5.2.7. Коррозия цементного камня под действием природных вод

Коррозия мягкими водами. Мягкими называют воды с жесткостью менее 4 мг-экв/л. В мягких водах соли кальция и магния присутствуют в незначительном количестве, поэтому мягкие воды способны растворять Са(ОН)₂, образующий кристаллический сросток цементного камня, что и приводит к его разрушению.

Коррозия водами, содержащими агрессивную углекислоту. При наличии в природных водах агрессивной углекислоты, способной реагировать с СаСО₃, гидрат окиси кальция также растворяется (выщелачивается) по реакциям:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О

и затем

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Образовавшийся бикарбонат кальция хорошо растворяется в воде, причем растворяющее действие воды тем больше, чем выше содержание в ней агрессивной углекислоты и чем меньше временная жесткость воды.

Коррозия водами, содержащими сульфаты. Часто природные воды содержат соли серной кислоты  сульфаты. Разрушение бетонов на портландцементе водами, содержащими сульфаты, вызывается следующими причинами.

1. Гидрат окиси кальция Са(ОН)₂ вступает с сульфатами в обменную реакцию:

Са(ОН)₂ + MgSO₄ + 2Н₂О = CaSO₄ 2Н₂О + Mg(OH)₂.

Образующийся гипс реагирует с гидроалюминатом кальция, находящимся в цементном камне, по уравнению

3(CaSO₄·2H₂0) + ЗСаО·А1₂О₃·6Н₂О + 19Н₂О = = 3CaO·AI₂O₃·3CaSO₄·31H₂O.

Образование нового соединения  гидросульфоалюмината кальция сопровождается значительным увеличением объема твердой фазы цементного камня, что приводит к возникновению в нем внутренних напряжений и в дальнейшем к разрушению бетона. При наличии в воде значительного количества хлоридов гидросульфоалюминат кальция не образуется, поэтому агрессивность воды определяется по содержанию в ней ионов SO^-2₄ с учетом количества ионов хлора.

2. При достаточно высокой концентрации сульфатов в агрессивных водах в порах бетона в результате обменных реакций образуется гипс CaSO4·2H2O. Разрушение цементного камня в этом случае вызывается кристаллизационным давлением растущих кристаллов двуводного гипса

Магнезиальная коррозия. Воды с содержанием катионов Mg²⁺ свыше 5000 мг/л агрессивны по отношению к бетонам на портландцементе. Соли магния, проникая в бетон, взаимодействуют с Са(ОН)₂ по реакции

MgCl₂ + Са(ОН)₂ = Mg(OH)₂ + СаС1₂.

При этом труднорастворимый гидрат окиси магния осаждается в порах бетона, а СаС1₂ вымывается, что приводит к разрушению цементного камня.

Коррозия водами, содержащими свободные кислоты. При наличии в воде свободных кислот растворение Са(ОН)₂ значительно ускоряется, так как, кроме физического растворения, при этом происходит и химическое взаимодействие:

Са(ОН)₂ + 2НС1 = СаС1₂ + 2Н₂О.

§ 5.3. Разновидности портландцемента

а) Быстротвердвющий портландцемент

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более интенсивным, чем обычный портландцемент, нарастанием прочности в начальный период твердения. Требования ГОСТ 10178-76 к маркам БТЦ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Требования ГОСТ 10178-76 к маркам БТЦ

Марка	Прочность, МПа, не менее
	при изгибе		при сжатии
	3 сут	28 сут	3 сут	28 сут
400 500	4,0 4,5	5,5 6,0	25 28	40 50

В составе клинкера быстротвердеющего портландцемента преобладают активные минералы: трехкальциевый силикат C₃S = 50-55 % и трехкальциевый алюминат С₃А = 5-10 %.

Основным условием получения этого цемента является хорошо организованный контроль на всех стадиях технологического процесса, обеспечивающий:

● высокую тонкость помола сырьевых материалов и однородность сырьевой смеси;

● сильный и равномерный обжиг, при котором обеспечивается полное протекание реакций клинкерообразования и отсутствие в клинкере свободной СаО;

● быстрое охлаждение клинкера от температуры не ниже 1200 °С.

Тонкость помола этих цементов характеризуется более высокой удельной поверхностью (3500-5000 см²/г) наряду с оптимальным зерновым составом цементного порошка.

б) Пластифицированный портландцемент

Такой цемент содержит пластифицирующую добавку – сульфитно-спиртовую барду или другие вещества, которые вводят при помоле клинкера в количестве 0,15-0,25 % от массы цемента. Пластифицирующее влияние добавок на повышение пластичности цементного теста объясняется тем, что сульфолигниновые соединения образуют на поверхности твердых частиц коллоидальные адсорбционные пленки гидрофильного характера, ослабляющие силы молекулярного взаимодействия между частицами твердой фазы цементно-водной суспензии.

При сохранении заданной подвижности бетонной смеси применение пластифицированного портландцемента позволяет или снизить расход цемента, или уменьшить водоцементное отношение и тем самым несколько повысить прочность, водонепроницаемость и морозостойкость бетонов.

в) Портландцементы сульфатостойкий и с умеренной экзотермией

Для бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии при одновременном систематическом попеременном увлажнении и высыхании или замораживании и оттаивании бетона, рекомендуется применять сульфатостойкий портландцемент.

Сульфатостойкий цемент изготовляется из клинкера нормированного химико-минералогического состава и характеризуется повышенной сульфатостойкостью и пониженным тепловыделением в процессе схватывания и твердения. В сульфатостойком портландцементе ограничивается содержание трехкальциевого силиката C₃S до 50 % и трехкальциевого алюмината С₃А до 5 % при сумме минералов-плавней С₃А + C₄AF не более 22 %.

В портландцементе с умеренной экзотермией ограничивается содержание трехкальциевого силиката C₃S до 50 % и трехкальциевого алюмината С₃А до 8 %, что и предопределяет относительно невысокое тепловыделение в процессе схватывания и твердения.

г) Белый и цветные портландцементы

Белый портландцемент  гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения белого маложелезистого клинкера, активной минеральной добавки (белого диатомита не более 6 %) и необходимого количества гипса.

Цветные портландцементы получают совместным помолом белого клинкера со свето- и щелочестойкими пигментами: суриком (кремовые и красные оттенки), ульт-рамарином и др.

Белый и цветные портландцементы применяют при архитектурно-отделочных работах, для получения фактурного слоя стеновых панелей, а также искусственного мрамора и облицовочных плиток.

д) Пуццолановый портландцемент

Определение: пуццолановый портландцемент  гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки в количестве более 20 или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. В клинкере ограничивается содержание С₃А не более 8 %.

Определение: активными минеральными добавками называются природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с известью-пушонкой и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Это объясняется тем, что Са(ОН)₂ вступает с активным кремнеземом добавки SiO₂ в химическое взаимодействие, образуя малорастворимый в воде гидросиликат кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ + пН₂О = CaO·SiO₂ (п + 1)Н₂О.

Активные минеральные добавки подразделяются на естественные и искусственные. К числу наиболее широко применяемых активных минеральных добавок естественного происхождения относятся трепел, диатомит, трасс, вулканический туф, пемза.

К искусственным активным добавкам относятся обожженные глинистые материалы (глиниты и цемянка), золы и др.

Активность минеральных добавок характеризуется количеством поглощенной из раствора СаО, мг, на 1 г добавки.

Повышенная водостойкость и водонепроницаемость бетона на пуццолановом портландцементе в сочетании с умеренным тепловыделением при твердении предопределяют наиболее целесообразное его применение в гидротехническом строительстве (плотины, доки шлюзы и т.д.), при строительстве тоннелей и других подземных сооружении, при кладке фундаментов, при строительстве канализационных и водопроводных сооружений. Бетон на пуццолановом портландцементе недостаточно морозостоек, поэтому его не следует применять в частях гиротехнических сооружений, расположенных в зоне переменного горизонта воды.

е) Шлакопортландцемент

Определение: шакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, гранулированных доменных шлаков и необходимого количества гипса или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Количество доменного гранулированного шлака должно быть не менее 30 и не более 60 % массы цемента.

Доменные шлаки, получаемые при выплавке чугунов, являются продуктом затвердевания расплава, образующегося при сплавлении пустой породы железных руд с флюсами и золой топлива. Для получения шлакопортландцемента применяют гранулированные доменные шлаки т.е. быстроохлажденные, в состав которых наряду с кристаллическими минералами входит значительное количество шлакового стекла. Химический состав гранулированных шлаков зависит от вида выплавляемого чугуна, состава железных руд, флюсов и топлива и характеризуется содержанием следующих окислов (%): СаО = 30-55, А1₂О₃ = 8-24, MgO = 1-18, SiO₂ = 28-38, MnO = 1-3 и CaS = 2-7.

Активность, а, следовательно, и марка шлакопортландцемента, тем выше, чем больше гидравлическая активность шлаков, чем выше качество портландцементного клинкера (при всех прочих равных условиях наивысшая активность шлакопортландцемента соответствует клинкеру, содержащему 55-65 % C₃S и 8-12 % С₃А), чем выше тонкость помола и чем меньше в цементе шлака.

Шлакопортландцементы по сравнению с обычными портландцементами в процессе гидратации выделяют меньше тепла, и цементный камень (бетон) характеризуется большей водо- и сульфатостойкостью, но, как правило, меньшей морозостойкостью, так как в процессе гидратации шлакопортландцементов химически связывается меньшее количество воды.

Литература

Шейкин А.Е. Строительные материалы. Учебник для вызов. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1978, с. 61-105.

10