Химическое взаимодействие реакционноспособных заполнителей со щелочами цементов и продуктами их гидратации влияет на структуру и свойства бетона. Иногда это сопровождается развитием чрезмерно больших деформаций расширения бетона, нарушением его структуры и, как следствие, снижением прочности, упругости и долговечности бетона.
Характер взаимодействия и скорость протекания реакции зависит от активности и крупности зерен заполнителей бетона, количества реакционноспособного компонента, агрессивности окружающей среды и других факторов Присутствующая в заполнителях химически активная разновидность кремнезема вызывает щелочную коррозию бетона. При определенных условиях формирование гелевых новообразований может ограничиться только поверхностным слоем, в этом случае бетон не разрушится. Кроме того, поверхностный слой из новообразований отличается повышенной плотностью и, как следствие, более высокой прочностью.
Рассматривая с этих позиций щебень на волластонитового шлака фосфорного производства, состоящего из силикатного стекла, можно ожидать, что его присутствие в бетонах приведет к повышению прочности или снижению расхода цемента. Шлаковое стекло, вступая в химическое взаимодействие, способствует образованию в зоне контакта между заполнителем и цементным камнем значительно большего количества геля, чем в бетоне на традиционных заполнителях, который, проникая в трещины и пустоты, повышает плотность контактного слоя, улучшая при этом сцепление цементного камня с заполнителем. Это *подтверждается результатами проведенных экспериментов.
Петрографическими исследованиями установлено, что ширина контактной зоны между цементным камнем и заполнителем в бетоне на шлаковом щебне, как правило, в 1,5–2 раза больше, чем в бетоне на гранитном щебне. Этим, очевидно, объясняется тот факт, что в бетоне на шлаковом щебне меньше дефектов в зоне контакта. О более высокой плотности бетона на шлаковом щебне свидетельствует и его водопоглощение, которое в среднем на 22% ниже, чем на традиционном гранитном заполнителе; газопроницаемость образцов бетона на шлаковом щебне также оказалась выше.
Высокое качество бетона на шлаковом щебне подтверждают и результаты производственных испытаний железобетонных виброгидропрессованных напорных труб на водонепроницаемость и трещиностойкость. По данным Куйбышевского завода ЖБИ-7 применение в качестве крупного заполнителя для бетона напорных труб шлакового щебня вместо гранитного, не обладающего способностью к химическому взаимодействию, позволяет на 15–20% повысить выпуск труб 1-го класса.
Лучшее сцепление цементного камня со шлаковым заполнителем в зоне контакта повышает также прочность бетона при растяжении. При испытании на осевое растяжение бетонных призм диаметром 120 мм высотой 480 мм, уплотненных вибрированием бетона на шлаковом щебне оказалось выше в среднем на 24% по сравнению с бетоном на граните, а уплотненных вибропрессованием на 15%.
Более высокая прочность бетона на растяжение наряду с повышенным модулем упругости и меньшими потерями преднапряжения в арматуре в результате усадки и ползучести бетона повышает трещиностойкость труб из бетона на шлаковом щебне. Это позволяет улучшить качество железобетонных виброгидропрессованных напорных труб.
Влияние химического взаимодействия на развитие коррозионных процессов в бетоне изучали по методике НИИЖБ в ходе наблюдений за удлинением бетонных призм, изготовленных на гранитном и шлаковом заполнителях, которые находились в течение 12 мес в воде и в 0,2%-ном растворе NaOH. В бетоне на шлаковом щебне процесс взаимодействия протекает с большей скоростью и приращение линейных деформаций удлинения образцов происходит интенсивнее, чем в образцах из бетона на гранитном щебне. Замена кварцевого песка дробленым шлаковым способствует повышению скорости химического взаимодействия и дополнительному приращению деформации расширения бетона. Однако и в этом случае удлинение бетонных образцов не превышает 0,05%, что в 2 раза меньше допустимого. Линейные деформации расширения бетонных образцов, хранившихся в воде, оказались еще ниже.
Все это свидетельствует о том‚ что в бетоне на шлаковом щебне протекают нормальные физико-химические процессы твердения и даже при нахождении образцов в сильнощелочной среде (рН > 12,5) линейные деформации расширения не превышают допустимых, что указывает на высокую долговечность исследуемых бетонов.
Испытания бетонных образцов на морозостойкость подтвердили, что замена гранитного щебня шлаковым не снижает долговечность бетона – образцы успешно выдержали более 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания без снижения объемной массы и прочности на сжатие.
О положительном влиянии химического взаимодействия в поверхностном слое шлакового заполнителя на прочность и долговечность бетона свидетельствуют также результаты испытания бетонных образцов, твердевших в различных средах, на изгиб и сжатие. Эти эксперименты осуществляли на балочках размером 40х40х160 мм. В качестве крупного заполнителя бетона применяли шлаковый щебень. Крупностью 5–10 мм, а мелкого – кварцевый и дробленый шлаковый песок. Для сравнения изготовили контрольные образцы на традиционных заполнителях.
После пропаривания образцы продолжали твердеть на воздухе, в воде и в 0,2%-ном растворе NaOH. Предполагалось, что на воздухе химическое взаимодействие активной части шлаковых заполнителей с продуктами гидратации цемента будет проходить медленнее, следовательно, и влияние его на структуру и прочность бетона будет оказываться в меньшей степени.
При нахождении образцов в воде условия для взаимодействия были более благоприятными. В 0,2%-ном растворе NaOH создавался форсированный режим химического взаимодействия. В результате испытаний установлено, что прочность бетона, твердевшего в течении двух лет в 0,2%-ном растворе NaOH, на воздухе и в воде постоянно повышалась.
Однако интенсивность роста прочности бетона, твердевшего на воздухе, оказалась ниже находившихся в воде и в сильнощелочном растворе NaOH. Прочность при сжатии образцов, твердевших в течении 12 мес на воздухе, по сравнению с прочностью бетона после пропаривания возросла на 38–40%, прочность образцов, твердевших после пропаривания в растворе NaOH, повысилась на 62–75%, а образцов, твердевших в воде, – на 63–73%.
Образцы из бетона на гранитном щебне и кварцевом песке набирали прочность на протяжении всего периода наблюдения, но с меньшей скоростью, чем на шлаковых заполнителях. В бетоне на шлаковом щебне за два года нахождения в сильнощелочном растворе NaOH каких-либо процессов, вызывающих снижение прочности и долговечности бетона, не наблюдалось.
Образцы-балочки серии II не пропаривали, а после суточного твердения в нормальных условиях помещали в 0,2%-ный раствор NaOH и насыщенный раствор Ca(OH)2. Таким образом, бетонные образцы в агрессивную среду поступали с меньшей начальной прочностью и отрицательное влияние химического взаимодействия в бетоне на его прочность должно было бы проявиться в большей степени, чем в образцах серии I.
Из сравнения полученных результатов испытаний образцов-балочек на изгиб и сжатие в различном возрасте видно, что прочность бетонных образцов, твердевших в течение 6 мес в растворах постоянно повышалась.
Такой характер роста прочности бетона присущ образцам не только на шлаковом щебне плотной, мелкокристаллической, но и пористой структуры, однако относительная величина прироста прочности на растяжение у него несколько выше. В этом случае положительное влияние на повышение прочности сцепления цементного камня с заполнителем оказывает не только химическое взаимодействие в зоне контакта, но и пористый характер поверхности заполнителя.
Таким образом, полученные результаты подтверждают, что если процесс химического взаимодействия ограничивается поверхностным слоем, как, например, у заполнителей из шлака фосфорного производства, то это способствует развитию в бетоне не деструктивных процессов, а конструктивных, повышающих плотность, прочность бетона и, как следствие, его долговечность.
При выпуске железобетонных виброгидропрессованных напорных труб на щебне из шлака фосфорного производства отмечается их высокое качество.