Вяжущие вещества. Коррозия бетонов

УДК 541.2

Вяжущие вещества. Коррозия бетонов: методические указания по дисциплине «Химия» для бакалавров 1-го курса – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – 12 с.

Рассмотрены классификация вяжущих веществ, стадии твердения, а также протекающие процессы на примерах некоторых материалов. Кроме того, дана краткая характеристика видов коррозии бетонов и методы защиты от коррозии. В экспериментальной части дана методика выполнения лабораторной работы.

Предназначены для бакалавров 1-го курса, обучающихся по направлениям "Строительство", "Стандартизация и метрология", "Товароведение", "Технология художественной обработки материалов", "Техносферная безопасность", "Эксплуатация транспортно-технических машин и комплексов", "Технология транспортных процессов" всех профилей очной формы обучения.

Электронная версия находится в библиотеке, ауд. 224.

УДК 541.2

Составители: д-р хим.наук, проф. В.Т. Мальцев

канд. хим. наук, доц. Л.М. Астахова

Редактор Т.М. Климчук Доп. план 2011 г., поз. 105

Подписано в печать 13.07.11. Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ 309.

Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

© Ростовский государственный строительный университет, 2011

3

1.Вяжущие вещества

1.1.Классификация вяжущих веществ

Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов с течением времени затвердевает. Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой зерна песка и гравия, кирпич, блоки; кроме того можно получать искусственный камень заданной формы. Известна широкая гамма разнообразных вяжущих веществ, которые применяются в строительстве.

В зависимости от природы они подразделяются на две группы (табл 1). Таблица 1

Неорганические строительные вяжущие вещества - порошкообразные материалы - для перевода в рабочее состояние затворяют водой, реже водными растворами солей.

Органические вяжущие переводят в рабочее состояние, нагревая их или смешивая с органическим растворителем.

Важным показателем вяжущих является их отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические:

-воздушные вяжущие способны твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде;

-гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.

Вяжущие автоклавного твердения способны твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150-200 ºС и повышенном давлении (в автоклаве).

4

Вяжущие вещества различают по скорости твердения:

- быстротвердеющие имеют период полного твердения до 3 суток (строительный гипс, магнезиальный цемент);

- медленнотвердеющие – более 3 суток (воздушная известь, портландцемент и др.).

Итак, в процессе работы с вяжущими веществами различают стадии:

1)затворение – приведение вяжущего в рабочее состояние;

2)схватывание - вяжущее теряет свои пластично-вязкие свойства:

А) начало схватывания характеризуется потерей тестом пластичности:

Б) конец схватывания – момент, когда тесто превращается в твердое тело, но не имеет еще значимой прочности. У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания отсутствует; 3) полный набор прочности.

Рассмотрим, какие превращения имеют место в процессе твердения некоторых вяжущих веществ.

I.2. Воздушные вяжущие вещества

температуре 150-170°С. При этом происходит частичная дегидратация:

СаSO4 · 2H2O ↔ CaSO4 · 0,5 H2O + 1,5 H2O

Полученный полуводный гипс измельчается до порошкообразного состояния и при замешивании с водой подвергается гидратации при обычной температуре:

CaSO4 · 0,5 H2O + 1,5 H2O = CaSO4 ·2 H2O

Эта реакция протекает быстро и с выделением тепла, т.к. при обычных условиях двуводный гипс является более устойчивой формой, чем полуводный. Поэтому храниться гипс должен изолированно от внешних воздействий.

Процесс гидратации строительного гипса лежит в основе его твердения. Сложный физико-химический процесс твердения, согласно теории А.А.Байкова, слагается из трех стадий.

Первая стадия – стадия затворения (растворения и гидратации). На данной стадии происходит первоначальное взаимодействие порошкообразного вяжущего с водой с образованием насыщенного раствора полуводного гипса (растворимость которого 10 г/л). Полуводный гипс быстро гидратируется и переходит в двуводный, обладающий в 5 раз меньшей растворимостью (2 г/л). Вследствие этого CaSO4 · 2 H2O выделяется в виде мельчайших, постепенно растущих кристаллов в микродисперсном состоянии. Это состояние неустойчиво и непродолжительно, т.е. затворенная масса сохраняет пластичность на непродолжительный срок.

5

Вторая стадия – стадия схватывания, характеризуется прогрессирующей кристаллизацией двуводного гипса, выделением новых кристаллов, переплетающихся между собой. Жидкая фаза запустевает, ее подвижность уменьшается. Схватившаяся влажная масса не обладает еще заметной прочностью и при механическом воздействии вновь разжижается (тиксотропия).

Третья стадия – стадия твердения. На этой стадии наблюдается рост прочности массы. Влажная кристаллическая масса при хранении на воздухе высыхает. Эта стадия более длительная, чем стадия схватывания.

1.2.2. Воздушная известь

Воздушная известь получается путем обжига известняка, ракушечника и других природных материалов, содержащих карбонат кальция. Главной составной частью обожженного материала является безводная окись кальция

– СаО («негашеная известь»):

Перед употреблением извести в качестве вяжущего ее гасят. При этом протекает следующая реакция:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 15,5 ккал (64,8 кДж)

Свойством извести «гаситься» пользуются для превращения ее в дисперсное состояние. Известь является медленнотвердеющим вяжущим. В строительстве часто применяется в смеси с песком (1 часть извести на 3 части песка), которая называется известковым раствором.

Процесс твердения воздушной извести заключается в следующем: испаряющаяся с поверхности известкового теста влага способствует выделению Са(ОН)2 в кристаллическом состоянии как внутри, так и на поверхности теста. Находящийся на поверхности Са(ОН)2 поглощает из воздуха углекислый газ СО2, происходит очень медленное образование карбоната кальция СаСО3, называемое реакцией карбонизации, которая может протекать многие годы:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 +Н2О + 17 ккал (71,16 кДж).

СаСО3 – соединение, почти нерастворимое в воде. Из насыщенной жидкой фазы известкового теста, вследствие малой растворимости, выделяется Са(ОН)2 и СаСО3 сначала в коллоидном, затем в кристаллическом состоянии. За счет кристаллизации идет нарастание прочности известкового теста и превращение его в камневидное тело.

Таким образом, к получению твердого продукта приводят процессы гелеобразования, кристаллизации и карбонизации.

1.2.3. Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества получают при обжиге магнезита

(МgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3): MgCO3 → MgO + CO2

6

Получившийся обожженный магнезит называют каустическим магнезитом, или магнезиальным вяжущим. Затворяются магнезиальные вяжущие насыщенными растворами хлорида или сульфата магния:

MgO + MgCl2 + H2O = 2MgOHCl

Это упрощенная схема твердения магнезиальных вяжущих. Чаще состав затвердевающих продуктов представляют формулой

xMgO · yMgCl2 · H2O.

Магнезиальные вяжущие имеют сроки схватывания от 20 минут до 6 часов. Хорошо соединяясь с древесно-волокнистыми материалами,

позволяют готовить на их основе ксилолит (наполнитель – опилки) и фибролит (наполнитель – стружки). Ксилолит и фибролит – хорошие тепло-

извукоизоляционные материалы.

1.3.Гидравлические вяжущие вещества

1.3.1. Портландцемент

Наиболее важным гидравлическим вяжущим является портландцемент. Это медленнотвердеющее вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до спекания, т.е. примерно 1500 °С) мергелей или искусственных смесей, состоящих из 75-78% известняка СаСО3 и 22-25% каолина Аl2О3 · 2 SiO2 · 2H2O.

В процессе обжига можно выделить шесть зон мокрого способа получения цемента: 1 – испарения (100-200 °С), 2 – дегидратации (400-800 °С), 3 – декарбонизации (900-1200 °С ), 4 – экзотермических реакций (1200-1300°С), 5 – спекания (1450 °С), 6 – охлаждения.

Полученный материал, называемый цементным клинкером (табл. 2), подвергается тонкому помолу.

При помоле к клинкеру добавляют природный гипс в количестве от 3 до 5% с целью замедления сроков схватывания. Такой молотый тонкодисперсный продукт называется цементом.

7

При затворении цемента водой происходит взаимодействие его минералов с водой, сопровождающихся образованием новых соединений, которых не было в цементном клинкере. При этом протекают реакции гидролиза и гидратации:

1)2СаО · SiO2 + nH2O = 2CaO · SiO2 · nH2O;

2)3CaO · SiO + (n+1) H2O = Ca(OH)2 + 2CaO · SiO2 · nH2O;

3)3CaO · Al2O3 + 6H2O = 3CaO · Al2O3 · 6H2O;

4)4CaO · Al2O3 · Fe2O3 + (m+7)H2O = Ca(OH)2 + 3CaO + Al2O3 · 6H2O +

Fe2O3 · mH2О.

В этом и состоит химизм твердения портландцемента. Однако схватывание и твердение портландцемента обусловлены комплексом физикохимических процессов.

По теории А.А. Байкова, процесс превращения цементного порошка при затворении его водой в цементный камень протекает в 3 стадии.

Первая стадия – затворение. При этом образуется насыщенный раствор. Вторая стадия - стадия коллоидации. В результате взаимодействия с

водой образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие малой растворимостью. Поэтому они образуют коллоидный раствор.

Материал приобретает структуру геля, который еще не обладает механической прочностью, но способен сохранить форму.

Третья стадия – стадия кристаллизации. При этом наблюдается процесс перекристаллизации мелких частиц коллоидной системы в более крупные кристаллические частицы, которые, переплетаясь и срастаясь, образуют твердый материал, обладающий механической прочностью.

Наряду с кристаллизацией протекает уплотнение геля за счет связывания воды ранее непрореагированными частицами различных минералов цементного клинкера.

1.3.2. Глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее, гидравлическое вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до начала спекания, т.е. до 1600°С) смеси известняка (СаСО3) с бокситами (xAl2O3 · yH2O). Бокситы встречаются сравнительно редко и являются ценным сырьем для получения металлического алюминия. Поэтому глиноземистый цемент является более дорогим строительным материалом, чем портландцемент.

Главной составной частью этого цемента является однокальциевый алюминат СаО · Al2O3. При взаимодействии с водой образуется гидрат двухкальциевого алюмината:

2(СаО · Al2O3) + 10Н2О = 2СаО · Al2O3 · 7Н2О + 2Al(OH)3.

Двухкальциевый гидроалюминат 2СаО · Al2O3 · 7Н2О – главная составляющая часть затвердевшего глиноземистого цемента. Гидратация глиноземистого цемента сопровождается выделением значительного количества тепла. Это ценно для работ при низких температурах.

В затвердеваемом цементном камне не содержится свободного Са(ОН)3

8

и 3СаО · Al2O3 · 6Н2О и это делает его более стойким в отношении физической и сульфатной коррозии.

Схватывание глиноземистого цемента начинается через час после затворения и длится не более 12 часов. Твердение происходит в основном в течение 1-3 дней.

3. Коррозия бетона и меры борьбы с ней

Коррозией бетона называется понижение прочности, повреждение и разрушение бетона под влиянием окружающей среды.

Большой вклад в изучение коррозии бетона и мер борьбы с ней внесли русские ученые А.А.Байков, В.М.Москвин, С.Н.Алексеев, В.В,Тимашев и др. Различают коррозию бетона трех видов.

3.1.Виды коррозии бетона

3.1.1.Коррозия бетона первого вида

Этот вид коррозии сопровождается растворением составных частей цементного камня, в первую очередь гидроксида кальция под действием проточной воды. Хотя растворимость Ca(OH)2 в воде невелика (1,7 г/л при 15°С), но под действием проточной воды из цементного камня может вымыться большое количество Ca(OH)2. в связи с этим цементный камень становится пористым, теряет связанность и часть прочности. Если бетон плотный и не имеет пустот и трещин, то коррозия его может протекать только с поверхности; если же бетон пористый и вода проходит сквозь него под напором, то процесс протекает очень интенсивно. Наиболее сильное растворяющее действие на гидроксид кальция оказывает чистая дистиллированная вода (на заводах) и мягкая природная (дождевая) вода. Однако растворению Ca(OH)2 препятствует защитный верхний слой из карбоната кальция, образующегося на поверхности твердеющего бетона по реакции:

карбоната кальция в чистой воде приблизительно в 100 раз меньше, чем гидроксида кальция. Поэтому верхний слой из карбоната кальция, хотя и очень тонкий – несколько микрометров, защищает цементный камень от вымывания Ca(OH)2 из бетона. Поэтому при строительстве морских сооружений из бетонных блоков последние обязательно выдерживают 2-3 месяца на берегу перед опусканием их в водоем.

3.1.2. Коррозия бетона второго вида

Этот вид коррозии происходит в результате реакций обмена между кислотами или солями, растворенными в воде, и составными частями

9

цементного камня. В результате такого взаимодействия образуются вещества, которые легко растворяются в воде и вымываются ею из бетона. Это также способствует понижению прочности и коррозии бетона.

По вышеприведенной схеме протекает коррозия бетона при контакте его с природными водами, содержащими свободную углекислоту в количестве более 15-20 мг/л. Такая углекислота называется агрессивной по отношению к бетону, т.е. она разрушающе действует на бетон. Процесс коррозии бетона при действии агрессивной углекислоты начинается с растворения карбонатного слоя бетона:

растворимостью в воде и вымывается из бетона. Лишенный защитного карбонатного слоя бетон быстро разрушается.

Сточные воды могут содержать различные неорганические кислоты,

Образующийся хлорид кальция CaCl2 легко растворим в воде и ею вымывается из бетона. Аналогично разрушают бетон и аммонийные соли, входящие в состав многих удобрений. Например, нитрат аммония,

образует кислоту HNO3 . Азотная кислота, так же как и соляная, растворяет СаСО3 и, взаимодействуя с Ca(OН)2 бетона, вымывает его.

Особенно опасны для бетонов растворы солей магния, т.к. они реагируют не только с карбонатом и гидроксидом кальция, но и с основной составляющей затвердевшего цемента в бетоне – двухкальциевым гидросиликатом 2СаО · SiO2 · nH2O.

труднорастворим, но связанностью не обладает, поэтому тоже вымывается из бетона водой. Все эти процессы способствуют понижению прочности и разрушению бетона. Соли магния содержатся в морской воде, поэтому она особенно агрессивна по отношению к бетону.

3.1.3 Коррозия бетона третьего вида

Этот вид коррозии происходит при взаимодействии реагентов с компонентами затвердевающего бетона и сопровождается образованием

10

веществ, кристаллизирующихся в порывах бетона с увеличением объема по сравнению с исходными компонентами бетона. Вследствие этого в бетоне возникают расклинивающие напряжения и происходит его растрескивание. Таким образом на бетон действуют серная кислота, сульфаты, гипсовые

1)CaSO4 · 2Н2О – гипс при кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с исходным компонентом бетона (CaСO3) на 10%;

2)гипсовые воды,содержащие в растворе сульфат кальция, реагируют с трехкальциевым гидроалюминатом, входящим в состав бетона, по схеме:

кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с компонентом бетона 3СаО · Al2O3 · 6H2O в 2,5 раза. Коррозия бетона 3 вида происходит особенно быстро, если бетон находится под нагрузкой.

Разбавленные растворы щелочей не разрушают бетон, если они постоянно его омывают. Если же щелочные растворы попеременно контактируют с бетоном, то в этом случае происходит коррозия бетона третьего вида вследствие действия углекислоты воздуха на щелочь, остающуюся в порах влажного бетона. Например, при контакте цемента с

Образующаяся сода Na2CO3 · 10H2O также кристаллизируется с увеличением объема в порах высыхающего бетона.

4.Методы предотвращения

иснижения степени коррозии бетона

Предотвращение коррозии цементного камня обеспечивается различными способами: изменением минералогического состава клинкера, фторированием поверхности бетона, регулированием тонкости помола цемента, введением в его состав гидравлически активных материалов, автоклавной обработкой изделий из бетона и гидроизоляцией бетонных сооружений.

4.1. Влияние минералогического состава клинкера

Стойкость портландцемента в пресных водах можно повысить, уменьшив в нем содержание трехкальциевого силиката – минерала, твердеющего с выделением большого количества свободной извести. Обычно стандарт на сульфатостойкий цемент предусматривает следующие требования: 3СаО · Al2O3 не более 5%(мас.), сумма 3СаО · Al2O3 + 4СаОAl2O3 ·Fe2O3 – не более 22%, 3СаО · SiO2 – не более 50%.