Wpływ zawartości alkaliów w cemencie na trwałość autoklawizowanego betonu do produkcji podkładów kolejowych
Streszczenie
Z końcem lat osiemdziesiątych wystąpiły masowe zniszczenia podkładów na liniach kolejowych w Stanach Zjednoczonych i w Niemczech. Heinz i Ludwig badając przyczyny tego zjawiska stwierdzili, że są one spowodowane opóźnionym powstawaniem ettringitu. Stanowiło to wielkie zaskoczenie bowiem jak wiadomo ettringit, który powstaje w procesie hydratacji cementu w normalnej temperaturze w początkowych 24 - 48 godzinach, jest trwały w nawet w temperaturze 100°C, w atmosferze nasyconej pary wodnej. Z tego względu powinien być także trwały w procesie autoklawizacji betonu w produkcji podkładów betonowych, która odbywa się w niższej temperaturze. Dopiero prace Wiekera wykazały, że w temperaturze 75°C, w roztworze o stężeniu wodorotlenków sodu i potasu przekraczającym 400 mmoli w litrze, ettringit jest nietrwały. W tych warunkach ettringit nie jest więc trwały i nie powstaje, a w betonie po autoklawizacji pozostają wówczas jony siarczanowe, które w korzystnych warunkach przede wszystkim z uwagi na wilgotność betonu, po miesiącu, po roku a nawet po kilku latach powodują powstawanie ettringitu. Ta reakcja zwana „opóźnionym powstawaniem ettringitu" prowadzi do poważnych uszkodzeń betonu w wyniku ciśnienia związanego z krystalizacją tej fazy, co ostatecznie przyjęto jako najbardziej prawdopodobny mechanizm tego procesu.
Z badań Wiekiera wynika wniosek, że masowe uszkodzenia podkładów kolejowych w USA i w Niemczech zostały spowodowane zwiększeniem zawartości potasu w cemencie i przekroczeniem sumarycznego stężenia granicznego wodorotlenków sodu i potasu w fazie ciekłej, w porach betonu. Zostało to spowodowane zmianą technologii produkcji klinkieru portlandzkiego w tych latach, w której zastąpiono metodę mokrą metodą suchą, co spowodowało wzrost zawartości potasu w klinkierze, a więc w cemencie.
Szereg zagadnień związanych z tą formą korozji wewnętrznej betonu nie zostało jednak wyjaśnionych, przede wszystkim dotychczasowe doświadczenia dotyczyły zaczynu i nie obejmowały wpływu kruszywa. Z tego względu rozprawa doktorska miała na celu wyjaśnienie wpływu zawartości rozpuszczalnych w wodzie związków sodu i potasu w cemencie i w kruszywach na trwałość ettringitu w betonie, w trakcie jego autoklawizacji.
Badania przeprowadzono na betonie, o składzie stosowanym w wytwórniach przemysłowych oraz na cemencie CEM I 52,5 NA, który zawierał równoważnik sodowy mniejszy od 0,60%.
Kruszywa granitowe zawierały 0,02% Na20erozpuszczalnego, a cement 0,14%. W celu zwiększenia
zawartości rozpuszczalnego Na2Oe w betonie dodawano do cementu odpowiednie ilości K2SO4
uzyskując odpowiednio 0,50%, 0,75% i 1,16% Na2Oe rozpuszczalnego. Kostki betonowe
autoklawizowano w temperaturach 50°C, 70°C i 90°C, przy czym proces przygotowania próbek był identyczny jak w warunkach przemysłowej produkcji podkładów. Trzeba podkreślić, że temperatura autoklawizacji była mierzona we wnętrzu próbek betonowych.
Przeprowadzone badania dały następujące wyniki:
1) wytrzymałość na ściskanie próbek betonowych po autoklawizacji jest największa w przypadku największej zawartości K2SO4 w cemencie, natomiast po 28 dniach twardnienia betonu jest przy tym
poziomie potasu najmniejsza,
2) ettringit jest trwały w trakcie autoklawizacji w temperaturze 70°C w próbce betonu z cementu zawierającego 0,50% rozpuszczalnego Na20e, co odpowiada 1,92 kg/m3 betonu i przy stosunku w/c =
0,38 jest równoważne stężeniu około 500 mmoli NaOH/1 roztworu w porach betonu,
3) ettringit nie jest trwały w trakcie autoklawizacji w temperaturze 70°C w przypadku betonu z cementu o zawartości rozpuszczalnego 0,62% Na2Oe, wynika stąd, że przyjmowanie zawartości
całkowitego Na2Oe wynoszącego 0,80% w niektórych technologiach produkcji podkładów jest za
wysokie i może spowodować opóźnione powstawanie ettringitu,
4) w próbkach betonu z cementu o zawartości 1,16% rozpuszczalnego Na2Oe stwierdzono opóźnione
powstawanie ettringitu już po 28 dniach twardnienia w komorze klimatycznej w temperaturze 20°C i wilgotności względnej większej od 98%,
5) w próbkach tego betonu stwierdzono po pół roku dojrzewania betonu powstawanie rys; będzie to powodowało brak trwałości betonu w warunkach cyklicznego zamrażania i rozmrażania,
6) przy ocenie dopuszczalnego poziomu zawartości rozpuszczalnego Na2Oe w cemencie należy także
uwzględniać tę zawartość w kruszywach i stosunek w/c w betonie. Wyniki badań wykazują, że przyjmowanie poziomu 3 kg rozpuszczalnego Na2Oe w jednym metrze sześciennym betonu jest
The effect of alkalis content on the durability of autoclaved concrete for the production of sleepers
Abstract
At the end of eightieth the numerous destruction of sleepers on the railways in United States and in Germany took place. Heinz and Ludwig have discovered experimentally that the cause was the delayed ettringite formation. It was an unexpected reason because, as it is well known ettringite, which is formed during cement hydration at normal temperature in the earlies 24-48 hours, is stable even at 100°C under the saturated water vapour pressure. Thus it should be also stable during concrete sleepers autoclaving, which is proceeded at lower temperature. However, Wieker has shown experimentally that at 75°C, in the solution of NaOH and KOH exceeding 400 mmoles /litter, ettringite is not stable. In this condition that ettringite is not stable and in concrete after autoclaving the sulphate ions remain, which in appropriate condition, principally moisture of environment, after a month, year and even several years, are reacting with calcium aluminate hydrates with ettringite formation. This process called "delayed ettringite formation" causes the significant concrete destruction, because of crystallization pressure, which is accepted finally as mechanism of cement matrix destruction.
From Wieker's works it is evident that the destruction of sleepers on railways in United States and in Germany was caused by the increase of potassium content in cement which became higher that the threshold value in the concrete pore solution establish by Wieker. The cause was the change in this period the clinker production technology, in which dry method was replacing the wet one, which increased the potassium content in cement.
However, several problems concerning this form of internal concrete corrosion remained unclear, principally in the technical literature the studies were focussed onto cement paste not touching concrete, then also aggregate. For this reason the main goal of doctor's thesis was the study of the effect of water soluble phases of sodium and potassium in cement and in aggregate content on the stability of ettringite, during autoclaving of concrete.
The experiments were conducted on concrete which composition was the same as applied in industrial concrete plants, with cement CEM I 52.5 NA which content of sodium equivalent was lower than 0.60%. In used in experiments granite aggregate the soluble Na20e content was 0.02% and in
cement 0.14%. In order to increase the content of soluble Na20e content K2SO4 to cement was added
and the quantity of soluble Na2Oe was 0.50%, 0.75% and 1.16% respectively. The concrete samples
industrial technology. It should be underlined that the autoclaving temperature was measured in the samples core. The experimental results can be summarising as follows:
1) the compressive strength of concrete samples after autoclaving was the highest in the case of the highest K2SO content in cement, but after 28 days of concrete hardening was the lowest,
2) ettringite was stable during autoclaving at 70°C in the concrete sample from cement containing 0.50% of soluble Na2Oe, which is corresponding to 1.92 kg/m
3
of concrete, when w/c ratio is 0.38 and gives the concentration of about 500 mmoles of NaOH/1 pore solution of concrete,
3) ettringite is not stable during autoclaving at 70°C in the case of concrete from cement with soluble Na2Oe content equal 0.62%, it means that the limit of total Na2Oe content equal to 0.80%, accepted in
some technologies of sleepers production, is too high and may cause delayed ettringite formation, 4) in concrete samples from cement containing 1.16% of soluble Na2Oe the delayed ettringite
formation was found already after 28 days of concrete curing in climatic chamber at 20°C and 98% of relative humidity,
5) in concrete samples of cement with 1.16% of soluble sodium equivalent cured in climatic chamber during half a year the microcracks were found, which can cause the low frost resistance of this concrete,
6) in evaluation of acceptable soluble Na2Oe content in cement it is very important to take into
account this content also in aggregate and the w/c ratio in concrete. The experimental results are showing that the level of 3kg/m3 of concrete accepted in some technologies is significantly too high.
