Способ обработки бетона

 

Изобретение относится к способам обработки бетона, улучшающим его эксплуатационные свойства, в частности ослабляющим негативные реакции щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема. Сущность изобретения заключается в введении в объем бетона вещества, замедляющего реакции щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема в бетоне, и инициировании миграции этого вещества в бетоне, при этом миграцию указанного вещества осуществляют посредством воздействия электрического поля. Целью настоящего изобретения являлось создание способа обработки бетона, обеспечивающего замедление и полное исключение указанных вредных реакций. 5 с. и 11 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способам обработки бетона, улучшающим его эксплуатационные свойства, в частности ослабляющим негативные реакции щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема.

Известно, что некоторые виды бетона, содержащие определенные кремнистые заполнители, склонны порождать расширяемые продукты реакции (щелочной силикагель), если в жидкости, находящейся в порах бетона, присутствуют достаточные концентрации натрия, калия и гидроксила. Это явление, известное как реакция щелочи-заполнителя (РЩЗ) или реакция щелочи-кремнезема (РЩК), может вызывать вредное расширение и растрескивание бетона.

Известно использование составов с литием в качестве средства задержки РЩЗ/РЩК в тех видах бетона, которые содержат потенциально реакционноспособные заполнители.

Целью настоящего изобретения являлось создание способа обработки бетона, обеспечивающего замедление и полное исключение указанных вредных реакций.

Согласно предложенному решению осуществляют введение в схватившийся (затвердевший) бетон или обеспечивают присутствие в нем ионов лития (или подобных ионов) в сочетании со специфическими методами управления коррозией с усилением или исправлением бетона, когда ионы лития переносятся в локальные участки внутри бетона, в которых наиболее вероятно возникновение РЩЗ/РЩК. В качестве альтернативы составы с литием могут вводиться в процессе изготовления изделия из бетона с использованием метода усиления. Таким образом, прежде всего предложено использовать ионы лития в растворах, взвесях или смесях для обработки существенных бетонных структур, и в то же время ионы лития или им подобные могут намеренно вводиться в изготовляемый бетон с расчетом на некоторый вид последующей обработки коррозии стальной арматуры.

Ряд методов, используемых для уменьшения коррозии стальной бетонной арматуры, может вызывать локализованное повышение концентрации ионов натрия, калия и гидроксида в жидкости, находящейся в порах бетона, что увеличивает риск расширения и растрескивания за счет РЩЗ/РЩК в сортах бетона, содержащих восприимчивые заполнители. (К числу таких методов снижения коррозии относится катодная защита, электрохимическое рассоление, повторное подщелачивание и исправление структуры с помощью цементирующего раствора, жидкого цементного теста или бетона.) Согласно изобретению применяются составы с литием в сочетании с упомянутыми выше методами уменьшения коррозии стальной арматуры бетона с целью замедления или исключения возникновения РЩЗ/РЩК как вредных побочных эффектов. Представляется, что эффективность составов с литием в качестве средства замедления или остановки РЩЗ/РЩК с сортах бетона, содержащих потенциально реакционноспособные заполнители, зависит от образования на поверхности заполнителя нерастворимого силиката лития, который обладает малой тенденцией к расширению в присутствии воды.

Согласно первому аспекту изобретение включает в себя использование составов с литием (или подобных им) в качестве замедлителя реакции щелочи-заполнителя/щелочи-кремнезема в железобетоне, подвергнутом катодной защите, электрохимическому рассолению, повторному электрохимическому подщелачиванию или исправлению структур.

Согласно второму аспекту изобретение включает в себя способ понижения РЩЗ/РЩК в армированном бетоне, включающий в себя этапы создания подвижных ионов лития в бетоне и пропускания электрического тока через бетон или/и арматуру бетона.

Согласно третьему аспекту изобретение включает в себя способ получения армированного или предварительного напряженного бетона, состоящий из этапов выполнения металлической арматуры внутри бетона, создания подвижных ионов лития в или на бетоне и приложения электрического тока к бетону или/и арматуре бетона.

Таким образом, ионы лития можно удобно вводить в структуру во время ее образования, и они присутствуют в структуре при пропускании электрического тока на любом этапе в течение срока службы бетонного изделия.

Предпочтительно, чтобы эти способы предусматривали перенос ионов лития к конкретным локальным участкам в объеме бетона. Таким образом, бетон имеет области с высокой концентрацией лития и области с низкой концентрацией лития.

Согласно четвертому аспекту изобретение включает в себя наложение на бетон химического вещества, содержащего вещество, которое мигрирует в электрическом поле через объем бетона и притягивается к тем областям в объеме бетона, в которых вероятно могут иметь место РЩЗ/РЩК. Это вещество предпочтительно реагирует в указанных областях с образованием второго нерастворимого вещества, существенно не расширяющегося в присутствии воды.

Согласно пятому аспекту изобретение включает в себя способ улучшения бетонных структур путем применения веществ, содержащих составы лития, таким образом, что ионы лития диффундируют в основной объем лития, примыкающий к подлежащим улучшению областям, чтобы замедлить РЩЗ/РЩК в основном объеме бетона.

Согласно шестому аспекту изобретение предполагает наличие бетонного изделия или бетонной структуры, содержащей области с высокой концентрацией ионов лития (или подобных им) или/и области с низкой концентрацией ионов лития (или подобных им).

Предпочтительно, чтобы высокая концентрация ионов лития находилась очень близко к участкам, в которых преимущественно имеют место РЩЗ/РЩК.

Пример 1. Катодная защита железобетона. Катодная защита применяется по отношению к армирующей стали путем пропускания электрического тока между этой сталью и удлиненной системой анода, прикрепленной к поверхности бетона. Арматура бетона действует в качестве катода электролизера. Устройство анода может иметь самые разные виды, такие, как проводящая краска, распыленное металлическое покрытие или верхний слой из проводящего асфальта. Ток обычно подается непрерывно в течение всего оставшегося срока службы структуры с помощью переменного источника напряжения постоянного тока. Последний можно время от времени регулировать для обеспечения постоянного уровня поляризации стальной арматуры бетона, адекватность которого оценивается на основе сравнения его значений по отношению к значениям поляризации опорных электродов в разных их положениях. Хотя общую среднюю плотность тока, приложенного к структуре, можно контролировать (обычные указанные величины составляют менее 20 мА/кв.м), распределение тока в арматуре бетона нельзя сделать полностью равномерным, и на практике локальные области заделанной в бетон стали часто находятся под воздействием плотностей тока, значительно превышающих его среднюю плотность.

Катодные процессы, имеющие место на поверхности армирующей стали, особенно в областях повышенной локальной плотности тока, порождают локальные концентрации ионов натрия, калия и гидроксила, что увеличивает риск РЩЗ/РЩК вблизи стали. Этот риск можно уменьшить, если ввести составы с литием (например, гидроокись лития, нитрит лития, ацетат лития, бензоат лития и т. п.) вблизи поверхности анода, т.к. при этом положительно заряженные ионы лития Li⁺ будут мигрировать под воздействием приложенного электрического поля по направлению к катоду из стали. Электромиграция Li⁺ имеет тенденцию происходить предпочтительно в тех областях стали, в которых локальная катодная плотность тока имеет самое высокое значение и в которых, следовательно, существует наибольший риск РЩЗ/РЩК.

Удобные способы введения составов с литием при соответствующих концентрациях несколько разнятся для разных систем анода. В тех случаях, когда анодное устройство представляет собой сочетание металлической сетки и цементирующего верхнего слоя, часто полезным бывает включение состава с литием в виде примеси в цементирующий верхний слой. В тех случаях, когда устройство анода представляет собой проводящую краску, распыленное металлическое покрытие или проводящий асфальт, полезна абсорбция раствора состава с литием внутрь заранее высушенной поверхности бетона до наложения анодного покрытия и в некоторых областях применения возможно создание механизма "капельной подпитки" для ввода дополнительного раствора, содержащего литий, под поверхностью анода. К числу других способов введения составов с литием относится накачиванием их под давлением внутрь объема бетона.

Концентрация состава отличается для разных сортов бетона и предпочтительно определяется испытаниями, проводимыми на небольшом количестве образцов. Считается, что в некоторых случаях пригодна концентрация более 0,1 М в цементирующем верхнем слое, хотя эта цифра может значительно меняться. В обычных условиях предусматривается использовать концентрацию менее 2 М, но, естественно, для определения соответствующего диапазона подходящих концентраций можно использовать упомянутые испытания.

Пример 2. Электрохимическое рассоление и повторное подщелачивание железобетона. Электрохимическое рассоление и повторное подщелачивание железобетона в основном аналогичны катодной защите в том смысле, что эти методы предполагают прохождение тока между катодом, выполненным в виде стальной арматуры бетона, и анодом, смонтированным на поверхности бетона.

Обычно анод представляет собой металлическую сетку, помещенную в электролит (часто в виде взвеси с волокнистой деревянной массой) и находящуюся в контакте с поверхностью бетона. Основное различие между этими видами обработки и обычной катодной защитой состоит в том, что эти виды предусматривают пропускание тока со значительно большей плотностью (приблизительно 1 А/кв. м) в течение меньших промежутков времени (обычно в сумме не более нескольких месяцев). Катодные процессы, происходящие на поверхности армирующей стали, порождают высокие локальные концентрации ионов натрия, калия и гидроксила, увеличивая тем самым вероятность возникновения РЩЗ/РЩК вблизи стальных элементов. Введение составов с литием (таких, как гидроокись лития, нитрит лития, ацетат лития, бензоат лития или других растворимых составов с литием) в электролит, окружающий анод или/и бетон создает простой и удобный метод снижения этой вероятности, потому что положительно заряженные ионы Li⁺ быстро мигрируют под воздействием приложенного электрического поля по направлению к стальному катоду, как и в случае катодной защиты.

Как отмечалось ранее, считается, что ионы лития предпочтительно реагируют с кремнистым наполнителем, образуя нерастворимый силикат лития на поверхности заполнителя, который не расширяется в значительной степени, как это делает щелочной силикагель в реакции щелочь-кремнезем.

Поскольку введение лития (или любых других подвижных ионов) способствует уменьшению числа переносимых ионов хлорида, время, требующееся для эффективного электролитического рассоления железобетонных структур, можно несколько увеличить, если, как описано выше, используются электролиты на основе лития. Можно использовать испытания, проводимые на небольшом количестве образцов, чтобы оценить условия испытания конкретных изделий.

В тех случаях, когда время обработки слишком затягивается, удобно проводить электролитическое рассоление в виде двухэтапного процесса с использованием воды и водного раствора, содержащего ионы лития, в качестве внешних электролитов в анодной взвеси.

Пример 3. Исправление структуры с помощью цементирующих растворов, жидкого цементного теста и бетона. Бетонные структуры, имеющие трещины вследствие коррозии арматуры бетона либо от других причин, например от механического повреждения, часто восстанавливаются путем удаления неплотного материала (так или иначе подозрительного материала) и закладывания в поврежденные области цементирующих растворов, бетона и т.п. В тех случаях, когда ремонтный материал содержит более высокие концентрации щелочей (т.е. ионов натрия, калия и гидроксила), чем основной объем бетона, происходит диффузия этих щелочей в окружающую массу бетона. Это приводит к повышению вероятности возникновения РЩЗ/РЩК вокруг исправленной области особенно в тех случаях, когда основной бетон содержит восприимчивые заполнители. Эту вероятность реакций можно снизить посредством введения в ремонтный материал определенного количества составов с литием (таких, как гидроокись лития, нитрит лития, ацетат лития, бензоат лития и т.п.) в качестве примесей или смесей. Концентрация ионов Li⁺ в растворе, находящемся в порах вводимого цементирующего материала, должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить их диффузию в основной объем бетона, более быструю по отношению к скорости диффузии ионов Na⁺ и K⁺. Анионы, связанные с используемыми составами с литием, не должны быть такими (например, Cl^-, SO^-₄ и т.д.), которые способны пагубно воздействовать на износостойкость ремонтного материала, на окружающую массу бетона или на его арматуру. Может оказаться полезным использовать составы с литием, в которых анион (например, гидроокись, нитрит, бензоат, ацетат и т.п.) функционирует в качестве замедлителя коррозии стали, поскольку это обеспечивает улучшенную защиту стальной арматуры бетона вблизи починочного материала.

Что касается смесей или примесей, необходимо определить воздействие составов с литием на основные свойства (например, работоспособность, характеристики схватывания и затвердения) с помощью предварительных испытаний цементирующих ремонтных материалов, для конкретного их применения.

Формула изобретения

1. Способ обработки бетона путем замедления реакций щелочи-наполнителя или щелочи-кремнезема в бетоне, заключающийся в введении в объем бетона вещества, замедляющего упомянутые реакции щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема, и инициировании миграции этого вещества в бетоне, отличающийся тем, что миграцию указанного вещества осуществляют посредством электрического поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что миграцию вещества осуществляют, предпочтительно, в направлении областей, особенно восприимчивых к реакциям щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют функционирование электрического поля с обеспечением контроля коррозии арматуры бетона.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что обеспечивают реакцию упомянутого вещества с присутствующим в бетоне заполнителем с образованием второго вещества.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обеспечивают образование второго вещества на поверхности заполнителя.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что второе вещество является нерастворимым и нерасширяющимся в значительной степени в присутствии воды.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что упомянутое первым вещество содержит ионы лития.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что вещество вводят в бетон в составе смеси с обеспечением контакта последней с поверхностью бетона.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что смесь представляет собой цементирующий верхний слой, включающий в себя анод.

10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что первое из упомянутых веществ вводят в бетон во время его изготовления.

11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что упомянутое первым вещество кладут в бетон для улучшения существующего бетона.

12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что до введения в бетон упомянутого первым вещество осуществляют рассоление бетона водой.

13. Изделие из железобетона, отличающееся тем, что оно обработано способом по любому из пп.1 - 12.

14. Способ получения армированного или предварительно напряженного бетонного изделия, заключающийся в образовании металлической арматуры внутри бетона, отличающийся тем, что осуществляют образование подвижных ионов лития в структуре бетона и на отдельном этапе в течение срока службы бетонного изделия к нему прикладывают электрическое поле.

15. Способ ремонта бетонного изделия, заключающийся в приготовлении ремонтной смеси и наложении ее на бетонное изделие, отличающееся тем, что ремонтную смесь выполняют с одним или большим числом составов с литием и прикладывают к изделию электрическое поле с обеспечением миграции ионов лития по направлению к подлежащей ремонту области бетонного изделия для замедления реакций щелочи-кремнезема или щелочи-заполнителя.

16. Изделие из железобетона, содержащее вещества-замедлители реакции щелочи-заполнителя или щелочи-кремнезема, отличающееся тем, что к нему приложено электрическое поле и оно имеет области с низкой и высокой концентрациями вещества-замедлителя, причем максимальная концентрация этого вещества соответствует области наибольшей плотности электрического тока.