Коррозия цементного камня и бетона. Виды коррозии.

Лекция №3 Портландцемент

Изучаемые вопросы:

Процессы в печи при обжиге портландцемента

Твердение портландцемента

Механизм твердения портландцемента

Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

В то же время, есть один неоспоримый момент, определяющий все возможные дальнейшие (растворительные, гидролизные, химические, конденсационные, кристаллизационные и др.) преобразования –это момент контакта поверхности цементных частиц с высокоорганизованной жидкой средой. Следовательно, прежде чем рассматривать вероятность тех или иных вторичных и зависимых последующих стадий, явлений и процессов, необходимо уточнить возможное «конструктивное устройство» формирующейся на границе раздела фаз «клинкерное зерно –вода» энергетической композиции? И чем достовернее данное уточнение, тем более объективным и всесторонним будет логическая трактовка дальнейшего развития процесса.Показано, что особенностью структуры силикатов кальция является наличие неравномерной электронной плотности на Si-O-Ca-cвязи, вследствие чего кислородные атомы образуют неравноценные связи

–ковалентные с атомами кремния и более ионные –с кальцием (≡Si-O―Ca―O-Si≡). Данный аспект находит широкое подтверждение в экспериментально-теоретических исследованиях на протяжении многих десятилетий.

Другой химически активный компонент –вода, структуре и свойствам которой обычно не уделяется должного внимания, рассматривается, как некая вспомогательная среда, в которой осуществляются растворительные, химические, кристаллизационные и прочие явления. Между тем, молекулы воды –достаточно «эластичные» и чрезвычайно чувствительные объекты. Посредством водородных связей диполи создают временные межмолекулярные энергетические структуры (рис.2.1), так называемые «кластеры» или«мерцающие группы» типа (Н2О)n.

Таким образом, в основе (первопричиной) взаимодействия гетерогенной системы «цемент–вода», несомненно, лежат силы электростатической природы. Под действием электромагнитного поля поверхностных элементов кристаллической решетки цементных минералов происходит мгновенное перераспределение высокоорганизованных диполей на границе раздела фаз, определенная их ориентация, создание своеобразной энергетической структуры (цементной «мицеллы» по Г.Н.Сиверцеву), коренным образом влияющей на дальнейшее развитие гидратационного процесса.

Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерныхминералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

Физические и механические свойства цемента

Состав цементного камня

Физико-механические свойства цемента

Нормальной густотой называют то содержание воды (в %), котороенеобходимо добавить к цементу, чтобы получить определенную консистенцию цементного теста.

Обычно эта величина равна, 22-27% и увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок, обладающих большой водопотребностью (трепел, опока и др.).

Нормальная густота в известной мере определяет, реологические свойства цементного теста и тем самым влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше нормальная густота цемента, тем меньше водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определенной подвижности (жесткости) смеси. Сокращение расхода воды, в

свою очередь, приводит к уменьшению расхода цемента(при заданном В/Ц).

    В бетонах желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой.Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по глубине проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало схватывания при температуре 200С наступало не ранее, чем через 45 мин, а конец

завершался не позднее 10 ч. с момента затворения цемента водой. На практике начало схватывания наступает через 1-2 ч, а конец –через 5–8 ч. Эти сроки обеспечивают

производство бетонных работ, т.к. дают возможность транспортировать и укладывать

бетонные смеси и растворы до их схватывания. Сроки схватывания можно регулироватьпутем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок.

Портландцемент имеет, как правило, тонкий помол: через сито N008 (около 4900 отверстий на 1кв.см. с размером ячеек в свету 0.08*0.08 мм) должно проходить не менее 85 % общей массы цемента. Средний размер частиц цемента составляет 15-20 мкм.

Истинная плотность портландцемента без добавки составляет 3,05-3,15 г/см3. Плотность портландцемента при расчете состава бетона условно принимают в уплотненном состоянии 1,3 кг/м3.

Схватывание и твердение цемента –экзотермические процессы. Практически 1 кг цемента М400 выделяет в бетоне за 7 суток с момента затворения цемента водой не менее 210 кДж. Для цемента М500 эта цифра составляет порядка 250 кДж. Тепловыделение зависит от минералогического состава цементного клинкера, типавведенных добавок и тонкости помола. Из клинкерных минералов наибольшим тепловыделением обладают трех кальциевый алюминат и трех кальциевый силикат. Основное тепло выделяется в течение первых 3-7 суток твердения цемента.Перевозят и хранят цемент так, чтобы предохранить его от увлажнения, распыления и других потерь. Обычный цемент при нормальных условиях хранения через

3 мес. теряет 20% прочности, через 6 мес. –30%, через год –40%. При использовании в производстве лежалого цемента время перемешивания бетонной смеси увеличивают в 2-4 раза, вводят добавки-ускорители твердения или применяют активацию цемента.

Цементный камень

Структура цементного камня.

Выделяют основные элементы структуры цементного камня:

1.Непрореагировавшие зернаклинкера, количество которых постепенно уменьшается.

2. Относительнокрупные кристаллыCa(OH)2и эттрингита (ГСАК), образующие каркас цементного камня, который увеличивает его упругие свойства, жесткость.

3. Мелкиегелевидные частичкигидросиликатов кальция –цементный клей, который играет роль матрицы, придает цементному камню связанность и деформативные свойства.

Соотношение кристаллической и гелевой составляющих определяет индивидуальные физико-механические свойства цементного камня: прочность, деформативность и т.д. При этом указанное соотношение зависит от химического и минерального состава цемента.

4. Очень мелкиегелевые поры(в которых вода замерзает только при

-50 °С и ниже и не перемещается под действием силы тяжести). Эти поры большого влияния на свойства цемента не оказывают.

5.Капиллярные поры(размером 0,1-20 мкм), которые получаются за счет испарения излишней воды затворения, не вступившей в химические реакции. Они не желательны, так как в них вода замерзает уже ниже -5 °С, что опасно с точки зрения морозостойкости. С другой стороны, вода поглощается в эти поры даже из воздуха за счет капиллярной конденсации. Количество этих пор необходимо уменьшать за счет снижения начального количества воды затворения.

6.Крупные воздушные поры(от 50-100 мкм до 2 мм), которыепоявляются за счет вовлечения воздуха в бетонную и растворную смесь при перемешивании. Они, как правило, замкнутые и имеют положительное значение, так как, в отличие от капиллярных пор, обычно не заполняются водой и в большей степени снижают теплопроводность материала и, кроме того, не только не снижают, а даже увеличивают его морозостойкость (играют роль резервных пор).

В порах цементного камня обычно присутствуетжидкая фаза, которая

представляет собой водные растворы щелочей, прежде всегоCa(OH)2. Это о

обусловливает отсутствие коррозии стальной арматуры в цементном бетоне при достаточной концентрации раствора Са(ОН)2вследствие «пассивирующего» действия щелочи по отношению к стали.

Коррозия цементного камня и бетона. Виды коррозии.

Коррозия цементного камня. Цементный камень является основой бетона и при воздействии агрессивной среды корродирует, т. е. разрушается.

Агрессивные среды классифицируют по их физическому состоянию на твердые, жидкие и газообразные.

К наиболее распространенным жидким агрессивным средам относятся природные и промышленные водные растворы, содержащие различное количество растворенных веществ (кислот, солей, щелочей), а также некоторые органические жидкости.

Атмосферные воды, выпадающие в виде осадков, могут содержать повышенное содержание соли в приморских и засушливых солончаковых районах. Химический состав речной воды зависит от источников питания реки и вида пород, в которых проходит русло реки. По степени минерализации, т. е. содержанию солей, речная вода разделяется на четыре ступени: I — малой минерализации (до 200 мг/л), II — средней (200—500); III — повышенной (500—1000); IV — высокой минерализации (более 1000 мг/л). Природные и грунтовые воды также существенно различаются по составу. Для северных и горных районов характерны мягкие грунтовые воды, образовавшиеся в результате таяния снега и выпадения дождей. В южных районах СССР часто встречаются сильноминерализованные грунтовые воды.

Агрессивные по отношению к цементным бетонам газы содержат СОг, SO3, пары и аэрозоли различных кислот и солей. К твердым агрессивным средам относятся сухие минерализованные грунты и различные сыпучие химические вещества: удобрения, краски, инсектофунгициды, гербициды и др. Коррозионные процессы в газообразной и твердой средах протекают только в присутствии жидкой фазы.

Физико-химические и химические коррозионные процессы при воздействии различных сред на конструкции из бетона и железобетона соответствуют в основном трем видам коррозии (по В. М. Москвину).

Коррозия первого вида обусловлена растворением некоторых компонентов цементного камня и в первую очередь гидроксида кальция — продукта гидролиза трехкальциевого силиката (коррозия выщелачивания). Она идет интенсивно в мягких водах, особенно при фильтрации воды через бетон. При выщелачивании Са(ОН)2 наряду с уменьшением плотности и нарушением структуры цементного камня начинается разложение других гидратов, устойчивых лишь при определенной концентрации СаО. Продукты коррозии выщелачивания образуют на поверхности бетона белые пятна и натеки.

Коррозия второго вида основана на обменных химических реакциях взаимодействия между цементным камнем и агрессивным водным раствором с образованием легкорастворимых, вымываемых солей или аморфных продуктов, не обладающих вяжущими свойствами. К ней можно отнести кислотную, углекислую и магнезиальную коррозии.

Коррозия бетона почти всегда начинается с цементного камня (затвердевшего цемента), стойкость которого обычно меньше, чем каменных заполнителей. Цементный камень состоит из соединений, образовавшихся в процессе его трердения. Также, в нем имеются открытые и закрытые капиллярные ходы, заполненные воздухом или водой. Таким образом, затвердевший цемент представляет собой микроскопически неоднородную систему.

Агрессивными по отношению к цементному камню могут быть речные, морские, грунтовые, дренажные, сточные воды, а также находящиеся в воздухе кислые газы.

Грунтовые воды, особенно в районах промышленных предприятий, отличаются исключительным разнообразием по содержанию примесей, вредных для цементного камня. Так, на территории химических заводов грунтовые воды загрязнены минеральными и органическими кислотами, хлоридами, нитратами, сульфатами, солями аммония, железа, меди, цинка, никеля, а также щелочами. Грунтовые воды вблизи металлообрабатывающих предприятий нередко содержат сульфат железа и иные продукты травильных процессов.

Сточные воды заводов и фабрик еще в большей степени, чем грунтовые, обогащены веществами, вызывающими разрушения цементного камня. При спуске неочищенных сточных вод в реки и другие водоемы вода в них может стать агрессивной по отношению к бетону гидротехнических сооружений. В воздухе вблизи некоторых промышленных предприятий часто могут содержаться загрязнения, например: сернистый газ, хлористый водород, оксиды азота и др. Их концентрация обычно находится в пределах санитарных норм, т.е. не вредна для здоровья человека, но часто бывает достаточной, чтобы с течением времени привести к разрушению бетона.

Коррозионные воздействия многообразны. Насчитываются сотни веществ, которые могут могут входить в соприкосновение с цементным камнем и отрицательно влиять на него.

Виды коррозии:

Выделяют 3 вида:

1. разложение составляющих цементного камня водой, а так же растворение и вымывание (выщелачивание) образовавшегося при этом или ранее имевшегося гидроксида кальция;

2. образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия составляющих цементного камня с веществами, находящимися в окружающей среде, а также вымывание этих солей;

3. образование в цементном камне (под влиянием проникающих в него веществ) соединений, имеющих больший объем, чем исходные продукты реакции, что приводит к внутренним напряжениям и образованию трещин в бетоне;

На практике разрушение бетона обусловлено коррозионным воздействиям не одного, а различных видов.

Меры борьбы с коррозией

Из большого числа мероприятий по борьбе с коррозией не все являются легко осуществимыми и достаточно эффективными. На практике стараются использовать по возможности наиболее простые и дешевые способы и в первую очередь повышение стойкости самого бетона путем, например, использования коррозионностойкого вида цемента или придания бетону высокой плотности и водонепроницаемости. Если эти меры не дают нужного результата, то прибегают к устройству того или иного вида гидроизоляции.

Применение коррозионностойких цементов. В ряде случаев можно избежать сульфатной коррозии бетона, применяя вместо портландцемента или шлакопортландцемента, сульфатостойкие цементы.

Повышение плотности бетона. Повышение плотности – эффективный способ защиты бетона от всех видов коррозии. Для получения бетона повышенной плотности применяют цементы с малой водопотребностью, уменьшают водоцементное отношение, тщательно уплотняют бетонную смесь при укладке и т.п.

Водопроницаемость бетона уменьшается с повышением его плотности. При этом затрудняется проникновение агрессивной среды в поры бетона. Водостойкость бетона возрастает с увеличением его плотности в отношении всех видов коррозии.

К устройству гидроизоляции прибегают в тех случаях, когда мероприятия по повышению коррозионной стойкости бетона не в состоянии исключить его коррозию. Для защиты бетона от коррозии применяют гидрофобизирующую или гидроизолирующую пропитку, поверхностную окраску (обмазку), оклейку или облицовку гидроизоляционными материалами. Гидроизоляционные покрытия имеют ограниченный срок службы и требуют периодического ремонта или замены.

Проникающая гидроизоляция

Есть два способа выполнения проникающей гидроизоляции - пропитка и инъецирование.

Пропиточная гидроизоляция. Пропитке подвергают изделия из железобетона (трубы, сваи, колонны, плиты и т.п.), керамики (кирпичи, камни, трубы), асбестоцемента (листы и трубы), природного камня, древесины и др.

Установлено, что достаточно пропитать материал на глубину 10-15 мм для эффективной его защиты. В результате поверхностный слой становится водонепроницаемым и защищает остальной объем от проникновения воды.

Способы пропитки различаются по температуре и давлению. По температуре их можно разделить на горячие и холодные.

При горячей пропитке используют нефтяные битумы, каменноугольные дегти и пеки, петролатум, озокерит, парафины, синтетические составы. Горячую пропитку выполняют главным образом в ваннах при температуре от 80 до 180 0С. Нагревание требуется для того, чтобы перевести материал в жидкое состояние или снизить его вязкость. После пропитки изделия охлаждают, в результате чего пропиточный состав закрепляется в порах.

Для холодной пропитки используют составы на основе минеральных вяжущих веществ (цемента, силиката натрия и др.), составы на основе органических низко- и высокомолекулярных веществ (стирола, метилметакрилата, полиуретана, кремнийорганических соединений).

Пропитку производят при атмосферном давлении, повышенном давлении (в автоклаве) и при вакуумировании.

Пропитка при атмосферном давлении наиболее проста. Она осуществляется в открытых ваннах или путем нанесения проникающего состава на поверхность материала. При этом давление атмосферы на проникающий состав уравновешивается таким же (атмосферным) давлением воздуха в порах. Поскольку результирующая внешнего давления равна нулю, то проникание жидкости в поры происходит только за счет капиллярного эффекта.

Вакуумирование позволяет повысить эффективность пропитки в 3-4 раза, так как из пор материала удаляется воздух и снимается противодавление, оказываемое им при пропитке. При вакуумировании ванна с изделием помещается в камеру, из которой вакуум-насосом откачивается воздух. При этом пропиточный состав поступает в поры, не встречая сопротивления воздуха.

При пропитке в автоклавах, несмотря на высокое давление порядка 0,6-1,2 МПа, достигаемое ускорение процесса составляет максимум двукратную величину по сравнению с открытой ванной. Это связано с наличием воздуха, который остается в порах материала, занимая часть объема и оказывая противодавление.

К поверхностной пропитке прибегают при защите материалов непосредственно в конструкциях. Пропитку осуществляют путем нанесения состава (кистью, валиком или распылением) на поверхность материала. После того как состав впитается в поры материала, операцию можно повторить, добиваясь необходимой глубины пропитки. Для поверхностной пропитки применяют специальные заводские составы с высокой проникающей способностью.

Инъекционная гидроизоляция. При этом методе на некоторой площади сооружения пробуривают шпуры, соблюдая определенный порядок в их расположении. С помощью специальной оснастки в шпуры нагнетают уплотняющий материал, который заполняет поры, пустоты, трещины, после чего отверждается.

Для инъекций применяют составы двух видов:

1) на основе минеральных вяжущих веществ
2) на основе органических связующих.

В первом случае применяются минеральные композиции на основе портландцемента, различных видов расширяющихся цементов, как правило, модифицированных специальными добавками. Такие материалы близки по химической природе бетону и сочетаются с ним лучше, чем органополимерные композиции, однако уступают последним в проникающей способности. В последнее время за рубежом разработаны высокопроникающие составы на основе цемента со сверхтонкими частицами, соответствующими коллойдным размерам в 1-2 мкм. Такой цемент получают по особой технологии на цементных заводах.

Широко применяются также инъекции жидких составов на основе полимеризующихся низкомолекулярных органических веществ (стирола, метилметакрилата) и отверждающихся полимеров (полиуретановых, акрилатных, эпоксидных, силиконовых и других смол). Для проникающих составов чаще всего используют олигомеры, отверждаемые при контакте с влагой. Такие материалы можно наносить на влажную поверхность.

Гидрофобизация

Эффективным видом защиты бетона от проникновения воды является гидрофобизация. Наиболее широко для этой цели применяют кремнийорганические вещества: метилсиликонаты и этилсиликонаты натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11), а также полиэтилгидросилоксан (бывш.ГКЖ-94). Кремнийорганические соединения, проникая в поры бетона и адсорбируясь на их стенках образуют тончайшую пленку, придающую поверхности водоотталкивающие свойства. В результате гидрофобизации силы поверхностного натяжения воды препятствуют проникнове-нию ее в капилляры, которые в то же время остаются открытыми для паров и воздуха.

Мастичная гидроизоляция

Наиболее перспективными для антикоррозионной защиты бетонных и железобетонных конструкций, являются высокоэластичные покрытия на основе полимерных и битумно-полимерных мастик. При отсутствии армирующего слоя такие покрытия, имея относительное удлинение до 300 %, выдерживают без разрушения значительные и многократные деформации.

Наиболее перспективными материалами для гидроизоляционных покрытий являются мастики на основе хлорсульфированного полиэтилена. Этот полимер, получаемый продувкой хлора и сернистого газа через расплавленный полиэтилен, относится к искусственным каучукам, для которых характерны высокие эластические свойства при незначительном сопротивлении деформированию.

Рулонная оклеечная гидроизоляция

Для устройства гидроизоляции широко применяют рулонные материалы на битумной (гидроизол, бризол, изол, стеклорубероид и др.), битумно-полимерной (изопласт, изоэласт, кинепласт, мостопласт, техноэласт, бикропласт, экофлекс, унифлекс и др.) и полимерной (фундалин, элон, кромэл, кровлелон, изолен, реситрикс и др.) основе. Рулонные материалы крепят к основанию приклеиванием с помощью специальных мастик или наплавным способом.