Термическая стойкость цементных систем с активными минеральными добавками

Введение. Термическая коррозия цементного камня (ЦК) представляет собой серьезную проблему на объектах коммунального хозяйства и других сооружениях, эксплуатируемых в условиях повышенной температуры и влажности. Этот вид коррозии достаточно хорошо исследован специалистами по тампонажным работам, однако слабо изучен в строительном материаловедении. В связи с тем, что технологии тампонажных и строительных работ имеют существенные различия, необходимы дальнейшие исследования в этой области.

Материалы и методы. Для исследований использовали золу уноса Смоленской ГЭС, доменный гранулированный шлак Новолипецкого металлургического комбината в дозировке 30 %, в качестве вяжущего — портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ЗАО «Осколцемент» (ГОСТ 31108–2020). Предел прочности при сжатии и изгибе образцов определяли на гидравлическом прессе ПГМ-100МГ4. Для анализа продуктов гидратации использовали рентгенофлуоресцентный спектрометр ARL 9900 Work Station, синхронный термоанализатор STA 449 F1 Jupiter NETZSCH, микроструктуру ЦК изучали с помощью РЭМ Tescan Mira 3.

Результаты. Установлено, что активные минеральные добавки золы и шлака повышают коэффициент термической стойкости ЦК с 0,47 до 0,69 (шлак) и 0,72 (зола) к 12 мес. испытаний. При помощи комплексного применения методов рентгенофазового и дериватографического анализов с электронно-микроскопическими исследованиями выявлены значительные отличия между продуктами гидратации в нормальных и термовлажностных условиях. Структура камня при длительном твердении в термовлажностных условиях имеет сложный и неоднородный характер, наряду с тоберморитовым гелем происходит образование хорошо закристаллизованных гидросиликатов кальция различной основности.

Выводы. Добавление активных минеральных добавок золы и доменного гранулированного шлака способствует повышению термической стойкости ЦК. При повышенной температуре и влажности интенсифицируется образование низкоосновных гидросиликатов, что нивелирует разницу между растворимостью зон срастания и изолированных частиц и тем самым способствует повышению термической устойчивости системы.

1. Shen Z., Zhou H., Brooks A., Hanna D. Evolution of elastic and thermal properties of cementitious composites containing micro-size lightweight fillers after exposure to elevated temperature // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 118. P. 103931. DOI: 10.1016/j.cem-concomp.2021.103931

2. Yu Z., Zhang F., Ma X., Yang F., Hu D., Zhou H. Experimental Study on Thermal Expansion Behavior of Concrete under Three-Dimensional Stress // Advances in Civil Engineering. 2021. Vol. 2021. Issue 1. DOI: 10.1155/2021/5597918

3. Мазур В.А., Куценко Т.Н., Петров С.В. Выбор рационального метода ремонта монолитных железобетонных оболочек градирен с учетом использования различных средств подмащивания // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2020. № 6 (146). С. 11–18. EDN FCPRGC.

4. Чашин Д.Ю., Толыпин Д.А. Проблемы деструкции бетона в условиях повышенных технологических температур и влажности // Инженерное дело на Дальнем Востоке России : мат. VII Всерос. науч.-практ. конф. 2023. С. 94–98.

5. Славчева Г.С., Ким Л.В. Механизмы и закономерности изменения прочностных характеристик бетонов в связи с их температурно-влажностным состоянием // Вестник Инженерной школы Дальне-восточного федерального университета. 2015. № 1 (22). С. 63–70. EDN TNULPV.

6. Толыпина Н.М., Чашин Д.Ю., Хахалева Е.Н. Особенности фазообразования в цементных системах при повышенных температурах и влажности // Наука и инновации в строительстве : сб. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 170-летию В.Г. Шухова. 2023. С. 237–241. EDN DMGCWD.

7. Чашин Д.Ю., Толыпин Д.А. Процессы старения и рекристаллизации цементного камня // Образование. Наука. Производство : сб. докл. XV Междунар. молодежного форума. 2023. С. 62–65. EDN KCVSBA.

8. Moghadam M.A., Izadifard R.A. Effects of zeolite and silica fume substitution on the microstructure and mechanical properties of mortar at high temperatures // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 253. P. 119206. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119206

9. Абрамов С.А. Термическая усталость тампонажного камня и механизм ее проявления в условиях скважин // Нефтегазовая геология, геофизика и бурение. 1984. № 3. С. 48–49.

10. Yanjie B., Hui S., Bai Y., Cai Y. Mechanical properties and damage mechanisms of concrete under four temperature gradients combined with acoustic emission method // Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 57. P. 104906. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104906

11. Рябова Л.И. Тампонажные растворы повышенного качества // Бурение и нефть. 2003. № 1. С. 30–31. EDN ORCJWF.

12. Smith J.D. Durability of Concrete Structures in Hot Water Environments // International Journal of Concrete Research. 2018. Vol. 12 (2). Pp. 145–159.

13. Liu C., Chen J. High Temperature Degradation Mechanism of Concrete with Plastering Layer // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 2. P. 398. DOI: 10.3390/ma15020398

14. Kodur V.K.R., Khaliq W. Effect of temperature on thermal properties of different types of high-strength concrete // Journal of Materials in Civil Engineering. 2011. Vol. 23. Issue 6. Pp. 793–801. DOI: 10.1061/(asce)mt.1943-5533.0000225

15. Чашин Д.Ю., Хахалева Е.Н. Первичная защита бетона при воздействии повышенных температур и влажности // Наука и инновации в строительстве : сб. докл. VIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию со дня образования БГТУ им. В.Г. Шухова. 2024. С. 385–389. EDN FMJNAO.

16. Meng T., Chen Y., Ying K., Jin X., Zhan S. Deterioration mechanism of concrete under long-term elevated temperature in a metallurgic environment: A case study of the Baosteel company // Case Studies in Construction Materials. 2021. Vol. 14. P. e00503. DOI: 10.1016/j.cscm.2021.e00503

17. He B., Zhu X., Zhang H., Zheng Q., Zhao H., Onuaguluchi O., Banthia N. et al. Flexural failure of ultra-high performance concrete subjected to the alternating cryogenic and elevated temperature via acoustic emission characterization // Cement and Concrete Composites. 2024. Vol. 151. P. 105583. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105583

18. Кравцов В.М. Термодинамика и механизм процесса коррозии тампонажного камня в условиях сероводородной агрессии // Технология бурения нефтяных и газовых скважин : Межвуз. науч.-техн. сб. 1980. № 7. С. 159–166.

19. Zhao Y., Li G., Fan C., Pang W., Wang Y. Effect of thermal parameters on hydration heat temperature and thermal stress of mass concrete // Advances in Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 2021. Issue 1. DOI: 10.1155/2021/5541181

20. Kim H.J. Comprehensive Study on the Durabili-ty of Concrete in Hot Water Environment // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 754–762.