книги / Строительные материалы

защитные покрытия. Меры, предотвращающие или су­ щественно ослабляющие коррозию бетона, увеличивают долговечность бетонных и железобетоных конструкции.

3. Долговечность цементного камня

На рис. 5.22 можно видеть многообразие физических и химических воздействий на материал строительных конструкций.

Разрушение бетона обычно начинается с разрушения цементного камня, стойкость которого ниже стойкости плотных каменных заполнителей. Оно может происходить под влиянием физических явлений (насыщения водой, попеременного замораживания и оттаивания, увлажне­ ния и высыхания и т. п.), а также при химическом взаи­ модействии цементного камня с агрессивными вещества­ ми, содержащимися в воде или в воздухе, поэтому при выборе цемента учитывают требуемую морозостойкость, воздухостойкость и химическую стойкость цементного камня.

Многократное замораживание и оттаивание влажного недостаточно морозостойкого бетона сначала вызывает характерное «шелушение», затем разрушается защит­ ный слой бетона, вслед за этим начинается коррозия стальной арматуры (рис. 5.23).

Морозостойкость цементного камня определяется не общей, а капиллярной его пористостью, поскольку вода, содержащаяся в порах цементного геля, не переходит в лед даже при сильных морозах. Кривая, изображающая зависимость показателя морозостойкости (М — циклы замораживания и оттаивания) от капиллярной пористос­ ти (рис. 5.24), характеризует возможность значительного повышения морозостойкости путем уменьшения объема капиллярных пор.

Капиллярная пористость цементного камня опреде­ ляется водоцментным отношением и степенью гидрата­ ции цемента [см. формулу (5.6)], поэтому значение В/Ц в морозостойких бетонах принимают не более 0,4—0,55 (в зависимости от условий эксплуатации железобетон­ ных конструкций), а наибольшей полноты гидратации цемента добиваются созданием оптимальных условии формирования структуры цементного камня.

При высоких требованиях к морозостойкости ограни­ чивают содержание трехкальциевого алюмината в клин-

ные части цементного камня, главным образом на Са(ОН)2 и ЗСаО• А120 3• 6Н20 .

Встречающиеся в практике коррозии можно разделить на три вида: коррозия первого вида начинается обычно с растворения свободного гидроксида кальция, выделяе­ мого цементом при гидратации; коррозия второго вида вызвана образованием легкорастворимых солей при дей­ ствии кислот, кислых газов и других агрессивных веществ на гидроксид цементного камня (кислотная, маг­ незиальная коррозия); коррозия третьего вида обуслов­ лена образованием в порах цементного камня соедине­ ний, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений и растрескивание (сульфоалюминатная и щелочная коррозия). В практике редко встречается кор­ розия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать коррозию, например, первого и второго вида. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид кор­ розии и с учетом сопутствующих ему вторичных корро­ зионных воздействий запроектировать мероприятия по защите конструкций от коррозии.

Коррозия первого вида. Выщелачивание Са(ОН) 2 происходит интенсивно при действии на цементный ка­ мень мягких вод, содержащих мало растворенных ве­ ществ. К ним относятся вода оборотного водоснабжения, конденсат, дождевая вода, вода горных рек, а также равнинных рек в половодье, болотная вода. Содержание гидроксида кальция в цементном камне через 3 мес твер­ дения составляет 10—15% (в пересчете на СаО). После его вымывания и в результате уменьшения концентрации СаО (менее 1,1 г/л) начинается разложение гидросили­ катов и гидроалюминатов кальция. Выщелачивание Са(ОН)2 в количестве 15—30% общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40—50 % и более. Выщелачивание можно заметить по появлению белых пятен (подтеков) на поверхности бе­ тона.

Для ослабления коррозии выщелачивания ограничи­ вают содержание трехкальциевого силиката в клинкере до 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием Са (ОН) 2является введение в цемент активных минераль­ ных добавок и применение плотного бетона. Активные минеральные добавки (диатомит, трепел и др.), содер­

жащие аморфный кремнезем, химически связывают Са(ОН)2 в нерастворимый гидросиликат кальция:

Са(ОН)2+ Si02 + mH20 = CaO •Si02лН20 .

аморфн

Процесс выщелачивания замедляется, когда в поверх­ ностном слое бетона образуется малорастворимый СаСОз вследствие естественной карбонизации Са(ОН)2 при взаимодействии с С02 воздуха. Выдерживание на возду­ хе бетонных блоков и свай, применяемых для сооруже­ ния оснований, а также портовых и других гидротехни­ ческих сооружений, повышает их стойкость.

Коррозия второго вида может происходить в различ­ ных формах.

Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный диок­ сид углерода, который разрушает СаС03 на поверхности вследствие образования хорошо растворимого бикарбо­ ната кальция по реакции:

СаСОз + ( С 0 2)Своб + Н 20 = Са ( Н С 0 3)2.

Общекислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющих значение водородно­ го показателя pH<7 (рис. 5.25), исключение составляют поликремневая и кремнефтористоводородная кислоты. Свободные кислоты встречаются в сточных водах про­ мышленных предприятий; они могут проникать в почву и разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооружения. Кислота образуется также из сернистого газа. В выбросах промышленных предприя­ тий, кроме S02, могут содержаться другие кислые газы, а также хлор и хлористый водород. Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, при этом образуются растворимые соли (например, СаС12) и соли, увеличивающиеся в объеме (CaS04-2H20 ) :

Са (ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н20;

Са (ОН)2 + H2S04 = CaS04-2H20.

Кроме того, кислоты могут разрушать и силикаты кальция. Бетон на портландцементе защищают от непо­ средственного действия кислот с помощью слоев из кис­ лотоупорного цемента.

Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидроксид кальция магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и

1,2. Разрушение цементного камня вследствие реакции обмена протекает по следующим формулам:

Са (ОН)2+ MgCI2 = СаС12+ Mg (ОН)2;

Са (ОН)2+ MgS04+ 2Н20 = CaS04* 2Н20 + Mg (ОН)2.

В результате этих реакций образуется растворимая соль (хлорид кальция или двуводный сульфат кальция), вымываемая из бетона. Гидроксид магния представляет собой бессвязную, не растворимую в воде массу, поэтому реакция идет до полного израсходования гидроксида кальция.

Органические кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. В по­ мещениях животноводческих комплексов (коровниках, свинарниках и т. п.), как правило, бывает влажная ат­ мосфера и специфические коррозионные воздействия (рис. 5.26). Жирные насыщенные и ненасыщенные кис­ лоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.)

разрушают цементный камень, так как при взаимодей­ ствии с гидроксидом кальция они омыляются. Кроме то­ го, вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтя­ ные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла)

не представляют опасности для бетона, если они не со­ держат нафтеновых кислот или соединений серы. Одна­ ко надо учитывать, что нефтепродукты легко проника­ ют через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.

Коррозия под действием минеральных удобрений. Особенно вредны для бетона аммиачные удобрения — аммиачная селитра и сульфат аммония. Аммиачная се­ литра, состоящая в основном из нитрата аммония N H 4N O 3, подвергается гидролизу и поэтому в воде дает кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидрок­ сид кальция

Са (ОН)2+ 2NH4N03 + 2Н20 = Са (N03)2- 4Н20 + 2N03.

Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и вымывается из бетона. Хлорид кальция КС1 по­ вышает растворимость Са(ОН) 2 и ускоряет коррозию. Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, со­ стоящий в основном из монокальцневого фосфата

Са(Н2Р0 4)2 и гипса, кроме того содержащий еще и не­ которое количество свободной фосфорной кислоты.

Коррозия третьего вида возникает при действии на бетон растворов сульфатов и едких щелочей. Сульфо- алюминатпая коррозия возникает при действии на гид­ роалюминат цементного камня морской воды, грунто­ вых и других минерализованных вод, содержащих суль­ фатные ионы:

ЗСаО А120 3*6Н20 + 3CaS04 + 25Н20 = ЗС аО A20 3-3CaS04-31H20 .

Образование в порах цементного камня малораство­ римого трехсульфатного гидросульфоалюмината каль­ ция (эттрингита) сопровождается увеличением объема этого камня примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескива­ нию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходят коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции. Вместе с тем, могут оказаться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, а также грунтовые воды.

Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реагирует гидроксид кальция:

Са (ОН)2 + NaS04 Z CaS04 + 2NaOH.

В последующем идет образование гидросульфоалю­ мината кальция вследствие взаимодействия получающе­ гося сульфата кальция и гидроалюмината.

Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией ис­ пользуются специальные сульфатостойкие портландцементы, применяемые в плотном бетоне.

Щелочная коррозия может происходить в двух фор­ мах: под действием концентрированных растворов ще­ лочей на цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в клинкере цемента.

При действии растворов щелочей (NaOH, КОН) де­ структивные процессы происходят вследствие карбониза­ ции щелочи в порах цементного камня за счет С02 воз^ духа. Вблизи испаряющейся поверхности (например, поверхности бетонного пола) в порах накапливаются кристаллы Na2C03ЮН20 и К2С03- 1,5Н20. Возникающее внутреннее кристаллизационное давление вызывает ослаб­ ление структуры и понижение прочности цементного кам­ ня. Сильнее разрушается от действия щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция вследствие образования растворимых алюминатов натрия и калия.

Щелочная коррозия встречается на предприятиях основ­ ной химии.

Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происхо­ дит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинке­ ра всегда содержится разное количество щелочных сое­ динений. В составе заполнителей для бетона, в особен­ ности в песке, встречаются реакционно способные моди­ фикации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они вступают при обычной температуре в разру­ шительные для бетона реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые от­ ложения белого цвета на поверхности зерна реакционноспособного заполнителя, появляется сеть трещин, по­ верхность бетона местами вспучивается и шелушится. Разрушение бетона может происходит через 10—15 лет после окончания строительства.

При наличии в заполнителе реакционноспособного кремнезема применяют портландцемент с содержанием щелочей не более 0,6% (в пересчете на Na20 + K20) и вводят в цемент активные минеральные добавки (диа­ томит, трепел и др.), химически связывающие щелочи.

§ 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

1. Характеристики состава портландцемента

Химический состав клинкера характеризуется содер­ жанием оксидов, %• СаОбЗ—66; Si02 21—24; А120 34—8; Fe20 3 2—4; MgO 0,5—5; S03 0,3—1; Na20 + K20 0,4—1; ТЮ2-}-Сг20 3 0,2—0,5; P20 5 0,1—0,3. Содержание оксида магния MgO в клинкере не должно превышать 5%. Используя данные химического анализа, вычисляют по формулам расчетный минеральный состав клинкера.

Минеральный состав клинкера выражает содержание в клинкере (% по массе) главных минералов. Применя­ ют расчетный и прямые экспериментальные методы оп­ ределения минерального состава. Прямые эксперимен­ тальные методы определения минерального состава клин­ кера включают: оптическую и электрическую микроско­ пию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондирование (лазерный и ионный микрозонды) и до.

Вещественный состав цемента характеризует содер-