ГлавнаяСтатьи

Реакция между щелочами и заполнителями в бетоне

Открытие реакции щелочи-заполнители

Обширный практический опыт и результаты лабораторных исследований показали, что щелочи в портландцементах реагируют с некоторыми кремнеземистыми компонентами заполнителей и это приводит к разрушению бетона. Впервые такое явление было описано в 1940 г. Стэнтоном на основании наблюдений, сделанных в Калифорнии. Сообщение Стэнтона вызвало большой интерес со стороны потребителей и поставщиков портландцемента и заполнителей. Вскоре такое расширение и разрушение бетона было обнаружено в сооружениях в штатах

Калифорния, Орегон, Айдахо, Аризона, Небраска, Нью-Йорк, Канзас, Виргиния, Вашингтон и Вайоминг. Недавно бетон, разрушенный в результате такой же реакции, был обнаружен в штатах Колорадо, Алабама и Джорджия. Особый интерес представляют образцы бетону, взятые из гидроэлектростанции Бак на Нью Ривер, штат Джорджия. Впервые эти разрушения были обнаружены в 1922 г., т. е. десять лет спустя после постройки электростанции. Очевидно, процесс разрушения продолжается и в настоящее время. В 1935 г. проф. Р. Голден на основании петрографического исследования бетона плотины Бак пришел к выводу, что расширение и трещины были вызваны химической реакцией между цементом и филлитом, который был использован в качестве крупного заполнителя на строительстве плотины.

Учитывая важное значение этой реакции для проектирования производства строительных работ и ухода за бетонными сооружениями, многие предприятия начали более или менее согласованное изучение этого вопроса. В программу исследований включено: выяснение причины разрушения бетона и возможности регулирования процесса; уточнение явлений, сопутствующих разрушению; определение характеристик цементов и заполнителей, которые способствуют взаимодействию между щелочами и заполнителями, и выяснение способов контроля и предупреждения такого действия,, а также подробное изучение сооружений в условиях эксплуатации, выполнение химических, физико-химических и петрографических анализов в лабораториях и изготовление и испытание растворов и бетонов.

Изменение структуры в результате реакции между щелочами и заполнителями

Реакция между щелочами и заполнителями проявляется в виде расширения бетона и образования трещин, что сопровождается снижением прочности, упругости и долговечности бетона и может значительно снизить срок службы сооружения. Различают Дв-а вида трещин: образовавшихся в результате неравномерного расширения бетона и возникших в местах ослабления структуры, когда расширение отдельных элементов конструкции приводит к высоким напряжениям при сжатии, растяжении, срезе или кручении.

Трещины, являющиеся непосредственным результатом расширения бетона, образуют неправильный узор, типичный для бетона, подвергшегося воздействию реакции щелочи — заполнители или других форм разрушения, сопровождающихся собственным расширением (рис. 47 и 48). Эти трещины шире всего у поверхности, достигая 38 мм в тех местах, где внутреннее расширение очень велико, но проникают они в бетон лишь на небольшую глубину, обычно только на несколько сантиметров, теряясь в лабиринте разветвленных микротрещин. Поверхностный характер этих трещин был установлен на основании исследования кернов и заполнения отверстий строительным раствором. В одном случае

было пробурено отверстие параллельно поверхности бе-.тона «а глубине 0,6 м, чтобы пересечь большие открытые трещины на поверхности. Давление водяного столба в 3,5 кг/см2 оказалось недостаточным для установления связи между поверхностными трещинами и скважиной, пробуренной в массиве на глубине 0,6 м. Испытания с нагнетанием воды для выявления связи между двумя поверхностями, на которых имелись большие открытые трещины, судя по внешнему виду, соединяющиеся между собою, оказались безуспешными. Часто по таким поверхностным трещинам происходит водоотделение в бетоне. Таким образом, они могут стать местом вытеснения щелочных силикагелей и образования выцветов соединений, выщелоченных из бетона.

Линии, по которым происходит нарушение структуры, свидетельствуют о наличии высоких внутренних напряжений в бетоне. Поэтому их развитие следует рассматривать как важный показатель прочности сооружения. Кроме того, такие трещины могут сильно ухудшить работу машин, установленных на бетонных фундаментах.

Расширение бетона проявляется различным образом. Расширения, образовавшиеся по швам, могут быть частично или полностью закрыты; могут происходить сдвиги отдельных частей сооружения, что вызывает смещение деталей по отношению друг к другу, заклинивание шахт и проходов, смещение машинного оборудования и швов. С помощью повторных обследований точек или снятия показаний тензометров, заделанных в бетон, можно установить размеры и скорость расширения. Например, обследования одной арочной плотины в Калифорнии показали, что верхушка арки плотины сместилась на 125 мм за 9 лет, истекших после постройки. За шесть лет — с апреля 1941 г. по апрель 1947 г.—бетон расширялся в среднем на 0,015% в год по вертикали, а за период с октября 1942 г. по апрель 1946 г. — на 0,013% в год по горизонтали вдоль арки плотины (рис. 49). Измерения, произведенные на плотине Паркер Дам, показали, чти расширение бетона возрастало от поверхности до глубины 3 м линейное расширение, установленное в данном случае, превышало 0,1%. Линейное расширение в сооружениях в результате реакции щелочи-заполнители может превышать 0.5,%. Появление характерных трещин и признаков расширения в бетоне вызывает предположение о существовании реакции между щелочами и заполнителями, но для подтверждения ее обычно требуется микроскопическое исследование бетона в лаборатории.

Рис. 1. Типичные беспорядочно расположенные трещины, образовавшиеся на поверхности бетона в результате расширения, обусловленного реакцией между щелочами и заполнителями

Рис. 2. Узор поверхностных трещин, образовавшихся в результате реакции между щелочами и заполнителями

При хранении во влажных условиях кернов, взятых из поврежденного бетона, на их поверхности часто выступают желатино-образные выделения и белые аморфные отложения. Такие отложения геля были обнаружены также в порах массивного бетона, особенно в местах соприкосновения с частицами химически активного заполнителя. Химический анализ этих отложений показал, что они состоят главным образом из натриевых и калиевых сили-кагелей. Гели могут быть бесцветными и водянистыми, белыми и вязкими или белыми и фарфоровидными. Эти гели образуются в результате воздействия щелочей цемента на реагирующие с ними породы и минералы заполнителя. Они встречаются внутри пористых частиц заполнителя, в пустотах цементного раствора, в трещинах и в виде выделений на наружных поверхностях. Массы геля заполняют обычно поры или промежутки между цементным раствором и зернами заполнителя, на которых имеются признаки химического воздействия.

На покрытых трещинами поверхностях обычно видно, что многие частицы заполнителя в поврежденном бетоне окружены темной зоной внутри гальки. Эта зона показывает, на какую глубину галька может подвергаться химическому воздействию и частично растворяться щелочами из цементного камня и в каких пределах может образоваться щелочной силикагель.

Рис. 3. Смещение верхушки арки плотины в Калифорнии на 125 мм при расширении бетона вследствие реакции между щелочами и заполнителями

Поведение пород и минералов в балочках из раствора

Прежними исследованиями готового бетона было установлено, что опал, филлит и некоторые нейтральные и кислые вулканические породы чувствительны к действию щелочей в портланд-цементе, но было неизвестно, в какой степени другие горные породы и минералы подвержены такого рода разложению. Для того, чтобы определить химическую активность ряда природных материалов, были получены образцы многих горных пород и минералов из различных месторождений и с ними были изготовлены балочки из цементных растворов с высоким или низким содержанием щелочей. В результате этих и связанных с ними исследований растворов и бетона была установлена химическая активность различных пород и минералов, в соответствии с которой происходит реакция между цементом и заполнителем. Разрушение растворов в результате реакции щелочи—заполнители проявляется в виде избыточного расширения, образования трещин, уменьшения прочности и долговечности при чередующемся замораживании и оттаивании, уменьшения модуля упругости (по меньшей мере в ранние сроки) и выступления щелочных силикагелей из трещин и пустот в цементном растворе.

Рис. 4. Расширение растворов из высокощелочных и низкощелочных цементов с заполнителями, применявшимися при строительстве некоторых плотин; 1 — плотина Аухи; 2 — плотина Кулидж; 3— плотина Фрайент; 4 — плотина Амэрикен Фоле; 5 — плотины Паркер и Коппер Бзсин; б — плотина Бак; сплошная линия — высокощелочной цемент; пунктир — низкощелочной цемент

После 12 месяцев хранения при 37° С линейное расширение растворов колебалось от нуля до 3% и выше; все заполнители, которые, как известно, способствуют разрушению сооружений, вызывают линейное расширение растворов от 0,1 до

Для того, чтобы выяснить, какие типы пород и минералов принимают участие в реакции щелочи — заполнители были взяты образцы всех обычных пород и минералов из различных районов, которые были использованы в качестве заполнителей в балочках из растворов цементов с высоким и низким содержанием щелочей.

Рис. 5. Расширение растворов, содержащих заполнители из разрушающихся дорожных покрытий с применением высокощелочного цемента: 1 — туфовый известняк; 2 — кремнистые сланцы; 3 — риолиты; 4 — остальные тины пород, включая граниты, шёйсы, глинистые сланцы, ,песчаники и кварциты

Рис. 6. Расширение растворов .содержащих кремн§земистые породы и минералы с высокощелочным цементом: 1 — опал; 2 — кремнистый сланец из Кимбала, штат Небраска; 3 — новакулит; 4 — халцедон; 5—кремнистый сланец из Джоплин, штат Миссури; 6 — кремень; 7 — кварц обычный

Такое изучение балочек из раствора показало, что все силикатные или кремнеземистые минералы реагируют со щелочами в портландцементе, но большая часть их реагирует лишь в очень слабой степени. Например, полевые шпаты, пйроксены, амфиболы, цеолиты, слюды, кварц и другие обычные породообразующие минералы вызывают незначительное расширение. Тем не менее такое расширение может быть больше, чем расширение, обусловленное чистым известняком. Точно так же большинство горных пород не представляет опасности с химической точки зрения. Минералы и породы, которые способствуют ухудшению качества бетона или раствора в результате реакции со щелочами цемента, могут быть идентифицированы в заполнителях с помощью петрографического исследования.

Рис. 7. Расширение растворов, содержащих различные вулканические породы и высокощелочной цемент: 1 — риолит; 2 — вулканическое стекло; 3— андезит из Коулиц Ривер, штат Вашингтон; 4 — андезит, плотина Фрайент Дам; 5 — обсидиан; 6 — кварц обычный; 7— базальт

В этих опытах было также выявлено, что кислые и средние криптокристаллические и стекловидные вулканические породы реагируют с высокощелочными цементами. Базальты при обычных условиях следует считать безвредными. Химическая активность кремнистых сланцев служила предметом споров. В программу испытаний балочек из раствора было включено также испытание тринадцати различных кремнистых сланцев и сходных с ними горных пооод. Все они реагировали со щелочами; расширение через 1 год достигало от 0,157 до 2,218%. Поэтому следовало бы, по-видимому, считать, что опаловидные и халцедоновые сланцы способны реагировать со щелочами цементов в такой степени, которая может привести к разрушению бетона, если только их безвредность не будет доказана исчерпывающими лабораторными испытаниями или надежными данными из практики их применения.

Многие факторы оказывают влияние на расширение растворов и бетонов в результате реакции между заполнителями и щелочами цемента. Наиболее важными из них являются: содержание щелочей в цементе; температура укладки и твердения бетона; влажность; содержание цемента в бетоне или растворе и количество, размер и химическая активность заполнителя. Зависимость расширения от любого из этих факторов очень сложная. Таким образом, хотя случаи разрушения уложенного бетона вследствие реакции между щелочами и заполнителями при применении низкощелочного цемента неизвестны, расширение и разрушение бетона не увеличивается непрерывно по мере возрастания содержания щелочей в цементе. Расширение бетона в данном возрасте имеет тенденцию увеличиваться по мере возрастания содержания цемента, вероятно, из-за наличия большего количества щелочей и повышения температуры хранения. В отсутствии воды реакция не имеет места; однако при хранении балочек в воде может происходить выщелачивание щелочей из цемента, что замедляет или полностью прекращает реакцию. Максимальное расширение небольших образцов раствора было получено при хранении их в атмосфере, насыщенной влагой.

Наиболее сложной является зависимость между расширением и количеством, размером и химической активностью заполнителя. Стэнтон и его сотрудники установили, что расширение образцов раствора из цемента с высоким содержанием щелочей не обязательно будет возрастать по мере увеличения содержания опала в заполнителе; при прочих равных условиях максимальное расширение наблюдается при содержании в заполнителе приблизительно 2,5—5% опала. Другие химически активные вещества вызывают максимальное расширение, когда они составляют 10, 20, 75 или даже 100% заполнителя. Так, например, разрушающее действие химически активного андезита, содержащегося в гравии, использованном при строительстве плотины Фрайент Дам, штат Калифорния, проявилось в виде максимального расширения при 20% замещении дробленого кварца, в то время как андезит из месторождений на реке Коулиц Ривер, штат Вашингтон, давал максимальное расширение при 50% замещении. Для сильно активных веществ, как, например, опал, максимальное расширение имеет тенденцию увеличиваться по мере уменьшения размера частиц материала, по крайней мере для фракций в пределах от 0,074 до 0,044 мм. Для более слабо реагирующих материалов существует обратная зависимость.

Ни одна из существующих гипотез не устанавливает количественной зависимости расширения от изменения размера или количества заполнителя. Но сложность проблемы очевидна, учитывая чрезвычайно неустойчивые физико-химические условия равновесия и возможность возникновения разнообразных комбинаций текстуры раствора, вследствие изменений размеров и количеств зерен с различной пористостью, рассеянных в гидратирующемся цементном тесте.

Рис. 8. Уменьшение расширения активных компонентов заполнителя в балочках из раствора при снижении содержания цемента:
1 — контрольные; 2— снижение содержания цемента на 10%; 3 — снижение содержания цемента на 20%; 4— снижение содержания цемента на 30%; 5 — снижение содержания цемента на 50%

Так, например, опытом установлено, что расширение бетона, содержащего активный заполнитель и цемент с высоким содержанием щелочи, может быть очень низким или даже ничтожно малым, если заполнитель или раствор в целом чрезвычайно порист, несмотря на то, что очевидные симптомы реакции между цементом и заполнителем могут быть обнаружены при микроскопическом исследовании.

Исследования в лабораторных и практических условиях показали, что разрушение бетона, вызываемое реакцией между щелочами и заполнителями, может быть уменьшено различными способами. Наиболее легко осуществимым и эффективным методом в настоящее время является применение цемента с низким содержанием щелочей или замещение части цемента некоторыми пуццо-лановыми материалами.

Физико-химические исследования

Изучение бетона лишь косвенно содействует выяснению физи-ко-химических реакций, вызывающих его расширение и разрушение. Поэтому были предприняты химические испытания пород и минералов, чтобы сопоставить степень химической неустойчивости заполнителей с разрушением балочек из раствора. Было установлено, что многие тонкоизмолотые минералы частично растворяются в воде. Так, например, 45 тонкоизмолотых минералов, применявшихся при испытаниях, образовали щелочные растворы с рН от 7,2 до 10,8. Чтобы установить, связан ли этот тип неустойчивости с химической активностью по отношению к щелочам цемента, были произведены определения величины рН шламов тонко-измельченных минералов, пород, природных песков и гравия, разрушающее действие которых было известно. Всего было испытано 43 материала. Однако зависимости между рН шлама и разрушающим действием материала в растворе из цемента с высоким содержанием щелочей установлено не было.

Так как растворы, проникающие в бетон, бывают сильно щелочными, то действие щелочных растворов на компоненты заполнителя и одновременное действие материалов заполнителя на щелочной раствор связаны друг с другом.

Растворы, экстрагированные из цементных шламов с высоким и низким содержанием щелочей, взаимодействовали в течение различного времени с измельченными в порошок образцами заполнителей. Был проведен также ряд аналогичных испытаний, в которых вместо фильтратов цементных шламов использовались известковая вода, известковая вода с небольшим количеством едкого или сернокислого натрия и разбавленные растворы едкого натрия. Все 58 испытанных образцов пород, минералов, песков и гравия поглощали ионы кальция из щелочных растворов, а большинство поглощало также ионы натрия. Поглощение ионов натрия не связано с разрушением, но заполнители, обладающие разрушающим действием, обычно поглощают больше ионов кальция, чем безвредные заполнители. Однако некоторые широко распространенные типы безвредных заполнителей, например, базальтовые, тоже поглощают значительные количества ионов кальция.

Многие заполнители при погружении в сильно щелочные растворы теряют в весе в результате выщелачивания и становятся пористыми, обесцвеченными и вытравленными. При воздействии сильно щелочных растворов на все испытанные силикаты или силикатные минералы высвобождается кремнекислота;’ скорость ее выделения определяется концентрацией и характером раствора, температурой, .размером частиц образца и соотношением жидкой и твердой фаз. Обычно вещества, обладающие наиболее разрушительным действием, выделяют в раствор больше кремнекислэ-ты, чем безвредные, «о количество растворившейся кремнекислоты не может служить надежной характеристикой разрушающего действия. Так, например, некоторые безвредные материалы (базальтовые заполнители) выделяют в раствор больше кремнекислоты, чем некоторые’ заполнители, обладающие умеренным разрушающим действием. Испытания с протравливанием также не могут служить для определения химической активности, вызывающей разрушающее действие заполнителей. Определения потери в весе заполнителей после обработки щелочным раствором тоже ненадежны. Из пород и минералов, погруженных в щелочной раствор или взаимодействовавших с цементом, выделяются щелочи, но это выделение не является признаком разрушающего действия.

Различные другие физические и химические испытания были применены для выявления реакционной способности заполнителей, но безуспешно или с небольшим успехом. Некоторые химически активные горные породы и минералы, а также некоторые продукты реакции между цементом с высоким содержанием щелочей и заполнителями, обладающими разрушающим действием, флюоресцируют в ультрафиолетовом свете. Однако флюоресценция не является удовлетворительным показателем химической активности, так как подобные минералы в различных случаях могут или не могут флюоресцировать.

Результаты этих физико-химических исследований привели к убеждению, что развитие в бетоне реакции между щелочами и заполнителями зависит отчасти от реакционной способности заполнителя и отчасти от взаимодействия заполнителя с жидкой фазой гндратированного цемента. Поэтому в 1944 г. была начата новая серия опытов для того, чтобы выяснить: во-первых, скорость растворения кремнекислоты из изготовленных образцов заполнителей, разрушающее действие которых было известно из лабораторных испытаний растворов и из сведений об их поведении при эксплуатации, и, во-вторых, уменьшение щелочности или активности растворов едкого натрия или калия. В результате этих опытов было разработано физико-химическое испытание с растворами едкого натра, описанное выше. Это испытание показало, что вообще заполнители, обладающие разрушающим действием, это те заполнители, которые при описанном испытании выделяют свыше 1 моля кремнекислоты на каждый моль щелочи, извлекаемой из раствора.

Осмотическое давление

Наследования Стэнтона показали, что расширение и растрескивание бетона является результатом внутренних физико-химических реакций, но процесс превращения этих реакций в механические силы был неизвестен. Казалось возможным, что расширение может быть вызвано увеличением объема частиц заполнителей или отдельных участков самого цементного теста вследствие образования кристаллических или аморфных веществ. Однако-микроскопическое изучение поврежденных бетонов и растворов, а также образцов горных пород и минералов, погруженных в щелочные растворы, не обнаруживало закономерного присутствия какого-либо другого вторичного вещества, кроме щелочного сили-кагеля, впервые обнаруженного Стэнтоном.

Поэтому были исследованы состав и физические свойства геля, а также были проведены опыты с готовым раствором силиката натрия (жидким стеклом), состав и свойства которого сравнимы со свойствами щелочного оиликагеля, обнаруженного в поврежденном бетоне. Такой раствор имеет плотность 41° Вё, он содержит приблизительно 38 вес. % силиката натрия и имеет отношение Na20 : Si02 = 0,30.

В первых опытах высушенные шарики жидкого стекла были заделаны в лепешки из чистого цемента. Если лепешки хранились во влажных условиях, они вскоре растрескивались, а шарики становились мягкими или жидкими. Возникновение и распределение трещин указывало на то, что разрушение цементного теста вызывалось наличием шариков. Казалось вероятным, что растрескивание обусловлено давлением, связанным с тем, что высушенное жидкое стекло поглощало воду.

Для дальнейшего изучения этого явления жидкое стекло помещали в полый бетонный цилиндр, который затем герметически закрывали, за исключением стеклянной трубки небольшого диаметра в верхнем конце. Почти немедленно после того, как цилиндр был погружен в воду, уровень жидкости в трубке стал подниматься и достиг высоты около 240 см через 195 суток. По-види-, мому, бетон в цилиндре действовал как полупроницаемая пленка, допуская проникание воды внутрь, но препятствуя движению жидкого стекла наружу.

Осмотическое давление пытались измерить -следующим образом. К полому бетонному цилиндру, наполненному жидким стеклом, присоединялся манометр. Однако в этих опытах измерения были неудовлетворительными, потому что объем раствора изменялся в результате увеличения количества растворителя. Этим прибором были измерены давления приблизительно в 17,5 кг/см‘2; при более высоких давлениях цилиндры неизменно лопались. Для того чтобы получить более точные измерения при постоянном объеме, была сконструирована небольшая камера с гибкой диафрагмой. Этим прибором были получены давления выше 38,5 кг/см2; измерение максимального давления для 38% раствора ограничивалось шкалой манометра. Толщина диска из раствора, через который должна была диффундировать вода, не влияла на развивающееся осмотическое давление. Воспроизводимые результаты могли быть получены только в изотермических условиях. Величина максимального давления была такого же порядка, как и прочность бетона при растяжении; такое давление, развиваясь внутри бетона, может вызвать растрескивание.

Рис. 9. Прибор для измерения осмотического давления, которое может развиваться в бетоне в результате реакции между щелочами и заполнителями

Расчеты, основанные на величине давления пара в системе раствора силиката натрия и чистой воды, дают осмотические давления около 29,4 кг/сж2, если допустить, что перепонка непроницаема для силиката натрия, что раствор не сжимается и что не происходит разбавления раствора. Эти допущения не абсолютно точны, но они приближаются к условиям в исследуемой системе. Расчет не может быть применен к бетону, так как количество раствора, удерживаемое щелочным силикагелем в ранние сроки его образования, неизвестно. Однако микроскопическое исследование показывает,

что до растрескивания бетона гели значительно более вязки, чем раствор силиката натрия, применявшийся в экспериментах. В этих пределах высокая вязкость геля в бетоне в такой же степени зависит от высокого осмотического давления, как и от больших концентраций силиката натрия в растворе. С учетом сложности физико-химической системы, расчет вполне удовлетворительно согласуется с фактически измеренными высокими давлениями.

Рис. 10. Схема прибора для измерения осмотического давления, развивающегося в результате реакции между щелочами и заполнителями: 1 — дистиллированная вода; 2 — диск из раствора; 3 — жидкое стекло; 4 — Диафрагма; 5 — сжатый воздух; 6 — камера для измерения осмотического давления

Рис. 11. Измерения осмотического давления, полученного с дисками из раствора толщиной 12 мм: 1 — 38-процентный раствор жидкого стекла; 2 — 20-процентный раствор жидкого стекла; 3—10-процентный раствор жидкого стекла; 4 — 2,5-процентный раствор жидкого стекла; давление = 110 фунт/дм2 через 64 дня

Механизм разрушения бетона в результате реакции между щелочами и заполнителями

На основании подробного исследования готовых сооружений и проведенных исчерпывающих испытаний, описанных в общих чертах в предыдущих разделах, полагают, что реакции между щелочами и заполнителями в бетоне происходят следующим обра-зом.‘Во время затворения бетона и в течение следующих нескольких часов в воду поступают значительные количества щелочей из цемента вследствие их повышенной растворимости. Концентрация щелочей в этом растворе возрастает по мере того, как силикаты и алюминаты кальция постепенно гидратируются и извлекают из него воду. Таким образом, в бетоне из цемента с высоким содержанием щелочей во время схватывания и в последующий период созревания образуются сильно щелочные растворы. Участки заполнителей, чувствительные к действию щелочей, подвергаются воздействию щелочного раствора в бетоне, и из кремнистых веществ торных пород и минералов начинают образовываться щелочные силикагели (табл. 38). Реакция протекает значительно быстрее с веществами, обладающими высокой химической активностью, например, опалами, и гораздо медленнее с менее активными, как, например, стекловидные вулканические породы. Вероятно, в начале своего образования гели являются очень вязкими, но по мере поглощения воды из твердеющего цемента их вязкость уменьшается. Количество воды, требующееся для получения хорошей удобообрабатываемости бетона, значительно превышает количество ее, потребное для полной гидратации портландцемента, так что вода для образования и гидратации гелей легко доступна.

Вследствие образования гелей и поглощения ими воды развиваются осмотические давления, создающие напряжения, которые растягивают и могут в конце концов разорвать затвердевший цемент, непосредственно окружающий химически активные участки. В трещинах, образовавшихся в результате разрыва теста, скопляются гели. Эти трещины возникают как микротрещины, но непрерывное поглощение воды гелями приводит к их расширению и удлинению, так что некоторые из них пересекают наружную поверхность бетона и дают типичную картину растрескивания. Обычно наблюдается выступание гелей из этих поверхностных трещин.

Образование многочисленных трещин приводит к уменьшению прочности и упругости, а также к расширению бетона как результату реакции между щелочами и заполнителями. Однако можно наблюдать широкие колебания в скорости и степени разрушения разных бетонов, в зависимости от различной реакционной способ—ноети заполнителей, содержания щелочей в цементе, содержания влаги, колебаний температуры и степени усадки бетона. Исключительно высокая пористость заполнителя или затвердевшего цемента может свести на нет расширение вновь образовавшихся гелей и таким образом замедлить или предотвратить разрушение бетона.

Реакция между щелочами и заполнителями ускоряет другие процессы разрушения бетона вследствие образования трещин, что дает доступ воде. Растворы, содержащие растворенную углекислоту, превращают гидроокись кальция в карбонат кальция, в результате чего происходит увеличение объема. Способность разрушаться при замораживании и оттаивании возрастает, так как растрескивание и разрыв связей между заполнителем и цементом продолжаются. Если эти разрушительные процессы начали действовать, то характер разрушения может стать настолько сложным, что первопричина его может быть установлена лишь с помощью подробного петрографического и химического исследований. Тот факт, что до1940 г., несмотря на многочисленные случаи разрушений, процесс реакции между щелочами и заполнителями был неизвестен, объясняется отчасти тем, что другие типы разрушения часто маскируют эту реакцию.

Регулирование реакции между щелочами и заполнителями

Из этого обсуждения очевидно, что существует пять способов, с помощью которых можно регулировать или уменьшить развитие реакции между щелочами и заполнителями. Это — применение химически неактивных заполнителей; регулирование содержания щелочей в цементе; применение корректирующих добавок, как, например, пуццолан; регулирование пористости в растворах и бетонах и поступления воды в бетон.

Выбор заполнителей. Если имеется несколъко месторождений со смешанным составом заполнителей, то среди них можно выбрать заполнитель, который в результате реакции со щелочами цемента не оказывал бы разрушающего действия. Однако обычно вопрос о применении того или другого материала решается экономическими факторами.

Потенциальная способность заполнителей оказывать разрушающее действие может быть установлена с помощью петрографического исследования, химического испытания с едким натром или с помощью испытания балочек из раствора, в котором заполнитель смешивают с цементами с различным содержанием щелочей.

На практике не следует отвергать заполнитель только из-за его потенциальной химической активности со щелочами, учитывая возможность подбора цементов с низким содержанием щелочей или цементов, содержащих добавки, которые будут регулировать реакцию между щелочами и заполнителями.

Регулирование содержания щелочей в цементе. В 1941 г., когда было выявлено значение содержания щелочей в цементе, несколько организаций установило, что содержание щелочей в цементах, которые должны быть использованы с активными заполнителями, не должно превышать 0,6%, в пересчете на Na20. Цемент, отвечающий этим техническим условиям, назван цементом «с низким содержанием щелочей». На основе практического опыта установлено, что никогда в готовых сооружениях не было обнаружено серьезных повреждений бетона в результате развития реакции между щелочами и заполнителями, если общее содержание щелочей в цементе не превышало 0,6%. Однако теоретически такого рода разрушение, по-видимому, возможно, потому что лабораторные образцы, содержащие активные заполнители и цементы с общим содержанием щелочей всего 0,4%, показали сильное расширение после непрерывного хранения во влажных условиях при 21 и 38 °С.

На основе опыта последних лет разработаны стандарты на цемент с низким содержанием щелочей или пуццолановый цемент для всех важных гидротехнических сооружений, который может применяться, независимо от того, известно ли что-нибудь о реакционной способности используемых заполнителей. Такие меры предосторожности не только страхуют от возможного разрушения, обусловленного реакцией между щелочами и заполнителями, но и ограничивают содержание нежелательных компонентов в портландцементе и обычно повышают качество бетона несколько другими путями. Были изготовлены миллионы тонн цемента с ограниченным содержанием щелочей. Цемент с низким содержанием щелочей производится на ряде заводов, и существует единодушное мнение, что он обладает повышенным качеством с точки зрения современных требований. Обычно снижение содержания щелочей сопровождалось заметным уменьшением содержания четырехкальциевого алюмоферрита, обладающего слабыми вяжущими свойствами и низким содержанием трехкальциевого алюмината, который рассматривается вообще как нежелательный компонент. Соответственно содержание основных цементных минералов — трехкальциевого силиката и двухкальциевого силиката — увеличивается почти на 9%. Очевидно, что дополнительная стоимость низкощелочного цемента в 20 центов за баррель вполне окупается улучшением его качества.

Применение пуццолан. Многочисленные испытания показали, что некоторые тонкоизмельченные пуццолановые материалы, добавленные к цементу, влияют на реакцию между щелочами и заполнителями, очевидно, вступая в химическое взаимодействие со щелочами еще до того, как они начинают реагировать с активными компонентами заполнителя. Интересно отметить, что многие из наиболее активных заполнителей при сильном измельчении приобретают свойства хороших гидравлических добавок.

Регулирование пористости раствора. В качестве средства, регулирующего расширение, обусловленное реакцией между щелочами и заполнителями в растворе или бетоне, часто рекомендуют применение воздухововлекающей добавки. Можно было предположить, что воздухововлекающие добавки значительно уменьшат расширение, но даже в тех случаях, когда количество вовлеченного воздуха достаточно для снижения прочности и объемного веса бетона до критических пределов, расширение может быть достаточно большим, чтобы вызвать разрушение отдельных конструкций.

Так как расширение раствора и бетона в результате реакции между щелочами и заполнителями непосредственно связано с развитием осмотического давления в массе образовавшегося щелочного силикагеля, очевидно, что пористость в растворе, доступная для геля, возникшего внутри или на заполнителе, может способствовать уменьшению гидростатического давления, которое в противном случае будет влиять на окружающий цемент. Если заполнитель обладает лишь умеренной химической активностью или содержание щелочей в цементах сравнительно невелико, эта пористость может полностью снять избыточные напряжения и таким образом предотвратить разрушение бетона в результате реакции между щелочами и заполнителями. Однако опытным путем установлено, что в том случае, когда заполнитель обладает значительной химической активностью и содержание щелочей в цементах высокое, регулирование объема пустот в бетоне не может рассматриваться как эффективное средство предотвращения разрушения бетона. Например, лабораторный раствор, содержащий цемент с высоким содержанием щелочей и высокоактивный заполнитель, расширился через 1 год на 0,71% при содержании воздуха 2,1%. В результате увеличения содержания вовлеченного воздуха расширение постепенно уменьшилось, но даже при увеличении содержания вовлеченного воздуха приблизительно до 13% расширение раствора через год составило 0,23%. Такое расширение вызвало бы серьезные разрушения в уложенном бетоне.

Регулирование влажности. Химические реакции между щелочами и заполнителями при разрушении бетона требуют присутствия воды. Как в лабораторных, так и в практических условиях можно было наблюдать, что отсутствие воды сильно уменьшает или полностью ликвидирует этот вид разрушения. Следовательно, в этом случае реакция между щелочами и заполнителями может не оказать влияния на бетон для внутренних конструкций, даже при применении цементов с большим содержанием щелочей и высокоактивными заполнителями. Однако количество воды затворения, вводимой для обеспечения соответствующей удобо-обрабатываемости, достаточно, чтобы химические реакции происходили неограниченно. Поэтому применение веществ, способствующих созданию водонепроницаемой поверхности бетона во избежание дополнительного проникновения воды внутрь, может полностью прекратить или замедлить развитие реакций. Однако такой прием не может рассматриваться как постоянно действующее средство, которое будет бесконечно защищать сооружение от действия реакции между щелочами и заполнителями.



Читать далее:
Обработка шлака и легких заполнителей
Однородность заполнителей для бетона
Установка для обработки породы
Разработка месторождений заполнителей
Испытание отобранных проб заполнителей
Отбор проб
Разведка заполнителей
Поисковые работы
Легкие заполнители
Химические свойства заполнителя



Ваш отзыв