Корозия на циментов камък, Новости в строителството
Корозията на циментовия камък се причинява от действието на корозивни газове и течности върху съставните части на втвърдения портланд цимент, главно върху Ca (OH) 2 и 3CaO · Al2Oz · 6H2O.
Бетонът в инженерните конструкции често е изложен на агресивни влияния на околната среда по време на работа: пресни и минерализирани води, комбинирано действие на вода и замръзване, редуващо се овлажняване и изсушаване. Сред компонентите на бетонациментовият камък е най-податлив на развитие на корозионни процеси. За да може бетонът да устои устойчиво на агресивните въздействия на външната среда, циментовият камък трябва да бъде устойчив на корозия, както и на замръзване и атмосферни влияния.
Има десетки вещества, които могат да повлияят на циментовия камък и да му бъдат вредни. Въпреки разнообразието от агресивни вещества, основните причини за корозия могат да бъдат разделени на три групи (според V. M. Moskvin): 1) Разлагане на компонентите на циментовия камък, разтваряне и измиване на хидрат на калциев оксид;
2) Образуването на лесно разтворими соли в резултат на взаимодействието на калциев хидроксид и други съставки на циментовия камък с агресивни вещества и измиването на тези соли (киселина, магнезиева корозия);
3) Образуването на нови съединения в порите, заемащи по-голям обем от първоначалните реакционни продукти; това предизвиква появата на вътрешни напрежения в бетона и неговото напукване (сулфоалуминатна корозия).
〈 Излужването на калциев хидроксид протича интензивно под действието на меки води, съдържащи малко разтворени вещества. Те включват циркулационно водоснабдяване, кондензат, дъждовна вода, вода от планински реки и низинни реки по време на наводнения, блатна вода. Съдържанието на калциев оксид хидрат в циментовия камък след 3 месецавтвърдяването е 10 - 15% (изчислено върху CaO).
След измиването му и в резултат на намаляване на концентрацията на CaO (по-малко от 1,1 g/l) започва разлагането на калциевите хидросиликати и хидроалуминати. Излужването на Ca (OH) 2 в размер на 15-30% от общото съдържание в циментовия камък води до намаляване на якостта му с 40-50% или повече. Излужването може да се види по появата на бели петна по повърхността на бетона.
〈 Корозия от въглероден диоксид се развива, когато циментовият камък е изложен на вода, съдържаща свободен въглероден диоксид под формата на слаба въглеродна киселина. Прекомерният (над равновесното количество) въглероден диоксид разрушава карбонатния филм на бетона поради образуването на силно разтворим калциев бикарбонат според реакцията
CaCO3 + (CO2)свободен + H20 = Ca(HC03)2
〈Киселинна корозия възниква под действието на разтвори на каквито и да е киселини с pH стойност pH 2-) над 250 mg/l:
3СаО • Al2O3 • 6Н2O + 3CaSO4 + 25Н2O = 3СаО • Al2O3 • 3CaS04 • 31Н20
Образуването на слабо разтворим трисулфатен калциев хидросулфоалуминат (етрингит) в порите на циментовия камък е съпроводено с увеличаване на обема около 2 пъти. Развиващото се в порите кристализационно налягане води до напукване на защитния слой на бетона. Това е последвано от корозия на стоманената армировка, повишено напукване на бетона и разрушаване на конструкцията. Сулфоалуминатната корозия винаги трябва да се има предвид при изграждането на офшорни конструкции. В същото време отпадъчните води от промишлени предприятия, както и подземните води, могат да се окажат агресивни.
Ако водата съдържа натриев сулфат, тогава калциевият хидроксид реагира първо с него.
Ca(OH)2 + Na2SO4 3& CaS04 -f 2NaOH
Впоследствие се образува калциев хидросулфоалуминат.поради взаимодействието на получения калциев сулфат и хидроалуминат.
За борба със сулфоалуминатната корозия се използва специален портланд цимент, устойчив на сулфати.
〈Корозия под въздействието на органични вещества. Органичните киселини, подобно на неорганичните киселини, бързо разрушават циментовия камък. Оцетната, млечната и винената киселина са много агресивни. Мастните наситени и ненаситени киселини (олеинова, стеаринова, палмитинова и др.) Разрушават циментовия камък, тъй като се осапуняват под действието на калциев хидроксид.
Следователно маслата, съдържащи мастни киселини, също са вредни: ленено, памучно, а също и рибено масло. Маслото, петролните продукти (керосин, бензин, мазут, нефтени масла) не представляват опасност за бетона, ако не съдържат петролни киселини или серни съединения. Трябва обаче да се има предвид, че петролните продукти лесно проникват в бетона. Дестилатите от каменовъглен катран, съдържащи фенол, могат да атакуват бетона агресивно.
〈Корозията, причинена от циментови алкали се дължи на процесите, протичащи вътре в бетона между неговите компоненти. Съставът на циментовия клинкер винаги съдържа различно количество алкални съединения. В състава на агрегатите за бетон, особено в пясъка, има реактивни модификации на силициев диоксид: опал, халцедон, вулканично стъкло. При обикновени температури те влизат в разрушителни за бетона реакции с циментови основи. В резултат на това върху повърхността на зърната на реактивния добавъчен материал се образуват набъбващи желатинови отлагания с бял цвят, появява се мрежа от пукнатини, повърхността на бетона набъбва и се лющи на места. Разрушаването на бетона може да настъпи 10-15 години след завършване на строителството.
Свойства на циментовия камък
〈Химическа устойчивост на циментов камък.
Това е много важно свойство на циментовия камък - способността да не се срутва дълго време под въздействието на агресивна среда (виж описанието по-горе).
〉Якост на циментов камък.
Силата на циментовия камък, приготвен от този портландцимент и отлежал при определени условия, зависи от порьозността. Якостта и порьозността Ptot са свързани с експоненциална зависимост от формата Ptot=Pο exp(-ℜR), където P0 е порьозността при нулева якост, приблизително равна на 60%; ℜ-коефициент на пропорционалност.
Снимка 1. Зависимостта на якостта на циментовия камък при натиск от общата порьозност:
1-от Рой; 2- Според Брунауер; 3-по Вербек и Хелмут.
В полулогаритмични координати зависимостта порьозност-якост може да бъде представена като прав сегмент. Фигура -1 показва, че потенциалната якост на циментовия камък е много висока. Д.М. Roy и G. R. Gouda използваха горещо пресоване (температура 250°C, налягане 350 MPa), за да произведат циментов камък с W/C=0,093.
Полученият по този начин циментов камък беше много плътен, изчислената му порьозност беше необичайно ниска (2,13-3,9%), следователно след 1 ден якостта на натиск беше 412 MPa, а до 3 месеца се увеличи до 655 MPa, много далеч от пълното използване на свързващите свойства на цимента.
Маса 1. Степента на хидратация, в% от общата хидратация на клинкерни минерали (според Yu.M. Butt и S.D. Okorokov)
На практика се използват главно бетонови смеси с W / C \u003d 0,4-0,8, които са податливи на уплътняване чрез вибрации, следователнопорьозността на циментовия камък в истинския бетон е 30-50%, а неговата якост (виж фигура 1) ще бъде 20-100 MPa Скоростта на взаимодействие на клинкерните минерали с вода може да се характеризира с увеличаване на степента им на хидратация с течение на времето (таблица 1).
Най-бързо хидратиращите циментови клинкерни минерали са трикалциевият алуминат и трикалциевият силикат.Най-бавната хидратация настъпва при дикалциевия силикат.
Фигура-2. Увеличаването на якостта на клинкерните минерали с течение на времето (логаритмична скала):
1 - C3S с 5% гипс; 2 - C2S с 5% гипс; 3 - С3А с 15% мазилка; 4 - C4AF с 5% гипс (по S.M. Royak)
Фигура 2 сравнява кривите на нарастване на якостта на клинкерните минерали, смесени с вода. Трикалциевият силикат бързо се втвърдява и придобива висока якост. Трикалциевият алуминат се характеризира с много бързо нарастване на якостта, но в бъдеще почти не се променя.
По този начин е необходимо увеличаване на общото съдържание на трикалциев силикат и трикалциев алуминат в циментов клинкер, за да се получат бързо втвърдяващи се портланд цименти. Ефектът от фиността на смилане на цимента върху якостта може да се види на фиг. 3.
Фигура-3. Зависимостта на якостта на портланд цимента от специфичната повърхност:
1, възраст на пробата 1 ден; 2 - 28 дни
Увеличаването на специфичната повърхност и якостта на цимента в ранните етапи на втвърдяване (до 3 дни) се обяснява с увеличаване на съдържанието на частици по-малки от 5 μm в цимента. Именно във фината фракция на цимента се натрупват по-малко твърди минерали - алит (C3S) и C3A, който бързо реагира с вода. Пълната хидратация на малките зърна от тези минерали настъпва още през първите 3 дни след смесването на цимента с вода (Таблица 2) и дава съответнитеувеличаване на първоначалната якост.. Якостта в следващите периоди на втвърдяване (след 7 дни) се дължи на хидратация на вътрешната част на зърната на по-едри циментови фракции.
Таблица 2. Дълбочина на хидратация на клинкерни минерали, микрони (според Ю. М. Бут и С. Д. Окороков)
Съвместното променливо действие на вода и замръзване води до разрушаване на бетонни конструкции. При отрицателни температури водата в порите на циментовия камък се превръща в лед, който увеличава обема си с около 9% спрямо обема на водата. Ледът притиска стените на порите и ги разрушава.
〈Мразоустойчивостта на циментовия камък зависи от минералогичния състав на клинкера, фиността на цимента и съотношението вода/цимент. До определена финост на смилане (5000 ... 6000 cm2 / g) устойчивостта на замръзване на цимента се увеличава, но с по-нататъшно увеличаване на фиността на смилане устойчивостта на замръзване намалява. Това се дължи на порестата структура на неоплазмите от цимент с ултрафино смилане.
Повърхностноактивните добавки (SDB, mylonaft) значително повишават устойчивостта на замръзване на бетона. SDB пластифициращите добавки значително намаляват нуждата от вода на бетонните смеси, като същевременно поддържат дадена подвижност и по този начин намаляват порьозността на циментовия камък.
Някои водоотблъскващи добавки имат въздушна способност (въздушните мехурчета в бетонната смес абсорбират налягането на леда), повишават хомогенността на структурата на циментовия камък (придават водоотблъскващи свойства) и хидрофобизират стените на порите и капилярите, като по този начин повишават устойчивостта на циментовия камък към вода.
Трябва да се има предвид, че замръзването на циментовия камък в началния период на втвърдяване е най-опасно, тъй като все още няма достатъчна якост и не може да устои енергичнодействие на лед.
〈Въздушно съпротивление.
Устойчивост на въздух - способността на циментовия камък да поддържа здравина в сухи условия, със силно нагряване от слънчева светлина, както и в условия на редуване на влага и сушене. Циментите, съдържащи активни минерални добавки от седиментен произход, са не само по-малко устойчиви на замръзване, но и по-малко устойчиви на въздух.
Това се обяснява главно с дехидратацията (изветрянето) на част от водата от нискоосновни калциеви хидросиликати, които са се образували при взаимодействието на аморфен силициев диоксид с калциев оксид хидрат. Ето защо, например, пуцолановият портланд цимент се препоръчва за използване във влажни условия, за подводни и подземни конструкции.