Архив рубрик: Без рубрики

Коррозия металлов и сплавов очень актуальна в строительстве. В некоторых случаях, как ранее было указано, в качестве конструкционных материалов в строительных конструкциях находит применение высоколегированные стали, алюминий и его сплавы, цинк, свинец и из новых металлов — титан и его сплавы. Эти конструкционные металлы применяются в особо сильных агрессивных средах. Из легированных сталей наиболее широко известны хромистые стали с содержанием хрома в 17, 25 и 27% и хромоникелевые с содержанием хрома в 17—19% и никеля 8—11%, а из легированных чугунов — кремнистый чугун с содержанием кремния в 15—’17% и хромистый с содержанием хрома 28—30%.

Эти легированные стали и чугуны имеют в основном высокую химическую стойкость в минеральных кислотах, обладающих окислительными свойствами, в растворах солей и едких щелочей (в последних кремнистый чугун нестоек). Неокислительные кислоты (соляная кислота, серная кислота низких и средних концентраций, плавиковая кислота, фосфорная) разрушают хромистые и хромоникелевые стали.

Хромоникелевые стали по сравнению с хромистыми обладают рядом преимуществ, например хорошей свариваемостью, меньшей склонностью к охрупчиванию при повышенных температурах. Однако хромоникелевые стали склонны к межкристаллитной коррозии, что особенно опасно для сварных металлических конструкций. Этот вид коррозии обнаруживается после нагрева и выдержки при 400—800°С.

Легирование хромоникелевой стали молибденом и медью делает ее стойкой в серной кислоте при всех концентрациях и повышенных температурах и в фосфорной кислоте.

Алюминий — сильно электроотрицательный металл. Его нормальный потенциал — 1,66 в, однако благодаря его большой склонности к пассивированию стойкость его в нейтральных и слабокислых средах очень высока.

Сплавы алюминия обладают меньшей коррозионной стойкостью, но имеют более высокую прочность по сравнению с алюминием. Коррозионное поведение алюминия обусловливается химическими свойствами пассивной пленки Аl₂O₃, которой защищена поверхность алюминия. Пленка Аl₂O₃ растворяется в сильных неокисляющих кислотах и щелочах с выделением водорода. Алюминий стоек в сильных окислителях и в окисляющих кислотах, например в азотной кислоте, в растворах бихромата и т. п.

Цинк, свинец и титан во многих агрессивных средах находят применение в основном как обкладочные материалы для защиты конструкции из углеродистой стали.

Цинк является анодом по отношению к стали и ряду других металлов (потенциал его равен — 0,76 в), а поэтому с успехом используется в качестве анодов при электрохимической защите или для протекторных покрытий, а также в виде цинковой пыли для окрасок (грунтов).

При возможном повреждении такого покрытия разрушается само покрытие, а не защищаемый им металл.

Титан и сплавы на его основе обладают повышенной коррозионной стойкостью но многим агрессивным средам. Титан к тому же характеризуется высокой жаростойкостью и конструктивной прочностью. Отдельные конструкции из титана начинают применяться и в специальном строительстве. Облицовка из титана применена при сооружении в 1964 г. обелиска космонавтов на площади у ВДНХ в Москве.

Несмотря на то что титан имеет значительный отрицательный стандартный электродный потенциал (—1,21 в), при доступе кислорода потенциал сильно облагораживается и достигает значений +0,2; +0,4 в. Титан пассивируется, покрывается плотной окисной пленкой толщиной 20—50А. Защитные свойства его сильно снижаются при нагреве выше 350°С. Эта температура и рекомендуется как предельная для его эксплуатации, хотя температура плавления титана достигает 1775°С.

Коррозия металлов и сплавов : титан устойчив в азотной кислоте, смесях ее с серной и соляной, уксусной и муравьиной кислотами, в хлороформе, влажном хлоре, в растворах почти всех хлористых солей. Стойкость в соляной, фосфорной и серной кислотах снижается по мере увеличения концентрации этих кислот Свинец обладает высокой стойкостью в плавиковой кислоте (до 60%) и в фосфорной кислоте (до 85%).

В растворах щелочей (рН более 10) свинец не стоек; в частности, разрушается свинец и в свежем бетоне от действия насыщенного раствора извести.

Свинец удовлетворительно стоек в жестких водах и мало стоек в мягких.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Разрушение камней и бетонов при нагреве может быть вызвано следующими причинами:

• а) потерей ими химически связанной воды из кристаллогидратов:
• б) термическим разложением отдельных окислов;
• в) фазовым преобразованием минералов;
• г) различием коэффициентов термического расширения для отдельных составляющих;
• д) расплавлением отдельных минералов.

Потеря камнями и бетонами химически несвязанной воды (гигроскопической) происходит даже при комнатной температуре и особенно при температуре выше 100°С и обычно не вызывает каких-либо нарушений в структуре камня.

Прочность же камней при подсушивании, как правило, повышается на 10—30%.

Напротив того, потеря кристаллогидратами и гидроокисями связанной воды приводит к перестройке кристаллической решетки и, как правило, к снижению прочности и других свойств, а иногда и к полному распаду структуры.

Так, при обжиге глины, при повышении температуры до 400—600°С глина становится пористой, теряет пластичность и вяжущие свойства. При дальнейшем повышении температуры каолинит глины (Аl₂O₃•2Si0₂•2H₂0) превращается в ангидрид. Отдельные кристаллогидраты цементных бетонов теряют связанную воду.

Отмечается в частности, что бетон на высокоалюминатных цементах при длительном нагреве до 150°С уже существенно снижает свою прочность, а при нагреве до 200—250° С постепенно распадается. Фазовое изменение структуры, например, при переходе кварца из ( β — в α — форму при 575°С также может служить причиной значительных структурных нарушений, однако обычно оно протекает не мгновенно и поэтому не вызывает распада структуры камня в целом.

Наиболее огнеупорными являются алюмосиликатные керамические изделия (плитки, кирпич)—динас, шамот до 1700°С, магнезиальный кирпич до 2000°С, а также карборунд до 2200°С.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Разрушение бетона водой такого вида часто встречаются в строительстве. Разрушению морозом подвержены все пористые камни и бетоны открытых сооружений — мостов, дорог, плотин и многих других конструкций, если они насыщаются водой. Механизм разрушения в основном заключается в том, что заполняющая поры камня вода при замораживании увеличивается в объеме приблизительно на 9% и разрывает материал.

Однако замораживание бетона не происходит мгновенно по всему объему, и, следовательно, вода получает возможность отжиматься образующимся льдом в незамерзающие участки.

Весьма важным оказывается также и то, насколько заполнены водой поры бетона. Если они заполнены только на 80—85%, вода имеет возможность расширяться внутри пор, при этом сильного разрушения не происходит. Требуются сотни циклов попеременного замораживания и оттаивания, чтобы вызвать заметные разрушения не полностью насыщенного водой прочного бетона.

Известно также, что замерзание воды в порах бетоны происходит не при нуле градусов. При температуре, близкой к нулю, замерзает лишь часть воды, находящейся в относительно крупных порах бетона. Происходит это по той причине, что вода в бетоне насыщена известью и некоторыми другими оолями и что она распределена между порами и капиллярами разной формы и размеров. Установлено, что в тонких и тончайших капиллярах вода может замерзать при значительно более низкой температуре, чем обычно (в пределах до —70°С).

Кроме того, эта же система пор обусловливает различную скорость передвижения охлажденной воды в бетоне при частичном ее замерзании, что отражается на развитии внутренних напряжений и разрушения бетона.

Наиболее легко разрушаются морозом относительно малопрочные, сильнопористые и одновременно сильно насыщаемые водой камни — пористые бетоны (особенно шлакобетоны), обыкновенный кирпич, глиняный и силикатный кирпич, цементно-известковые растворы. Обычно они выдерживают от 5 до 30 циклов переменного замораживания и оттаивания и не пригодны для использования в сильно увлажняемых открытых конструкциях.

Камни и бетоны с меньшей пористостью (10—15%) и более прочные выдерживают уже до 100—300 замораживаний, а очень плотные их разновидности — до 11000 и более циклов,

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Кислотоупорный бетон состоит, из вяжущего материала — жидкого стекла с добавлением кремнефтористого натрия и кислотостойких заполнителей (андезит, бештаунит, гранит, клинкер, кварц и т. п.).

Составляющие материалы

• а) 35—38%-ныЙ концентрат жидкого стекла — натровый растворимый силикат Na20 • nSiO2 + mНаО, где модуль n = 2,50 — 3,00.
• б) Кремнефтористый натрий (технический) Na2SiF6, содержащий < 90% химически чистого вещества.
• в) Заполнители — андезит, бештаунит, чистый кварцевый песок, гранит, клинкер и т. п., состоящие из трех фракций по крупности: пыли мельче 0,15 мм песка 0,15—5 мм и щебня от 5 мм до наибольшей крупности, допускаемой размерами конструкция.

Состав бетона определяется на опыте следующим образом: к смеси заполнителей, подобранных по кривой Боломея, добавляется жидкое стекло (вышеуказанной концентрации с добавкой кремнефтористого натрия) постепенно с перемешиванием до тех пор, пока не получится необходимая пластичность. Приблизительный состав : 0,7—1 ч. жидкого стекла, 1 ч. пыли (специально размолотой или в качестве отхода от дробления щебня), 1 ч. песка, 2 ч. щебня.

Кремнефтористый натрий добавляется в количестве 15% от веса жидкого стекла. Пластичность назначается в зависимости от метода укладки и толщины бетонируемой конструкций.

При укладке бетона вибраторами осадка конуса должна быть равна нулю, при ручной укладке со штыкованием осадка конуса может составлять 3—10 см.

Уход за бетоном состоит в выдерживании его в теплой и сухой среде (в отличие от обычного на цементах, который необходимо выдерживать во влажной среде).

Химическая формула кислотостойких кислотоупорных бетонов

Основой для кислотостойкого бетона твердеющих систем является водный раствор силиката натрия, т. е. ярко выраженной щелочи.

В последнее время находит применение также и раствор силиката калия. Однако в процессе твердения на воздухе (в тонком слое) или в присутствии кремнефтористого натрия щелочь переходит в слабоосновную или нейтральную соль— углекислый или фтористый натрий и кислый кремнегель (рН=2), которым в основном и определяется стойкость бетонов или растворов этого типа:

Na₂0 • Si0₂ + С02 + 2Н₂0 -> Na2CO₂+ Si (ОН₎₄;

2Na₂0 • Si0₂ + Na₂SiF₆ + 6H₂0 -> 6NaF + 3Si (OH)₄.

Стойкость кислотостойких растворов и бетонов на основе жидкого стекла в кислотах в большинстве случаев возрастает, в связи с чем предварительно отвердевшие составы на жидком стекле рекомендуется дополнительно «окисловать», т. е. обработать растворами серной или соляной кислот.

Следует отметить, что и в обычной, но часто сменяемой или проточной воде кислотостойкие бетоны или растворы медленно теряют прочность или разрушаются выщелачиванием.

Небольшое повышение водостойкости достигается увеличением содержания кремнефтористого натрия, чтобы не оставалось не прореагировавшего силиката натрия (например, 16—18% вместо 12—15% к весу жидкого стекла, как обычно дозируют), а также путем введения некоторых коагуляторов, например хлористого кальция.,

Наряду с отсутствием щелочестойкости и недостаточной водостойкости, бетоны и растворы на жидком стекле характеризуются весьма высокой пористостью. Это происходит потому, что вместе с жидким стеклом вводится неизбежная вода.

Свойства бетона

Свойства бетона: временное сопротивление сжатию через четверо суток 110—120 кг/см2; через один месяц — 150 кг/сма; временное сопротивление изгибу через один месяц — 30 кг/см2; обладает сцеплением с железом, хорошо выдерживает действие крепких кислот: серной, соляной, азотной и др.

Прочность при твердении в крепких кислотах получается большей, чем при твердении в слабых кислотах или воде. Для придания большей кислотонепроницаемости желательно покрывать штукатуркой того же состава, что и бетон (без щебня) с затиркой.

Если на бетон будут действовать слабые кислоты, то предварительно следует обработать той же кислотой, но сильной концентрации. Из всех кислотт этот бетон не выдерживает только действия плавиковой кислоты.

Из кислотоупорных материалов применяется еще кислотоупорный цемент для штукатурки.

Применение в строительстве

Кислотоупорный бетон применяется для постройки резервуаров, труб и аппаратуры для кислот в химической промышленности взамен дорогих материалов: свинца, тесаного камня и кислотоупорной керамики.

Более широкого применения кислотоупорный бетот не получил в виду ограниченности производства жидкого стекла и высокой его стоимости, превосходящей в 2—3 раза стоимость обычного бетона.

Баритовый бетон отличается от обычного заменой песка и щебня заполнителями разной крупности из барита (тяжелого шпата — BaS04). Ценным свойством баритового бетона является непроницаемость для рентгеновских лучей (1 см свинца эквивалентен 14 см баритового бетона). Состав бетона 1 : 4. Объемный вес около 3,20. Прочность 200—300 кг/см2. Для той же цели применяется баритовая штукатурка (цемент и размолотый барит).

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Глиноземистый (алюминатный) цемент

— высокопрочное вяжущее вещество, быстро твердеющий в воде (лучше всего) или на воздухе.

Он получается в результате обжига до сплавления или до спекания смеси сырья, богатого глиноземом, с известняком (или известью) и последующего тонкого помола. Название «алюминатный» соответствует высокому содержанию алюминатов кальция в составе цемента.

Состав и свойства

Этот цемент отличается стойкостью по отношению к действию минерализованных вод. Несмотря на способность быстро твердеть, сроки схватывания его нормальные.

Основным минералом, содержащим глинозем (Аl₂O₃), являются глины, идущие для производства глиноземистого цемента и применение его для получения различных керамических изделий.

По химической природе окислы алюминия представляют амфотерные образования, реагирующие как с кислотами, так и со щелочами. Это сказывается и на стойкости алюмосиликатов.

Все же в керамических изделиях, особенно в плотных видах их отмечается хорошая и отличная стойкость к кислотам и удовлетворительная к щелочам. В едких щелочах, например, обыкновенный глиняный кирпич разрушается весьма быстро.

Вяжущим алюминатного типа является глиноземистый цемент; он получается путем обжига до сплавления богатого глиноземом сырья (бокситов) совместно с известняком. Путем последующего тонкого помола продукта обжига получают глиноземистый цемент.

По химическому составу полученный цемент содержит в %:

• глинозема (Аl₂O₃) ……35—55
• извести (СаО)……..35—45
• кремнезема (SiO₂)……5—10
• окислов железа (Fe₂O₃) …. 0—15

Глиноземистый цемент содержит по преимуществу низкоосновные алюминаты кальция и в основном однокальциевый алюминат СаО • Аl₂O₃(СА), а также С₅А3 и С₃А₅, присутствуют также C₂S, C₂SA и некоторые другие.

При твердении глиноземистого цемента происходит гидролиз СА:

2 (СаО • Аl₂O₃) + 10Н₂О = 2СаО •Аl₂O₃• 7Н₂О + 2А1 (ОН)₃.

Существенно отметить, что при повышенных температурах (более 30°С) вместо С₂АН₇ образуется С₃АН₆ со снижением прочности и последующей стойкости бетона.

Для улучшения свойств глиноземистого цемента иногда вводят в него 25—30% ангидрита, а цемент получает название гипсоглиноземи-стого или ангидритоглиноземистого.

Глиноземистый цемент часто применяется в качестве одной из составляющих расширяющихся цементов.

В соответствии с амфотерной природой глинозема и гидроокиси алюминия глиноземистый цемент несколько лучше противостоит действию слабых кислот, чем портландцемент, но значительно менее стоек в щелочах, особенно едких.

Отмечается также повышенная стойкость этого цемента в сульфатных водах.

Сырье и производство глиноземистого цемента

Сырьем для этого цемента служат: боксит горная порода, богатая глиноземом, и известняк. Бокситы встречаются сравнительно редко и являются очень ценным сырьем, используемым главным образом для производства алюминия. При производстве данного цемента можно частично использовать и более дешевое сырье некоторые отходы промышленности, богатые глиноземом.

Изготовлении глиноземистого цемента

При изготовлении глиноземистого цемента способом плавления требуется температура около 1400°, способом спекания 1200—1300°. Обжиг до плавления ведут в электрических печах или в вагранках, имеющих кожух, в который подается вода для охлаждения. Обжиг до спекания ведут во вращающихся печах. После обжига и охлаждения производится тонкий помол полученного клинкера.

Глиноземистый цемент получают таким способом

путем плавки в доменной печи бокситовой железной руды с довкои известняка и металлического лома. При этом доменная печь одновременно дает чугун и шлак, представляющий собой глиземистый цементный клинкер. Стоимость глиноземистого цемента в несколько раз превышает стоимость обыкновенного цемента, что ограничивает его применение

Химический состав глиноземистого цемента

По химическому составу глиноземистый (алюминатный) цемент отличается от портландцемента более высоким содержанием глинозема (около 40%) и меньшим содержанием окиси кальция (около 40%) и кремнезема (б—8%). В отличие от обыкновенного цемента, в клинкере которого содержатся главным образом силикаты, клинкер глиноземистого (алюминатного) цемента состоит преимущественно из алюминатов кальция.

Главная составная часть этого цемента однокальциевый алюминат СаО • Аl2Оз, второстепенное соединение двухкальциевый силикат 2СаО • SiO2, инертная примесь геленит 2СаО • Si2O3 • А12Оз.
При соединении однокальциевого алюмината с водой происходит следующая реакция:
2(СаО • Аl2Оз) + nН2О=2СаО •.Аl2О3 • 7Н2О+Аl2О3 • тН20.
Соединение 2СаО • Аl2О3 • 7Н2О является главной составной частью затвердевшего глиноземистого цемента.
В этом цементе не содержится трехкальциевого алюмината и почти не выделяется свободной гидроокиси кальция, т. е. нет тех двух веществ, которые, реагируя с сульфатами и другими веществами, могут вызвать разрушение обыкновенного цемента. Этим и объясняется высокая стойкость затвердевшего глиноземистого цемента в сульфатных, морских, углекислых и других минерализованных водах. Однако сильные кислоты, концентрированные растворы сернокислого магния и щелочей действуют все же разрушающе и на этот цемент.

Свойства и применение глиноземистого цемента

Для глиноземистого цемента по ГОСТ установлены следующие требования:
тонкость помола: через сито № 0085 (с отверстиями 0,085 мм) должно пройти не менее 90%;
сроки схватывания: начало — не раньше 30 мин., конец — не позднее 12 час. после затворения водой, т. е. обычные;
цемент должен обладать равномерностью изменения объема.

Глиноземистый цемент по результатам испытания в образцах из раствора жесткой консистенции делится на три марки: 300, 400 и 500. Эти марки в отличие от марок обыкновенного цемента определяются на основании трехдневных испытаний. Предел прочности при сжатии и растяжении в растворе состава 1:3 с нормальным вольским песком должен быть по стандарту не ниже величин. По новому методу при испытании в образцах из раствора пластичной консистенции этот цемент будет иметь марки 200—500. Предел прочности при сжатии и изгибе должен быть не ниже величин.

Прочность цемента при сжатии через 28 дней должна быть не ниже, чем через 3 дня, но прочности при растяжении и изгибе может быть ниже на 10%.
Глиноземистый цемент по прочности на сжатие через 3 дня не уступает высокопрочному портландцементу, но выгодно отличается от него быстрым твердением, приобретая уже через день высокую прочность. После 3 дней твердения прочность нарастает медленно: к 7 дням — примерно на 20%, к 28 дням — на 30 — 40%

Твердение глиноземистого цемента сопровождается большим выделением тепла (60—90 ккал/кг). Это явление полезно при зимних бетонных работах, но нежелательно, а иногда даже опасно, при бетонировании массивных конструкций, особенно в летнее время. Вообще для бетонирования массивных сооружений глиноземистый цемент не предназначен.

Лучше всего этот цемент твердеет во влажной среде при температуре 15°. При повышении температуры прочность глиноземистого цемента значительно понижается. При температуре выше 40° вместо соединения 2СаО • Аl2О3 • 7Н2О начинает образовываться соединение ЗСаО • Аl2О3 • 6Н2О, имеющее низкую прочность. Поэтому глиноземистый цемент (в отличие от обыкновенного цемента, шлакового и др.) нельзя искусственно нагревать (пропаривать и т. п.).
Глиноземистый цемент придает более высокую (чем обыкновенный цемент) плотность и водонепроницаемость растворам и бетонам, что объясняется химическим связыванием большого количества воды.

Глиноземистый цемент следует применять в специальных сооружениях, при спешных дорожных, строительных и монтажные работах, при работах в зимнее время, в морских (немассивных) сооружениях и вообще в бетонных сооружениях, находящихся в минерализованных водах.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

По химическому составу в % рядовой цемент содержит:
извести . ………………….. 64—68
кремнезема …………….. 21 —24
глинозема……………………. 4—7
окиси железа ……………… 2—4
окиси магния……………….. 1—3
серного ангидрида……….. 1—2

Минералогический состав цемента в % может колебаться в следующих пределах:
трехкальциевый силикат (алит) 3CaО•SiО₂(C₃S) . . . .70—20 двухкальциевый силикат (белит) 2CaО•Si0₂(C₂S) . . . .10—60
трехкальциевый алюминат ЗСаО•Аl₂О₃(С₃А)… 4—15
четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО•Аl₂О₃•Fе₂0₃(С₄АF) 6—16

По современным воззрениям вместо С₄АF образуется ряд твердых растворов от С₂F до С₂АF.
При соприкосновении с водой перечисленные минералы гидратируются, т. е. образуют кристаллогидраты определенного состава или претерпевают гидролитическое разложение.
Это обусловливается тем, что отдельные минералы являются устойчивыми только в воде, содержащей определенное количество растворенной извести. Теоретически, если производить обработку отдельных измельченных минералов или их кристаллогидратов проточной водой, можно получить полный гидролиз всех минералов цементного камня:
C₃S — C₂S + С = CS + 2С = S + ЗС
или
С₄А = С₃А + С = С₂А + 2С.

Выделяющаяся при гидролизе известь может удаляться с водой с ослаблением структуры бетона; происходит выщелачивание или так называемая «белая смерть бетона».
Однако по ряду причин такого полного извлечения извести из бетона не происходит.
Выщелачивание извести происходит только при условии непрерывного обмена воды, например при систематической односторонней фильтрации воды через бетонные стенки плотин, резервуаров, труб и т. п. Но даже в этих случаях фильтрующаяся вода должна быть мягкой, т. е. совершенно не содержать растворенных солей, и в частности карбонатов, а бетон должен быть достаточно пористым.

К тому же удаление извести из бетона даже при фильтрации происходит только из определенных участков, образующихся в результате неплотной укладки бетона.
Все это приводит к тому, что выщелачивающая коррозия не представляет такой грозной опасности, какой она представляется исходя из общих соображений о возможном гидролизе минералов цементного камня.

Практически же находящаяся в порах бетона свободная вода представляет собой насыщенный или даже пересыщенный раствор извести с концентрацией от 1,3 до 1,7 мг/л, в котором вполне устойчивы все алюминаты вплоть до четырехкальциевого, а также все силикаты, начиная с C₂S.
Для рассмотрения поведения цементного камня в разных средах существенно отметить, что происходит отщепление извести при гидролизе трехкальциевого силиката с параллельной ее гидратацией и частичным расщеплением на ионы:
Са (ОН)₂=Са» + 20Н’.
Именно ионы пидроксила и сообщают бетону щелочной характер.
Гидроокись кальция в поверхностных слоях бетона, соединяясь с углекислотой воздуха, превращается в углекислый кальций или известняк. Происходит так называемая карбонизация бетона:
Са (ОН)₂ + СО₂ СаС0₃ + Н₂О.

Бетон при этом уплотняется, но щелочность камня снижается с рH= 12-12,5, характерных для насыщенного раствора извести, до 9, характерного для водной вытяжки известняка.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Сульфатная коррозия бетона это —

характеристика разрушения бетона при взаимодействии сульфатных сред различных типов с цементным камнем, при этом стойкость материала во многом определяется условиями твердения и особенностями сульфатного воздействия.
Такой вид коррозии возможен при наличии в воздействующей среде сульфат-ионов, но кроме этого, он развивается и при воздействии пресных вод на бетоны с внутренними источниками сульфатов.

Сульфатная коррозия бетона состоит в том, что в жидкой фазе цемента всегда присутствуют и могут активно взаимодействовать с агрессивной средой ионы кальция (Са») и гидроокисла (ОН’). Имеются и другие ионы, но они обычно подавляются большим количеством извести.

Действие катионов среды оказывается наиболее агрессивным в том случае, если они способны образовывать с ионами гидроокисла плохо растворимые или малодиссоциированные соединения, удаляемые из сферы реакции в осадок, воду или газ. Сюда относятся катионы металлов, образующие слабые основания (гидраты окислов магния, цинка, алюминия, железа, меди, аммония).

Образование этих соединений типа Mg(OH)₂ и других приводит к резкому понижению щелочности в бетоне и далее к растворению твердой извести, а затем к гидролизу устойчивых до этого силикатов и алюминатов.

Действие катионов натрия, калия, кальция и бария незначительно.
Анионы, образующие нерастворимые кальциевые соли (СО₃«; С₂О₄» ; PO₄«; SiO₃«;), будут уплотнять поры бетона и, следовательно, играть положительную роль.
Особое положение занимают сульфатные анионы (SO₄«). При известной концентрации они могут образовать с ионами кальция двуводный гипс, а вместе с высокоосноными алюминатами и гидросульфо-алюминат:
Са» + SO₄ + 2Н₂0 — CaS0₄ • 2Н₂0;
3CaS0₄ + ЗСаО • Аl₂O₃ + 31Н₂0 — СаО •Аl₂O₃ • 3CaS04 • 31Н₂0.

Особенностью этих реакций является то, что и гипс и гидросульфо-алюминат кристаллизуются с большим количеством воды при значительном увеличении объема.

Если такое образование происходит в порах уже сложившейся структуры цементного камня, то создаются большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев.

Гидросульфоалюминат кристаллизуется в виде характерных игл, что послужило поводом назвать его «цементной бациллой».

Описанные разрушения бывают не всегда. Если образование гидросульфоалюмината протекает еще до формирования структуры бетона в жидкой фазе или в растворе присутствуют в значительном количестве ионы хлора, усиливающие растворимость алюминатов и сульфоалюмината, опасных напряжений может не возникать. Этим объясняется относительно невысокая агрессивность к цементному бетону морской воды, в которой содержится большое количество сульфатов, но еще большее количество хлоридов.

Если анионы хлора присутствуют в воде совместно с катионами магния, то последние, образуя с известью Mg(OH)₂ и СаСl₂, понижают концентрацию извести, а вместе с этим создают возможность существования высокоосновных гидроалюминатов и образование сульфоалюминатов в опасной форме.

Наличие в растворе хлористого кальция приводит к образованию неопасных хлоралюминатов и плохо растворимых хлорокисей кальция. На этом основаны специальные приемы введения в бетон большого количества хлоридов. При этом сильно понижается точка замерзания воды, что позволяет работать с бетоном в зимнее время, а самый бетон уплотняется (получается так называемый «холодный» бетон). Однако одновременно с этим было установлено, что в таком бетоне ионы хлора усиливают коррозию арматуры и поэтому широкого применения, особенно в армированных конструкциях, «холодный» бетон не получил.

Сульфатная коррозия бетона может усиливаться в том случае, если одновременно с катионами кальция цемента будут связываться и анионы гидроксила:
Са» + 20Н’ — Са (ОН)₂.
Поэтому наиболее опасными являются сернокислые соли, образованные слабыми основаниями, особенно сульфат аммония
Са (ОН)₂ + (NH₄)₂ S0₄ = CaS0₄ • 2Н₂0 + NH₃.

При увеличении концентрации растворимых сульфатов сульфо ллюминатная коррозия переходит в гипсовую. Степень агрессивности, а также и скорость разрушения цементного камня при этом сильно возрастают.

При наличии значительных концентраций катионов магния происходит обменная реакция с разрушением структурной гидроокиси кальция и образование гипса:
Са (ОН)₂ + MgS0₄ + 2Н₂0 = Mg (ОН)₂ + CaS0₄ • 2Н₂О.

Рассмотрение механизма сульфатной коррозии бетона позволяет понять и практикуемые мероприятия по ее смягчению:

• а) возможное уменьшение количества извести (например, использованием белитовых, пуццолановых или глиноземистых цементов);
• б) уменьшение содержания высокоосновных алюминатов, что и практикуется в так называемых сульфатостойких портландцементах, где допустимый процент С₃А снижается до 5% вместо обычно имеющегося содержания в 8—12%;
• в) введение большого процента гипса в состав цемента при помоле — в этом случае гидросулвфоалюминаты образуются в жидкой фазе еще до формирования структуры.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

В природе встречается три вида коррозии бетона. Для повышения стойкости портландцемента в минерализованных (сульфатных) водах и по экономическим соображениям в него при помоле вводят активный кремнезем (пуццоланы) в виде трепела, трасса и т. п. или гранулированный доменный шлак.

Три вида коррозии бетона

Предполагалось, что при этом активный кремнезем добавки свяжет свободную известь цемента в более устойчивый монокальциевый гидросиликат:
SiО₂ + Са(ОН) — СаО • Si0₂ • Н₂О.

Однако оказалось, что эта реакция, интенсивно протекающая при повышенной температуре, без прогрева идет крайне медленно (месяцами и даже годами), а добавки достигают цели только при высокой активности кремнезема.

Аналогично действуют гранулированные доменные шлаки, которые вводятся в портландцемент в количестве 30—70% общего состава
Кислотостойкость этих цементов остается столь же низкой, как и без добавок, а сульфатостойкость пуццолановых портландцементов (при наличии 30—40% активных добавок) несколько повышается. Щелочестойкость этих цементов ниже, чем у портландцементов.
Рассматривая в целом деструктивные процессы, происходящие в цементном бетоне, можно их систематизировать исходя из механизма переноса действующих агентов, согласно классификации, предложенной В. М. Москвиным:

1. коррозию I вида, при которой происходит вынос или выщелачивание из бетона относительно легко растворимых составляющих, в основном извести и щелочей;
2. коррозию II вида, когда протекают обменные реакции: сюда относят действие кислот, щелочей и некоторых солей;
3. коррозию III вида, которая наблюдается при внесении в бетон и накоплении там солей, особенно сульфатов; развиваемое при этом внутреннее давление как бы взрывает бетон с образованием характерных трещин.

В конкретных условиях один вид коррозии бетона может накладываться на другой или ему сопутствовать.

Опасные для цемента соли и растворы

На твердеющий цементный бетон или раствор могут оказывать действие различные жидкости и газы. Некоторые из них понижают прочность, повреждают или даже полностью разрушают портландцемент. Коррозия связана с выделением свободной гидроокиси кальция при твердении цемента и наличием в нем трехкальциевого алюмината. Как было указано выше, при гидролизе цемента происходит следующая реакция с выделением гидроокиси кальция:

3CaO • Si02+-nH2O=2Ca0 • Si02(n-1)H2O+Ca(OH)2.

Простейший вид физической коррозии и растворение и вымывание из цемента свободной гидроокиси кальция. Хотя растворимость ее невелика (при 15 растворяется около 1,3 г СаО на 1 л воды), но из цементного камня в бетоне под действием проточной воды может вымыться большое количество Са(ОН)2; при этом цементный камень становится пористым и теряет часть прочности.

Если бетон плотный и не имеет пустот и трещин, то коррозия может происходить только с поверхности; если же бетон пористый и вода проходит сквозь него под напором, то процесс вымывания Са(ОН)2 проходит очень интенсивно.

Наиболее сильное растворяющее действие на гидроокись кальция оказывает чистая дистиллированная конденсационная (на заводах) и мягкая природная вода. Однако растворению препятствует защитная корка из углекислого кальция, образу-гидроокисью кальция, выделяющейся в цементе, и углекислым газом при предварительном твердении бетона на воздухе:
Са(ОН)2+СО2=СаСО3+Н2О.

Растворимость углекислого кальция в, чистой воде приблизительно в 100 раз меньше, чем гидрата окиси кальция. Корка из углекислого кальция, хотя и очень тонкая (обычно ее толщина составляет всего несколько миллиметров), защищает цементный камень от растворения (если не будет механического повреждения)

Защитные свойства углекислого кальция используются, например, при строительстве морских сооружений из крупных бетонных блоков. Эти блоки приготовляют на берегу, обязательно выдерживают 2—3 месяца на воздухе, чтобы образовалась защитная корка и только потом опускают в море.

Химическая коррозия бетона

Химическая коррозия цемента происходит под действием кислот, растворов некоторых ролей и других веществ, вступающих в реакцию с гидроокисью кальция, выделяемой цементом, или трехкальциевым алюминатом цемента. В результате образуются соли, которые легко растворяются в воде или, кристаллизуясь в порах и увеличиваясь в объеме, разрывают цементный камень.
Все кислоты, как неорганические (серная, соляная, азотная и др.), так и органические (например, жирные кислоты, содержащиеся в растительном и животном маслах), разрушающее действуют на обыкновенный портландцемент.

Например, при действии серной кислоты на гидроокись кальция, выделяющуюся при твердении цемента, образуется гипс по реакции:

Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4•2HaO

Гипс кристаллизуется в порах цементного камня, и рост кристаллов разрушает его. С трехкальциевым алюминатом цемента гипс образует сложное вещество гидросульфоалюминат кальция, значительно увеличивающееся в объеме. Все эти явления приводят к разрушению цементного камня серной кислотой.

При действии соляной кислоты образуется хлористый кальций по реакции:

Са(ОН)2+2НСl=СаСl2 +2Н2О,
хлористый же кальций легко растворим в воде, в результате чего цемент распадается.

Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий (они могут проникать в почву и разрушать так бетонные Фундаменты) и в болотных водах; кислота образуется также Сернистого газа, выходящего из топок котлов, паровоназны химических аппаратов. При соединении ее с влагой воздуха или парами воды серная кислота может вызвать коррозию железобетонных перекрытий: на заводах, в паровозных депо и т. п.

Из растворов солей наиболее опасны сернокислые соли (сульфаты). В природных водах, в частности в морской, чаше всего встречаются MgSO4 и CaSO4, иногда Na2SO4, а в промышленных водах могут содержаться и другие сульфаты

Действие чистых гипсовых растворов на цемент заключается в образовании сложного химического соединения между гипсом и трехкальциевым алюминатом, содержащимся в цементе, а именно гидросульфоалюмината кальция по реакции:

3CaSO4+3CaO • AlO3+вода =3CaO • Al2O3 • 3CaSO4 • 31HaO.

Это вещество образуется с присоединением большого количества воды и увеличивается в объеме до 2,5 раз. От расширения этого соединения в порах цементного камня он растрескивается, а затем под действием воды или растворов солей превращается в белую слизь, вытекающую из бетона.

Гидросульфоалюминат кальция кристаллизуется в виде тонких игл, напоминающих бациллы, поэтому ему дано еще образное название «цементная бацилла.
Сернокислый магний действует на гидроокись кальция, выделяемую цементом, в силу обменной реакции:

Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = = Mg(OH)2 + CaSO4•2H2O;

образующийся гидрат окиси магния представляет собой рыхлое аморфное вещество, не обладающее связностью и прочностью, а гипс кристаллизуется с увеличением объема или образует гидросульфоалюминат кальция.

Все эти явления, а также описанное выше растворение гидроокиси кальция приводят к разрушению цементного камня, выделению из бетона белой тестообразной массы. Отсюда возникло выражение белая смерть бетона.
Из хлористых солей (хлоридов) разрушающее действуют на цемент хлористый магний (содержится, например, в морской воде), хлористый алюминий и др. При действии хлористого магня на гидроокись кальция образуется легко растворимый хлористый кальций и рыхлый гидрат окиси магния по реакции: Ca(OH),+MgCl2=CaCl2+ Mg(OH2)

Поваренная соль NaCl повышает растворимость гидроокиси кальция, соединяется с алюминатами и несколько понижает прочность цемента; поэтому присутствие большого количества NaCl в воде, действующей на бетон, нежелательно, но все же NaCl не является опасной для цемента.

Из азотнокислых солей (нитратов) очень опасна для цемента аммиачная селитра NH4NO3.

Морская вода, а также вода соленых озер, лиманов и некоторые грунтовые воды, содержащие MgSO4, MgCl2 и другие соли, разрушающее действуют на обыкновенный портландцемент. Если не принимать специальных мер защиты, то в такой воде этот цемент будет медленно разрушаться.

Природные воды обычно содержат еще свободную углекислоту и ее соли карбонат СаСО3 и бикарбонат кальция Са(НСОз)2. Эти соли не опасны для цемента, но свободная (агрессивная) углекислота в количестве больше 15—20 мг/л действует так же, как и все кислоты, т. е. разрушающее. Происходит следующее: образовавшийся вначале в поверхностном слое бетона карбонат переходит в бикарбонат по реакции:

СаСО3 + СО2 + Н2О = Са.(НСО3) 2.

Бикарбонат легко растворим и вымывается водой.
Если необходимо подавать воду, богатую углекислотой, через бетонные трубы, лотки, в бассейны и т. п., то ее предварительно пропускают через фильтр, наполненный кусками известняка, который связывает агрессивную углекислоту в бикарбонат. Известняк в фильтре необходимо периодически менять.

Воздействие на бетон раствора сахара

Вредно действует на бетон раствор сахара так как образует с гидроокисью кальция легко растворимый сахарат кальция.
Действие всех перечисленных вод, кислот и растворов солей на цемент особенно интенсивно, если бетон неплотный, недостаточно затвердел, если фильтрация через него происходит под напором.
Безвредны для цемента кремнекислые соли (силикаты), так как цемент сам состоит в основном из силикатов а также соли кремнефтористоводородной кислоты (флюаты) и соли угольной кислоты (карбонаты), например сода.

Растворы извести

Растворы извести едкого натра и других щелочей, так как затвердевший цемент содержит свободную гидроокись кальция и, следовательно, сам является основным соединением. Аммиак и аммиачная вода безвредны для цемента но присутствие аммиачных солей в воде делают ее опасной.

Цемент, с высоким содержанием алюминатов может разрушаться и от действия сильных щелочей. Кроме того, следует иметь в виду, что если цементный бетон. насыщается раствором щелочи (едких натра или кали), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в цементном камне образуются сода или поташ, которые, кристаллизуясь, расширяются в объеме и разрушают цементный камень.

Не представляют опасности для цемента нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла), если они не содержат большого количества нафтеновых кислот или соединений серы, однако легкие нефтепродукты, быстро проникают через обыкновенный бетон.

Агрессивное действие минерализованных вод

Для защиты от агрессивного действия минерализованных вод (в частности морской воды) применяют бетоны высокой плотности, изготовляют их с применением особых видов цементов, в которых свободная гидроокись кальция не выделяется или выделяется только в небольшом количестве, а также меньше содержится или вовсе нет трехкальциевого алюмината.

Сюда относятся глиноземистый цемент, сульфатостойкий портландцемент, цемент с активными кремнеземистыми добавками (так называемый пуццолановый портландцемент) и шлакопортландцемент. Однако и эти цементы не могут противостоять действию свободных сильных кислот. Для защиты сооружений от действия кислот необходимо применять специальные кислотоупорные материалы: стекло, керамику, камень естественный или плавленный из горных пород, кислотоупорные цемент и бетон.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Для возведения зданий и сооружений, работающих в агрессивных средах, могут применяться различные специальные виды тяжелых бетонов по характеру вяжущего структуре и плотности, обладающие такими свойствами как стойкость и долговечность. Применение различных видов бетонов зависит от требований, предъявляемых к строительной конструкции, элементам здания или сооружению.

Для несущих железобетонных элементов промышленных зданий (фундаментов, колонн, балок и плит перекрытий, подкрановых балок и ферм), а также конструкций градирен, высоких вентиляционных труб и тому подобных сооружений применяются, как правило, прочные и плотные бетоны на основе портландцементов.

Для ограждающих конструкций промышленных зданий наряду с плотными бетонами могут применяться легкие, а иногда и ячеистые бетоны на основе портландцементов и силикатного вяжущего.
Для защитных покрытий полов, водостоков могут применяться бетоны и растворы на основе портландцементов, битумов и пеков, жидкого стекла и кремнефтористого натрия, серного цемента и различных синтетических смол.

Плотность цементного бетона определяется свойствами применяемого вяжущего, характером процессов, происходящих при твердении, и структурой цементного камня или раствора. При гидратации цемента в бетоне последний связывает химически только 10—15 и в лучшем случае 20% воды по весу, в зависимости от условий и длительности твердения бетона. А для укладки и уплотнения бетонной смеси в форму-опалубку необходимо придать ей подвижность или удобоукладываемость.

Исходя из указанных соображений приходится повышать количество воды в смеси до 40—60°/о по весу цемента.
Вся вода, введенная в смесь сверх указанных 20%, остается частично связанной поверхностными силами смачивания (так называемая пленочная влага, составляющая примерно 10% веса цемента), а частично свободной.

Свободная или гравитационная влага может испариться из бетона при его твердении в сухих условиях, при этом поры и капилляры, занимаемые водой, заполняются воздухом. Чем раньше начнется процесс высыхания, тем меньше влаги будет связано в бетоне, тем больше будет пористость цементного камня в нем и тем меньше будет стойкость и долговечность бетона при действии на него агрессивной среды.
Данные о пористости цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона на портландцементе, длительно твердеющих в нормально влажных и теплых условиях, приведены в табл.

Таблица.

Примечание. В числителе даны условные значения пористости, подсчитанные в том предположении, что 30% воды по отношению к весу цемента остаются связанными химически и поверхностными силами смачивания.

Если же допустить, что к моменту высыхания связано будет только 15% воды, что наблюдается при твердении в неблагоприятных условиях и при раннем высушивании бетона, то пористость повысится и достигнет данных, приведенных в знаменателе.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Для бетона подземных и подводных частей сооружений, которые будут постоянно (находиться в пресных, неагрессивных водах, рекомендуется применять пуццолановые или шлакопортландцементы. Однако при этом необходимо обеспечить влажные условия выдерживания бетона в течение не менее 28 дней.

Бетонные смеси с высоким водоцементным отношением, особенно смеси с повышенной подвижностью, склонны к водоотделению. Отделяющаяся вода накапливается под стержнями арматуры и под крупными зернами гравия-щебня, а после, ее высыхания там образуются поры или даже воздушные прослойки, повышающие водопроницаемость бетона и понижающие его морозостойкость и долговечность в агрессивных средах.
Установлено экспериментально, что для получения особенно морозостойкого бетона общее содержание воды в смеси не должно превышать 160 л/м3.

Для уменьшения количества воды, вводимой в бетонную смесь требуемой подвижности, следует применять поверхностно-активные добавки: сульфитно-спиртовую барду (ССБ), смолу нейтрализованную воздухововлекающую (СНВ), эмульсию кремнийорганической газообразующей жидкости (ГКЖ-94) или другие добавки, снижающие количество воды затворения до 10%.

Поверхностно-активные добавки улучшают также структуру цементного камня и раствора, делая ее мелкопористой, в результате чего повышается морозостойкость и коррозионная стойкость бетона (рис. 1).
Для получения высокопрочного, плотного и долговечного бетона, креме рекомендованных выше мер, следует применять высококачественные наполнители.

Допустимо применение плотных и твердых известняков, если они плотны, однородны, морозостойки и не содержат слабых прослоек, мергелей и кремнеземистых реакционноспособных включ.

Рис. 1. Вид бетонных массивов с добавкой кремнийорганической жидкости ГКЖ-94 (крайние) и без добавки (средний) после двух лет испытания в Баренцевом море в зоне прилива и отлива

Исследованиями, проведенными в последнее время, установлено, что отношение температурных коэффициентов линейного расширения цементного раствора и известняково-доломитового заполнителя в бетоне не должно быть более 3.

При большем значении этого отношения бетон будет недостаточно морозостойким, что объясняется быстрым нарушением контактов между заполнителем и раствором и последующим образованием трещин в бетоне. Водопоглощение известняков-доломитов, применяемых для изготовления щебня и изготовления водонепроницаемого и морозостойкого бетона, не должно превышать 6%.

Если подвижность смеси по каким-либо причинам необходимо повысить, то следует одновременно увеличить и расход цемента, и расход воды в строгом соответствии с установленным водоцементным соотношением.
Для особенно ответственных тонкостенных элементов, например напорных железобетонных труб, рекомендуется применять классифицированные пески (разделенные на 2—4 фракции) и мелкий щебень, разделенный на еще более мелкие фракции, чем указано выше (например, 3—7, 7—15, 15—30 мм), также дозируемые при изготовлении смеси строго по весу и по рекомендованному составу.

Для повышения долговечности бетона конструкций и сооружений, работающих в агрессивных средах, в том числе и подземных сооружений, следует ограничивать значение водоцементного отношения, принимая его для монолитного бетона не выше 0,4—0,5. Одновременно необходимо выдерживать бетон монолитных элементов во влажных условиях в течение не менее 10—15 дней, а для специальных сооружений и более, до 28 и даже 60 дней. Для сборных железобетонных элементов, предназначаемых для работы в агрессивных средах и изготовляемых в заводских условиях, водоцементное отношение следует принимать в пределах 0,3—0,4 для долговечности бетонов.

Пуццолановые портландцемента и шлакопортландцементы обладают большей водопотребностью для получения бетонной смеси одинаковой подвижности, поэтому необходимо повышать общее количество воды на 6—20% по сравнению с бетонами на чистоклинкерных цементах.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями