Реферат Корозія цементного каменю та способи захисту - Банк рефератів, творів, доповідей
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. Видикорозії
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
Са(ОН)2 + НСl = CaCl + 2 H2O
Са(ОН)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O
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 основнівиди 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, лише у 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 вища швидкістьвилуговування. Низькоосновні гідрати кальцію мають меншу рівноважну розчинність. 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:
Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = Mg(ОН)2 + Са SO4 Ч 2Н2О
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 згасає в міру накопичення Mg(ОН)2 і Са SO4 2Н2О в порах цементного каменю кольматацій. Причому накопичення цих речовин відбувається тим швидше, а ущільнення пір вище, ніжвище 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.
Хлористий магній менш агресивний ніж сірчанокислий, тому що при обміні [Са(ОН)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2] утворюється добре розчинна речовина CaCl2 завдяки якому зберігається рівноважна концентрація іонів Са++.
Це вид корозії, який пов'язаний з утворенням сполук, що кристалізуються зі збільшенням обсягу. Прикладом такої корозії є взаємодія із сульфатами кальцію та натрію. Відомо, що гідроалюмінати кальцію можуть приєднувати гіпс та утворювати гідросульфоалюмінат. Останній кристалізується зі збільшенням об'єму, що викликає внутрішні напруження та руйнування цементного каменю.
(3 CaO Ч Al2O3 Ч 12H2O + 3(CaSO4 Ч 2H2O) + 13H2O =
= 3CaO Ч Al2O3 Ч 3CaSO4 Ч 31H2O
Однак не завжди наявність гідросульфоалюмінату кальцію в цементному камені говорить і про сульфатну корозію. Ця речовина є у первинній структурі цементного каменю. Тільки збільшення кількості гідросульфатоалюмінату говорить про сульфоалюмінатну, що відбувається.корозії.
Наявність у пластових водах хлоридів зменшує негативний вплив сульфатів.
Це один із поширених на нафтових та газових родовищах видів корозії. При сірководневій корозії спостерігається утворення малорозчинних сульфідів кальцію, алюмінію та заліза. Це призводить до зниження рівноважної концентрації Са(ОН)2, Al(OH)3, Fe(OH)3, що, у свою чергу, викликає руйнування гідратів кальцію.
Нафта і нафтопродукти не є небезпечними, але якщо в них є нафтенові кислоти і сульфати, то вони також руйнують цементний камінь.
Цей вид корозії вивчений мало. Проте, мабуть зводиться зрештою якогось хімічного виду.
Так є багато бактерій, які виділяють вуглекислоту, що спричинить вуглекислотну корозію. Деякі бактерії можуть окислювати сульфати спочатку до сірководню, а потім до сірчаної кислоти. Звідси і характер руйнування каменю.
Електрохімічна та електроосмотична корозії
Джерело - блукаючі струми (промислові мережі). Система обсадної колони, цементний камінь – земля є провідниками. У цій системі завжди можливе перенесення іонів, звідси можливі і електрохімічна та електроосмотична корозії. Слід зазначити, що цементне каміння, бетони (фундаменти) мають як правило певний електричний потенціал по відношенню до землі.
Руйнування цементного каменюможе відбуватися під впливом фізичних факторів (насичення водою, поперемінне заморожування та відтавання, зволоження та висихання тощо), а також при хімічній взаємодії компонентів каменю з агресивними речовинами, що містяться в навколишньому середовищі.
Корозія другого видувідбувається при дії на цементний камінь агресивних речовин, які, вступаючи у взаємодію зскладовими частинами цементного каменю, утворюють або легкорозчинні та вимивані водою солі, або аморфні маси, що не мають сполучних властивостей (кислотна, магнезіальна корозія, корозія під впливом деяких органічних речовин тощо).
Корозія під впливом органічних кислот, як і неорганічних, швидко руйнує цементний камінь. Шкідливий вплив мають і олії, що містять кислоти жирного ряду (лляне, бавовняне, риб'ячий жир тощо). Нафта, нафтові продукти (гас, бензин, мазут, нафтові олії) не є небезпечними для цементного бетону, якщо в них немає залишків кислот, але вони легко проникають через бетон. Продукти розгонки кам'яновугільного дьогтю, що містять феноли, агресивно впливають на бетон.
Корозія виникає і під дією мінеральних добрив, особливо аміачних (аміачна селітра та сульфат амонію). Аміачна селітра, що складається в основному з NH4NO3, діє на гідроксид кальцію:
Са(ОН)2 + 2NH4NO3 + 2НаО = Ca(NO3)2 -4Н2О + 2NOa
Нітрат кальцію, що утворюється, добре розчиняється у воді і вимивається з бетону. З фосфорних добрив агресивний суперфосфат, що складається в основному з Са(Н2РО4)2, гіпсу і містить невелику кількість вільної фосфорної кислоти.
Корозія третього видупоєднує процеси, при яких компоненти цементного каменю, вступаючи у взаємодію з агресивним середовищем, утворюють сполуки, що займають більший обсяг, ніж вихідні продукти реакції. Це викликає появу внутрішніх напруг у бетоні та його розтріскування. Характерною корозією цього виду є сульфатна корозія. Сульфати, що часто містяться в природній та промислових водах, вступають в обмінну реакцію з гідроксидом кальцію, утворюючи гіпс CaSO4-2H2O. Руйнування цементного каменю в цьому випадку викликаєтьсякристалізаційним тиском кристалів двоводного гіпсу (гіпова корозія) Така корозія відбувається при значних концентраціях сульфатів у воді,
Захист бетону та інших матеріалів від корозії
Захист бетону та інших матеріалів від корозії спричиняє великі витрати. Наприклад, при будівництві хімічних заводів на антикорозійний захист будівель та апаратів витрачається близько 10. 15% від загальної вартості будівництва. Тому при будівництві будівель та споруд необхідно насамперед визначити характер можливої дії середовища на бетон, а потім розробити та здійснити потрібні заходи для запобігання корозії, які у загальному вигляді зводяться до наступного: 1) правильний вибір цементу; 2) виготовлення особливо щільного бетону; ) застосування захисних покриттів.
Як можна захистити бетон?
Захист будівельних конструкцій від біоушкоджень передбачає проведення наступних заходів:
- посилення вентиляції з метою зниження вологості повітря та концентрації газів, що сприяють розвитку небезпечних мікроорганізмів;
- Герметизація з тією ж метою технологічного обладнання;
- періодичне очищення та дезінфекція поверхні конструкцій;
- Нейтралізація агресивних середовищ.
- надання поверхні конструкцій форми, що унеможливлює накопичення на ній органічних речовин, що можуть служити їжею для мікроорганізмів;
- влаштування ухилів підлог та відвідних лотків для стічних рідин.
- нанесення на бетонну поверхню лакофарбових матеріалів;
- облицювання різними плитами;
- Зниження проникності бетону;
- Застосування матеріалів, стійких до дії продуктів життєдіяльності мікроорганізмів, переважно до кислот.
Методи захисту цементного каменю відкорозії різноманітні, але вони можуть бути зведені у такі групи:
- Вибір належного цементу;
- Виготовлення особливо щільного бетону;
- застосування захисних покриттів та облицювань, що практично виключають вплив агресивного середовища на бетон.