Повышение защитной способности стальной арматуры в керамзитобетонах

Анализ полученных результатов позволяет констатировать, что пористые заполнители обладают способностью связывать оксид кальция. Способность вступать в химическое взаимодействие увеличивается в зависимости от суммарного содержания SiО2 и AI2O3 и снижается с увеличением крупности заполнителя, что объясняется малой удельной поверхно­стью взаимодействия крупных фракций по сравнению с мелкими фракциями и большим содержанием активных составляющих в пористом песке.

Роль крупных фракций пористого заполнителя при взаимодействии с оксидом кальция незначительна и не может оказывать существенного влияния на снижение рН жидкой фазы бетона в объеме цементного камня.

Для оценки влияния пылевидной составляющей пористых песков на пассивирующее действие бетона по отношению к стали были проведены ускоренные коррозионные испытания стали в цементном камне с добавкой пылевидной составляющей в количестве 15, 20 и 30% от массы цемента (рисунок 2).

I области расположения анодных поляризационных кривых стали в цементном камне с содержанием пылевидной фракции 15%; II – то же, при 20%; III – то же, при 30%

Рисунок 2 – Влияние плотности тока на анодную поляризуемость стальных электродов (арматурных стержней)

Анализ результатов, приведенных на рисунке 2, показал, что при введении пылевидной составляющей в количестве 15% от массы цемента стальная арматура находится в пассивном состоянии, а плотность тока при потенциала +300 мВ не превышает 10 мкА/см2. При введении 20% и 30% пылевид­ной составляющей наблюдалась коррозия арматуры. Отсутствие коррозии арматуры при 15% добавке объясняется тем, что скорость поступления оксида кальция в жидкую фазу бетона выше, чем скорость связывание его активными составляющими пылевидной фракции. При дальнейшем увеличении пылевидной составляющей до 20% скорость связы­вания оксида кальция опережает процесс поступления СаО в жидкую фазу, что связано с гидравлической активностью материала. При введении 30% пыле­видной фракции скорость связывания оксида кальция ещё выше, чем скорость его поступления в жидкую фазу.

Проведенный комплекс физико-химических исследований цементного камня с активными составляющими пористых песков показал, что все пылевидные составляющие пористых песков обладают способностью связывать оксид кальция, а, следовательно, снижать рН жидкой фазы керамзитобетона.

Наибольшая опасность начала развития коррозии арматуры в начальный период твердения будет характерна для конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов, поскольку расходы цемента в них невелики, а в качестве мелкого заполнителя используется, как правило, пористый песок.

С учетом предложенного расчета были проведены ускоренные коррозионные испытания стали в различных составах конструкционно- теплоизоляционных и конструкционных бетонов на искусст­венных заполнителях, с целью определения минимально допустимого расхода цемента, обеспечивающего пассивное состояние стали в бетоне. Составы бетона приведены в таблице 1.

Таблица 1– Составы керамзитобетонов подвижностью П2 при различном расходе цемента

Статистически обработанные результаты исследования с достоверно­стью 0,85 позволили ориентировочно установить минимально допустимый расход цемента в зависимости от групп гидравлической активности мелкого пористого заполнителя для обеспечения первоначальной пассивности стали в бетоне (таблица 2).

Таблица 2 – Расчетный расход цемента при использовании гидравлически активных заполнителей

Принято считать, что конструкционные бетоны на пористых заполни­телях более проницаемы, чем обычные тяжелые бетоны. В этой связи длительное время отсутствие единого мнения по этому вопросу ограничивало область применения армированных конструкционных легких бетонов по сравнению с тяжелыми бетонами.

Исследование дифференциальной пористости бетонов выполняли с помощью ртутного поромера на образцах пропаренных и нор­мального твердения. Анализ полученных результатов показал, что в легких бетонах на пористом и кварцевом песке преобладают капилляры радиусом 1105 106 см. Во всех исследованных бетонах объем пор радиусом от 103до 105 см различается незначительно, однако объем более мелких пор радиу­сом 105 106 см в легких бетонах на пористом песке в 1,5 3 раза больше, чем в тяжелом бетоне. Кроме того, объем макропор (r >105 cм) в тяжелом бетоне также выше. Преобладание более мелких пор в бетонах на пористых заполнителях связано, на наш взгляд, со способностью заполнителя вступать во взаимодействие с оксидом кальция, способствуя тем самым уплотнению цементного камня как на контакте с заполнителем, так и во всем объеме цементного камня.

Результаты исследования микротвердости контактной зоны цементного камня и заполнителя свидетельствуют о более высокой прочности цементного камня в контактной зоне с мелким и крупным пористым заполнителем по сравнению с обычным тяжелым заполнителем.

4 Разработка составов и способов приготовления гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки в бетон и исследование влияния этой добавки на сроки схватывания и нормальную густоту цемента

Решение данной задачи было получено с применением метода математического моделирования с использованием специально разработанных программ для персонального компьютера (использована система Mathcad-15) и выполнены в два этапа:

• первый этап - разработка математических моделей, адекватных исследуемому объекту, описывающих влияние состава ГПД - на выбранные целевые показатели качества изделия – Y1, Y2, Y3;
• второй этап - поиск оптимального состава ГПД с использованием полученных математических моделей.

На основе предварительного анализа проведенного выше, нами выбраны следующие диапазоны изменения факторов (входов Х) (см. таблицу 3).

Таблица 3 - Диапазоны изменения состава гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки «ГПД» (входов)

Нами использован ротатабельный план второго порядка Бокса-Хантера (плечо = 2) (см. таблицу 3 в натуральных физических масштабах входов, в этой таблице приведены и результаты математического моделирования). Это позволило получить математическую модель исследуемой системы в виде уравнения регрессии (1.1).

Целью данного этапа исследования являлось определение значимых коэффициентов bi математической модели, адекватно описывающей исследуемый состав ГПД, имеющей вид уравнения регрессии ( - расчетное значение выхода) с 16 коэффициентами:

(1.1)

Значения коэффициентов: b1 = 241,69489; b2 = 3,74025; b3 = -7,26874;

b4 = -29,57206; b5 = 31,76127; b6 = 0,08712; b7 = 0,06223; b8 = 7,20238;

b9 = 5,40238; b10 = - 0,07846; b11 = -0,41126; b12 = -0,85126; b13 = 0,23789;

b14 = -0,33545; b15 = -9,82130; b16 = 0,00253.

Для проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии (1.1) нами использован критерий Стьюдента. Адекватность полученных математических моделей проверялась нами по критерию Фишера. Дополнительно для этого нами был использован более удобный т.н. критерий пригодности приближения R-квадрат (коэффициент детерминации), используемый для оценки точности нелинейных моделей. Полученные нами значения критерия R-квадрат для математической модели вида (1.1) достаточно близки к единице.

На основании проведенных математического моделирования состава ГПД и проверки их в лабораторных условиях найден оптимальный состав гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки следующего содержания ингредиентов, %:

асфальтит природный – 18,75;

песок кварцевый – 76,25;

суперпластификатор С-3 – 2,75;

ингибитор коррозии NaNO2 – 2,25.

Оптимизированный состав гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки был приготовлен на ТОО «Стройкомбинат» (г. Уральск) и применен во время выпуска опытно-экспериментальной партии предварительно напряженных керамзитобетонных шпал для железных дорог колеи 1520 мм.

Результаты экспериментов по определению влияния разработанной гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки (ГПД) на сроки схватывания и нормальную густоту исходных цементов приведены в таблице 4.

Анализ данных, приведенных в таблице 4, показывает, что при введении в цементные системы гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки в количестве 5% от массы цемента нормальная густота цемента снижается на 17%. При введении 7% ГПД снижение нормальной густоты составляет 20%.

Таблица 4 – Результаты физико-механических испытаний портландцементов М500 Д0 с добавками ГПД

При этом сокращение сроков начала схватывания составляет 15 и 35 минут для Вольского цемента при добавке 5% и 7% ГПД соответственно. Конец схватывания цементного теста также сокращается на 1-05 минут для Вольского цемента содержащего 5% ГПД и 1-35 минут при 7% добавке ГПД. Снижение сроков начала и конца схватывания Шымкентского цемента составляет 55 минут и 1-05 минут при добавке ГПД 5% и 7% соответственно.

Следующим этапом наших исследований было определение физико-механических показателей керамзитобетона марки 400, приготовленного из Вольского цемента на бетонной смеси с подвижностью П2. Нами был подобран состав керамзитобетона следующего соотношения компонентов, кг/м3:

Портландцемент М500 Д0 …………450

Песок природный с Мкр = 2,5………491

Керамзит фракции 5-10 мм ………...241

Керамзит фракции 10-20 мм ……….361

Добавка ГПД (в среднем)…………….27

Вода ………………………………….203

Из данного состава бетона были приготовлены образцы-кубы с ребром 150 мм и призмы квадратного сечения с размерами 100х100х400 мм. Образцы керамзитобетона твердели при тепловлажностной обработке по режиму 3+8+2 часа при температуре изотермической выдержки 85оС.

Через четыре часа после тепловой обработки образцы были испытаны на прочностные и деформативные свойства бетона. Результаты испытаний приведены в таблице 5.

Анализ данных таблицы 5 показывает, что запроектированный состав бетона отличается максимальным модулем упругости при минимальной ползучести. Проведенные исследования показали, что модуль упругости бетона принятой марки повышен на 16% по сравнению с нормативным, а именно Е = 21,2…21,9 · 103 МПа вместо Енорм = 18,5 · 103 МПа. Отмеченные позитивные результаты достигнуты в результате введения в лёгкий бетон гидрофобизирующе-пластифицирующей добавки, которая повысила все физико-механические показатели керамзитобетона. Значительное снижение пластических деформаций и меры ползучести достигнуто оптимальным содержанием крупного пористого заполнителя, коэффициент насыщения которого в составе бетона составляет = 0,34.

Таблица 5 – Прочностные и деформативные свойства керамзитобетона

Следующим этапом наших исследований было определение водопоглощения и капиллярного всасывания воды отвердевшим керамзитобетоном, так как от этих показателей зависит и коррозионное состояние стальной арматуры в бетоне. Результаты испытаний приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Кинетика водопоглощения и капиллярного всасывания керамзитобетона

Данные таблицы 6 показывают, что водопоглощение и капиллярный подсос воды керамзитобетоном, содержащим гидрофобизирующе-пластифицирующую добавку (ГПД) ниже, чем обычного тяжелого бетона без добавок почти в два-два с половиной раза.

Влияние добавки ГПД на коррозионное поведение стальной арматуры в керамзитобетоне приведено в таблице 7.

Разработку предлагаемой добавки ГПД можно рассматривать как шаг вперед в производстве предварительно напряженных керамзитобетонных конструкций.

Таблица 7 – Влияние добавки ГПД на коррозионное поведение стали в пропаренном керамзитобетоне