МОСКОВСЬКИЙ державний технічний університет (МГСУ)
Реферат з дисципліни:
«Матеріалознавство. Технологія конструкційних матеріалів »
на тему:
«Корозія цементного каменю і способи захисту»
Виконала: Костомарова І.А.
III курс, Вів (заочний)
м. Москва, 2009 р.
Введення
В даний час цемент є одним з найважливіших будівельних матеріалів. Його застосовують для виготовлення бетонів, бетонних і залізобетонних виробів, будівельних розчинів, азбестоцементних виробів. Виготовляють його на крупних механізованих і автоматизованих заводах. Цемент почали проводити в минулому столітті. На початку 20-х років XIX ст. Є. Делієв отримав обпалювальне терпке з суміші винищити з глиною і опублікував результати своєї роботи в книзі, виданій в Москві в 1825 р. У 1856 р. був пущений перший в Росії завод портландцемента. Портландцемент є мінеральною в'язкою речовиною, що становить основу більшої частини номенклатури сухих будівельних сумішей в якості самостійного в'яжучого, в змішаних цементних в'яжучих системах, у складі цементно-вапняних в'яжучих, а також різних полімерцементних композицій. Цінні та унікальні властивості портландцементу визначаються його здатністю при заутворі водою утворювати пластичне тісто, з часом, мимоволі, за рахунок хімічної взаємодії в системі, що перетворюється на камінь. Здатність до самоотвердеванію, освіта міцного і довговічного каменю, екологічна чистота, низька хімічна небезпека, Пожежовибухобезпека в поєднанні з низькою вартістю є передумовами для широкого практичного застосування портландцементу.
Бетони і цементний камінь, як його матрична частина, в експлуатаційних умовах схильні корозійного впливу різних середовищ, особливо мінералізованої води в морських спорудах (моли, причали, естакади з пальових підставою і залізобетонним верхнім будовою, портові конструкції тощо), мінеральної кислоти при експлуатації резервуарів, башт і інших споруд хімічної промисловості. На бетон надають корозійний вплив органічні кислоти і біосфера, особливо при роботі споруд у торф'яних грунтах, на підприємствах харчової промисловості. Негативний вплив можуть чинити на склад і структуру цементного каменю в бетонах лужне середовище, прісна вода, особливо водні розчини електролітів. В індустріальних районах корозійне вплив на бетонні конструкції надають гази, наприклад сірчисті, сірководень, хлористий водень, аерозолі солей, наприклад морської води та ін Агресивна вплив роблять також тверді, в основному високодисперсні речовини, здатні утворювати у вологих умовах прошарку з істинних і колоїдних розчинів . Крім хімічних реакцій при контакті із середовищем можливі фізичні сорбційні процеси з поглинанням з середовища поверхнево-активних речовин (ПАР), наприклад сірковмісних полярних смол з нафтопродуктів, з фізичним порушенням суцільності контактів у структурі та прискоренням розвитку дефектів.
Корозія цементного каменю. Види корозії
Розрізняють фізичну, хімічну, електрохімічну та біологічну корозії.
Фізична корозія
Це вивітрювання, розчинення, руйнування внаслідок температурних коливань характерних для всіх видів гірських порід.
Корозії розчинення носить фізико-хімічний характер (див. нижче корозії вилуговування).
Хімічна корозія
Агресивними по відношенню до цементного каменю є всі кислоти і багато солі.
Цей вид корозії має місце найчастіше, а руйнування відбувається найбільш інтенсивно. Самим уразливим речовиною в цементному камені є вапно. Проте пов'язання вапна (скажімо за рахунок SiO 2) ще не виключає корозії, оскільки вона може відновлюватися за рахунок відступу від гідратів кальцію.
Кислоти і деякі солі вступають в реакцію з Са (ОН) 2 та утворять нові з'єднання, або легко розчинні у воді, або неміцні пухкі, або кристалізуються із значним
Зміною обсягу. Іноді це все відбувається одночасно.
Усі кислоти руйнують портландцементний камінь
Са (ОН) 2 + НСl = CaCl + 2 H 2 O
Са (ОН) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2H 2 O
Хлористий кальцій легко розчинний, а CaSO 4 може вступати у вза-імодействіе з гідроаллюмінатамі кальцію і утворювати гідросульфоаллюмінат кальцію. Останній кристалізується зі збільшенням обсягу.
Гіпс також кристалізується зі збільшенням обсягу.
Хоча в пластових водах немає безпосередньо соляної та сірчаної кислот, (але їх освіту можна припустити), зате є достатня кількість солей агресивних по відношенню до цементного каменю. До таких солей відносяться сульфати (MgSO 4, CaSO 4), хлориди (MgCl 2, CaCl 2).
Агресивний сірководень і вуглекислий газ, які можуть міститися як у пластових водах, так і в видобута нафта і газ.
Розглянемо основні види хімічної корозії та застосування у зв'язку з ними цементів.
Корозія вилуговування
Кристалогідрати (гідросилікати, алюмінати і ферити кальцію), які утворюються при взаємодії з водою клінкерних мінералів і складові разом з наповнювачами цементний камінь, мають значну рівноважну розчинність у воді. Це означає, що вони залишаються стійкими при контакті з водами, тільки в тому випадку, якщо у воді є достатня концентрація Са (ОН) 2. Якщо концентрація у воді Са (ОН) 2 нижче рівноважної, то у гідрату будуть отщепляться молекули вапна і концентрація буде відновлюватися до рівноважної.
Гідросилікати і гідроалюмінат кальцію мають тим більшу рівноважну розчинність, чим вище їх основність. Отже відщеплення гідратів спочатку відбувається від високоосновних гідратів, їх основність при цьому знижується, а стійкість в даному середовищі підвищується.
Якщо концентрація гідрату окису кальцію в подальшому не буде знижуватися, то процес на цьому зупиниться. Якщо ж концентрація вапна буде продовжувати знижуватися і стане нижче рівноважної для новопосталої гідрату, то відщеплення гідрату окису кальцію буде тривати аж до повного розкладання гідросилікатів і гидроалюмінатом, з утворенням аморфних кремнезему та глинозему. Хоча останні і погано розчиняються у воді, проте вони не володіють терпкими властивостями - міцність і монолітність каменю порушуються.
Ці процеси можуть спостерігатися, якщо цементний камінь омивається безперервно оновлюється водою або розчинами солей, що мають малу концентрацію Са (ОН) 2, або якщо Са (ОН) 2 зв'язуються містяться в розчині речовинами в міцні малорозчинні або малодіссоціірующіе хімічні сполуки (кальцію).
Чим вище концентрація вапна в порах цементного каменю, тим вище швидкість вилуговування. Низькоосновних гідрати кальцію мають меншу рівноважну розчинність. Вапно зв'язується, а основність знижується в тих випадках, коли в цемент вводяться активні кремнеземисті добавки, а при високих температурах і кварцовий пісок.
Таким чином, більш стійкими проти корозії вилуговування є низькоосновних цементи (пуццоланові, шлакопесчаністие, БКЗ, ізвестковокремнеземістие).
Більш агресивними в сенсі вилуговування є «м'які» води. Розчинність вапна зростає у присутності хлористого натрію. Значить мінералізовані пластові води в принципі всі агресивні до цементного каменю. Розчинність Са (ОН) 2 підвищується зі зростанням температури. Значить перераховані умови вимагають застосування низькоосновних цементів.
Швидкість вилуговування в значній мірі залежить від коефіцієнта дифузії. Цьому сприятиме зменшення відносного вмісту рідини завторенія, добавки високомолекулярних реагентів (ГІПАН, К-4, КМЦ та ін).
Полегшені цементи менш стійкі до видужування, за винятком тих у яких як полегшує компонента використана будь-яка активна кремнеземиста добавка.
Магнезіальних корозія
Якщо в навколишньому цементний камінь середовищі містяться речовини, які утворюють з Са (ОН) 2 малорозчинні сполуки, то концентрація вапна в ній буде підтримуватися на дуже низькому рівні.
Наприклад, якщо в пластових водах є MgSO 4, то він вступаючи у взаємодію з Са (ОН) 2 за реакцією:
Са (ОН) 2 + MgSO 4 + 2Н 2 О = Mg (ОН) 2 + Са SO 4 × 2Н 2 О
Mg (ОН) 2 і гіпс мають дуже низьку розчинність у воді. Mg (ОН) 2 сам по собі представляє пухке аморфна речовина. Якщо такий процес буде продовжуватися - цементний камінь зруйнується. Це магнезіальних корозія. Подібна дія але більш слабке, робить і хлористий магній.
Однак, частіше за все, процес загасає в міру накопичення Mg (ОН) 2 і Са SO 4 × 2Н 2 О в порах цементного каменю кольматацію. Причому накопичення цих речовин відбувається тим швидше, а ущільнення пір вище, чим вище основність цементу. Кольматацію пір призводить до уповільнення проникнення агрессівноного MgSO 4.
Отже, стійкість в'яжучого до цього виду корозії знижується при введенні активних мінеральних добавок. Звідси в таких средахнельзя застосовувати полегшені цементні розчини з мінеральними добавками типу діатоміт, опока, тремел, пемза).
Шлакові цементи за магнезіальній стійкості мало поступаються портландцементу. Справа в тому, що при магнезіальній розкладанні шлакових гідросилікатів утворюється значна кількість кремнекислоти, що відрізняється завдяки особливій структурі підвищеною щільністю. Вона надає істотне кольматуючі дію. Однак і в цьому випадку доцільно підвищувати основність шлаку. Додавати глину і активні мінеральні речовини до шлаку в цьому випадку неприпустимо.
Хлористий магній менш агресивний ніж сірчанокислий, так як при обміні [Са (ОН) 2 + MgCl 2 = CaCl 2 + Mg (OH) 2] утворюється добре розчинна речовина CaCl 2 завдяки якому зберігається рівноважна концентрація іонів Са + +.
Углекислотная корозія
У пластових водах як правило присутня або інша кількість вуглекислого газу. Він діє руйнівно, оскільки знижує вміст Са (ОН) 2 окислюючи її спочатку до СаСО 3, яка мало розчинна, що буде викликати зниження основності гідратів цементу. При надходженні нових порцій СО 2, СаСО 3 окислюється до бікарбонату [Са (НСО 3) 2], який добре розчинний. При незначній концентрації Са 2 у водах процес може згаснути. Однак якщо кислота міститься в пластовому газі, то внаслідок великої проникною здібності, дифузії і осмосу можливо швидке руйнування каменю. Якщо процес обмежується до СаСО 3, то низькоосновних, якщо до Са (НСО 3) 2 - т про високоосновні (див. нижче).
Сульфатна корозія
Це вид корозії, який пов'язаний з утворенням сполук кристалізуються із збільшенням обсягу. Прикладом такої корозії є взаємодія з сульфатами кальцію і натрію. Відомо, що гідроалюмінат кальцію можуть приєднувати гіпс і утворювати гидросульфоалюмінат. Останній кристалізується зі збільшенням обсягу, що викликає внутрішні напруги і руйнування цементного каменю.
(3 CaO × Al 2 O 3 × 12H 2 O + 3 (CaSO 4 × 2H 2 O) + 13H 2 O =
= 3CaO × Al 2 O 3 × 3CaSO 4 × 31H 2 O
Однак не завжди наявність гідросульфоалюміната кальцію в цементному камені говорить і сульфатної корозії. Ця речовина є в первинній структурі цементного каменю. Тільки збільшення кількості гідросульфатоалюміната говорить про відбувається сульфоалюмінатной корозії.
Одним з методів боротьби з сульфатної корозією є зниження вмісту трьохкальцієвого алюмінату (не більше 5%). При цьому зміст плавнів компенсується за рахунок збільшення вмісту окису заліза.
Наявність у пластових водах хлоридів зменшує негативний вплив сульфатів.
Сірководнева корозія
Це один із поширених на нафтових і газових родовищах видів корозії. При сірководневої корозії спостерігається утворення малорозчинних сульфідів кальцію, алюмінію і заліза. Це призводить до зниження рівноважної концентрації Са (ОН) 2, Al (OH) 3, Fe (OH) 3, що в свою чергу викликає руйнування гідратів кальцію.
Найбільш енергійно утворюється сульфід заліза, тому для підвищення стійкості проти сірководневої корозії слід обмежувати в цементах зміст окислів заліза, марганцю та інших важких металів. По відношенню до цементного каменю нешкідливі силікати, карбонати, луги та їх солі. Однак сильні луги діють на аллюмінати.
Нафта і нафтопродукти не небезпечні, але якщо в них є нафтенові кислоти і сульфати, то вони також руйнують цементний камінь.
Біологічна корозія
Цей вид корозії вивчений мало. Проте, мабуть зводиться в кінцевому підсумку до якого або хімічним увазі.
Так є багато бактерій, які виділяють вуглекислоту, що спричинить вуглекислотну корозію. Деякі бактерії можуть окисляти сульфати спочатку до сірководню, а потім до сірчаної кислоти. Звідси і характер руйнування каменя.
Електрохімічна і електроосмотичного корозії
Джерело - блукаючі струми (промислові мережі). Система обсадна колона, цементний камінь - земля є провідниками. У цій системі завжди можливе перенесення іонів, звідси можливі й електрохімічна і електроосмотичного корозії. Слід зазначити, що цементні камені, бетони (фундаменти) мають як правило певним електричним потенціалом по відношенню до землі.
Руйнування цементного каменю може відбуватися під впливом фізичних факторів (насичення водою, поперемінне заморожування і відтавання, зволоження і висихання і т. п.), а також при хімічній взаємодії компонентів каменю з агресивними речовинами, що містяться в навколишньому середовищі.
Морозостійкість цементного каменя залежить від мінерального складу клінкера, тонкості помелу цементу і водопотребности, необхідної для отримання укладається суміші. Серед мінералів клінкеру найменш морозостійким є СЗА, максимально допустимий вміст якого в цементах для морозостійких бетонів повинно складати не більше 5 ... 8%. Тонкість помолу може бути в межах від 3000 до 4000 см2 / г, при цьому важливе значення має наявність в цементі поряд з тонкими фракціями щодо великих зерен, які забезпечують «клінкерна фонд» для самозаліковування дефектів, що виникають при поперемінних впливах середовища. Збільшення водопотребности цементу знижує морозостійкість цементного каменю, тому що при цьому підвищується його капілярна пористість (вода в порах гелю не переходить у лід навіть при сильних морозах). Тому в морозостійких бетонах значення В / Ц беруть не більше 0,4 ... 0,55.
Корозія першого виду - руйнування цементного каменю в результаті розчинення і вимивання деяких його складових частин (корозія вилуговування). При дії води на цементний камінь спочатку розчиняється і несеться водою вільний гідроксид кальцію, що утворився при гідролізі C3S і C2S, вміст якого в цементному камені через 1 ... 3 міс тверднення досягає 10 ... 15%, а розчинність при звичайних температурах-1 , 3 г / л. Після вимивання вільного гідроксиду кальцію і зниження його концентрації нижче 1,1 г / л починається розкладання гідросилікатів, а потім гідроалюмінатами і гідроферритами кальцію. У результаті вилуговування підвищується пористість цементного каменю і знижується його міцність. Процес корозії першого виду прискорюється, якщо на цементний камінь діє м'яка вода або вода під напором.
Одним із заходів ослаблення корозії вилуговування є застосування цементу з помірним вмістом C3S та витримування бетонних виробів на повітрі для того, щоб на їх поверхні пройшов процес карбонізації і утворилася малорозчинна кірка з СаСО3. Головним же засобом боротьби з вилуговуванням гідроксиду кальцію є застосування щільного бетону та введення в цемент активних мінеральних добавок, що пов'язують Са (ОН) г в малорастворимое з'єднання - гідросилікат кальцію
Корозія другого виду відбувається при дії на цементний камінь агресивних речовин, які, вступаючи у взаємодію зі складовими частинами цементного каменю, утворюють або легкорозчинні і вимиваються водою солі, або аморфні маси, що не володіють сполучними властивостями (кислотна, магнезіальних корозія, корозія під впливом деяких органічних речовин і т. п.).
Корозія під дією органічних кислот, як і неорганічних, швидко руйнує цементний камінь. Шкідливий вплив роблять і масла, що містять кислоти жирного ряду (лляне, бавовняне, риб'ячий жир і т. п.). Нафта, нафтові продукти (гас, бензин, мазут, нафтові олії) не небезпечні для цементного бетону, якщо в них немає залишків кислот, але вони легко проникають через бетон. Продукти розгонки кам'яновугільного дьогтю, що містять феноли, надають агресивну дію на бетон.
Корозія виникає і під дією мінеральних добрив, особливо аміачних (аміачна селітра і сульфат амонію). Аміачна селітра, що складається в основному з NH4NO3, діє на гідроксид кальцію:
Са (ОН) 2 + 2NH4NO3 + 2НаО = Ca (NO3) 2-4Н2О + 2NOa
Утворений нітрат кальцію добре розчиняється у воді і вимивається з бетону. З фосфорних добрив агресивний суперфосфат, що складається в основному з Са (Н2РО4) 2, гіпсу і містить невелику кількість вільної фосфорної кислоти.
Корозія третього виду об'єднує процеси, при яких компоненти цементного каменю, вступаючи у взаємодію з агресивним середовищем, утворюють сполуки, що займають більший об'єм, ніж вихідні продукти реакції. Це викликає появу внутрішніх напружень в бетоні і його розтріскування. Характерною корозією цього виду є сульфатна корозія. Сульфати, часто містяться у природному та промислових водах, вступають в обмінну реакцію з гідроксидом кальцію, утворюючи гіпс CaSO4-2H2O. Руйнування цементного каменю в цьому випадку викликається кристалізаційних тиском кристалів двуводного гіпсу (гіпсова корозія). Така корозія відбувається при значних концентраціях сульфатів у воді,
Захист бетону та інших матеріалів від корозії
Захист бетону та інших матеріалів від корозії викликає великі витрати. Наприклад, при будівництві хімічних заводів на антикорозійний захист будинків і апаратів витрачається близько 10 ... 15% від загальної вартості будівництва. Тому при будівництві будівель і споруд необхідно насамперед визначити характер можливої дії середовища на бетон, а потім розробити і здійснити потрібні заходи для запобігання корозії, які в загальному вигляді зводяться до наступного: 1) правильний вибір цементу, 2) виготовлення особливо щільного бетону, 3 ) застосування захисних покриттів.
Як можна захистити бетон?
Захист будівельних конструкцій від біопошкоджень передбачає проведення наступних заходів:
1. Експлуатаційно-профілактичні:
- Посилення вентиляції з метою зниження вологості повітря і концентрації газів, що сприяють розвитку небезпечних мікроорганізмів;
- Герметизація з тією ж метою технологічного обладнання;
- Періодичне очищення та дезінфекція поверхні конструкцій;
- Нейтралізація агресивних середовищ.
2. Конструктивні:
- Додання поверхні конструкцій форми, що виключає накопичення на ній органічних речовин, що можуть служити їжею для мікроорганізмів;
- Пристрій уклонів підлоги і відвідних лотків для стічних рідин.
3. Будівельно-технологічні:
- Нанесення на бетонну поверхню лакофарбових матеріалів;
- Облицювання різними плитами;
- Зниження проникності бетону;
- Застосування матеріалів, стійких до дії продуктів життєдіяльності мікроорганізмів, переважно до кислот.
Методи захисту цементного каменю від корозії різноманітні, але всі вони можуть бути зведені в наступні групи:
- Вибір належного цементу;
- Виготовлення особливо щільного бетону;
- Застосування захисних покриттів і облицювань, практично виключають вплив агресивного середовища на бетон.
Реферат з дисципліни:
«Матеріалознавство. Технологія конструкційних матеріалів »
на тему:
«Корозія цементного каменю і способи захисту»
Виконала: Костомарова І.А.
III курс, Вів (заочний)
м. Москва, 2009 р.
Введення
В даний час цемент є одним з найважливіших будівельних матеріалів. Його застосовують для виготовлення бетонів, бетонних і залізобетонних виробів, будівельних розчинів, азбестоцементних виробів. Виготовляють його на крупних механізованих і автоматизованих заводах. Цемент почали проводити в минулому столітті. На початку 20-х років XIX ст. Є. Делієв отримав обпалювальне терпке з суміші винищити з глиною і опублікував результати своєї роботи в книзі, виданій в Москві в 1825 р. У 1856 р. був пущений перший в Росії завод портландцемента. Портландцемент є мінеральною в'язкою речовиною, що становить основу більшої частини номенклатури сухих будівельних сумішей в якості самостійного в'яжучого, в змішаних цементних в'яжучих системах, у складі цементно-вапняних в'яжучих, а також різних полімерцементних композицій. Цінні та унікальні властивості портландцементу визначаються його здатністю при заутворі водою утворювати пластичне тісто, з часом, мимоволі, за рахунок хімічної взаємодії в системі, що перетворюється на камінь. Здатність до самоотвердеванію, освіта міцного і довговічного каменю, екологічна чистота, низька хімічна небезпека, Пожежовибухобезпека в поєднанні з низькою вартістю є передумовами для широкого практичного застосування портландцементу.
Бетони і цементний камінь, як його матрична частина, в експлуатаційних умовах схильні корозійного впливу різних середовищ, особливо мінералізованої води в морських спорудах (моли, причали, естакади з пальових підставою і залізобетонним верхнім будовою, портові конструкції тощо), мінеральної кислоти при експлуатації резервуарів, башт і інших споруд хімічної промисловості. На бетон надають корозійний вплив органічні кислоти і біосфера, особливо при роботі споруд у торф'яних грунтах, на підприємствах харчової промисловості. Негативний вплив можуть чинити на склад і структуру цементного каменю в бетонах лужне середовище, прісна вода, особливо водні розчини електролітів. В індустріальних районах корозійне вплив на бетонні конструкції надають гази, наприклад сірчисті, сірководень, хлористий водень, аерозолі солей, наприклад морської води та ін Агресивна вплив роблять також тверді, в основному високодисперсні речовини, здатні утворювати у вологих умовах прошарку з істинних і колоїдних розчинів . Крім хімічних реакцій при контакті із середовищем можливі фізичні сорбційні процеси з поглинанням з середовища поверхнево-активних речовин (ПАР), наприклад сірковмісних полярних смол з нафтопродуктів, з фізичним порушенням суцільності контактів у структурі та прискоренням розвитку дефектів.
Корозія цементного каменю. Види корозії
Розрізняють фізичну, хімічну, електрохімічну та біологічну корозії.
Фізична корозія
Це вивітрювання, розчинення, руйнування внаслідок температурних коливань характерних для всіх видів гірських порід.
Корозії розчинення носить фізико-хімічний характер (див. нижче корозії вилуговування).
Хімічна корозія
Агресивними по відношенню до цементного каменю є всі кислоти і багато солі.
Цей вид корозії має місце найчастіше, а руйнування відбувається найбільш інтенсивно. Самим уразливим речовиною в цементному камені є вапно. Проте пов'язання вапна (скажімо за рахунок SiO 2) ще не виключає корозії, оскільки вона може відновлюватися за рахунок відступу від гідратів кальцію.
Кислоти і деякі солі вступають в реакцію з Са (ОН) 2 та утворять нові з'єднання, або легко розчинні у воді, або неміцні пухкі, або кристалізуються із значним
Зміною обсягу. Іноді це все відбувається одночасно.
Усі кислоти руйнують портландцементний камінь
Са (ОН) 2 + НСl = CaCl + 2 H 2 O
Са (ОН) 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2H 2 O
Хлористий кальцій легко розчинний, а CaSO 4 може вступати у вза-імодействіе з гідроаллюмінатамі кальцію і утворювати гідросульфоаллюмінат кальцію. Останній кристалізується зі збільшенням обсягу.
Гіпс також кристалізується зі збільшенням обсягу.
Хоча в пластових водах немає безпосередньо соляної та сірчаної кислот, (але їх освіту можна припустити), зате є достатня кількість солей агресивних по відношенню до цементного каменю. До таких солей відносяться сульфати (MgSO 4, CaSO 4), хлориди (MgCl 2, CaCl 2).
Агресивний сірководень і вуглекислий газ, які можуть міститися як у пластових водах, так і в видобута нафта і газ.
Розглянемо основні види хімічної корозії та застосування у зв'язку з ними цементів.
Корозія вилуговування
Кристалогідрати (гідросилікати, алюмінати і ферити кальцію), які утворюються при взаємодії з водою клінкерних мінералів і складові разом з наповнювачами цементний камінь, мають значну рівноважну розчинність у воді. Це означає, що вони залишаються стійкими при контакті з водами, тільки в тому випадку, якщо у воді є достатня концентрація Са (ОН) 2. Якщо концентрація у воді Са (ОН) 2 нижче рівноважної, то у гідрату будуть отщепляться молекули вапна і концентрація буде відновлюватися до рівноважної.
Гідросилікати і гідроалюмінат кальцію мають тим більшу рівноважну розчинність, чим вище їх основність. Отже відщеплення гідратів спочатку відбувається від високоосновних гідратів, їх основність при цьому знижується, а стійкість в даному середовищі підвищується.
Якщо концентрація гідрату окису кальцію в подальшому не буде знижуватися, то процес на цьому зупиниться. Якщо ж концентрація вапна буде продовжувати знижуватися і стане нижче рівноважної для новопосталої гідрату, то відщеплення гідрату окису кальцію буде тривати аж до повного розкладання гідросилікатів і гидроалюмінатом, з утворенням аморфних кремнезему та глинозему. Хоча останні і погано розчиняються у воді, проте вони не володіють терпкими властивостями - міцність і монолітність каменю порушуються.
Ці процеси можуть спостерігатися, якщо цементний камінь омивається безперервно оновлюється водою або розчинами солей, що мають малу концентрацію Са (ОН) 2, або якщо Са (ОН) 2 зв'язуються містяться в розчині речовинами в міцні малорозчинні або малодіссоціірующіе хімічні сполуки (кальцію).
Чим вище концентрація вапна в порах цементного каменю, тим вище швидкість вилуговування. Низькоосновних гідрати кальцію мають меншу рівноважну розчинність. Вапно зв'язується, а основність знижується в тих випадках, коли в цемент вводяться активні кремнеземисті добавки, а при високих температурах і кварцовий пісок.
Таким чином, більш стійкими проти корозії вилуговування є низькоосновних цементи (пуццоланові, шлакопесчаністие, БКЗ, ізвестковокремнеземістие).
Більш агресивними в сенсі вилуговування є «м'які» води. Розчинність вапна зростає у присутності хлористого натрію. Значить мінералізовані пластові води в принципі всі агресивні до цементного каменю. Розчинність Са (ОН) 2 підвищується зі зростанням температури. Значить перераховані умови вимагають застосування низькоосновних цементів.
Швидкість вилуговування в значній мірі залежить від коефіцієнта дифузії. Цьому сприятиме зменшення відносного вмісту рідини завторенія, добавки високомолекулярних реагентів (ГІПАН, К-4, КМЦ та ін).
Полегшені цементи менш стійкі до видужування, за винятком тих у яких як полегшує компонента використана будь-яка активна кремнеземиста добавка.
Магнезіальних корозія
Якщо в навколишньому цементний камінь середовищі містяться речовини, які утворюють з Са (ОН) 2 малорозчинні сполуки, то концентрація вапна в ній буде підтримуватися на дуже низькому рівні.
Наприклад, якщо в пластових водах є MgSO 4, то він вступаючи у взаємодію з Са (ОН) 2 за реакцією:
Са (ОН) 2 + MgSO 4 + 2Н 2 О = Mg (ОН) 2 + Са SO 4 × 2Н 2 О
Mg (ОН) 2 і гіпс мають дуже низьку розчинність у воді. Mg (ОН) 2 сам по собі представляє пухке аморфна речовина. Якщо такий процес буде продовжуватися - цементний камінь зруйнується. Це магнезіальних корозія. Подібна дія але більш слабке, робить і хлористий магній.
Однак, частіше за все, процес загасає в міру накопичення Mg (ОН) 2 і Са SO 4 × 2Н 2 О в порах цементного каменю кольматацію. Причому накопичення цих речовин відбувається тим швидше, а ущільнення пір вище, чим вище основність цементу. Кольматацію пір призводить до уповільнення проникнення агрессівноного MgSO 4.
Отже, стійкість в'яжучого до цього виду корозії знижується при введенні активних мінеральних добавок. Звідси в таких средахнельзя застосовувати полегшені цементні розчини з мінеральними добавками типу діатоміт, опока, тремел, пемза).
Шлакові цементи за магнезіальній стійкості мало поступаються портландцементу. Справа в тому, що при магнезіальній розкладанні шлакових гідросилікатів утворюється значна кількість кремнекислоти, що відрізняється завдяки особливій структурі підвищеною щільністю. Вона надає істотне кольматуючі дію. Однак і в цьому випадку доцільно підвищувати основність шлаку. Додавати глину і активні мінеральні речовини до шлаку в цьому випадку неприпустимо.
Хлористий магній менш агресивний ніж сірчанокислий, так як при обміні [Са (ОН) 2 + MgCl 2 = CaCl 2 + Mg (OH) 2] утворюється добре розчинна речовина CaCl 2 завдяки якому зберігається рівноважна концентрація іонів Са + +.
Углекислотная корозія
У пластових водах як правило присутня або інша кількість вуглекислого газу. Він діє руйнівно, оскільки знижує вміст Са (ОН) 2 окислюючи її спочатку до СаСО 3, яка мало розчинна, що буде викликати зниження основності гідратів цементу. При надходженні нових порцій СО 2, СаСО 3 окислюється до бікарбонату [Са (НСО 3) 2], який добре розчинний. При незначній концентрації Са 2 у водах процес може згаснути. Однак якщо кислота міститься в пластовому газі, то внаслідок великої проникною здібності, дифузії і осмосу можливо швидке руйнування каменю. Якщо процес обмежується до СаСО 3, то низькоосновних, якщо до Са (НСО 3) 2 - т про високоосновні (див. нижче).
Сульфатна корозія
Це вид корозії, який пов'язаний з утворенням сполук кристалізуються із збільшенням обсягу. Прикладом такої корозії є взаємодія з сульфатами кальцію і натрію. Відомо, що гідроалюмінат кальцію можуть приєднувати гіпс і утворювати гидросульфоалюмінат. Останній кристалізується зі збільшенням обсягу, що викликає внутрішні напруги і руйнування цементного каменю.
(3 CaO × Al 2 O 3 × 12H 2 O + 3 (CaSO 4 × 2H 2 O) + 13H 2 O =
= 3CaO × Al 2 O 3 × 3CaSO 4 × 31H 2 O
Однак не завжди наявність гідросульфоалюміната кальцію в цементному камені говорить і сульфатної корозії. Ця речовина є в первинній структурі цементного каменю. Тільки збільшення кількості гідросульфатоалюміната говорить про відбувається сульфоалюмінатной корозії.
Одним з методів боротьби з сульфатної корозією є зниження вмісту трьохкальцієвого алюмінату (не більше 5%). При цьому зміст плавнів компенсується за рахунок збільшення вмісту окису заліза.
Наявність у пластових водах хлоридів зменшує негативний вплив сульфатів.
Сірководнева корозія
Це один із поширених на нафтових і газових родовищах видів корозії. При сірководневої корозії спостерігається утворення малорозчинних сульфідів кальцію, алюмінію і заліза. Це призводить до зниження рівноважної концентрації Са (ОН) 2, Al (OH) 3, Fe (OH) 3, що в свою чергу викликає руйнування гідратів кальцію.
Найбільш енергійно утворюється сульфід заліза, тому для підвищення стійкості проти сірководневої корозії слід обмежувати в цементах зміст окислів заліза, марганцю та інших важких металів. По відношенню до цементного каменю нешкідливі силікати, карбонати, луги та їх солі. Однак сильні луги діють на аллюмінати.
Нафта і нафтопродукти не небезпечні, але якщо в них є нафтенові кислоти і сульфати, то вони також руйнують цементний камінь.
Біологічна корозія
Цей вид корозії вивчений мало. Проте, мабуть зводиться в кінцевому підсумку до якого або хімічним увазі.
Так є багато бактерій, які виділяють вуглекислоту, що спричинить вуглекислотну корозію. Деякі бактерії можуть окисляти сульфати спочатку до сірководню, а потім до сірчаної кислоти. Звідси і характер руйнування каменя.
Електрохімічна і електроосмотичного корозії
Джерело - блукаючі струми (промислові мережі). Система обсадна колона, цементний камінь - земля є провідниками. У цій системі завжди можливе перенесення іонів, звідси можливі й електрохімічна і електроосмотичного корозії. Слід зазначити, що цементні камені, бетони (фундаменти) мають як правило певним електричним потенціалом по відношенню до землі.
Руйнування цементного каменю може відбуватися під впливом фізичних факторів (насичення водою, поперемінне заморожування і відтавання, зволоження і висихання і т. п.), а також при хімічній взаємодії компонентів каменю з агресивними речовинами, що містяться в навколишньому середовищі.
Морозостійкість цементного каменя залежить від мінерального складу клінкера, тонкості помелу цементу і водопотребности, необхідної для отримання укладається суміші. Серед мінералів клінкеру найменш морозостійким є СЗА, максимально допустимий вміст якого в цементах для морозостійких бетонів повинно складати не більше 5 ... 8%. Тонкість помолу може бути в межах від 3000 до 4000 см2 / г, при цьому важливе значення має наявність в цементі поряд з тонкими фракціями щодо великих зерен, які забезпечують «клінкерна фонд» для самозаліковування дефектів, що виникають при поперемінних впливах середовища. Збільшення водопотребности цементу знижує морозостійкість цементного каменю, тому що при цьому підвищується його капілярна пористість (вода в порах гелю не переходить у лід навіть при сильних морозах). Тому в морозостійких бетонах значення В / Ц беруть не більше 0,4 ... 0,55.
Корозія першого виду - руйнування цементного каменю в результаті розчинення і вимивання деяких його складових частин (корозія вилуговування). При дії води на цементний камінь спочатку розчиняється і несеться водою вільний гідроксид кальцію, що утворився при гідролізі C3S і C2S, вміст якого в цементному камені через 1 ... 3 міс тверднення досягає 10 ... 15%, а розчинність при звичайних температурах-1 , 3 г / л. Після вимивання вільного гідроксиду кальцію і зниження його концентрації нижче 1,1 г / л починається розкладання гідросилікатів, а потім гідроалюмінатами і гідроферритами кальцію. У результаті вилуговування підвищується пористість цементного каменю і знижується його міцність. Процес корозії першого виду прискорюється, якщо на цементний камінь діє м'яка вода або вода під напором.
Одним із заходів ослаблення корозії вилуговування є застосування цементу з помірним вмістом C3S та витримування бетонних виробів на повітрі для того, щоб на їх поверхні пройшов процес карбонізації і утворилася малорозчинна кірка з СаСО3. Головним же засобом боротьби з вилуговуванням гідроксиду кальцію є застосування щільного бетону та введення в цемент активних мінеральних добавок, що пов'язують Са (ОН) г в малорастворимое з'єднання - гідросилікат кальцію
Корозія другого виду відбувається при дії на цементний камінь агресивних речовин, які, вступаючи у взаємодію зі складовими частинами цементного каменю, утворюють або легкорозчинні і вимиваються водою солі, або аморфні маси, що не володіють сполучними властивостями (кислотна, магнезіальних корозія, корозія під впливом деяких органічних речовин і т. п.).
Корозія під дією органічних кислот, як і неорганічних, швидко руйнує цементний камінь. Шкідливий вплив роблять і масла, що містять кислоти жирного ряду (лляне, бавовняне, риб'ячий жир і т. п.). Нафта, нафтові продукти (гас, бензин, мазут, нафтові олії) не небезпечні для цементного бетону, якщо в них немає залишків кислот, але вони легко проникають через бетон. Продукти розгонки кам'яновугільного дьогтю, що містять феноли, надають агресивну дію на бетон.
Корозія виникає і під дією мінеральних добрив, особливо аміачних (аміачна селітра і сульфат амонію). Аміачна селітра, що складається в основному з NH4NO3, діє на гідроксид кальцію:
Са (ОН) 2 + 2NH4NO3 + 2НаО = Ca (NO3) 2-4Н2О + 2NOa
Утворений нітрат кальцію добре розчиняється у воді і вимивається з бетону. З фосфорних добрив агресивний суперфосфат, що складається в основному з Са (Н2РО4) 2, гіпсу і містить невелику кількість вільної фосфорної кислоти.
Корозія третього виду об'єднує процеси, при яких компоненти цементного каменю, вступаючи у взаємодію з агресивним середовищем, утворюють сполуки, що займають більший об'єм, ніж вихідні продукти реакції. Це викликає появу внутрішніх напружень в бетоні і його розтріскування. Характерною корозією цього виду є сульфатна корозія. Сульфати, часто містяться у природному та промислових водах, вступають в обмінну реакцію з гідроксидом кальцію, утворюючи гіпс CaSO4-2H2O. Руйнування цементного каменю в цьому випадку викликається кристалізаційних тиском кристалів двуводного гіпсу (гіпсова корозія). Така корозія відбувається при значних концентраціях сульфатів у воді,
Захист бетону та інших матеріалів від корозії
Захист бетону та інших матеріалів від корозії викликає великі витрати. Наприклад, при будівництві хімічних заводів на антикорозійний захист будинків і апаратів витрачається близько 10 ... 15% від загальної вартості будівництва. Тому при будівництві будівель і споруд необхідно насамперед визначити характер можливої дії середовища на бетон, а потім розробити і здійснити потрібні заходи для запобігання корозії, які в загальному вигляді зводяться до наступного: 1) правильний вибір цементу, 2) виготовлення особливо щільного бетону, 3 ) застосування захисних покриттів.
Як можна захистити бетон?
Захист будівельних конструкцій від біопошкоджень передбачає проведення наступних заходів:
1. Експлуатаційно-профілактичні:
- Посилення вентиляції з метою зниження вологості повітря і концентрації газів, що сприяють розвитку небезпечних мікроорганізмів;
- Герметизація з тією ж метою технологічного обладнання;
- Періодичне очищення та дезінфекція поверхні конструкцій;
- Нейтралізація агресивних середовищ.
2. Конструктивні:
- Додання поверхні конструкцій форми, що виключає накопичення на ній органічних речовин, що можуть служити їжею для мікроорганізмів;
- Пристрій уклонів підлоги і відвідних лотків для стічних рідин.
3. Будівельно-технологічні:
- Нанесення на бетонну поверхню лакофарбових матеріалів;
- Облицювання різними плитами;
- Зниження проникності бетону;
- Застосування матеріалів, стійких до дії продуктів життєдіяльності мікроорганізмів, переважно до кислот.
Методи захисту цементного каменю від корозії різноманітні, але всі вони можуть бути зведені в наступні групи:
- Вибір належного цементу;
- Виготовлення особливо щільного бетону;
- Застосування захисних покриттів і облицювань, практично виключають вплив агресивного середовища на бетон.