ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1988. № 4
УДК 666.941.4

Дата поступления в редакцию: 16.01.1986 г.

О ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГИПСОЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ
С. С. Марков, В. Ф. Янюшкин

(Латвийский научно-исследовательский и экспериментально-технологический институт строительства)
В практике современного строительства все шире применяются гипсовые материалы, отличающиеся технологичностью и пониженной энергоемкостью как при производстве вяжущего, так и при изготовлении из него различных строительных изделий. Применение гипсового вяжущего в несущих и самонесущих конструкциях сдерживается из-за низких упругодеформативных свойств материалов на его основе, особенно при их эксплуатации во влажных условиях.

В работе [1] установлено, что модифицирование гипсового вяжущего (в частности \(\alpha \)-модификации) добавками портландцемента и СДБ при их совместном воздействии позволяет существенным образом (на 70–80%) улучшить прочностные и упругодеформативные характеристики высушенного до постоянной массы гипсового камня. В насыщенном водой состоянии такое модифицирование позволяет увеличить предел прочности при сжатии искусственного камня почти в 3 раза, призменную прочность — в 4 раза, модуль упругости — в 6 раз.

Таким образом, решить положительно вопрос о применении гипсового вяжущего в конструкциях, подвергающихся атмосферному воздействию, представляется возможным, если попытаться в полной мере использовать в реальной практике строительного производства те положительные результаты, которые дает сочетание гипсового и цементного вяжущих в единой композиции.

Такие композиции на основе смешанного гипсоцементного (ГЦ) вяжущего находят в настоящее время весьма широкое применение в практике строительного производства. Известен целый ряд примеров использования бетонов на основе гипсоцементного (ГЦ) вяжущего в изделиях, эксплуатирующихся при атмосферном воздействии (панели наружных стен, стеновые блоки и др.), или в изделиях, длительное время до их использования в «деле» хранящихся на открытых складах строительных предприятий и строительных площадках (сантехкабины, панели основания пола, перегородки и т. д.).

Практика применения гипсоцементных материалов в Латвийской ССР не позволяет однозначно сделать вывод о преимуществах или недостатках их использования в подобных конструкциях: известны многочисленные случаи деструктурирования бетонов на основе ГЦ вяжущего при их эксплуатации в условиях с меняющимися температурно-влажностными характеристиками; наряду с этим имеется целый ряд примеров успешного применения гипсоцементных материалов в изделиях наружных стен, особенно тонкостенных, не проявляющих признаков деструкции в течение уже достаточно длительного времени.

Вероятностный характер поведения гипсоцементных материалов в условиях эксплуатации, на наш взгляд, обусловлен, во-первых, недостаточной обоснованностью требований существующих нормативных документов к составам и свойствам ГЦ бетонов, а во-вторых, малоизученностью процессов, вызывающих деструкцию искусственного гипсоцементного камня при его эксплуатации в условиях с меняющимися температурно-влажностными характеристиками.

До настоящего времени считалось, что бетоны на ГЦ вяжущем являются долговечными, если их состав отвечает требованиям ОСТ 21-29-77, а долговечность, оцениваемая лишь по морозостойкости, находилась в соответствии с требованиями СНиП II-В.2-71. Такой подход был обусловлен прежде всего тем, что состав и свойства ГЦ камня, определяющие его стойкость к воздействию влаги в сочетании с меняющейся температурой, назначались в соответствии с существующей в настоящее время основной концепцией о деструкции гипсоцементного твердого тела, согласно которой концентрационно-преобладающим агентом, вызывающим разрушение камня в этих условиях, является эттрингит — трехсульфатная форма гидросульфоалюмината кальция (\(3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{CaSO}_4 \cdot 31\text{H}_2\text{O}\)).

Однако в последнее время опубликован ряд работ, по-новому объясняющих механизм деструкции ГЦ камня.
Так, уже в 1975–1977 гг. в зарубежной периодической литературе были опубликованы результаты исследований Лукаса, Ван Аардта, Коллмана [6] и некоторых других авторов, в которых в качестве причины разрушения портландцемента и материалов на его основе в присутствии сульфатов названо образование таумасита — гидросульфокарбосиликата кальция (\(\text{CaCO}_3 \cdot \text{CaSO}_4 \cdot \text{CaSiO}_3 \cdot 15\text{H}_2\text{O}\)), порождающего развитие в затвердевшем искусственном камне деформаций расширения. Авторами этих работ установлены условия, при которых образование таумасита протекает с наибольшей интенсивностью. Таковыми являются повышенная влажность материала и температура окружающей среды \((274\text{–}279)\text{ К}\).

Почти одновременно в научной литературе появились сообщения Чеслава Островски [7] и Ф. Алксниса, по мнению которых вопреки распространенной концепции причиной деструкции гипсоцементных растворов может являться кристаллизация не эттрингита, а таумасита.

В работе [2] предложена методика ускоренного выявления долговечных гипсоцементных составов, предусматривающая испытание образцов в режиме вымывания водой с температурой \(277\text{ К}\) при циклической смене воды через каждые 7 сут, при этом материал считался долговечным, если в течение 90 сут образцы не проявляли склонности к расширению (более 0,1%). Хотя авторы этой работы и не приводят каких-либо данных, указывающих однозначно на образование таумасита в реальных гипсоцементных композициях (он идентифицирован лишь для составов, моделирующих ГЦ вяжущее), нельзя не признать важность приведенных исследований для правильного понимания процессов, протекающих в ГЦ камне в условиях эксплуатации.

Может возникнуть естественный вопрос: почему условия образования таумасита в затвердевшем искусственном камне, т. е. повышенная влажность материала и температура окружающей среды \((274\text{–}279)\text{ К}\), для гипсоцементных материалов имеют решающее практическое значение при определении их долговечности? Дело в том, что такие температурно-влажностные условия имеют место в осенне-весенний период и, следовательно, могут явиться причиной саморазрушения гипсоцементных изделий на открытом складе и строительной площадке или смонтированных на объекте в результате протекания процессов карбосиликатной коррозии. По данным метеослужбы упомянутые температурные условия \((274\text{–}279)\text{ К}\) в сочетании с повышенной влажностью воздуха, например, в Прибалтике, составляют около 100 сут в году.

Нами проведены исследования, преследующие цель, во-первых, более точного выявления условий, при которых процессы деструкции ГЦ камня вследствие образования таумасита протекают с наибольшей интенсивностью, во-вторых, нахождения путей повышения достоверности определения долговечности тех или иных составов гипсоцементных композиций.

Для решения первой задачи авторами данной работы проведены исследования по изучению влияния параметров воздействующей среды на длительность сохранения твердым ГЦ телом своей сплошности. Были изготовлены образцы-балочки размером \(4 \times 4 \times 16\text{ см}\) из ГЦ раствора состава: гипсовое вяжущее (Г-4 БП) : портландцемент (М 400) : пуццолановая добавка (трепел) : песок вольский, при соотношении компонентов соответственно \(15,0 : 8,3 : 1,7 : 75\). Активная минеральная добавка как по количеству, так и по активности соответствовала требованиям ОСТ 21-29-77. Образцы формовались из раствора с расплывом \(19 \pm 1\text{ см}\) (по Суттарду) и после расформовки хранились под гидравлическим затвором в течение 28 сут в условиях, исключающих доступ углекислого газа из воздуха.

Изученные режимы воздействия приведены в табл. 1. За эталонный был выбран режим выдерживания образцов при температуре \((293 \pm 2)\text{ К}\) и относительной влажности воздуха 98% (режим № 1). В качестве агрессивного фактора воздействия на ГЦ камень, помимо выдержки при повышенной влажности, принималось также водное хранение образцов. Такой подход обусловлен, во-первых, тем, что длительная выдержка образцов в воде является традиционным способом испытания гипсоцементных материалов на долговечность, аналогично испытанию цементных материалов на сульфатостойкость. Во-вторых, вода относительно ГЦ системы является агрессивной средой, разупрочняющей структуру ее твердения. В-третьих, вода является реакционной средой, вследствие своего растворяющего воздействия могущей повлиять на равновесное или даже устойчивое существование тех или иных продуктов гидратационного твердения, и, наконец, она является обязательным составным компонентом почти всех новообразований, возникающих в результате гидратационного твердения вяжущих веществ.

Изучалось воздействие на ГЦ камень воды с температурой 277, 288, 293 и 333 К, с доступом и без доступа \(\text{CO}_{2}\) из воздуха, в режимах интенсивного вымывания, циклической смены воды через каждые 7 сут и в условиях ее полного насыщения продуктами растворения.

За критерий оценки стойкости принимались линейные деформации образцов, поэтому при формовке в торцы призм устанавливались медные репера, между которыми в процессе испытаний периодически измерялись образцы. Для каждого режима испытывались серии из трех призм (\(4 \times 4 \times 16\text{ см}\)). Относительная погрешность результата серии измерений была равна \(\pm 2\%\) при надежности 0,98. Результаты испытаний представлены на рис. 1.

Как видно из данных рис. 1, самыми агрессивными по своему деструктурирующему воздействию на ГЦ камень оказались режимы, при которых хранение образцов осуществлялось при относительной влажности воздуха 98% или в воде и температуре \((277 \pm 2)\text{ К}\), т. е. в условиях провоцирования протекания в затвердевшем камне процессов карбосиликатной коррозии. При этом полное разрушение образцов в результате деформаций расширения наступало на ~50-е сутки.

Водное хранение образцов при температурах 288–293 К также приводит к деструкции ГЦ камня, но за более длительный промежуток времени (230–250 сут). Разрушение образцов в этом случае происходит в результате процессов сульфоалюминатной коррозии, порождаемой образованием в затвердевшем камне вяжущего дополнительных количеств эттрингита.

Образцы, хранившиеся в воде при температуре \(333 \pm 2\text{ К}\) (режим № 10) и над водой при температуре \(293 \pm 2\text{ К}\) (режим № 1), в течение 250 сут не проявляли деформаций расширения более 0,05% и не имели каких-либо признаков разрушения.

Необходимо отметить, что при увеличении линейных размеров на 0,25% прочность образцов во всех случаях снижалась на 30–33% и полное разрушение искусственного камня происходило при деформациях 0,8–2,0%. Причем вымывание образцов в воде и его интенсивность не оказали ощутимого воздействия на интенсивность деструкционных процессов в затвердевшем ГЦ камне.

Для решения вопроса о наибольших допустимых деформациях в гипсосодержащих композициях, не приводящих к потере искусственным твердым телом своей сплошности, были изготовлены образцы балочек \(4 \times 4 \times 16\text{ см}\) из раствора с расплывом \(18 \pm 1\text{ см}\) (по Суттарду) на основе гипсового вяжущего марки Г-8 Б II. Образцы после сушки до постоянной массы при температуре \(323 \pm 5\text{ К}\) насыщались водой и подвергались воздействию по двум режимам: № 1 и 9 (см. табл. 1).

Часть образцов была сразу испытана для получения начальных характеристик, остальные испытывались после стабилизации линейных деформаций во времени: при выдержке образцов по режиму № 1 через 40 сут, а по режиму № 9 — через 100 сут. Результаты приведены в табл. 2.

Исходя из представленных результатов, нами для разрабатываемой методики испытания ГЦ бетонов на стойкость против карбосиликатной коррозии в качестве критерия оценки интенсивности деструкционных процессов в ГЦ камне было выбрано время, по истечению которого линейные деформации образцов достигали 0,35%, что характеризует необратимость этих процессов.

При испытании различных гипсоцементных бетонов в условиях, моделирующих карбосиликатную коррозию, нами выявлено значительное влияние карбонизации испытуемых образцов на получение достоверных выводов об их долговечности, что является существенно новым фактором при подобных испытаниях. Влияние времени карбонизации изучалось на образцах-призмах \(4 \times 4 \times 16\text{ см}\), изготовленных из раствора 1:3 с расплывом \(18 \pm 1\text{ см}\) (по Суттарду) следующего состава: гипсовое вяжущее (Г-3 А I) : портландцемент (М 400) = 66 : 34. Образцы твердели 28 сут при температуре \(293 \pm 2\text{ К}\) под гидравлическим затвором без доступа \(\text{CO}_{2}\). После твердения образцы подвергались естественной карбонизации за счет углекислого газа, содержащегося в воздухе, в течение 7, 28, 90, 150 и 500 сут при температуре \(293 \pm 2\text{ К}\) и относительной влажности воздуха 65–70%.

С целью определения степени карбонизации один из образцов в вышеуказанные сроки разрушали, затем консервировали путем растирания в ступке с ацетоном с последующим отделением песка и отфильтровыванием вяжущего. В высушенном при температуре \(328\text{ К}\) вяжущем определяли содержание \(\text{CO}_{2}\). Для этого был использован метод разложения навески материала соляной кислотой с последующим измерением объема выделившегося при этом \(\text{CO}_{2}\), который собирали над насыщенным раствором \(\text{NaCl}\). При карбонизации в течение 0, 7, 28, 90, 150 и 500 сут содержание \(\text{CO}_{2}\) в образцах составило соответственно 9,4; 10,6; 12,0; 13,2; 13,8; 14,0%.

Остальные образцы насыщали водой и устанавливали в किसको охлаждения в закрытых полиэтиленовых мешках. Эталонные (не подвергавшиеся карбонизации) образцы устанавливали в камеру охлаждения сразу после 28 сут твердения. В течение всего времени испытания температура в камере поддерживалась в пределах \((277 \pm 1)\text{ К}\). Через сутки охлаждения у образцов определялась начальная база — расстояние между реперами. Дальнейшее измерение размеров образцов в процессе испытания проводилось один раз в неделю. Для каждого режима карбонизации испытывались серии из трех призм. Относительная погрешность результата серии измерений была равна \(\pm 2\%\) при надежности 0,98. Относительные деформации расширения у образцов при испытании приведены на рис. 2.

Согласно приведенным данным, естественная карбонизация существенным образом изменяет характер поведения ГЦ камня в условиях карбосиликатной коррозии. Так, если образцы твердели длительное время (150 сут и более) в условиях доступа \(\text{CO}_{2}\) из воздуха, то разрушение структуры не наблюдалось в течение всего времени испытаний. Причем эти образцы испытывались уже в течение 650 сут и не имели каких-либо признаков нарушения сплошности.

Такое положение как раз и обусловливает тот факт, что нередки случаи, когда лабораторные образцы и даже тонкостенные изделия из гипсоцементных бетонов, карбонизация которых прошла по всему объему, не проявляют признаков деструкции как при испытаниях на стойкость, так и при их эксплуатации под атмосферным воздействием.

Следует отметить, что степень (глубина) карбонизации зависит от многих факторов: влажности и температуры окружающей среды, времени карбонизации, состава, плотности и пористости бетона, размеров изделий и т. д. При этом скорость карбонизации бетона обратно пропорциональна глубине карбонизации вследствие того, что первый слой \(\text{CaCO}_{3}\) является преградой для \(\text{CO}_{2}\).

Таким образом, степень карбонизации лабораторных образцов из разрабатываемых составов бетона может значительно отличаться от степени карбонизации изделий из этого же бетона. В результате будут получены данные, искажающие истинную величину долговечности материала и как следствие — неправильное назначение состава бетона, обусловливающее вероятностный характер поведения гипсоцементных композиций в условиях эксплуатации.

Устранение причин, вызывающих возникновение неоднородности фазового состава по сечению образца, т. е. защита испытываемых образцов от карбонизации, позволяет достоверно провести определение долговечности материала.

На наш взгляд, судить о долговечности гипсоцементных бетонов, в процессе эксплуатации подвергающихся атмосферным воздействиям, можно только после их испытания на стойкость как в условиях попеременного замораживания-оттаивания, так и в условиях провоцирования прохождения в затвердевшем камне вяжущего процессов карбосиликатной коррозии, обусловленной образованием таумасита.

Использование предлагаемого метода определения долговечности гипсоцементных материалов позволяет:
а) более достоверно прогнозировать долговечность ГЦ бетонов, эксплуатирующихся в условиях атмосферного воздействия;
б) в сочетании с другими методами испытания строительных материалов на долговечность надежно оценивать пригодность гипсоцементных композиций для любых видов строительных изделий и условий эксплуатации;
в) обеспечить более широкое применение гипсоцементных материалов в строительном производстве и особенно в конструкциях, эксплуатирующихся в условиях атмосферного воздействия;
г) исключить возможность потерь от брака из-за саморазрушения изделий как на складе готовой продукции и строительной площадке, так и во время эксплуатации вследствие неправильного назначения состава бетона.

Немаловажным достоинством предлагаемого метода является и тот факт, что он не предполагает использование дорогостоящего оборудования и специальных приборов.

Таблица 1. Изучаемые режимы воздействия на искусственный гипсоцементный камень

Таблица 2. Влияние режимов воздействия на изменение характеристик гипсовых отливок
(Характеристики получены после стабилизации линейных деформаций во времени)

СПИ