Усиление строительных конструкций методом пропитки

С увеличением жилищного фонда возрастает и потребность в его ремонте, модернизации и реконструкции. Одной из первостепенных задач реконструкции является усиление её несущих элементов. Основными факторами, способствующими разрушению строительных конструкций, являются газы, загрязняющие атмосферу, перепады температур, вода и водные растворы кислот и солей, опасные органические жидкости (нефтепродукты, масла) [1; 2]. Усиление может осуществляться механическим, физическим и химическим способами. К механическим способам относятся: увеличение сечения конструкции, устройство дополнительных связей, заключение в металлические обоймы; к физическим методам усиления – воздействие электрическим током, воздействие электромагнитными полями, температурное воздействие; к химическим способам – пропитка материалов конструкций, введение добавок, иньектирование и т.д. [3; 4]. Часто необходимо комбинировать и совмещать способы усиления, чтобы решить поставленную задачу.

Усиление строительных конструкций является важным мероприятием для увеличения их несущей способности и эксплуатационной долговечности. Также оно может снизить экономические затраты за счет уменьшения расхода материалов или замены дорогих материалов на более дешевые. Целью работы является изучение свойств наполненных цементных композитов с использованием местных сырьевых ресурсов и дальнейшей их модификации для улучшения эксплуатационных характеристик.

Для того, чтобы выявит эффект взаимодействия пропитки солями натрия с наполнителем цементных композитов проведено исследование с применением математического метода планирования. Было выявлено влияние таких факторов как степень наполнения, крупность наполнителя и концентрация пропитки с учетом различных анионов в растворах солей на прочность цементного камня.

В работе в качестве наполнителя использовалась цеолитсодержащая порода. Степень наполнения составляла 10, 20 и 30%; крупность наполнителя 0,315; 0,63; 1,25 мм. В качестве пропитки были взяты растворы фторида, хлорида и сульфата натрия с концентрацией 0,1; 0,5; 1; 1,5 мг/мл.

Применялось следующие методы пропитки: первый метод - пропитка готовых наполненных цементных композитов, второй метод - пропитка цеолитсодержащей породы с последующим использованием ее в качестве наполнителя в композите [5].

Для исследования свойств композитов был проведен двухфакторный план эксперимента, анализ результатов которого показал, что степень и крупность наполнителя с учетом концентрации пропитывающего раствора оказывают большое влияние на свойства цементного камня (рис. 1, 2).

Прочность образцов при степени наполнения 10%, крупности наполнителя 0,315 мм, пропитанных раствором сульфата натрия с концентрацией 1 мг/мл, составляет 62,84 МПа. При этом максимальная прочность контрольных образцов - 34,42 МПа. При увеличении степени наполнения до 30% и крупности до 1,25 мм прочность снижается до 28,96 МПа, а при уменьшении концентрации раствора соли до 0,5 мг/мл прочность составляет 14,39 МПа.

Прочность образцов при степени наполнения 10%, крупности 0,315 мм, пропитанных раствором фторида натрия с концентрацией 1 мг/мл, составляет 50,56 МПа. При увеличении степени наполнения до 30% и крупности до 1,25 мм прочность снижается до 23,29 МПа, а при уменьшении концентрации раствора соли до 0,1 мг/мл прочность составляет 18,46 МПа.

Прочность образцов при степени наполнения 10%, крупности 0,315 мм, пропитанных раствором хлорида натрия с концентрацией 0,1 мг/мл, составляет 52,61 МПа. При увеличении степени наполнения до 20% и крупности до 0,63 мм прочность снижается до

15,41 МПа, при увеличении степени наполнения до 30%, крупности фракции до 1,25 мм и концентрации раствора соли до 1,5 мг/мл прочность составляет 13,03 МПа.

□ 15-20 ■ 20-25 □ 25-30 □ 30-35 □ 35-40 □ 40-45 ■ 45-50      □ 15-20 ■ 20-25 □ 25-30 □ 30-35 □ 35-40 □ 40-45 ■ 45-50

Рис.1. Влияние степени и крупности наполнителя на прочность цементных композитов: а) без пропитки; б) пропитанные раствором хлорида натрия, С=0,1 мг/мл.

Степень наполнения (X1)

□ 15-20 ■ 20-25 □ 25-30 □ 30-35 □ 35-40 □ 40-45 ■4

Степень наполнения (X1)

□ 25-30 ■ 30-35 □ 35-40 □ 40-45 □ 45-50 □ 50-55 ■ 55-60 □ 60-

Рис.2. Влияние степени и крупности наполнителя на прочность цементных композитов:

• а)    пропитанные раствором фторида натрия, С=0,1 мг/мл;

• б)    пропитанные раствором сульфата натрия, С=1 мг/мл.

Разработанные наполненные цементные композиты позволяют проектировать конструкции с требуемым комплексом характеристик, позволяя при этом экономить до 30% вяжущего – цемента. Также возможно уменьшение диаметра рабочей арматуры на 1 – 2

номинальных значения, класса бетона и поперечного сечения элемента с учетом расчета по первой и второй группе предельного состояния.

Анодные поляризационные кривые снимали с электрода сталь–85 в фильтрате, полученном после выдержки в течение 6 – 7 дней цементных композитов с содержанием ЦСП (10, 20, 30%) в качестве наполнителя в растворе NaF различной концентрации (от 0,1 до 1,5 мг/мл). На рис. 3 представлены анодные поляризационные кривые (АПК) стали–85 в фильтрате после выдерживания композитов в растворе NaF с концентрацией 0,1 мг/мл.

Рис. 3. Анодные поляризационные кривые стали–85 в фильтрате после выдерживания в растворе NaF с концентрацией 0,1 мг/мл цементных композитов, содержащих ЦСП в качестве наполнителя: 1 – 10%; 2 – 20%; 3 – 30%.

Из анализа АПК (рис. 3) следует, что при экспонировании арматурной стали в фильтрате, полученном после выдерживания цементного камня в водном растворе фторида натрия с содержанием ЦСП 20 и 30%, наблюдается аномальный участок анодной поляризационной кривой. Со смещением потенциала в положительном направлении происходит активация анодного процесса (φ>0,6 в ). Токи достигают значительных величин.

В целом, АПК показывают, что увеличение содержания ЦСП в композите улучшает электрохимические характеристики стали–85. Свидетельством является сдвиг потенциала свободной коррозии в положительную область. Наблюдается уменьшение токов растворения. Вероятно, ЦСП сорбирует фторид-ионы, с уменьшением концентрации которых в фильтрате ослабевает их агрессивное действие на сталь.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

• -    согласно полученным экспериментальным данным оптимальная степень наполнения цементных композитов составляет 10%, увеличение степени наполнения приводит к снижению прочности, однако значения этого показателя выше, чем у контрольных образцов;

• -    в подавляющем большинстве случаев образцы с крупностью наполнителя 0,315 мм показывают максимальное значение прочности;

• -    при пропитке цементных композитов растворами фторида и хлорида натрия при увеличении концентрации солей прочность образцов снижается; наоборот, при пропитке раствором сульфата натрия при увеличении концентрации анионов прочность растет;

• -    интенсивное изменение концентрации анионов со временем наблюдается при пропитке раствором фторида натрия при степени наполнения 20%, следом идут сульфат и хлорид натрия;

• -    увеличение концентрации раствора фторида натрия приводит к более активной коррозии стали; увеличение степени наполнения композита повышает коррозионную стойкость;

• -    растворение стали идет медленно, со значительными пассивационными участками, при увеличении степени наполнения композита цеолитсодержащими породами;

• -    химический способ усиления конструкций, где в качестве наполнителя использовался цеолит, пропитанный растворами фторида, хлорида и сульфата натрия (второй метод), является менее эффективным.