ЩЕЛОЧНАЯ КОРРОЗИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЯ

До 1940 г. считалось, что заполнитель в бетоне инертен. Стантон был, по-видимому, первым исследователем, обнаружившим вредное влияние щелочен на кремнеземистый заполнитель, после чего в течение 10 лет последовала интенсивная исследовательская работа в области щелочной коррозии заполнителя. Затем интерес к этим реакциям несколько спал, однако снова возрос во второй половине 60-х годов, что объясняется несколькими причинами:

во-первых, проблема щелочной коррозии заполнителя затронула многие страны в связи с повышением содержания щелочей в цементе, поскольку такая технология получения цемента оказалась экономически рациональной;

во-вторых, в последние годы стали шире использовать богатые щелочами наиболее мелкие фракции цемента, — возврат после фильтров и высокодисперсные остатки от сжигания угля — в результате перехода с жидкого на твердое топливо;

в-третьих, увеличились объемы применения реакционно-активных заполнителей;

в-четвертых, в практику строительства вошли стеклобетон и бетон с добавками солями щелочных металлов;

в-пятых, развитию щелочной коррозии бетона способствует переход на жирные бетонные смеси с низким ВЦ.

О протекании щелочной коррозии заполнителя можно судить по характерному для этого случая появлению трещин в бетоне. Хотя и некоторые другие реакции могут привести к аналогичной картине разрушения, но при щелочной коррозии на поверхности бетона наблюдаются характерные выделения влажного геля, который при высушивании образует белые высолы, причем этот результат может появиться через несколько месяцев или лет, а иногда и значительно позже.

По проблеме щелочной коррозии бетона имеется подробная литература; опубликованы научные статьи, обзоры и доклады на конференциях. Была издана также библиография, содержащая 500 ссылок на работы по щелочной коррозии бетона, вышедшие до 1974 года.

Причина появления щелочей. В цементе щелочи находятся в растворимой и нерастворимой формах. Содержание водорастворимых щелочей (определяемое согласно методике ASTMC114—77) колеблется от 10 до 60 % их общего количества. Большая часть растворимых щелочей присутствует в цементе в виде сульфатов, кроме того, щелочи могут появиться в виде ряда двойных калиевoнатриевых солен состава от NKjSj до NK5Se. Обнаружено также соединение с формулой KC2S3, а отдельные клинкеры содержат также карбонаты натрия и калия.

Первоначально щелочи представлены сульфатами щелочных металлов, но уже через несколько суток раствор содержит много гидроксид-ионов, находящихся в стехиометрическом балансе с нонами калия и натрия, а сульфат-ионы, связываясь с С3А в труднорастворимый эттрннгит, выводятся из жидкой фазы.

Цементы с эквивалентным количеством Na,0 менее 0,6 % обычно называют ннзкощелочными. Такой расчет предполагает равноценность влияния едких натрня и калия на заполнитель. Это не совсем правильно, поскольку имеется основание считать NaOH более агрессивным, чем КОН.

Отсутствие разрушения бетонов на низкощелочных цементах вызвано, по-видимому, тем, что низкоосновный гидросиликат кальция связывает щелочи. Доказано, что в присутствии такой С -S—Н фазы предельное содержание щелочей, не приводящих к коррозии заполнителя, можно увеличить по сравнению с тем, которое допускается при наличии более высокоосновных гидросиликатов кальция. Хотя при содержании щелочей менее 0,6 % обычно не наблюдается расширения, вызванного коррозией бетона, тем не менее известны п отклонения от этого правила. Типы реакций между щелочами и заполнителем. В ранних исследованиях взаимодействие между заполнителем и щелочью объяснялось ее реакцией с кремнеземом. Заполнитель способен к подобному взаимодействию лишь тогда, когда он содержит опало видные остеклованные вулканические породы и породы, более чем на 95 % состоящие из кремнезема.

За щелочную коррозию бетона ответственны такие минералы, как опал, кремнистый сланец (роговик), кремень, три-димит, крнстобалит, вулканические стекла, халцедон и микрокристаллический ил и деформированный кварц. Позднее был вскрыт механизм другой реакции между щелочью и заполнителем: в роли последнего выступает доломитовый известняк в метастабильной и, возможно, скрытно кристаллической формах.

Третий тип взаимодействия между щелочью и заполнителем под названием щелочесиликатная реакция, предложен Джиллотом. К породам, участвующим в реакциях этого типа, относятся, например, аргиллиты и филнты, содержащие вермикулит. Эта новая классификация реакций до сих пор не получила всеобщего признания.

Щелочекремнеземные реакции. Реакции этого типа протекают между щелочами и микрокристаллическими кремнеземистыми фазами, которые могут присутствовать в вулканических, метаморфических и осадочных породах. Обычно кварц стоек к действию щелочей, если же его решетка деформирована и характеризуется неупорядоченным строением, то он вступает в реакцию со щелочами, особенно в тех случаях, когда заполнитель имеет высокую удельную поверхность.

Деформации расширения балочек из раствора на опаловидном заполнителе в зависимости от содержания щелочей в цементе показаны на из которого видно, что в растворе с повышенной концентрацией щелочен деформация расширения возросла. Это не означает, однако, что между ними существует прямая зависимость: после того как содержание щелочей достигает определенного верхнего предела, их дальнейшее увеличение не сопровождается изменением деформаций расширения образцов-балочек. Предполагают, что при высоком содержании щелочей они реагируют с активным кремнеземом, образуя гель, переходящий в золь. Этот последний проникает к реакционно-активному заполнителю и экранирует его, уменьшая скорость процесса.

Поскольку щелочная коррозия зависит от состава как цемента, так и заполнителя, на ее развитие оказывают влияние соотношение между ними, а также условия эксплуатации сооружений. Например, влажность существенно сказывается на скорости этого процесса, о чем свидетельствуют разрушения мостовых покрытий, тротуарных плит и дамб. У растворов, приготовленных при низком ВЦ и применяемых при низкой относительной влажности воздуха, не наблюдаются деформации расширения, однако их последующее влажное хранение приводит к развитию деформаций.

Зависимость скорости щелочекремнеземных реакций с температурой носит экстремальный характер. Так, Грудмундсон нашел, что деформации расширения в этих случаях располагаются в температурный ряд. Возможно, что наличие минимума на кривых деформация расширения — температура обусловлено образованием лучше закристаллизованных продуктов. Максимальное расширение при шелочекремнеземных реакциях наблюдается при определенном отношении активных компонентов к заполнителю: 3—5 % для опаловидных пород и 10— 20 % или несколько выше — для менее активных материалов (это отношение называют неблагоприятным, оно зависит от количества щелочей в цементе).

Несмотря на большое внимание к вопросам механизма расширения бетона при щелочекремнеземной реакции, не все ее детали еще достаточно ясны. Ранее предполагалось, что этот процесс вызван непосредственным расширением частиц при воздействии на них щелочей (подобно тому, что наблюдается при гидратации пернклаза в бетоне). Известны две наиболее распространенные теоретические концепции по этому вопросу, основанные на свойствах продуктов реакции: одна исходит из представлений о проникании воды в гель, другая — на возникновении осмотического давления.