Новости

Новости

Методы испытания заполнителей на щелочную активность


Метод петрографического анализа

Петрографический анализ (petrographic analysis) - метод микроскопического исследования минералогии и количественного состава заполнителей; позволяет определять содержание минералов с щелочной активностью (см. табл. 3.6), после чего можно переходить к исследованию других характеристик. Метод петрографического анализа приведен в стандартах ASTM С295, GB/T14685-2001, GB/TI4684-2001, TB/T2922.1-1998 и т.д.

Во всем мире считается, что метод петрографического анализа является обязательным методом для определения щелочной активности. Однако этот метод позволяет осуществить только качественный, а не количественный анализ величины щелочной активности заполнителя и степени деструкции бетона. Кроме того, исследователь, использующий данный метод, должен обладать обширными геологическими знаниями и хорошо знать методику петрографического анализа.
Химический способ

В 40-х гг. XX века появился химический способ анализа щелочной активности -заполнителей - ASTM С289 (по китайскому стандарту TB/T2922.2-1998). В процессе испытания контролируется количество выделяемого SiO2 из тонкомолотого заполнителя в щелочной среде и уровень уменьшения щелочности раствора. При этом исследуемый заполнитель помешают на 24 часа в раствор NaOH при температуре 80° С и измеряют содержание SiO: (Sс) и значение снижения щелочности раствора (Rc). Если в результате испытай Rс > 70 и Sc > Rc, то заполнитель относят к активным.
Это метод является ускоренным способом анализа для определения щелочной активности заполнителя и требует малого расхода исследуемого материала. В связи с небольшой длительностью исследования, данный метод позволяет хорошо оценить свойства заполнителя ускоренного набухания с высокой активностью. Однако для заполнителей медленного набухания со средней или низкой активностью достаточно часто получают некорректные результаты. Например, неправильные выводы по активности используемых заполнителей, сделанные с помощью данного метода при строительстве реальных объектов в Англии и Японии, нанесли огромный ущерб.
Данный способ широко используется многими исследователями в качестве сравнительного метода анализа. Однако в ряде стран, например, в Канаде и Австралии, он был отменен.
Метод испытания с применением строительного раствора

При использовании данного метода содержание щелочи у используемого цемента должно быть более 0,6% или должен использоваться высокощелочной цемент. Отношение цемента к заполнителю составляет по массе 1 2,25; размер образцов 25x25x285мм; условия хранения - температура 38-40° С при относительной влажности 100%. Если набухание образцов в возрасте 6 месяцев больше или равно 0,1%, то заполнитель относят к активному (потенциальная вредная активность); если менее 0,1% - к неактивному.
По стандартам JGJ 52-92 и JGJ 53-92 содержание щелочи в системе должно быть 1,2% от массы цемента, температура хранения 40±2°С, размер образцов - 40х40х160 мм.
Из-за большой продолжительности исследования данный метод не может быть использован на строительстве реальных объектов. Температура испытания, используемая в данном методе, по сравнению с методом ускоренных испытаний ниже и больше подходит к реальной температуре среды.
Данный метод разработан в США в 1951 году идо сих пор используется во многих странах в качестве классического метода для определения щелочной активности заполнителей.
Использование более 50 лет данного метода как в Китае, так и за рубежом показано, что он наибольшим образом подходит для исследования заполнителей. содержащих опал, стекловатые или скрытокристаллические горные породы. Однако данный метод не подходит для аргиллита, активного риолита (клинкерного риолита), базальта, гнейса, сланца, песчаника и т.д. из-за деформации кварца или микро-кварца, приводящей к щелочной или щелочнокарбонатной активности.
Неправильные выводы, полученные с помощью данного метода, привели к существенным потерям при строительстве объектов в Англии и Японии. В сороковые и пятидесятые годы в Англии согласно стандарту ASTM С227 были сделаны выводы о неактивности используемых наполнителей, а позднее, в 70-х годах, была обнаружена деструкция сотен бетонных конструкций. В качестве основной причины повреждений бетона названа реакция между щелочами цемента и определёнными заполнителями.
Метод ускоренного испытания с применением строительного раствора

Метод ускоренного испытания с применением строительного раствор был предложен в научно-исследовательском институте южной Африки (NBRI, R.E. Oberholster и G. Davies) в 1986 г.
Сущность метода заключается в следующем: изготавливают образцы из строительного раствора с В/Ц, равным 0.47, помещают образцы в герметичную посуду, а затем на 24 ч. в камеру с водой при температуре 80° С; измеряют контрольную длину образцов при температуре 20° С. Затем обрабатывают образцы раствором NaOH 1 моль/л и опять помещают в камеру с водой при температуре 80° С, поочерезно измеряя набухание образцов в возрасте 3, 7 и 14 суток.
При набухании образцов строительного раствора менее 0.1% заполнитель относят к безвредным (не проявляющим высокую щелочную активность); при набухании более 0.2% - обладающим потенциальной вредной щелочной активность; при набухании с 0.1% до 0.2% - к нестабильным заполнителям. В случае необходимости, проводят дополнительное испытание для образцов в возрасте 28 суток.
Проведенные сравнительные испытания различных методов показали, что с помощью метода ускоренного испытания гнейс и базальт в скрытокристаллическом состоянии отнесены к активным заполнителям, а методом испытания с применением строительного раствора - к неактивным. Поэтому метод ускоренного испытания с применением строительного раствора можно отнести к более чувствительному.
Из-за небольшой длительности и достаточной точности получаемых результатов данный метод одобрен научным и техническим персоналом, и был принят к использованию разными странами. В США и европейском сообществе (ЕС) данный метод используется в качестве первоочередного стандарта по определению реакции «щёлочь - кремниевая кислота».
Существующая проблема при использовании данного метода - высокая температура реакции. Однако при проведении исследований при нормальной температуре получаемые результаты не достаточно точны и имеют значительный разброс при испытаниях одинаковых заполнителей в разных лабораториях.
Метод бетонной призмы

Для определения стабильности размеров в щелочной среде при испытании бетонных призм введены стандарты в Канаде (CSA A23.2-14A) и США (ASTM С1293-95).
По методу ASTM Cl293-95 в США используется цемент, содержащий щелочь 0.9±0.1% (Na2Oeq); дополнительно вводят NaOH, чтобы общее содержание щелочи в цементе достигало 1.25%. Расход цемента в бетоне составляет 420±10 кг/м3. В/Ц отношение 0.42-0.45, размер образцов 75x75x300 мм или 120x120x400 мм. При определении щелочной активности крупного заполнителя используется неактивный песок с модулем крупности 2.7±0.2; при определении щелочной активности мелкого заполнителя используется неактивный крупный заполнитель. Через 24 ч. после изготовления измеряют длину образца, затем образцы помещают на хранение при температуре 38±2°С и относительной влажности 100%, а через 1 год определяют, если ли набухание образцов. Если набухание образцов более или равно 0.04%, то заполнитель относят к потенциально вредным по щелочной активности. Это метод используется для определения активности реакции «щёлочь - кремниевая кислота» (ASR).
По канадскому методу CSA А23.2-14А используется цемент, содержащий щелочь 1.0±0.2% (Na2Oeq); дополнительно вводят NaOH, чтобы общее содержание щелочи в цементе достигло 1.25%. Расход цемента в бетоне составляет З10±5кг/м3, В/Ц отношение 0.42-0.45, размер образцов 75x75x300 мм или 120x120x400 мм, используется не активный песок с Mкр, равным 2.7±0.2. Через 24 ч. после замеса подготовленные образцы помещают на 30 мин. В воду, после чего фиксируют длину образца.
Для определения щелочной активности заполнителя по реакции «щёлочь -карбонатная кислота» хранят образцы при температуре 23±2° С и относительной влажности 100% в течение 1 года; после чего определяют, превышает ли величина набухания образцов 0.04;. если данный показатель оказывается более или равен 0.04%, то считают, что заполнитель имеет потенциально вредную реакцию.
Для оценки медленного набухания в процессе реакции «щёлочь - кремниевая кислота» образцы хранят при температуре 38±2° С и относительной влажности 100% в течение 1 года. Если в результате испытания набухание образцов более или равно 0.025% или через 3 месяца набухание образцов более 0.01%, то заполнитель относят к потенциально вредным. Это метод используется для оценки активности реакций «щёлочь - кремниевая кислота» (ASR) и «щёлочь - карбонатная кислота» (ACR).
Канадский метод бетонной призмы основан на изменении длины образцов для определения активности заполнителя; данным методом получают стабильные результаты, однако минимальный срок испытаний составляет 1 год. Для оценки активности заполнителей методом бетонной призмы введен китайский стандарт DL/T5151-2001.
Китайский метод ускоренного испытания при запаривании в автоклаве

Китайский метод ускоренного испытания при запаривании в автоклаве, предложенный членом Танминшу, предназначен, в основном, для долгосрочного исследования и введен в действие китайской ассоциацию по стандарту архитектурного строительства (China Association for Engineering Construction Standardization) CECS 48:93 «Метод определения стабильности размеров в щелочной среде при ускоренном испытании с применением бетона «M1CROBAR»».
Данным методом определяют щелочную активность заполнителей с размером частиц 0.63-0.16 мм. Общее количество щелочи в цементе при проведении исследований должно составлять 1.5%: учитывая концентрацию щелочи в цементе 0.4-0.8%, доводят до нужной концентрации путем добавления КОН. Отношение цемента к заполнителю по массе составляет 10:1, 5:1 и 2:1; В/Ц - 0.3, размер образцов 40x10x10 мм. Контрольное значение длины измеряют через 1 сутки после изготовления обрвзцов. Затем производят запаривание образцов при температуре 100° С, помещают образцы в 10% раствор KOH при температуре 150° С на 6 ч., повторно измеряют длину и определяют максимальное значение набухания из исследуемой серии образцов. Если значение набухания больше или равно 0.1%, значит заполнитель имеет щелочную активность; менее 0.1% - не активный. Китайский метод ускоренного испытания при запаривании в автоклаве обладает небольшой трудоемокостью, требует выполнение простых операций, может быть реализован в короткий промежуток времени и позволяет использовать его для составов с большим содержанием заполнителей. Кроме того, данный метод не требует сложного оборудования и прост в освоении.
Опыт применения данного метода позволил установить определенные недостатки: во-первых, учитывая большую концентрацию щелочи в цементе (1,5%), высокие температуру и давление, реакция взаимодействия при проведении исследования значительно отличается от скорости реакции в реальном строительстве; во-вторых, некоторые китайские специалисты считают, что полученные результаты не всегда бывают пригодны для реального использования, хотя до сих пор это не было доказано ни на одном примере; в-третьих, данный метол целесообразно использовать для однородных по составу горных пород, так как присутствие примесей и использование слишком маленьких по размерам образцов приводит к ограничению отбора проб, наблюдается значительный разброс значений; в-четвертых, из-за низкого В/Ц отношения достаточно трудно отформовать образцы и выявить наибольшее отклонение набухания по одной группе из шести образцов.
Метод испытания с применением горных пород

Метод испытания с применением горных пород является особым методом определения щелочной активности карбонатных наполнителей. Из карбонатной горной породы формируют образцы-цилиндры с размером d(9±1)*h(35±5) мм или образцы-призмы размером 10x10х(35±5) мм. Образцы выдерживают в растворе NaOH в течение 84 суток. Если результаты набухания в возрасте 84 суток более 0.1%, значит горная порода имеет потенциальную щелочную активность и ее нельзя использовать в качестве заполнителя для бетона.
Химический метод анализа

Канадский стандарт CSA А23.2-26А предназначен для определения щелочной активности карбонатного заполнителя на потенциальное набухание при протекании реакции «щёлочь - карбонатная кислота». Основной принцип данного метода заключается в измерении отношения CaO MgO в заполнителе, содержащем известняк, а также содержание Аl2О3 в заполнителе, содержащем глину.
При высоком содержании глин возможно протекание реакции «щёлочь -карбонатная кислота», что приводит к набуханию образцов. Согласно ASTM С586 и ASTM С1293-95 (CSA A23.2-14A) получены многочисленные результаты испытаний, а также построены зависимости, описывающие влияние карбонатов на щелочную активность заполнителей (рис. 3.1). Для использования полученной зависимости необходимо провести исследования содержания CaO, MgO и Аl2О3.

Из приведенного анализа существующих в Китае и за рубежом методов щелочной активности заполнителей можно сделать следующие выводы:
• разные способы основываются на различных основных положениях для испытаний и особых условиях применения; некоторые применяются для анализа реакции «щёлочь - кремниевая кислота» (ASR), другие -к реакции «щёлочь - карбонатная кислота» (ACR); часть методов требует долгосрочного периода испытаний (1 год), а некоторые - лишь короткого периода испытаний (3 дня); в одних случаях предполагается малая дозировка заполнителя (не более 40 г), в других - намного больше (для бетонных образцов); для некоторых методов требуется высокая температура хранения (150° С), а для других - более низкая (40° С). Выбор метода испытания должен определяться целесообразностью и особенностями строительства:
• в первую очередь требуется выполнить исследования методом петрографического анализа. Данным методом необходимо определить, если ли активные заполнители и предположительно определить, какова их доля. Выбор дальнейшего метода исследований должен базироваться на результатах, полученных петрографическим методом;
• определение степени активности заполнителя по результатам химического метода анализа может быть использовано только в качестве вспомогательного: из-за влияния различных факторов и ограниченности метода химического анализа использовать его можно только для заполнителей с высокой активностью;
• определение заполнителя, обладающего высокой активностью взаимодействия со щелочью, целесообразно выполнять методами испытания с применением строительного раствора и ускоренного испытания с применением строительного раствора, дающими близкие результаты; однако для ряда заполнителей с невысокой активностью, реакция с которыми идет медленно, данными методами получают существенно различающиеся результаты испытаний; в ряде случаев даже получены ошибочные результаты (например, кремень в Англии), что подтверждено многочисленными данными;
• метод бетонной призмы больше подходит к реальному строительству, чем метод испытания с применением строительного раствора.
Данные методы позволяют определить, содержит ли состав активные заполнители, возможна ли реакция взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем, однако не позволяют определить интенсивность реакции в реальных конструкциях на строительных объектах.
Для решения данной проблемы необходимо уменьшить содержание щелочей в цементе, контролировать общее количество щелочи в смеси или использовать добавки, позволяющие снизить интенсивность протекающих реакций, а также применять не активные заполнители.
В общем случае, несмотря на существование множества методов определения щелочной активности заполнителей, к сожалению, нельзя сделать выбор в пользу только одной методики.
Для создания надежного метода определения щелочной активности заполнителей целесообразно использовать комплексный подход на основе выявления требуемых условий и длительности испытания. На рис. 3.2 представлена схема процесса испытания щелочной активности заполнителей комплексным методом RILEM TC-ARP.