Meтоды определения коррозионной стойкости материалов на основе цемента в условиях воздействия сульфатных сред

Методы испытания деструкции материалов на основе цемента в условиях сульфатной агрессии, в основном, подразделяются на два типа: первый метод основан на испытаниях, проводимых строительной площадке; второй - ускоренный метод испытания в лаборатории.
Так как концентрация сульфата в почве или подземной воде, как правило, имеет достаточно низкую концентрацию (меньше 1000 ppm SO3), то при проведении исследований на строительной площадке тратится очень много времени; поэтому изучение агрессивного воздействия сульфатов, как правило, проводят на основе ускоренного лабораторного метода.
Способы повышения скорости испытаний:
1) Увеличение площади образцов. Если сечение образцов квадратное, а размер боковой стороны выразить через а, то отношение площади поверхности, подвергаемой агрессивному воздействию, к объему образцов составит 4/а, т.е. чем меньше а, тем значение данного отношения выше, тем относительная площадь агрессивного воздействия больше. Недостаток данного метода заключается в том, что из-за небольшого объема образцов даже незначительные изменения условий воздействия агрессивных сред при проведении исследований могут приводить к значительному влиянию на результаты испытаний и большой дискретности.
2) Увеличение концентрации агрессивно-коррозионного раствора. Метод увеличения концентрации раствора широко используется в практике подобных исследований. На основе многочисленных экспериментальных исследований подтверждено, что с увеличением концентрации агрессивно-коррозионного раствора деструкция материала на основе цемента под влиянием сульфатных сред протекает быстрее. Однако скорость возникновения кристаллов и. как следствие, напряжений в структуре композитов, а также агрессивнокоррозионный процесс при повышении концентрации раствора будут меняться; поэтому этот метод не подходит для исследования теории агрессивного воздействия сульфатов.
3) Повышение напряжения кристаллизации за счет чередования циклов насыщения и высушивания. Данный метод был использован коллективом авторов для проведения ускоренных испытаний для исследования коррозионной стойкости ВЦБ, эксплуатирующихся в условиях воздействия сульфатных сред. Для этого сначала взвешивают образцы, твердевшие в течение 28 сут. в стандартных условиях; после этого образцы выдерживают в агрессивном растворе с требуемой концентрацией в течение 7 сут. Затем начинают непосредственные испытания образцов, чередуя циклы высушивания и насыщения по следующему режиму: 8 ч. в безводной камере при температуре 50° С, 16 ч. - в агрессивном раствор (один полный цикл составляет 24 ч.). Через определенное количество циклов (30, 60 и 90) определяют прочность образцов при сжатии и вычисляют коэффициент потери веса и коэффициент остаточной прочности.
4) Повышение температуры агрессивного раствора.
В принципе, повышение температуры агрессивного раствора действительно может ускорить скорость реакции, приводя к образованию продуктов реакции. Однако проведенные исследования показали, что данный метод не всегда возможно реализовать. Во-первых, повышение температуры при проведении определенных операций в процессе исследования представляет собой определенные трудности; во-вторых, различные продукты гидратации, образующиеся при исследовании сульфатной агрессии, обладают определенной стабильностью в присутствии растворов извести с определенной концентрацией; повышение температуры раствора увеличивает растворимость продуктов гидратации, что не дает возможности добиться желаемых результатов; наиболее важно, что при разных температурах агрессивных растворов процессы деградации протекают по-разному.
5) Увеличение проницаемости образцов. Увеличение водоцементного отношения приводит к повышению проницаемости образцов и ускорению агрессивного воздействия; однако, при водоцементном отношении более 0,6 воспроизводимость результатов испытаний снижается.
Наиболее широко используемые лабораторные методы испытания деструкции материалов на основе цемента в условиях сульфатных сред представлены в табл. 8.25.


В настоящее время наиболее широко используют следующие показатели оценки коррозионной стойкости материалов на основе цемента, эксплуатирующихся в условиях воздействия сульфатных сред: длина образцов, потеря веса, относительные значения прочности при сжатии, изгибе, динамического модуля упругости и т.д. В целом, определение изменения прочностных показателей цементных композитов при сжатии и изгибе позволяет получить определенное физическое значение, а также представляет собой простой метод оценки, широко используемый в практике исследований. Однако данный метод не подходит для образцов, экспонированных в агрессивных растворах в течение короткого промежутка времени.
Например, непродолжительное экспонирование бетонных образцов при введении в их состав зол или других минеральные добавок, не только не приводит к потере прочностных характеристик при сжатии или изгибе, но и играет роль активизатора за счет повышения пуццолановой реакции и приводя к увеличению предела прочности при сжатии и изгибе.
Изменение длины цементных композитов происходит в связи с набуханием образцов от кристаллизации гипса или AFt. Первоначально, формирование кристаллов AFt или гипса происходит на стенках капилляров; после их накопления в определенном количестве, происходит набухание образцов. Изменение поровой структуры, в том числе, размеров пор, оказывает существенное влияние на значения набухания. Однако измерение небольших по абсолютной величине значений деформации набухания является достаточно большой проблемой при практическом осуществлении измерения.
Согласно требованиям китайского государственного стандарта GB 2420, относительная прочность образцов цементного раствора при изгибе, выдержанного в течение 6 месяцев в агрессивном растворе и воде, является критерием оценки антикоррозионной способности: при величине относительного коэффициента менее 0.8, наблюдается коррозия материала на основе цемента, эксплуатирующегося в условиях воздействия сульфатных сред; если данный параметр превышает 0.8, то исследуемый материал обладает достаточной стойкостью.
Этот метод используется, в основном, для оценки стойкости цементных вяжущих веществ, подвергающихся воздействию сульфатной коррозии. Сульфатостойкость бетона не только зависит от использованных цементных вяжущих веществ, но и от их плотности и других факторов. Для исследования сульфатостойкости бетонов применяют множество методов, различающихся по: размеру образцов (100x100x100 мм, 75x75x75 мм, 40x40x160 мм и др.); классу прочности (для низкого и высокого классов прочности); показателю оценки свойств (изменение длины или прочности образцов бетонов).
Для исследования стойкости ВЦБ в условиях сульфатной коррозии до сих пор не существовало неизменных, единых методов и стандартов.

Ко Лай-Хунг и другие ученые исследовали методы испытаний коррозионной стойкости материалов на основе цемента в условиях воздействия сульфатных сред, различающиеся: видом исследуемых материалов (цементные растворы и бетоны), размерами образцов, водоцементным отношением, режимами хранения и т.д. с целью выявления ускоренных методов испытаний на основе оценки изменения прочностных характеристик и выявления влияния минеральных добавок на сульфатостойкость материалов на основе цемента. Полученные ими результаты позволили сделать следующие выводы:
(1) Для исследования влияния минеральных добавок на сульфатостойкость материалов на основе цемента могут использоваться как бетонные, так и растворные образцы.
(2) Размер образцов и режим хранения оказывают влияние на результаты испытаний сульфатостойкости бетона, но с увеличением класса бетона это влияние уменьшается.
(3) Стойкость бетона в условиях воздействия сульфатных сред зависит от класса прочности. При использовании в процессе исследования целесообразного водоцементного отношения можно получить результаты испытаний в намеченный срок, значительно сократив при этом длительность испытаний.
(4) При исследовании влияния минеральных добавок на защитные свойства материалов на основе цемента, работающих в условиях сульфатных агрессивных сред, целесообразно применять бетоны с В/Ц не менее 0.4 и размером образцов 40x40x160 мм. Через сутки после формования образцы помещают в ванну с питьевой водой до достижения 28 сут. твердения, а затем погружают в агрессивные жидкости и воду. Результаты испытания выражают в виде коэффициентов прочности на растяжение при изгибе (Kp) и сжатии (Кс).
В процессе проведенного исследования сравнивали по три разных класса образца растворов (S30, S50, S70) и бетонов (С30, С50, С70) в виде призм с размером 40х40х160 мм и кубических образцов с размером грани 100 мм; размер щебня в призмах составлял 5-10 мм, в кубических образцах - 5-25 мм.
Режим твердения проводили двумя способами; в первом случае, через сутки после формования, образцы помещали в ванну с питьевой водой на 7 суток при температуре 50° С, во втором - хранились в нормальных условиях до 28 суток, а затем помещались в воду и 10% раствор Na2SO4 при температуре 20° С. Составы бетонов и растворов приведены в табл. 8.26 и 8.27. Коэффициенты прочности на растяжение при изгибе (Kр) и сжатии (Kс) определяли по формулам:

где Rр, Rс - пределы прочности образцов, экспонированных в агрессивном растворе определенный промежуток времени, на растяжение при изгибе и сжатии (МПа);
Rро, Rсо - прочность образцов на растяжение при изгибе и сжатии, выдержанных в воде, в том же возрасте, что и в агрессивном растворе (МПа).


По данным результатов испытаний, представленных на рис. 8.6, видно, что скорость деструкции бетонных и растворных образцов одного и того же класса прочности подобна, а их общая тенденция к деструкции одинакова.


Результаты исследования сульфатной деструкции бетонных образцов в зависимости от вида (призма или куб) и размера, полученные для бетонов трех различных классов прочности, представлены на рис. 8.7. Полученные результаты испытаний показали: для бетона с низким классом прочности (С30) скорость сульфатной деструкции образцов в виде призм выше, чем для образцов в виде кубов; с увеличением класса прочности (С50 и С70) скорость снижения несущей способности бетонных образцов разных размеров практически одинакова.


Результаты исследования деструкции бетонных образцов различного класса в зависимости от режима твердения приведены на рис. 8.8. Режимы хранения образцов до помещения их в 10% Na2SO4 и воду подразделялись на два вида:
1. через сутки после формования образцы помещали в ванну с питьевой водой и выдерживали в течение 7 суток при температуре 50° С;
2. образцы через сутки после формования помещались в ванну с питьевой водой и твердели в нормальных стандартных условиях в течение 28 сут.

Полученные результаты испытаний показали, что режимы хранения материалов на основе цемента и класс прочности бетона оказывают влияние на их стойкость в условиях сульфатных сред: для средних и низких классов прочности бетона чем выше температура хранения, тем деструкция бетона происходит быстрее; для высоких классов бетона по прочности режимы хранения при твердении практически не воздействуют на скорость сульфатной деструкции бетонов.

Скорость деструкции образцов с различным В/Ц отношением при протекании сульфатной коррозии показана на рис. 8.9. Разрушение образцов класса прочности С30 наблюдается через 6 месяцев; образцы с классом прочности С50 и выше даже через 8 месяцев экспонирования в сульфатном растворе обладает достаточной стойкостью. Поэтому, при исследовании сульфатостойкости бетонов необходимо использовать целесообразное водоцементное отношение, чтобы получить результаты в течение периода испытания.