Что такое сульфатация бетона

Характеристика сульфатостойкого бетона

Конструкции из бетона и железобетона являются прочными и надежными строительными элементами, однако они поддаются разрушениям и повреждениям в процессе эксплуатации. Деформации бетона или железобетона возникают под влиянием грунтовых вод, дождей, морозов, под воздействием химических веществ и подвижности грунта. Улучшить свойства смеси сможет сульфатостойкий цемент. При использовании сульфатостойкого цемента обеспечивается надежная защита зданий и сооружений от воздействий атмосферных осадков, в состав которых входят сульфаты. Применение такого цемента обеспечивает конструкцию устойчивостью к морозам, износостойкостью.

Сульфатостойкий бетон увеличивает надежность строительства.

Что такое сульфатостойкий бетон?

Цемент сульфатостойкий или как его еще называют портландцемент, представляет собой строительный материал, в состав которого входит клинкер, силикат и трехкальцевый алюминат. Использование сульфатостойких цементов актуально в строительстве гидротехнических построек, так как они способны противостоять агрессивному воздействию атмосферных осадков с содержанием сульфатов.

Свойства

В сульфатостойком бетоне находятся клинкер, гипс и трехкальцевый алюминат, могут быть добавлены минеральные добавки. Трехкальцевый алюминат добавляют в бетонную смесь в количестве не более пяти процентов от общей массы, избыток материала провоцирует сульфатную коррозию. Отличительным свойством при работе сульфатосктойким бетоном является быстрое затвердевание цементно-песчаной смеси, что отрицательно сказывается на прочности готового изделия.

Разновидности

Сульфатостойкая цементно-песчаная смесь подразделяется на следующие виды:

  • сульфатостойкий цемент с добавками;
  • пуццолановое гидравлическое вяжущее вещество;
  • шлакопортландцемент;
  • сульфатостойкий портландцемент.

Портландцемент увеличивает сопротивляемость бетонных смесей к замораживанию и оттаиванию, если в них входят сульфаты, уменьшает воздействие агрессивных факторов в бетонном растворе, где содержится количество сульфатов, превышающих норму. Для улучшения качества портландцемента в цементно-песчаное месиво добавляют минеральные добавки и выбирают подходящий метод приготовления цемента для определенных условий строительства зданий и сооружений.

Способы получения

Гидравлическое вяжущее вещество получают двумя способами. Первый способ – изготовление цементного раствора с добавлением специальных минеральных добавок. Второй способ – использование сульфатостойких цементо-песчанных примесей, из-за которых обеспечивается надежность и защита конструкций на протяжении срока эксплуатации.

Раствор со стойкими сульфатами достигает своей окончательной прочности на протяжении двадцати восьми дней. Для получения портландцемента используют смесь шлака в количестве двадцати процентов. Для шлакопортладцемента допускается замена шлака на золу в количестве не превышающем десяти процентов массы раствора. Применение добавок, в объеме превышающих норму, уменьшает прочность раствора и увеличивает хрупкость сооружений, что приводит к разрушениям. Изготовление такого раствора должно соответствовать нормам государственного стандарта.

Как изготовить?

Приготовление сульфатостойкого бетона мало чем отличается от производства обычного бетонного раствора. Для изготовления смеси понадобится песок, цемент в пропорциях один к трем. Перед добавлением минеральных добавок важно проверить их влияние на строительный материал. Все технологические компоненты должны быть подтверждены испытаниями.

Испытание проводится на схватывание раствора, для чего в процессе кипячения обеспечивается равномерность изменений количества смеси и проверяется ее схватывание, которое происходит не раньше сорока пяти минут от процесса твердения.

Также при изготовлении бетона используют гипсовый камень, воду, клинкер или другие материалы с содержанием сульфата кальция. Применение такого цемента по карману не каждому, поэтому используется он не так часто, как обычный бетон, но и характеристики его несравнимы с простой бетонной смесью.

Области применения

Применение портландцемента актуально при возведении подводных или подземных конструкций, для строительства зданий и сооружений, которые поддаются воздействию большого количества атмосферных осадков с содержанием сульфатов. Свойства устойчивого сульфатного бетона обеспечивают защиту конструкций от внешних природных и химических факторов.

Читайте также:  Чем нужно засыпать фундамент внутри

Вывод

Портландцемент является неотъемлемым материалом в строительстве зданий и сооружений, которые находятся в местности с переменчивой влагой и температурным режимом.

Однако стоит помнить, что выбирая материал, первым делом обращают внимание на его состав, ведь для разных почв потребуются соответствующие портландцементы.

Источник

Проблема сульфатной коррозии в современном бетоноведении

Хотите получать свежие статьи на свою почту?

Все свежие статьи публикуются в электронном журнале ВесьБетон.

Подписка на журнал бесплатная, процедура подписки занимает одну минуту! Подписаться!

Журнал «ВесьБетон» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Особенности журнала ВесьБетон:

  1. Публикуются статьи и книги о производстве и применении строительных материалов, добавок.
  2. Тираж более 10 500 профессиональных строителей.
  3. Подписаны только строители, технологи и производители, так как публикуется только профессиональная информация.
  4. Выходит 2 раза в месяц.
  5. Честный тираж! Журнал распространяется через независимый канал Subscribe.ru
  6. Обсуждение статей на форумах

Подписаться (бесплатно)!

Считается, что основной характеристикой бетона, определяющей его качество, является предел прочности при сжатии, но этот показатель не остается постоянным в течение длительного срока эксплуатации конструкций. Воздействие окружающей среды оказывает влияние на прочность бетонных изделий. Что происходит с бетоном в случае негативного воздействия внешней среды? Насколько интенсивным будет снижение прочности бетона? Можно ли распознать начальные признаки коррозионного разрушения материала, чтобы принять меры для защиты конструкции. Изучение этих и многих других вопросов позволяет разрабатывать методы защиты бетона от коррозии, а также оценивать необходимость их применения в тех или иных условиях эксплуатации, давать технико-экономическую оценку их эффективности, определять кинетику процесса с тем, чтобы обеспечить своевременную реконструкцию.

Термин «сульфатная коррозия» используется для характеристики разрушения бетона при взаимодействии сульфатных сред различных типов с цементным камнем, при этом стойкость материала во многом определяется условиями твердения и особенностями сульфатного воздействия. Такой вид коррозии возможен при наличии в воздействующей среде сульфат-ионов, но кроме этого, он развивается и при воздействии пресных вод на бетоны с внутренними источниками сульфатов.

Продукты взаимодействия агрессивной среды и цементного камня – к ним в первую очередь относятся эттрингит и таумасит – обладают экспансивным характером. Оба минерала имеют подобные кристаллические структуры, но таумасит представляет собой силикатсодержащую фазу, тогда как эттрингит – алюминатную. В бетоне таумасит образуется в результате реакции между силикатами кальция цемента, карбоната кальция и сульфатов.

Таблица 1. Кристаллическая структура эттрингита и таумасита

а0=11,23 А; с0=21,44 А;

а0=10,90 А; с0=18,29 А;

а=4,582; 3,792; 2,714 А

Обозначения: а0, с0 – параметры элементарной ячейки кристаллов; n0, nе – показатели светопреломления одноосных кристалло

Рис. 1. Трещинообразование бетона при возникновении в нем системы эттрингит-таумасит

Например, в Великобритании в начале 80-х годов прошлого века для строительства ряда мостов использовались местные заполнители, содержащие сульфаты, поэтому для повышения коррозионной стойкости бетонных конструкций проектировщики применяли сульфатостойкий цемент. В середине 90-х часть конструкций этих мостов разрушилась. Для анализа причин разрушения была сформирована правительственная комиссия во главе с профессором Л. Кларком. По результатам работы комиссии был сформирован отчет, в котором главной причиной разрушения конструкций признано образование таумасита.

Образование и эттрингита, и таумасита сопровождается увеличением объема твердой фазы кристаллических новообразований, которое вызывает внутренние напряжения, являющиеся причиной коррозионного разрушения бетона при воздействии сульфатов. Однако совсем не обязательно, что воздействие сульфатов на бетонные конструкции является причиной образования экспансивных фаз, а кроме того, эттрингитообразование не всегда является причиной внутренней экспансии. Когда эттрингит образуется в свежеприготовленной бетонной смеси и его распределение относительно гомогенно, то он не является причиной разрушения бетона. Такой тип эттрингита, согласно международной классификации, называется первичным (Early Ettringite Formation – EEF). Примером образования первичного эттрингита является реакция двуводного гипса с трехкальциевым алюминатом в присутствии воды:

3CaO · Al2O3 + 3(CaSO4·3H2O) + 26H2O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O.

В процессе этой реакции эттрингит адсорбируется на поверхности цементных зерен, препятствуя проникновению к ним воды и адгезии цементного геля, таким образом выступая в качестве регулятора сроков схватывания.

С другой стороны, когда эттрингит образуется в гораздо более поздние сроки (в течение нескольких месяцев или даже лет), возникает неоднородная экспансия в жесткой бетонной структуре, что является основой появления микротрещин и развития процессов трещинообразования. Согласно международной классификации такой эттрингит называется поздним или вторичным (Delayed Ettringite Formation – DEF). Разрушающий эффект, который создается в результате образования вторичного эттрингита, зависит от концентрации реагирующих компонентов на локальных участках бетонной структуры и кристаллической формы новообразований.

Кроме этого, выделяют два типа вторичного эттрингита в зависимости от того, воздействуют ли сульфаты на бетон из внешней среды либо присутствуют в бетоне в виде внутренних сульфат источников. Первый тип определяется международным термином «внешнее воздействие сульфатов» (External Sulfate Attack – ESA), второй – «внутреннее воздействие сульфатов» (Internal Sulfate Attack – ISA). Внешнее воздействие сульфатов происходит при фильтрации агрессивной среды через толщу бетона. Внутреннее воздействие сульфатов имеет место при действии на бетон жидких сред, не содержащих сульфатов, но при наличии в материале внутренних сульфат источников, например таких, как высоко-сульфатсодержащие или гипсосодержащие заполнители. По данным отдельных исследователей, внутреннее воздействие сульфатов и связанное с ним образование эттрингита характерно только для бетонов, прошедших тепловую обработку и эксплуатирующихся длительное время в изменяющихся атмосферных условиях.

Рассмотрим механизм разрушения бетонных конструкций в результате развития процессов коррозии третьего вида. Под действием сульфатсодержащих сред, – например грунтовых вод, которые содержат сульфаты кальция, магния, натрия, калия, – в бетонных конструкциях происходит образование эттрингита. Продукты реакции характеризуются увеличением объема твердой фазы по сравнению с реагирующими компонентами. Накапливаясь на стенках пор и капилляров, кристаллы постепенно заполняют все внутреннее пространство, создавая тем самым напряжения. Под действием этих напряжений вначале происходит образование микротрещин, и кристаллизация эттрингита продолжается в этих трещинах. Таким образом, увеличивается расклинивающее воздействие на бетон, появляются макротрещины. Характер разрушений при кристаллизации эттрингита зависит от множества факторов, в частности, от температурных условий, концентрации сульфатсодержащих сред и величины рН, которая определяет габитус кристаллов.

Особенность таумасита состоит в том, что в его структуре содержится шестивалентный кремний. Поэтому он образуется при относительно низких температурах (ниже +15 °С) и наличии в растворе ионов SO42- , CO32-. Наши исследования показали, что таумасит наиболее интенсивно образуется при температуре +2…+6 °С. Как уже отмечалось ранее, кристаллическая структура таумасита идентична эттрингиту, однако характер разрушения бетона при кристаллизации этих веществ различен. Таумасит образуется в мелкокристаллической форме и не создает столь значительных растягивающих усилий, как эттрингит, но дополнительные напряжения могут возникать за счет адсорбции им влаги. Кроме этого, образование таумасита не ограничено содержанием алюминатов, и поэтому процесс его кристаллизации может продолжаться значительное время, результатом чего является снижение прочности цементного камня. При эксплуатации сооружений в реальных условиях температура окружающей среды изменяется в широких пределах, поэтому эттрингит и таумасит образуются в кристаллической смеси, что в свою очередь не только усложняет процессы коррозии, но и ускоряет разрушение материала.

Условия, в которых протекает коррозионный процесс, определяют соотношения этих компонентов экспансивной фазы, а, следовательно, и характер разрушения материала. В университете г. Веймара под руководством профессора Й. Штарка были проведены многочисленные исследования, показавшие, что эттрингит образуется в различных формах. На контакте цемента с заполнителем и поверхностях самого заполнителя он образует нитевидные волокна. При свободной кристаллизации в крупных порах или на открытой поверхности бетона эттрингит образует скопления в виде сферолитов или неупорядоченных наростов. Если эттрингит кристаллизуется в мелких порах и капиллярах, то он образует параллельно упорядоченные скопления.

На изменение формы и размеров кристаллов эттрингита большое влияние оказывает концентрация гидроксида кальция в поровой жидкости. Профессор П. Мехта из университета г. Беркли (США) описывает 2 модификации эттрингита, которые сильно отличаются по габитусу и размерам. К первому типу он относит игольчатообразные кристаллы длинной от 10 до 100 мкм и толщиной порядка 3–5 мкм. Этот тип кристаллов образуется при низкой концентрации Ca(OH)2. По мнению Мехты, этот тип эттрингита не вызывает возникновение напряжений, большие кристаллы образуются в крупных порах, дополнительно уплотняя и упрочняя бетон. Второй тип эттрингита образуется при высоких значениях рН бетона. К эттрингиту второго типа относятся маленькие палочкообразные кристаллы длинной лишь 1–2 мкм и толщиной до 0,2 мкм. При эксплуатации бетона вследствие выщелачивания гидроксида кальция рН поровой жидкости может снизиться, что приведет к перекристаллизации мелкокристаллического эттрингита второго типа в крупнокристаллическую форму. При этом длина кристаллов может вырасти до 100 раз, что, соответственно, вызовет и рост напряжений в материале.

Таумасит в бетоне образуется преимущественно в мелкокристаллической форме. При разрушении материала, связанного с кристаллизацией таумасита в устьях трещин и контактах материала с заполнителем можно наблюдать белую эмульсию. Эта эмульсия и есть таумасит. Переход гидросиликатов кальция в таумасит сопровождается снижением прочности цементного камня и на отдельных участках может привести к полному его разрушению. Кроме этого, мелкокристаллические образования как таумасита, так и эттрингита благодаря адсорбции воды создают дополнительное расширяющее воздействие.

Для того чтобы установить различия в характере разрушений при образовании эттрингита и таумасита, были изготовлены 2 серии образцов кубиков с высотой ребра 100 мм (для исследования изменения предела прочности при сжатии) и партия кубиков с высотой ребра 25 мм (для микроскопических исследований), а так же партия балочек размером 40х40х160 мм (для исследования изменения линейных размеров и прочности). Одна партия образцов помещалась в условия, стимулирующие образование эттрингита, другая – таумасита. Образцы балочки и кубики с высотой ребра 25 мм изготавливались из мелкозернистого бетона, большие кубики из тяжелого бетона. Составы бетонов приведены в таблице 2. После твердения в нормальных условиях в течение 28 суток образцы помещались в 5 % раствор Na2SO4. Испытания проводились в течение 3-х лет.

Таблица 2. Составы бетонов для проведения исследований

Источник

Читайте также:  Печи камины под которые не нужен фундамент
Поделиться с друзьями
Строю.ру
Эттрингит