Методы оценки эффективности снижения реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем

При строительстве ответственных объектов предотвращение возникновения реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем является очень важной работой.
Обычно для контроля за данной реакцией используют три подхода. Во-первых, перед строительством проводят комплексные исследования активности щелочей, содержащихся в заполнителях, избегая использования заполнителей с высокой щелочной активностью. При строительстве «Санься» и др. гидроэнергетических объектов были применены наиболее строгие технические условия. Во-вторых, использовать цемент с низкой щелочностью (это требование внесено в технические условия, принятые в 2000 г., для Пекинских регионов Китая). В-третьих, использовать эффективные химические и минеральные добавки для удержания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем, что особенно актуально при строительстве дамб, транспортных дорог и других важных объектов. Как правило, использование подобных добавок (включая химические и минеральные добавки), является наиболее экономичным способом регулирования реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.
Реакция взаимодействия, протекающая между щелочами в цементе и заполнителем, является достаточно сложной; ее можно отнести к медленным химическим и физическим процессам, длящимся, обычно, десятилетия.
Для того, что использовать минеральные добавки без возникновения в последствии негативных явлений, необходимо учитывать множество факторов: химический состав, вид, структуру и дозировку минеральных добавок, активность заполнителей, общее содержание щелочей в бетоне т.д.

ASTM С441 является единственным стандартом для оценки эффективности сдерживания реакции ASR за счет введения минеральных добавок. В данном методе в качестве стандартного наполнителя используется Руrех-стекло: минеральные добавки вводят взамен 25% цемента (в долях объема); образцы готовят и хранят до испытаний в соответствии с ASTM С227.
При выборе минеральных добавок считают, что используемый цемент должен содержать до 1% щелочей. При оценке эффективности минеральных добавок используют инженерный цемент; набухание состава бетона в возрасте 14 суток не должно превышать 0,02% или снижаться при введении минеральных добавок до 75%, если набухание превышает 0,05%.
Многие ученые сомневаются в целесообразности применения рекомендуемого стандартного наполнителя при использовании данного метода, а также в правильности выбора пропорций для замены цемента минеральными добавками и т.д. Некоторые ученые считают, что за счет более медленного протекания пуццолановой реакции, в случае использования Руrех-стекла с высокой активностью, возможно возникновение чрезмерного расширения, которое будет влиять на оценку эффективности удержания золы-уноса. Результаты многочисленных исследований показали, что эффект набухания в процессе протекания реакции ASR при введении минеральных добавок зависит от их дозировок.
В общем, с целью значительного снижения набухания от ASR необходимо произвести замену части цемента минеральными добавками, использую при этом, не менее: 30% золы-уноса, 50% шлака или 10-15% MK. Поэтому использование постоянной дозировки минеральных добавок, рекомендованной согласно ASTM С441, очевидно, нецелесообразно.
Кроме того, для заполнителей с различной активностью эффект сдерживания реакции ASR за счет введения минеральных добавок проявляется по-разному. Например, для опала, кварцевого стекла и др. заполнителей с высокой активностью даже при уменьшении набухания до 75% за счет введения минеральных добавок безопасность инженерных работ не обеспечивается; для заполнителей с более низкой активностью, не смотря на то, что набухание снижается менее, чем на 75%, безопасность работ может быть обеспечена. Поэтому использование параметра уменьшения набухания в качестве оценки эффективности сдерживания реакции ASR не является целесообразным и не позволяет правильно оценить эффект от использования минеральных добавок. Использование согласно ASTM С441 Руrех-стекла с высокой активностью не дает возможность правильно оценить и объяснить эффект сдерживания реакции ASR минеральными добавками при выполнении реальных инженерных работ.

Разработка метода и стандарта, позволяющего быстро и точно оценивать эффективность сдерживания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем за счет введение в состав бетонов минеральных добавок, имеет очень важное значение. Китайский технический персонал, занимающийся исследованием реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем, особенно, при выполнении реальных инженерный работ должен получать результаты, которые можно использовать и для других объектов.
В рамках государственного прорывного исследования в области науки и техники «Исследование ВЦБ новых типов и их долговечности» (№ 2001ВАЗ07В) в Нанкинском химико-промышленном университете в течение трех лет проводили исследования на тему «Методы оценки эффективности сдерживания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем», по итогам которой были достигнуты определенные результаты.
В основе этих результатов Китайская научная академия строительных материалов и Нанкинский химико-промышленный университет изучили фактический состав бетонов важных строительных объектов, а также использованных при строительстве активных заполнителей различного вида. Также была исследована эффективность минеральных добавок для сдерживания реакции набухания ASR в бетонах с различной активностью заполнителей; изучена кинетика набухания железобетонных колонн при высокой температуре (80° С); разработан эффективный (по сравнению с ASTM С441) метод оценки, позволяющий оценить возможность сдерживания реакции ASR минеральными добавками и безопасность бетонных работ.

Для проведения экспериментальный исследований использовался портландцемент P.1 без минеральных добавок. Общее количество щелочей в пересчете на Na2О+0.658K2О не должно превышать 0,6% Na2O eq по массе: значение набухания цемента - не более 0,02%. Цемент для проведения контрольных измерений должен соответствовать требованиям стандарта GB 8076.
Количество вводимого KOH на каждые 100 мл рассчитано по методу регулирования содержания щелочей в цементе в соответствии с нижеприведенными уравнениями, в которых приняты следующие обозначения: R - содержание щелочей, в %; X - доля минеральных добавок, вводимых взамен цемента; W/B - водовяжущее отношение; N - чистота реагента КОН, в %. Молекулярный вес KOH составляет 56, a K2O - 94. Для регулирования содержания щелочей в пересчете на 1 грамм ((1-X) г.) цемента до 1,5 % от R необходимо ввести следующее количество щелочей (рассчитано по эквиваленту Na2O):

В пересчете на K2O имеем:

в пересчете на КОН:

С учетом чистоты реагента КОН:

С учетом водовяжущего отношения W/B необходимое количество реагента KOH на 100 мл раствора составит:

Проведем расчет с помощью предлагаемой методики. Например, содержание щелочей в цементе 0,53%; произведена замена 30% цемента минеральными добавками; W/B отношение 0,40; чистота используемого реагента KOH 82%. Тогда необходимое количество реагента KOH на 100 мл раствора составит:

Наиболее оптимальные пропорции различных фракций дробленного крупного заполнителя с учетом эффективности сдерживания реакции ASR минеральными добавками приведены в табл. 8.20.

При определении эффективности сдерживания реакции ASR минеральными добавками необходимо учитывать, что чем меньше набухание образцов, тем роль минеральных добавок сильнее. Этот метод может применяться перед проведением инженерных работ для выбора видов и пропорций минеральных добавок.

При оценке безопасности состава бетона для реальных инженерных работ модельный состав практически соответствовал фактическому: мелкий заполнитель был представлен фракцией 0,16-2.5 мм, крупный заполнитель - частицами двух фракций 2,5-5мм и 5-10 мм (см. табл. 8.21). Если введенное количество воды не позволяло сформировать бетон с требуемой подвижностью (105-120 мм согласно GB/T 2419), то состав корректировался добавлением воды. Проведенные в Китае и за рубежом исследования показали, что повышение водовяжущего отношения увеличивает степень набухания образцов в результате протекания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.

Если величина набухания бетона в возрасте 28 суток не превышает 0.04%, то можно сделать вывод, что используемые минеральные добавки эффективно сдерживают реакцию набухания ASR, а получаемый состав бетона можно отнести к безопасному. Результаты оценки щелочной активности используемых в данной работе заполнителей, полученные на основе петрологического анализа, и значения набухания бетонов через 6 месяцев приведены в табл. 8.22.

Использование предлагаемого метода для оценки эффективности введения золы-уноса, MK и СП для сдерживания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем позволяет определить безопасность бетонов, используемых при строительстве.
Для проведения испытаний были отформованы по три образца-призмы каждого состава (два вида бетона для балок и один - для шпал) с размером 40x40x160 мм. Номера используемых заполнителей, расход компонентов составов и результаты исследования набухания образцов при температуре 80° С и хранении в растворе NaOH (1 моль /л.) в возрасте 28 суток приведены в табл. 8.23.
По данным табл. 8.23 видно, что значение набухания для всех образцов в возрасте 28 суток не превышает 0,04%, что свидетельствует о работоспособности мер (введение минеральных добавок, СП и т.д.), используемых для сдерживания деструкции в результате протекания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем.


С помощью данного метода можно оценить эффективность введения минеральных добавок на снижение набухания и сдерживание реакции ASR на основе реальных испытаний.
При использовании данного метода необходимо обратить внимание на некоторые особенности:
(1) Так как образцы для испытаний достаточно долго находятся в щелочном растворе при высокой температуре, то зонд должен быть изготовлен из нержавеющей стали; контейнеры должны быть термо- и щелочестойкими, могут быть изготовлены из нержавеющей стали или специального инженерного пластика.
(2) Для приготовления составов используют мешалку для цементного раствора; следует обратить внимание на увеличение расстояния между лопастью и емкостью, чтобы избежать раздавливания и обеспечить равномерное перемешивание.
(3) Из-за значительного влияния температуры хранения на набухание бетона в результате протекания реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем изменение температуры не должно отклоняться от рекомендуемой более, чем на ±2° С.
(4) Необходимо контролировать способы формования и виброуплотнения небольших бетонных образцов, чтобы не допустить образования дефектов и пор, особенно, на торцах образцов, что может привести к выпадению зондов.
(5) Длительность одного измерения длины не должна превышать 15 сек. с момента выемки образца из воды.
(6) Объем раствора NaOH с концентрацией 1 моль/л. для экспонирования образцов должен превышать объем образцов в 4±0,5 раза.
Результаты сравнения показателей для предлагаемого метода и по ASTM С441 приведены в табл. 8.24.

Характеристики предлагаемого метода оценки:
1. Использование стандартных форм для изготовления образцов-балочек, вибростола для уплотнения состава и простого метода испытания позволяет легко популяризовать данный метод;
2. Более короткий период испытания: по методу ASTM С441 длительность испытания составляет 56 сут., а по предлагаемому методу - 28 сут.;
3. Сравнительные испытания показали, что использование данного метода для оценки реакции взаимодействия между щелочами в цементе и заполнителем позволяет получить надежные результаты;
4. При использовании данного метода можно использовать те ресурсы (песок и щебень), которые имеются на строительной площадке;
5. Предлагаемый метод является более надежным, ускоренным и позволяет получать показатели, которые ближе к реальной эксплуатации бетонных составов, что дает возможность отнести его к наилучшему методу оценки эффективности сдерживания реакции набухания ASR при введении минеральных добавок.