Влияние пористости бетона на его химическое сопротивление агрессивному воздействию
Федеральное агенство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Г. Н. ЭКИЛИК
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ДЛЯ МАГИСТРАТУРЫ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 020900 (511700) –
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТРИАЛОВ
ПРОГРАММЫ «ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ»
РОСТОВ – НА – ДОНУ
2008
СОДЕРЖАНИЕ
Модуль 1. Минеральные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Особенности коррозии минеральных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Бетон и железобетон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Процессы твердения в бетоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Влияние пористости бетона на его химическое сопротивление агрессивному воздействию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Виды коррозии бетона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Влияние температуры на коррозию бетона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Особенности коррозии других минеральных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . .
Модуль 2. Перспективы использования полимерных материалов . . . . . . . . . . . . . 29
2.1 Основные физико-химические свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Понятие о коррозионном разрушении полимерных материалов . . . . . . . . . . .
|
|
|
2.3 Виды деструкции полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Химическая деструкция полимерных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Модуль 3. Действие агрессивных сред на напряженные полимерные материалы 82
3.1 Особенности поведения полимерных материалов под нагрузкой . . . . . . . . . . .
3.2 Диаграммы растяжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .66
3.3 Зависимость диаграмм растяжения от внешних факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Релаксация напряжений в полимерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Теории прочности материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Ползучесть полимеров под нагрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Коррозионное растрескивание полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 Кинетика разрушения напряженных полимеров в агрессивных средах . . . . Модуль 4. Битумные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1 Основные свойства битумов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Материалы на основе битумов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Нанесение защитных битумных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Модуль 5. Древесные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
|
|
|
5.1 Основные свойства древесины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Защита древесины лакокрасочными покрытиями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Модуль 6. Композиционные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
6.1 Основные свойства и особенности композиционных материалов . . . . . . . . ..
6.2 Получение композитов электрохимическим способом . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Влияние различных факторов на состав и механизм образования
комбинированных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Классификация композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
М о д у л ь 1. М И Н Е Р А Л Ь Н Ы Е М А Т Е Р И А Л Ы
Особенности коррозии минеральных материалов
Первая общая особенность материалов минеральной группы — сложность и полиминеральность состава, т.е. практически все эти материалы получены из комбинации большого числа минеральных компонентов.
Кроме того, другой общей особенностью минеральных материалов является их пористость. Практически все минеральные материалы, за исключением плавленых, имеют высокую пористость. Именно эти две особенности и определяют, в основном, коррозионное поведение этой группы материалов в агрессивных средах.
|
|
|
Наиболее полно коррозионные процессы эти материалов можно изучить на примере бетона. Для других материалов этой группы будут характерны аналогичные процессы, но в разной степени и с некоторыми специфическими особенностями, зависящими от индивидуальных свойств каждого материала.
Бетон и железобетон
Бетон широко известен как долговечный материал, не нуждающийся при правильной эксплуатации в какой-либо защите от воздействия внешней среды. Бетон может быть изготовлен достаточно прочным и стойким к агрессивному воздействию. Однако при неправильном выборе условий эксплуатации или набора компонентов, особенно в сочетании с механическим воздействием, известно немного случаев аварийного разрушения конструкций из бетона в короткий срок.
Для правильной оценки агрессивного воздействия среды необходимо знание теоретических основ химического сопротивления материала и в первую очередь состав и назначение основных компонентов бетона.
Слово «beton» - французского происхождения, означает «искусственный камень». Его получают в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего, заполнителя и воды (основные компоненты). В бетон вводят различные добавки, придающие бетону специфические свойства. Основа бетона -вяжущее вещество, образованное из порошкообразных растворимых силикатов, дающих при смешении с водой пластичную вязкую массу, при твердении переходящую в камнеподобное состояние. В качестве заполнителя чаще всего используют щебень, гравий и песок.
|
|
|
По виду вяжущего бетона делятся на цементные, изготовленные на основе извести; гипсовые— на основе гипсового (CaSO4) вяжущего. Бывают и комбинированные виды — известково-глинистый, известково-зольный. Кроме того, существуют и специальные виды бетонов: жидкостекольный— на основе полимерных вяжущих, а также полимерсиликатбетон, изготовленный на смешанном связующем, состоящим из полимера и силикатного вяжущего.
В зависимости от условия их затвердевания вяжущие вещества делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущее затвердевают только в сухой атмосфере в течении длительного времени (Пример- жидкое стекло). Гидравлические же способны твердеть не только во влажной атмосфере, но даже в воде (различные марки цементов). При этом даже в воде они длительное время сохраняют свою прочность.
Цемент— это порошкообразная масса (клинкер), получаемая совместным прокаливанием до спекания известняка и глины, в результате чего образуются силикаты и алюминаты кальция. При смешении цементного клинкера с водой образуются пластичная клейкая масса, называемая цементным тестом. Цементное тесто, обволакивая поверхности зерен заполнителя, заполняет пустоты между зернами, соединяет их между собой так, чтобы после затвердевания получился искусственный камнеподобный конгломерат.
Процесс взаимодействия цемента, состоящего из смеси 
, с водой называется «затворением». Вода, необходимая для получения цементного теста, называется водой затворения и берется обычно в некотором избытке для получения удобоукладываемой смеси.
Часть воды затворения вступает в химическое взаимодействие с цементом, часть остается в относительно свободном состоянии. Это избыточная вода затворения. Избыточная вода затворения при испарении образует разветвленную сеть капилляров и пор в бетоне. Химически связанная вода, отнесенная к массе цемента, дает так называемое водоцементное отношение (В/Ц), представляющее очень важную характеристику бетона. Водоцементное отношение является, по существу, решающим фактором регулирования пористости бетона. Оптимальное значение водоцементного отношения порядка0,4 — 0,6.При снижении В/Ц уменьшается пористость и проницаемость бетонной массы, так как избыточной воды меньше. Однако одновременно возрастает жесткость бетонной массы, она делает менее удобоукладываемой, что создает трудности при проведении бетонных работ.
При высоких В/Ц (>0,6) укладка бетона облегчается, но после затвердевания при испарении избыточной воды бетонная масса имеет высокую пористость, облегчающую проникновение агрессивной среды.
Процессы твердения в бетоне.
Сам процесс твердения вяжущего можно разделить на два этапа: схватывание и собственно твердение. Схватывание — есть потеря подвижности бетонной массы. Время до начала схватывания определяет технологические свойства бетонной массы. Чем больше этот отрезок времени, тем более технологичен бетон.
Время до окончательного твердения определяет его эксплуатационные свойства, так как эксплуатировать бетонную конструкцию можно только при достижении окончательной твердости бетонной массы. Чем короче этот промежуток времени, тем лучше эксплуатационные свойства бетона.
Наиболее простым является процесс твердения бетонов на жидкостекольном вяжущем, состоящем всего из одного компонента — растворимого силиката калия или натрия.
При смещении с водой в процессе затворения происходит гидролиз (1.1) жидкого стекла, в результате чего образуется кремневая кислота H2SiO3, которая имеет вид геля (коллоида):
(1.1)
Образующийся гель кремневой кислоты и обладает вяжущими свойствами. С течением времени он при высыхании превращается в аморфный кремнезём (SiO2) и окончательно затвердевает. Чаще других для ускорения процесса твердения применяются кремнефтористый натрий Na2SiF6, получаемый из отходов суперфосфатного производства. Процесс твердения в этом случае определяется реакцией (1.2).
(1.2)
В результате реакции образуется трудно растворимый осадок фторида натрия и равновесие сдвинуто вправо. В результате облегчается образование кремневой кислоты и процесс твердения ускоряется.
Если в качестве вяжущего взят цемент, то процесс твердения значительно усложняется, так как состав цементного клинкера более сложен. При взаимодействии с водой минералы, входящие в его состав, гидратируются, гидролизуются и образуют коллоидную систему, состоящую из следующих компонентов:
- основного продукта гидратации цементного клинкера Ca(OH)2
- гидросиликатов кальция различного состава: 
- гидроалюминатов кальция общего состава: 
- гидроферритов кальция: 
- гидроалюмоферритов кальция: 
В процессе твердения эти коллоидные образования кристаллизуются,
теряют воду и затвердевают. Поскольку они имеют различный состав, кристаллизуются они с разной скоростью, т.е. система имеет частично кристаллические образования и частично-коллоидные. Когда большинство гелеобразных веществ перекристаллизуется, система твердеет и цементный камень приобретает максимальную прочность. Бетон после затвердевания представляет собой капиллярно-пористое тело, состоящее из газовой и твердой фазы. Газовая фаза —воздух и водяные пары, твердая фаза —конгломерат, состоящий из кристаллических и коллоидных образований.
Влияние пористости бетона на его химическое сопротивление агрессивному воздействию.
Пористые материалы менее стойки к коррозии, чем монолитные такого же состава. Меньшая стойкость пористых материалов связана с возможностью проникновения агрессивной среды в поры и капилляры, что значительно увеличивает поверхность контакта материала с агрессивной средой.
В пористых материалах возможно протекание специфических видов разрушения, присущих только пористым телам:
- осмотическая коррозия, связанная с явлением осмоса,
- разрушение при замораживании жидкости в порах, сопровождающееся растрескиванием из-за возникших напряжений,
- разрушение вследствие капиллярного давления, возникающего при конденсации водяных паров в замкнутых порах,
- разрушение, вызываемое расклинивающим действием воды при ее конденсации в вершинах трещин. Вода несжимаемая жидкость, при ее конденсации возникают значительные напряжении.
Разрушения, происходящие в пористых материалах, зависит не только от общего количества пор, но и от их размера, формы и расположения.
Однако скорость коррозионного разрушения бетона зависит не только от свойств бетона, но и от свойств агрессивной среды.
При контакте с агрессивной средой происходит разрушение бетона вследствие химических превращений цементного камня и потери им вяжущих свойств.
Виды коррозии бетона.
Выделяют три основных вида коррозии бетона. В пределах каждой группы процессы коррозии объединяются по основным ведущим признакам. Классификация предложена профессором В.М. Москвиным, внесшим большой вклад в исследование коррозии бетона.
В первую группу (коррозия первого вида) были объединены процессы коррозии, протекающие в бетоне под действием воды с малой временной жесткостью. В этом случае части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой, т.е. коррозия I вида есть растворение компонентов бетона в мягкой воде. Такой вид коррозии наблюдается при фильтрации дождевых вод через толщу бетона.
Ко второй группе (коррозия второго вида) отнесли все процессы химического взаимодействия бетонной массы с агрессивной средой, если в результате взаимодействия образуются легкорастворимые или аморфные продукты, легко удаляемые потоком среды. К этой группе относят коррозию бетона в растворах большинства кислот и щелочей.
К третьей группе (коррозия третьего вида) были отнесены процессы коррозии, если в результате взаимодействия со средой образуются трудно растворимые продукты, которые могут накапливаться в порах и капиллярах цементного камня. Кристаллизация таких солей вызывает значительные растягивающее усиления в стенках капилляров и пор бетона, что приводит к разрушению его структуры. Такой вид коррозии развивается в бетоне под действием растворов сульфатов, приводящих к образованию гипса 
или сульфоалюмината кальция 
O). В естественных условиях очень редко встречается коррозия какого-либо одного вида, однако всегда может быть установлено преобладание какого-либо одного вида над всеми остальными.
1.5.1 Коррозия бетона первого вида
При контакте с водой составные части цементного камня начинают растворяться. Наиболее растворимым компонентом является Ca(OH)2 , который легко уносится фильтрующейся водой. Однако Ca(OH)2 не только обеспечивает вяжущие свойства бетонной массы, но является и регулятором устойчивости всех других компонентов, обладающих вяжущими свойствами. Остальные компоненты цементного камня устойчивы при определенной концентрации Ca(OH)2 в системе. При вымывании Ca(OH)2 они легко разлагаются, и бетонная масса теряет вяжущие свойства и разрушается.
Наименее стойкими является гидросиликаты кальция. Они полностью теряют вяжущие свойства при снижении концентрации Ca(OH)2 от насыщенного состояние (1300 мг/л) до 1100 мг/л. Гидроферриты кальция устойчивы до концентрации Ca(OH)2 не менее 900 мг/л. Наиболее стойкими являются гидроалюминаты кальция, которые разлагаются только при снижении содержания Ca(OH)2 в бетоне ниже 560 мг/л. Гидроалюмоферриты кальция вначале разлагаются на гидроферриты и гидроалюминаты кальция, а затем теряют вяжущие свойства по вышеприведенной схеме. Дальнейшее снижение содержания Ca(OH)2 в бетоне ведет к потере механической прочности и разрушению. Поэтому все процессы, влияющие на скорость вымывания Ca(OH)2 , меняют скорость коррозии I вида.
Влияющим фактором является наличие в фильтрующейся воде различных ионов. Их влияние оценивают по ионной силе раствора I по формуле (1.3).
, (1.3)
где m — молярная концентрация каждого иона, присутствующего в растворе (моль/л); z — заряд каждого иона
Чем больше I агрессивной среды, тем скорость коррозии первого вида выше. Значение I раствора велико при медленном течении жидкости, так как в этом случае возможно достижение равновесия в системе. При быстром течении потока раствор не успевает достигать насыщенного состояния и влияние ионной силы раствора падает.
От скорости фильтрации агрессивной среды зависит не только влияние I раствора, но и скорость вымывания Ca(OH)2, от содержания которого зависит скорость коррозии первого вида. Графически зависимость процесса вымывания Ca(OH)2 от скорости потока представлена на рисунке 1.
При малых скоростях течения жидкости она успевает достичь насыщенного состояния по Ca(OH)2 и вытекающий раствор уносит из бетонной массы 1300 мг/л гидроксида (участок АВ). При увеличении скорости потока раствор не успевает достигать насыщенного состояния, и каждый литр воды уносит не 1300 мг Ca(OH)2, а меньше.
Рисунок 1 ─ Зависимость содержания Ca(OH)2 в фильтрующейся жидкости С от
скорости потока V.
В результате скорость коррозии первого вида падает (участок ВЕ). При достаточно больших скоростях фильтрации интенсивность вымывания Ca(OH)2 практически перестает зависеть от скорости течения воды, так как поток может вымывать только то количество гидроксида, которое доставляется в зону контакта за счет диффузии. Скорость диффузии при постоянной температуре постоянна, и скорость вымывания, зависящая от скорости диффузии, выходит на постоянное значение (участок ЕД).
На скорость коррозии I вида влияет процесс карбонизации бетонной массы (1.4), происходящий под действием углекислоты воздуха:
(1.4)
Из-за него поверхность в капиллярах и порах бетона покрывается слоем труднорастворимой соли — карбонатом кальция. Скорость распространения процесса карбонизации в толщу конструкции зависит от проницаемости бетонной массы. Чем более плотен бетон, тем его карбонизация идет медленнее. Карбонизация бетонов высокой плотности ограничивается тонким поверхностным слоем и практически не распространяется вглубь.
На скорость процесса карбонизации влияет:
- концентрация углекислоты в воздухе. (чем больше СО2, тем выше скорость карбонизации )
- влажность атмосферы, так как в этих условиях процесс протекает по реакции(1.5): 
(1.5)
Гидрокарбонат кальция имеет лучшую растворимость, чем СаСО3. Карбонат кальция образуется при относительной влажности воздуха до 50%, при относительной влажности порядка 100% образуется только гидрокарбонат кальция. Образующиеся при карбонизации СаСО3 и Са(НСО3)2 влияют на скорость процесса коррозии первого вида по-разному: трудно растворимый осадок СаСО3 значительно снижает скорость вымывания Са(ОН)2, т.е. скорость коррозии первого вида. Легкорастворимый Са(НСО3)2 практически не снижает скорости этого процесса.
Растворимость СаСО3 при прочих равных условиях примерно в 100 раз ниже, чем Са(ОН)2. Образование пленки карбоната кальция на поверхности капилляров и пор бетонной массы должно снижать скорость коррозии первого вида. Снижение скорости коррозии растет с увеличением толщины карбонатного слоя. СаСО3 повышает также плотность бетона, так как заполняет поры бетонной массы. Т.о. процесс карбонизации тормозит коррозию бетона первого вида и повышает химическое сопротивление бетонной массы.
Однако процесс карбонизации способен оказывать и негативное воздействие, если речь идет о железобетоне, имеющим стальную арматуру. Уменьшается рН бетонной массы от 14 до 9 в результате связывания Са(ОН)2 в СаСО3. В результате увеличивается скорость коррозии стали. Продукты коррозии имеют значительно больший объем, что приводит к отслаиванию бетонной массы от арматуры, т.е. к разрушению железобетона.
1.5.2 Коррозии бетона второго вида
Отличие коррозии бетона второго вида - послойное стравливание бетонной массы из-за образования легкорастворимых продуктов коррозии.
К этому виду коррозии относится углекислотная коррозия, развивающаяся в бетоне под действием грунтовых вод, содержащих углекислоту. Источником обогащения природных вод СО2 являются различные биохимические процессы. Угольная кислота двухосновная и диссоциирует в две стадии. Равновесие частиц в растворе определяется концентрацией ионов Н+ . В кислой среде ионы 
32- отсутствуют полностью. В незначительном количестве они присутствуют в слабощелочной среде (рН 8,5) и только при 
анионы являются основной формой. В начальный момент времени контакта бетона с углекислой водой рН среды имеет минимальное значение, при котором возможно образование только гидрокарбонат ионов. Са(НСО3)2 сравнительно легко растворим, значит бетонная масса будет интенсивно разрушаться из-за перехода Са(НСО3)2 в раствор. Если среда неподвижна и притока свежей углекислоты нет, то при связывании углекислоты в гидрокарбонат кальция, рН среды будет увеличиваться и при достижении рН 8,5 делается возможным существование ионов
и образуется CaCO3. Карбонат кальция будет выделяться в твердую фазу на поверхности цементного камня в виде пленок. Когда вся свободная углекислота будет связана в виде карбоната кальция, через поры и неплотности этой пленки будет выделяться в раствор гидроксид кальция из бетонной массы.
Если поток грунтовых вод движется непрерывно и постоянно обеспечивает приток свежего раствора угольной кислоты к поверхности бетона, то процесс коррозии бетонной массы будет идти непрерывно, т.к. образование тормозящего процесса карбоната кальция не происходит, и конструкция в результате углекислотной коррозии может быть полностью разрушена.
Кроме растворенной в воде углекислоты разрушение бетона может быть вызвано действием и других кислот. Эти процессы также относятся к коррозии второго вида.
Бетон будет интенсивно разрушаться всеми минеральными кислотами по схемам (1.6).
и др. (1.6)
По такой же кислотной схеме (1.7) идет процесс коррозии и в растворах гидролизующихся солей, дающих в результате гидролиза соответствующую кислоту:
(1.7)
Другие компоненты цементного камня также подвергаются разрушению в кислых средах (1.8).
(1.8)
Могут вызывать коррозию бетона и органические кислоты, такие как уксусная, молочная, масляная и другие:
(1.9)
Даже растворы многоатомных спиртов, например, глицерина, могут приводить к развитию коррозии второго вида, однако процесс (1.10) идет очень медленно.
(1.10)
К процессу коррозии второго вида относится и разрушение бетонов в растворах щелочей. Действие щелочей зависит от их концентрации. Слабые растворы щелочей чаще всего не вызывают разрушение бетона. Разрушение в этом случае возможно только за счет накопления значительного количества карбоната кальция, образовавшегося при карбонизации бетона углекислотой воздуха. С ростом концентрации щелочи с одной стороны значительно снижается растворимость гидроксида кальция за счет присутствия одноименных гидроксид-ионов, с другой стороны резко возрастает растворимость других компонентов цементного камня — гидросиликатов и гидроалюминатов кальция согласно схемам (1.11)
(1.11)
Образующиеся по реакциям щелочноземельные силикаты и алюминаты легко удаляются потоком жидкости, как более растворимые. При оценке возможных разрушений в растворах щелочей следует учитывать наличие испаряющей поверхности в бетонной конструкции, т.е. поверхности, которая может нагреваться солнцем, в результате чего с этой поверхности может идти испарение воды из раствора щелочи. При наличии испаряющей поверхности даже слабые растворы щелочей могут вызывать значительные разрушения.
Как любой пористый материал, бетон будет пропитываться раствором щелочи. При испарении воды с наружной поверхности вследствие капиллярного подсоса будет происходить движения раствора щелочи в сторону испаряющей поверхности.
Скорость такого движения зависит от градиента температуры, пористости бетона, толщины стенки конструкции и свойств раствора. Даже если начальная концентрация щелочи была не большой, то раствор, поступающий по капиллярам к внешней поверхности, при испарении воды концентрируется и становится возможным протекание вышеприведенных реакций.
Кроме того, концентрированный раствор щелочи наружной поверхности испаряющей стенки будет взаимодействовать с углекислотой воздуха с образованием трудно растворимого карбоната кальция. Кристаллизация СаСО3 в порах может привести к возникновению значительных разрывающих усилий и растрескиванию бетона.
Различие в концентрации щелочи в поверхностном слое бетона и у его внутренней стенки приведет к развитию осмотических явлений, что вызовет дополнительные разрушения за счет осмотического давления, т.е. осмотической коррозии. В силу действия всех этих факторов даже слабые растворы щелочей при наличии испаряющей поверхности будут вызывать разрушение бетона.
1.5.3 Коррозия бетона третьего вида
Основным признаком процесса коррозии третьего вида является накопление в порах и капиллярах бетона кристаллов солей. Они образуются при химическом взаимодействии цементного камня с агрессивной средой и при постепенном пересыхании раствора при высыхании. Кристаллизация и накопление солей вызывает растрескивание бетонной массы.
Процесс коррозии третьего вида отличается от первых двух. При коррозии первого и второго видов разрушение цементного камня было связано с прямым растворением его составных частей, либо с растворением образовавшихся продуктов реакции. При коррозии третьего вида разрушение идет за счет обратного процесса — кристаллизации солей. На начальных стадиях развития этого процесса наблюдается даже некоторое улучшение характеристик бетона, что связано с повышением его плотности при заполнении пор солями.
Поскольку кристаллизация солей при коррозии третьего вида начинается в пустотах бетона, то для развития этого вида коррозии важна не только общая пористость массы, но и конфигурация и взаимное расположение пор. При изготовлении бетонной массы вода берется в избытке для получения удобоукладываемой смеси. Бетонная масса при укладке уплотняется, и избыток воды отжимается к наружным поверхностям конструкции, заполняя пустоты. Еще до затвердевания бетонной массы эта вода насыщается наиболее легкорастворимым гидроксидом кальция и под наружной поверхностью изделия образуются местные скопления насыщенного раствора Са(ОН)2. Именно в местах этих скоплений и начинается кристаллизация трудно растворимых солей при взаимодействии Са(ОН)2 с компонентами агрессивной среды.
Наиболее подвержены коррозии третьего вида конструкции, эксплуатирующиеся в сульфатных водах. Среди растворенных сульфатов могут быть сульфаты натрия, калия и магния. Гидроксид кальция в контакте с сульфатными водами образует трудно растворимый двухводный сульфат кальция — гипс. Поэтому этот тип коррозии получил название сульфатной или гипсовой.
Действие сульфатных вод на бетон является одним из наиболее опасных в коррозионном отношении случаев, так как при этом ускоряются все три вида коррозии:
- присутствие сульфатов способно повышать растворимость составных частей цементного камня за счет увеличения ионной силой раствора. В связи с этим ускоряется процесс коррозии I вида.
- в сульфатных водах возможно развитие обменных реакций, приводящих к замене катиона Са2+ на Na+ или К+ в Са(ОН)2 .Образуется гидроксид калия или натрия значительно более растворим, чем Са(ОН)2, то есть ускоряется процесс коррозии II вида.
- действие сульфатных вод приводит к образованию трудно растворимых солей, накапливающихся в капиллярах и порах бетона, то есть приводит к развитию коррозии III вида.
Кристаллизация солей в твердую фазу начинается из насыщенных растворов, т.е. при содержании CaSO4 
210 мг/л. Однако в раствор при контакте с бетоном будут переходить ионы Са2+ из гидроксида кальция. Присутствие в растворе других ионов может смещать константу равновесия системы и растворимость CaSO4 уменьшается, т.е. кристаллизация гипса начнется значительно раньше. Сама бетонная масса способствует протеканию коррозии третьего вида за счет возникновения эффекта «высаливания» гипса: Са(ОН)2 - CaSO4 - Н2О.
Одновременно с сульфатом кальция в сульфатных водах может идти образование комплексных солей кальция, например, сульфоалюминатов кальция. Они могут кристаллизоваться в двух модификациях: 
и 
. Разрушение бетона, вызываемое кристаллизацией этих солей, называют сульфоалюминатной коррозией. Наиболее опасна кристаллизация второй модификации соли, получивший название «эттрингит». Эта соль содержит много кристаллизационный воды и при ее образовании значительно увеличивается объем осадка, примерно в 4 — 5 раз. Объем твердой фазы возрастает еще больше из-за формы образующихся кристаллов. Эттрингит кристаллизуется в форме гексагональных призм, которые затем сращиваются вершинами, образуя сферолиты — кристаллы с развитой поверхностью, поэтому кристаллизация этой соли приводит к возникновению значительных напряжений в бетоне и его быстрому растрескиванию.
Однако, образование эттрингита (1.12) возможно только из высокоосновных гидроалюминатов кальция:
(1.12)
Высокоосновные гидроалюминаты кальция устойчивы только при определенной концентрации Са(ОН)2 в бетонной массе. При снижении содержания Са(ОН)2 они разлагаются, образуя двухкальциевый гидроалюминат, образование эттрингита из которого невозможно. Это и положено в основу всех методов защиты от сульфоалюминатный коррозии.
1.5.4 Биологическая коррозия бетона
Среди различных видов коррозии бетона следует отметить разрушение, вызываемые микробиологическим воздействием. Этот вид коррозии вызывается жизнедеятельностью микроорганизмов и называется биологической коррозией.
Интенсивность разрушения зависит от вида бактерий. Сильнее других разрушают цементный камень серобактерии, окисляющие серу до серной кислоты. Серная кислота интенсивно реагирует с цементным камнем в результате развития коррозии второго вида.
Значительное разрушение бетона могут вызывать также анаэробные азотнофиксирующие бактерии, выделяющие в результате своей жизнедеятельности масляную кислоту. Образующиеся соли — бутераты — легко растворимы и уносятся фильтрующейся водой, т.е. разрушение происходит также за счет протекания коррозии второго вида. Опасны также уролитические бактерии, выделяющие аммиак и углекислоту. Углекислота вызывает развитие углекислотной коррозии бетона. Аммиак, взаимодействуя с компонентами бетона, образует легкорастворимые комплексные соли, приводящие к быстрому разрушению бетонной массы.
Вызывают биологическую коррозию бетона микроорганизмы, источником питания которых служат разные неорганические вещества. Эта группа микроорганизмов получила название «литотрофы», что в переводе с греческого буквально означает «питающиеся камнями». Одни из них способны усваивать углерод из углекислоты воздуха. Другие могут усваивать азот из воздуха, не переводя его в растворимое состояние. Третьи способны извлекать фосфор из минералов, чего не могут делать другие живые организмы. Так как усваивание неорганических веществ бактериями связано с протеканием химических реакций в их биомассе, их еще называют «хемолитотрофами».
Хемолитотрофы — необычная форма существования живой материи. Они живут там, где жизнь в нашем понимании невозможна, например в горячих гейзерах, при температуре выше 3500С, при давлении до 1000 атм., на глубине более 2,5 км и т.п. Наибольшее разрушение бетона вызывают так называемые слизистые бациллы, способные усваивать кремний прямо из минералов. Они тоже относятся к группе хемолитотрофов.
Для борьбы с биокоррозией в бетонную массу вводят различные антисептики, подавляющие разложения бактерий. Иногда антисептиками обрабатывают грунт, где предполагается монтаж подземных бетонных конструкций. Оценка биологической активности грунтов и грунтовых вод обязательна при всех видах строительных работ.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 493; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!