2 Август 2016

 

Н.К. РОЗЕНТАЛЬ, д-р техн. наук, В.Ф. СТЕПАНОВА, д-р техн. наук, Г.В. ЛЮБАРСКАЯ, НИИЖБ (Москва)

Заполнители занимают 80% объема бетона, и их влияние на физико-технические свойства бетона огромно. Опыт последних лет показал необходимость обратить особое внимание и разработать новый подход к оценке качества заполнителей по показателю содержания растворимого в щелочах диоксида кремния.

 

Согласно современным представлениям в бетоне без внешнего воздействия агрессивных сред могут развиваться процессы внутренней щелочной коррозии вследствие взаимодействия щелочей цемента и химических добавок с заполнителями, содержащими растворимый в щелочах диоксид кремния и доломит.

 

Сложность проблемы щелочной коррозии определяется многообразием форм, в которых распространен реакционноспособный кремнезем, различием фаз цементного клинкера, в которых представлены щелочи, медленностью процесса и невозможностью влиять на его ход в период эксплуатации строительных конструкций.

 

В нашей стране около половины месторождений горных пород содержат включения растворимого в щелочах диоксида кремния. С увеличением объема строительства все активнее используются известняки, доломитизированные известняки и доломиты, ранее применявшиеся ограниченно.

 

Диоксид кремния в аморфной или скрытокристаллической форме присутствует в породах и минералах: халцедоне, опале, тридимите, кристобалите, некристаллизованном вулканическом стекле, а также в цеолитах, аргиллитовых и гидрослюдистых минералах.

 

Первоначально щелочи в цементе присутствуют в СзS в виде KC23S12 и NC23S12 и их твердых растворах, в C3A и C4AF в виде KC8A3 и NC8A3 и их твердых растворах и как сульфаты калия и натрия. Основным положением во всех гипотезах щелочной коррозии бетона считается то, что вследствие взаимодействия щелочей цемента с потенциально реакционноспособным кремнеземом на поверхности заполнителя образуется гель силикатов калия и натрия, который в результате поглощения воды набухает, увеличиваясь в объеме, что приводит к развитию внутреннего давления. Присутствие кальция увеличивает вязкость геля и затрудняет его отток в поры и капилляры бетона, способствуя росту внутренних напряжений.

 

Известняки, доломитизированные известняки и доломиты наряду с растворимым в щелочах диоксидом кремния содержат карбонат магния. Поэтому их разрушение может протекать как по механизму растворения в щелочах диоксида кремния, так и вследствие взаимодействия карбоната магния со щелочами с образованием на поверхности заполнителя геля гидроксида магния, который со временем превращается в кристаллический брусит, и карбонатов щелочных металлов; последние взаимодействуют с гидроксидом кальция и вновь образует гидроксиды щелочных металлов.

 

В СНиП 2.03.11—85 «Защита строительных конструкций от коррозии» при использовании заполнителей, содержащих потенциально реакционноспособные породы, для снижения щелочной коррозии предусматривается применение цементов с содержанием щелочи не более 0,6% в расчете на Na2O (R2O). На заводы ЖБК и товарного бетона Москвы поступают цементы с 14—16 заводов. И только у трех заводов — Белгородского, Мальцовского и Липецкого содержание R2O не превышает 0,6%. При этом в большом объеме используются заполнители месторождений Орешкинское и Вяземское, в которых, по данным ВНИПИИ-стромсырье, содержится от 30 до 50% потенциально реакционноспособных пород — кремни, кварциты, песчаники.

 

По ГОСТ 8269.0—97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» применяются четыре метода испытаний заполнителей на содержание реакционноспособного диоксида кремния:

  • методы, основанные на определении минералогопетрографического состава;
  • методы химического определения растворимого в щелочах кремнезема;
  • методы определения деформаций расширения образцов, изготовленных на потенциально реакционноспособных заполнителях (ускоренные и длительные).

 

Исследования НИИЖБ показали, что принятый в ГОСТ 26633—91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» критерий — содержание растворимого в щелочах диоксида кремния не более 50 ммоль/л не характеризует действительную реакционную способность заполнителей к щелочам в бетоне (метод химического определения растворимого в щелочах кремнезема). Так при содержании SiO2, растворимого менее 50 ммоль/л, сланец с содержанием SiO2 19,9 ммоль/л показал относительную величину деформации по методике ускоренных испытаний 0,145% (критерий по ГОСТ 8269.0 — 0,1%).

 

НИИЖБ исследовал щебень Лиственничного месторождения и охотский песок (Дальний Восток); одновременно эти материалы были направлены на испытания в Англию.

 

При содержании растворимого SiO2 в щебне Лиственничного месторождения — 20,5 ммоль/л и охотском песке — 46,7 ммоль/л в обоих исследовательских центрах было сделано заключение — заполнители реакционноспособные к щелочам цемента. По данным НИИЖБ, величина деформации у щебня Лиственничного месторождения 0,132%, охотского песка 0,192%.

 

В то же время яшмы Сахалина при содержании SiO2 растворимостью 1082 ммоль/л, оказались нереакционноспособные, величина деформации в ускоренных испытаниях составила 0,026%, в длительных 0,014%.

 

Щебень из гравия месторождений Орешкинское, Абрамово и Вяземское при содержании растворимого в щелочах SiO2 от 201,5 до 437,2 ммоль/л показал деформации образцов при ускоренных и длительных испытаниях ниже критических, что позволяет оценить заполнители как нереакционноспособные. Помимо химического состава и степени закристаллизованности кремнезема влияние на реакционную способность заполнителя оказывают структурные характеристики горных пород и минералов.

 

В работах РИЛЕМ и стандарте EN 12620 «Заполнители для тяжелого и мелкозернистого бетона» показатель — содержание SiO2, растворимого в щелочах, исключен. По нашему мнению, при переработке ГОСТ 8269.0 аналогичный показатель также следует исключить.

 

Окончательная оценка реакционной способности заполнителей делается по результатам длительных испытаний бетонных образцов с контролем деформаций.

 

Месторождение

Содержание SiO2 растворимого, ммоль/л

Массовая доля MgCO3, %

Деформации образцов в ускоренных испытаниях по AAR-5, %*

Деформации образцов в длительных испытаниях по п. 4.22.4 ГОСТ 8269.0, %**

Данково

0,85

35,91

0,03

0,019

Зубцовское

28,36

42,44

0,046

0,04

*Критерий — деформации не более 0,1%.
**Критерий — деформации не более 0,04%.

 

Испытание доломитизированного известняка месторождений Данково и Зубцовское выполняли по ускоренной методике РИЛЕМ AAR-5 ввиду того, что в нашей стране отсутствуют стандартные методы испытания доломитизированных известняков и доломита. Длительные испытания выполняли по п. 4.22.4 ГОСТ 8269.0, так же как для заполнителя, содержащего реакционноспособный диоксид кремния. Результаты испытаний приведены в таблице.

 

По результатам ускоренных и длительных испытаний доломитизированный щебень месторождения Данково оценивается как нереакционноспособный со щелочами цемента. Щебень Зубцовского месторождения по результатам длительных испытаний является реакционноспособным.

 

Начиная с 1988 г. НИИЖБ испытал восемь партий щебня из гравия Вяземского карьера. При содержании SiO2, растворимого в щелочах, от 302 до 682 ммоль/л по результатам ускоренных испытаний среднее значение деформаций составило 0,068% (критерий 0,1%). Полученные результаты в сочетании с результатами длительных испытаний позволяют с высокой степенью надежности оценить щебень из гравия Вяземского карьера как нереакционноспособный со щелочами цемента, что подтверждается и опытом применения щебня из гравия Вяземского карьера в Москве.

 

Заключение о щебне из гравия месторождений Абрамово и Орешкинское сделано по результатам испытаний одной партии заполнителя. В связи с возможным изменением минералогического состава горной породы рекомендуется периодически выполнять указанные испытания щебня из гравия этих месторождений на партиях, отобранных в разное время.

 

Испытания двух партий доломитизированных известняков показали, что доломитизированные известняки могут быть реакционноспособны по отношению к щелочам цемента (Зубцовское местророждение). Необходима разработка стандартного метода испытаний доломитов и доломитизированных известняков. Потребность в этом может возникнуть в связи с исчерпанием запасов месторождений, с которых поставляют в настоящее время заполнители для бетона и при более широком использовании карбонатных заполнителей.

 

К сожалению, заполнители из многих разрабатываемых ныне месторождений не прошли полной проверки, предусмотренной ГОСТ 8269.0. В дальнейшем следует выполнить полный комплекс указанных испытаний.

 

В связи с вышеизложенным считаем необходимым внести коррективы в научно-технические документы об изменении подхода к оценке качества заполнителей. Основными методами оценки реакционной способности цемента к щелочам должны быть признаны методы определения деформации образцов, ускоренные и длительные.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»