Метод вычисления содержания щелочи в объеме бетона

Реакция взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем протекают только при достаточном содержании щелочей (калий, натрий) в бетоне. Образование щелочей в бетоне происходит при изготовлении бетона, т.е. щелочи содержатся в составе цемента, химических и минеральных добавок, заполнителей и содержатся в воде затворения. Кроме того, возможно проникновение щелочей из окружающей среды после завершения бетонных работ, например, под воздействием морского тумана происходит постепенное проникновение щелочей в бетонные конструкции, зимой щелочи, образуемые из солей, применяемых для стаивания снега и льда проникают в бетон мостов, дренажных каналов и т.д.

Уже после завершения бетонных работ щелочи могут проникать в бетон из окружающей среды. Например, железобетонные конструкции портовых сооружений испытывают агрессивное воздействие морского тумана, ветра и других факторов; при этом наблюдается постепенное проникновение щелочи в состав бетона. Морская вода, содержащая щелочные ионы, накапливается в порах бетона; реакция взаимодействия между щелочами в цементе и активными заполнителями происходит в бетоне конструкций, которые эксплуатируются в порте Бэйлуни г. Нинбо провинции Чжэцзяне.
He смотря на то, что в бетоне, как правило, содержится не очень много щелочей, превышение их дозировок в окружающей среде может привести к разрушению от реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.

Количество щелочей, образующихся в процессе изготовления бетонов, состоит из суммы щелочей, содержащихся в компонентах бетонных смесей. По китайскому стандарту CECS 53:93 метод вычисления содержания щелочи в бетоне заключается в определении содержания щелочей: в цементе, минеральных добавках, натриевой или калиевой соли в химических добавках (сульфат, карбонат, нитрат), хлорид-ионов в заполнителях (морской песок и щебень) и воде затворения (морская вода).
Содержание щелочей в бетоне определяется по следующей формуле:

где Wс - содержание цемента (кг/м3);
Kс - содержание щелочей в цементе (%), определенное по GB 176;
а - коэффициент приведенной натриевой или калийной соли в Na2O;
Wu - дозировка добавок (%);
Kca - содержание натриевой (калийной) соли в добавке (%), определенной по GB 8077;
в - содержание действительной щелочи в доле минеральных добавок;
у - доля по массе замены цемента минеральными добавками (%);
Kma - содержание щелочи в минеральных добавках (%), определенное по GB 176;
P - содержание хлорид-ионов в заполнителях (%), определенное по GB 8077;
Pwc - содержание хлорид-ионов в воде затворения (%), определенное по GB 8077;
Wg - содержание заполнителей (кг/м3);
Ww - содержание воды (кг/м3).
Из анализа данной формулы заметно, что управление содержанием щелочей в бетоне заключается в регулировании количества щелочей, содержащихся в цементе, минеральных и химических добавках.
В настоящее время в разных стран значения пределов безопасности содержания щелочей в бетоне различаются. Например, в Южной Африке требуется, чтобы общее содержание щелочей не превышало 2.1 кг, в Новой Зеландии - не более 2,5 кг, в Японии, Германии, Канаде и Англии - не более 3 кг на кубический метр бетона. Значения пределов безопасности содержания щелочей по китайскому стандарту CECS53:93 приведены в табл. 8.13.

Когда заполнитель имеет активность «щёлочь - карбонат» и объект эксплуатируется в сухой среде, то содержание щелочей в бетоне не ограничивается; в других условиях необходимо использовать неактивные заполнители. Использование цемента с низким содержанием щелочей (не более 0,6% Na3O) и минеральных добавок для замены значительной части цемента, а также применение добавок с низкой щелочностью или без содержания щелочей позволяет эффективно регулировать интенсивность реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.
При изготовлении ВЦБ обычно используют химические и минеральные добавки с целью уменьшения количества воды и улучшения микроструктуры бетона, что приводит к формированию более плотных составов с высокой прочностью и долговечностью. Путем регулирования дозировок химических и минеральных добавок, количества и вида цемента, возможно управлять содержанием щелочей в бетоне.

Доля цемента в составе бетонов достаточно высока, поэтому контроль за содержанием щелочей в цементе для регулирования количества общей щелочи в бетоне имеет важное значение. С 50-х гг. XX века в Китае начали производить цемент с большим содержанием минеральных добавок, например, доля шлака могла достигать 60-70% (доля цементного клинкера около 30%); использование этого цемента не приводило к разрушению бетона от реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем. В северном Китае используются цементы с высоким содержанием щелочей (около 1,0%); при использовании его для производства высокопрочного бетона и бетонов с особыми свойствами необходимо обращать внимание на содержание щелочей в его составе.
Для определения возможности возникновения реакции AAR очень важным является выявление данных по содержанию щелочей в цементе, доле минеральных добавок и общему содержанию щелочей в бетоне, определяемых при анализе деструкции бетонных конструкций или путем лабораторных испытаний.
В 1990 г. заметили, что на железной дороге Суйфэньхэ - Харбина длиной около 150 км на предварительно-напряжённых железобетонных шпалах появились трещины. Впоследствии (до 1995 г.), у сотен шпал появились долевые и сетчатые трещины, причем количество долевых трещин было больше. Длина долевых трещин составляла около 1 м, ширина - до 0,2-1 мм; причем, в процессе эксплуатации, происходило непрерывное расширение трещин; отслоения и разрушения поверхностей бетонных шпал не выявлено. Часть шпал с трещинами пришлось заменить.
Результаты испытаний, выполненные железнодорожной научной Академией и Китайской строительной Академией, показали, что причиной разрушения шпал стало активное протекание реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем; реакция ASR стала прямой причиной набухания и растрескивания шпал.
Для изготовления данных шпал использовался следующий состав бетона -495 : 940 : 1277 : 145, дозировка добавок составляла 0,7% от массы цемента.
В качестве основного вяжущего был использован быстротвердеющий портландцемент 325", произведенный на цементном заводе Датуна провинции Шаньси (содержание щелочи 1,0-1,2% (Na2О.eq); MgO - 3,1-3,7%; SO3 -2,95-3,10%). В качестве заполнителей использовался песок средней крупности (область Хуайлая провинции Хэбэя) и гравий фракций 5-20 мм (бассейн Юдина Пекина). Также применялся ускоритель твердения бетона с 25% Na2SO4 (Пиндиншани). Рассчитанное значение содержания щелочи (включая цемент и добавки) составило 5,2-6,2 кг/м3, что существенно превысило предел безопасности.
Исследования структуры, выполненные с помощью поляризационного микроскопа, показали, что в бетоне исследуемых шпал появилось большое количество трещин. Анализ структуры, выполненный с помощью микроанализатора. свидетельствует о концентрации на границе заполнителей CaCO3 или Ca(OH)2. Основное количество трещин формировалось в окружающем заполнители карбонатном слое, содержащем кремний (рис. 8.4, 8.5).

На основе проведенного анализа выявлено, что эти высокремнистые и высококальциевые материалы (см. табл. 8.14) относятся к продуктам реакции «ASR — гели щёлочи - кремниевая кислота».


Введение минеральных добавок в бетон позволяет активно снижать и удерживать реакцию взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем. Содержание щелочей, введенных в бетон при использовании минеральных добавок, рассчитывается по следующему уравнению

где Ama - содержание щелочей, введенных в бетон из минеральных добавок (кг/м3);
P - содержание действительных щелочей в минеральных добавках (%):
у - доля минеральных добавок (по массе), введенных взамен цемента (%);
Wc - количество цемента (кг/м3);
Kma - содержание щелочи в минеральных добавках (%).
При изготовлении ВЦБ наиболее часто используются следующие минеральные добавки - ДГШ, зола-унос и MK. По данным предварительных исследований установлено, что для удерживания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем необходимо вводить минеральные добавки с более активным SiO2. Повышенное содержание CaO в минеральных добавках, например в высококальциевой золе-уноса, не способствует снижению реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.
В стандарте GB/T 18736 «Минеральные добавки для ВЦБ» представлены: химический состав, физические свойства и основные показатели активных минеральных добавок, рекомендованных для применения в ВЦБ. Максимальные уровни содержания щелочей в минеральных добавках требуется контролировать в соответствии со стандартом GB/T 176, а также с документами, контролирующими организацию строительства. Полученные данным методом значения отражают общее содержание щелочей. Однако в реакциях ASR или ACR участвует только часть щелочей, которые называют действительными щелочами. Английский и канадский опыт показал, что эффективность щелочей диализированного шлака, золы-уноса и MK составляет, соответственно, около 50,15 и 50 %.
Во всем мире значения в для золы-уноса, ДГШ и MK принимают в соответствии с данными табл. 8.15. По Пекинскому локальному стандарту «Руководство для снижения реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем бетонных конструкций в Пекинском регионе» установлены значения в для порошков цеолита и минеральных добавок (табл. 8.15).

Результаты испытаний содержания щелочей в минеральных добавках, произведенных в различных регионах Китая, представлены в табл. 8.16.

По данным проведенных испытаний видно (табл. 8.16), что содержание щелочей в ДГШ варьируется от 0.62 до 0.94%; в MK - от 0,22 до 2,21%; в золе-уноса от 0,53 до 3,03%. Приведенное количество щелочей при замене 500 кг/м3 цемента в бетоне минеральными добавками (соответственно, 50% ДГШ, 10% MK и 50% золы-уноса) указано в табл. 8.17.

Из анализа данных табл. 8.17 видно, что при условии одинаковых дозировок минеральных добавок существенно меняется приведенное в бетон содержание щелочей. При использовании заполнителей с высокой щелочной активностью и введении минеральных добавок с высоким содержанием щелочей необходимо обратить особое внимание регулирование общего содержания щелочей в бетоне.

Среди разнообразных химических добавок при производстве ВЦБ наиболее часто используются: суперпластификаторы, ускорители твердения бетона, набухающие добавки и т.д. Добавки различных видов по-разному влияют на реакцию взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.

Введение в состав бетона СП позволяет существенно снизить количество воды (коэффициент снижения водопотребности составляет 8-25%) и увеличить плотность, что приводит к уменьшению скорости проникновения агрессивных веществ в объем строительных конструкций, а также снижает взаимодействие между щелочами в цементе и заполнителем. У наиболее широко используемых СП СНФ каждый мономер содержит 12% Na2O. В процессе производства СНФ, для получения лучшего эффекта сульфирования, необходим постоянный контроль содержания серной кислоты. Для нейтрализации лишней серной кислоты используют NaOH, в результате чего получают Na2SO4, т.е. ионы натрия, играющие выравнивающую роль в щелочно-кислотном взаимодействии. Это приводит к увеличению содержания щелочей.
Из расчета получено, что введение СНФ без корректировки его с помощью Na2SO4, приводит к содержанию щелочи 12 %; использование 5 или 17% растворов сульфата натрия, соответственно, к 13,82 или 18,55% содержанию Na2O. Анализ введения данных видов СП СНФ для трех видов вяжущих приведен в табл. 8.18.

Результаты показали, что минимальное количество приведенных щелочей СНФ на 1 м3 бетона составляет 0,25 кг, максимальное - около 1 кг, что свидетельствует о значительном влиянии СП на содержание щелочей.

Раньше в Китае в качестве ускорителя твердения бетона, в основном, использовали Na2SO4 (с содержанием Na2O 48,4%). Согласно стандарту GB 119 "Технические условия для использования добавок в бетонах", содержание Na2SO4 регулировалось в интервале от 1 до 2% от массы цемента. В этом случае, при расходе цемента 300 кг/м3, содержание Na2O составляет 1,44-2.88 кг/м3, т.е. использование Na2SO4 в качестве ускорителя твердения значительно увеличивает количество щелочи в бетоне, на что необходимо обращать особое внимание при использовании активных заполнителей.

Набухающие (кольматируюшие) добавки приводят к возникновению само-напряжения в структуре бетона, что компенсирует усадку при высыхании, кон-тракционную усадку и увеличивает прочность. После 1980 г. в Китае успешно исследовали набухающие добавки алунит (EA-L), добавки типа U(UEA), композиционные добавки (СЕА), сульфоалюминатные добавки (CSA), добавки на основе алюминатов кальция (AEA) и т.д.
Раньше в качестве подобных добавок наиболее широко использовали алунит (химическая формула - K2SO4*Al2(SO4)3*4Al(OH)3; доля K2O = 2.5~4,5%, Na2O = 0,45-1,2%). После пересчета ЭКВ на Na2O (Na2O + 0.658% K2O) щелочное содержание составляет 2,0-4,2%, т.е. алунит содержит значительное количество щелочи. Основные виды набухающих добавок и количество приведенной щелочи при их использовании представлены в табл. 8.19.

По данным табл. 8.19 видно, что при 15%-ной дозировке алунита, т.е. содержании 340 кг цемента и 60 кг алунита, количество щелочей в бетоне составит: 340х0,6%+60х2,6%=3.6 кг/м3; при содержании 6% CSA, т.е. 376 кг цемента и 24 кг CSA - 376х0,6%+24х0,12%=2.28 кг/м3.

В настоящее время противоморозные добавки является одним из наиболее широко используемых видов добавок, существует множество марок с различным соотношением компонентов.
В их состав входят: ускоритель твердения + воздухововлекающий компонент + противоморозный компонент + компонент для снижения водопотребности; чем ниже температура среды, тем дозировка противоморозных добавок выше.
В истории производства бетонных работ в Китае известны случаи, когда, в связи с короткими сроками строительства, производством работ в зимнее время, большой трудоемкостью и другими факторами, достаточно часто использовали ускорители твердения и противоморозные добавки, содержащие щелочи, что привело к значительному превышению концентрации щелочей.
Накопленный опыт показал, что при изготовлении ВЦБ требуется использовать только рекомендуемые наполнители с низкой активностью и контролировать процесс твердения для регулирования реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.
При использовании наполнителей с низкой активностью, введение добавок не приведет к значительному повышению количества щелочей и не окажет негативного влияния на характеристики бетона; использование подробных добавок позволяет снизить коррозию стали.