Отправить статью по E-mail Анализ осадка при взаимодействии наполненного цементного камня с солями магния
- Авторы: Куприяшкина Л.И., Гарынкина Е.Н., Куприяшкина Е.И., Седова А.А.
- Выпуск: Том 5, № 11 (2017)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 05.03.2025
- Статья одобрена: 05.03.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/282425
- ID: 282425
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Показано влияние степени наполнения цеолитсодержащей породой на прочность цементного композита под воздействием сульфата магния и хлорида магния. Дан анализ показателя рН, полученного в результате взаимодействия цементных композитов с солями магния. Рассмотрено влияние агрессивной среды на содержание свободных ионов магния и кальция в фильтрате осадка.
Ключевые слова
Полный текст
Бетон на сегодняшний день является одним из самых популярных материалов в строительстве. Ежедневно он подвергается воздействию агрессивных сред, частично или полностью разрушаясь. Соли магния MgCl2 и MgSO4 распространены повсеместно: сточные, грунтовые воды, морская вода и т.д. Поэтому при длительном действии этих солей возникает необратимый характер разрушения бетона. Данные соли вызывают магнезиальную коррозию:
Са(ОН)2 + MgCl2= CaCl2+ Mg(OH)2↓;
Са(ОН)2 + MgS04 + H2O = СаS04 ּ2H2O + Mg(OH)2↓.
Магнезиальная коррозия вызывает разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, а также выпадение осадка – гидроксида магния (рыхлой объемной массы). Все это непосредственно приводит к разрушению бетона [1].
Чтобы выявить процессы, приводящие к разрушению при действии солей магния, были проанализированы осадки, полученные при выдерживании цементного камня в растворах хлорида и сульфата магния различной концентрации в течение 7, 14, 28 суток и изменения прочности.
При проведении эксперимента использовали цементные композиты, наполненные цеолитсодержащими породами на 0; 10; 20; 30 %. Образцы помещали в емкости по 5 шт. и заливали 0,5; 1,5; 2,5 %-ным раствором хлорида магния (MgCl2). В другом варианте – 0,5; 1,0; 1,5 %-ным раствором сульфата магния (MgSO4). Цементные композиты выдерживали в растворах солей 7; 14; 28 суток, следя за изменением концентрации ионов магния и кальция с помощью ионного анализатора PIA-100 и за изменением водородного показателя pH. Прочность композитов испытывали на сжатие на разрывной машине Р-20 со шкалой 4 тонны. Результаты проведенного эксперимента приведены соответственно в таблицах 1, 2.
Состояние водных растворов внешней агрессивной среды и среды железобетонных конструкций (кислой рН<7; нейтральной рН=7; щелочной рН>7) оценивается через концентрацию ионов водорода с помощью водородного показателя pH, который численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода (H+), выраженной в молях на литр:
pH = – Lq(H+)
В железобетонных конструкциях для бетона, имеющего щелочную среду, наиболее опасной является коррозия стальной арматуры. При снижении показателя рН ниже 11,8 в поровой жидкости бетона нарушается пассивация стали, тем самым начинает корродировать арматура. В бетоне появляются сетки трещин, поры, новообразования, позволяющие проникать агрессивным хлорид-ионам и кислороду к арматуре. Бетон начинает разрушаться. Вследствие чего мы можем утверждать, что рН-показатель является неотъемлемым элементом при оценке состояния железобетонных конструкций [2].
Анализ фильтрата в растворах хлорида (табл. 1) и сульфата (табл. 2) магния показывает, что постепенно происходит повышение рН с 6 (контрольные составы) до 8,5–10 с последующим незначительным снижением за счет выщелачивания гидроксида кальция из цементного камня.
Во время эксперимента фиксировали изменение содержания ионов магния и кальция методом ионной хроматографии. В таблицах 1 и 2 представлено динамическое изменение концентрации ионов магния при выдерживании цементного камня, наполненного ЦСП (цеолитсодержащие породы) при 10; 20; 30% и без наполнения в течение 28 суток в растворах хлорида магния с концентрацией 0,5; 1,5; 2,5%. Из таблиц видно, что реакция обмена между гидроксидом кальция и хлоридом магния зависит от концентрации соли, степени наполнения и времени экспонирования цементного камня в растворах хлорида магния. Обменная реакция между цементным камнем без ЦСП протекает с более высокой скоростью при всех концентрациях раствора хлорида магния.
Таблица 1
Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня в растворах хлорида магния различной концентрации
τ, | ω, % | ω, % | Содержание | Xср±(tt,f ⋅𝑆) ∕ | pH | ||
Mg2+ | Ca2+ | SiO2·nH2O | Cl- | ||||
14 | 0,5 | 0 | 1061,141 | 27,835 | 0,207 | 2717,608 | 8,460 |
10 | 878,925 | 26,512 | 0,132 | 2697,916 | 9,830 | ||
20 | 916,502 | 192,310 | 0,145 | 2693,118 | 8,990 | ||
30 | 1082,663 | 44,427 | 0,042 | 2720,869 | 9,320 | ||
1,5 | 0 | 2530,236 | 64,447 | 0,079 | 8486,367 | 8,940 | |
10 | 2288,565 | 102,620 | 0,042 | 8232,624 | 8,900 | ||
20 | 2223,172 | 433,220 | 0,058 | 8635,201 | 9,030 | ||
30 | 2326,792 | 118,445 | 0,108 | 8509,945 | 8,890 | ||
2,5 | 0 | 3679,389 | 149,466 | 0,079 | 13514,241 | 8,550 | |
10 | 3321,635 | 272,747 | 0,301 | 13513,333 | 9,110 | ||
20 | 3748,612 | 186,353 | 0,265 | 13993,917 | 9,570 | ||
30 | 3685,195 | 177,367 | 0,423 | 13802,035 | 9,580 | ||
28 | 0,5 | 0 | 1006,917 | 19,838 | 0,223 | 2615,999 | 8,790 |
10 | 816,557 | 16,53 | 0,281 | 2524,315 | 9,210 | ||
20 | 742,083 | 147,63 | 0,186 | 2673,285 | 9,572 | ||
30 | 999,826 | 23,496 | 0,127 | 2518,400 | 9,730 | ||
1,5 | 0 | 2529,255 | 45,641 | 0,089 | 7665,861 | 9,200 | |
10 | 1771,166 | 30,52 | 0,113 | 7924,934 | 8,830 | ||
20 | 1514,278 | 178,66 | 0,081 | 7868,010 | 8,690 | ||
30 | 1860,404 | 70,045 | 0,116 | 7676,389 | 9,200 | ||
2,5 | 0 | 3598,633 | 85,247 | 0,292 | 13207,274 | 9,430 | |
10 | 3029,991 | 191,382 | 1,113 | 13414,241 | 9,260 | ||
20 | 3226,918 | 90,791 | 0,494 | 13894,667 | 8,930 | ||
30 | 3277,710 | 101,313 | 0,464 | 13772,685 | 9,890 | ||
Введение ЦСП понижает скорость обменной реакции. Наиболее медленно реакция протекает при 30% степени наполнения. В этом случае в растворе содержится наибольшее количество свободных ионов магния. Это, вероятно, связано с понижением содержания оксида кальция в цементном камне за счет снижения доли самого цемента в бетоне (содержание CaO в портландцементе ~ 65%, в ЦСП ~ 7,2%). По результатам эксперимента можно сделать вывод, что ЦСП снижает коррозию цементного камня [3].
Таблица 2
Результаты анализа фильтрата после выдержки цементного камня в растворах MgSO4 различной концентрации
τ, | ω, % | ω, % | Содержание ионов, | Xср±(tt,f ⋅𝑆) ∕ | pH | ||
Mg2+ | Ca2+ | SiO2·nH2O | SO4- | ||||
7 | 0,5 | 0 | 359,786 | 158,511 | - | - | 9,890 |
10 | 10,334 | 854,549 | 0,134 | 4469,073 | 9,710 | ||
20 | 338,860 | 402,591 | 0,116 | 4056,701 | 9,620 | ||
30 | 697,209 | 175,174 | 0,134 | 3850,515 | 9,710 | ||
1,0 | 0 | 2033,399 | 933,183 | - | - | 9,870 | |
10 | 1739,506 | 1346,335 | 0,234 | 9872,164 | 9,660 | ||
20 | 2182,883 | 416,337 | 0,161 | 8800,000 | 9,690 | ||
30 | 2776,112 | 268,938 | 0,249 | 7150,516 | 9,740 | ||
1,5 | 0 | 3245,620 | 2161,515 | - | - | 9,850 | |
10 | 4323,927 | 1329,251 | 0,141 | 17377,320 | 9,530 | ||
20 | 4541,973 | 534,377 | 0,187 | 15977,318 | 9,780 | ||
30 | 4757,402 | 409,377 | 0,193 | 16787,628 | 9,760 | ||
14 | 0,5 | 0 | 234,917 | 269,426 | - | - | 9,664 |
10 | 0 | 980,697 | 0,432 | 3614,937 | 9,755 | ||
20 | 170,914 | 485,340 | 0,375 | 3770,579 | 9,660 | ||
30 | 672,469 | 235,217 | 0,381 | 3423,985 | 9,560 | ||
1,0 | 0 | 0 | 3991,599 | - | - | 9,640 | |
10 | 1360,306 | 1856,878 | 0,423 | 8003,846 | 9,630 | ||
20 | 1975,193 | 781,371 | 0,409 | 7345,027 | 9,489 | ||
30 | 2511,359 | 353,264 | 0,567 | 5581,946 | 9,612 | ||
1,5 | 0 | 2552,112 | 3142,035 | - | - | 9,651 | |
10 | 3990,893 | 1730,120 | 0,340 | 14097,697 | 9,693 | ||
20 | 4364,444 | 762,720 | 0,427 | 14034,960 | 9,530 | ||
30 | 4510,582 | 346,501 | 0,425 | 13452,048 | 9,620 | ||
28 | 0,5 | 0 | 61,571 | 149,371 | 0,276 | 2630,000 | 9,440 |
10 | 0 | 688,626 | 0,549 | 2163,074 | 9,365 | ||
20 | 0 | 347,931 | 0,551 | 3204,124 | 9,162 | ||
30 | 516,308 | 48,323 | 0,959 | 2832,990 | 9,180 | ||
1,0 | 0 | 0 | 3406,131 | 0,249 | 6997,938 | 9,220 | |
10 | 479,821 | 1846,652 | 0,471 | 5925,773 | 9,210 | ||
20 | 1332,631 | 917,253 | 0,429 | 6255,670 | 8,980 | ||
30 | 2052,792 | 401,561 | 0,648 | 4564,94 | 9,010 | ||
1,5 | 0 | 2216,620 | 2028,277 | 0,212 | 10750,515 | 9,040 | |
10 | 2788,775 | 1949,610 | 0,491 | 10255,670 | 9,060 | ||
20 | 2983,746 | 706,724 | 0,462 | 9810,684 | 9,200 | ||
30 | 4146,798 | 271,895 | 0,549 | 9224,742 | 9,030 | ||
В таблицах 1 и 2 показано изменение концентрации ионов кальция при выдерживании цементного камня с различным содержанием ЦСП. Концентрация свободных ионов кальция увеличивается в зависимости от доли ЦСП в цементном камне. Самая низкая концентрация ионов кальция наблюдается в растворе при контакте с цементным камнем со степенью наполнения 30%.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что обменная реакция между гидроксидом кальция и сульфатом магния протекает медленно. При степени наполнения ЦСП на 30% свободных ионов магния в растворах больше, чем с более низкой степенью наполнения.
Прослеживается взаимосвязь содержания свободных ионов магния в растворе с содержанием ионов кальция. С увеличением концентрации ионов магния уменьшается содержание ионов кальция. На указанную взаимосвязь оказывает влияние степень наполнения цементного камня ЦСП. Чем больше степень наполнения, тем меньше оксида кальция в цементном камне и тем больше свободных ионов магния в растворе.
Параллельно с анализом фильтратов осадков была определена прочность образцов на сжатие. Результаты эксперимента показали, что наиболее высокой прочностью обладают цементные композиты, наполненные ЦСП на 20% ‒ 41,4 МПа, выдержанные в 1,5% растворе хлорида магния. С повышением концентрации хлорида магния до 2,5% наблюдали понижение прочности до 37,8 МПа. Ненаполненные композиты при всех изученных концентрациях хлорида магния показали более низкую прочность. Степень наполнения композитов ЦСП оказывает заметное влияние на прочность, так же, как и концентрация агрессивной среды [4–6].
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: цеолитсодержащие породы можно использовать в качестве наполнителя в цементное вяжущее для получения химически стойких железобетонных конструкций. Согласно полученным результатам в системе «цементный камень – хлорид магния» степень наполнения цементного камня при 10 и 20% наиболее эффективна в плане повышения прочности и коррозионной стойкости. Более низкой прочностью обладают композиты, выдержанные в системе «цементный камень – сульфат магния». Экспериментальные данные показали, что при повышении степени наполнения ЦСП до 30% и выше прочность цементных композитов понижается. Введение цеолитсодержащих наполнителей позволяет уменьшить корродируемость арматуры в железобетонных конструкциях, работающих в агрессивных средах.
Об авторах
Л. И. Куприяшкина
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Е. Н. Гарынкина
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Е. И. Куприяшкина
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. А. Седова
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- Барбакидзе Б. Ш. Долговечность строительных конструкций и сооружений из композиционных материалов. – М.: Стройиздат, 1993. – 256 с.
- Куприяшкина Л. И., Гарынкина Е. Н., Куприяшкина Е. И. Влияние цеолитсодержащих пород на рН-показатель бетонов // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. – С. 273–275.
- Баландина А. В., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Савинова О. Н., Седова А. А., Селяев В. П. Влияние концентрации солей магния на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой [Электронный ресурс] // Огарев-online. – 2016. – № 19. – Режим доступа: http://journal.mrsu.ru/arts/vliyanie-koncentracii-solej-magniya-na-prochnost-cementnogo-kamnya-napolnennogo-ceolitsoderzhashhej-porodoj.
- Куприяшкина Л. И., Седова А. А., Куприяшкина Е. И., Гарынкина Е. Н. Действие магнезиальных солей на наполненные цементные композиты // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всероссийской научно- технической конференции, посвященной памяти заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, д.т.н. профессора Соломатова В.И. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. – С. 59–64 .
- Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К. Комплексное изучение процессов повреждения цементного камня растворами карбоновых кислот// Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2013. – № 8. – С. 34–41.
- Селяев В. П., Седова А. А., Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Куприяшкина Е. И. Изучение процессов повреждения цементного камня, наполненного цеолитосодержащей породой, растворами хлористоводородной кислоты // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2014. – № 7. – С.32–38.
Дополнительные файлы
