УДК 691.335: 620.192.422

МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ГЕОПОЛИМЕРНОГО БЕТОНА

Ерошкина Надежда Александровна1, Коровкин Марк Олимпиевич2, Тымчук Екатерина Ильинична3
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., инженер-исследователь
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент

Аннотация
Приведен анализ факторов, определяющих морозостойкость бетонов на основе геополимерных вяжущих. Показано, что бетоны на основе геополимерного вяжущего на базе измельченного отсева дробления гранитного щебня с добавкой шлака имеют морозостойкость достаточную для производства подавляющей части бетонных и железобетонных конструкций.

Ключевые слова: бетон, геополимер, морозосолестойкость, морозостойкость, отсев дробления щебня


FROST-RESISTANCE OF GEOPOLYMER CONCRETE

Eroshkina Nadezda Alexandrovna1, Korovkin Mark Olimpievich2, Tymchuk Ekaterina Ilyinichna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Engineer-researcher
2Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
3Penza State University of Architecture and Construction, Student

Abstract
Analysis of the factors affecting the frost-resistance of geopolymer concrete has been considered. It is shown that geopolymer concretes based on crushed wastes of granite rubble with slag additive have sufficient frost-resistance for the production of the vast majority of concrete and reinforced concrete structures.

Keywords: concrete, frost-resistance, frost-salt resistance, geopolymer, waste crushing of rubble


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Морозостойкость геополимерного бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50818 (дата обращения: 03.06.2017).

Морозостойкость – одна из наиболее значимых характеристик бетона, обусловливающих его долговечность. Для большей части территории России, Северной Европы, США и Канады морозное разрушение является основной причиной потери работоспособности строительных материалов, эксплуатирующихся в наружных частях зданий и сооружений. Однако вопрос морозостойкости геополимерных бетонов в научной литературе освещен недостаточно. Это связано с тем, что большая часть исследований геополимерных бетонов ведется в странах с мягким климатом, таких, как Австралия, Индия, Индонезия, Китай.

Существуют различные теории, объясняющие деструкцию насыщенных водой строительных материалов при попеременном замораживании и оттаивании. Одной из важнейших причин, вызывающей разрушение строительного материала при таком воздействии окружающей среды, является давление на стенки пор, которые возникли за счет снижения плотности образующегося льда, а также воды при снижении температуры ниже 4 ºС. Образование льда в порах приводит к снижению проницаемости строительного материала и повышению гидростатического давления в порах, что наряду с давлением льда создает дополнительные напряжения в структуре.

Циклическое замораживание и оттаивание приводит к накоплению усталостных дефектов структуры бетона и к его разрушению. На интенсивность разрушения влияет не только температура, но и скорость ее изменения. При быстром замораживании и оттаивании интенсивность деградации структуры материала повышается. В связи с этим сначала происходит разрушение поверхностей материала, а затем развивается деструкция во всем объеме материала.

При насыщении бетона противогололедными растворами, снижающими температуру замерзания воды, интенсивность морозного разрушении возрастает в несколько раз, причем деструкция ускоряется не только при использовании в качестве антифризов растворов хлоридов или сульфатов, которые могут вызывать процессы химической коррозии цементного камня. Морозное разрушение материала интенсифицируется даже при его насыщении растворами инертных по отношению к вяжущему веществ, например глицерина.

По поводу причин снижения морозостойкости при использовании противогололедных реагентов в настоящее время нет единого мнения. Наиболее вероятной причиной считается полное насыщение материала жидкостью при снижении температуры ее замерзания и, соответственно, увеличения суммарного давления льда.

Более интенсивное морозное разрушение строительных материалов при их насыщении раствором соли учитывается при определении морозостойкости. Для дорожных бетонов, которые в зимний период могут обрабатываться противогололедными реагентами, морозостойкость определяется после их насыщения 5 %-м раствором хлорида натрия.

Морозостойкость зависит в основном от структуры пор материала, которая определяет его водопоглощение и соответственно количество образовавшегося в порах льда. Характер пор оказывает большое влияние на морозостойкость материала.

Сферические поры, условно замкнутые поры, образовавшиеся за счет вовлечения воздуха при перемешивании сырьевой смеси, практически никогда не заполняются водой полностью, в них остаются воздушные «карманы», которые служат резервными объемами для расширяющегося льда в процессе замораживания воды. Вода в порах геля, имеющих наноразмерный уровень, практически никогда не замерзает.

Имеющиеся данные [1-3] о свойствах геополимерных бетонов свидетельствуют о достаточно высокой морозостойкости этих материалов. Для использования геополимеров в России и других странах с холодным климатом необходимо выявление закономерностей, определяющих их морозостойкость. На начальных этапах исследований можно использовать зависимости, установленные для портландцементных бетонов.

Морозостойкость бетона может быть повышена двумя различными способами:

1) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проницаемости для воды, например, за счет снижения водовяжущих отношений, применения добавок, гидрофобизирующих стенки пор, или кольматации пор пропиткой
специальными составами;

2) создание в бетоне с помощью специальных
воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор (более 20% от объема замерзающей воды), не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникновения воды под давлением, возникающим при ее замерзании.

Эффективным способом повышения морозостойкости цементного бетона считается применение воздухововлекающих добавок, благодаря которым при перемешивании бетонной смеси в ней образуются поры сферической формы. Для получения высокой морозостойкости необходимо обеспечить расстояние между такими порами не более 0,0025 мм [4]. Это достигается за счет оптимального объема воздухововлечения (4-6 %) и уменьшения размера пор.

Установлено [3], что геополимерное вяжущее на основе метакаолина характеризуется высокой усадкой, которая является причиной образования трещин в материале, вызывающих снижение его прочности и морозостойкости. Введение оптимального количества (74-78 %) измельченного песка в состав вяжущего снижает объем открытых пор и повышает морозостойкость геополимера. При введении в геополимер наполнителя свыше оптимального количества наблюдалось увеличение пористости и снижение морозостойкости (рис. 1).

Рис. 1. Влияние степени наполнения вяжущего на его морозостойкость [3]

Исследования [2] показали, что геополимерный бетон на основе золы класса F имеет морозостойкость 150 циклов. По мнению авторов [1], этого достаточно для применения геополимерных бетонов.

В работе [4] отмечается, что геополимерные бетоны на основе золы-уноса имеют достаточно высокую морозостойкость, однако морозосолестойкость таких бетонов не высока. При введении в состав этих бетонов добавки гранулированного шлака морозостойкость несколько снизилась, однако отмечено повышение морозосолестойкости.

Нами были проведены исследования морозостойкости геополимерного бетона на основе отсева дробления гранитного щебня [5]. Расход измельченной до удельной поверхности 320 м2/кг магматической горной породы – отсева дробления гранитного щебня Павловского месторождения составлял 345 кг/м3. В состав бетона вводилось 115 кг/м3 модифицирующей добавки – доменного гранулированного шлака, измельченного до удельной поверхности 350 м2/кг. Активация твердения вяжущего осуществлялась раствором жидкого стекла с силикатным модулем 1,4. Расход активатора составлял 110 кг/м3. Через 28 суток твердения образцы этого бетона в нормальных условиях были испытаны по второму методу в соответствии с ГОСТ 10060–2012.

Потери массы после 10 циклов замораживания-оттаивания стабилизировались и достигли 0,1 % (рис. 2). Образцы выдержали 200 циклов без значительных потерь массы, однако после 204-го цикла началось быстро нарастающее шелушение (рис.3).

Испытания были прекращены после 209-го цикла, затем была определена прочность образцов, которая составила 37,7 МПа, что на 4 % выше прочности контрольного состава.

Рис. 2. Средние значения потерь массы геополимерного бетона
в процессе его испытания на морозостойкость

Рис. 3. Внешний вид образцов после 206 циклов замораживания-оттаивания

Результаты испытания геополимерного бетона, изготовленного с использованием вяжущего на основе измельченного отсева гранитного щебня, показали, что этот бетон имеет марку по морозостойкости F2 200. Такой морозостойкости достаточно для применения геополимерного бетона в дорожном строительстве многих климатических районов России. Морозостойкость для дорожных бетонов F2 200 соответствует морозостойкости F1 600 для бетонов общестроительного назначения, что удовлетворяет требованиям, предъявляемых к подавляющей части бетонных и железобетонных конструкций.


Библиографический список
  1. Geopolymers structure, processing, properties and industrial applications / Ed. J. L. Provis, J. S. J. van Deventer // Woodhead Publishing, 2009. – 464 р.
  2. Škvára F. Jílek T., Kopecký L. Geopolymer materials based on fly ash // Ceramics − Silikáty. 2005. Vol. 49 (3). – P. 195-204.
  3. Steinerova M. Mechanical properties of geopolymer mortars in relation to their porous structure // Ceramics – Silikáty. 2011. N 55 (4). – P. 362-372.
  4. Вайль М., Бухвальд А., Домброский-Даубе К. Экологоэкономический анализ геополимерных бетонных смесей для ограждающих конструкций // Бетонный завод. 2012 № 2. – С. 34-42.
  5. Ерошкина Н.А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: моногр. / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.


Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: