Модифицированный бетон для подземных сооружений прибрежной зоны с высоким содержанием сульфатов

В первой главе диссертационной работы проанализированы труды российских и зарубежных авторов в области применения минеральных добавок с целью улучшения структуры бетона, в том числе в Социалистической Республике Вьетнам (СРВ). Рассмотрены научные основы создания коррозионностойкого бетона на основе сырьевых компонентов местного происхождения, в том числе с использованием техногенных отходов, и проведен анализ предпосылок и перспектив использования коррозионностойкого бетона для возведения железобетонных конструкций в прибрежных морских водах южного региона Вьетнама.
Во второй главе приведены сведения о методах исследований, примененных в экспериментальной части диссертационной работы, подготовке образцов для испытаний, а также о материалах, использованных при проведении исследований:
минеральное вяжущее – сульфатостойкий портландцемент PCsr40 производство «Luks Cement Limited» (Вьетнам), TCVN 6067:2018 и ГОСТ 22266-2013;
крупный заполнитель – гранитный щебень из карьера Га Лой (Вьетнам), (Вьетнам) смешанной фракции 5-20 мм, плотностью 2680 кг/м3 и средней прочностью 105,6 МПа (TCVN 7570:2006 и ГОСТ 8267.0-97);
мелкий заполнитель – природный кварцевый песок (ПР – песок речной) реки Хуонг (Вьетнам), модуль крупности Мк=3,0, плотность 2670 кг/м3 (TCVN 7570:2006) и белый кварцевый песок, модуль крупности Мк=2,5, плотность 2240 кг/м3 (TCVN 10796:2015 и ГОСТ 8736-2014);
минеральные добавки: ультрадисперсный микрокремнезем (МК) производства фирмы Sikacrete® PP1 – Sika Limited (Вьетнам), размер частиц < 0,1 мкм, плотность 2150 кг/м3 (TCVN 8827:2011 и ГОСТ Р 56592-2015); зола-унос (ЗУ) тепловых электростанций (ТЭС) «Фа Лай» (Вьетнам) (TCVN 10302:2014 и ГОСТ 25818-2017); тонкомолотый кварцевый порошок (Кп) средний размер частиц от 5 до 95 мкм; нанодисперсный кремнезём SiO2; химическая добавка – поликарбоксилатный суперпластификатор (СП) - Sika®Viscocrete®-151 плотностью 1,075...1,095 кг/л и значением pH 4,0-6,0 (TCVN 8826:2011 и ГОСТ 24211-2008); питьевая вода по TCVN 4506:2012 и ГОСТ 23732-2011. В работе применялось стандартное оборудование НИУ МГСУ и Технологического университета Дананга (Вьетнам), Лаборатория строительных материалов с кодом LAS-XD14 и LAS-XD05, Вьетнам и стандартные методики определения свойств. В третьей главе была разработана математическая модель процесса массопереноса при жидкостной коррозии бетона с учетом влияния грунта прибрежной зоны. Система «цементный бетон-грунт-жидкость» представлена двумя находящимися в контакте неограниченными пластинами, каждая из которых характеризуется своими размерами (бетонная опорная стена толщиной ! с правой стороны контактирует со слоем грунта толщиной ") и свойствами (рисунок 1). Математическая модель массопереноса в неограниченной двухслойной пластине представлена в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных с комбинированными граничными условиями второго рода на внешних границах системы Рисунок 1 - Иллюстрация модели заглубленной бетонной конструкции прибрежной зоны: (1) – бетон; (2) - грунт; (3) – водная акватория и четвертого рода на границе бетона с грунтом. Общее решение задачи массопроводности, описывающее динамику изменения полей концентраций, имеет вид: 1 ∗ (1−#̅)' !!(#̅,&'")=1+,-- .1−,-$+-0%1&'"+ 2 +3(-#,,,-$)45 #) $ + 2 6 1 .7" sin7"=cos(7"#̅)cos@7"A-#-$B − A-#-$ sin(7"#̅)sin@7"A-#-$BC " * ! 7 "' 8 ! ∕ ( 7 " ) − , cos@7"(1+#̅)B5exp(−7"' &'") A-# 1 ∗ ∗ 1+-##̅! !!(#̅,&'")=1+,-#-$.1−,-$ +-0%[#̅−&'"-#-$]+,-0%34(-#,,,-$)− 2 + sin<=">-#∙-$@
−28 =”(>-#A)*(=”) .=”sin=”cosE=”>-#(-$−#̅)F
“,)
− =” sin<=">-#-$@G,cos=” cos<=">-##̅@ + 1 sin=” sin(=”>-# #̅H >-# >-#
+-0%∗ G,cos=”cos<=">-##̅@+ 1 sin=”sin(=”>-##̅H7exp(−=”! -#&'”) >-#
где: # – корни характеристического уравнения:
tgμm =N Kktg(μm KkKd).
k , d
J =òZ1,0(x)сos[μm(1-x)]dx
Для решения системы применялся метод интегральных преобразований Лапласа. Для упрощения решений были введены безразмерные переменные и критерии подобия:
j(K N,K )=1+K K (3K +3N+NK K2).
kddkd 6 (1 + N K k K d )
kt + ($,,)−+
x=x,Fom=1 ,”!($̅,'(“)=! !,$, !!(#̅,&'”)=
*!(#,+)−*!,$
d 1 d 12 + ! , $
K =d2,K =k2.
* , ! , $
ddkk 11
где: С!( , ) − концентрация свободного гидроксида кальция в перерасчете на СаО в бетоне в момент времени τ в произвольной точке с координатой x, (кг СаО/кг бетона); С”( , ) – концентрация свободного гидроксида кальция в перерасчете на СаО в слое грунта в момент времени τ в произвольной точке с координатой x, (кг СаО/кг грунта); !,”- коэффициенты массопроводности, м2/с; !- толщина бетонной конструкции, м; “- толщина слоя грунта, м.
Рисунок 2 иллюстрирует зависимость безразмерных концентраций от массообменного критерия Кирпичева. При увеличении массообменного критерия Кирпичева появляются большие градиенты концентраций.
Рисунок 2 – Профили бeзразмeрных концeнтраций по толщинe бетона и грунта: а), б) при Kk=9; Kδ=1; N=1; Fom=1; Ki= 1 – 0,5; 2 – 1; 3 – 2;
в), г) при Kk=9; Kδ=2; N=1; Fom=1; Ki= 1 – 0,5; 2 – 1; 3 – 2
Успешное проектирование состава бетона с высокими антикоррозионными свойствами возможно при совместном применении полученных решений с результатами исследований механизмов снижения качества бетона в результате воздействия на него агрессивной среды. С этой целью было исследовано влияние комплекса минеральных добавок и тонкомолотого кварцевого порошка на прочностные свойства и коррозионную стойкость бетона, которую оценивали по диффузии гидроксида кальция. Проанализированы итоги модификации структуры разработанных бетонов и дано объяснение полученным результатам.
На начальном этапе было изучение влияния золы-уноса Фа Лай с содержанием потерь при прокаливании (п.п.п.) Фа Лай-1 с п.п.п. 5,74 % (ЗУ1) и Фа Лай-2 с п.п.п. 0,95% (ЗУ2) на прочность бетона.
Результаты испытаний бетона на прочность, приведенные на рисунках 3 и 4, показывают, что у образцов бетона с золой-уноса Фа Лай-2 наблюдается более высокий темп роста прочности по сравнению с образцами с золой-уноса Фа Лай-1.
Рисунок 3 – Изменение прочности бетона на сжатие
Рисунок 4 – Прочность бетона на осевое растяжение и на растяжение при изгибе в возрасте 28 сут.
Следующим этапом было исследовано влияние на свойства бетона комплекса минеральных добавок, состоящего из МК и ЗУ. Исследовались составы с содержанием МК 0% (в контрольная смесь); 5; 7,5; 10 и 12,5%, ЗУ – 0% (контрольная смесь), 20, 30 и 40% от массы вяжущего, Кп – 0 и 20% от массы мелкого заполнителя. Составы бетонных смесей представлены в таблице 2.

11 Таблица 2 – Составы и подвижность бетонных смесей
Вяжущие материалы, кг/м3
Заполнитель бетона, кг/м3
Кварцевая мука
Суперплас тифициру ющая добавка
Микрокрем незём
кг % кг
Зола- уноса
Цемент
Крупный заполнитель
% кг кг Щ/(П кг % 5 10 л % л. – мм +МК) мкм мкм
1 550 0 0 0 0 1088 1,75 621,7 0 0 0 156 1,8 9,9 2 550 0 0 0 0 1088 1,75 497,4 20 62,2 62,2 156 1,8 9,9
0,3 105 0,3 186 0,3 245 0,3 223 0,3 260 0,3 265 0,3 260 0,3 263 0,3 265 0,3 245 0,3 265 0,3 270 0,3 240 0,3 230 0,3 265
3 412,5 5,0 27,5 4 412,5 5,0 27,5 5 357,5 5,0 27,5 6 302,5 5,0 27,5 7 398,8 7,5 41,3 8 343,8 7,5 41,3 9 288,8 7,5 41,3
10 385 10 55 11 330 10 55 12 275 10 55 13 371,3 12,5 68,8 14 316,3 12,5 68,8 15 261,3 12,5 68,8
20 110 1088 1,75 621,7 0 0 0 156 1,8 9,9
20 110 1088 1,75 497,4 20 62,2 30 165 1088 1,75 497,4 20 62,2 40 220 1088 1,75 497,4 20 62,2 20 110 1088 1,75 497,4 20 62,2 30 165 1088 1,75 497,4 20 62,2 40 220 1088 1,75 497,4 20 62,2 20 110 1088 1,75 497,4 20 62,2 30 165 1088 1,75 497,4 20 62,2 40 220 1088 1,75 497,4 20 62,2 20 110 1088 1,75 497,4 20 62,2 30 165 1088 1,75 497,4 20 62,2 40 220 1088 1,75 497,4 20 62,2
62,2 152 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9 62,2 156 1,8 9,9
Рисунок 5 – Изменение прочности бетонов на сжатие в зависимости от состава и возраста твердения
Смесь No
Мелкий заполнит ель
Вода
В/Вяж
Расплыв конуса
Рисунок 6 – Прочность бетона при осевом растяжение и на растяжение при изгибе на 28 сут.
Результаты испытаний модифицированных бетонов (рисунки 5 и 6) показывают, что прочностные показатели модифицированных бетонов возрастают по мере их твердения. Прочность бетонов при сжатии в возрасте 28 суток находится в интервале 65,3–91,2 МПа, в возрасте 56 сут. – в интервале 67,9–109,8 МПа.
Таблица 3 – Результаты испытаний на водонепроницаемость бетона на 28-е сут.
СмесьNo Коэффициент фильтрации ! ∗ 10″#$, м/с Марка по водонепроницаемости
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 3,60 2,18 4,96 1,21 1,33 2,60 1,13 1,21 1,98 1,10 1,03 1,09 1,01 1,08 1,63
W16 – W20
Как и ожидалось, из-за введения в бетонные смеси активных минеральных добавок (микрокремнезема и золы-уноса) значения коэффициента фильтрации уменьшились, т.е. бетон стал более водонепроницаемым из-за улучшения его микроструктуры, вызванного увеличением количества фазы «C-S-H-гель». В целом, модифицированные бетоны показали марку по водонепроницаемости не менее W16. Из полученных результатов видно, что добавление тонкомолотого кварцевого порошка увеличивает водонепроницаемость бетонов, содержащих микрокремнезём и золу-уноса (таблица 3).
Анализ проведенных ранее исследований показал, что при введении в бетонную смесь минеральных добавок свыше 35% наблюдается усиление воздействия на него коррозионной среды. Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальными являются бетонные смеси No5 (5% МК + 30% ЗУ), No 7(7,5% МК + 20% ЗУ), No 10(10% МК + 20% ЗУ), No 13(12,5% МК + 20% ЗУ).
Для исследования влияния тонкомолотого кварцевого порошка на свойства бетонов были взяты шесть составов бетонных смесей (таблица 4).
Таблица 4 – Составы и подвижность бетонных смесей
Вяжущие материалы, кг/м3
Заполнитель бетона, кг/м3
Тонкомолотый кварцевый песок
Суперпла стифицир ующая добавка
Микро- кремнезё м
Зола- унос
кг % кг % кг кг
кг 5 10 20 45 63 95 л % л – мкм мкм мкм мкм мкм мкм
1 550 – 1а550- 2 550 – 2а 550 – 5 357,5 5 5а 357,5 5
– – – — – – – – – –
27,5 30 165 27,5 30 165
110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1088 1,75 621,7 1088 1,55 701,9 1088 1,75 497,4 1088 1,55 596,6 1088 1,75 497,4 1088 1,55 596,6
– – – – – –
156 1,8 9,9 0,3 156 1,8 9,9 0,3 156 1,8 9,9 0,3 156 1,8 9,9 0,3 156 1,8 9,9 0,3 156 1,8 9,9 0,3
— 62,2 62,2 42,1 28,1 62,2 62,2 42,1 28,1
—-
– – – – 14,0 7,02 7,02 7,02 —- 14,0 7,02 7,02 7,02
3 сут
7 сут 14 сут 28 сут 365 сут
1 1а — 2 2а — 5 5а
Смеси с различными соотношениями кварцевая мука и мелкие заполнители
Рисунок 7 – Влияние количества кварцевой муки на прочность бетона на сжатие
Рисунок 8 – Прочности бетонов на осевое растяжение и на растяжение при изгибе в возрасте 28 суток
Прочность на сжатие, МПа
67.6
83.6 85.4
71.1
Щебень Щ/(П+Кп)
67.9
71.9 78.3
72.6
82.6
Песок
70.2 78.8 83.3
67.3 72.9
68.2 73.3 84.5
84 86.1
89.291.1
87.5 90.5
80.2 85.2
89.1 93
Обозначение смеси Цемент
Вода
В/Вяж
На основании полученных экспериментальных результатов, представленных на рисунках 7 и 8, можно сделать следующие выводы:
– замена части речного песка на тонкомолотый кварцевый порошок в количестве 15 и 20% приводит к увеличению прочности бетонов на сжатие, соответственно на 9,2 и 9 %, на растяжение при изгибе на 16,2 и 9,2% и на осевое растяжение на 16 и 16,3 %;
– изменение соотношения Щ/(П+Кп) с 1,75 до 1,55 приводит к незначительному увеличению прочностных показателей исследованных бетонов;
– у бетонов составов No 5 и 5а, содержащих комплекс минеральных добавок и тонкомолотый кварцевый порошок по сравнению с бетонами составов No1 и 1а, не содержащих указанный комплекс, наблюдается увеличение прочности на сжатие на 14 – 17%, а также на растяжение при изгибе и на осевое растяжение на 16-23%.
Таким образом, можно сделать вывод, что тонкомолотый кварцевый порошок способствует уплотнению структуры исследованных бетонов, выступая в качестве наполнителя и заполняя пустоты между зернами мелкого заполнителя.
В ходе проведения экспериментальных исследований осуществлялся поиск решений по повышению коррозионной стойкости бетонных конструкций, работающих в агрессивных средах. Коррозионная стойкость бетонов оценивалась по изменению прочности на сжатие и потере массы бетонных образцов, погруженных в три среды в течение 540 суток: питьевая вода водоснабжения, являлась контрольной средой; морская вода провинции Тхуа Тхьен Хюэ в Южном Вьетнаме; солевая среда, характерная для почвы в районе дельты реки Меконг (Южный Вьетнам).
Результаты испытаний образцов бетонов разработанных составов, помещённых в течение 18 месяцев (540 сут.) в пресною воду, морскую и солевую среду, на потери массы и прочность на сжатие представлены в таблице 5 и на рисунке 9.
Таблица 5 – Потери прочности и массы образцов, погруженных в агрессивные среды
СмесьNo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Морская водная среда
Снижение 0,4 0,8 2,3 0,8 0,8 2,8 1,2 0,4 1,0 0,5 1,1 1,4 0,5 0,9 1,0 прочности, %
Солевая среда
Снижение 8,1 1,3 9,4 1,6 2,4 4,7 1,9 0,5 1,9 1,7 1,3 4,1 0,6 2,4 2,3 прочности, %
Снижение массы, %
2,1 0,1 2,1 0,2 0,2 0,3 0,1 0,1 0,3 0,3 0,3 0,5 0,4 0,2 0,5
У образцов, выдержанных в морской воде в течение 540 суток, наблюдается снижение прочности на сжатие от 0,13 до 2,78%, по сравнению с образцами, выдержанными в пресной воде, а у образцов, подвергавшихся воздействию солевой среды в течение того же времени, наблюдалось снижение указанной прочности от 0,54 до 9,36% и потери их массы колебались от 0,11 до 2,1%. Бетон, произведенный из местных вьетнамских материалов, показал высокие прочностные свойства и коррозионную стойкость, что обусловлено физико-химическими свойствами применяемых минеральных добавок и наполнителя.
Рисунок 9 – Прочность на сжатие бетонов после выдержки образцов в различных агрессивных средах в течение 540 суток
В четвертой главе исследована возможность получения наночастиц SiO2 из местных для Вьетнама материалов и влияние их на физико-механические свойства и коррозионную стойкость бетона и стальной арматуры в бетоне.
Сферические наночастицы кремнезема были синтезированы путем разложения кварцевого песка в расплаве кристаллического гидроксида натрия под действием ультразвуковых волн при 550°C. Доказано, что предлагаемый способ прост, производителен и позволяет использовать местные сырьевые материалы.
Установлено, что коэффициент выхода нанокремнезема повышается с увеличением гидроксида натрия и кварцевого песка (1:1, 1,5:1 и 2:1) и оптимальным является соотношение между гидроксидом натрия и кремнеземом, равное 1,5:1
Рисунок 10 – Влияние массового соотношения гидроксида натрия и кварцевого песка на выход наночастиц кремнезема
(рисунок 10).
Синтезированные наночастицы кремнезема имеют сферическую форму со средним размером 10-50 нм. Размеры наночастиц кремнезема незначительно зависят от температуры прокаливания, но более крупные частицы получаются при более высоких температурах (>500°C). При этом, наилучшие результаты были получены при 350 и 550°С
(рисунки 11 и 12).
Рисунок 11 – Изображения образцов нанокремнезема после прокаливания при различных температурах в течение 2 часов, полученные методом сканирующей электронной микроскопии
Рисунок 12 – Микрофотографии сферических наночастиц кремнезема после их прокаливания при 500°С в течение 2 часов, полученные трансмиссионной электронной микроскопией
С целью определения прочностных свойства бетонов, модифицированных минеральными добавками (для частичной замены цемента) в сочетании с наночастицами SiO2 в смесях, содержащих тонкомолотый кварцевый порошок, действующий как мелкодисперсный наполнитель, и их стойкости к проникновению хлорид-ионов и сульфатной коррозии были подобраны исследованы составы, приведенные в таблице 6.
Таблица 6 – Составы бетонных смесей Вяжущие материалы, кг/м3
Заполнители и наполнитель, кг/м3 Щебень ПР Кварцевая мука
(В+СП) /Вяж
– 155- 1,8 9,9 0,3 155 1,8 9,9 0,3 155 1,8 9,9 0,3 155 1,8 9,9 0,3 155 1,8 9,9 0,3 155 1,8 9,9 0,3
Вода СП
кг кг % кг кг Щ/(П кг 5 10 20 45 63 95 л % л –
МК ЗУ Нано SiO2
Цемент
кг
550 – – – –
1аC1 2аC2 5aS0 5aS1 5aS2 5aS3
+Кп)
– – -1088- 1,55 701,9
мкм мкм мкм мкм мкм мкм —-
412,5 27,5 412,5 27,5 412.5 27,5 357,5 27,5
165 –
165 1 5,5 165 2 11,0 165 3 16,5
1088 1,55 592,3 1088 1,55 592,3 1088 1,55 592,3 1088 1,55 592,3 1088 1,55 592,3
42,1 28,1 14,0 7,02 7,02 7,02 42,1 28,1 14,0 7,02 7,02 7,02 42,1 28,1 14,0 7,02 7,02 7,02 42,1 28,1 14,0 7,02 7,02 7,02 42,1 28,1 14,0 7,02 7,02 7,02
Влияние нано-SiO2 на механические
объяснить его влиянием на микроструктуру бетона. (рисунок 14). Установлено, что добавление наночастиц SiO2 влияет на процесс гидратации цементной матрицы, наночастицы SiO2 не только заполняют пустоты между более крупными частицами, но и в результате пуццолановой реакции генерируют гель C-S-H для заполнения пор цементной матрицы. Поэтому введение наночастиц SiO2 приводит к увеличению прочности бетона.
свойства бетона (рисунок 13) можно
Смесь No
Рисунок 13 – Изменение прочности бетонов на сжатие в зависимости от возраста твердения
Рисунок 14 – СЭМ-изображения бетонных смесей: а) 0% (5aS0), b) 1% (5aS1), c) 2% (5aS2) (с ITZ) и d) 3% (5aS3) нано-SiO2
В почвенных, подземных, речных и морских водах находятся вещества, вызывающие коррозию бетонов, такие как сульфаты, хлориды и др.
Проникновение хлорид-ионов в бетон считается одной из наиболее опасных причин коррозии железобетонных конструкций, влияющих на их долговечность, поскольку хлорид-ионы играют основную роль в инициировании коррозии арматурной стали. Проницаемость хлорид-ионов определялась по средней величине электрического заряда, прошедшего через бетонные образцы (рисунок 15).
Частичная замена цемента нанокремнеземом на 1%, 2% и 3% повысила стойкость структур модифицированных бетонов составов 5aS1, 5aS2 и 5aS3 к проникновению хлоридов на соответственно 75%, 75,4% и 73,2% по сравнению с контрольным бетоном состава 5aS0, на основании чего можно сделать вывод, что введение в бетоны небольших количеств нанокремнезема будет способствовать повышению долговечности бетонных и железобетонных конструкций на их основе, эксплуатируемых в условиях воздействия на них агрессивных сред.
Сульфаты также считаются одними из наиболее агрессивных ионов, наносящих большой ущерб бетонным конструкциям. Образование сульфатных продуктов, таких как гипс и эттрингит, может быть экспансивным, что приводит к расширению, растрескиванию и разрушению цементирующих композитов.
Сульфатостойкость исследованных бетонов оценивали по относительным деформациям цементно-песчаных образцов после 6-ти и 12-ти месяцев экспозиции в 5%- ном водном растворе сульфата натрия (рисунок 16).
Результаты экспериментов показывают, что замена части цемента комплексом минеральных полидисперсных добавок, содержащем МК, ЗУ, нанодисперсный кремнезем и тонкомолотый кварцевый порошок (составы бетонов 5аS1, 5аS2 и 5аS3), приводит к снижению относительной деформации образцов после 6-ти и 12-месячных испытаний в жидкой сульфатной среде примерно в 1,4-1,9 раза по сравнению с образцами из бетона состава 1а на одном сульфатостойком портландцементе. Также установлено, что образцы бетона состава 5аS2 имеют наименьшую относительную деформацию в сульфатной среде.
Рисунок 15 – Результаты испытаний проницаемости структуры бетонов для хлорид-ионов
Рисунок 16 – Относительная деформация цементно-песчаных образцов после 6-ти и 12- ти месячной экспозиции в 5%-ном водном растворе сульфата натрия
Введение в состав бетона комплекса минеральных добавок, обладающих пуццолановой активностью, может привести к понижению щелочной среды бетона, что в свою очередь может привести к возникновению условий для коррозии стальной арматуры.
Рисунок 17 – Влияние наночастиц кремнезема и добавления суперпластификатора на величину плотности тока коррозии
Рисунок 18 – Взаимосвязь между количеством нанокремнезема и степенью коррозии стальной арматуры
В рамках диссертационной работы было исследовано влияние наночастиц кремнезема на коррозионную стойкость стали в бетонных конструкциях электрохимическим методом ускоренной коррозии стальной арматуры в бетонных конструкциях (рисунки 17 и 18).
Плотность тока коррозии уменьшалась по мере увеличения количества нанокремнезема. Полученные результаты объясняются повышением плотности бетонов за счёт модификации их структур комплексом минеральных добавок, что способствует не только росту их прочности, но и усилению сопротивляемости коррозионному
растрескиванию, что в свою очередь способствует повышению уровня защищённости стальной арматуры от коррозии.
В пятой главе были проведены исследования влияния замены речного песка белым кварцевым песком на прочностные свойства, водопоглощающую способность, сульфатостойкость и плотность структуры к проникновению хлорид-ионов и коррозии арматурной стали в бетонных образцах. В качестве контрольного состава использовалась бетонная смесь No 5аS0 с речным кварцевым песком; смеси Б40, Б60, Б80 и Б100 – с содержанием белого кварцевого песка в количестве 40, 60, 80 и 100%; БS1.0 и БS1.5 – смеси с содержанием 100% белого кварцевого песка, а также, соответственно 1 и 1,5% нано-SiO2. Результаты испытаний влияния белого кварцевого песка на прочность бетона представлена на рисунках 19 и 20.
Рисунок 19 – Изменение прочности бетонов на сжатие в зависимости от возраста их твердения
Рисунок 20 – Прочность бетона на осевое растяжение, растяжение при раскалывании, и растяжение при изгибе в возрасте 28 суток
Полученные экспериментальные результаты показали, что при использовании белого кварцевого песка в качестве мелкого заполнителя вместо речного песка с увеличением количества белого кварцевого песка в бетонной смеси наблюдается рост прочности бетонов на сжатие в раннем возрасте, а именно на третьи и на седьмые сутки на 9–15% и на 11-18% соответственно, который постепенно замедляется в более позднем возрасте (рисунок 19). Рост прочности бетонов на осевое растяжение и на растяжение при изгибе с увеличением содержании белого песка аналогичен росту прочности на сжатие (рисунок 20).
Установлено, что водопоглощение бетонов уменьшается с увеличением доли белого песка в бетонных смесях. Снижение водопоглощения может быть связано с модулем крупности белого песка (Mk = 2,5), который меньше, чем речного песка (Mk = 3,0), что уменьшает пористость бетона, тем самым увеличивая его плотность и прочность, что приводит к уменьшению водопоглощения бетона.
Определение глубины
проникновения хлорид-ионов
показало, что использование
белого кварцевого песка в
качестве заполнителя приводит
уменьшению проницаемости
структуры бетона для хлорид-
ионов на 293% (состав Б100 по
сравнению с контрольным
составом 5aS0). Введение нано-
SiO2 для частичной замены
цемента в бетонной смеси,
содержащей 100% белого
кварцевого песка, приводит к
уменьшению проницаемости
структуры бетонов для хлорид-
ионов на 2,8%. Добавление нано-SiO2 в количестве 1% масс. снижает проницаемость бетонов для хлорид-ионов, содержащих как белый кварцевой песок, так и речной (составы No БS1,0 и 5aS1) на 2,8% и 300% соответственно. Составы, содержащие белый кварцевый песок (No БS1,0 и БS1,5), показали значительно более низкий уровень проникновение хлорид-ионов по сравнению с составом No 5aS1 на речном песке (рисунок 21).
При добавлении наночастиц кремнезема в сочетании с белым песком в качестве мелкого заполнителя в образце состава No БS1,0 процесс коррозии стальной арматуры в образцах-балках протекает медленнее и без локальных разрушений в отличие от образца бетона No 5aS1на речном песке (рисунок 22).
Рисунок 22 – Влияние вида кварцевого песка на плотность коррозионного тока в бетонных образцах-балках
Результаты исследований подтверждают, что при выборе оптимального состава бетона природный белый кварцевый песок может быть использован в качестве мелкого заполнителя вместо речного кварцевого песка для строительства подземных бетонных сооружений, подверженных коррозионному воздействию агрессивных жидких сред, содержащих хлориды и сульфаты.
Рисунок 21 – Результаты испытаний на быстрое проникновение хлорид-ионов в бетон с белым песком

В шестой главе приведены результаты экологических расчетов и дано технико- экономическое обоснование применения модифицированного бетона для строительства подземных сооружений во Вьетнаме.
Введение в бетонную смесь 5% мас. микрокремнезема и 30% масс. золы-уноса взамен части сульфатостойкого портландцемент снижает выбросы CO2 в окружающую среду при изготовлении 1 м3 бетонной смеси на 20 %.
Экономический анализ разработанных модифицированных бетонных смесей был произведен исходя из соотношения стоимости бетонной смеси и значений прочности модифицированного бетона. Меньшее соотношение цена/прочность показала бетонная смесь, содержащая комплекс минеральных добавок (МК в количестве 5%+ЗУ в количестве 30%), тонкомолотый кварцевый песок в количестве 15% и в качестве мелкого заполнителя белый кварцевый песок (100%).
На основе исследования свойств модифицированного бетона была разработана технологическая схема изготовления модифицированного бетона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основе изучения результатов исследований российских и зарубежных учёных установлены основные факторы, влияющие на прочностные и структурно- механические характеристики железобетона и коррозионную стойкость сооружений, находящихся в зоне прибрежных морских акваторий Вьетнама, морская среда которых имеет повышенное содержание агрессивных сульфат- и хлорид- ионов. Установлено, что основными факторами, определяющими стойкость к коррозии железобетонных конструкций, являются мероприятия, противодействующие массопереносу (диффузии) свободного гидроксида кальция из внутренней структуры бетона через слой грунта в морскую акваторию.
2. Обоснована и экспериментально доказана возможность получения бетона с модифицированной структурой, стойкого к воздействию сульфатсодержащих агрессивных сред с использованием местных для Вьетнама сырьевых материалов путем использования комплекса минеральных добавок, состоящего из золы-уноса и микрокремнезема совместно с нанокремнезёмом и тонкомолотым кварцевым порошком, который предназначен для строительства подземных сооружений прибрежной зоны с высоким содержанием сульфатов. Модифицированный бетон для строительных работ в агрессивной среде с жарко-влажными климатическими условиями Вьетнама с точки зрения прочности и долговечности может быть изготовлен из смесей с соотношением вода+суперпластификатор:вяжущее, равным 0,3, и содержанием цементирующих материалов не менее 550 кг/м3, включая от 20 до 30 % золы-уноса и от 5 до 12,5 % микрокремнезема.
3. На базе физических представлений об особенностях массопереноса гидроксида кальция в пористой структуре твёрдого тела разработана математическая модель массопроводности (выщелачивания) ионов Са2+ в системе «бетон-грунт-морская акватория», основанная на дифференциальных уравнениях нестационарной диффузии с комбинированными граничными условиями II-го и IV-го рода, позволяющая моделировать динамику полей концентраций переносимых агрессивных компонентов и продуктов реакции, а также решать обратную задачу по определению коэффициентов массопроводности и массоотдачи на основе полученных экспериментальных данных, с
целью прогнозирования долговечности железобетонной конструкции.
4. Предложен режим синтеза нано-SiO2 из местных материалов Вьетнама путем разложения кварцевого песка в расплавленной соли гидроксида натрия при температуре 500°C под действием ультразвуковых волн. Предложенный метод является простым, характеризуется относительно низкой температурой реакции, равномерной дисперсией легирующих ионов металлов, контролем стехиометрии и хорошей химической однородностью полученных частиц.
5. Доказано, что частичная замена в составе вяжущего сульфатостойкого портландцемента на нано-SiO2 в количестве 1-2% масс. повышает коррозионную стойкость стальных арматурных стержней в бетоне. С точки зрения микроструктуры бетона, введение нано-SiO2 способствует ее уплотнению за счет снижения пористости (полная капиллярная пористость составляет 1,1 – 0,96%), что приводит к повышению прочности и снижению водопоглощения до 0,44% по массе модифицированных бетонов. Введение 2 % масс. нанокремнезема приводит к большему уплотнению структуры модифицированного бетона по сравнению с бетоном, содержащим 1% масс. Нанокремнезема (полная капиллярная пористость 0,96%, водопоглощениепо массе 0,377%), а также с бетоном контрольного состава (полная капиллярная пористость 1,3%, водопоглощение по массе 0,548 %), не содержащим нанокремнезем.
Наблюдается меньшая (на 49,5%) потеря массы стали из-за коррозии в бетонных образцах, содержащих 1% масс. нано-SiO2; длина, ширина и глубина питтинга трещин, вызванных коррозией, также были ниже в образцах, содержащих 1% масс. нанокремнезема.
6. Доказано, что более доступный белый кварцевый песок может быть использован в качестве мелкого заполнителя как альтернатива более дорогому речному песку. Образцы бетона, содержащие в качестве мелкого заполнителя природный белый кварцевый песок, показали более высокую стойкость к проникновению хлорид-ионов из окружающей среды. Значение проницаемости для ионов хлора структуры бетонных образцов, содержащих в качестве мелкого заполнителя 100% белого песка, на 292 % ниже, чем у бетонных образцов, содержащих речной песок. Добавление 1% и 1,5% нанокремнезема от массы цемента в бетонные смеси, содержащие белый песок в качестве мелкого заполнителя, приводит к еще большему повышению стойкости бетонов к проникновению хлорид-ионов.
Установлено, что модифицированные бетоны на белом песке обладает повышенной стойкостью к сульфатной коррозии по сравнению с бетонами на речном песке. Значение прочности на сжатие образцов бетонов на белом песке, подвергнутых воздействию 10%- ного раствора Na2SO4, снизилось на 2,4%, в то время как у бетонных образцов на речном песке – на 5,3%.
Уставлено влияние белого песка на коррозионную стойкость стальной арматуры. Средняя прочность на растяжение арматуры после коррозии в образцах бетонов, содержащих белый песок, снизилась на 4,8%, тогда как в образцах на речном песке – на 6,9% по сравнению прочностью стальной арматуры в бетонных образцах, не подвергавшихся коррозии.
7. Установлено, что бетонная смесь, содержащая комплекс минеральных добавок (МК в количестве 5%+ЗУ в количестве 30%), тонкомолотый кварцевый песок в количестве 15% и в качестве мелкого заполнителя белый кварцевый песок (100%)
показала наименьшее значение соотношение цена/прочность.
8. Полученные результаты внедрены строительной компанией ОАО
«Акционерное общество по инвестициям в строительстве» (MICONS) при возведении железобетонных конструкций подземных стен подвала проекта “Dong Trieu Xanh Hotel”, по адресу 3A Куан Чан, Хунг Выонг, район Лок Тхо, город Нячанг, Вьетнам с объемом бетонной смеси 150 м3, а также при возведении бетонного фундамента и стены подвала в проекте “Park View Hotel, 60 Фан Тяу Чинь, район Ван Тхань, город Нячанг”, с объемом бетона 90 м3 и компанией «Институт городского планирования Дананга» в рамках реализации проекта “Деловая зона и подземный переход через улицу Во Нгуен Зяп на пляже Май Ан Уорд, район Нгу Хань Сон, город Дананг, Вьетнам” с объемом бетона 99 м3. Общий объем опытных партий бетонных смесей разработанных составов составил 339 м3.
Рекомендации, разработанные в диссертации, позволяют получать коррозионностойкие бетоны, пригодные для строительства подземных сооружений в прибрежной зоне, затопляемой соленой морской водой.
Разработанная физико-математическая модель процесса диффузии свободного гидроксида кальция в твердой фазе цементного бетона и в грунте позволяет решить задачу массопереноса в системе «бетон – грунт – жидкость», что дает возможность осуществлять мониторинг процессов массопереноса для контроля коррозионного разрушения бетонов и оценить влияние различных условий эксплуатации на долговечность заглубленных бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в прибрежных затопляемых морской водой зонах.
Дальнейшие исследования в этой области могут быть направлены на изучение условий совместного воздействия знакопеременных температур и агрессивных сульфатных сред на конструкции и разработку физико- математической модели для решения задачи коррекции состава бетона с учетом характера агрессивного внешнего воздействия, построение математической модели для точного прогнозирования срока службы железобетонных конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред.
Благодарности. Особую благодарность автор выражает Заслуженному деятелю науки РФ, Лауреату премии Правительства РФ в области науки и техники, академику РААСН, доктор технических наук, профессору Федосову Сергею Викторовичу за ряд существенных разъяснений и комментариев, относящихся к теории массообменных процессов при жидкостной коррозии бетона и постоянную научную поддержку.