Corrosion Resistance of Shotcrete under the Influence of Salt Solutions

Full Text

Одним из прогрессивных способов выполнения бетонных работ является метод торкретирования. Торкретирование целесообразно в тех случаях, когда необходимо бетонировать строительные конструкции сложной конфигурации и незначительной толщины, при возведении которых возникают трудности, связанные с уплотнением бетонных смесей вибраторами, и требуются значительные затраты на изготовление опалубки, а также в тех случаях, когда к бетону предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости, водонепроницаемости и морозостойкости [1]. Особенно эффективно применение торкрет-бетона при сооружении пространственных конструкций покрытий зданий (куполов, оболочек), резервуаров различного типа и назначения, элементов наружных трехслойных конструкций производственных зданий с эффективным утеплителем, в качестве облицовки небольших водопропускных сооружений, поверхностей каналов и т. д. Применение торкретирования для ремонта и усиления поврежденных конструкций многих промышленных и гражданских сооружений является наиболее эффективным и нередко единственно возможным способом [2].

Целесообразен поиск решения проблемы прогнозирования долговечности бетонных и железобетонных конструкций в агрессивных средах, поскольку своевременная их защита позволит значительно сократить экономический ущерб от последствий коррозионных разрушений, повысить надежность конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций [3]. Необходимо фокусировать исследования на расширении комплекса прочностных и антикоррозионных свойств железобетона в соответствии с множеством вариантов его применения. В связи с вышеизложенным представленная работа является актуальной [4, 5].

В зарубежной и отечественной литературе в основном описана технология торкрет-бетона с указанием областей его применения, требования к материалам для изготовления торкрет-бетона, указаны основные свойства: прочность, водонепроницаемость. Сведения о коррозионных характеристиках торкрет-бетона практически отсутствуют [1–6].

Для назначения торкрет-бетона в качестве защиты железобетонных конструкций от агрессивных воздействий среды необходимы данные о его сульфатостойкости и проницаемости для хлоридов как наиболее агрессивных сред. Недостаточная изученность коррозионных свойств торкрет-бетона ограничивает области его применения не только для бетонирования новых конструкций, но и для ремонтных работ [7, 8].

На основании аналитического обзора научно-технической, нормативной и методической литературы по применению торкрет-бетонов разработана программа исследований, в основу которой положен подбор составов и изготовление торкрет-бетона с заданными физико-механическими свойствами. По результатам определения прочности при сжатии выбраны оптимальные составы и изготовлены образцы торкрет-бетона для изучения коррозионных свойств [9–11].

В представленной работе приведены результаты исследования кинетики изменения физических, механических и химических свойств торкрет-бетонов при воздействии жидких агрессивных сред. На основе полученных экспериментальных данных определены числовые значения параметров, лимитирующих массоперенос при коррозии торкрет-бетонов: коэффициенты диффузии гидроксида кальция и солей, коэффициенты массоотдачи.

 

Таблица 1. Состав смесей для нанесения торкрет-бетонного покрытия на 1 м³

Table 1. Composition of mixtures for applying shotcrete coating per 1 m³

Исходные материалы	Расход для изготовления торкрет-бетонной смеси по образцам различных серий, кг
	А	Б	В	Г	Д
Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н	450	450	450	410	410
Зола	0	0	0	45	0
Микрокремнезем	0	0	0	0	45
Крупный заполнитель – щебень	910	910	910	910	910
Мелкий заполнитель – песок	900	900	900	900	900
Ускоритель твердения (NaAlO2+ 2CaO·SiО2)	10,6	10,6	10,6	10,6	10,6
Вода	157,5	202,5	247,5	184,5	184,5
В/Ц	0,35	0,45	0,55	0,45	0,45

 

Исследования проводились на образцах, изготовленных из портландцемента c нормированным составом заполнителей и добавок, с различным водоцементным отношением (табл. 1). Торкретирование выполнялось мокрым способом послойно [12]. Слои наносились горизонтальными полосами шириной около 1 м, сразу по всей ширине покрываемой поверхности опалубки с перекрытием соседних. В течение 7 сут после изготовления полученные торкрет-бетонные плиты периодически увлажняли. Затем выбуривали керны различной формы и размера, в зависимости от вида испытания. После 28 сут первоначального отверждения образцы торкрет-бетона погружали в агрессивные солевые 5%-е водные растворы сульфата натрия и хлорида натрия.

Для изучения свойств, структуры и состава исследуемых в работе материалов (твердой и жидкой фазы) до и после воздействия агрессивной солевой среды проведены экспериментальные исследования с применением методов химического и физико-химического анализа: методики определения плотности, водопоглощения, пористости и прочности цементного камня; анализа распределения пор по размеру; рентгенографического анализа; дифференциально-термического анализа; количественного анализа катионов кальция; электрометрического метода для измерения водородного показателя рН среды; прямого титрования [13–17].

 

Рис. 1. Распределение пор по размерам различных торкрет-бетонных смесей: D_п – диаметр пор, Å; dV/dD_п – изменение объема пор, дм³/кг_бетона

Fig. 1. Pore size distribution of various shotcrete mixtures: D_п – pore diameter, Å; dV/dD_п – change in pore volume, dm³/kg_concrete

 

Распределение пор по размерам различных торкрет-бетонных смесей, измеренное с помощью ртутного порозиметра AutoPore IV 9520, показано на рис. 1. Установлено, что смешанные бинарные вяжущие с добавлением золы или кремнезема имеют более мелкую структуру пор по сравнению с обычными вяжущими, изготовленными только на портландцементе с ускорителем твердения. Общий объем пор образцов различного состава распределен следующим образом: А, Б, В>Г>Д. Смеси, изготовленные с соотношением В/Ц 0,35, обладают наименьшим объемом внедренных пор, а смеси, содержащие 10% кремнезема, имеют большой объем мелких пор.

После 10 месяцев непрерывного полного погружения в 5%-е растворы сульфата натрия и хлорида натрия, все образцы торкрет-бетона остались визуально неповрежденными, кроме образцов серии Д, содержащих кремнезем. Образцы, модифицированные золой-уноса, продемонстрировали лучшую устойчивость к повреждению поверхности по сравнению с другими образцами. Способность связывания хлорид-ионов может быть значительно улучшена благодаря большему содержанию гелей гидратированного силиката кальция в вяжущих для летучей золы. Добавление золы-уноса в качестве частичной замены портландцемента оказалось действенной контрмерой для снижения степени повреждения поверхности.

 

Таблица 2. Относительное изменение массы и прочности образцов при сжатии

Table 2. Relative change in the mass and strength of the samples during compression

Серия образцов	Изменение массы, %, в 5%-м растворе		Изменение прочности при сжатии, %, в 5%-м растворе
	Na2SO4	NaCl	Na2SO4	NaCl
А	1,052	0,739	-5,576	-2,864
Б	1,579	1,225	-7,205	-4,362
В	2,156	1,801	-9,928	-7,205
Г	0,617	0,425	-1,852	-0,719
Д	-0,719	-0,223	-15,443	-10,727

 

В целом все образцы торкрет-бетона, погруженные в растворы солей, теряли прочность, что указывает на развитие деструкции (табл. 2). Максимальная потеря прочности наблюдалась у образцов, содержащих 10% кремнезема в качестве частичной замены портландцемента. Полученный результат явился прогнозируемым, потому что образование таумасита наряду с эттрингитом и гипсом серьезно ухудшило коррозионную стойкость [18]. Очевидно, что частичная замена портландцемента золой-уноса продемонстрировала превосходную производительность при сульфатном или хлоридном воздействии по сравнению с другими смесями. Таким образом, использование диоксида кремния в качестве частичной замены портландцемента не подходит для торкрет-бетона в средах, содержащих сульфаты.

Экспериментальные исследования массопереноса при коррозии образцов из торкрет-бетона в 5%-х растворах сульфата натрия и хлорида натрия проведены на образцах цилиндрической формы диаметром 70 мм, толщиной 30 мм.

Известно, что за стабильность существования высокоосновных соединений бетона (алита, белита, трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита) отвечает свободный гидроксид кальция, содержащийся в порах бетона. Именно свободный гидроксид кальция определяет массоперенос в системе цементный бетон–жидкая среда, изменения содержания которого в теле бетона приводят к коррозии первого вида [19, 20], а в конечном итоге к негативным необратимым последствиям для долговечности конструкций.

 

Рис. 2. Изменение концентраций катионов Ca²⁺ при погружении образцов в раствор хлорида (а) и сульфата (b) натрия для различных образцов

Fig. 2. Changes in the concentrations of Ca²⁺ cations when samples are immersed in a solution of sodium chloride (а) and sulfate (b) for various samples

 

Кинетика процесса изучалась методом объемного титрования. Данным методом проводился контроль содержания катионов кальция в растворах, результаты которого представлены на рис. 2. Полученные данные позволили определить по общепринятым методикам [21–23] коэффициенты массопереноса гидроксида кальция для рассматриваемой системы (табл. 3).

 

Таблица 3. Экспериментально рассчитанные характеристики массопереноса гидроксида кальция из торкрет-бетона

Table 3. Experimentally calculated characteristics of calcium hydroxide mass transfer from shotcrete

Параметр массопереноса	Значения в образцах серий
	А	Б	В	Г	Д
На 30-е сут
Коэффициент массоотдачи, м/с	7,03∙10-7	4,13∙10-7	2,89∙10-7	2,17∙10-7	1,74∙10-7
Коэффициент массопроводности, м²/с	3,5∙10-12	4,63∙10	5,89∙10-12	3,65∙10-12	5,3∙10-12
На 160-е сут
Коэффициент массоотдачи, м/с	7,15∙10-7	3,98∙10-7	2,91∙10-7	2,19∙10-7	1,75∙10-7
Коэффициент массопроводности, м²/с	3,06∙10-9	4,1∙10-9	4,95∙10-9	3,82∙10-9	4,7∙10-9

 

Одновременно с катионами кальция отслеживалось изменение концентраций хлоридов, сульфатов в реакционной среде (табл. 4, 5). Кроме того, учитывалось, что скорость коррозии образцов определяется диффузией сульфатов и хлоридов.

 

Таблица 4. Изменение концентрации ионов хлора в растворе для системы NaCl – торкрет-бетон

Table 4. Change in the concentration of chlorine ions in the solution for the system NaCl – shotcrete-concrete

Серия образцов	Продолжительность взаимодействия, сут
	0	7	14	28	42	56	70	98	126	154
А	31,4	15	6,5	4,2	3,8	3,5	3,2	2,8	2,7	2,6
Б	31,4	12,5	5,4	3,5	3,2	3	2,7	2,4	2,3	2,2
В	31,4	11,4	5	3,2	2,9	2,7	2,5	2,2	2,1	2
Г	31,4	20,9	9,1	5,9	5,4	5,1	4,6	4,1	3,9	3,7
Д	31,4	10,1	4,4	2,9	2,6	2,4	2,2	1,9	1,9	1,8

 

Таблица 5. Коэффициенты диффузии (м²/с) сульфати хлорид-ионов

Table 5. Diffusion coefficients (m²/s) of sulfate and chloride ions

Серия образцов	${\mathbf{SO}}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{2}\mathbf{-}}$		${\mathbf{Cl}}_{}^{\mathbf{-}}$
	на 30 -е сут	на160 -е сут	на 30 -е сут	на 160 -е сут
А	3,3  ∙ 10-12	2,7 ∙ 10-12	4,5 ∙ 10-12	3,8 ∙ 10-12
Б	4,2 ∙1 0-12	3,5 ∙ 10-12	7,1 ∙ 10-12	5,7 ∙ 10-12
В	5,8 ∙ 10-12	4,6 ∙ 10-12	11,6 ∙ 10-12	8,9 ∙ 10-12
Г	1,2 ∙ 10-12	1,1 ∙ 10-12	1,3 ∙ 10-12	1,2 ∙ 10-12
Д	10,5 ∙ 10-12	7,8 ∙ 10-12	18,7 ∙ 10-12	13,4 ∙ 10-12

 

Метод определения диффузионной проницаемости торкрет-бетона для хлоридов основан на аналогии между диффузионным потоком вещества и электрическим током в теле бетона. Результаты определения диффузионной проницаемости для хлоридов водонасыщенных образцов торкрет-бетона приведены табл. 6. Диффузионная проницаемость торкрет-бетона для хлоридов и сульфатов со временем по мере гидратации цемента и уплотнения бетона снижается.

На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Торкрет-бетоны, модифицированные золой-уноса, имеют лучшую коррозионную стойкость по сравнению с другими образцами. Высокое содержание оксида алюминия и низкое содержание трехкальциевого алюмината в образцах с золой-уноса не способствовало образованию эттрингита.
2. В целом все образцы торкрет-бетона, погруженные в растворы солей, теряют прочность при сжатии, что указывает на деструкцию и повреждения. Максимальная потеря прочности наблюдалась у образцов, содержащих 10% кремнезема в качестве частичной замены портландцемента.
3. Использование диоксида кремния в качестве частичной замены портландцемента не подходит для торкрет-бетона в средах, содержащих сульфаты. Кроме того, образцы в растворах хлоридов показали меньшую потерю прочности, чем образцы в растворах сульфатов. Эти результаты согласуются с результатами массового и визуального контроля, а также с результатами аналогичных исследований, выполненных другими учеными.
4. Полученные результаты коррозионных испытаний позволяют рассматривать торкрет-бетон в качестве эффективной защиты бетонных и железобетонных конструкций от коррозии.

About the authors

U. A. Novikova

Sakhalin State University

Author for correspondence.
Email: uliana.a.novikova@gmail.com

Engineer

Russian Federation, 33, Kommunisticheskiy Avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693008

K. B. Strokin

Sakhalin State University

Email: strokin07@rambler.ru

Doctor of Sciences (Economics), Advisor to the RAASN

Russian Federation, 33, Kommunisticheskiy Avenue, Yuzhno-Sakhalinsk, 693008

I. A. Krasilnikova

Vladimir State University

Email: irinanebukina@rambler.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, 87, Gorky Street, Vladimir, 600000

References

Supplementary files