Анализ осадка при взаимодействии наполненного цементного камня с солями магния
Автор: Гарынкина Е.Н., Куприяшкина Е.И., Куприяшкина Л.И., Седова А.А.
Журнал: Огарёв-online @ogarev-online
Статья в выпуске: 11 т.5, 2017 года.
Бесплатный доступ
Показано влияние степени наполнения цеолитсодержащей породой на прочность цементного композита под воздействием сульфата магния и хлорида магния. Дан анализ показателя рН, полученного в результате взаимодействия цементных композитов с солями магния. Рассмотрено влияние агрессивной среды на содержание свободных ионов магния и кальция в фильтрате осадка.
Бетон, водородный показатель, ионы, композиционный материал, осадок, прочность, соли магния, сульфат магния, фильтрат, хлорид магния, цеолитсодержащие породы
Короткий адрес: https://sciup.org/147249346
IDR: 147249346
Текст научной статьи Анализ осадка при взаимодействии наполненного цементного камня с солями магния
Бетон на сегодняшний день является одним из самых популярных материалов в строительстве. Ежедневно он подвергается воздействию агрессивных сред, частично или полностью разрушаясь. Соли магния MgCl 2 и MgSO 4 распространены повсеместно: сточные, грунтовые воды, морская вода и т.д. Поэтому при длительном действии этих солей возникает необратимый характер разрушения бетона. Данные соли вызывают магнезиальную коррозию:
Са(ОН) 2 + MgCl 2 = CaCl 2 + Mg(OH) 2 ↓ ;
Са(ОН) 2 + MgS0 4 + H 2 O = СаS0 4 ּ2 H 2 O + Mg(OH) 2 ↓ .
Магнезиальная коррозия вызывает разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также выпадение осадка – гидроксида магния (рыхлой объемной массы). Все это непосредственно приводит к разрушению бетона [1].
Чтобы выявить процессы, приводящие к разрушению при действии солей магния, были проанализированы осадки, полученные при выдерживании цементного камня в растворах хлорида и сульфата магния различной концентрации в течение 7, 14, 28 суток и изменения прочности.
При проведении эксперимента использовали цементные композиты, наполненные цеолитсодержащими породами на 0; 10; 20; 30 %. Образцы помещали в емкости по 5 шт. и заливали 0,5; 1,5; 2,5 %-ным раствором хлорида магния (MgCl 2 ). В другом варианте – 0,5; 1,0; 1,5 %-ным раствором сульфата магния (MgSO 4 ). Цементные композиты выдерживали в растворах солей 7; 14; 28 суток, следя за изменением концентрации ионов магния и кальция с помощью ионного анализатора PIA-100 и за изменением водородного показателя pH. Прочность композитов испытывали на сжатие на разрывной машине Р-20 со шкалой 4 тонны. Результаты проведенного эксперимента приведены соответственно в таблицах 1, 2.
Состояние водных растворов внешней агрессивной среды и среды железобетонных конструкций (кислой рН<7; нейтральной рН=7; щелочной рН>7) оценивается через концентрацию ионов водорода с помощью водородного показателя pH, который численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода (H+), выраженной в молях на литр:
pH = -Lg(H+).
В железобетонных конструкциях для бетона, имеющего щелочную среду, наиболее опасной является коррозия стальной арматуры. При снижении показателя рН ниже 11,8 в поровой жидкости бетона нарушается пассивация стали, тем самым начинает корродировать арматура. В бетоне появляются сетки трещин, поры, новообразования, позволяющие проникать агрессивным хлорид-ионам и кислороду к арматуре. Бетон начинает разрушаться. Вследствие чего мы можем утверждать, что рН-показатель является неотъемлемым элементом при оценке состояния железобетонных конструкций [2].
Анализ фильтрата в растворах хлорида (табл. 1) и сульфата (табл. 2) магния показывает, что постепенно происходит повышение рН с 6 (контрольные составы) до 8,5–10 с последующим незначительным снижением за счет выщелачивания гидроксида кальция из цементного камня.
Во время эксперимента фиксировали изменение содержания ионов магния и кальция методом ионной хроматографии. В таблицах 1 и 2 представлено динамическое изменение концентрации ионов магния при выдерживании цементного камня, наполненного ЦСП (цеолитсодержащие породы) при 10; 20; 30% и без наполнения в течение 28 суток в растворах хлорида магния с концентрацией 0,5; 1,5; 2,5%. Из таблиц видно, что реакция обмена между гидроксидом кальция и хлоридом магния зависит от концентрации соли, степени наполнения и времени экспонирования цементного камня в растворах хлорида магния. Обменная реакция между цементным камнем без ЦСП протекает с более высокой скоростью при всех концентрациях раствора хлорида магния.
Таблица 1
Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня в растворах хлорида магния различной концентрации
τ, сут |
ω, % MgCl 2 |
ω, % ЦСП |
Содержание ионов, мг/л |
Хср ± (t t,f * ^) / Vn , мг/л |
pH |
||
Mg2+ |
Ca2+ |
SiO 2 · nH 2 O |
Cl- |
||||
14 |
0,5 |
0 |
1061,141 |
27,835 |
0,207 |
2717,608 |
8,460 |
10 |
878,925 |
26,512 |
0,132 |
2697,916 |
9,830 |
||
20 |
916,502 |
192,310 |
0,145 |
2693,118 |
8,990 |
||
30 |
1082,663 |
44,427 |
0,042 |
2720,869 |
9,320 |
||
1,5 |
0 |
2530,236 |
64,447 |
0,079 |
8486,367 |
8,940 |
|
10 |
2288,565 |
102,620 |
0,042 |
8232,624 |
8,900 |
||
20 |
2223,172 |
433,220 |
0,058 |
8635,201 |
9,030 |
||
30 |
2326,792 |
118,445 |
0,108 |
8509,945 |
8,890 |
||
2,5 |
0 |
3679,389 |
149,466 |
0,079 |
13514,241 |
8,550 |
|
10 |
3321,635 |
272,747 |
0,301 |
13513,333 |
9,110 |
||
20 |
3748,612 |
186,353 |
0,265 |
13993,917 |
9,570 |
||
30 |
3685,195 |
177,367 |
0,423 |
13802,035 |
9,580 |
||
28 |
0,5 |
0 |
1006,917 |
19,838 |
0,223 |
2615,999 |
8,790 |
10 |
816,557 |
16,53 |
0,281 |
2524,315 |
9,210 |
||
20 |
742,083 |
147,63 |
0,186 |
2673,285 |
9,572 |
||
30 |
999,826 |
23,496 |
0,127 |
2518,400 |
9,730 |
||
1,5 |
0 |
2529,255 |
45,641 |
0,089 |
7665,861 |
9,200 |
|
10 |
1771,166 |
30,52 |
0,113 |
7924,934 |
8,830 |
||
20 |
1514,278 |
178,66 |
0,081 |
7868,010 |
8,690 |
||
30 |
1860,404 |
70,045 |
0,116 |
7676,389 |
9,200 |
||
2,5 |
0 |
3598,633 |
85,247 |
0,292 |
13207,274 |
9,430 |
|
10 |
3029,991 |
191,382 |
1,113 |
13414,241 |
9,260 |
||
20 |
3226,918 |
90,791 |
0,494 |
13894,667 |
8,930 |
||
30 |
3277,710 |
101,313 |
0,464 |
13772,685 |
9,890 |
Введение ЦСП понижает скорость обменной реакции. Наиболее медленно реакция протекает при 30% степени наполнения. В этом случае в растворе содержится наибольшее количество свободных ионов магния. Это, вероятно, связано с понижением содержания оксида кальция в цементном камне за счет снижения доли самого цемента в бетоне (содержание CaO в портландцементе ~ 65%, в ЦСП ~ 7,2%). По результатам эксперимента можно сделать вывод, что ЦСП снижает коррозию цементного камня [3].
Таблица 2
Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня в растворах MgSO 4 различной концентрации
τ, сут |
ω, % MgSO 4 |
ω, % ЦСП |
Содержание ионов, мг/л |
Хср ± (t t,f * ^) / Vn , мг/л |
pH |
||
Mg2+ |
Ca2+ |
SiO 2 · nH 2 O |
SO 4 - |
||||
7 |
0,5 |
0 |
359,786 |
158,511 |
- |
- |
9,890 |
10 |
10,334 |
854,549 |
0,134 |
4469,073 |
9,710 |
||
20 |
338,860 |
402,591 |
0,116 |
4056,701 |
9,620 |
||
30 |
697,209 |
175,174 |
0,134 |
3850,515 |
9,710 |
||
1,0 |
0 |
2033,399 |
933,183 |
- |
- |
9,870 |
|
10 |
1739,506 |
1346,335 |
0,234 |
9872,164 |
9,660 |
||
20 |
2182,883 |
416,337 |
0,161 |
8800,000 |
9,690 |
||
30 |
2776,112 |
268,938 |
0,249 |
7150,516 |
9,740 |
||
1,5 |
0 |
3245,620 |
2161,515 |
- |
- |
9,850 |
|
10 |
4323,927 |
1329,251 |
0,141 |
17377,320 |
9,530 |
||
20 |
4541,973 |
534,377 |
0,187 |
15977,318 |
9,780 |
||
30 |
4757,402 |
409,377 |
0,193 |
16787,628 |
9,760 |
||
14 |
0,5 |
0 |
234,917 |
269,426 |
- |
- |
9,664 |
10 |
0 |
980,697 |
0,432 |
3614,937 |
9,755 |
||
20 |
170,914 |
485,340 |
0,375 |
3770,579 |
9,660 |
||
30 |
672,469 |
235,217 |
0,381 |
3423,985 |
9,560 |
||
1,0 |
0 |
0 |
3991,599 |
- |
- |
9,640 |
|
10 |
1360,306 |
1856,878 |
0,423 |
8003,846 |
9,630 |
||
20 |
1975,193 |
781,371 |
0,409 |
7345,027 |
9,489 |
||
30 |
2511,359 |
353,264 |
0,567 |
5581,946 |
9,612 |
||
1,5 |
0 |
2552,112 |
3142,035 |
- |
- |
9,651 |
|
10 |
3990,893 |
1730,120 |
0,340 |
14097,697 |
9,693 |
||
20 |
4364,444 |
762,720 |
0,427 |
14034,960 |
9,530 |
||
30 |
4510,582 |
346,501 |
0,425 |
13452,048 |
9,620 |
||
28 |
0,5 |
0 |
61,571 |
149,371 |
0,276 |
2630,000 |
9,440 |
10 |
0 |
688,626 |
0,549 |
2163,074 |
9,365 |
||
20 |
0 |
347,931 |
0,551 |
3204,124 |
9,162 |
||
30 |
516,308 |
48,323 |
0,959 |
2832,990 |
9,180 |
||
1,0 |
0 |
0 |
3406,131 |
0,249 |
6997,938 |
9,220 |
|
10 |
479,821 |
1846,652 |
0,471 |
5925,773 |
9,210 |
||
20 |
1332,631 |
917,253 |
0,429 |
6255,670 |
8,980 |
||
30 |
2052,792 |
401,561 |
0,648 |
4564,94 |
9,010 |
||
1,5 |
0 |
2216,620 |
2028,277 |
0,212 |
10750,515 |
9,040 |
|
10 |
2788,775 |
1949,610 |
0,491 |
10255,670 |
9,060 |
||
20 |
2983,746 |
706,724 |
0,462 |
9810,684 |
9,200 |
||
30 |
4146,798 |
271,895 |
0,549 |
9224,742 |
9,030 |
В таблицах 1 и 2 показано изменение концентрации ионов кальция при выдерживании цементного камня с различным содержанием ЦСП. Концентрация свободных ионов кальция увеличивается в зависимости от доли ЦСП в цементном камне. Самая низкая концентрация ионов кальция наблюдается в растворе при контакте с цементным камнем со степенью наполнения 30%.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что обменная реакция между гидроксидом кальция и сульфатом магния протекает медленно. При степени наполнения ЦСП на 30% свободных ионов магния в растворах больше, чем с более низкой степенью наполнения.
Прослеживается взаимосвязь содержания свободных ионов магния в растворе с содержанием ионов кальция. С увеличением концентрации ионов магния уменьшается содержание ионов кальция. На указанную взаимосвязь оказывает влияние степень наполнения цементного камня ЦСП. Чем больше степень наполнения, тем меньше оксида кальция в цементном камне и тем больше свободных ионов магния в растворе.
Параллельно с анализом фильтратов осадков была определена прочность образцов на сжатие. Результаты эксперимента показали, что наиболее высокой прочностью обладают цементные композиты, наполненные ЦСП на 20% ‒ 41,4 МПа, выдержанные в 1,5% растворе хлорида магния. С повышением концентрации хлорида магния до 2,5% наблюдали понижение прочности до 37,8 МПа. Ненаполненные композиты при всех изученных концентрациях хлорида магния показали более низкую прочность. Степень наполнения композитов ЦСП оказывает заметное влияние на прочность, так же, как и концентрация агрессивной среды [4–6].
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: цеолитсодержащие породы можно использовать в качестве наполнителя в цементное вяжущее для получения химически стойких железобетонных конструкций. Согласно полученным результатам в системе «цементный камень – хлорид магния» степень наполнения цементного камня при 10 и 20% наиболее эффективна в плане повышения прочности и коррозионной стойкости. Более низкой прочностью обладают композиты, выдержанные в системе «цементный камень – сульфат магния». Экспериментальные данные показали, что при повышении степени наполнения ЦСП до 30% и выше прочность цементных композитов понижается. Введение цеолитсодержащих наполнителей позволяет уменьшить корродируемость арматуры в железобетонных конструкциях, работающих в агрессивных средах.
Список литературы Анализ осадка при взаимодействии наполненного цементного камня с солями магния
- Барбакидзе Б. Ш. Долговечность строительных конструкций и сооружений из композиционных материалов. -М.: Стройиздат, 1993. -256 с.
- Куприяшкина Л. И., Гарынкина Е. Н., Куприяшкина Е. И. Влияние цеолитсодержащих пород на рН-показатель бетонов//Актуальные вопросы архитектуры и строительства. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. -С. 273-275.
- Баландина А. В., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Савинова О. Н., Седова А. А., Селяев В. П. Влияние концентрации солей магния на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой //Огарев-online. -2016. -№ 19. -Режим доступа: http://journal.mrsu.ru/arts/vliyanie-koncentracii-solej-magniya-na-prochnost-cementnogo-kamnya-napolnennogo-ceolitsoderzhashhej-porodoj. EDN: XCRBZV
- Куприяшкина Л. И., Седова А. А., Куприяшкина Е. И., Гарынкина Е. Н. Действие магнезиальных солей на наполненные цементные композиты//Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, д.т.н. профессора Соломатова В.И. -Саранск: Изд-во Мордов.ун-та, 2016. -С. 59-64. EDN: XYFRGJ
- Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К. Комплексное изучение процессов повреждения цементного камня растворами карбоновых кислот//Известия высших учебных заведений. Строительство. -2013. -№ 8. -С. 34-41. EDN: RUPEAX
- Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Куприяшкина Е. И. Изучение процессов повреждения цементного камня, наполненного цеолитосодержащей породой, растворами хлористоводородной кислоты//Известия высших учебных заведений. Строительство. -2014. -№ 7. -С.32-38. EDN: SZGIBV