М. Н. КОКОЕВ, канд. экон. наук, доц. (Кабардино-Балкарский госуниверситет), Карбонизация армобетона электростатического формования
С целью экономии цемента содержание воды в бетонной смеси стремятся уменьшить до возможного предела. Теоретически для твердения распространенных типов цементов требуется 12-20 % воды от массы вяжущего. Однако для повышения удобоукладываемости бетона водоцементное отношение (В/Ц) часто увеличивают до 0,5-0,65. Это снижает прочность готового бетона, либо, при равной прочности, повышает расход цемента.
Экспериментально установлено, что чем выше расход воды, тем сильнее ползучесть бетона и, соответственно, ниже его прочность. Некоторые исследователи отмечают [1], что ползучесть е практически меняется, как квадрат В/Ц, по массе, т.е. е= к ( В/Ц )2, где к - коэффициент пропорциональности. Так, при изменении В/Ц с 0,45 (например, 400 кг цемента на 180 л воды) до 0,65 (300 кг цемента на 195 л воды) ползучесть бетона удваивается, и соответственно падает прочность, Если для экономии цемента снижают величину В/Ц, то возрастающую при этом жесткость бетонной смеси стремятся уменьшить введением в состав различных пластификаторов, поверхностно-активных веществ и т.п. Жесткая смесь плохо заполняет форму, поэтому укладку таких смесей проводят с использованием интенсивного уплотнения с применением вибраторов. Однако эти меры все же не могут избавить от необходимости повышать величину В/Ц в бетоне существенно выше теоретически необходимой. Таким образом, стремление к снижению массы изделий и расхода цемента за счет уменьшения В/Ц в бетонных смесях входит в противоречие с существующими ограничениями технологического порядка.
В разработанной новой технологии для изготовления тонкостенных изделий и сооружений из армобетона в виде тонкостенных оболочек предлагается использовать метод послойного электростатического нанесения сухих порошковых компонентов бетонной смеси на формообразующий арматурно-сеточный каркас изделия с одновременным или периодическим увлажнением наносимых слоев тонкораспыленной водой, содержащей поверхностно-активные вещества [2].
Нанесение дозированного количества воды на покрываемый бетоном сеточный каркас сооружения производят распылителем, который регулируют так, чтобы обеспечить максимально тонкий распыл воды, В заводских условиях регулируемое увлажнение смеси можно проводить водяным паром, при этом возможно совмещение увлажнения с термообработкой бетона. Данная технология позволяет получать водоцементное отношение в бетоне весьма близким к теоретическому значению, при этом предельно малая величина В/Ц не затрудняет процесс формования изделия или сооружения с малой толщиной стенок сложной конфигурации.
Основными сухими компонентами смеси для электростатического нанесения бетона на сеточный каркас являются цемент, тонкий песок, упрочняющие волокна (базальтовые, асбестовые, из боросиликатного стекла, углеродные, полимерные и др.). Кроме того, покровный слой может содержать добавки, придающие бетону специальные свойства. Технология электростатического формования применима для изготовления тонкостенных армированных деталей, а также различных оболочек и покрытий сложной формы из армированного бетона. На основе данного способа разрабатываются новые строительные технологии [3,4].
Один из вопросов, требующий особого внимания в новой технологии формования изделий, - это коррозионная стойкость арматуры в бетоне, так как для изделий, предназначенных для изготовления электростатическим формованием, характерна малая толщина слоя бетона, защищающего сталь от коррозии.
Выбор минимальной толщины защитного слоя бетона зависит от многих факторов: химического состава цемента и типа заполнителя, плотности бетона, от влажности и химического состава окружающей среды, температурных условий, характера и интенсивности механических нагрузок, требуемой степени надежности и долговечности конструкции и т. д. В общем случае рекомендуют брать толщину защитного слоя бетона не менее 20 мм.
Известно, что бетон, находящийся в контакте с атмосферой, более или менее быстро карбонизируется. Карбонизация приводит к медленному изменению структуры материала. Это явление имеет положительные и отрицательные стороны. Пока карбонизация не дошла до глубоких слоев бетона, контактирующих с поверхностью стальной арматуры, — она играет положительную роль, так как вследствие карбонизации повышается плотность, твердость и прочность бетона. Отрицательные последствия глубоко проникшей карбонизации связаны со снижением основности бетона, т.е. с понижением его щелочности и потерей бетоном химических свойств, предотвращающих коррозию стальной арматуры.
Гидратированные цементы содержат известь Са(ОН)2, силикаты, алюминаты кальция, а также некоторое количество щелочей NaOH и КОН. Эти компоненты могут находиться в составе цемента в разном количестве в зависимости от характера вяжущего. Однако по прошествии определенного времени почти все прогидратировавшие компоненты смогут карбонизоваться, хотя с разной скоростью. Определенно можно сказать, быстрее всех подвергаются карбонизации двух- и трехкальциевые силикаты (2СаО-8Ю2и 3CaOSi02) портлан- дцементов, в результате чего получается углекислый кальций.
В результате карбонизации цементов увеличивается их масса. Появляющаяся в процессе химических реакций вода сама является катализатором карбонизации. Кроме того, повышенная влажность окружающего воздуха и колебания температуры способствуют появлению в капиллярах бетона воды, что также ускоряет процесс карбонизации. Таким образом, карбонизация прогрессируете поверхности вглубь бетона, вызывая нейтрализацию щелочности цемента. Процесс идет тем быстрее, чем выше пористость материала.
Для характеристики химической активности среды часто используют “водородный показатель", обозначаемый как pH. Водородный показатель - это десятичный логарифм концентрации водородных ионов Н+, взятый с обратным знаком, т.е. pH = - lg [Н+]. Например, чистая вода имеет pH = 7. Раствор с pH < < 7 - кислый, а с pH > 7 - щелочной. Для характеристики химического состояния бетона также используют величину pH.
В результате карбонизации значение pH бетона снижается с 12,6 до 10 (для углекислого кальция) и падает ниже 10 для смеси углекислого кальция с бикарбонатом кальция Са(НСОэ). Многие исследователи условно считают, что как только pH бетона падает ниже 10, он теряет способность надежно защищать арматуру от коррозии. Вообще, минимальным критическим значением pH для бетона считают величину 11,8.
Известь, образующаяся в результате гидролиза вяжущего, растворяется в воде насыщения и через микропоры выносится на поверхность бетона. При колебаниях влажности и температуры вода испаряется, а известь откладывается и карбонизируется под действием диоксида углерода воздуха. На поверхности бетона образуются беловатые “высолы” углекислого кальция. Таким образом, высолы свидетельствуют о недостаточной плотности бетона, т.е. о большой насыщенности его капиллярами, а также о низком расходе вяжущего. В свою очередь, как отмечалось выше, насыщенность бетона капиллярами есть следствие завышенной величины В/Ц. Через несколько месяцев скорость карбонизации становится обратно пропорциональной глубине прошедшей карбонизации, так как верхний слой образовавшегося углекислого кальция препятствует дальнейшему прониканию углекислоты.
Некоторые исследователи, рассматривая под микроскопом пробы затвердевшего бетона с раковинами или включениями пузырьков воздуха, отмечали, что эти пустоты забиты кристаллами кальцита [1]. Из этого сделан неправильный вывод о том, что это свидетельствует о внутренней карбонизации гидрата окиси кальция, вступающего в контакт с углекислым газом, содержащимся в составе вовлеченного воздуха.
Мы считаем, что для протекания указанного процесса находящегося в пустотах бетона углекислого газа совершенно недостаточно. Предположим, что исследуется очень крупная пора, например, объемом в 1 см3. В нормальной атмосфере содержание углекислого газа равно 0,03 %. Следовательно, в указанном объеме воздуха внутри поры содержится очень малое количество диоксида углерода - не более 0,0006 мг. С участием этого количества С02 может образоваться всего лишь 0,0011 мгСаС03. Плотность кристаллического кальцита равна 2,71 г/см3, следовательно объем образовавшегося кристалла равен 0,0004 мм3. Если предположить, что образовался ромбоэдрический кристалл, то его поперечный размер будет равным примерно 0,075 мм. Такой кристалл кальцита внутри крупной лоры бетона будет различим только в сильную лупу.
На самом деле поры в бетоне заполняются кристаллами кальцита, которые образуются с участием атмосферного углекислого газа, который медленно, но непрерывно в течение длительного времени поступает в бетон за счет диффузии атмосферного воздуха. Следует признать, что абсолютно непроницаемым для газа бетон никогда не бывает. Поэтому можно говорить лишь о большей или меньшей проницаемости бетона.
Метод электростатического формования изделий из армобетона позволяет создавать многослойную структуру бетонного покрытия арматурно-сеточного каркаса. Тем самым появляется возможность получать внутренний слой бетона с повышенной плотностью и основностью так, чтобы он лучше защищал арматуру от коррозии несмотря на свою малую толщину. С этой целью для нанесения на арматурно-сеточный каркас первого слоя бетона целесообразно использовать цемент с повышенным содержанием щелочных компонентов, желательно без гипсовых и пуцоллановых добавок. Кроме того, при формировании этого слоя в состав сухой смеси и распыляемой воды могут быть введены ингибирующие и уплотняющие добавки.
Для повышения плотности защитного слоя бетона необходимо проводить увлажнение нанесенных сухих компонентов бетона таким количеством воды, чтобы обеспечить величину В/Ц, близкую к теоретическому значению для данного типа цемента. Для лучшей защиты арматурно-сеточного каркаса от коррозии возможно использование специальных покрытий, применяемых в строительной практике. В частности, первый слой бетона, наносимый на каркас, целесообразно увлажнять водой с добавкой водорастворимых полимеров (поливинилацетатной эмульсии, некоторых видов смол и т. д.). Последующие слои бетона могут быть обычного типа, состав которых выбирается исходя из назначения изделия из армобетона.
При традиционном способе укладки бетона принимают меры, предупреждающие преждевременное высыхание бетона. В противном случае после его укладки наблюдается более низкая степень гидратации цемента, образование сетки трещин на поверхности, появление усадочных трещин до схватывания и, как следствие, повышенная пористость бетона [5]. В бетоне электростатического формования образование усадочных трещин можно избежать из-за малой толщины стенок изделий.
Степень пористости бетона влияет на скорость карбонизации. Для повышения качества бетона, в том числе снижения его пористости, бетон после затворения должен быть защищен некоторое время от быстрого испарения содержащейся в нем воды. В технологии электростатического бетона защита его от преждевременной потери воды особенно важна по следующим причинам:
изделия и сооружения из электростатического бетона имеют малую толщину стенок, т.е. имеют более высокий модуль поверхности, что ускоряет испарение воды и обезвоживание бетона;
в процессе изготовления не используются опалубки или формы, поэтому вода может свободно испаряться со всей поверхности изделий;
при обычной укладке бетона вода затворения в смеси всегда присутствует в избытке. В новой технологии увлажнение электростатического бетона проводится дозированным количеством воды с учетом обеспечения минимальной величины В/Ц. Это существенное преимущество электростатического формования, но оно требует исключения неконтролируемой потери воды после формования бетона,
Поэтому в технологии электростатического бетона завершающая стадия должна включать нанесение на осажденный бетон защитного слоя, предотвращающего испарение воды с поверхности изделия. Для этого могут быть использованы известные защитные покрытия на основе смол, восков или парафинов в водных эмульсиях. Кроме того, составы для покрытия могут быть приготовлены из природных или синтетических смол с использованием специальных нефтяных растворителей. В отдельных случаях роль укрывочного материала может выполнять специально нанесенный покровный слой, который одновременно выполняет более долговременную и важную функцию, например сообщает бетону влагонепроницаемость, повышенную коррозионную стойкость и др.
Нанесение защитного слоя, предотвращающего испарение воды из бетона, удобно проводить с помощью тех же распылителей и вспомогательного оборудования,какие применяют для увлажнения бетона в процессе производства изделий электростатическим способом.
Применение рассмотренных технологических приемов электростатического формования бетона позволят обеспечить необходимую защиту от коррозии арматурно-сеточного каркаса при относительно небольшой толщине стенок изделий и сооружений.
Бетон и железобетон, 2003 №4