Щелоче-Силикатные Реакции

Общие понятия 

Основные черты щелоче-силикатных реакций были впервые описаны Стентоном. Гидроксид-ионы в поровом растворе реагируют с определенными типами кремнезема, которые могут находиться в заполнителе, что ведет к внутренним напряжениям, могущим вызвать разрушение или трещинообразование. Разрушение может произойти в течение нескольких дней или же только через многие годы. На поверхности непреднапряженного бетона они обычно образовывают сетку мелких трещин и иногда крупные трещины («карточные трещины»). В напряженном бетоне трещины имеют тенденцию образовываться параллельно арматуре. На тонких шлифах видны трещины, которые могут проходить через заполнитель. Присутствует характерный гель, который может находиться в трещинах в виде оболочек вокруг частиц заполнителя или  где-то еще в тесте (рис. 12.3). Гель может выделяться из бетона.

Электронная микрофотография бетона (изображение в обратно рассеянных электронах), показывающая гель (темные части), образованный при щелоче-силикатной реакции и присутствующий в цементном тесте в местах, удаленных от реакционноспособного заполнителя. Светлые участки — негидратированный клинкер. С любезного разрешения WHD Microanalysis Consultants Ltd., Ipswich, UK

Кремнеземы в щелоче-силикатных реакциях

Даймонд описал типы кремнезема, которые могут участвовать в щелоче-силикатных реакциях. К ним относятся кварц, если он достаточно деформирован или микрокристалличен, тридимит, кристобалит и стекло или аморфные формы, встречающиеся в различных комбинациях в опалах, кремневой гальке, сланцах и других горных породах. Опалы особенно реакционноспособны. Макроскопические недеформированные кристаллы кварца оказываются нереакционноспособными, но, возможно, и не полностью инертными. Некоторые силикатные минералы и вулканические стекла могут вступать в реакции, аналогичные щелоче-силикатным. Необходимым условием протекания щелоче-силикатных реакций в портландцементном бетоне являются достаточно высокое содержание оксидов щелочных металлов в цементе и реакционно-способной составляющей в заполнителе и доступ воды. K+ и Na+ присутствуют в цементе в виде сульфатов и в силикатной и алюминатной фазах. При реакции соединений, содержащих эти ионы, их анионы входят в продукты с низкой растворимостью, такие как эттрингит, C-S-H или AFm-фаза, и одновременно эквивалентное количество OH—. K+ и Na+ на этой стадии играют негативную роль, так как их гидроксиды растворимы, что позволяет OH— переходить в поровый раствор. Маловероятно, чтобы щелоче-силикатные реакции имели место в бетоне на основе портландцемента (не композиционного) при условии, что содержание эквивалента Na2O (Na2Oe = Na2O + 0,66K2O) в бетоне ниже 4 кг/м3. Был предложен допустимый на практике предел в 3 кг/м3 для постоянно колеблющегося состава цемента. Альтернативный критерий, основанный на составе цемента (Na2Oe < 0,6%) не позволяет колебаться расходу цемента в бетоне. Катионы щелочных элементов могут поступать также из внешних источников, таких как растворы Na2SO4  или NaCl, из минеральных добавок (разд. 12.4.4) или заполнителей. Во всех случаях они будут давать эквивалентные количества OH—, за исключением того, когда они входят в твердые фазы или находятся в равновесии с другими анионами в растворе. 

Если все другие переменные фиксированы, то кривая расширения в зависимости от процентного содержание реакционно-способной составляющей в заполнителе часто проходит  через максимум для «наихудшего» состава. Для опалов и других высокоактивных компонентов в растворах он обычно < 10% (рис. 12.4), но для менее реакционноспособных составляющих он может быть гораздо выше и находиться даже при 100%. 

Соотношение между расширением раствора (в/ц=0,4; заполнитель/цемент=2; возраст 200 сут.) и содержанием Белтанского опала, выраженного в масс.% от общего количества заполнителя

Расширение зависит также от размеров частиц реакционноспособного компонента. Данные разных исследователей значительно расходятся, возможно, из-за различий в использованных материалах, но расширение всегда оказывается наибольшим для материала в интервале 0,1-1,0 мм и может быть равным нулю или отрицательным при размере частиц менее 10 мкм. По крайней мере,  некоторые образцы опала, если их достаточно тонко помолоть, действуют как пуццоланы. 

Если подытожить приведенную выдержку, то можно сказать, что действительно, применение упрочнителей бетона на натриевой или калиевой основе может в перспективе повлечь ASR в обработанной ими бетонной поверхности.