. Методы позволяют распознавать типичные малореакционноспособные заполнители, чувствительные к щелочам (в частности, граувакку и риолит). Вместе с тем в результате исследований неожиданно обнаружились признаки щелоче-кремнеземных деструктивных повреждений в бетонных покрытиях с крупными заполнителями из гранита. При микроскопическом исследовании таких бетонов после испытаний оказалось, что в реакции между щелочами и кремнеземом участвуют и гранитные зерна, и активные компоненты песка.

На самом деле в Германии до настоящего времени не было свидетельств о щелоче-кремнеземных реакциях с участием гранитного крупного заполнителя. Соответственно мало кому приходилось иметь дело с реакционной способностью заполнителей этого типа в таких лабораторных условиях, которые стимулируют взаимодействие между щелочами и кремнеземом.

Однако недавние, пока не опубликованные исследования показывают, что имеются отдельные случаи повреждений в результате реакции между щелочами и кремнеземом, при которых определенную роль может играть гранитный крупный заполнитель. То, что гранитные крупные заполнители действительно могут стать причиной реакции между щелочами и кремнеземом, подтверждается кроме прочего документированными случаями повреждений бетонных конструкций в Португалии и Норвегии [4, 5].

Из этого следует, что бетоны с гранитным заполнителем, используемые для сооружений класса WS, нельзя достоверно оценить на предмет их устойчивости к вредному воздействию щелоче-кремнеземной реакции. Однако необходимо контролировать характеристики такого бетона, чтобы с большей уверенностью использовать его для дорожного строительства в регионах с многочисленными месторождениями гранита, в частности, в Рудных Горах, Шварцвальде или в Баварском Лесу.

В связи с этим основная задача описанных далее исследований заключалась в том, чтобы выявить характерные признаки щелоче-кремнеземных повреждений в бетоне с гранитными крупными заполнителями, а также в том, чтобы соотнести их с литературными данными. Затем на основании изучения характерис­тик бетона нужно было установить, в какой мере различные типы песка позволяют влиять на реакцию между щелочами и кремнеземом в бетоне с гранитным заполнителем.

Исходные материалы и бетоны

Использовался портландцемент CEM I 42,5 N с содержанием щелочей 0,85 масс. %. В качестве крупного заполнителя использовался гранит с размером зерен 2—8 мм, в каче­стве мелкого — кварцевый песок и речной песок из Южной Германии (оба с размером зерен 0—2 мм). Химический и минералогический составы исходных материалов приведены в табл. 1 и 2. Пески были подвергнуты петро­графическому исследованию с использованием счетчика точек (около 1000 точек измерения для каждого из песков). В результате установлено, что кварцевая составляющая рядового песка примерно на 5 об. % состоит из различных видов SiO₂ (деформированного и микрокристаллического кварца), которые могут реагировать со щелочами. В то же время кварцевая составляющая речного песка (около 40 об. %) содержит в том числе чувствительные к щелочам радиоляриты, микрокристаллический кварц и деформированный кварц. В граните кварц имеет структуру от субгедральной до ангедральной, преимущественно с волнистым погасанием. Разности кварца, которые в литературе [4, 6] часто связывают с реакцией между щелочами и кремнеземом (в частности, сильно деформированный кварц или микрокристаллический кварц) в данном граните отсутствуют.

Были воспроизведены два состава для бетонных покрытий в соответствии с AR 04/ 2013 [3], с содержанием цемента 430 кг/м³ и В/Ц, равным 0,45. Содержание гранита фракции 2—8 мм составило 70 об. %. Разница между составами бетонов заключалась в использовании различных песков (см. табл. 1), содержание которых составило 30 об. %.

Программа испытаний

Главным пунктом программы испытаний было стимулирование реакции между щелочью и кремнеземом в используемом граните, чтобы установить в нем микроскопическую картину повреждений и выявить активные компоненты. Для этого в соответствии с ускоренным методом проведения испытаний согласно [7] крупный заполнитель в течение 140 сут выдерживали в 1М растворе NaOH при 80 °C, после чего препарат из заполнителя (подготовленный шлиф) изучали методом поляризационной микроскопии.

Для контроля характеристик бетона с гранитом применяли стандартизированный метод испытания бетона при температуре 60 °C с внешним источником щелочи [1]. В соответствии с этим методом были изготовлены образцы бетона размерами 75 × 75 × 280 мм двух составов (по девять образцов для каждого состава), которые были выдержаны в соответствии с программой, указанной в табл. 3 (по три образца на каждый испытательный раствор). Растворы представляли собой 3- и 10%-е растворы NaCl, а также деионизированную воду в качестве среды сравнения. Согласно работе [1], предельное значение линейной деформации составляет 0,3 мм/м для 3%-го раствора NaCl и 0,5 мм/м для 10%-го раствора NaCl после 10 циклов. Применение растворов NaCl с различной концентрацией призвано помочь выявлению потенциальных различий в способности гранита и песка к реакции со щелочами. У испытуемых образцов при выдержке в течение 14 сут обнаружены изменения длины и массы. Также проведены ультразвуковые измерения для расчета динамического модуля упругости. После 10 испытательных циклов из образцов были изготовлены тонкие шлифы для микроскопического исследования структуры бетона.

Результаты и их обсуждение

В условиях ускоренной методики линейные деформации образцов с гранитным заполнителем в возрасте 140 сут составили 4,67 мм/м (рис. 1, а). При микроскопическом исследовании образцов обнаружено образование трещин вдоль границ кварцевых зерен в гранитном заполнителе — характерный признак их участия в щелоче-кремнеземной реакции (рис. 1, б и 2). Кроме того, у границ зерен имеет место частичное растворение кварца, которое, в частности, было описано в работе [6] при аналогичных экспериментах с гранитом.

Рис. 1. Линейное расширение образцов при ускоренном методе испытаний (а); образование щелочно-кремнеземного геля в воздушных порах, растрескивание и растворение вдоль границ кварцевых зерен (б) 

Этот эффект обусловлен тем, что границы зерен и микротрещины внутри зерна представляют собой наиболее удобные пути для проникновения щелочного порового раствора, и по этой причине они способствуют реакции между щелочами и кремнеземом в этих зонах [6, 8]. Трещины проходят от гранитных зерен в матрицу цементного камня. Переходная зона между зерном и матрицей выделяется потемнением окружающего цементного камня, а также наличием щелоче-кремнеземного геля внутри трещин и ближайших к ним воздушных пор (рис. 2, б). Потемнение цементного камня, вероятно, вызвано кристаллизацией щелочно-кремнеземного геля в структуре пор. Другие минералы, в частности полевой шпат и слюда, не имеют признаков растворения и такого расположения трещин. Отсюда следует, что эти фазы не принимают значительного участия в реакции между щелочами и кремнеземом. Появление щелоче-кремнеземного геля внутри гранитных зерен, описанное в работе [6], наблюдалось только в отдельных местах. Обобщая, можно сказать, что описанная картина повреждений в результате реакции между щелочами и кремнеземом в крупнокристаллических гранитных зернах отличается от типичных признаков реакции между щелочами и кремнеземом в мелкокристаллических медленнореагирующих крупных заполнителях, в частности, грау­вакке или риолите.

Рис. 2. Растрескивание и растворение вдоль границ кварцевых зерен (а), образование щелоче-кремнеземного геля в матрице цементного камня (б) в условиях испытаний по ускоренной методике через 140 сут; поляризаторы параллельны

Результаты испытания бетона при 60 °C с внешним источником щелочи приведены на рис. 3. Видно, что выдержка бетонов в деионизированной воде не вызывает никаких значимых линейных деформаций и изменений динамического модуля упругости. Выдерж­ка в 3 %-м растворе NaCl приводит к примерно одинаковым линейным деформациям для обоих составов — около 0,28—0,33 мм/м в возрасте 140 сут, что близко к предельно допустимому значению 0,3 мм/м [1]. При мик­роскопическом исследовании взаимодей­ствие между щелочами и кремнеземом в образцах не выявлено. При использовании 10%-го раствора NaCl имеются выраженные различия в степени линейных деформаций. В то время как у образцов бетона с кварцевым песком после 10 циклов линейная деформация составляет 0,49 мм/м, у образцов бетона с речным песком она достигает 2,46 мм/м. У образцов с речным песком уже к 42 сут наблюдаются значительные линейные деформации, коррелирующие с одновременным снижением динамического модуля упругости и свидетельствующие о наличии деструктивной реакции между щелочами и кремнеземом.

Рис. 3. Изменение динамического модуля упругости (а) и развитие линейных деформаций бетона для дорожных покрытий с гранитным заполнителем (дозировка цемента 430 кг/м², В/Ц = 0,45) с кварцевым и речным песком в ходе испытания при 60 °C с внешним источником щелочи (б)

Различия в развитии линейных деформаций и в значениях динамического модуля упругости между бетонами с кварцевым и речным песком коррелируют с различиями бетонов на микроскопическом уровне пос­ле 10 испытательных циклов. Они связаны в основном с использованием различных типов песка. В бетоне с речным песком многие активные компоненты песка (кремнистый известняк, радиолярит и микрокристаллический кварц) характеризуются признаками участия в щелоче-кремнеземной реакции (рис. 4). От песчаных зерен трещины тянутся в матрицу цементного камня, в некоторых случаях доходя до поверхности бетона. В противоположность этому, в образцах с кварцевым песком имеются лишь немногочисленные микроскопические признаки реакции между щелочами и кремнеземом, которые также вызваны компонентами песка. Гранитные зерна в обоих бетонах имеют отдельные трещины. Однако в отличие от образцов, испытанных по ускоренному методу, эти трещины проходят не вдоль границ кварцевых зерен, а (довольно беспорядочно) через гранитные зерна (рис. 5). Поэтому причастность трещин к щелоче-кремнеземной реакции не была одно­значно подтверждена при исследовании шлифа бетона после 10 циклов. Более продолжительное выдерживание образцов в условиях испытания бетона при 60 °C с внешним источником щелочи, возможно, позволит получить более отчетливую картину растрескивания и установить, не связано ли это с щелоче-кремнеземной реакцией.

Рис. 4. Трещиноватое зерно радиолярита с образованием щелоче-кремнеземного геля (ЩК-геля) в переходной зоне между зерном и матрицей цементного камня в бетоне с речным песком: а — при параллельных поляризаторах; б — в ультрафиолетовом свете

Рис. 5. Трещиноватые гранитные зерна в бетоне с речным песком (при параллельных поляризаторах)

Бетоны, подвергавшиеся воздействию деионизированной воды или 3%-го раствора NaCl, после 10 циклов не демонстрируют мик­роскопических признаков реакции между щелочами и кремнеземом. Отчетливое влияние концентрации NaCl в испытательном растворе на развитие повреждений особенно заметно в бетоне с речным песком. Выдержка в 10 %-м растворе NaCl повышает способность речного песка к реакции со щелочами в несколько раз по сравнению с выдержкой в 3 %-м растворе. Влияние концентрации NaCl в испытательном растворе на реакционную способность гранитного крупного заполнителя после 10 циклов практически не обнаружено. Таким образом, результаты испытания бетона при 60 °C с внешним источником щелочи свидетельствуют, что в бетоне с крупным гранитным заполнителем реакция между щелочами и кремнеземом может идти при участии песка. Однако в более ранних публикациях (например, в работах [1, 9]) по испытаниям бетона при 60 °C с внешним источником щелочи для бетонов с грауваккой или риолитом не отмечается участие песка в возникновении деформаций.

Заключение

Исследования показали, что выдерживание образцов бетона в условиях ускоренного метода испытаний может привести к активизации щелоче-кремнеземных взаимодействий в гранитном крупном заполнителе. Характерной особенностью повреждений при реакции между щелочью и кремнеземом стали трещины и проявления частичного растворения кварцевых зерен вдоль их границ, что совпадает с имеющимися в литературе описаниями.

Контроль технологических качеств бетона показал, что концентрация раствора хлорида натрия (3- или 10%-й раствор), используемого в качестве среды при испытании бетона при 60 °C с внешним подводом щелочи, может повлиять на реакционную способность двух видов песка (речного и кварцевого), используемых в рецептуре бетонных покрытий с гранитным зернистым заполнителем. Однако пока не ясно, почему это происходит именно в составах бетона с использованием гранита и песка, тогда как в бетонах, в которых песок используется в сочетании с другими крупными заполнителями, он не активизируется. Что касается надежной оценки крупных заполнителей и рецептуры бетонов, а также их безопас­ного применения в бетонных со­оружениях класса WS, результаты испытания бетона при 60 °C с внешним источником щелочи в случае бетонов с гранитом пока не позволяют сделать однозначные практические выводы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Müller C., Borchers I., Eickschen E. AKR-Prüfverfahren: Auf dem Weg zur Performance-Prüfung // Beton- und Stahlbetonbau. 2007. B. 102, H. 8. S. 528—538.

2. Stark J., Freyburg E., Seyfarth K., Giebson C. AKR-Prüfverfahren zur Beurteilung von Gesteinskörnungen und projektspezifischen Betonen // Beton. 2006. H 12. S. 574—581.

3. Vermeidung von Schäden an Fahrbahndecken aus Beton in Folge von Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung // Allgemeines Rundschreiben Nr. 04/2013.

4. Fernandes I. Role of granitic aggregates in the deterioration of a concrete dam // Bull. of Engineering Geology and the Environment. 2015. Vol. 74, N 1. P. 195—206.

5. Hagelia P., Fernandes I. On the AAR susceptibility of granitic and quartzitic aggregates in view of petrographic characteristics and accelerated testing // 14th Intern. Conf. on Alkali-Aggregate Reactions. Austin, Texas (USA). 2012. P. 10.

6. Velasco-Torres A., Alaejos P., Soriano J. Comparative study of the alkali-silica reaction (ASR) in granitic aggregates // Estudios Geológicos. 2011. Vol. 66, N 1. P. 105—114.

7. DAfStb-Richtlinie — Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie). Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Berlin: Beuth Verlag, 2007. S. 46.

8. Shayan A. Alkali reactivity of deformed granitic rocks: A case study // Cement and Concrete Res. 1993. Vol. 23, N 5. P. 1229—1236.

9. Müller C., Borchers I., Eickschen E. Erfahrungen mit AKR-Prüfverfahren: Hinweise zur Ableitung praxisgerechter Bewertungskriterien für Performance- und WS-Grundprüfungen // Beton. 2012. H. 10. S. 397—404.