Исследование влияния добавки ХСТН на защитные свойства бетона на портландцементе по отношению к стальной арматуре Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.971.16 О.О. Кудерская ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВКИ ХСТН НА ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА НА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ ПО ОТНОШЕНИЮ К СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЕ

В настоящее время в России практически все составы бетона разрабатываются и производятся с химическими или минерально-химическими добавками. Современные добавки позволяют существенно повысить строительно-технические ха-

рактеристики бетона. На сегодняшний день бетон без каких-либо добавок применяется все реже.

В качестве противомороз-ных добавок применяют поташ (П), хлорид натрия (ХН), хлорид кальция (ХК) и др. Эти добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердения бетона при отрицательных температурах. Чем ниже температура твердения, тем выше дозировка добавки (до 100% массы цемента и больше). В качестве ускорителей твердения применяют хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН) и др. При этом необходимо учитывать побочное действие этих добавок. Например, хлорид

кальция [1,2] способствует коррозии арматуры, поэтому количество его в железобетоне ограничивается 2%, не допускают его применения в конструкциях с тонкой и предварительно напряженной арматурой, эксплуатирующихся в неблагоприятных условиях. Данные о скорости коррозии стальной арматуры в бетоне с добавками, содержащими одновременно хлориды и сульфаты, в литературе отсутствуют.

Свежезатворенный бетон, а также и затвердевший (в увлажненном состоянии) является электролитом [3]. Химические неорганические добавки также являются в своем большинстве электролитами [5]. При погружении закладных деталей в бетон с химическими неорганиче-

скими добавками образуется разность потенциалов. При наличии царапин, трещи, пор и т.п. образуется гальваническая пара, в которой стальная арматура является анодом. При работе такой пары сталь будет постепенно растворяться.

Одним из наиболее эффективных способов придания повышенной стойкости бетону железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в хлорид-ных средах, и одновременно улучшающих защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре, является применение комплексных по-лифункциональных модификаторов ингибирующего действия (ПФМИ), разработанных в НИИЖБе (исследования проводились на портландцементе марки 400 Воскресенского завода). Состав модификатора ПФМИ-2: разжижитель С-3 (натриевые соли продуктов конденсации нафталинсульфокис-лоты и формальдегида), нитрит натрия НН, тетраборат натрия ТБН, бихромат калия БХК [6].

Целью настоящее работы было определение воздействие солевых отходов производства диафена ФП (ХСТН) Кемеровского ОАО “Азот”, применяемого в качестве комплексной добавки, на закладные детали в сборных железобетонных конструкциях в зависимости от рецептурно - технологических факторов: от расхода цемента, водоцементного отношения (В/Ц), от количества добавки в составе бетонной смеси.

Все экспериментальные работы проводились в лаборатории “ Бетонов и растворов” КузНИИшахтострой на следующих материалах:

1. Портландцемент Топкин-ского цементного завода актив-

ностью 363 кг/см2. По минералогическому составу цемент относится к среднеалюминат-ным.

2. Песок речной, кварцевый, просеянный через сито с отверстиями 2,5 мм.

3. Щебень гравийный фракции 10...20 мм и 5...10 мм.

4. Солевой отход (ХСТН) состава: хлорид натрия 23,7%, сульфат натрия 48,3%, тиосульфат натрия 27%, органика 1%.

В качестве эталона служили образцы 2-х составов, приготовленные из цементнопесчаного раствора, затворенные обычной водопроводной водой. Образец 1-го состава -1:1,4:0,4 (цемент : песок : вода), соответствующий растворной части бетона М 200. Образец 2го состава - 1:2,3:0,5 (цемент : песок : вода), соответствующий растворной части бетона М 300.

С эталонными образцами сравнивали образцы, в которых в воду затворения вводили добавку ХСТН в количестве 1; 1,5 и 2% от массы цемента.

Бетонную смесь перемешивали вручную. Из нее формовали образцы в виде призм размером 4^4x16 см с уплотнением на вибростоле. Предварительно в формы в центре призм укладывались стальные стержни диаметром 4 мм и длиной 120 мм. Нарезанные из арматурной стали марки БСТЗ, стержни очищали от ржавчины наждачной шкуркой и обезжиривали ацетоном.

Для обеспечения защитного слоя во всех образцах одинаковой толщины, равной не менее 15 мм, стержни укладывали в формы на подставки в виде трехгранных призм, изготовленных заранее из цементнопесчаного раствора такого же состава. При вибрации стержни

Рис 1. Схема установки для снятия поляризационных кривых: 1 - образец; 2 - электрод сравнения; 3 -

вспомогательный электрод; 4

поддерживали держателем, чтобы не было смещения вдоль продольной оси.

В каждой серии готовили по

электролитический ключ; 5 - потт миллиамперметр.

шесть образцов-близнецов.

Часть образцов твердела 28 суток в нормальных условиях, другая - пропаривалась по ре-

иостат; 6 - потенциометр; 7 -

жиму 2+3+6+2 часа при температуре 80 °С. Образцы после пропаривания оставляли на хранение в течение 28 суток в

Таблица. Результаты электрохимических испытаний

Состав цементнопесчаного раствора Расход добавки, % массы цемента Средний стационарный потенциал Еср, мВ Средняя плотность тока 1ср, мкА/см2

Пропаренные образцы

1 0 - 188 1,03

1 1 - 261 3,82

1 1,5 - 217 2,5

1 2 - 226 5,56

2 0 - 138 1,00

2 1 - 101 1,39

2 1,5 - 126 1,51

2 2 - 185 3,41

Не пропаренные образцы

1 0 - 230 1,15

1 1 -229 1,21

1 1,5 -228 1,39

1 2 - 228 1,47

2 0 - 139 1,03

2 1 - 125 1,28

2 1,5 - 119 1,11

2 2 - 117 1,14

нормальных условиях.

Скорость коррозии стали (весовые потери металла на единицу времени) зависит от величины коррозионного тока, т.е. от начальной разности потенциалов, омического сопротивления, от степени поляризуемости металла в данной среде.

Снятие анодных поляризационных характеристик по методике НИИЖБа производили на установке, схема которой приводится на рис. 1.

Электрохимическая ячейка состоит из стеклянного стакана, в который опущен образец и дополнительный цилиндрический электрод из нержавеющей стали. Каламельный электрод помещается в отдельный стакан с насыщенным раствором хлористого калия. Стаканы соединяются между собой электролитическим ключом в виде П -образной стеклянной трубки диаметром 3...5 м с краном. Трубка заполняется раствором хлористого калия. В отсутствии крана трубку заполняют раствором с добавлением агар-агара, который не позволяет раствору вытекать из трубки.

Сущность метода снятия поляризационных кривых состоит в следующем: при погружении стального электрода в воду или раствор электролита ионы железа переходят в раствор (анодный процесс). Соответствующее количество электронов остается в металле. Образуется двойной электрический слой со скачком потенциала на границе “металл-

жидкость”, который препятствует растворению металла. За счет восстановления кислорода или ионов водорода (катодный процесс) равновесие в двойном слое нарушается. При снятии поляризационных кривых испытуемый электрод, погруженный в электролит или находящийся в бетоне, включают в электрическую цепь и, изменяя величину потенциала, наблюдают за изменением тока в цепи (потен-циостатический метод) или,

изменяя величину тока, наблюдают за изменением потенциала (потенциодинамический метод). В целом скорость коррозии стали определяется тем процессом, который протекает с большим торможением. Во многих случаях скорость коррозии стали в бетоне определяется скоростью анодного процесса. Судить о степени торможения анодного процесса можно по анодным поляризационным кривым, выражающим зависимость плот-

ности тока от потенциала. Наблюдения показали [1], что сталь в бетоне пассивна, если при потенциале Е=+300 мВ по насыщенному каломельному электроду плотность тока не превышает 10 мкА/см2; если плотность тока равна 25 мкА/см2, сталь находится в неустойчивом пассивном состоянии, возможна коррозия; при плотности тока больше 25 мкА/см2, сталь находится возможна интенсивная коррозия стали.

Перед снятием поляризационных кривых бетонные образ-

цы выдержали в воде в течение 3 суток. Затем торец образца скололи, обнажив стержень на длину около 1.2 см, и место выхода стали изолировали лакокрасочным покрытием. Подготовленный образец установили в электрохимическую ячейку и определили величину стационарного потенциала. Затем с помощью потенциостата в автоматическом режиме начали изменять потенциал со скоростью 6 В/ч, измеряя величину

тока через каждые 100 мВ изменения потенциала. Поляризацию электрода производили со стационарного потенциала до величины потенциала 1000 мВ или величины тока 500 мкА/см2. Данные электрохимических испытаний приведены в таблице.

Результаты испытаний оформили в виде графиков (см. рис 2.5) в координатах: по оси абсцисс - плотность тока в мкА/см2, по оси ординат потенциал в мВ.

При построении кривой из величины потенциала вычли

-оездоолв

ки

-1% ХСТН -1,5% ХСТН -2% ХСТН

Плотность тона, мкА/см2

Рис. 2. Анодные поляризационные кривые стали в бетоне 1-го состава с пропариванием

-^—юездоюлв

ки

-0—1% ХСТН -а-1,5% ХСТН -*—2% ХСТН

Плотность тока, мкА/см

Рис.3. Анодные поляризационные кривые стали в бетоне 2-го состава с пропариванием

ООО

ш 600

с 400 м

§ 200

1 0 С-200

-400

$

1/ Г 2,5 5 75 10

йг

-о— оездооав ки -0-1% ХСТН та—1,5% ХСТН -*—2% ХСТН

Плотность тога, мкА/см

Рис. 4. Анодные поляризационные кривые стали в бетоне 1-го состава без пропаривания

воо

Ш воо

С 400 м

^ 200 Ї о

о

с-200

-400

Л

г

I . 5 7 Я 10

бездоблв

ки

-о-1% ХСТН -й—1,5% ХСТН -*—2% ХСТН

Плотность тон, мкА/см2

Рис. 5. Анодные поляризационные кривые стали в бетоне 2-го состава без пропаривания

поправку на омическое сопротивление, которое получается умножением величины сопротивления на величину тока.

На основании проведенных исследований можно сделать выводы:

1. Анализ анодных поляризационных кривых растворных образцов, твердевших в нормальных условиях, показывает, что введение в раствор добавки ХСТН в количестве до 2% от массы цемента практически не увеличивает плотность тока и величина ее при Е=+300 мВ около 1 мкА/см2.

2. У пропаренных растворных образцов плотность тока от введения добавки ХСТН увеличивается, но находится в допустимых пределах (не более 10 мкА/см2 при Е=+300 мВ). Причем это увеличение в ряде случаев более выражено у образцов 1-го состава.

3. Снижение величины добавки ХСТН у пропаренных растворных образцов до 1% приводит к уменьшению плотности тока до величины примерно 1 мкА/см2, такой же как у растворных образцов, твердевших при нормальных условиях.

4. Можно предположить, что в дальнейшем пассивность сохраняется, если защитные свойства бетона не будут изменены под действием агрессивной среды.

5. На основании результатов исследований можно определить область применения добавки ХСТН как: а) в бетонах на портландцементе для конструкций с ненапрягаемой арматурой в неагрессивных условиях эксплуатации; б) в конструкциях, погруженных полностью в воду

или агрессивные растворы; в) в бетонах для железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивных газовых средах, за исключением сред, содержащих газообразный хлор, хлористый водород и аэрозоль хлористых солей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баженов, Ю. М. Технология бетона : учебник. - 3-е изд. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 500 с.

2. Касторных, Л. И. Добавки в бетоны и строительные растворы : учебно-справочное пособие - Ростов н/Д. : Феникс, 2005. - 221 с.

3. Тейлор, Х. Химия цемента. - М.: Мир, 1996. - 560 с.

4. Добавки в бетон : справ. пособие / Под ред. В. С. Рамагандрана ; Перевод с англ. Т. И. Розенберг, С. А. Болдырева ; под ред. А. С. Болдырева, В. Б. Ратинова. - М. : Стройиздат, 1988. - 186 с.

5. Жук, Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов : учеб. пособие для вузов. - 2-ое изд. - М. : ООО ТИД «Альянс», 2006 - 427 с.

6. Исследование и применение химических добавок в бетонах : сб. научн. трудов / НИИЖБ ; под ред. В. Г. Батракова, В. Р. Фаликмана. - М. : 1989. - 126 с.

□ Автор статьи:

Кудерская Ольга Олеговна - старший преп.каф. химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ Тел. 3842-36 -32- 85