Корозія цементного каменю та способи захисту
МОСКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ БУДІВЕЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (МДСУ)
Реферат з дисципліни:
«Матеріалознавство. Технологія конструкційних матеріалів»
«Корозія цементного каменю та способи захисту»
Виконала: Костомарова І.А.
III курс, ВВВ (заочний)
м. Москва, 2009 р.
Бетони та цементний камінь, як його матрична частина, в експлуатаційних умовах схильні до корозійного впливу різних середовищ, особливо мінералізованої води в морських спорудах (моли, причали, естакади зі пальовою основою та залізобетонною верхньою будовою, портові конструкції та ін.), мінеральної кислоти при експлуатації резервуарів, веж та інших споруд хімічної промисловості. На бетон надають корозійний вплив органічні кислоти та біосфера, особливо при роботі споруд у торф'яних ґрунтах, на підприємствах харчової промисловості. Негативний вплив можуть на склад і структуру цементного каменю в бетонах лужне середовище, прісна вода, особливо водні розчини електролітів. В індустріальних районах корозійний вплив на бетонні конструкції надають гази, наприклад сірчисті, сірководень, хлористий водень, аерозолі солей, наприклад морської води та ін. . Крім хімічних реакцій при контакті з середовищем можливі фізичні сорбційні процеси з поглинанням із середовища поверхнево-активних речовин (ПАР), наприклад сірковмісних полярних смол з нафтопродуктів, з фізичним порушенням суцільності контактів у структурі та прискоренням розвитку дефектів.
Корозія цементного каменю.Види корозії
Розрізняють фізичну, хімічну, електрохімічну та біологічну корозії.
Це вивітрювання, розчинення, руйнація внаслідок температурних коливань характерних всім видів гірських порід.
Корозії розчинення носить фізико-хімічний характер (див. нижче корозії вилуговування).
Агресивними по відношенню до цементного каменю є всі кислоти та багато солі.
Цей вид корозії має місце найчастіше, а руйнація відбувається найінтенсивніше. Найуразливішою речовиною в цементному камені є вапно. Однак зв'язування вапна (скажімо за рахунок SiO2) ще не виключає корозії, оскільки вона може відновлюватися за рахунок відступу від гідратів кальцію.
Кислоти і деякі солі вступають у реакцію з Са(ОН)2 і утворюють нові сполуки, або легко розчиняються у воді, або неміцні пухкі, або кристалізуються зі значним
Зміною обсягу. Іноді це відбувається одночасно.
Усі кислоти руйнують портландцементний камінь
Хлористий кальцій легко розчинний, а CaSO4 може вступати у взаємодію з гідроалюмінатами кальцію і утворювати гідросульфоалюмінат кальцію. Останній кристалізується із збільшенням обсягу.
Гіпс також кристалізується із збільшенням обсягу.
Хоча в пластових водах немає безпосередньо соляної та сірчаної кислот, (але їх утворення можна припустити), зате є достатня кількість агресивних солей по відношенню до цементного каменю. До таких солей відносяться сульфати (MgSO4, CaSO4), хлориди (MgCl2, CaCl2).
Агресивний сірководень і вуглекислий газ, які можуть утримуватися як у пластових водах, так і в нафті і газі, що добуваються.
Розглянемо основні види хімічної корозії та застосування у зв'язку з ними цементів.
Кристаллогідрати (гідросилікати, алюмінати та ферити кальцію), що утворюються при взаємодії з водою клінкерних мінералів і складають разом з наповнювачами цементний камінь, мають значну рівноважну розчинність у воді. Це означає, що вони залишаються стійкими при контакті з водами тільки в тому випадку, якщо у воді є достатня концентрація Са(ОН)2. Якщо концентрація у воді Са(ОН)2 нижче рівноважної, то у гідрату будуть відщеплюватися молекули вапна і концентрація відновлюватиметься до рівноважної.
Гідросилікати та гідроалюмінати кальцію мають тим більшу рівноважну розчинність, чим вища їх основність. Отже відщеплення гідратів спочатку походить від високоосновних гідратів, їх основність у своїй знижується, а стійкість у цьому середовищі підвищується.
Якщо концентрація гідрату окису кальцію надалі не знижуватиметься, процес на цьому зупиниться. Якщо ж концентрація вапна буде продовжувати знижуватися і стане нижче рівноважної для гідрату, що знову утворився, то відщеплення гідрату окису кальцію триватиме аж до повного розкладання гідросилікатів і гідроалюмінатів, з утворенням аморфних кремнезему і глинозему. Хоча останні і погано розчиняються у воді, проте вони не мають в'яжучих властивостей – міцність і монолітність каменю порушуються.
Ці процеси можуть спостерігатися, якщо цементний камінь омивається безперервно оновлюваною водою або розчинами солей, що мають малу концентрацію Са(ОН)2 або якщо Са(ОН)2 зв'язуються речовинами, що містяться в розчині, в міцні малорозчинні або малодисоціюючі хімічні сполуки (кальцію).
Чим вище концентрація вапна в порах цементного каменю, тим вище швидкість вилуговування. Низькоосновні гідрати кальцію мають меншу рівноважнурозчинність. Вапно зв'язується, а основність знижується в тих випадках, коли в цемент вводяться активні кремнеземні добавки, а при високих температурах і кварцовий пісок.
Таким чином, більш стійкими проти корозії вилуговування є низькоосновні цементи (пуццоланові, шлакопіщанисті, БКЗ, вапняно-кремнеземисті).
Більш агресивними у сенсі вилуговування є «м'які» води. Розчинність вапна підвищується у присутності хлористого натрію. Значить мінералізовані пластові води, у принципі, всі агресивні до цементного каменю. Розчинність Са(ОН)2 підвищується зі зростанням температури. Отже, перелічені умови вимагають застосування низькоосновних цементів.
Полегшені цементи менш стійкі до вилуговування, за винятком тих у яких як полегшуючий компонент використана будь-яка активна кремнеземна добавка.
Якщо в навколишньому цементний камінь середовищі містяться речовини, що утворюють з Са(ОН)2 малорозчинні сполуки, концентрація вапна в ній буде підтримуватися на дуже низькому рівні.
Наприклад, якщо в пластових водах є MgSO4, то він вступаючи у взаємодію з Са(ОН)2 щодо реакції:
Mg(ОН)2 та гіпс мають дуже низьку розчинність у воді. Mg(ОН)2 сам по собі представляє пухку аморфну речовину. Якщо такий процес триватиме – цементний камінь зруйнується. Це магнезіальна корозія. Подібна дія але слабша, надає і хлористий магній.
Однак, найчастіше процес загасає в міру накопичення Mg(ОН)2 і Са SO4 × 2Н2 Про пори цементного каменю кольматацій. Причому накопичення цих речовин відбувається тим швидше, а ущільнення пір вище, ніж вища основність цементу. Кольматація пір призводить до уповільнення проникнення агресивного MgSO4.
Отже,стійкість терпкого до цього виду корозії знижується при введенні активних мінеральних добавок. Звідси в таких середовищах не можна застосовувати полегшені цементні розчини з мінеральними добавками типу діатоміт, опоку, тремел, пемза).
Шлакові цементи з магнезіальної стійкості мало поступаються портландцементу. Справа в тому, що при магнезіальному розкладанні шлакових гідросилікатів утворюється значна кількість кремнекислоти, що відрізняється завдяки особливій структурі підвищеною щільністю. Вона має суттєву кольматуючу дію. Однак і в цьому випадку доцільно підвищувати основу шлаку. Додавати глину та активні мінеральні речовини до шлаку в цьому випадку неприпустимо.