Техника - молодёжи 1973-12, страница 39

Нетверть века назад американские специалисты столкнулись с весьма интересным и довольно-таки необычным явлением. Было установлено, что бетонные опоры автодорожных мостов в штатах Вашингтон, Джорджия и Алаб1ма внезапно покрылись сеткой ветвящихся трещин. Такие же трещины были обнаружены и на поверхности некоторых бетонных плотин, возведенных на реках штатов Калифорния, Канзас, Аризона и Невада. Между тем строительные фирмы клятвенно уверяли, что они тут ни при чем, гарантировали тщательность подбора состава бетона и его укладки в сооружения. Разрешить запутанный вопрос и взялась комиссия инженеров Ассоциации портландцемента. С 1947 по 19бЗ год ей пришлось тщательно обследовать бетонные опоры более чем 300 мостов в штатах Джорджия и Алабама. О результатах предпринятого расследования и о его важных последствиях я и хочу рассказать.

Бетон приготавливался из смеси портландцемента, гравия или щебня, песка и воды. У цемента сложный химический состав. Щелочные окислы натрия и калия занимают в нем ничтожную долю (обычно не превышающую 0 6%). Добытый из русла рек штатов Джорджия и Алабама гравий состоял из окатанных обломков самых различных пород, в том числе и кремней... И вот что заметили исследователи: трещины расходились только от тех кремневых зерен, вокруг которых (при отколе бетона) была видна белая оболочка, похожая на фарфор.

Анализ показал: оболочка — это гидросиликат кальция, который мог получиться при химической реакции кремня со щелочами цемента. При этом в кремне был обнаружен опал — аморфная разновидность кремнезема, ближайший родственник знаменитого самоцвета, но темной, мутной окраски, а также халцедон — мелкокристаллическая разновидность кварца. Сам процесс образования трещин представлялся следующим. При реакции вокруг зерна кремня постепенно наращивается оболочка. Сначала киселеобразная масса (гель), она со временем отвердевает. Естественно, что появившаяся оболочка требует дополнительного места, а его-то нет. И тогда, подобно тому как растущая травинка вспарывает асфальт на тротуаре, так и оболочка разрывает бетон. Исходя из этих соображений, специалисты объявили кремни, содержащие опал (а заодно с ним и халцедон), злейшими врагами бетона.

Снисхождение к кремню делалось лишь в том случае, если бетон (вернее, изделия из него) не смачивался речной или дождевой водой. Однако подавляющая часть бетонных сооружений — плотины, опоры мостов и

дорожные покрытия — регулярно увлажняются. Как же строить их? Ведь гравий во многих месторождениях содержит обломки кремней, в которых вполне может быть аморфный кремнезем!

Смятение охватило датских, канадских, американских, а в конце 50-х годов и советских строителей. В специальной литературе появился новый, пугающий термин: «коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителей».

Положение казалось безвыходным. И неудивительно, что те, кто занимался щелочной коррозией, благоразумно ушли в тень, мол, дело теоретиков сигнализировать об опасном кремнеземе, а уж практики пускай выпутываются сами.

Автор этих строк, будучи как раз практиком, в 1958 году заметил, что при быстром нагреве (за 1 мин.) зерна гравия, содержащие опал, мгновенно с треском распадаются на части. И так крошатся не только кремни, но и песчаники, сцементированные опалом и халцедоном, а также вулканические породы — андезиты, трахиты, липариты, у которых вулканическое стекло из-за стремительного охлаждения лавы не успело кристаллизоваться и содержало аморфный кремнезем. В аморфном кремнеземе всегда есть микрокапельки воды. При быстром нагреве вода мгновенно превращается в пар, и тот разрывает породу. Другие же породы (граниты, кварциты) никаких изменений при нагреве не претерпевали — ведь они полнокристаллические, и в них нет аморфного кремнезема.

Так был найден довольно простой способ «обнаружения врага» в гравии, зафиксированный авторским свиде-детельством № 119004.

Химический анализ помог установить, насколько растворяются в щелочах интересующие нас породы. Однако вопрос о степени вредности опала оставался открытым. Было выяснено, что заполнитель с аморфным кремнеземом (и при значительной растворимости в щелочах) иногда почему-то не вызывал разрушений в бетоне. Даже в бетоне, замешенном на щелочном цементе.

Автор этих строк вместе со своими сотрудниками приготовил 179 бетонных призм, где заполнителями послужили подозреваемые в реакционной способности частицы щебня и гравия. Для усиления эффекта в воду при приготовлении бетона была добавлена щелочь. Призмы хранились во влажной камере и каждые полгода извлекались для определения модуля упругости.

Некоторые призмы вели себя очень странно. Например, бетон, в котором использовался гравий из андезитов или из песчаников, сцементированных опалом, с растворимостью в щелочах,

превышающей в 10—15 раз условно принятую норму в 50 единиц, не только не растрескивался, а продолжал наращивать прочность и упругость. Его модуль упругости возрастал так, будто никакого аморфного кремнезема в заполнителях вообще не было. Чем же объяснить это странное явление?

Распределяя, как периодическую систему элементов, показатели физических свойств зерен гравия, озадаченный автор внезапно «прозрел»: только там, где водопоглощение зерен заполнителя составило более 1,5% по весу, гравий, сам по себе весьма реакционно способный, почему-то становился инертным, и бетон выглядел превосходно. Если же использовались ничуть не менее реакционно способные халцедоново-опаловые кремни и вулканические стекловатые породы, но плотные и отличавшиеся ничтожным водопоглощением, то коррозия ш\а вовсю: бетон покрывался трещинами и снижал свою упругость.

Водопоглощение зависит от пористости породы. И если зерно гравия или щебня, скажем, пористое, то оно может поглотить гелеобразный продукт реакции. А так как гелевой оболочки не образуется, в бетоне и трещин нет. Авторское свидетельство

№ 371513 стало достойным завершением этой идеи.

Ну хорошо, мы нашли способ обнаружения опала (и вообще аморфного кремнезема) и показали, что можно не бояться заполнителей, даже способных к реакции при достаточной их пористости. Но как бороться со щелочной коррозией, если щебень надроблен из стекловатого андезита или из плотных кремней? Конечно, если щелочей в цементе меньше 0,6%, коррозия маловероятна. Однако портландцемент капризен: окажись больше глины в сырье, и в партии цемента уже 1 % щелочей. А это вызовет коррозию бетона... Выход есть — добавить в цемент пуццоланы, трепел или опоку. Все добавки представляют собой тонкомолотый аморфный кремнезем. Тут читатель может удивленно воскликнуть: «Как — вводить внутрь бетона его заклятого врага? Мало ли там своего вредного опала!» Спешу его успокоить. Секрет заключается в том, что Щелочь цемента израсходуется, вступая в реакцию с пылинками кремнезема, образуя микрокапельки геля, которые бетону так же не страшны, как и слону бекасиная дробь.

Правда, бетон с большим объемом таких добавок может оказаться неморозостойким. Поэтому подобный способ борьбы с коррозией приемлем для тех сооружений, которым холод не грозит. Что же касается сооружений, строящихся в северных районах страны... Тут вопрос о борьбе со щелочной коррозией бетона пока остается открытым.

35