Для активации твердения геополимерных вяжущих используются щелочные растворы при концентрациях обеспечивающих отношение Na₂O и К₂О в несколько % от массы вяжущего. По данным [1, 2, 3] только часть щелочи химически связывается в структуре геополимера. Значительная доля гидроксида натрия или калия остается в поровом пространстве материла. При высыхании геополимерного камня щелочь мигрирует к поверхности материала, образуя после карбонизации высолы. Снижение дозировки щелочного активатора с целью снижения высолообразования приводит к замедлению твердения и недобору прочности геополимера. В работе [4] для снижения содержания в геополимерном камне щелочи предлагается вводить в состав вяжущего активные минеральные добавки на основе вулканических пород.

Содержание в геополимерном бетоне свободной щелочи сопряжено с риском развития реакций щелочи с активным кремнеземом заполнителя. Эти реакции, также как и в портландцементном бетоне, содержащем в своем составе до 1 % щелочей, при неблагоприятных условиях вызывают образование трещин в геополимерном бетоне. В связи с этим при выборе заполнителя необходимо учитывать наряду с содержанием щелочного компонента в вяжущем, количество реакционно-активного заполнителя, который при взаимодействии с щелочью на поверхности контакта заполнителя с цементным камнем образует гидратированные продукты, которые вызывают деформации, приводя к разрушению бетона (см. рис. 1).

а)
б)

Рис. 1. Трещины в мостовой конструкции (а) и бортовом камне (б), образовавшиеся в результате реакции диоксида кремния заполнителя со щелочами цемента

Заполнители, содержащие в своем составе диоксид кремния в аморфной и скрытокристаллической форме, способны вступать в химическую реакцию с щелочами вяжущего. При этом на поверхности заполнителя образуется силикатный гель, который поглощая воду, увеличивается в объеме (рис. 2) и может вызывать образование трещин в бетоне (рис. 1), а некоторых случаях – разрушение конструкции. Образующиеся в бетоне трещины увеличивают его проницаемость, что снижает морозостойкость и способствует ускорению химической коррозии. Это явление иногда называют внутренней коррозией бетона.

Рис. 2. Схема разрушения бетона при реакции щелочь – заполнитель по данным [5]

Химическая реакция диоксида кремния со щелочами развивается во влажных условиях. Ее скорость зависит от вида минералов, структуры и размера зерен заполнителя, содержания щелочей в вяжущем. Повреждение бетона может проявляться через несколько месяцев после его изготовления и развивается в течение нескольких лет.

К реакционноспособным относят заполнители, в которые входят минералы, содержащие аморфный и скрытокристаллический кремнезем (опал, халцедон, тридимит, кристобалит, цеолит, иллит), и некоторые другие, содержащие некристаллизованный диоксид кремния. Эти минералы слагают следующие горные породы: базальты, андезиты, андезито-базальты, сланцы кремнистые кристаллические, кремни халцедоновые и кварцевохалцедоновые, песчаники, кварциты, траппы – микродолериты и др. породы.

В последние годы участились случаи разрушения цементного бетона в результате реакции активного диоксида кремния заполнителя со щелочами цемента. Это связано с несколькими факторами, основным из которых является увеличение объемов использования для приготовления бетона более дешевых некондиционных песков, содержащих реакционноактивный кремнезем. Кроме того, широкое применение высокоэффективных водоредуцирующих добавок позволяет получать бетоны с повышенной прочностью за счет снижения водоцементного отношения, что является фактором, увеличивающим риск растрескивания бетона, так как при этом снижается проницаемость цементного камня для геля, образующегося в контактной зоне заполнителя (см. рис. 1), что повышает давление на цементный камень, а сам камень при снижении водоцементного отношения и повышения прочности становится более хрупким.

При изготовлении геополимерного бетона щелочной активации возникает опасность развития щелочных реакций с кремнеземом заполнителя, которые могут привести к трещинообразованию.

По некоторым данным [6], предотвратить образование щелочных реакций с заполнителем помогает введение глинистого компонента (Al₂O₃·2SiO₂), который образует над проницаемым слоем (Na₂O·SiO₂·nH₂O-гель) заполнителя защитную плотную прочную пленку на основе Na₂O·Al₂O₃·mSiO₂·nH₂O в виде цеолита, препятствующую миграции новообразований из заполнителя в структуру бетона.

Экспериментальные сравнительные исследования проявлений щелочной коррозии геополимерного и портландцементного растворов показали [7], что, несмотря на то, что содержание щелочи в геополимерном вяжущем в несколько раз выше, чем в портландцементе, расширение и трещинообразование геополимерного раствора при использовании заполнителя реакционно-активного опалового песка имело намного меньшие значения. Это характеризует геополимерное вяжущее как более безопасное с точки зрения внутренней коррозии.

Несоответствие между содержанием щелочи в геополимерном вяжущем и портландцементе и уровнем трещинообразования в бетонах на основе этих материалов объясняется тем, что благодаря более высокой щелочности в геополимерном бетоне реакции взаимодействия щелочи с кремнеземом протекают намного более интенсивно и заканчиваются до окончания процесса схватывания, то есть до того как вяжущее тесто утрачивает способность к пластическим деформациям.

Геополимерные бетоны характеризуются меньшим риском щелочной коррозии. В связи с этим требования к содержанию в заполнителе активного кремнезема, в сравнении с заполнителем для портландцементного бетона, могут быть значительно снижены.

1. Ерошкина Н.А. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин // Цемент и его применение. 2014. № 4. С. 107-113.
2. Ерошкина Н.А. Оценка процесса структурообразования геополимерного вяжущего по кинетике изменения содержания несвязанного активатора твердения / Н.А. Ерошкина, С.В. Аксенов, М.О. Коровкин // Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на промышленных предприятиях, в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве: сб. статей XIII Международная научно-практическая конференция. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2013. – С.62-65.
3. Barbosa V.F.F. Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers / V.F.F. Barbosa, K.J.D. MacKenzie, C. Thaumaturgo // International Journal of Inorganic Materials. 2000. Vol. 2, Iss. 4. P. 309–317.
4. Bondar D. Effect of type, form, and dosage of activators on strength of alkali-activated natural pozzolans / D. Bondar, C.J. Lynsdale, N.B. Milestone, N. Hassani, A.A. Ramezanianpour // Cement and Concrete Composites. 2011. N.33. P. 251–260.
5. Штарк Й. Долговечность бетона / Й. Штарк, Б. Вихт. – Киев: Оранта, 2004. – 295 с.
6. Ерошкина Н.А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: моногр. / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.
7. Muhd Fadhil Nuruddin, Nooriza Abd Razak Siti. Effects of Geopolymer Concrete Fly Ash Based on Alkali Silica Reaction (ASR) // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 567. P. 405.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»