Влияние электролитов на твердение бетонов с магнезиальным оксихлоридным цементом при отрицательных температурах

При изучении поведения замерзающего бетона, как правило, рассматриваются два момента. Это сопротивление бетона замерзанию и его морозостойкость. Под первым понимается способность еще не полностью затвердевшего материала переносить воздействия отрицательных температур как постоянных, так и переменных. Под вторым – способность насыщенного водой и набравшего проектную прочность такого же материала противостоять воздействию попеременного замораживания и оттаивания в течение ряда лет – без разрушений [1, 2].

Как известно, магнезиальный бетон содержит в своем составе электролиты, которые значительно могут изменять их свойства [3, 4]. В частности, из-за растворения солей в воде образуются сольваты, представляющие соединения частиц растворенного вещества (в нашем случае ионов магния) и молекул воды. Это существенно снижает температуру замерзания водного раствора, так как для превращения водного раствора электролита в лед затрачивается энергия на замедление движения молекул воды и на разрушение данных соединений [5–7]. Этим объясняется пониженная температура замерзания раствора с добавками при отрицательных температурах внешней окружающей среды.

Наибольше влияние на процесс замерзания водного раствора электролита оказывает его концентрация или плотность [8, 9].

Для определения влияния электролитов на процессы твердения растворов на магнезиальном вяжущем был проведен ряд экспериментов, в частности были определены параметры твердения материала в диапазоне температур от 20 до –10 °С [10–12]. Таким образом, возникла необходимость в дальнейшем исследовании характера твердения магнезиального бетона при отрицательных температурах. Экспериментальный диапазон температур был определен в пределах от –10 до –20 °С.

Технические характеристики вяжущего MgO соответствовали марке каустического магнезита ПМК-87 по ГОСТ 1216-87. В качестве затворителя применяли водный раствор хлористого магния (бишофит по ГОСТ Р 55067-2012). Заполнителем был песок (ГОСТ 8736-93) с истинной плотностью 2,69 г/см3.

Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам [13–15]. Были изготовлены образцы - кубы 100x100x100 мм, которые помещались в холодильную камеру при температурах –10, –15, –20 ºС и выдерживались при от- рицательных температурах первые 7 суток твердения. В дальнейшем до 28 суток образцы набирали прочность в камере нормального хранения.

При исследовании влияния отрицательных температур на процесс набора прочности магнезиальным бетоном были получены следующие результаты (рис. 1).

Как и предполагалось, скорость набора прочности магнезиального бетона в исследуемом диапазоне температур снижается по сравнению с образцами, которые выдерживали при положительных температурах, на 18…62 %.

Через 24 часа твердения в холодильной камере на процесс набора прочности влияет только цементно-песчаное отношение (количество вяжущего в составе смеси). Через 72 часа твердения заметно оказывает влияние на прочность темпера- тура выдерживания, особенно это видно на примере составов при плотностях бишофита 1,15…1,20 г/см3 с содержанием магнезиального вяжущего от 25 до 33 %.

При плотности затворителя 1,25 г/см3 при общем снижении темпов твердения прочность в большей степени зависит только от количества введенного вяжущего. Увеличение плотности за-творителя приводит к увеличению конечной прочности образцов (рис. 2, 3).

По результатам получена математическая зависимость прочности магнезиального бетона:

R7 =-74,969p2 + 213,03p-138,1, где R7 – прочность магнезиального бетона на через семь суток твердения при температурах от –10 до –20 ºС, МПа; ρ – плотность водного раствора хлористого магния, г/см3.

Рис. 1. Прочность на сжатие образцов магнезиального бетона в зависимости от процентного содержания вяжущего в материале и температуры выдерживания

Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие магнезиального бетона от плотности затворителя при различных температурах выдерживания

Рис. 3. Математическая зависимость прочности на сжатие магнезиального бетона от плотности затворителя при температурах выдерживания от –10 до –20 °С

Наибольшей конечной прочности достигли образцы, выдержанные при температуре –10 ºС, для состава с 50 % магнезиального вяжущего, затворенные раствором бишофита средней плотности (1,20 г/см3). Наименьшей прочности – затворенные раствором бишофита высокой плотности (1,25 г/см3) и в интервале температур от –10 до – 15 ºС для состава с 25–30 % магнезиального вяжущего.

Таким образом, повышение плотности затво-рителя, который является электролитом, приводит к ускорению процессов твердения магнезиального бетона при его выдерживании в условиях отрицательных температур только при достаточном содержании каустического магнезита, способного с ним прореагировать. Излишнее количество электролита в «тощих» составах приводит к уменьшению скорости твердения и конечной прочности материала, выдержанного в дальнейшем при положительных температурах. Это связано с миграцией влаги и несвязанного каустическим магнезитом затворителя внутри образцов и образованием линз, способствующих нарушению структуры твердеющего раствора и общему сбросу прочности.

В результате длительного времени твердения на начальном этапе в материале присутствует жидкая фаза затворителя, не прореагировавшего с вяжущим. При протекании процессов гидратации и схватывания магнезиального вяжущего выделяется значительная доля энергии в виде теплоты. В результате в образце образуется неравномерное температурное поле, характеризующееся более высокими температурами в центральных областях и более низкими на периферии.

Такой перепад температур способствует миграции жидкой фазы не вступившего в реакцию с вяжущим затворителя из центра образца в более охлажденные периферийные области. Эти же процессы наблюдали ранее и другие исследователи при изучении технологии зимнего бетонирования.

Такое неравномерное распределение затвори-теля в образце приводит к нехватке бишофита в центре и избытку его возле граней. Следствием этого в уже затвердевшем материале является наличие непрореагировавшего магнезиального вяжущего в центральной области образца и наличие прослоек кристаллов хлористого магния на гранях и прилегающих к ним зонах. Это приводит к нарушению структуры материала и является одной из главных причин сброса прочности.

Заключение

Получена математическая зависимость прочности магнезиального раствора от плотности применяемого водного раствора хлористого магния при расходе вяжущего от 50 до 25 % от массы заполнителя в исследуемом диапазоне температур выдерживания.

Проведенные исследования доказывают, что магнезиальный бетон, затворенный водным раствором хлористого магния плотностью 1,15…1,25 г/см3, набирает прочность при температурах выдерживания от –10 до –20 ºС, отрицательная температура выдерживания уменьшает скорость твердения снижается на 18…62 %.