Виды коррозии цементного камня

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Уральский Федеральный  Университет имени

первого президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра Технологии вяжущих материалов и строительных изделий

 

Дисциплина Химия цемента

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 «Виды коррозии цементного камня»

 

 

 

 

 

Преподаватель       _________________________     И.С.Семериков

 

Студент

гр. Мт-400001        _________________________       И.К. Сидорович

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Цементный  камень как объект коррозии 5

2 Основные  факторы, определяющие процессы  коррозии 6

2.1 Физически  факторы 6

2.2 Физико-химические факторы 7

2.3 Химические  факторы 7

3 Виды коррозии 11

3.1 Коррозия выщелачивания 11

3.2 Кислотная коррозия 12

3.3 Кристаллизация солей с отложением продуктов коррозии в цементном камне 13

Сульфатная  коррозия 14

Магнезиальная коррозия 15

Углекислотная коррозия. 15

Сероводородная  коррозия. 16

Биологическая коррозия. 16

4 Термодинамический  метод оценки устойчивости бетона  к коррозии 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для  изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбестоцементных изделий. Изготовляют его на крупных  механизированных и автоматизированных заводах. Цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Делиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента. Портландцемент является минеральным вяжущим веществом, составляющим основу большей части номенклатуры сухих строительных смесей в качестве самостоятельного вяжущего, в смешанных цементных вяжущих системах, в составе цементно-известковых вяжущих, а также различных полимерцементных композиций. Ценные и уникальные свойства портландцемента определяются его способностью при затворении водой образовывать пластичное тесто, со временем, самопроизвольно, за счёт химического взаимодействия в системе, превращающееся в камень. Способность к самоотвердеванию, образование прочного и долговечного камня, экологическая чистота, низкая химическая опасность, пожаровзрывобезопасность в сочетании с низкой стоимостью являются предпосылками для широкого практического применения портландцемента.

Цементный камень в эксплуатационных условиях подвержен коррозионному воздействию различных сред, особенно минерализованной воды в морских сооружениях (причалы, эстакады со свайным основанием и железобетонным верхним строением, портовые конструкции и др.), минеральной кислоты при эксплуатации резервуаров, башен и других сооружений химической промышленности. Кроме того, влияние оказывают коррозионное воздействие органические кислоты и биосфера, особенно при работе сооружений в торфяных грунтах, на предприятиях пищевой промышленности. Негативное влияние могут оказывать на состав и структуру цементного камня в бетонах щелочная среда, пресная вода, особенно водные растворы электролитов. В индустриальных районах коррозионное влияние на бетонные конструкции оказывают газы, например сернистые, сероводород, хлористый водород, аэрозоли солей, например морской воды и др. Агрессивное воздействие оказывают также твердые, в основном высокодисперсные вещества, способные образовывать во влажных условиях прослойки из истинных и коллоидных растворов. Кроме химических реакций при контакте со средой возможны физические сорбционные процессы с поглощением из среды поверхностно-активных веществ (ПАВ), например серосодержащих полярных смол из нефтепродуктов, с физическим нарушением сплошности контактов в структуре и ускорением развития дефектов.

 

1 Цементный  камень как объект коррозии

Схватывание и твердение  затворенного водой цемента –  это сложные химические и физико-химические процессы, включающие адсорбцию воды, растворение и гидролиз исходных безводных вяжущих, насыщение, коллоидацию, последующую гидратацию, полимеризацию, конденсацию и кристаллизацию продуктов гидратации. Накладываясь друг на друга во времени, в процессе схватывания и твердения, в зависимости от термодинамических условий продукты гидратации проходят различные стадии дисперсного состояния от появления зародышей (размером < 1 нм) частиц коллоидной степени дисперсности (от 1 до 100 нм) до образования кристаллов (размером более 100 нм). В результате образуется цементный камень, состоящий из цементного геля (60–80 % объема камня), который обеспечивает прочность, и кристаллической фазы, заполняющей отдельные объемы пространства геля (20–40 %). Гель представлен C-S-H фазой, кристаллическая фаза – С-Н, С-А-Н, С-F-Н, С-А-С_s-Н – фазами.

C-S-H фаза включает гидросиликаты кальция двух видов:

1. CSH с соотношением С/S = 0,8 ….1,5;
2. CSH (II) с соотношением С/S >1,5. 

С-Н фаза представлена крупными кристаллами Са(ОН)₂, С-А-Н – гидроалюминатом С₄АН₁₀, С-А-С₃-Н иглообразным эттрингитом: 3СаО · Аl₂О₃ · 3СаSО₄ · 32 Н₂О.

 

 

2 Основные  факторы, определяющие процессы  коррозии

Факторы, определяющие коррозию цементного камня: можно разделить на физические, физико-химические, химические, электрохимические и микробиологические.

2.1 Физически факторы

К ним относятся: колебание  температуры и влажности в  цементном камне, механический износ, влажностные колебания в среде, а так же отложения и кристаллизация солей в порах камня, приводящие к разрушению.

Температурные деформации неизбежны  в массивных гидротехнических и  других конструкциях в условиях, когда  изменения температуры среды  носят циклический характер. Свободные  температурные деформации, определяемые коэффициентом линейного расширения (КЛР) бетона, зависят от состава и возраста бетона, вида заполнителя, влажностного режима.

При изменении температуры  от 4 до 55 ° С значение КЛР меняется незначительно. При тепловом воздействии окружающей среды на цементный камень появляются нестандартные потоки теплоты и вещества: потоки газов, водяного пара, жидкого порового электролита, возможны фазовые превращения и химические реакции, перенос конденсированной жидкости.

Влажностные деформации. Из-за неравномерного протекания диффузии в  объеме цементного камня могут возникнуть градиенты влажности, усадочные деформации или деформации набухания.

Общая усадка цементного камня (составляющая 500…1070 нм/мм в зависимости  от вида цемента, в/ц и других факторов) включает контракционную (примерно 200 нм/мм) усадку и усадку, возникающую в результате химического взаимодействия компонентов бетона с окружающей средой.

Абсолютные значения деформаций набухания меньше деформаций усадки. Они также различны при разной степени увлажнения геля. Сильнее  набухают более жирные бетоны. Влажностные  деформации зависят от вида заполнителя: при использовании гравия набухание  достигает 74 нм/мм, песчаника – 55, известняка – 50, гранита – 131.

Для учета влажностных  деформаций в бетоне введены коэффициенты линейной усадки b и линейного набухания h , т.е. относительные деформации бетона при изменении относительной влажности в случае равномерного высыхания или увлажнения. Для обычного тяжелого бетона в среднем b = 0,03 , h = 0,005.

2.2 Физико-химические факторы 

Основную роль в разрушении открытых строительных конструкций  и сооружений, работающих в условиях атмосферных воздействий с одновременным  насыщением влагой, играют не только температурные  и влажностные деформации, но и  фазовые превращения воды, и осмотические силы. Скорость тепло- и массообмена с окружающей средой при переменном замораживании и оттаивании зависит от капиллярно-пористой структуры материалов. Из общего спектра пор можно выделить наиболее опасные, вызывающие разрушение материала. Общую пористость разделяют на капиллярную, контракционную и гелевую. Морозостойкость связана главным образом с капиллярной пористостью, которую необходимо свести к минимуму. Для уменьшения капиллярной пористости на 1 % следует повысить расход цемента при степени гидратации 0,6 на 3,3 кг/м³ или снизить расход воды затворения на 10 л/м³. Для ликвидации капиллярных пор в цементном камне при наиболее вероятной степени гидратации 0,6–0,8 следует снижать в/ц до 0,3-0,4.

Деструктивные процессы при циклическом насыщении влагой, замораживании и оттаивании цементного камня и бетона обусловлены накоплением дефектов структуры под действием внутренних растягивающих напряжений. Последние вызваны: различием коэффициентов термического расширения составных частей бетона и железобетона: кристаллизационным давлением льда на стенки пор и капилляров; гидравлическим давлением порового электролита появляющимся во влажном бетоне при его промерзании.

2.3 Химические  факторы

Коррозией называют процесс  самопроизвольного разрушения цементных  или бетонных изделий в результате действия физических или химических факторов как извне (внешние причины коррозии), так и изнутри (внутренние причины коррозии).

В условиях эксплуатации на цементный камень действуют следующие внешние причины разрушения:

• природные воды (речные или морские) под давлением или просто омывающие;
• промышленные и бытовые воды (стоки);
• колебания температуры (сезонные и дневные);
• процессы высыхания и увлажнения (колебания атмосферной влажности, специфические условия службы);
• механические воздействия – удары волн, выветривание, истирание.
• биологические вредные воздействия бактерий.

Внутренние причины коррозии цементного камня – высокая водопроницаемость, взаимодействие щелочей с кремнеземом заполнителя, изменение объема из-за различия температурных коэффициентов расширения цементного камня и заполнителя; образование соединений с увеличением объема твердой фазы, осмотические явления.

Факторы, приводящие к коррозии цементного камня:   

1. Физические факторы  – температурные колебания среды  (попеременное замерзание и оттаивание, нагрев и охлаждение), приводящие  к деформации; влажностные колебания  среды: разрушение изделий за  счет подсоса влаги, насыщение  раствора и кристаллизация солей  в порах и капиллярах бетона  при испарении воды.   

2. Химические факторы  – воздействие газовой и водной  агрессивной среды (водные растворы  кислот, щелочей, газов) и органических  веществ на бетон.

Химическая коррозия бетона может быть газовой и жидкостной. Однако наличие влаги даже в небольших  количествах может сообщить коррозии железобетона электрохимический характер.

Действие (агрессия) воды, водных растворов, органических веществ –  кислот, солей, оснований, и кислых газов  в условиях эксплуатации приводит к  разрушению бетона и цементного камня. Причина коррозии заключается в  химическом воздействии агрессивной  среды на составные части цементного камня. По классификации, предложенной В.М. Москвиным, коррозию цементного камня под действием водных растворов среды разделяют на 3 вида (Рис. 1, 2):

• коррозия выщелачивания под действием вод с малой временной жесткостью (мягких вод), в результате которой растворяются основные составные части цементного камня и поступают в толщу бетона при фильтрации;
• реакции обмена между составляющими воды и цементного камня с образованием растворимых или не обладающих вяжущими свойствами продуктов, ослабляющих структуру камня;
• накопление и кристаллизация в порах, капиллярах и трещинах бетона солей, которые способны разрушить бетонные изделия.

Рис. 1 - Основные виды коррозии цементного камня:

а) выщелачивание извести  и карбоната кальция; б) выщелачивание  и химическое взаимодействие; в) кристаллизация солей с отложением продуктов  коррозии в теле бетона

Рис. 2 - Влияние обмена среды:

а) весьма слабое; б) слабое; в) сильное; г) весьма сильное

При изучении химических факторов необходимо учитывать:

• химический и минералогический состав бетона;
• его капиллярную, т.е. пористую структуру;
• состав агрессивной среды (содержание ионов Н⁺, Mg²⁺, Na⁺, Al³⁺, NH₄⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, OH^-, SO₄^2-, Cl^-, HCO₃^-).

Опасны все виды кислых газов: СО₂, SO₂, NO_x, H₂S, HCl и органические соединения, которые, растворяясь, изменяют физико-химические факторы.

 

3 Виды  коррозии

3.1 Коррозия выщелачивания – вызывается фильтрацией мягкой воды через толщу бетона. Она представляет собой постепенное растворение и вымывание компонентов цементного камня из бетона.

Это обусловлено некоторой  растворимостью главных составных  частей цементного камня – гидросиликатов, алюминатов, сульфоалюминатов, и, прежде всего, гидроксида кальция.

Пресная (мягкая) вода, проникая в поры, трещины, капилляры цементного камня растворяет и выносит Са(ОН)₂ в соответствии с произведением растворимости. При этом потеря извести восполняется посредством ступенчатого гидролиза цементного камня. Нарушается химическое равновесие между поровой жидкостью и составляющими цементного камня, последние подвергаются ступенчатому гидролизу, что ведет к ослаблению структуры и разрушению бетона.