Определение степени термического поражения бетонов на основе цемента ОАО «Ангарскцемент» методом ИК-спектроскопии

Повсеместное применение бетона и железобетона в качестве строительных материалов обусловливает актуальность исследования цементного камня после пожара с целью установления очага возгорания и причины пожара.

Одним из эффективных методов определения степени термического поражения бетонных и железобетонных конструкций является ультразвуковая дефектоскопия, базирующаяся на изменении скорости прохождения звуковой волны в результате формирования трещин в массе материала при термическом воздействии. К сожалению, эксперт с соответствующим оборудованием в редких случаях участвует в осмотре места происшествия, связанного с пожаром, а работает в основном с представленными на исследование объектами. Процесс отбора образцов цементного камня не представляет особой сложности, в связи с чем одним из эффективных аналитических методов его исследования является инфракрасная (ИК) спектроскопия.

Целью работы явилось исследование цементного камня с различной степенью термического поражения методом ИК-спектроскопии.

Для исследования были подготовлены образцы бетонов на основе цемента марок М400 и М400 Д20 производства ОАО «Ангарскцемент». Цементный раствор заливался в формы и выдерживался в течение 25 суток. Затем каждый образец обжигался в муфельной печи при температурах от 200 до 800°С с интервалом 100°С в течение 15 минут.

ИК-спектры цементного камня, отобранного с поверхности образцов, снимали в KBr на ИК-Фурье спектрометре ФСМ 1201.

При визуальном осмотре образцов бетона на основе цементов марок М400 и М400Д20 (рис. 1, 2) было установлено, что при температуре около 600 °С наблюдается изменение цвета и формирование микротрещин, которые при увеличении температуры до 800 °С растут и приводят к разрушению образцов.

Рис. 1. Образцы бетона на основе цемента М400, обожженные при температурах 200–800°С

200 оС   300 оС   400 оС 500 оС   600 оС 700 оС  800 оС

Рис. 2. Образцы бетона на основе цемента М400 Д20, обожженные при температурах 200–800°С

Изменения связаны с процессами дегидратации цементного камня и изменением его структуры. Это также отражается на ИК-спектрах образцов.

Наиболее подробно особенности изменения функционального состава цементного камня на основе портландцементов при нагревании и методики их исследования после пожара изложены в работе Е.Д. Андреевой и И.Д. Чешко [1].

ИК-спектры, полученные при исследовании цементного камня на основе цементов марок М400 (рис. 3) и М400 Д20 (рис. 4) производства ОАО «Ангарскцемент», подобны представленным в работе [1] спектрам. Для них характерны полосы поглощения гидроксильных групп различной природы в области 3000–3750 см^-1, полосы иона (СО 3 ^-2) карбоната кальция в области 874 и 1430 см^-1, а также широкая полоса поглощения в интервале 900–1200 см^-1 кремнекислородных групп. Наличие активных минеральных добавок в цементе марки М400 Д20 не оказывает значительного влияния на характеристические полосы поглощения в ИК-спектрах.

Рис. 3. ИК-спектры бетона на основе цемента марки М400

Рис. 4. ИК-спектр бетона на основе цемента марки М400 Д20

При увеличении температуры наблюдается снижение интенсивностей полос поглощения 1640 и 3450 см-1, характерных для воды. При этом пик 1640 см-1 исчезает уже при температуре 300 °С.

В области 600 °С начинается разложение карбонатов, входящих в состав портландцемента, что сопровождается снижением интенсивности полосы поглощения 1430 см-1 и полным нивелированием полосы 874 см-1.

В отличие от результатов, представленных в работе [1], в ИК-спектрах цементного камня на основе цементов марок М400 и М400 Д20 производства ОАО «Ангарскцемент» присутствуют хорошо разрешимые полосы поглощения в области 3640 см-1, которые большинство авторов [2–4] относят к колебаниям связи (ОН). В то же время стоит согласиться с мнением авторов [5, 6], что данная связь характерна для портландита Са(ОН)2, являющегося одним из продуктов гидратации портландцемента.

При нагревании цементного камня наблюдается постепенное снижение интенсивности полосы поглощения 3640 см-1 до полного исчезновения при 600 °С. Дальнейший рост температуры сопровождается увеличением интенсивности данной полосы, при этом интенсивность широкого пика в области 3450 см-1 характерного для воды остается невысокой. Как было отмечено выше, при температуре около 600 °С разлагаются карбонаты. Возможно, образующийся оксид кальция, который придает образцам цементного камня белый цвет, при остывании взаимодействует с парами воды в воздухе и способствует росту интенсивности пика 3640 см-1, характерного для портландита.

Таким образом, можно выделить интервал до 600 °С, когда степень термического поражения конструкций, содержащих цементный камень, можно определять по изменению интенсивности пиков в области 1640, 3000– 3750 см-1 характерных групп (ОН) различной природы и интервал с температурой более 600 °С, когда степень термического поражения целесообразно устанавливать по снижению интенсивности пиков 874 и 1430 см-1 характерных для карбонатов. При этом дифференцировать конструкции, подвергнутые воздействию температур более 600 °С можно по пику 3640 см-1 высокой интенсивности, характерного для портландита на фоне низкой интенсивности либо отсутствия широкого пика в области 3450 см-1 характерного для (ОН) связей иной природы.