Влияние реакционной способности крупного заполнителя на технические свойства бетона
Вопрос о влиянии реакционной способности крупного заполнителя на технические свойства бетона возник в результате массового разрушения бетонных и железобетонных конструкций. Причины разрушения не были типичными для регистрируемых случаев выхода конструкций из условий их надежной работы. Обычно такие разрушения возникают из-за коррозии бетона при действии на кремнезем заполнителя окислов К2О и Na20, находящихся в цементе. Присутствие этих окислов в цементе всегда считалось нежелательным, так как они влияют на ускорение сроков схватывания. При относительно небольшом выпуске цементов удавалось применять сырье, не содержащее указанных окислов.
Бурное развитие цементной промышленности способствовало широкому использованию сырья, переработка которого приводила к выпуску цементов с разным количеством таких окислов. В 40-х годах после длительного изучения удалось сформулировать причину коррозии. Ее связали с наличием реакции между окислами цемента (К2О и Na2O) и реакциояноелоеобяым крупным заполнителем — реакционноспособным кремнеземом. Пока нет убедительных сведений о механизме процесса, условиях его протекания, времени завершения или всех условий, приводящих бетон к деструкции. Исследовательские работы в этой области продолжаются во многих странах.
Рассмотрим некоторые широко известные случаи разрушения бетона от указанной коррозии, в частности, дорожного покрытия, морских бетонных набросок из массивов-гигантов, деталей жилого строительства, мостов. Можно назвать следующие случаи агрессии: 1) плотин Паркер, Аунхи, Кулидж, Баулдер (США); 2) дорожных покрытий, бортового камня (Канада); 3) различных фундаментов промышленных сооружений; 4) фундаментов под опоры контактной сети, мостов и др.
Причины возникновения указанных необратимых процессов, связанных с разрушением сооружений (конструкций), еще не имеют точных теоретических объяснений. Однако определено, что разрушение — результат расширения новообразований в цементном камне, формирующихся при взаимодействии щелочей (на базе окислов KaO + Na20, входящих в состав цемента) и аморфной крем-некислоты горных каменных пород — крупного заполнителя. Горные породы, содержащие аморфный кремнезем и используемые в виде крупного заполнителя, в стандартах до сих пор не дифференцированы на породы, которые не вызывают и могут вызвать разрушение бетона.
Первые из них названы реакционно способными. Реакционную способность пород можно определить различными методами; весьма объективен для этой цели метод деформации (расширение ба-лочек из бетона). При этом методе необходимо учитывать исходные сведения о химическом составе цемента, петрографическом анализе горной породы и величине растворимого из них кремнезема.
Реакционно способными разновидностями кремнезема являются кварц, опал, халцедон, тридимит, кристобалит. Кварц, тридимит и кристобалит содержат около 100% SiO2.
Халцедон — название группы указанных выше и ряда других минералов: роговика — непрозрачного, матового или черного халцедона, встречающегося в породах в расслоенной или массивной форме; кремния, темного халцедона, часто встречающегося в виде конкреций в горных породах и преимущественно в мелу; яшмы — красного, непрозрачного халцедона, содержащего примеси железа. Роговик, кремень, агат, яшма и некоторые другие плотные микрокристаллические разности кремнезема состоят, главным образом, из тонкого кварцевого каркаса с большим количеством микропор. Интересно отметить, что агат легко отличим от других минералов группы халцедона по характерному для него чередованию различно окрашенных полос или концентрических зон.
Опал — водная скрытокристаллическая коллоидная форма кремнекислоты — имеет большую гамму цветов: молочно-белого, желтого, красного, зеленого, голубого, черного, а некоторые разновидности бесцветны и обнаруживают перламутровый блеск. Эти минералы можно расположить по уменьшению их реакционной способности (активности к соединениям со щелочными окислами) в следующем порядке: опал, группа халцедоновых минералов, кристобалит, тридимит. Указанные минеральные образования связаны с осадочными, магматическими, эффузивными и вулканопластическими горными породами.
Исследования показали, что активность указанных образований нельзя отрывать от анализа комплекса характеристик, т. е. не только химического, но и минералогического состава, структуры и текстуры горных пород. Например, реакционная способность горных пород в коррозионном процессе постепенно возрастает от основных к кислым породам и от полнокристаллических структур горных пород к породам с увеличенным содержанием стекла.
Эффузивные породы основного состава любой структуры могут применяться как крупный заполнитель в бетоне при использовании цементов, содержащих повышенное против норм количество щелочных окислов. Ряд горных пород (палеотипных — измененных, эффузивных) в процессе девитрификации основной массы и пара-морфных превращений реакционноопособных модификаций кремнезема в кварц независимо от кислотности являются практически нереакционноспособными.
При разведочных работах по определению мест добычи каменных материалов для бетона нельзя не учитывать их реакционную способность. Можно считать, что интрузивные и метаморфические породы, имеющие полнокристаллическую структуру, не содержат реакционноспособных минералов.
Наблюдениями установлено, что щелочная коррозия протекает с различной интенсивностью (от нескольких месяцев до десятков лет), точные условия которой для наступления критического состояния бетона пока не установлены. Ряд исследователей считают, что для протекания процесса между щелочными окислами, находившимися в цементе, и реакционными минералами горных пород необходима влажная среда. Однако наблюдения показывают, что имеются разрушения бетона по указанной причине и в иных условиях эксплуатации конструкций (в воздушно-влажных условиях с различной величиной относительной влажности воздуха).
Отмечается, что в бетонах, на поверхности которых появились трещины, вокруг зерен с реакционными минералами при применении цементов со щелочами образуются слои новообразований. Реакция между щелочью и зерном таких заполнителей изменяет их на значительную глубину. Зерна песка с реакционноспособными минералами при наличии в цементе окислов выше условного норматива в 0,6% также приводят к появлению на поверхности бетона трещин, что означает его коррозию по всей толще.
Так, при щелочной коррозии массивного бетона одной из плотин в США уже через два года после окончания строительства были зарегистрированы в разных ее частях трещины различного размера вследствие реакции между реакционноспособными заполнителем и щелочами в цементе. При этом на глубине 0,75—1,5 м от поверхности бетона имелось расширение материала, а на меньшей— зафиксирована усадка. Начиная с 1,5 м и далее обнаружено расширение в 0,35%, что вызвало разрушение внешних слоев, обжатых по отношению к внутренним слоям.
Химический анализ зерен породы и их внешней деформированной оболочки показал значительные изменения: увеличилось содержание Si02, Na20 и уменьшилось содержание Аl2О3, СаО и MgO. (В США зарегистрированы случаи разрушения бетона при сочетании щелочей в цементе с заполнителями из кремнистых известняков, халцедоновых и опаловых сланцев, туфовых известняков, риолитовых и андезитовых вулканических пород, что согласуется с общими указаниями исследований, о которых сказано выше.) Как отмечалось, реакция между двумя исходными компонентами (кремнеземом горных пород и щелочами цемента) при создании определенных условий в бетоне начинается с поверхностных слоев зерен заполнителя и идет вглубь. Продукты реакции имеют различное состояние (с истинного раствора до твердого тела), что зависит от ряда факторов, в том числе от количества щелочей, соотношения воды и цемента в бетоне.
В последних научных разработках критерий нижнего предела реакционно способного кремнезема в горных породах при их химическом анализе значительно вырос (с 50 до 200 ммоль/л), что показывает на необходимость дальнейших углубленных разработок причин и условий возникновения этого вида коррозии.
Наличие в гравийном материале минеральных и органических примесей нормируется ГОСТ 8268—62: гравий не должен содержать засоряющих примесей и при обработке его раствором едкого натрия должен давать стандартный цвет (т. е. не быть темнее эталонного раствора).
Действительно, искусственный технический камень — бетон — может хорошо работать только при ряде условий, в том числе при условии, что поверхность склеиваемых минеральным клеем — цементным камнем зерен песка и гравия (щебня) не будет загрязнена глинистыми, илистыми, пылевидными частицами, не будет покрыта органическими примесями. Такие загрязняющие прослойки мешают непосредственному адгезионному контакту цементного камня и заполнителя. Следует иметь в виду, что объем этих заполнителей является основой — скелетом бетона. Цемент в нем должен лишь с небольшим избытком заполнять пустоты.