WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |

МЕХАНИЗМ РАСШИРЕНИЯ БЕТОНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЩЕЛОЧЕЙ ЦЕМЕНТА С КРЕМНЕЗЕМОМ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

ENGLISH VERSION

 http://dh.ufacom.ru/Articlealkali.html

К.т.н. Ильдар Каримов

Адрес для контакта: 450071, Россия, г.Уфа, а/я 21, Башкирский государственный аграрный университет, Кафедра теоретической и прикладной механики, Телефон/факс: (3472) 308138, Email: dh@ufacom.ru

  

Данный литературный обзор освещает современные представления о механизме взаимодействия щелочей цемента с кремнеземом заполнителей.

  Одной из причин вызывающих образование и развитие трещин в бетонах на портландцементах является его расширение вследствие реакции щелочей цементов с заполнителями.

Согласно [22] различают три вида указанных реакций. Первым видом является реакция между щелочами и реакционноспособным кремнеземом заполнителя.

Вторым типом реакции являются процессы, сопровождающиеся образованием набухающих глинистых материалов, возникающие при взаимодействии щелочей с монтмориллонитом, вермикулитом и иллитом.

Третий тип реакции взаимодействие щелочей с карбонатными породами, имеющее место при применении в качестве заполнителя доломита. Отмечается, что явление набухания, возникающее в этом случае, вопреки ранее существовавшим представлениям является следствием набухания глинистых материалов, присутствующих в доломитовой породе.

Наиболее распространенной является реакция между активными кремнеземистыми составляющими заполнителя и щелочами цемента. Реакционноспособными модификациями кремнезема являются опал (аморфный), халцедон (скрытокристаллический, волокнистый) и тридимит ( кристаллический).

По данным Белла Ф. [4] заполнители, содержащие >0,25% опала, 5% халцедона, 3% стекловидных или криптокристаллических слабокислых вулканических пород, реагируют с цементом в том случае, если содержание Na2O и K2O в нем превышает 0,6%. Высокой реакционной способностью обладают породы содержащие свыше 40% дисперсного кварца, базальты, содержащие >5% вторичных халцедонов или опалов или 15% палагонитов. Аналогичные свойства проявляют песчаники и кварциты, содержащие >5% кремнистого сланца.

Реакция начинается с взаимодействия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей (Na2O и K2O), и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема заполнителя.

Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию. Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое в конце концов приводит к возникновению трещин и разрушению цементного камня. При этом, по данным [23], это давление может превышать 2 Н/мм2. Повидимому, расширение вызвано гидравлическим осмотическим давлением, хотя оно может быть также вызвано повышающимся давлением еще твердых продуктов реакции щелочей с кремнеземом. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. Некоторая часть мягкого геля выщелачивается водой и откладывается в трещинах, появившихся в результате разбухания заполнителя.

Авторами [12] исследован процесс деструкции бетона в результате щелочной реакции заполнителя. Первая стадия реакции характеризуется образованием вокруг крупного заполнителя и части матрицы прожилок коллоидного силиката шириной 10100 мкм, 2я стадия реакции образованием вокруг прослоек силиката и в матричной части микрокристаллов кальцита с высоким показателем двойного преломления, 3я стадия заполнением контактной зоны цементной пасты, содержащей микрокристаллы кальцита (в порах матрицы присутствуют пластинчатые волокнистые кристаллы с низким показателем двойного преломления и гелевидные продукты на границе пор и матрицы кристаллы кальцита), 4я стадия отличается образованием сетчатых трещин шириной до нескольких мм на поверхности бетонных конструкций, 5я стадия реакции характеризуется отслаиванием бетона и переходом большей части цементной составляющей в кальцит.

Авторами [19] исследован градиент концентрации щелочи в образцах раствора на цементе с повышенным содержанием щелочи (полученном введением щелочи в обычный портландцемент), твердевших в среде с относительной влажностью 100%. Градиент концентрации во многом определяет возникновение щелочной реакции заполнителя, содержащего реакционноспособный кремнезем. Показано резкое снижение концентрации щелочи от центра образца к периферии (для Na2O от 0,27% в центре до 0,08% на расстоянии 4,5 см от центра, для K2O c 0,11% до 0,07% соотв.). При превышении определенной величины содержания щелочи происходит взаимодействие с ней реакционноспособного заполнителя. Распределение концентрации щелочи в бетоне по его сечению обусловливает изменение расширения и концентрации напряжений в сечении. Возникновение напряжений внутри бетона вызывает образование напряжений растяжения в поверхностных слоях, где не происходит реакций, что является причиной образования трещин.



Этими же авторами в работе [20] исследовано влияние времени на величину градиента концентрации щелочей в образце портландцементного раствора размером 7х7х20 см (соотношение воды, цемента и песка из андезита составляло 0,5:1:2,25). Содержание щелочи в цементе составляло до 1,5%. По истечении 1,2,4,7 и 28 сут образцы разрезали на 7 частей, в которых определяли содержание щелочи и степень гидратации. Выявлено, что градиент концентрации щелочи формируется в довольно ранний период твердения : в возрасте 2 сут уже наблюдается повышение концентрации щелочи к центру образца. Изменение концентрации щелочи по сечению образца обусловлено миграцией воды внутри образца в процессе гидратации цемента.

Авторами [30] установлено, что реакция между щелочами и кремнеземом включает три стадии: растворение частиц кремнезема с поверхности; диффузионное взаимодействие; состояние равновесия. Скорость диффузионного процесса в значительной степени определяется температурой и рН среды, а также присутствием в щелочном растворе различных ионов. От концентрации последних зависит энергия активации и насыщение раствора силикатными ионами.

Авторами [25] установлено, что взаимодействие между реакционноспособным SiO2 в заполнителе и поровой жидкостью цементного камня, содержащей ионы OH, Na+ и K+, представляет собой реакцию двух типов: реакцию нейтрализации слабокислого силанового радикала и реакцию разрыва силоксановой связи с образованием геля силиката щелочного металла (SiONa). Слой геля образуется на поверхности заполнителя, содержащего реакционноспособный SiO2, затем проникает с течением времени во внутренние слои заполнителя, вызывая снижение его твердости и расширение. Менее изучена реакция между щелочью в цементе и заполнителем из карбонатных пород глинистым доломитовым известняком. Предполагается, что механизм реакции связан с разложением доломита, сопровождающимся образованием Mg(OH)2 и расширением вследствие взаимодействия между Mg2CO3 и Са(ОН)2. Для этой реакции характерно наличие реакционного слоя в виде кольца на поверхности заполнителя, отсутствие геля и наличие продуктов вторичной реакции.

Авторами [35] установлено 3 типа продуктов взаимодействия: 1. Na2OK2OSiO2; 2. Na2OK2OCaSiO2 и 3. Na2OK2OCaOSiO2. Продукты типов 1 и 2 характерны для заполнителей на основе вулканических, а типа 3 на основе осадочных пород. Кинетика деформаций расширения зависит от типа реакционноспособного заполнителя. При использовании вулканического заполнителя характерно быстрое расширение в течение первых двух месяцев и последующая стабилизация деформаций к 67 мес. Для заполнителя из осадочных пород, напротив, характерно медленное расширение в течение первых двух месяцев, последующее нарастание деформаций после 4 месяцев и стабилизация линейных размеров к 12 мес.

По мнению Глассера Л. [8], в гелевых системах, образуемых силикатами Са или Na, в заметной степени протекают явления, свойственные полиэлектролитам, что значительно усиливает процесс набухания по сравнению с инертными гелями, например гелем целлюлозы. Набухание геля силикатов определяется также диффузией ионов. При взаимодействии щелочей и заполнителя под действием ионов ОН происходит разрушение каркаса связей SiOSi в кремнеземе, и набухание геля кремнезема резко увеличивается.

Тем же автором [9], исследованы процессы, происходящие в водной системе щелочьCa(OH)2SiO2, являющейся моделью взаимодействия кремнезема заполнителей с щелочами цемента при твердении различных цементных композиций. В качестве компонентов системы использовали NaOH и KOH (концентрация в системе 0,010,1 моль), СаО (продукт обжига СаСО3 в течение 3 ч при температуре 1000С) и силикагель (удельная поверхность по Блейну 0,23 м2/г, размер частиц 0,1250,25 мм, п.п.п. 7,8%).





Установлено, что при введении в щелочной раствор силикагеля концентрации ионов Na+ (или К+) и ОН начинают немедленно уменьшаться вследствие их адсорбции и взаимодействия с твердым кремнеземом. Если начальная концентрация ионов Са2+ ограничена, то они также быстро адсорбируются кремнеземом, образуя CSH. При очень низкой концентрации ионов Са2+ постепенно начинает возрастать концентрация SiO2, при этом часть адсорбированных гидроксильных ионов может снова выделяться в раствор. Отмечается, что равновесные концентрации силикатных ионов определяются величиной рН. При высокой активности силикагеля на его крупных частицах могут появляться и постепенно расти новообразования, если раствор не будет подвергаться перемешиванию. В этом случае на поверхности частиц силикагеля через некоторое время образуются пленки, обладающие свойствами полупроницаемой мембраны, поэтому дальнейшее проникание ионов в кремнезем может протекать по диффузионной схеме.

Одлером И. [31] проведено исследование миграции Na2O, K2O и SO3 при диффузии воды в порах за счет ее испарения с открытых поверхностей. В результате обнаружено, что значительная часть щелочей цемента не связана с твердой фазой и быстро переходит в воду затворения и мигрирует сней в пористой системе цементного камня. Однако, определенная часть щелочей оказывается связанной в твердой фазе (клинкерных минералах и продуктах их гидратации) и не способна к миграции даже при большом избытке воды, диффундирующем через цементный камень. Отмечается, что в начале гидратации щелочи мигрируют в виде сульфатов, однако после быстрого связывания SO3 в гидросульфоалюминат кальция миграция щелочей происходит в виде гидроксидов. Миграция щелочей в результате испарения поровой воды приводит к обогащению поверхностных слоев изделий щелочами, что может служить причиной ускорения реакций между щелочами и активными кремнеземистыми заполнителями в поверхностных слоях и их разрушению.

Авторами [36] установлено, что введение шлака или золыуноса приводит к росту содержания в цементном камне связанной воды и снижению количества свободного Са(ОН)2, а также изменению поровой структуры новообразований, которые становятся менее проницаемы по отношению к ионам Na+. Коэффициент диффузии этих ионов в цементном камне особенно заметно уменьшается при введении золыуноса. Отмечается, что введение в цемент пуццолановых добавок приводит к изменению ряда характеристик цементного камня (структура и удельная поверхность пор, отношения Ca/Si в продуктах гидратации, значение x потенциала), от которых зависит диффузия щелочных ионов.

Авторами [10] исследовано распределение Na и К в жидкой и твердой фазах твердеющего портландцементного камня. Установлено, что ~ 70% от общего количества Na содержится в твердых продуктах гидратации портландцемента и ~ 30% переходит в жидкую фазу, находящуюся в порах цементного камня. Распределение К совершенно иное: ~ 75% в жидкой фазе и ~ 25% в твердой.

Авторами [1] предложена эмпирическая зависимость, определяющая деформацию бетона (e, мм/м) при взаимодействии реакционноспособного заполнителя со щелочами цемента:

e =aЧ SЧ R3,2, (1) где a коэффициент, зависящий от свойств породы данного карьера, определяемый опытным путем, S содержание растворимого диоксида кремния в заполнителе (в ммоль/л), R содержание щелочных оксидов (в % от массы цемента).

Можно предсказать, что при использовании определенных материалов будет происходить реакция щелочей цемента с заполнителями, но обычно нельзя оценить разрушительное воздействие этого процесса на бетон, зная лишь содержание реакционноспособных материалов. Например, на фактическую реакционную способность заполнителя влияют размер его зерен и пористость, поскольку от них зависит величина площади поверхности заполнителя, на которой может протекать реакция. Взаимодействие щелочей с кремнеземом протекает тем интенсивнее, чем дисперснее зерна заполнителя (что особенно характерно для молотого кварцевого песка), чем больше в заполнителе кристаллизационной воды (например, при применении опала) и чем больше его пористость (что справедливо для халцедона).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.