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
Еще
Статья научная