Исследование влияния извести в качестве модифицирующей добавки на физико-механические свойства бетонов специального назначения

Введение

В современных условиях важное значение имеет технико-экономическая политика сбережения ресурсов, диктующая необходимость использования новых научных идей с целью интенсификации технологий в промышленности [1–5].

Улучшить свойства жаростойкого бетона можно с помощью его структурной модификации [6–10]. Она значительно повышает прочность бетонов, плотность, снижает проницаемость для жидкостей и газов, увеличивает атмосферостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред [11–15]. Для оптимизации бетона могут применяться различные материалы [16–20]. Перспективным для этого является использование ортофосфорной кислоты или фосфатных связок. Большое значение в технологии жаростойких бетонов имеют композиции на основе фосфатных связующих, отличающихся высокими техническими свойствами. Разработка технологии получения жаростойкого бетона с использованием недорогих и доступных материалов (в частности извести), а также с применением отходов промышленности (например, отработанный катализатор ИМ-2201) является важнейшей научной задачей.

Использование в строительстве высокопрочного гипса, на основе которого можно получать гипсобетоны высокой прочности, может быть наиболее рациональным при наличии армирования гипсовых изделий, так как гипсобетон, подобно другим видам бетона, хорошо работая на сжатие, способен нести незначительные нагрузки на растяжения. Надежное армирование гипсобетона позволит получать несущие изделия и конструкции из армированного гипсобетона, хорошо работающего как на сжатие, так и на изгиб, при котором растягивающие усилия будут восприниматься арматурой. Арматура в изделиях и конструкциях, испытывающая попеременные увлажнения и высушивания, подвергается значительной коррозии. Поэтому изучение поведения арматуры в гипсобетоне и разработка новых методов ее защиты имеет большое практическое значение.

Цель

Исследование процессов структурной модификации жаростойких бетонов и гипсобетона, полученных с использованием в качестве добавки гашеной извести (в жаростойких бетонах) и негашеной молотой извести (в гипсобетонах), проводилось с целью повышения их физико-механических характеристик и увеличения долговечности.

Материалы и методы

Модификация жаростойких бетонов

Опыты производили на образцах, приготовленных на основе портландцемента ПЦ-400-Д-20. В качестве тонкомолотой огнеупорной добавки применялся отработанный катализатор ИМ-2201. В качестве заполнителя применялся шамотный песок. В качестве модифицирующей добавки применялась гашеная известь 5 и 10 вес. %. Образцы изготавливались с размерами 50 × 50 × 50 мм, пропитку производили в естественных условиях ортофосфорной кислотой с концентрацией 30 %. После пропитки образцы подвергали нагреванию при температуре 800 °C с выдержкой в течение двух часов. После каждого нагрева измеряли и фиксировали плотность и прочность образцов при сжатии.

Модификация гипсобетона

Для изучения зависимости прочности гипсобетона на высокопрочном гипсе от добавки негашеной молотой извести изготовлялись кубики с ребром 7 см чистого высокопрочного гипса и высокопрочного гипса с добавкой 5 и 10 % извести, которые испытывались на гидравлическом прессе с целью определения предела прочности при сжатии.

Проводились электрохимические исследования коррозии стали в гипсобетоне на высокопрочном гипсе с помощью лабораторного рН-метра.

Как известно, скорость протекания коррозии стали непосредственно зависит от величины рН, причем непосредственная зависимость отражается на катодных реакциях, так как в этих реакциях участвуют водородные и гидроксильные ионы [1], поэтому изменение величины рН вызывает изменение скорости катодных реакций. Однако более существенной является косвенная зависимость скорости коррозии от величины рН, что связано с растворимостью продуктов коррозии и образованием защитных пленок, другими словами, с протеканием анодных процессов. Водородный показатель рН измерялся электрохимическим путем с помощью лабораторного рН-метра.

Метод снятия поляризационных кривых позволяет наиболее полно оценить поведение металла и, не требуя длительных сроков испытания, раскрыть механизм электродных процессов. Схема установки для снятия поляризационных кривых представлена на рис. 1.

Сущность метода заключается в том, что по степени смещения потенциала при протекании тока определенной плотности через электрод (т. е. по степени поляризуемости электрода) можно судить о легкости протекания электродного процесса. Если смещение потенциала при повышении плотности тока на единицу небольшое, то это значит, что электродный процесс мало тормозится, протекает почти беспрепятственно. Наоборот, при сильной поляризуемости (большом смещении потенциала при повышении плотности тока на единицу) происходит большое торможение электродного процесса. Таким образом, о кинетике электродного процесса можно судить по зависимости между смещением потенциала электрода и плотностью протекающего через электрод тока. Зависимость между плотностью тока и потенциалом электрода выражают графически, получая поляризационные кривые.

Для поляризации изготовлялись гипсовые кубики с ребром 40 мм, в которые закладывались стальные электроды из стали Ст3 (рис. 2).

Результаты и обсуждения

Модификация жаростойких бетонов

С целью изучения процесса структурной модификации жаростойких бетонов растворами фосфатов были применены бетоны гидравлического твердения. В данной работе было изучено влияние гашеной извести в качестве добавки и пропитки ортофосфорной кислотой жаростойких бетонов на их физико-механические и термические свойства. Гашеная известь вводилась в состав бетона в качестве активатора химических реакций, которые протекают с Н₃ РО₄, что способствовало ее проникновению на наибольшую глубину.

Опыты проводили на образцах с размерами 50 × 50 × 50 мм, пропитку которых производили в естественных условиях ортофосфорной кислотой с концентрацией 30 %. После пропитки образцы подвергали нагреванию при температуре 800 °C с выдержкой в течение двух часов. После каждого нагрева измеряли и фиксировали плотность и прочность образцов при сжатии.

Составы жаростойких бетонов приведены в табл. 1.

Результаты испытаний на предел прочности при сжатии образцов жаростойких бетонов, приготовленных на портландцементе с добавкой и без добавки извести, были следующие: состав № 1 – 21 кгс/см²; состав № 2 – 23 кгс/см²; состав № 3 – 32 кгс/см².

Как видно, наибольшей прочностью обладают образцы, в составе которых присутствует гашеная известь (10 %).

Разработана технологическая схема структурной модификации жаростойких композитов, представленная на рис. 3.

Предлагается пропитывать изделия из жаростойких бетонов на гидравлических вяжущих вначале известковым молоком, а затем фосфатными связующими.

Модификация гипсобетона

Особое внимание уделяется развитию производства местных строительных материалов, среди которых гипсовые вяжущие занимают одно из первых мест.

Объективным условием для дальнейшего развития гипсовой промышленности являются многочисленные богатые месторождения гипсового камня, позволяющие почти повсеместно развивать производство, и использование гипса во многих отраслях народного хозяйства, в первую очередь – в строительстве.

Для изучения зависимости прочности гипсобетона на высокопрочном гипсе от добавки молотой негашеной извести изготовлялись кубики с ребром 7 см чистого высокопрочного гипса и высокопрочного гипса с добавкой 5 и 10 % извести. Испытания дали следующие результаты: высокопрочный гипс – 353 кг/см²; высокопрочный гипс + 5 % извести – 345 кг/см²; высокопрочный гипс + 10 % извести – 373 кг/см².

Проводилось измерение электродных потенциалов стали в высокопрочном гипсе. Были получены высокие отрицательные (-500 мв) значения потенциалов, что свидетельствует об активном состоянии арматуры, следовательно, в этом случае возможна сильная коррозия. Известно [1], что рН обыкновенного гипса составляет 7,20, высокопрочного – 7,65. Для обеспечения сохранности арматуры в гипсобетоне необходимо идти по пути обеспечения анодного контроля процесса коррозии, при котором коррозии не происходит. Этого нужно достичь повышением рН с 7,0–7,5 до 12,5. Проводились измерения рН водных вытяжек из гипсобетона с добавкой 10 % негашеной молотой извести. Показатель рН высокопрочного гипса при добавке 10 % негашеной молотой извести в возрасте 30 суток составляет 12,67.

Проводился графический расчет скорости протекания анодного и катодного процессов по поляризационным кривым в образцах гипсобетона без добавки извести (рис. 4) и с добавкой извести 10 % (рис. 5).

Расчет скорости протекания анодного и катодного процессов по поляризационным кривым стали в высокопрочном гипсе с добавкой 10 % извести показал, что величина поляризуемости для анодного процесса Р_а = 19 мВ/мкА, что плотность тока коррозии для анодного процесса равна 15,8 мкА/см² (рис. 4).

Для катодного процесса величина поляризуемости равна 13,4 мкA/см², плотность тока коррозии – 20 мкA/см².

Сравнивая полученные данные с расчетом скорости коррозии по поляризационным кривым гипса без добавок (рис. 4), можно заметить, что анодная поляризуемость в первом случае значительно выше (19 против 9). Катодная поляризуемость стали в гипсе с добавкой извести превышает поляризуемость в гипсе без добавок в еще большей степени (13,4 против 5,55).

Характер поляризационных кривых стали в гипсе с добавкой 10 % негашеной молотой извести объясняется повышением щелочности среды высокопрочного гипса (рН = 12,5).

Выводы

1. В целях повышения физико-механических показателей жаростойких бетонов для решения задачи увеличения долговечности футеровок тепловых промышленных агрегатов были разработаны составы жаростойких композитов на основе портландцемента. В качестве тонкомолотого компонента применялся отработанный катализатор ИМ-2201. С целью активации химических процессов, происходящих в бетоне при пропитке его 30%-ной ортофосфорной кислотой, вводилась гашеная известь 5 и 10 %. Наилучшие показатели по пределу прочности при сжатии показали образцы с 10%-ным содержанием извести. Жаростойкие бетоны данного состава рекомендуется применять при рабочей температуре 800 °C.
2. Исследовались коррозионные процессы, происходящие в гипсобетоне. Среда высокопрочного гипса является нейтральной (рН находится в пределах от 7,20 до 7,93), поэтому сталь в нем может подвергаться коррозии. Электрохимические исследования коррозии стали в гипсобетоне на высокопрочном гипсе позволяют вскрыть механизм коррозии и тем самым воздействовать на него с целью предотвращения коррозии. Поляризационные кривые стали в гипсобетоне на высокопрочном гипсе показывают, что процесс коррозии протекает со смешанным катодно-анодным контролем, причем анодный и катодный процессы мало тормозятся. Для обеспечения сохранности арматуры в гипсобетоне необходимо идти по пути обеспечения анодного контроля процесса коррозии (при котором коррозии не происходит). Этого можно достичь повышением с 7,5 до 12,5. Результаты изучения показали, что защитой стальной арматуры в гипсобетоне является добавка в гипсобетон молотой негашеной извести в количестве 10 % от веса гипса.