IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Известно, что в процессе эксплуатации изменяются свойства функционирующего объекта, в том числе показатели его долговечности и надежности. Причина этого кроется в коррозионных процессах. Коррозией бетона называют необратимое ухудшение его свойств и характеристик в результате физического, химического, физико-химического или биологического воздействий коррозионной среды и внутренних процессов в бетоне [1]. Коррозии содействует трещинообразование, вызываемое различными причинами: расширением цемента при экзотермии, нагреванием солнечными лучами, попеременным увлажнением и замораживанием, ударным воздействием, перенапряжением. В начале процесс деструкции бетона имеет невысокую скорость, но со временем скорость процесса увеличивается и растет до тех пор, пока не наступает нарушение монолитности бетона конструкции.

В середине ХХ века профессор В. М. Москвин предложил классифицировать процессы коррозии, протекающие в бетоне и разделить их на три вида [2].Коррозия бетона вследствие выщелачивания относится к коррозии первого вида. Наиболее растворимым компонентом цементного камня является гидроксид кальция, поэтому данный вид коррозии определяют как процесс «выщелачивания» извести. Разрушение цементного камня начинается с вымывания щелочи - Са(ОН)₂, растворимость, которой составляет 1,2 г/л (в пересчете на СаО), а затем идет разрушение клинкерных минералов. Выщелачивание 15-30% СаО цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40-50%. Необходимо отметить, что на этот вид коррозии бетона также влияет технология производства конструкции.

В "классическую" трехкомпонентную бетонную смесь (цемент, вода, заполнители), как правило, вводят различные добавки с целью положительного воздействия на свойства смеси и затвердевшего бетона. Такие добавки называют еще модификаторами, так они обычно очень существенно изменяют первоначальные свойства материала. Во многих случаях для бетонных смесей введение добавок является обязательным условием достижения требуемых свойств. Так, качественные литые высокопрочные бетоны, используемые в монолитном домостроении, нельзя получить без добавок-суперпластификаторов и активных минеральных наполнителей. Дорожный и гидротехнический бетоны, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости, плотности, водонепроницаемости, обязательно должны иметь в своем составе эффективные пластификаторы и воздухововлекающие добавки. Для обеспечения ячеистой структуры теплоизоляционных бетонов вводят пено- и газообразователи.

Добавки, применяемые при приготовлении бетона, делят на следующие виды: активные минеральные добавки (природные и искусственные), добавки – наполнители, химические добавки (ПАВ), добавки – ускорители твердения, добавки – ингибиторы коррозии стали, противоморозные и комплексные [3].

Действие добавок в бетонной смеси основано на одновременном использовании нескольких физико-химических явлений: поверхностной адсорбции, пространственной электростатической сепарации частиц, воздействующих на зёрна цемента и заполнителей мелких фракций, а также влияющих на процесс гидратации цемента.

Безусловно, введение с состав бетонной смеси различных добавок оказывает влияние и на коррозионную стойкость строительных композитов.

Цементный камень на основе модифицированного цемента обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью в хлоридной и хлоридно-магнезиальной среде. Это позволяет использовать его при гидроизоляции различных объектов. Добавление к цементам различных полимеров обеспечивает антикоррозийную защиту бетонных сооружений, находящихся под воздействием сильно агрессивных сред. Испытания образцов из безусадочных полимерцементных растворов на промышленных объектах показывают отсутствие сбросов прочности в течение 5 лет. В то же время образцы из цементно-песчаного раствора на портландцементе без расширяющихся добавок к 3 годам хранения в агрессивных средах уменьшили предел прочности при сжатии на 17 % по сравнению с образцами в возрасте 1 года. Коррозионная стойкость цементов повышается, благодаря формированию плотного цементного камня при твердении. Коэффициент стойкости образцов, хранившихся в различных агрессивных средах через 1 год близок к единице, что свидетельствует о высокой стойкости цементного камня против воздействия агрессивных сред [4].

Применение химических добавок в незначительных количествах от массы цемента снижает вероятность коррозии бетона, также обеспечивается технический и экономический эффекты.

Одной из них является нитрат кальция, который используется в строительстве как ускоритель твердения бетона, как противоморозная и комплексная химическая добавка, улучшающая физико-механические свойства бетона, а также как ингибитор коррозии арматуры. Способствует: ускоренному набору прочности бетонной смеси, пролонгирует набор прочности бетона, увеличивает сроки схватывания, увеличивает прочность на сжатие, как на ранней стадии, так и спустя длительное время, повышает устойчивость к трещинообразованию и истиранию, позволяет производить бетоны при температурах воздуха до -25°С; ингибирует коррозию арматуры, вызванную повышенным содержанием хлоридов; полностью вступает в химические реакции с цементом, не вызывая последующего «высолообразования» [4].

Поэтому нитрат кальция выбран нами для исследования коррозионного массопереноса цементных композитов в водных нейтральных средах в начальный период времени процесса.

В соответствии с разработанной методикой исследования на коррозионную стойкость проводилось на образцах-кубах разме­ром 3х3х3см [5]. Система составлялась из плотно подогнанных друг к другу пластин разме­ром 1х3х3 см. Боковые грани пластин, а также торцевая грань нижней пластины, покрывались слоем битумно-полимерной мастики холодного отверждения марки «Технониколь». Образцы изготавливались из цементного раствора нормальной густоты, на основе портландцемента марки 500 ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные», с добавлением модифицирующей добавки нитрата кальция, в количестве 0.5, 1, 1.5 % от массы цемента. После 28-суточного предварительного твердения при нормальных условиях их погружали в дистиллированную воду. Размеры образцов и условия их твердения (температура 202 ⁰С и относительная влажность воздуха 50-70 %) соответствуют ГОСТ 5802-89 «Растворы строительные. Методы испытаний». Образцы помещались в водную среду объемом 1000 см³ с pH=6,6, откуда с периодич­ностью 14 суток отбирались пробы для титрования, объемом 100 см³.

Исследования проводились комплексонометрическим методом, для определения содержания катионов кальция в жидкой среде в соответствии с требованиями ГОСТ 23268.5-78 «Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно-столовые и природные столовые. Методы определения ионов кальция и магния». Метод основан на образовании устойчивых комплексных соединений при титровании растворов катионов металлов стандартными растворами комплексообразователей [6]. Длительность эксперимента составляла 56 суток. На рисунке 1 показаны результаты исследований, и построены кинетические зависимости изменения концентрации катионов Ca²⁺ от времени при различном содержании нитрата кальция в исследуемых образцах.

Рис.1. Зависимость изменения концентрации катионов Ca²⁺

в жидкой фазе от времени процесса:

- образцы цементных кубов без добавки; образцы цементных кубов содержащие Ca(NO₃₎₂: - 0.5 % от массы цемента; - 1 % от массы цемента; - 1.5 % от массы цемента

Суждение о кинетике и степени развития процессов коррозии проводилось на основании результатов химического анализа жидкой фазы. Следует отметить, что в начальный период времени (14 суток) наблюдается значительный рост концентрации катионов кальция в водной среде, характерный для всех образцов. В период с 14 по 56 сутки концентрация Ca²⁺ в воде непрерывно увеличивается при отсутствии добавки, а с добавкой-модификатором наблюдается тенденция снижения концентрации катионов кальция в жидкости. Из рисунка 1 видно, что содержание Ca²⁺, в водной среде образцов без добавки выше, по сравнению с образцами, к которым добавлялся модификатор. Следовательно, снижается возможность формирования легкорастворимого «свободного гидроксида кальция» и развития коррозии бетона первого вида. Содержание катионов Ca²⁺ зависит от количества вводимого нитрата кальция. Количество добавки не влияет на динамику развития коррозии в начальный период времени (14 суток), но в дальнейшем (с 14 по 56 сутки), содержание катионов кальция в жидкой фазе уменьшается, и замедляются коррозионные процессы, протекающие в цементных системах. Оптимальное содержание добавки модификатора составляет 1.5% от массы цемента.

Положительная тенденция в улучшении физико-химических свойств и развитии антикоррозионных процессов цементного модифицированного бетона с химической добавкой-модификатором нитратом кальция, даёт возможность говорить об увеличении сроков эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций, а также позволяет более детально исследовать данную тематику. С помощью современных методов аналитических исследований возможно построение математических моделей и анализа полученных данных на длительном промежутке времени, что обеспечит прогнозирование сроков службы модифицированных бетонных и железобетонных конструкций.

Литература

1. Терминологический словарь по бетону и железобетону. М.: ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ им. А.А. Гвоздева. 2007. 112 с.

2. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Госстройиздат, 1952. 342 с.

3. Попов Л.Н., Ипполитов Е.Н., Афанасьева В.Ф. Основы технологического проектирования заводов железобетонных изделий; Под ред. Л.Н. Попова. М.: Высшая школа, 1988. 312с.

4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М.: Технопроект, 1988. 768 с.

5. Румянцева В.Е. Экспериментальные исследования процессов массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов / В.Е. Румянцева, Н.Л. Федосова, В.Л. Смельцов, В.А. Хрунов, А.Я. Костерин // Приволжский научный журнал. 2010. № 1. С. 39–45.

6. Кокурина Г.Л. Методы исследования и контроля строительных материалов. Иваново: Ивановский инженерно-строительный институт, 1988. 46 с.

Код для цитирования: Скопировать