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 /л |
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 cж , 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.