Показана применимость аналитических (рН-метрия) и физических методов (ИК-Фурье спектроскопия, рентгенофлуорисцентный анализ) исследования для получения практически важной информации для выявления причин образования дефектов при ремонте железобетонных конструкций. Вероятными причинами отслоения и растрескивания ремонтного состава стали недостаточная подготовка поверхности вследствие некорректно определенной глубины карбонизации, потенциально высокая реакционная способность крупного заполнителя с большим содержанием минерала доломита, а также образование эттрингита на границе раздела между ремонтным составом и ремонтируемой поверхностью, сопровождающееся увеличением объема.
ремонт бетона, адгезия, карбонизация, доломит, эттрингит.
Введение. Конструкции на предприятиях химической отрасли могут подвергаться воздействию различных сред на незначительном по протяженности участке: кислоты, щелочи, органические соединения и т.д. Обследование является обязательным этапом при подготовке проектов реконструкции промышленных предприятий. Процедура выполняется в соответствии с различными нормативными документами: ФЗ-384, ГОСТ 31937, ГОСТ 22690-2015, СП 13-102-2003, СП 20.13330.2011 РД 03-606-03 и др., а также рекомендациями. Стандартной процедуры недостаточно на предприятиях химической отрасли по причине многообразия воздействий. Практика показывает, что для получения целостной картины может потребоваться применение дополнительных специфических методов при обследовании (выявление активной коррозии арматуры в бетоне электрохимическими методами [1-3], применение физических методов для определения химического и фазового состава компонентов [4,5]), или увеличение количества участков для проведения контрольных замеров (определение прочности бетона на сжатие [6], глубины карбонизации слоя бетона [7-9]).
Демонстрация эффективности применения дополнительных физических и химических методов исследования и их практической значимости на конкретном примере является целью данной работы.
Материалы и методы. Контроль рН водной вытяжки из бетона проводили с применением иономера ЭВ-74 со стеклянным электродом в качестве рабочего. Результаты представлены по шкале хлоридсеребряного электрода сравнения.
Образцы бетона разрезали на пластины толщиной 10 мм, начиная от поверхности. После чего цементный камень со срезов измельчали до порошка. Крупный заполнитель не использовали при анализе. Рабочие растворы получали экстракцией дистиллированной водой из порошка бетона в течение одного часа при постоянном перемешивании. Соотношение вода/бетон принято 5:1 по массе.
Калибровочная зависимость получена по результатам контрольных измерений на буферных растворах с известными значениями рН и представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Калибровочная зависимость для определения рН растворов.
Расчет рН водной вытяжки из бетона производили по уравнению:
Рентгенофлуорисцентный анализ наиболее широко используется для определения содержаний основных породообразующих элементов в геологических образцах [10]. Методом РФА определяется 87 элементов от бора до урана. Определения фазового состава порошковых материалов производили с помощью прибора S8 Tiger (Bruker).
Метод ИК-спектроскопии используют для установления вещественного состава исходных, промежуточных и конечных конденсированных жидких и твердых веществ [11]. Исследование цементного камня с различной степенью термического поражения методом ИК-спектроскопии использовано авторами работы [12]. Анализ выполнен на ИК-Фурье спектрометре Bruker VERTEX 70.
Пробы для анализа были измельчены до порошкообразного состояния и высушены в воздушно-сухих условиях лаборатории. Анализ и расшифровка результатов выполнены в Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГБОУ ВО «ВГУ».
Результаты и их обсуждение. В рамках капитального ремонта здания промышленной площадки бывшего химического предприятия органического синтеза были выполнены работы по восстановлению несущей способности и финишной отделке колонн цеха и элементов плит покрытия. Работы выполнялись безусадочными ремонтными составами на основании результатов стандартной процедуры обследования, которая не предполагала применения дополнительных методов обследования. Наряду с ремонтом бетона было произведено усиление несущих колонн угле-пластиковыми холстами. Работы по ремонту бетона выполнялись по технологии, рекомендованной производителем материалов. Некоторые этапы выполнения представлены на рис. 2.
Рисунок 2 - Этапы проведения ремонта колонн:
а) подготовка поверхности, увлажнение; б) установка маяков и обработка арматуры; в) общий вид отремонтированных конструкций.
Через несколько месяцев после окончания ремонта было зафиксировано образование дефектов в виде отслоений и растрескиваний ремонтного состава (рис. 3). Площадь участков с локальным отслоением составила около 30% от общей площади ремонтов.
Рисунок 3 - Дефекты ремонтного состава: растрескивание, отслоение.
Возникла задача по установлению причин образования дефектов и предоставлению рекомендаций по их устранению.
Низкое качество ремонтного материала и брак при производстве работ были проверены в первую очередь и отклонены. При проверке паспортов качества не выявлено отклонений от технических условий, в соответствии с которыми производили сухие смеси. Материалы применяемых партий не имели дефектов на других объектах.
В рамках контроля качества ремонтных работы произвели осмотр эталонных участков, выполненных в соответствии с требованиями стандарта поставщика и в присутствии его представителей. На эталонных участках также были выявлены отслоения ремонтного состава.
При контроле адгезии ремонтного состава по методу нормального отрыва [13] на незначительном расстоянии от дефектов были получены значения более 2,0 МПа. То есть, отслоения ремонтного материала носили локальный характер.
В местах образования дефектов и измерения адгезии провели контроль щелочности старого бетона с применением фенолфталеиновой пробы. Малиновая окраска отсутствовала в местах отслоений и была в местах с адгезией более 2,0 МПа. Это свидетельство карбонизации бетона на участках с дефектами.
Для более точного определения глубины карбонизации слоя старого бетона были отобраны образцы на дефектных и бездефектных участках. Результаты определения рН представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Водородный показатель среды (рН) в исследуемых бетонах
|
Образец бетона |
Дефектный участок |
Бездефектный участок |
||||
|
Расположение пластины от поверхности, см |
0,0-1,0 |
1,0-2,0 |
2,0-3,0 |
0,0-1,0 |
1,0-2,0 |
2,0-3,0 |
|
Е, мВ |
-170 |
-165 |
-240 |
-260 |
-265 |
-290 |
|
рН |
9,33 |
9,24 |
10,55 |
10,91 |
10,99 |
11,43 |
Результаты определения рН позволяют прогнозировать глубину карбонизации на образце с дефектного участка до 20 мм от поверхности [14]. На бездефектных участках карбонизация не обнаружена. Таким образом, полученные результаты полевых и лабораторных измерений находятся в удовлетворительном соответствии.
На основании полученных результатов были даны рекомендации по дополнительному контролю карбонизации на участках, предназначенных для ремонта. В местах выявления дефектов предложено удалить слой бетона на глубину карбонизации.
После выпадения атмосферных осадков в местах незакрытого контура здания было отмечено образование высолов в местах контроля адгезии (рис. 4). Аналогичные высолы также были отмечены при отборе кернов на дефектных участках на границе раздела старый бетон / ремонтный состав.
Рисунок 4 - Образование высолов в месте контроля
адгезии и отбора кернов.
Для определения фазового состава методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) и функциональных групп с применением ИК-спектроскопии были отобраны образцы крупного заполнителя бетона и порошка высолов.
Результаты РФА представлены в табл. 2, ИК-спектроскопии – на рис. 5.
Таблица 2 - Результаты исследования компонентов бетона методом РФА.
|
Образец |
Название минерала |
Химическая формула |
Содер-жание, % |
|
Крупный заполни-тель |
Доломит |
CaMg(CO3)2 |
95,0 |
|
Кальцит |
CaCO3 |
4,0 |
|
|
Кварц |
SiO2 |
1,0 |
|
|
Порошок высола |
Эттрингит |
Ca6Al2(SO4)3(OH)12∙26H2O |
80,0 |
|
Кальцит |
CaCO3 |
12,0 |
|
|
- |
AlPO4 |
5,0 |
|
|
Алюминат кальция |
CaAl2O4 |
3,0 |
Рисунок 5- Результаты ИК-спектроскопии порошка бетона в области образования высола (а) и высола (б).
На ИК-спектрах цементного камня и порошка высолов отмечены характерные полосы поглощения гидроксильных групп (ОН-) различной природы в области 3000–3750 см-1, полосы иона карбоната кальция (СО32-) в области 874 и 1430 см-1, а также широкая полоса поглощения в интервале 900–1200 см-1 кремнекислородных групп.
Анализ фазового состава заполнителя бетона показал, что основным веществом заполнителя является доломит. Данный минерал ограниченно применяется при изготовлении бетона. Карбонат магния является породообразующим веществом доломита. Карбонат магния переходит в форму гидроксида магния Mg(OH)2 в щелочной среде. Гидроксид магния является нерастворимым соединениям, что приводит к сниже-нию щелочности и, как следствие, ослаблению адгезии на границе старый бетон/ремонтный состав [15].
При производстве бетонных и железобетонных конструкций использованию доломита должны предшествовать серьезные исследования этого материала, в частности характеристик, влияющих на долговечность конструкций из бетона на данном заполнителе. Такие исследования должны включать в себя оценку возможности распада доломита в щелочной среде бетона, оценку его реакционной способности со щелочами в бетоне, оценку влияния электропроводных зерен доломита на коррозию стальной арматуры.
Результаты анализа фазового состава высола показали высокое содержание минерала эттрингита. Известно, что данный минерал образуется при сульфатной коррозии бетона [16]. Образование эттрингита сопровождается значительным увеличением объема [17], способным вызывать отложение на границе раздела старый бетон/ремонтный состав.
Примечательно, что процесс коррозии бетона, вызванный образованием эттрингита, характеризуется высоким темпом кристаллизации новообразований в период до 90 суток твердения и снижением темпов в последующие сроки [18,19,20]. Образование основного количества дефектов на рассматриваемом объекте произошло в обозначенный период.
Выводы.
По результатам дополнительных исследований были сформулированы окончательные рекомендации:
– для прекращения и торможения процесса образования эттрингита произвести закрытие контура здания и монтаж кровли;
– при определяющем влиянии вторичного загрязнения сульфатами технология должна быть модифицирована, путем более глубокого удаления загрязненного слоя бетона;
– в местах локального отслоения ремонтного состава при сохранении внешней целостности участка произвести инъектирование полимерными составами низкой вязкости для восстановления адгезии.
Общий вывод по результатам проведенной работы может быть сформулирован следующим образом. К возникновению дефектов привел комплекс факторов: с одной стороны, накопление сульфатов в теле ремонтируемых конструкций, с другой – использование специфических заполнителей в ходе строительства. Информация, полученная с применением допол-нительных физических и химических методов анализа, требует тщательного анализа и должна быть принята во внимание при корректировке проекта реконструкции.
1. ОДМ 218.3.001-2010. Рекомендации по диагностике активной коррозии арматуры в железобетонных конструкциях мостовых сооружений на автомобильных дорогах методом потенциалов полуэлемента. – М., 2010. – 20 с.
2. ASTM C. 876-99. Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. ASTM International, West Conshohocken, PA., 1999.
3. Polder R., Andrade C., Elsener B., Vennesland Ø., Gulikers J., Weidert R., Raupach M. Test methods for on site measurement of resistivity of concrete. RILEM TC 154-EMC: Electrochemical techniques for measuring metallic corrosion. Materials and Structure. 2000. No. 33(10). Pp. 603-611.
4. Бадикова А.Д., Сидельников А.В., Ширяева Р.Н., и др. Определение соединений кремния в составе заполнителей бетона их отходов производсвт // Nanotechnologies in Construction, 2018. – Т. 10. – №. 6. – С. 184-200.
5. Moradllo M.K., Sudbrink B., Hu Q., Aboustait M., Tabb B., Ley M.T., Davis, J.M. Using micro X-ray fluorescence to image chloride profiles in concrete. Cement and Concrete Research. 2017. Vol. 92, Pp. 128-141.
6. ГОСТ 22690-2015. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. – М., НИИЖБ, 2016. – 24 с.
7. ОДМ 218.2.044-2014. Рекомендации по выполнению приборных и инструментальных измерений при оценке технического состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах. – М., 2014.
8. Улыбин А.В., Зубков С.В., Федотов С.Д., и др. Техническое обследование строительных конструкций комплекса производственных зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014. – Т. 7. – № 22. – С. 194-217.
9. Гильмутдинов Т. З., Федоров П. А., Латыпов В. М. Результаты исследований по ускоренной карбонизации бетона и цементного камня во влажных условиях эксплуатации // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2016. – №. 1(35). – С. 155-164.
10. Черноруков Н.Г., Нипрук О.В. Теория и практика рентгенофлуоресцентного анализа. Электронное учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. – 57 с.
11. Зинюк Р.Ю., Балыков А.Г., Гавриленко И.Б., Шевяков А.М. ИК-спектроскопия в неорганической технологии. – Л., Химия, 1983. – 160 с.
12. Зырянов В.С., Кузнецов К.Л., Шеков А.А. Определение степени термического поражения бетонов на основе цемента ОАО «АнгарскЦемент» методом ИК-спектроскопии // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России, 2015. – № 3(74).
13. ГОСТ 31356-2007. Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний. – М., Стандартинформ, 2009. – 16 с.
14. Перкинс Ф. Железобетонные сооружения. Ремонт гидроизоляция и защита. – М., Стройиздат, 1980. – 256 с.
15. ГОСТ 8269.0-97 Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний (с Изменениями N 1, 2, с Поправками). – М., Стандартинформ, 1998. – 56 с.
16. Самченко С.В. Формирование и генезис структуры цементного камня/ Монография – М.: Московский государственный строительный университет, Ай Пи Эр Медиа, ЭБС АСВ, 2016. – 284 с. Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/49874
17. Самченко С.В. Роль эттрингита в формировании и генезисе структуры камня специальных цементов. РХТУ им. Д.И.Менделеева. – М., 2005, 154 с.
18. Федосов С.В., Базанов С.М. Оценка коррозионной стойкости бетонов при образовании и росте кристаллов системы эттрингит/таумасит // Строительные материалы. 2003. – №1. – С. 13-14.
19. Рязанова В.А. Особенности сульфатной коррозии бетона в условиях направленного влагопереноса // Башкирский химический журнал. 2016. – Т. 23. – №3. – С. 45-52.
20. Самченко С.В. Электронно-микроскопические исследования цементного камня, подвергнутого сульфатной агрессии // Цемент и его применение, 2005, №1, с. 36-40.
