Коррозия портландцементного камня и защита от нее

Смешанные вяжущие вещества на основе портландцемента

Пуццолановый портландцемент получают путем совместного тонкого помола цементного клинкера, небольшого количества гипса и 20 - 40% пуццолановои, или активной минеральной добавки. При этом содержание более активных добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) обычно составляет 20 - 30%, других, менее активных, добавок (туф, пемза, зола-унос) 25 - 40%. Добавки первого типа можно вводить также непосредственно в бетонную смесь в процессе ее изготовления.

При взаимодействии пуццоланового цемента с водой происходит два последовательных процесса: гидратация минералов цементного клинкера и взаимодействие входящего в состав добавки аморфного кремнезема с обра­зовавшимся Са(ОН)₂.

Пуццолановый цементный камень имеет более высокую водостойкость, чем обычный портландцементный, он стоек как к физической, так и к основ­ным типам химической коррозии.

Другой смешанный цемент, шлакопортландцемент (ШПЦ), содержит в своем составе наряду с портландцементным клинкером и гипсом, гранулиро­ванный доменный шлак (20 - 80%).

Процесс твердения ШПЦ может быть разделен на два этапа. Сначала с водой реагируют минералы клинкера, а затем начинается гидратация шла­ковых минералов и их взаимодействие с гидроксидом кальция.

Вследствие замены части клинкера на гранулированный шлак, ШПЦ существенно дешевле портландцемента.

Наконец, третье рассматриваемое здесь смешанное вяжущее, гипсоце-ментно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ), отличается тем, что оно более чем наполовину (50 - 65%) состоит из воздушного вяжущего - строительного гипса CaSO₄∙0,5H₂O. Другими компонентами ГЦПВ являются портланд­цемент (20 - 25%) и активная минеральная добавка (15 - 25%). Целью ис­пользования такого вяжущего является придание гипсовому камню повы­шенной водостойкости с сохранением высокой скорости твердения, харак­терной для строительного гипса.

ГЦПВ быстро схватывается и твердеет всего лишь в несколько раз медленнее строительного гипса, но в десятки раз быстрее портландцемента (конец схватывания - 20 минут после затворения, через 3 часа прочность возрастает до 40% от марочной). В то же время благодаря значительному содержанию в продукте его твердения гидросиликатов кальция камень ГЦПВ обладает достаточной водостойкостью, а само ГЦПВ относится к гидравлическим вяжущим.

Процессы разрушения материалов, в том числе цементного камня и бетона, под действием агрессивных факторов окружающей среды называ­ются коррозией. В зависимости от того, сопровождается ли коррозия хими­ческими реакциями, различают два вида коррозии - химическую и физиче­скую.

Физическая коррозия представляет собой процесс вымывания из кам­ня водорастворимых компонентов. Один из компонентов цементного камня - Са(ОН)₂,характеризуется умеренной растворимостью в воде (~ 1,7 г/л) и значительным объемным содержанием в составе камня (обычно 10 - 20%). Поэтому его растворение приводит к заметному снижению прочности кам­ня.

Особенно опасна физическая коррозия при непрерывной фильтрации воды сквозь бетон.

Если вода, контактирующая с бетоном, содержит растворенные веще­ства, то к физической может присоединиться и химическая коррозия, что, как правило, приводит к значительному ускорению процесса разрушения материала. В зависимости от вида растворенного соединения, вызывающе­го коррозию, различают углекислотную, магнезиальную, сульфатную и некоторые другие типы химической коррозии.

Углекислотная коррозия вызывается действием на цементный камень растворенного в воде углекислого газа СО₂. При этом сначала образуется карбонат кальция:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О

2СаО • SiО₂ • 2Н₂О + СО₂ = СаО • SiО₂ • H₂О + СаСО₃

За счет образования водостойких карбоната и гидросиликатов кальция пористость камня уменьшается (объем СаСОз на 11% больше, чем исход­ного Са(ОН)₂), в результате чего коррозионная стойкость бетона увеличи­вается.

При дальнейшем действии воды с содержанием растворенного СО₂ более 20 мг/л на цементный камень карбонат кальция переходит в водный раствор в виде хорошо растворимого гидрокарбоната:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

Таким образом, за счёт образования легко растворимого Са(НСО₃)₂ вымывание Са(ОН)₂ из цементного камня ускоряется.

Магнезиальная коррозия происходит в воде, содержащей растворен­ные соли магния. Основную опасность представляет морская вода ввиду повышенного содержания в ней солей магния. Первоначально соли магния реагируют с гидроксидом кальция, образуя гидроксид магния, например:

Са(ОН)₂ + MgCl₂ = СаС1₂ + Mg(OH)₂

Морской водой из состава камня извлекается значительно больше гид-роксида кальция (при средней концентрации ионов магния 1,5 г/л - почти в три раза больше), чем тем же количеством пресной воды при физической коррозии. В результате гидросиликатный каркас частично замещается рых­лой массой, состоящей из мельчайших, не связанных между собой объём­ных кристалликов Mg(OH)₂, и прочность камня резко падает.

Сульфатная коррозия происходит под воздействием воды, содержа­щей растворенные сульфаты (кальция, магния, натрия и др.).

Реакция коррозии происходит при непосредственном воздействии сульфата кальция, точнее при одновременном воздействии сульфат-анионов и катионов кальция.

Основным продуктом реакции является кристаллический гидросуль-фоалюминат кальция - эттрингит, например:

3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О + 3CaSО₄ + 26Н₂О =

3СаО • А1₂О₃ • 3CaSО₄ • 32Н₂О

Ввиду химического связывания значительного количества воды, суммар­ный объем образующихся кристаллов эттрингита в 2 - 2,5 раза превышает объем исходных гидроалюминатов. Поэтому их рост вызывает разрушение стенок пор, вспучивание, искривление и растрескивание бетонных изделий.

При воздействии на бетон воды, содержащей любой другой раствори­мый сульфат, например сульфат натрия или магния (как в случае морской воды), агрессивный состав возникает за счет обменной реакции:

Na₂SО₄ + Са(ОН)₂ = CaSО₄ + 2NaOH

Известны также и другие разновидности химической коррозии, менее распространенные или менее опасные с точки зрения своих последствий.

Наиболее разрушительной среди них является общекислотная корро­зия, происходящая под влиянием растворенных в воде кислот (сильных или средней силы). Такая ситуация может иметь место на предприятиях хими­ческой промышленности, в системах удаления и переработки сточных вод.

В первую очередь с кислотой взаимодействует гидроксид кальция, на­пример:

Са(ОН)₂ + 2НС1 = СаС1₂ + 2Н₂О

При достаточной кислотности раствора может последовать также раз­ложение всех других компонентов цементного камня, вплоть до полного перехода в раствор кальция, алюминия и железа в виде растворимых хло­ридов с одновременным образованием геля кремневой кислоты, например:

nСаО • SiО₂ • mH₂О + 2nНС1 = nСаС1₂ + SiО₂ • (m+n)Н₂О

рСаО • А1₂О₃ • qH₂О + (2р+6)НС1 = рСаС1₂ + 2А1С1₃ + (p+q+3)H₂О

хСаО • Fe₂О₃ • уН₂О + (2х+6)НС1 = xCaCI₂ + 2FeCl₃ + (х+у+3)Н₂О

В результате происходит полное разрушение цементного камня, а вме­сте с ним и бетона. Таким образом, портландцементный камень не является кислостойким материалом.

Методы защиты бетона от коррозии могут быть сведены в три ос­новные группы: регулирование состава цемента; 2) снижение пористости цементного камня; 3) применение защитных покрытий; 4) воздействие на коррозионную среду.

Регулирование состава и правильный выбор типа цемента предпола­гают, что должен быть выбран цемент такого состава, который бы обеспе­чил максимальное сопротивление агрессивному воздействию среды. На­пример, при наличии опасности сульфатной коррозии (морская вода, высо­кая концентрация гипса в почвенной влаге и т.д.) используют бетон, приго­товленный на сульфатостойком портландцементе, содержащем менее 5% С₃А. В этом случае образующийся эттрингит может разместиться в порах цементного камня, и внутренних напряжений в бетоне не возникает. Физи­ческая, магнезиальная и углекислотная коррозия (основные типы коррозии в мягкой воде) могут быть предотвращены максимальным снижением со­держания в цементном камне Са(ОН)₂, например, путем использования пуццоланового, глиноземистого цемента или шлакопортландцемента.

Снижение пористости цементного камня или повышение его плотности - эффективный и универсальный способ борьбы со всеми типами коррозии, так как, во-первых, уменьшается общая поверхность взаимодействия камня с водой, а следовательно, и общая скорость кор­розионного процесса, во-вторых, замедляется проникновение агрессив­ной жидкости внутрь бетона. Чтобы снизить пористость, уменьшают содержание в тесте избыточной воды, но так, чтобы это не привело к существенному снижению его пластичности. Для этого в цементное тес­то вводят так называемые водопонижающие добавки, или пластифика­торы, представляющие собой поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие внутреннее трение частиц в тесте и повышающие его пла­стичность. Традиционные пластификаторы позволяют снизить водоце-ментное отношение (в/ц) на 5 - 15%, а более сильные водопонижающие добавки (суперпластификаторы) - на 30%

Защитные покрытия и облицовки полностью изолируют бетон от аг­рессивной среды. Простейшими видами таких покрытий являются масля­ные краски и полимерные лаки, наносимые на сухую поверхность бетона.

Для защиты бетона от коррозии используют также неорганические по­крытия. Примером создания таких покрытий является флюатирование, при котором на поверхность бетона наносят водный раствор MgSiF₆ или какого-либо другого флюата, то есть водорастворимой соли H₂SiF₆. В результате реакции образуется прочная и водонепроницаемая пленка, состоящая из нерастворимых фторидов и геля кремневой кислоты:

MgSiF₆ + 2Са(ОН)₂ = MgF₂ + 2CaF₂ + SiО₂ • 0,5Н₂О + l,5H₂О

Используют также защитные силикатные обмазки, включающие на­триевое жидкое стекло вместе с фторосиликатом натрия.

Воздействие на коррозионную среду заключается в выведении из её состава коррозионно-активных веществ (нейтрализация кислот, устранение жёсткости воды, то есть удаление растворённых солей магния и CaSO₄).

Дата добавления: 2014-11-29