В. Ф. СТЕПАНОВА, С. С. КАПРИЕЛОВ, А. В. ШЕЙНФЕЛЬД, П. И. БАРЫКИН, кандидаты техн. наук (НИИЖБ)
Влияние добавок микрокремнезема на коррозионную стойкость арматурной стали в бетоне
Одним из факторов, сдерживающих применение микрокремнезема в строительстве, является отсутствие в отечественной литературе достаточных сведений о коррозионных свойствах арматурной стали в бетонах с этими добавками.
Зарубежная информация ограничивается сведениями о бетонах с добавкой микрокремнезема, содержащего не менее 85% диоксида кремния [1]. В то же время под термином «микрокремнезем» мы подразумеваем ультрадисперсные отходы металлургических производств с более широким, чем принято за рубежом, диапазоном свойств [2].
Эффективность микрокремнезема зависит как от его физико-химических свойств, так и от типа применяемой водоредуцирующей химической добавки [2…4]. Наиболее эффективно сочетание микрокремнезема с суперпластификатором С-3 [3].
Применение таких добавок способствует связыванию выделяющейся при гидратации цемента извести с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, что может привести к уменьшению рН поровой жидкости и снижению пассивирующего действия бетона по отношению к арматуре. С другой стороны, изменение поровой структуры цементного камня с этими добавками, заключающееся в увеличении гелевой и уменьшении капиллярной пористости, способствует снижению проницаемости бетонов [4], что должно положительно сказываться на обеспечении длительной сохранности стали в бетоне.
Основываясь на данных предположениях, в НИИЖБе по результатам ускоренных и длительных испытаний проведена оценка пассивирующего действия тяжелого бетона с добавками микрокремнезема марок МК-85, МК-65, MK-45 (в соответствии с ТУ 7-249533-01-90), содержащего 92, 67 и 45 % диоксида кремния.
Исследования проводили на бетонах, прошедших тепловлажностную обработку по режиму 3+3+6+2 часа при Тиз=+80°С, отличающихся между собой видом и содержанием микрокремнезема, но имеющих постоянный расход вяжущего (Ц+МК) и воды (табл. 1). Применяли портландцемент (добавка трепела 12 %) и шлакопортландцемент (добавка шлака 40 %) марки 400 Воскресенского завода. В качестве ингибитора коррозии стали использовали нитрит натрия. Подвижность бетонных смесей регулировали введением суперпластификатора.
| № состава | Состав бетона, кг/м3 | Дозировка СП С-3, в зависимости от марки МК % (Ц+МК) | Прочность бетона после ТВО+28 сут нормального хранения, МПа | ||||||||
| Ц | МК | П | - | МК-85 | МК-65 | МК-45 | - | МК-85 | МК-65 | МК-45 | |
| - | 350 | - | 740 | 0.5 | - | - | - | - | - | - | |
| 1 | 315 | 32 | 725 | - | 0.5 | 1.0 | 0.5 | - | 50 | 48 | 44 |
| 2 | 290 | 60 | 720 | - | 0.6 | 1.8 | 0.6 | - | 56 | 52 | 46 |
| 3 | 270 | 80 | 715 | - | 0.7 | 2.8 | 0.7 | - | 62 | 57 | 50 |
ПРИМЕЧАНИЯ:
1. Бетоны с 30% МК на портландцементе (состав 3) и с 20% МК на шлакопортландцементе (состав 2) были изготовлены с добавкой 2% NaNO2 и без нее (в дальнейшем маркировка 3Н и 2Н).
2. Расход щебня и воды во всех составах бетона постоянный и равен 1175 кг/м3 и 154 л/м3 соответственно.
3. Подвижность бетонных смесей на портландцементе - 8 см, на шлакопортландцементе - 5 см.
Ускоренные электрохимические испытания проводили в соответствии со СТ СЭВ 4421-81 «Зaщитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний», а также другими методами. Образцы бетона размером 7´7´14 см с арматурной сталью класса А-1 диаметром 6 мм и длиной 120 мм испытывали после тепло-влажностной обработки, а также после 30 и 60 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Об электрохимическом состоянии стали судили по характеру анодных поляризационных кривых на стали в бетоне с микрокремнеземом. Коррозионное состояние стали оценивали площадью коррозионных поражений на арматурных стержнях, извлеченных из бетона после электрохимических испытаний (табл. 2).
| № состава | Марка микрокремнезема | pH бетона в зоне расположения арматуры | Плотность тока, мкА/см2 при Ест=+300мВ | Площадь коррозии, % | ||||||
| исходное состояние | 30 циклов |
60 циклов |
исходное состояние | 30 циклов |
60 циклов |
исходное состояние | 30 циклов |
60 циклов |
||
| - | - | 12.43/12.2 | 12.49/12.3 | 12.51/12.3 | 6.3/5.3 | 5.1/5.5 | 4.9/5.9 | 0/0 | 0/0 | 0/0 |
| 1 | МК-85 | 12.3/12.2 | 11.9/12.0 | 11.95/12.0 | 4.1/4.2 | 3.7/5.3 | 3.5/4.8 | 0/0 | 0/0 | 0/0 |
| 2 | 11.85/11.7 | 11.82/11.7 | 11.80/11.6 | 4.7/9.8 | 8.2/11.9 | 8.8/12.2 | 0/5 | 0/20 | 0/40 | |
| 3 | 11.70/ - | 11.68/ - | 11.61/ - | 18.6/ - | 27.4/ - | 19.9/ - | 10/ - | 25/ - | 50/ - | |
| 3H/2H | 11.73/11.8 | 11.71/11.9 | 11.72/11.9 | 7.4/3.2 | 5.3/3.7 | 4.9/4.3 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | |
| 1 | МК-65 | 11.97/12.1 | 12.0/12.2 | 12.10/12.2 | 6.8/3.2 | 2.3/3.5 | 3.3/3.5 | 0/0 | 0/0 | 0/0 |
| 2 | 11.83/11.8 | 11.85/11.6 | 11.85/11.6 | 5.4/8.5 | 3.2/12.3 | 5.5/12.3 | 0/3 | 0/5 | 0/5 | |
| 3 | 11.50/ - | 11.45/ - | 11.45/ - | 10.8/ - | 16.2/ - | 18.7/ - | 10/ - | 30/ - | 40/ - | |
| 3H/2H | 11.80/12.0 | 11.90/11.9 | 11.90/11.9 | 3.9/4.5 | 2.8/5.6 | 4.8/5.9 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | |
| 1 | МК-45 | 11.95/11.8 | 12.10/11.9 | 12.15/11.9 | 4.3/5.2 | 3.3/3.7 | 4.1/3.7 | 0/0 | 0/0 | 0/0 |
| 2 | 11.85/11.6 | 11.90/11.5 | 11.90/11.6 | 5.3/12.2 | 2.4/14.4 | 5.5/10.8 | 0/5 | 0/10 | 0/10 | |
| 3 | 11.60/ - | 11.50/ - | 11.50/ - | 18.5/ - | 17.7/ - | 12.6/ - | 10/ - | 30/ - | 80/ - | |
| 3H/2H | 11.80/11.7 | 11.90/11.7 | 11.90/11.7 | 4.3/5.6 | 2.1/4.6 | 3.2/5.7 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | |
ПРИМЕЧАНИЯ:
Перед чертой - результаты испытаний арматуры в бетонах с МК на портландцементе,
после черты - на шлакопортландцементе.
Длительные исследования арматуры в бетоне с микрокремнеземом проводили в естественных атмосферных условиях, а также в условиях постоянной повышенной влажности. Образцы из армированного бетона помещали на стенд (в атмосферных условиях Москвы) и в боксы с относительной влажностью газовоздушной среды 65, 75, 85 и 95%. После 1 и 2 лет выдерживания в этих условиях определяли площадь коррозионных поражений стали, глубину карбонизации бетона с микрокремнеземом и рН жидкой фазы бетона в зоне расположения арматуры. Результаты коррозионных испытаний стали в таком бетоне представлены в табл. 3.
| № состава | Марка микрокремнезема | Площадь коррозии, % | pH поровой жидкости, 2 года атмосферных условий | Период нейтрализации защитного слоя бетона (d=20 мм) в среде СО2, лет | ||||
| 2 года, атмосферных условий | W=65% | W=75% | W=85% | W=95% | ||||
| - | - | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 12.5/ - | 100/70 |
| 1 | МК-85 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 12.0/12.0 | 160/110 |
| 2 | 0/5 | 0/10 | 0/10 | 0/25 | 0/30 | 11.9/11.6 | 150/70 | |
| 3 | 40/ - | 45/ - | 40/ - | 60/ - | 65/ - | 11.7/ - | 145/ - | |
| 3H/2H | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 11.8/11.8 | - / - | |
| 1 | МК-65 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 12.1/12.1 | 150/85 |
| 2 | 0/5 | 0/5 | 0/10 | 0/20 | 0/25 | 11.9/11.7 | 100/75 | |
| 3 | 50/ - | 50/ - | 50/ - | 70/ - | 70/ - | 11.5/ - | 75/ - | |
| 3H/2H | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 11.7/11.8 | - / - | |
| 1 | МК-45 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 12.2/12.0 | 150/80 |
| 2 | 0/5 | 0/5 | 0/5 | 0/10 | 0/15 | 11.9/11.9 | 100/50 | |
| 3 | 20/ - | 20/ - | 25/ - | 50/ - | 50/ - | 11.5/ - | 70/ - | |
| 3H/2H | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 0/0 | 11.7/11.7 | - / - | |
ПРИМЕЧАНИЯ:
Перед чертой - результаты испытаний арматуры в бетонах с МК на портландцементе,
после черты - на шлакопортландцементе.
Анализ коррозионного состояния стали в исследованных, составах бетона показал, что использование микрокремнезема марок МК-45, МК-65 и МК-85 в дозировках до 20 % массы портландцемента (составы 2) и до 10 % массы шлакопортландцемента (составы 1) не снижает пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре. Применение микрокремнезема в количествах, превышающих указанные дозировки (состав 3 на портландцементе и состав 2 на шлакопортландцементе), вызывает коррозию арматуры уже сразу после тепловлажностной обработки.
Анализ результатов длительных коррозионных испытаний показал, что при относительной влажности газовоздушной среды до 75 % и в естественных атмосферных условиях в течение 2 лет коррозии арматуры не наблюдается. При увеличении относительной, влажности более 75% коррозия арматуры начинает развиваться, причем степень коррозионных поражений (см. табл. 3) возрастает с увеличением влажности, что связано с понижением рН жидкой фазы бетона.
Исследование щелочности жидкой фазы бетонов в исходном состоянии (см. табл. 2) и прошедших длительные испытания (см. табл. 3) показало, что рН поровой жидкости в составах, содержащих до 20 % микрокремнезема от массы портландцемента и до 10 % от массы шлакопортландцемента (составы 2 и 1) практически не изменяется и составляет 12.3…11.83. Дальнейшее увеличение расхода микрокремнезема снижает рН поровой жидкости бетона ниже минимального значения, необходимого для пассивации стали (рН=11.8). Использование ингибитора коррозии стали - нитрита натрия (NaNO2) в количестве 2% массы вяжущего (Ц+МК) позволяет расширить диапазон применения микрокремнезема в бетонах до 30 % массы портландцемента и 20 % массы шлакопортландцемента (составы ЗН и 2Н) при coxpaнении пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре.
  Рис. 1. Эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в карбонизированном слое бетона с добавками микро- кремнезема и суперпластификатора С-3: а - на портландцементе б - на шлакопортландцементе |
В процессе эксплуатации в атмосферных условиях бетон подвергается воздействию углекислого газа (карбонизации) вследствие чего происходит связывание щелочных компонентов бетона в карбонаты, уменьшение рН поровой жидкости бетона, а, следовательно, развитие коррозии арматуры в процессе эксплуатации конструкции. Критерием оценки длительности защитного действия бетона с микрокремнеземом по отношению к стали является коэффициент диффузии углекислого газа, в карбонизированном слое бетона [5]. Результаты определения проницаемости бетонов с микрокремнеземом и С-3 для углекислого газа показали (рис. 1), что введение 10% микрокремнезема приводит к снижению коэффициента диффузии СО2 на 40…60%, что способствует увеличению длительности защитного действия бетона по отношению к стальной арматуре. |
Выводы
Для обеспечения сохранности арматурной стали в железобетонных конструкциях допускается применение микрокремнезема марок МК-85, МК-65 и МК-45 как добавок в бетон в количестве не более 20% массы портландцемента и 10% массы шлакопортландцемента.
Применение ингибитора коррозии стали - нитрита натрия в количестве 2% массы вяжущего (Ц+МК) позволяет расширить диапазон применения микрокремнезема в бетонах до 30% массы портландцемента и 20% массы шлакопортландцемента,
Использование до 20 % микрокремнезема позволяет получать особоплотные бетоны, что обеспечивает надежную защиту арматуры при эксплуатации конструкций при относительной влажности газовоздушной среды до 75%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- S.Helland, Р.Acker, Н.Е.Gram, Е.J.Sellevold. Condensed silica fume in concrete // State of art report, FIP Commission on concrete, 1988, p.28-31,
- В.Г.Батраков, С.С.Каприелов, Ф.М.Иванов, А.В.Шейнфельд. Оценка ультрадисперсных отходов металлургических производств как добавок в бетон. // Бетон и железобетон, 1990, № 12, с.15-17.
- Батраков В.Г. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Эффективность применения ультрадисперсных отходов ферросплавного производства. // Бетон и железобетон, 1989, № 8, с.24-25.
- Карrielov S.S., Sheinfeld А.V. Influenсе of cement stone structure with silica fume апd superplastlcizer admixtures on concrete strength and permeability // Blended cements in construction - Structural Integrity Research Institute, University of Sheffild, UK,1991, p.317-328.
- Руководство по определению диффузионной проницаемости бетона для углекислого газа, М.: НИИЖБ, 1974, с.19.
- Ю.М.Бутт, С.Д.Окороков, М.М.Сычев, В.В.Тимашев. Технология вяжущих веществ, М.: Высшая школа, 1965, с.143.
 |