О долговечности щелочеустойчивого стеклоармирования мелкозернистого бетона

Специалисты Института исследования стройматериалов Технического университета Аахена (Германия) М. Раупах, Й. Орловски, Л. Вольфф, В. Браумесхубер и Т. Брокманн уже выполнили определенную часть исследовательского проекта, посвященного поведению армированного стеклотекстилем бетона.

Изучению подлежат такие аспекты, как сцепление арматуры с бетоном, долговечность и несущая способность стеклоармированого бетона. Этот новый композитный материал представляется подходящим для множества сфер применения, привлекает же в нем сочетание небольшого веса и высокой несущей способности. Промышленный текстиль укладывается в бетон так, чтобы одно из взаимно перпендикулярных направлений нитей ткани совпадало с вектором растягивающих напряжений. Таким образом, эти нити выполняют функцию растягиваемой арматуры в традиционном железобетоне. Для изготовления армирующего текстиля используются щелочестойкие стеклонити, угольные или полимерные нити. В настоящее время — преимущественно первый материал (благодаря низкой стоимости и повышенной сцепляемости с бетоном).
При разрабатывании оптимальных моделей стеклоармирования бетона ставится прежде всего цель достижения данным композитом максимальной долговечности. На величину этой характеристики влияют в основном два механизма. Это химическое разрушение под воздействием щелочной среды вяжущего и такое механическое, как гидратация вследствие влияния, в частности, дигидрата кальция (Ca (OH) 2).

Материалы
Мелкозернистый бетон
Армирование тканью предъявляет определенные требования к вяжущему. Мелкозернистый бетон должен обладать необходимой прочностью и текучестью. Для обеспечения пенетрации смеси через ячейки ткани максимальный диаметр зерна не должен превышать 1 мм. Для обеспечения текучести добиваются высокого процента содержания вяжущего (700 кг/м 3) путем добавления зол уноса, силикатных составляющих выбросов промышленных дымоходов и высокоэффективных пластификаторов.
Устойчивость щелочеустойчивой стеклоарматуры, окруженной щелочной средой схватывающегося и твердеющего цементного вяжущего (значение водородного показателя pH колеблется между 13 и 14), все же является ограниченной. С течением времени недостаточность устойчивости армирования ведет к потере композитом его прочности.
Поэтому ставится задача разработки новых систем вяжущего, способствующих повышению устойчивости. Исследователи оперировали такими добавками, замещающими клинкер, как доменные шлаки, натуральные либо синтетические пуццоланы и уже упоминавшиеся золы уноса и силикаты выбросов. Последняя добавка влияет на снижение концентрации щелочных ионов в порах цементного расвора и дигидрата кальция.
Кроме того, достаточно сильно влияет на это реакция, в которую она вступает с пуццоланой. В ходе взаимодействия Ca(OH) 2 и SiO 2 образуется обеспечивающая прочность гидратная фаза силиката кальция. Для того, чтобы конструкция вяжущего была полностью свободной от воздействия дигидрата кальция, она должна содержать не менее 25% силикатов выбросов. Более точное содержание зависит от водоцементного соотношения.
На практике удалось получить четыре вида смесей, водородный показатель которых по сравнению с контрольной был снижен с 13,5 до 13,3. Это достигалось как частичным замещением портландцемента доменными шлаками, так и соблюдением высокого содержания зол уноса.

Щелочестойкие стеклонити
Поставщиком стеклоткани, использованной при выполнении исследований, является компания Vetrotex (Испания). По информации производителя, щелочестойкое стекловолокно с показателем 320 tex (то есть 320 г/км) содержит примерно 800 нитей, диаметр каждой из которых составляет примерно 14 микрон. Повышению стабильности стекловолокна в щелочной среде способствует добавление к материалу нитей циркония.
Волокно в процессе его получения путем вытягивания нитей из расплава стекла и соединения их в прядь покрывается слоем клея, что делает более удобным процесс обработки и предохраняет волокно при образовании ткани. Состав клеевого покрытия не специфицируется и зависит от производителя.
Как правило, в этот состав входят полиэтиленгликоль и поливиниловый спирт.

Программа эксперимента
Для определения влияния на прочность стеклоарматуры на растяжение окружающей ее щелочной среды были проведены испытания, в ходе которых в качестве среды использовались как синтезированные растворы с различными водородными показателями — 14 и 11,6, так и мелкозернистый цементный раствор. Для того, чтобы выяснить влияние температуры на механизм химического разрушения, все виды образцов выдерживались в водной среде в течение 90 суток при температуре 20°С и в течение 4 суток при температурах 50°С и 80°С. Повреждения арматуры, а также изменения структуры смеси в зонах контакта ее с арматурой устанавливались с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Испытания арматуры на прочность при растяжении
После помещения щелочестойких стеклопрядей в синтезированные растворы с различными значениями водородного показателя стеклоарматура высушивалась в течение 48 часов при температуре 20°С.
Прилагаемая нагрузка доводилась до максимума в процессе удлинения образца на 125 мм со скоростью 1 мм/мин. Максимальная потеря прочности составила 70% и была зафиксирована у образца, который выдерживался в течение 4 суток при температуре 80°С в растворе с водородным показателем, равным 14.
Образец, который выдерживался в аналогичных условиях в растворе с водородным показателем 11,6, потерял всего 20% прочности. При выдерживании же образцов в одинаковых средах падение прочности отмечается с ростом температуры хранения.
Что удалось увидеть в микроскоп
После выдерживания в синтезированных растворах куски стеклопрядей длиной 1 см высушивались и металлизировались путем напыления золотого или платинового палладиума. Образцы рассматривались под сканирующим электронным микроскопом в исходном и деформированном состоянии. При этом были зафиксированы различные концентрации клеевого покрытия на поверхности нитей. В ряде случаев были отмечены зоны, вообще лишенные покрытия. В ряде случаев нити прядей примыкали непосредственно друг к другу, что вызывало концентрацию покрытия в точках контакта.
После 4-суточного выдерживания в синтезированном растворе с водородным показателем 14 при температуре 80°С было отмечено появление на нитях кристаллических образований — как в виде скоплений более мелких кристаллов, так и в виде отдельно расположенных более крупных, диаметр которых был сопоставим с диаметром нитей и составлял от 20 до 40 микрон. Энергетический дисперсионный рентген-анализ позволил установить, что самые большие кристаллы состоят преимущественно из калия. Образование калийных кристаллов сопровождается сильной эндотермической реакцией, так как для протекания данного процесса требуется тепло. Поэтому повышение температуры среды способствует росту кристаллов.
Изучение же образцов, которые хранились при температуре 50°С, позволило установить образование скоплений кристаллов меньшего размера.
Как натрий раствора, так и материал нитей представляют реагент для ионов калия, также находящегося в растворе.
Эксперименты, выполненные в Клаустхальском университете, показали, что хранение в щелочной среде способствует выщелачиванию из нитей составов, содержащих окислы кремния, натрия и циркония, причем кальция содержится больше всего на поверхности стекла.
После 4-суточного хранения в среде с pH=14 при температуре 80°С на поверхности стеклоарматуры с показателем 320 tex наблюдались ярковыраженные каверны, что не было отмечено у волокон, характеризующихся показателем 2400 tex.
Было установлено, что более легкая (в 7,5 раз) стеклоарматура имеет гораздо большее относительное содержание веществ, способных выделяться в вышеописанных условиях (0,49% против 1,29% массы). А еще — что на склонность к кавернообразованию влияет толщина покрытия нитей.
Наблюдались грибообразные вспучивания покрытия в результате давления, которое развивалось между покрытием и нитями при кристаллообразовании, сопровождавшем реакцию между щелочью среды и нитями. Отсутствие в этих местах покрытия открывало калию или натрию доступ к поверхности стеклонитей. Установить точный состав образований кристаллов не представилось возможным ввиду малости их размеров.
Через 90 суток вследствие реагирования покрытия не только с щелочными составляющими раствора, но и с растворяемым веществом нитей на поверхности стеклоарматуры образовывалась корка.
После 90-суточного пребывания прядей, характеризуемых показателем 320 tex, в среде с pH=14 при температуре 20°С (покрытие толщиной 1 микрон имело аморфную структуру) не было отмечено такого активного, как после 4-суточного выдерживания в высокотемпературной среде, роста кристаллов. Точного энергодисперсионного рентген-анализа состава структур, образующихся на поверхности нитей, выполнить не удалось: условия производства анализа предусматривают некоторое проникновение вглубь исследуемого материала, точность же анализа ограничена 1 микроном. Это означает, что невозможно точно сказать, принадлежат изучаемые элементы нитям, покрытию или аморфным образованиям на поверхности нитей. В более широком аспекте это означает, что невозможно определенно сказать, что протекающие в ходе описываемых экспериментов реакции являются щелочно-кремниевыми реакциями. Продукты реагирования имеют сложную природу, на их характер влияет целый ряд факторов, и трудно сказать, что же они представляют собой на самом деле.
Эксперименты, в ходе которых варьировались степень щелочности среды, продолжительность и температура выдерживания, продемонстрировали наличие явных химических повреждений лишь в случае сочетания 80-градусной температуры с показателем среды pH=14 (срок выдерживания — 4 дня). На степень повреждения влияет, впрочем, и срок выдерживания. А увеличение значения водородного показателя с 11,6 до 14 выражается в существенной неодинаковости результатов испытаний на растяжение. Увеличение температуры всегда вызывает расширение твердых тел, и в соответствии с изображениями, которые позволяет получить сканирующий электронный микроскоп, такой фактор, как ускорение старения под воздействием более высоких температур, может быть лишь ограниченно пригодным в качестве основы для заключения о природе механизма повреждения стеклоарматуры при нормальных температурах.
В ходе испытаний на растяжение удалось установить факт существенного уменьшения прочности нитей на растяжение вследствие давления на поверхность нитей образующихся кристаллов. Степень данных потерь стабильности может быть существенно снижена, если перед растягивающими испытаниями промывать образцы водой и таким образом удалять кристаллы. Это говорит о том, что механические повреждения отдельных нитей возможны лишь под нагрузкой, но ни в коем случае не в ходе выдерживания в растворе.

Испытания на растяжение стеклоарматуры, окруженной мелкозернистым бетоном
Образец размерами 10х10х40 мм выдерживался в течение 28 суток при температуре 23°C и относительной влажности 95%. После этого — в течение 7 или 14 суток в воде при температуре 80°С. Затем образец (а точнее, стеклоарматура внутри него) растягивался со скоростью 1 мм/мин. Потеря стеклоарматурой прочности в результате воздействия вышеописанных климатических факторов вела к разрыву арматуры в теле бетона.
Наибольшие, до 65%, потери прочности зафиксированы у стеклоарматуры, окруженной смесью PZ-0899-01, 1 м 3 которого включает 490 кг цемента, 175 кг зол уноса, 35 кг силикатов выбросов, 245 кг воды, 500 кг силикатного порошка и 714 кг силикатного песка (pH=13,5, величина водовяжущего отношения — 0,4). Как и в ходе ранее проведенных испытаний, уменьшение водородного показателя вело к повышению прочности арматуры. Было также установлено, что pH не является единственным решающим фактором: определенного уменьшения поперечного давления удавалось добиться путем введения в состав вяжущего силикатов выбросов и зол уноса.

Интерпретация результатов на основе анализа изображений
При использовании сканирующего электронного микроскопа были получены фотоизображения, которые позволяют говорить о природе изменений структуры и пористости смеси в зоне контакта щелочестойкой стеклоарматуры и мелкозернистого бетона.
Использовались образцы, которые после выдерживания в вышеописанных условиях насыщались эпоксидной смолой и распиливались перпендикулярно направлению прядей стеклоарматуры. Распил полировался. Темные области представляли собой поры, заполненные эпоксидной смолой.
После получения фотоизображений с помощью имеющейся на вооружении специалистов Института исследования стройматериалов (Аахен) системы анализа изображений устанавливался процент пор, в частности, наблюдаемых в зонах контакта смеси и арматуры. В любом случае пористость этих зон заметно превышала пористость самой смеси. Выдерживание в воде при температуре 80°С способствует значительному уменьшению пористости зон контакта по сравнению с хранением на воздухе при его температуре +23°С и относительной влажности 95%.

Резюме
Итак, на основные механизмы разрушения такого композита, как армированный стеклотканью мелкозернистый бетон — ухудшение сцепления бетона и арматуры и снижение прочности — влияют как химические, так и механические факторы. В ходе моделирования химического разрушения было установлено увеличение долговечности щелочеустойчивой стеклоарматуры при уменьшении водородного показателя окружающей среды. Отчетливо видимые локализированные повреждения нитей наблюдались лишь после 4-дневного выдерживания в среде с pH=14 при температуре 80°С.
Было также установлено влияние состава мелкозернистого бетона на прочность стекловолокна на растяжение. Приемлемой стабильности стеклотекстиля в бетоне способствует высокий процент содержания в вяжущем зол уноса и силикатов выбросов. Очевидно, что результаты механического воздействия на образцы должны рассматриваться отдельно. В этом случае можно будет оценить степень урона, который несут соответственно способность композита противостоять агресссвным воздействиям и его несущая способность.

Подготовил Владимир ДАНИЛОВ