Влияние качественного состава воды на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой

Автор: Баландина А.В., Куприяшкина Л.И., Осипов А.К., Седова А.А., Селяев В.П.

Журнал: Огарёв-online @ogarev-online

Статья в выпуске: 16 т.5, 2017 года.

Бесплатный доступ

Посредством статического контакта фаз изучено взаимодействие природной и сточной воды с цементным камнем. Проведен кинетический анализ системы «цементный камень - вода». Сделан вывод о коррозии цементного камня в зависимости от природы воды и степени наполнения цеолитсодержащей породой.

Агрессивная углекислота, окисляемость, прочность, цементный камень, цеолитсодержащая порода, электропроводность

Короткий адрес: https://sciup.org/147249396

IDR: 147249396

Текст научной статьи Влияние качественного состава воды на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой

В последние годы строительная индустрия развивается быстрыми темпами. Особенно бурно развивается производство различного вида бетонов, обладающих заданным набором эксплуатационных и физико-механических характеристик. При этом большое значение приобретают технологии производства бетонов, основанные на экономии ресурсов как материальных, так и энергетических. Перспективными являются исследования, связанные с разработкой бетонов, обеспечивающих снижение расхода цемента.

Главными компонентами при получении бетона являются цемент и вода. Не менее важную роль играют наполнители.

Широкое применение в качестве наполнителя в производстве строительных материалов находят цеолитсодержащие породы (ЦСП), которые наряду с экономией цемента на 20‒30% позволяют улучшить ряд свойств бетона: повысить коррозионную стойкость, морозостойкость и прочность [1;  2;  3]. В Мордовии имеются большие запасы цеолитсодержащих пород. Практически неограниченные запасы этих материалов, их дешевизна, высокие адсорбционные и ионообменные свойства, а также пористость делает экономически целесообразным их использование в строительной индустрии.

В задачу настоящей работы входило изучение влияния природной и сточной воды на прочность цементных композитов, наполненных ЦСП Атяшевского проявления на 0%, 10%, 20%, 30%.

Изучение влияния природных и сточных вод на цементный камень представляет большой интерес, т.к. вода – распространенный источник коррозии бетона [4; 5].

Прежде чем поместить цементные композиты в исследуемую воду, изучили химический состав природной и сточной воды.

Таблица 1

Результаты химического анализа природной и сточной воды (n = 3; t p,f = 4,3; p = 0,95)

Тип воды

-±£p^

Vn

pH

Жесткость воды, ммоль-экв/л

Окисля-емость, мгО 2

Электропроводность, мкСм/см

Агрессивная углекислота, мг/л

Общая

Карбонатная

Постоянная

Сточная вода, г. Саранск

7,04

9,77±0,143

8,90±0,248

0,87±0,287

387,43±1,93

1186±2,48

44,00±0,287

Ичалковский район, с. Селище

7,25

8,88±0,072

4,93±0,143

3,95±0,124

361,9±1,29

863,9±0,94

22,00±0,248

п. Николаевка, г. Саранск

6,92

12,63±0,287

8,17±0,143

4,47±0,379

40,1±1,63

1395±1,43

26,60±0,143

Таблица 2

Результаты химического анализа природной и сточной воды (n = 3; tp,f = 4,3; p = 0,95)

Тип воды

X ± p '^   , мг/л

Vn

Концентрация ионов

Na+

K+

Ca2+

Mg2+

F–

Cl-

SO42–

PO43–

Сточная вода, г. Саранск

184,251 ±0,012

11,652

±0,004

93,963 ±0,009

45,060

±0,007

7,518 ±0,007

369,10

7±1,35

6

285,72

3±0,76

7

5,786 ±0,003

Ичалковский район, с. Селище

31,957 ±0,024

1,725 ±0,008

146,30

3 ±0,015

12,205

±0,003

4,732 ±0,006

109,96

7±0,16

5

63,604

±0,017

0,779

±0,002

п. Николаевка, г. Саранск

49,876 ±0,013

0,591 ±0,001

177,18

3 ±0,351

32,844 ±0,025

4,970 ±0,003

130,18 1±0,20 5

116,74

1±0,10 8

< 0,5

Из данных таблиц 1–2 можно заключить, что анализируемые сточная и природные воды являются жесткими, сильноминерализованными, имеют высокую окисляемость. Наиболее высокое содержание агрессивной углекислоты установлено в сточной воде. Высокой электропроводностью обладает вода п. Николаевка и сточная вода. Это означает, что они являются наиболее минерализованными.

Анализ вод на содержание катионов и анионов показал, что наиболее высокое содержание ионов Са2+ найдено в воде п. Николаевка и с. Селище. Ионы Na+, К+ в большом количестве содержатся в сточной воде, а также ионы Mg2+, Fe3+, Cl, SO 4 2‒, PO 4 3‒-ионы. Фторид-ионы содержатся в большой концентрации в сточной воде. Вода с. Селище Ичалковского района и п. Николаевка (г. Саранск) является питьевой, но содержание F--ионов в ней превышает ПДК более чем в 3 раза.

Достаточно высокая концентрация фосфат-ионов определена в сточной воде. Содержание нитрат-ионов преобладает в воде п. Николаевка и с. Селище.

Все изученные воды могут проявлять агрессивность по отношению к бетону, вызывать коррозию, понижать прочность, морозостойкость и т.д.

В работе использовали цементные композиты, наполненные цеолитсодержащей породой на 0%, 10% 20%, 30 %. Подготовленные образцы помещали в емкость (по 5 образцов в каждую) и заливали 350 мл воды. Цементные композиты выдерживали в изучаемых типах вод 7, 21, 56 суток, следя за изменением концентрации катионов и анионов с помощью ионного анализатора PIA-1000.

По истечении времени (через 7, 14, 28 суток) композиты отделяли от раствора, просушивали на фильтровальной бумаге на воздухе. Прочность композитов испытывали на сжатие на разрывной машине Р-20 со шкалой 4 тонны. Фильтрат отделяли от выделившегося осадка и анализировали на содержание ионов магния и кальция методом ионной хроматографии. Содержание сульфат-ионов и оксида кремния (IV) выявляли спектрофотометрическим методом. Осадки, выделенные из фильтрата, сушили при температуре 100‒120 °С и определяли их элементный состав рентгенофлуоресцентным методом.

При контакте цементного камня с водой происходит резкое понижение концентрации ионов кальция в воде в первые 7 дней. Это связано с тем, что гидроксид кальция, образующийся из бетона за счет гидратации, и ионы кальция воды вступают в реакцию с анионами воды с образованием малорастворимых соединений: CaF 2 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , CaSO 4 .

Концентрация ионов магния также понижается во времени выдерживания цементного камня в воде. Ионы магния, даже при незначительном их содержании в воде, связывают гидроксид-ионы в труднорастворимое соединение Mg(OH)2, к тому же Mg2+ могут участвовать в образовании Mg3(PO4)2. Заметно, что концентрация ионов магния в растворе снижается в большей мере в сточной воде. В этой связи можно предположить, что происходит образование осадка Mg3(PO4)2.

Ионы магния могут вступать в обменные реакции с ионами кальция. Можно полагать, что выщелачивание гидроксида кальция из бетона под действием воды приводит к протеканию обменной реакции:

Ca(OH)2 + Mg2++ SO42‒ ↔ Mg(OH)2 + CaSO4;(1)

Ca(OH)2 + Mg2+ + 2Cl‒↔ Mg(OH)2 + Ca2+ + 2Cl‒;(2)

3CaO·SiO2 +3Mg2++ 3SO42‒+5H2O ↔ 3CaSO4+SiO2·2H2O + 3Mg(OH)2;(3)

3CaO·SiO2+3Mg2++6Cl‒+5H2O ↔ 3Ca2+ + 6Cl‒+SiO2·2H2O+3Mg(OH)2.(4)

Реакция Са(ОН) 2 с хлоридом магния протекает на поверхности цементного камня, на которой образуется пленка Mg(OH) 2 , предохраняющая бетон от дальнейшего разрушения.

При взаимодействии гидроксида кальция с сульфатом магния протекают процессы, при которых в порах и капиллярах бетона происходит накопление малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение напряжений в стенках пор и капилляров, приводящих к разрушению структуры бетона. Такими продуктами являются гипс и гидросульфоалюминат кальция (ГСАК).

При коррозии данного типа вначале образуется на поверхности бетона пленка, представляющая собой кристаллы гипса и ГСАК. Они создают высокое давление на стенки пор цементного камня и вызывают местные разрушения, образование трещин в бетоне.

Высокой прочностью отличаются цементы с добавлением ЦСП. При введении ЦСП в цементный камень, доля СаО в нем понижается, что делает невозможным образование и существование многоосновных гидроалюминатов, что препятствует образованию ГСАК, а значит, предотвращает разрушение бетона.

Показано, что концентрация ионов калия, натрия, хлорид-, нитрат-ионов в воде повышается. Известно также присутствие в воде солей (ионов), не вступающих в реакцию с элементами цементного камня, но повышающих ионную силу раствора, увеличивает выщелачивание СаО, т.е. способствует коррозии бетона. Поэтому присутствие ионов Na+, К+, Cl, NO 3 способствуют разрушению бетона.

В процессе выдерживания цементного камня в различных типах вод наблюдали помутнение раствора, и затем выпадение осадка на дне сосуда. Масса осадка увеличивалось с повышением времени контакта раствора с цементными камнями. По истечении 7, 21, 56 суток композиты отделяли от раствора. Осадок отфильтровывали, просушивали до постоянной массы в сушильном шкафу при 100‒150 оС и взвешивали.

Элементный состав осадков был определен рентгенофлуоресцентным методом.

Таблица 3

Результаты анализа осадка, полученного в процессе контакта цементного камня с водой в течение 7, 21, 56 суток по данным рентгенофлуоресцентного анализа

τ

Тип воды

ЦСП , %

Содержание оксидов, %

CaO

MgO

K 2 O

SiO 2

SrO

Fe 2 O 3

TiO 2

SO 3

P 2 O 5

7

6

И к!

S нн 05

И й

0

90,60

1,86

0,099

0,449

0,372

1,59

-

0,424

0,182

21

0

91,24

1,39

0,228

3,04

0,589

-

0,027

0,287

0,218

7

д о

« d Л

зД Д И о « О и R

д К

0

94,71

1,51

0,263

2,12

0,258

-

0,041

0,254

0,435

21

0

93,55

2,15

0,334

2,66

0,328

-

0,048

0,223

0,500

56

0

94,81

1,92

0,327

1,63

0,551

0,325

0,030

0,176

0,262

10

92,46

3,25

0,354

2,64

0,403

0,325

0,039

0,240

0,168

20

94,22

2,38

0,223

2,38

0,239

-

0,045

0,311

0,193

30

94,65

1,39

0,244

2,52

0,276

0,306

0,057

0,280

0,196

Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что осадки, выделенные из цементного камня, более чем на 90% состоят из оксида кальция. В меньшем количестве содержатся оксиды магния MgO, кремния SiO 2 , железа Fe 2 O 3 , стронция SrO, фосфора P 2 O 5 и др.

Гидролиз цементного камня обусловлен понижением концентрации кальция в бетоне. Это основная причина коррозии бетона. При потере бетоном кальция до 30%, происходит его частичное или полное разрушение.

Значения прочности цементных композитов после контакта с водой представлены в таблице 4. Результаты эксперимента показали, что прочность композитов зависит от степени наполнения их цеолитсодержащей породой, от типа воды, в которой выдерживали композиты, и от времени выдерживания.

Таблица 4

Прочность некоторых композитов на сжатие

Тип воды

τ, сут.

ЦСП, %

R , МПа

Сточная вода, г. Саранск

7

0

55,46

51,55

21

0

51,33

7

10

60,13

60,73

56

57,90

53,61

21

20

55,14

п. Николаевка, г. Саранск

21

0

52,90

7

10

52,90

20

51,68

Наиболее высокой прочностью обладают цементные композиты, наполненные ЦСП на 10% и выдержанные в сточной воде очистных сооружений г. Саранска в течение 7 суток. Несколько уступает по прочности композит, наполненный ЦСП на 20% и выдержанный в сточной воде в течение 21 суток.

Таким образом, в результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

– изучены химический состав и некоторые характеристики природной и сточной воды;

– показано, что исследованные виды воды отличаются по составу, основным химическим и физико-химическим характеристикам, и могут проявлять агрессивность по отношению к бетону, вызывая коррозию, понижение прочности и т. д.;

– кинетические кривые зависимости концентрации от времени свидетельствуют о понижении концентрации ионов кальция, магния, фосфат-ионов, сульфат-ионов, что, вероятно, связано с образованием малорастворимых солей фосфатов, сульфатов, кальция и магния;

  • –    присутствие в воде ионов Na+, К+, Cl, NO 3 , не вступающих в реакцию с элементами цементного камня, но повышающих ионную силу раствора, увеличивает выщелачивание СаО, т.е. способствует коррозии бетона;

  • –    за время выдержки цементного камня в воде наблюдали помутнение раствора и выпадение осадка, масса которого больше в фильтрате из цементного камня без наполнения ЦСП;

  • –    по результатам эксперимента сделан вывод о том, что ЦСП со степенью наполнения 10% и 20% способствует повышению прочности цементного камня;

  • –    результаты анализа осадка показали, что он состоит на 90‒94% из СаО. Меньше содержится SiO 2 , MgO. Гидролиз бетона обусловлен вымыванием из него ионов кальция. При потере бетоном до 30% СаО наступает его разрушение;

  • –    наибольшую прочность показал цементный камень, выдержанный в сточной воде (первые 7-е, 21-е сутки). Вероятно, что Ca 3 (PO 4 ) 2 и гель кремниевой кислоты почти полностью остаются в порах бетона, вызывая их закупоривание (кольматацию), что приводит к торможению коррозии бетона.

Список литературы Влияние качественного состава воды на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой

  • Панина А. А., Лыгина Т. З. Портландцемент с модифицированной цеолитсодержащей добавкой // Известия Казанского гос. арх.-стр. ун-та. - 2012. - № 4. - С. 326-331. EDN: PMEAWV
  • Селяев В. П., Осипов А. К. и др. Оптимизация составов цементных композиций, заполненных цеолитами // Известия вузов. Строительство. - 1999. - № 4. - С. 36-39. EDN: SXEFAT
  • Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение / под ред. А. В. Якимова, А. Н. Бурова. - Казань: ФЭН, 2001. - 172 с.
  • Королева Е. Л., Матвеева Е. Г., Науменко О. В., Нырикова Т. Н. Исследование коррозионной стойкости модифицированного бетона в среде сточных вод // Вестник МГСУ. - 2013. - № 2. - С. 101-107. EDN: PXOJHB
  • Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984. - 448 с.
Статья научная