Прочность железобетона в хлоридных средах: обзор
Бетон является наиболее широко используемым техногенных строительным материалом в мире, благодаря своей универсальности и относительно невысокой стоимости. Бетон также стал материалом для строительства конструкций, подвергающихся воздействию экстремальных условиях [1] . Кроме того, устойчивость стала более важной характеристикой для бетона инфраструктуры, производства портландцемента (наиболее распространенный связующего бетона) является энергоемким процессом, который составляет значительную часть глобальных выбросов двуокиси углерода и других парниковых газов [2 ] и [3] . В качестве таких, даже незначительные улучшения в дизайне, производстве, строительстве, обслуживании и материалов производительность бетона могут иметь огромные социальные, экономические и экологические последствия.
Есть множество подходов для повышения устойчивости бетона и снизижения его воздействия на окружающую среду. Один привлекательным подходом является использование зольной пыли и других промышленных побочных продуктов в качестве замены для портландцемента в бетоне. Другой подход заключается в повышении прочности бетона инфраструктуры, так как прочность ключевой краеугольным камнем для устойчивого развития. Согласно ASCE 2009 года Доклад карты для инфраструктуры Америки, $ 2,2 трлн нужно быть инвестировано более 5 лет «принести инфраструктуры страны к хорошем состоянии» [4] , в котором подчеркивается настоятельная необходимость исследования, посвященного более прочного и «техническое обслуживание -свободных «конкретные материалы.
Хлоридно-индуцированной коррозии арматуры является одним из важнейших форм воздействия окружающей среды на железобетона [5] , что может привести к снижению прочности, работоспособности и эстетики структуры. Накопление продуктов коррозии (оксиды / гидроксиды) в конкретном пространстве пор у стальной арматуры может создать обруч напряжений вокруг арматуры и привести к растрескиванию или скалывания бетона, что в свою очередь облегчает проникновение влаги, кислорода и хлоридов к встроенному арматуры и ускоряет коррозию стали [6] .
Транспортные агентства тратят миллиарды долларов каждый год на строительство и содержание конкретных мостов и национальная инвентаризация мост США включает в себя многочисленные железобетонных конструкций с воздействием агрессивных условиях соли в морской среде и в холодной климатических регионах. С длительный срок службы и уменьшает необходимость в дорогостоящих и трудных ремонта и восстановления бетонных конструкций, реализация лучших методов проектирования для управления коррозии будете иметь непосредственный положительное влияние на системы шоссе, в том числе экономии, повышения безопасности путешественник, снижение задержек путешественник, и минимизация воздействия на окружающую среду.
В этом контексте, этот отзыв сообщает последние достижения в базе знаний, имеющих отношение к прочности железобетона стали в хлоридных средах. Из-за ограниченного пространства, этот отзыв будет направлена ​​на: роль минеральных примесей в прочности бетона, способы измерения хлорида попадание в бетон, проблемы в оценке долговечность бетона от его хлорида диффузии, и жизнь моделирование служба железобетона в хлорид-Ладена среды. Это заключает с видом на будущее, в том числе исследования необходимо решить. Другие темы, в то время как связанные, будут опущены. Они могут включать в себя: применение нанотехнологий в железобетонных материалов и конструкций [7] , [8] и [9] , электрохимические методы, чтобы защитить или восстановить хлорида загрязненных бетона, использование современных материалов (например, армированных волокном полимеров и цементные композиты) для ремонта железобетона, и развивающиеся методы (например, оптические датчики волокна) для структурного зондирования и мониторинга.
2 Роль минеральных примесей в прочности бетона
Существует общее мнение, что наиболее эффективным улучшение прочности бетона может быть достигнуто в дизайн и материалы отборочного этапа проекта с помощью адекватной бетонное покрытие и высокое качество бетона, так долго, как бетон правильно установлен и вылечен. Как правило, увеличение толщины бетона приводит к полезным эффектам, поскольку она увеличивает барьер для различных видов агрессивных движется в направлении армирования и увеличивает время инициировать коррозию. В действительности, однако, толщина покрова не может превышать определенных пределов, для механических и практическим соображениям [10] . Для достижения желаемого прочность, долговечность и устойчивость бетона, последние инновации сосредоточены на использовании химических и минеральных примесей в бетоне. Флорида Департамент транспорта (DOT) придерживается следующих спецификаций для конкретных подструктур мостовых пределах 0-12 футов диапазоне высот по отношению к виду прилива:. (1) адекватное покрытие (4 в течение монолитных месте членов и 3 в . для предварительно напряженных элементов), и (2) низкий вода-цементной материала (Вт / см) отношение бетона с Пуццолановые (золы или микрокремнезема) или ингибирования коррозии примесей [6] . В свете достижений в технологии бетона и требований AASHTO нагрузки и сопротивления фактор дизайна (LRFD) для проектирования жизни 75-летнего, Калифорнийский департамент транспорта (Колтранс) внес существенные изменения в его спецификации мост дизайн (УРК) статьи 8.22 в 2000 и принял решение об использовании хлорида диффузии через бетон, чтобы определить конкретные требования крышки для структур подвергшихся среде хлорида подшипников. Ток BDS Статья 8.22 обеспечивает руководство к инженером-конструктором в определении требуемого типа цемента, минимальный требуемый бетонное покрытие и т.д. для защиты от коррозии различных членов мостовых [11] . Например, для мостиковых элементов, подверженных коррозионному почву или воду (содержащую более 500 м.д. хлоридов), максимальное отношение Вт / см, не должна превышать 0,40. Минеральные добавки, соответствующие ASTM C 618 Наименование Тип F или N (например, зола), обязательны для всех условий эксплуатации, для «неагрессивных» условиях воздействия кроме. Для таких членов мостовых как забивные сваи и сваи расширений, подвергающихся воздействию агрессивных условиях, минеральных добавок, соответствующие стандарту ASTM Обозначение С 1240 (например, микрокремнезема) могут потребоваться. Минимальная бетонное покрытие необходимо для членов мостовых колеблется от 1 до 5 в., В зависимости от типа элемента моста и условия экспозиции [11] .
Минеральные добавки, как правило, пуццолановые материалы, в основном стеклянные кремнистых материалов, которые могут содержать глиноземных соединений [10] . Реакция таких материалов с портландита (гидроксид кальция) и воды создает продуктами гидратации, аналогичные портландцемента, т.е. гидраты силиката кальция (C-S-H), жесткой гель, состоящий из мельчайших частиц со структурой слоя:
Эта реакция может быть также представлен в виде правило:
Следует отметить, что фактическая стехиометрии реакции может изменяться в зависимости от соотношения Са / Si, доступных молекул воды, и т.д., в результате чего в различных C-S-H, который может отличаться от общей формулой (CAH 2 SiO 4 · 2H 2 О).
В целом, использование минеральных примесей, таких как летучей золы, кварцевой крошки, шлака и метакаолин было показано, повысить долговечность бетона [12] , [13] и [14] , за счет увеличения связывания хлорид [15] , уменьшение проницаемости хлорида [ 14] и [16] , подъемные содержание хлорида порог [17] , и / или улучшения распределения размеров пор и формы бетонной матрице [18] и [19] . Минеральные добавки были включены в бинарных, тройных и четверных бетонных смесей. Поскольку некоторые из этих материалов дешевле, чем портландцемента, есть экономическое преимущество к более широкому использованию, в дополнение к потенциальных выгод на окружающую среду. Дхир и Джонс [20] использовали низкой извести золу развивать бетонных смесей с повышенной устойчивостью хлорида, улучшая структуру пор и связывающей способности бетона. Они обнаружили, что тройные смеси (цемент и зола смешивается с микрокремнезема или метакаолин) показал высокую устойчивость хлорида. Хоссейн др. [21] обнаружили, что введение ультра-тонкой золы (UFFA) улучшил прочность и устойчивость хлорида проникновения бетона, и включение микрокремнезема был еще более выраженным преимущества. Они также обнаружили, что добавление микрокремнезема привело к низкой и высокой спада раннего возраста усадки в то время как добавление UFFA смягчены эти две проблемы. Таким образом, тройной смеси (с цементом, дымом кремнезема и UFFA) был разработан, чтобы показать высокую прочность в раннем возрасте, улучшенную долговечность, низкое падение и низкую свободную усадку. Томас и др. [22] исследовали взаимодействия между микрокремнезема и золы-уноса, а микрокремнезема компенсирует низкое начале прочности, имеющей отношение к золы дополнение, а золы компенсирует вопросам, относящимся к Технологичность Микрокремнезем того. Комбинации низкой дозировке (3-6%) от микрокремнезема и умеренной дозировке (20-30%) золы (несмотря на его высокое содержание извести) были очень эффективными в снижении расширение за счет реакции щелочи-кремнезема (ASR) и в смягчении сульфат атаку. Тройные смеси показал значительные улучшения в сокращении проникновения хлорида и такое снижение в диффузии продолжал увеличиваться с возрастом. Преимущества тройных смесей (с 30-50% класса С летучей золы и 6-10% микрокремнезема в месте цемента) в повышении прочности на сжатие и уменьшение хлористого проницаемость бетона также сообщили Hariharan др. [23] . Хан [18] сообщили, что тройной смеси (20% Класс F летучей золы и 10% микрокремнезема) уменьшило объем больших пор в ступке примерно на 50%, по сравнению с контрольной смесью. Uysal др. [24] обнаружили, что частичная замена цемента FA или GGBFS в самостоятельной бетона (SCC) заметно улучшилась работоспособность свежего бетона и водонепроницаемости затвердевшего бетона. Такие замены также привели к улучшению устойчивости к проникновению хлорида, с 60% гранулированный доменный шлак (GGBFS) замены цемента быть лучшими. Томас и Бэмфорт [16] смоделировали диффузию хлорида в бетоне с использованием данных многолетних полевых и лабораторных исследований, показал, что введение золы и шлака может иметь незначительное влияние на устойчивость хлорида раннего возраста, но драматические преимущества после нескольких лет воздействия. Mangat др. [25] исследовали частичную замену цемента пылевидного топлива золы, шлаков и микрокремнезема и показал микрокремнезема, чтобы быть наиболее эффективным в повышении коррозионной стойкости арматуры в бетоне. Микрокремнезема дополнение было найдено, значительно увеличивают объем пор в цементном тесте, но в значительной степени уменьшить проникновение хлорида. Güneyisi др. [26] исследовали коррозии арматуры в бетоне, изготовленный из смешанных цементов, которые содержали различные пропорции портландцементного клинкера, доменного шлака, природных пуццоланов и известняковой муки. По отношению к обычной цементного бетона, образцы с цементов показали превосходную производительность коррозии и вообще больше времени для коррозионного растрескивания, которое коррелировало очень хорошо с данными сила расщепление растяжение.
Тем не менее, Ши и др. [27] показали, что лабораторные быстровозводимых высококачественные бетонные образцы признакам необычно низкой водности хлорид ( d сек значения в порядке 10 -13 м 2 / с, против обычно сообщает 10 -12 м 2 / с), как измерено с помощью ускоренного теста на миграции хлорида. В таком случае, частичная замена цемента минеральных примесей (класс F или класс N золы, ультрадисперсных зола, микрокремнезема, метакаолина или GGBFS) показали, практически нет льгот в уменьшении их хлорида проницаемость. Это, вероятно, связано с тем, что коэффициент диффузии хлоридов в бетоне такой был в значительной степени определяется крупнозернистых заполнителей вместо цементирующей фазой пасты. Для тех же смесей, в минометных образцы показали D сек значения в порядке 10 -11 м 2 / с, и подавляющее большинство из смесей с минеральными добавками (кроме одного с 20% класса F золы и 5% микрокремнезема) показали значительное снижение проницаемости хлорида. Zhang и др. [28] сообщили, что частичное замещение цемента шлака (20-40% по массе связующего вещества) заметно снижается хлорида проницаемость бетона, как измерено методом 1202-97 (быстрый тест хлорида проницаемость) в ASTM C , Такое уменьшение увеличилась с содержанием шлака. Тем не менее, добавление летучей золы в тройном связующего увеличили хлорида проницаемость образцов бетона, подразумевая отрицательное воздействие летучей золы на микроструктуру затвердевшего бетона.
Существует существующие исследования демонстрируют использование минеральных примесей влияет на другие аспекты прочности бетона, такие как эффективно смягчения ASR-индуцированного повреждения в бетоне [29] , [30] , [31] и [32] . Пападакис [33] обнаружили, что замена агрегатов с дополнительными вяжущих материалов (SCM, например,, микрокремнезема, с низким и высоким извести Летучая зола) улучшить сопротивление бетона карбонизации в то время как замена цемента с СДМ увеличили глубину карбонизации. В обоих случаях, однако, включение SCMs значительно снижен общее содержание хлорида в бетоне на всех, кроме самой внешней поверхности слоя глубины, по неизвестным причинам. Гонен и Yazicioglu [34] нашли, что частичное замещение цемента микрокремнезема (10% по массе связующего) или одновременно микрокремнезема и золы-уноса (10% и 20% соответственно) значительно улучшена стойкость бетона к смачивающей сушки, Поглощение капилляр и карбонизация. Ши и др. [27] обнаружили, что в присутствии разбавленных растворов хлорида, частичное замещение цемента на 50% GGBFS (с последующим 10% ультратонкого зола или 10% замена метакаолин) был наиболее полезным для морозостойкости минометного образцы тогда как использование обычной летучей золы и микрокремнезема усугубляется их повреждение замораживания-размораживания, все из которых могут быть связаны с физической микроструктуры затвердевшего бетона. Shashiprakash и Томас [35] обнаружили, что растворы, содержащие достаточно низкой кальция летучая зола (например, 25% золы + 75% цемента) или относительно низкие уровни сверхтонкого летучей золы (например, 8-16% по массе связующего) может улучшить сульфат сопротивление растворов, изготовленных с высокой трехкальциевого алюмината [C 3 ] Портландцемент. Если растворы содержали от умеренных до высоких уровней высокого кальция золы (CaO> 20%), затем низкого C 3 цемент или тройной цемент сочетается с относительно низким уровнем микрокремнезема (например, 3-6% по массе связующее) было необходимо, чтобы обеспечить высокую устойчивость сульфат. Все это должно быть связано с изменением химического состава цементных гидратов, вызванных присутствием зольной пыли или микрокремнезема. Минеральные добавки могут замедлить темпы прироста прочности бетона, но не отрицательно повлиять на долгосрочное прочности бетона [36] или даже улучшить его прочностные свойства [25] , [37] и [38] . Бетонные смеси с высоким объемом золы или большого объема летучей золы и шлака земля демонстрируют хорошую работоспособность, высокая прочность на сжатие, и высокую долговечность (незначительное углекислотой и очень низкое проникновение хлорида