Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ БИОЦИДНЫХ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ С АКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ

Ерофеев В.Т. 1 Федорцов А.П. 1 Карпушин С.Н. 1 Воронов П.В. 1 Родин А.И. 1 Болдина И.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
Рассмотрены результаты сравнительных исследований стойкости цементных композитов, изготовленных с применением портландцемента общего назначения и цементов с биоцидными свойствами. Для получения цементного камня использовали пять видов вяжущих, приготовленных в лабораторных условиях: рядовой портландцемент, биоцидный портландцемент, биоцидный портландцемент с активной минеральной добавкой. При исследовании коррозионной стойкости материалов в качестве агрессивных сред рассматривали водные растворы кислот, бензин АИ-92, машинное масло, воду. Установлены зависимости изменения массосодержания и коэффициента стойкости исследуемых составов после испытания в агрессивных средах. Проведена математическая обработка результатов эксперимента с целью установления кинетических зависимостей стойкости.
биоцидные цементы
активные минеральные добавки
цементные композиты
химическая стойкость
агрессивные среды
1. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учебник для вузов / Ю.М. Баженов. – М.: АСВ. – 2003. – 499 с.
2. Биологическая и климатическая стойкость цементных композитов / В.Т. Ерофеев, А.И. Родин, А.В. Дергунова, Е.Н. Сураева, В.Ф. Смирнов, А.Д. Богатов, С.В. Казначеев, С.Н. Карпушин // Academia. Архитектура и строительство. – 2016. – № 3. – С. 119–126.
3. Биоцидный портландцемент с улучшенными физико-механическими свойствами / В.Т. Ерофеев, А.И. Родин, А.Д. Богатов [и др.] // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2012. – Т. 8. – № 3. – С. 81–92.
4. Защита зданий и сооружений от биоповреждений биоцидными препаратами на основе гуанидина / В.Т. Ерофеев, П.Г. Комохов, В.Ф. Смирнов [и др.]. – СПб.: Наука, 2009. – 192 с.
5. Иванов Ф.М. Защита железобетонных транспортных сооружений от коррозии. – М.: Транспорт, 1968. – 175 с.
6. Пат. № 2491239 Российской Федерации, МПК С04В7/52, С1. Биоцидный портландцемент / Ерофеев В.Т., Травуш В.И., Карпенко Н И., Баженов Ю.М., Жидкин В.Ф., Родин А.И., Римшин В.И., Смирнов В.Ф., Богатов А.Д., Казначеев С.В., Родина М.А. // Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский гос. ун-т им. Н.П. Огарёва». № 2012107175/03; заявл. 29.02.2012; опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24.
7. Соломатов В.И. Химическое сопротивление композиционных строительных материалов / В.И. Соломатов, В.П. Селяев. – М.: Стройиздат, 1987. – 261 с.
8. Строганов В.Ф. Биоповреждение строительных материалов / В.Ф. Строганов, Е.В. Сагадеев // Строительные материалы. – 2015. – № 5. – С. 5–9.
9. Федорцов А.П. Позитивная коррозия или коррозия по В.И. Соломатову и физико-химическое сопротивление бетонов / Успехи строительного материаловедения // Юбилейная конф. М., 2001. – С. 214–218.
10. Федорцов А.П., Ерофеев В.Т. Повышение физико-химического сопротивления цементных композитов путем применения при их отверждении агрессивных сред / Вестник ВРО РААСН. Вып. 5. Нижний Новгород, 2002. – С. 98–101.
11. Федорцов А.П. Физико-химическое сопротивление строительных композитов и способы его повышения: монография / А.П. Федорцов. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. – 464 с.

Обеспечение надежной работы бетонных и железобетонных изделий и конструкций в условиях воздействия агрессивных сред является одной из наиболее актуальных задач в области строительного материаловедения. Это обусловливается тем, что снижение долговечности бетона сопровождается значительными экономическими затратами. Общий ущерб от коррозии строительных материалов, изделий и конструкций в зданиях и сооружениях достигает 4 % валового национального дохода. При этом значительная доля разрушений в зданиях обусловлена биологической коррозией [2, 4–6]. Ежегодный ущерб от биоповреждений составляет многие миллионы долларов.

Как у нас в стране, так и за рубежом многие ученые работают над изучением процессов биодеградации материалов и разработкой биостойких материалов [2–4, 6, 7]. В работах [2, 3, 6] предложены биоцидные цементы, позволяющие изготавливать биостойкие бетоны и другие цементные композиты. Кроме высоких показателей биологического сопротивления разработанные портландцементы отвечают стандартным требованиям технологических свойств и улучшенными показателями прочности.

Значительное количество железобетонных изделий и конструкций эксплуатируются в условиях химических агрессивных сред, поэтому вновь разрабатываемые материалы должны удовлетворять требованиям химической стойкости. Среда эксплуатации материалов, в частности бетонов, может быть очень агрессивна. Практически все бетоны, используемые в строительстве, подвержены коррозионному воздействию [11]. Скорость их взаимодействия с окружающей средой зависит не только от состава и строения материалов, но и от среды [4, 9–10].

Агрессивные среды по их воздействию на материал можно подразделить на физически, химически и одновременно физически и химически активные среды. Действие физически активных сред в большинстве случаев вызывает обратимые изменения структуры, прочности. Однако в некоторых случаях возможны и необратимые процессы, например вымывание составных частей материала, растворение связующего и т.д. Химически агрессивные среды вызывают, как правило, необратимые изменения структуры материалов и могут привести к изменению прочности [11].

При воздействии агрессивных сред у цементных бетонов снижается прочность, что приводит в некоторых случаях к их разрушению за малый срок эксплуатации. К настоящему времени стойкость цементных композитов на основе биоцидных портландцементов с активными минеральными добавками в химических агрессивных средах не исследована.

В этой связи важным является установление кинетических зависимостей изменения показателей стойкости композитов на основе биоцидных цементов в различных эксплуатационных средах, в качестве которых выбраны среды характерные для различных производственных зданий (химической промышленности, мясомолочных комбинатов, сельскохозяйственных зданий и др.). В качестве агрессивных сред были приняты: вода, 2 % водный раствор H2SO4, 2 водный раствор HNO3, машинное масло, бензин, водные растворы неорганических кислот (1 % H2SO4 и 2 % HNO3, 2 % H2SO4 и 1 % HNO3). Настоящая статья посвящена исследованию стойкости портландцементов, содержащих биоцидную и активную минеральную добавки и сравнению полученных показателей биоцидного и обычного портландцемента. Каждому композиту присвоено условное обозначение:

А – рядовой цемент (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4•2H2O);

Б – биоцидный цемент (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4•2H2O, 3,5 мас. ч. Na2SO4);

В – биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4•2H2O, 3,5 мас. ч. Na2SO4, 20 мас. ч. золы-уноса);

Г – биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4•2H2O, 4,0 мас. ч. NaF, 10 мас. ч. золы-уноса);

Д – биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 11,2 мас. ч. CaSO4•2H2O, 2,0 мас. ч. NaF, 20 мас. ч. золы-уноса).

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1

Стойкость цементного камня на основе биоцидных цементов в различных эксплуатационных средах

Среда выдерживания

Относительные показатели свойств композитов после экспозиции образцов в средах в течение

Массосодержание в зависимости от времени выдержки, %

Коэфф. стойккости в зависимости от времени выдержки, усл. ед.

40 сут

80 сут

110 сут

40 сут

80 сут

110 сут

1

2

3

4

5

6

7

Рядовой цемент (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4–2H2O) – А

Вода

0,27

1,45

0,91

0,96

0,917

0,88

1 % водный раствор H2SO4

1,76

1,70

1,37

1,32

0,48

0,50

1 % водный раствор H2SO4,

2 % водный раствор HNO3

2,65

2,24

2,01

1,12

0,58

0,44

1 % водный раствор HNO3

0,61

1,85

1,42

1,36

0,34

0,47

2 % водный раствор H2SO4,

1 % водный раствор HNO3

2,21

4,66

5,20

1,09

0,58

0,55

Машинное масло

– 0,85

0,32

0,34

1,08

0,97

0,84

Бензин АИ-92

– 0,57

– 0,99

– 2,23

0,98

0,88

0,81

Биоцидный цемент (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4–2H2O, 3,5 мас. ч. Na2SO4) – Б

Вода

0,34

0,67

0,99

0,93

0,90

0,84

1 % водный раствор H2SO4

0,91

1,16

1,74

1,02

0,57

0,46

1 % водный раствор H2SO4,

2 % водный раствор HNO3

2,01

1,04

1,29

0,55

0,46

0,52

1 % водный раствор HNO3

1,42

0,56

0,65

1,19

0,53

0,60

2 % водный раствор H2SO4,

1 % водный раствор HNO3

5,20

2,89

2,97

0,83

0,42

0,45

Машинное масло

– 0,05

0,54

0,82

0,88

0,71

0,65

Бензин АИ-92

– 0,49

– 1,31

– 1,64

0,83

0,78

0,76

Биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4–2H2O, 3,5 мас. ч. Na2SO4, 20 мас. ч. золы-уноса) – В

Вода

0,15

0,74

0,79

0,91

0,88

0,87

1 % водный раствор H2SO4

3,08

2,79

2,96

1,49

0,57

0,56

1 % водный раствор H2SO4,

2 % водный раствор HNO3

0,89

1,06

2,34

1,24

0,59

0,59

1 % водный раствор HNO3

0,17

1,72

1,63

1,37

0,60

0,62

2 % водный раствор H2SO4,

1 % водный раствор HNO3

2,11

2,68

4,11

1,29

0,63

0,58

Машинное масло

– 0,43

0,79

0,29

0,90

0,87

0,72

Бензин АИ-92

– 0,69

– 1,29

– 2,13

0,96

0,88

0,87

Окончание табл. 1

1

2

3

4

5

6

7

Биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4–2H2O, 4,0 мас. ч. NaF, 10 мас. ч. золы-уноса) – Г

Вода

0,16

0,91

1,17

0,92

0,88

0,71

1 % водный раствор H2SO4

2,28

2,07

2,46

0,92

0,73

0,56

1 % водный раствор H2SO4,

2 % водный раствор HNO3

1,34

1,85

3,06

0,98

0,75

0,73

1 % водный раствор HNO3

– 2,49

0,09

0,61

1,02

0,88

0,58

2 % водный раствор H2SO4,

1 % водный раствор HNO3

2,96

2,26

3,04

1,01

0,81

0,67

Машинное масло

– 0,15

– 0,44

– 0,30

1,11

0,76

0,60

Бензин АИ-92

1,41

– 1,95

– 2,25

0,89

0,83

0,79

Биоцидный цемент с активной минеральной добавкой (100 мас. ч. клинкера, 11,2 мас. ч. CaSO4–2H2O, 2,0 мас. ч. NaF, 20 мас. ч. золы-уноса) – Д

Вода

0,11

0,67

1,03

0,88

0,81

0,68

1 % водный раствор H2SO4

3,02

3,29

3,61

0,78

0,75

0,33

1 % водный раствор H2SO4,

2 % водный раствор HNO3

2,48

2,15

1,61

0,87

0,69

0,60

1 % водный раствор HNO3

– 0,72

1,79

1,09

0,91

0,78

0,65

2 % водный раствор H2SO4,

1 % водный раствор HNO3

1,66

2,14

1,85

0,77

0,74

0,51

Машинное масло

– 0,07

– 0,34

– 0,14

0,84

0,68

0,65

Бензин АИ-92

– 1,48

– 1,67

– 3,08

0,97

0,83

0,80

На следующем этапе проведена математическая обработка результатов эксперимента с целью установления кинетических зависимостей стойкости.

Для описания зависимости изменения массосодержания и прочности композитов на основе биоцидных цементов от длительности выдерживания в различных эксплуатационных средах с помощью табличного процессора Excel были рассчитаны уравнения регрессии. Функции, наилучшим образом описывающие тенденции изменения исследуемых свойств, были определены с помощью коэффициента детерминации R2.

Согласно полученным коэффициентам детерминации R2 наилучшими функциями, описывающими изменения массосодержания и прочности для всех композитов на основе различных цементов от длительности выдерживания в средах оказались полиномиальные функции третьей степени:

erofeev01.wmf, (1)

где коэффициент a0 – характеризует уровень ряда при х = 0, однако в нашем случае он не имеет смысла применительно к совокупности и выполняет единственную функцию – позволяет определить положение линии регрессии на графике; a1 – показывает, на сколько изменится коэффициент стойкости при изменении времени длительности размещения в эксплуатационной среде на единицу времени; a2 – ускорение, с которым данное изменение будет происходить; a3 – изменение ускорения.

Коэффициенты полиномиальных функций для показателей изменения массосодержания и коэффициентов стойкости в зависимости от состава композита для различных агрессивных сред приводятся в табл. 2, а графические зависимости на рис. 1–7.

Таблица 2

Результаты расчетов коэффициентов для функций массосодержания и прочности композитов при их выдержке в различных средах

Тип композита

Коэффициенты полиномиальных функций

Изменение массосодержания

Коэффициент стойкости

а3

а2

а1

а0

а3

а2

а1

а0

Для композитов, выдержанных в воде

А

– 0,0044

0,0309

– 0,0592

1,0327

0,0023

– 0,0155

– 0,0098

1,023

Б

0,0033

0

0

0

– 0,0128

0,0985

– 0,2757

1,19

В

– 0,0016

0,012

– 0,0231

1,0127

– 0,0075

0,076

– 0,2655

1,197

Г

– 0,0018

0,0137

– 0,027

1,0151

– 0,0278

0,1845

– 0,4337

1,277

Д

– 0,0011

0,0088

– 0,0176

1,0099

– 0,016

0,1185

– 0,3625

1,26

Для композитов, выдержанных в 1 % водном растворе H2SO4

А

0,0026

– 0,0246

0,0733

0,9487

0,339

– 2,614

5,787

– 2,512

Б

0,0017

– 0,0132

0,0372

0,9744

0,1358

– 1,053

2,2322

– 0,315

В

0,0064

– 0,0551

0,1516

0,8972

0,3858

– 3,0165

6,8347

– 3,204

Г

0,0051

– 0,0433

0,1168

0,9214

0,0207

– 0,1795

0,3158

0,843

Д

0,0047

– 0,0417

0,1228

0,9143

– 0,096

0,6685

– 1,5485

1,976

Для композитов, выдержанных в 1 % водном растворе H2SO4, 2 % водном растворе HNO3

А

0,0054

– 0,0477

0,1318

0,9105

0,1745

– 1,374

3,0185

– 0,819

Б

0,007

– 0,0569

0,1418

0,9081

– 0,0342

0,383

– 1,3568

2,008

В

0,003

– 0,0219

0,0533

0,9656

0,2605

– 2,013

4,4585

– 1,706

Г

0,0025

– 0,0194

0,0539

0,9630

0,0675

– 0,505

1,0185

0,419

Д

0,0043

– 0,0400

0,1146

0,9211

0,0197

– 0,137

0,1393

0,978

Для композитов, выдержанных в 1 % водном растворе HNO3

А

– 0,0038

0,0262

– 0,0455

1,0232

0,4243

– 3,2415

7,1192

– 3,302

Б

0,0054

– 0,0437

0,1076

0,9307

0,2638

– 2,0075

4,3637

– 1,620

В

– 0,005

0,0371

– 0,0744

1,0423

0,3213

– 2,4975

5,6142

– 2,438

Г

– 0,0119

0,0967

– 0,2317

1,1469

0,0013

– 0,0885

0,2752

0,812

Д

– 0,0107

0,0806

– 0,1737

1,1039

0,0045

– 0,0425

0,003

1,035

Для композитов, выдержанных в 2 % водном растворе H2SO4, 1 % водном растворе HNO3

А

– 0,0036

0,0227

1,0018

1,0013

0,1842

– 1,4105

3,0363

– 0,81

Б

0,0165

– 0,1365

0,3462

0,7739

0,114

– 0,807

1,468

0,235

В

0,004

– 0,0317

0,0882

0,9395

0,2582

– 2,0205

4,5403

– 1,778

Г

0,0086

– 0,0697

0,1787

0,8824

0,0467

– 0,3875

0,8478

0,493

Д

0,0007

– 0,01

0,0418

0,9675

– 0,065

0,4875

– 1,2355

1,813

Для композитов, выдержанных в машинном масле

А

– 0,0053

0,0418

– 0,0969

1,0604

0,0273

– 0,2575

0,6612

0,569

Б

– 0,0016

0,0127

– 0,0275

1,0164

0,0257

– 0,178

0,2343

0,918

В

– 0,0056

0,042

– 0,0908

1,0545

– 0,0322

0,2285

– 0,5603

1,364

Г

0,0009

– 0,0064

0,0111

0,9944

0,1065

– 0,8665

1,964

– 0,204

Д

0,0011

– 0,0077

0,0146

0,992

0,0245

– 0,1505

0,122

1,004

Для композитов, выдержанных в бензине АИ-92

А

– 0,0016

0,0105

– 0,0257

1,0169

0,0187

– 0,0152

0,3053

0,828

Б

0,0014

– 0,0098

0,0151

0,9934

– 0,016

0,1565

– 0,5255

1,385

В

– 0,0006

0,0038

– 0,0143

1,0111

0,0168

– 0,119

0,1992

0,903

Г

0,013

– 0,1021

0,2292

0,8599

– 0,0022

0,036

– 0,2028

1,169

Д

– 0,0042

0,0316

– 0,0802

1,0523

0,0363

– 0,2735

0,5392

0,698

Изменение массосодержания цементных композитов в зависимости от вида агрессивной среды различно и имеет свои особенности. Рассмотрим поведение материалов при выдерживании в воде (табл. 1 и рис. 1).

er1a.wmf er1b.wmf

а) б)

Рис. 1. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в воде

Вода и водосодержащие среды относятся к наиболее распространенным агрессивным средам. Содержание воды в среде нередко является определяющим фактором коррозии материалов в различных водных растворах. По результатам исследований [5, 7, 8, 11], прочность цементного бетона при водонасыщении может снижаться на 20–60 % от первоначальной прочности, а затем под влиянием позитивных процессов вновь возрастать. При эксплуатации бетонов в этих условиях возможны частичный или полный вынос внутренней среды, что приводит к нарушению равновесия и разрушению (гидролизу) связующего вещества. Такую коррозию принято называть коррозией выщелачивания или коррозией первого вида. Имеются данные, которые показывают, что после удаления 10 % извести (в расчете на СаО в исходном цементе) прочность цементного камня быстро снижается и его состояние характеризуется как неустойчивое [5]. Выщелачивание СаО из цементного раствора в количестве 15–30 % от общего его содержания в цементе сопровождается уменьшением прочности на 40–50 % и более [7], а при потере 33 % СаО наступает разрушение материала [7].

Результаты многих экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что наиболее водостойкими являются плотные бетоны на портландцементах с активными минеральными добавками, а также на глиноземистом цементе [1, 5, 7, 10].

Повысить водостойкость и уменьшить проницаемость бетонов позволяет также правильный выбор соотношений составляющих в материале. При этом всякое уменьшение проницаемости способствует повышению водостойкости бетонов. Оптимальный состав по проницаемости является также оптимальным и по химической стойкости. Таким образом, получение плотной малопроницаемой структуры бетонов является важным фактором их высокой водостойкости.

Как видно из рис. 1, при экспозиции композитов в воде на протяжении 110 суток у всех образцов произошло увеличение массосодержания и снижение прочности.

Из рис. 1 видно, что коэффициенты стойкости цементного камня на цементах «А», «Б», «В» через 110 сут воздействия воды примерно равны. Различие между наибольшими и наименьшими значениями составляет лишь 0,05. Вместе с тем очевидно, что если коэффициенты стойкости цементного камня на цементах «А» и «Б» сохраняют тенденцию к понижению, то характеристика стойкости камня на цементе «В», содержащего 20 мас. ч. активной минеральной добавки и 3,5 мас. ч. Na2SO4, не имеет заметного изменения после 80 сут воздействия воды. Таким образом, цементный камень на цементе «В», содержащий минеральную и биоцидную добавки, при воздействии воды стабилизирует прочность и в этой связи является более предпочтительным материалом. Для композитов на биоцидных цементах без введения активной минеральной добавки после такого же периода выдерживания в воде коэффициент стойкости составил 0,84 (биоцидный цемент состава 100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4–2H2O, 3,5 мас. ч. Na2SO4). Более низкая стойкость в этом случае объясняется большим поровым пространством композитов, согласно данным изменения массосодержания (см. табл. 1), и, как следствие, ускорением реакции взаимодействия продуктов гидратации цемента с сульфатами. Наименьшую водостойкость имеет камень на цементе «Д». Известно, что при помоле портландцементного клинкера добавляют такое количество двуводного гипса, которое необходимо для связывания его в гидросульфоалюминат кальция за время, когда структура цементного камня обладает способностью воспринимать расширение образовавшегося продукта без разрушения. У портландцемента «Д» содержание SO3 групп составляет более 3,5 %. В этом случае при выдержке цементного камня во влажных условиях или в воде возможно образование эттрингита (ГСАК), который обладает расширяющим действием, приводящим со временем к появлению трещин и разрушению материала. Снижение прочности материала на цементе «Д» при выдержке в воде является следствием появления внутренних напряжений из-за образования расширяющихся продуктов.

Как правило, цементный бетон не предназначается для работы в кислых и других агрессивных средах. Однако практика показывает, что производства, как правило, сопровождаются непредвиденными выбросами и проливами агрессивных сред. Работа цементного бетона и железобетона в случае такой агрессии определяется месяцами, а то и сутками.

Растворы кислот являются не только распространенными, но и наиболее агрессивными средами для большинства композитов как на минеральных, так и на органических связующих веществах. Растворы неорганических кислот, даже концентрации 1–2 %, могут в короткие сроки сделать непригодными для эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции [11].

При экспозиции образцов в 1 % водном растворе H2SO4 на протяжении 110 суток у всех композитов наблюдается увеличение массосодержания и уменьшение прочности. Характер изменения кривых прочности цементного камня при выдержке в растворах кислот отличается от таких же зависимостей, характеризующих его водостойкость (см. рис. 1–5). Их волнообразный характер описывает наличие выраженных химических взаимодействий между составляющими материала и агрессивных сред. Однако, если судить по экспериментальным данным (см. рис. 2–5), материалы на биоцидных цементах, кроме камня на цементе «Б» при выдержке в смешанных растворах, имеют равную или более высокую кислотостойкость, чем камень на рядовом цементе. Так, через 80 сут выдерживания в 1 % растворе H2SO4 образцы цементного камня на рядовом цементе имеют потерю прочности более 50 %, что больше, чем материалы на биоцидных цементах. А при выдержке камня через такое же время в 1 % растворе HNO3 потеря прочности составила около 60 %, что значительно больше, чем у материалов на биоцидных цементах.

Наиболее стойким оказался композит на биоцидном цементе «Г». Массосодержание у него увеличилось в среднем на 2–3 %, а прочность снизилась чуть больше чем на 40 %. При этом характер изменения прочности у данных образцов был разным. Если у образцов состава «Г» прочность снижалась постепенно на протяжении всего периода исследования, то у образцов состава «В» через 80 суток она возросла более чем на 40 %, а к 110 суткам резко снизилась. Наименее стойким оказался композит на биоцидном цементе «Д». К концу исследования у него наблюдается наибольший рост массосодержания – более 3 %, и наибольшее снижение прочности – более 65 %.

При выдерживании образцов в 1 % водном растворе H2SO4, 2 % водном растворе HNO3 наблюдается, так же как и при ранее рассмотренных средах, рост массосодержания и снижение прочности. Как видно из рис. 3, наименьшее снижение прочности показали образцы состава «Г» – чуть больше 25 %. При этом у данных образцов произошло наибольшее увеличение массосодержания – около 3 %. Наименее стойкими оказались образцы, изготовленные на рядовом цементе «А». К концу исследования они показали небольшое увеличение массосодержания – 2 % , и самое значительное снижение прочности – более 55 %.

er3a.wmf er3b.wmf

а) б)

Рис. 3. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в 1 % водном растворе H2SO4 , 2 % водном растворе HNO3

Как видно из рис. 4, при исследовании стойкости композитов в 1 % водном растворе HNO3 у всех образцов произошло увеличение массосодержания и снижение прочности. Наименее стойкими оказались образцы из рядового цемента «А». К концу исследования у них наблюдается рост массосодержания более 1 % и снижение прочности более 50 %, при этом через 80 суток снижение прочности составило около 70 %.

Наиболее стойкими, хоть и не значительно лучше остальных композитов на биоцидных цементах, оказались образцы «Д». На 110 сутки массосодержание у них увеличилось около 1 %, снижение прочности составило 35 %. Остальные же композиты на биоцидных цементах показали практически такое же увеличение массосодержания, но снижение прочности у них составило около 40 %.

er4a.wmf er4b.wmf

а) б)

Рис. 4. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в 1 % водном растворе HNO3

Для образцов, выдержанных в 2 % водном растворе H2SO4, 1 % водном растворе HNO3, после 110 суток экспонирования наибольшее изменение массосодержания (5,20 %) наблюдалось у композитов, изготовленных из портландцемента состава 100 мас. ч. клинкера, 8,6 мас. ч. CaSO4•2H2O, наименьшее (1,85 %) – у композитов состава 100 мас. ч. клинкера, 11,2 мас. ч. CaSO4•2H2O, 2,0 мас. ч. NaF, 20 мас. ч. золы-уноса (рис. 5).

er5a.wmf er5b.wmf

а) б)

Рис. 5. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в 2 % водном растворе H2SO4 , 1 % водном растворе HNO3

Как видно из рис. 6, а, при выдерживании образцов композитов в машинном масле их массосодержание практически не изменилось. Вариация изменения массосодержания составила менее 1 % как в большую, так и в меньшую сторону. Несмотря на сохранение массы, прочность у всех композитов за время проведения исследования снизилась (рис. 6, б). Наименьшее снижение прочности показали образцы на рядовом цементе «А» – около 15 %. Наибольшее снижение прочности показали образцы состава «Г» – 40 %. При этом можно отметить, что у образцов составов «А» и «Г» прочность на 40 сутки показала увеличение, но затем начала снижаться. У образцов составов «Б», «В» и «Д» прочность начала снижаться с начала проведения исследования.

er6a.wmf er6b.wmf

а) б)

Рис. 6. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в машинном масле

er7a.wmf er7b.wmf

а) б)

Рис. 7. Зависимости изменения массосодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в бензине АИ-92

При экспозиции образцов в бензине АИ-92 на протяжении 110 суток образцы всех составов показали снижение массосодержания и прочности. Наибольшую потерю массы показали образцы состава «Д» – 3 %, наименьшую – состава «Б» (около 1,5 %). Наименьшее снижение прочности показали образцы составов «В» и «А» (13 % и 19 % соответственно). Наибольшее снижение прочности показали образцы состава «Б» – 24 %. При этом как видно из рис. 7, б, характер изменения прочности у всех составов достаточно разнообразный.

В целом за весь период исследования можно сказать, что независимо от среды эксплуатации все композиты показали снижение прочности. При этом массосодержание хоть и изменялось, но эти изменения не превышали в основном 1–3 % от первоначальных значений. В пяти средах эксплуатации масса образцов только увеличивалась. В машинном масле изменения составили менее 1 % но как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. А вот при выдерживании в бензине АИ-92 все композиты показали снижение массосодержания. Как уже было сказано выше, независимо от среды размещения прочность у всех композитов снизилась. Выраженную кислотостойкость, по сравнению с другими материалами, имеет цементный камень на цементе «Г», содержащий NaF (4 мас. ч.) и активную минеральную добавку (10 мас. ч.) (см. рис. 2–5). На наш взгляд, объяснить это можно образованием малорастворимого в воде и кислотах фторида кальция согласно уравнению

Ca(OH)2 + 2NaF = CaF2 + 2Na(OH). (2)

Подъемы и опускания кривых массосодержания цементного камня свидетельствуют о том, что при действии сред (всех без исключения) протекают одновременно процессы увеличения массосодержания (насыщения) и вымывания. При действии сред, содержащих серную кислоту, во всех случаях в начальное время выдержки наблюдается интенсивное увеличение массосодержания, что свидетельствует не только о наличии насыщения, но и химического взаимодействия с образованием продуктов, остающихся временно на поверхности образцов. Затем по мере увеличения слоя продуктов с образованием CaSO4•2H2O происходит их отслоение и вымывание, что на кривых отмечается снижением массосодержания.

Таким образом, из полученных результатов наилучшим образом характер изменения массосодержания и прочности композитов на биоцидных цементах, выдерживаемых в различных эксплуатационных средах на протяжении 110 суток, описывает полиномиальная функция третьего порядка. В результате проведенных исследований получены сравнительные данные стойкости в коррозионных средах различных цементов. Выявлена достаточно высокая коррозионная стойкость биоцидных цементов с активной минеральной добавкой.


Библиографическая ссылка

Ерофеев В.Т., Федорцов А.П., Карпушин С.Н., Воронов П.В., Родин А.И., Болдина И.В. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ОСНОВЕ БИОЦИДНЫХ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ С АКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 4-2. – С. 247-256;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41469 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074