Реакция щелочей цемента с заполнителями бетона

В течение последних 20 лет обнаружены некоторые разрушительные химические реакции между заполнителем и окружающим его цементным камнем. Наиболее распространенной является реакция между активными кремнеземистыми составляющими заполнителя и щелочами цемента. Реакционноспособными модификациями кремнезема являются опал (аморфный), халцедон (скрытокристаллический, волокнистый) и триди-мит (кристаллический). Эти реакционноспособные минералы встречаются в кремнистых сланцах с включениями опала и халцедона, кремнистых известняках, риолитах и риолитовых туфах, даците и дацитовых туфах, андезите и андезитовых туфах и филлитах. Реакция начинается с взаимодействия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей (Na2O и КгО), и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема заполнителя.
Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию. Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое в конце концов приводит к возникновению трещин и разрушению цементного камня. По-видимому, расширение вызвано гидравлическим осмотическим давлением, хотя оно может быть также вызвано повышающимся давлением еще твердых продуктов реакции щелочей с кремнеземом. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. Некоторая часть мягкого геля выщелачивается водой и откладывается в трещинах, появившихся в результате разбухания заполнителя.Можно предсказать, что при использовании определенных материалов будет происходить реакция щелочей цемента с заполнителями, но обычно нельзя оценить разрушительное воздействие этого процесса на бетон, зная лишь содержание реакционноспособных материалов. Например, на фактическую реакционную способность заполнителя влияют размер его зерен и пористость, поскольку от них зависит величина площади поверхности заполнителя, на которой может протекать реакция. Хотя содержание щелочей определяется лишь видом цемента, их концентрация на реакционноспособной поверхности заполнителя будет определяться величиной площади этой поверхности. Минимальное содержание щелочей цемента, при котором может быть реакция расширения, составляет 0,6% (в пересчете на эквивалент щелочи Na2O)Содержание солей калия пересчитывается на эквивалентное количество ИагО умножением содержания К2О в клинкере на коэффициент 0,658. Известно, однако, что в исключительных случаях цементы даже с низким содержанием щелочей вызывают расширение. В определенном диапазоне расширение бетона, приготовленного на реакционноспособном заполнителе, тем больше, чем выше содержание щелочей в цементе, а для данного состава цемента — чем выше его тонкость помола.Среди других факторов, влияющих на ход реакций щелочей цемента с заполнителем, следует указать присутствие неиспаряющейся воды в цементном камне и степень водопроницаемости цементного камня. В условиях попеременного увлажнения и высыхания наблюдается ускорение реакции. Повышенная температура ускоряет эту реакцию, по крайней мере в диапазоне 10—40° С. Таким образом, можно видеть, что влияние различных физических и химических факторов обусловливает сложность процессов при взаимодействии щелочей цемента с заполнителем. В частности, в результате водопоглощения гель может изменять свою структуру, что приводит к повышению давления, в то время как в других случаях наблюдается диффузия геля из замкнутого пространства.Поэтому, хотя мы знаем, что некоторые виды заполнителей являются реакционноспособными, не существует простого способа определения того, будет ли такой заполнитель вызывать чрезмерное расширение вследствие реакции с щелочами цемента. Обычно следует полагаться на результаты наблюдений в процессе эксплуатации. Если в вашем распоряжении таких результатов нет, то можно лишь определить потенциальную реакционную способность заполнителя, но не доказать, что реакция будет иметь место. Методика ускоренных химических испытаний приведена в Технических условиях ASTM С 289—57Т. Эти испытания позволяют определить уменьшение щелочного содержания нормального раствора NaOH в результате его контакта с тонкоизмельченным заполнителем при температуре 80° С, при этом устанавливают количество растворенного кремнезема. Обычно считают, что разрушительная реакция возможна в тех случаях, когда результаты испытаний ложатся вправо от разделительной линии на графике рис. 3.7.Из числа физических испытаний по определению реакционной способности заполнителя в США распространены испытания балочек из цементного раствора. Испытываемый заполнитель определенной фракции используют для изготовления специальных балочек из цементно-песчаного раствора с применением цемента с эквивалентным содержанием щелочей не менее 0,8%. Балочки хранят над водой при температуре 37,8° С; при такой температуре расширение проходит более интенсивно, чем при более высоких или низких температурах. Ускорению реакции также способствует использование довольно высокого водоцементного отношения. Подробная методика этих испытаний описана во Временных технических условиях ASTM С 227—58Т.Испытываемый заполнитель считают непригодным для бетона, если его расширение к 6 месяцам составляет более 0,05% и к 1 году твердения— более 0,1%. Если превышено только 6-месячное значение, то полагают, что применение данного заполнителя не приведет к разрушительному расширению.Установлено, что результаты этих испытаний очень хорошо коррелируют с результатами эксплуатационных наблюдений, хотя требуется значительное время, прежде чем можно будет вынести решение о пригодности заполнителя для бетона. С другой стороны, результаты химических испытаний часто не являются решающими. Установлено, что расширение вследствие реакции щелочей цемента с заполнителем может быть уменьшено или исключено совсем путем введения в бетонную смесь.