Химия в строительстве. Конспект лекций

взаимосвязь между сохраняющимися кристалликами труднорастворимых веществ. Все это вызывает его разрушение под нагрузкой;

2) превращения прочных, сросшихся друг с другом кристаллов в гелевидные рыхлые массы продуктов коррозии. Эти химические процессы также приводят к снижению несущей способности бетона вследствие замещения кристаллического сростка рыхлыми массами, не способными сохранять форму при действии нагрузки;

3) роста кристаллов труднорастворимых новообразований в порах и капиллярах бетона. В этом случае в объеме бетона возникают внутренние напряжения, происходит разрушение стенок пор и капилляров, возникают трещины.

Основные виды химической коррозии цементного камня и бетона

При любых воздействиях на бетон в первую очередь в химические реакции вступает гидроксид кальция — самый активный компонент цементного камня. Снижение содержания Са(ОН)2 в бетоне стимулирует гидролиз двухосновного гидросиликата кальция и коррозионный процесс затрагивает главный структурный компонент бетона — кристаллический сросток 2СаО∙SiO2∙nH2O. В последнюю очередь изменяются наименее растворимые гидроалюминатные фазы.

Углекислотная коррозия

Воздействие СО2, содержащегося в воздухе, на бетон приводит к превращению Са(ОН)2 в карбонат кальция. Реакция возможна в присутствии гигроскопической влаги и осуществляется по уравнению:

В последующем подвергается карбонизации и гидросиликаткальция:

Это приводит к уплотнению бетона и повышению его прочности. Лишь у ячеистых бетонов возможно появление трещин в тонких перегородках с небольшим (на 10…25 %) снижением прочности.

Углекислотная коррозия в большей степени характерна для бетонов, контактирующих с подземными водами. При действии воды с содержанием растворенного CO2 более 20 мг/л на цементный камень, карбонат кальция переходит в водный раствор в виде хорошо растворимого гидрокарбоната:

71

Таким образом, за счет образования легко растворимого Ca(HCO3)2 вымывание Ca(OH)2 из цементного камня ускоряется. Поэтому постепенно увеличивается пористость и проницаемость бетона, снижается его прочность.

Магнезиальная коррозия

Причиной этого вида коррозии являются химические реакции замещения при действии растворов магнезиальных солей (морская вода и др.) на Са(ОН)2 и другие содержащие кальций продукты твердения портландцемента. Магнезиальная коррозия может быть описана следующими уравнениями реакций:

Затем происходит разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция по уравнениям (на примере действия морской воды на бетон):

2СаО∙SiO2∙nH2O + 2MgCl2 + 2H2O →

3CaO∙Al2О3∙6H2О + 3MgCl2 → 3CaCl2 + Mg(OH)2 + 2Al(OH)3. (173)

В приведенных выше реакциях равновесие смещено в сторону образования наименее растворимого продукта — рыхлого непрочного гидроксида магния. Хорошо растворимый хлорид кальция выносится из бетона. В результате гидросиликатный каркас частично замещается рыхлой массой, состоящей из мельчайших не связанных между собой объемных кристалликов Mg(OH)2, и прочность камня резко падает.

Сульфатная коррозия

Этот вид коррозии вызывается воздействием на затвердевший бетон вод, содержащих соли: сульфаты кальция, натрия, магния и др. Процесс коррозии описывается уравнением реакции:

3СаО∙А12 О3∙6Н20 + 3CaSO4 + 26H2O → 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O. (174)

72

Основным продуктом этой реакции является кристаллический гидросульфоалюминат кальция — эттрингит 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O.

Ввиду химического связывания значительного количества воды, суммарный объем образующихся кристаллов эттрингита в 2-2,5 раза превышает объем исходных гидроалюминатов. Поэтому их рост вызывает разрушение стенок пор, вспучивание, искривление и растрескивание бетонных изделий.

В случае присутствия в агрессивных водах растворенных сульфатов натрия, магния или кальция первоначально идет обменная реакция сульфата с гидроксидом кальция, например:

Способы защиты бетона от коррозии

Способы борьбы с коррозией бетонов предусматривают:

1.Изоляцию бетона от контакта с внешней агрессивной средой или резкое снижение скорости проникания агрессивной жидкости, воздействующей на бетон.

2.Уменьшение содержания в цементном камне и бетоне легко растворимых компонентов, активно взаимодействующих с внешней средой.

Изоляция бетона от действия внешних агрессивных сред осуществляется с помощью покрытий из масляных красок, полимерных лаков или расплавов полимеров. Покрытия, которые наносятся на сухую поверхность бетона, водонепроницаемы, но легко повреждаются механически. Можно создать защитные покрытия из аморфной кремнекислоты при обработке бетона водными растворами солей кремнефтористоводородной кислоты по реакции:

При этом образуется гель, затем он высыхает и уплотняется. Защитная пленка обладает высокой стойкостью к действию кислот и кислотных оксидов. Более надежны защитные обмазки на основе органических вяжущих веществ или на жидком (растворимом) стекле: прочность их значительно выше, а толщина может превышать 1…3 см. Твердение защитной обмазки на растворимом стекле происходит по схеме:

2(Na2O∙3SiO2) + Na2SiF6 + 14Н2О → 6NaF + 7(SiO2∙2H2O). (177)

73

Известен способ гидрофобизации изделий из сборного бетона и железобетона при пропитке поверхностного слоя мономерами (с последующей полимеризацией), растворами и расплавами полимеров или серы. Однако органические жидкости могут проникать только в открытые поры и капилляры цементного камня, поэтому изделия предварительно высушивают, вакуумируют, а уже затем пропитывают.

Для объемной гидрофобизации бетона можно вводить в бетонную смесь битумную эмульсию или эмульсии некоторых полимеров, например, поливинилацетата. При твердении частички полимера попадают в капилляры и закупоривают их, что резко снижает проницаемость цементного камня и бетона.

Наиболее уязвимым компонентом цементного камня и бетона является Са(ОН)2. Понизить содержание гидроксида кальция можно на стадии твердения бетона при введении в исходный портландцемент активных минеральных добавок, но в затвердевшем бетоне можно превратить Са(ОН)2 в СаСО3 обработкой изделия в карбонизационной камере.

Аморфные кремнеземистые фазы активных добавок реагируют при твердении с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита, по уравнению:

где величина n изменяется от 2 до 3. Снижение концентрации Са(ОН)2 в жидкой фазе твердеющего цементного камня способствует гидролитическому расщеплению двухкальциевого гидросиликата:

При определении количества добавки необходимо учитывать возможность ее отрицательного влияния на некоторые свойства бетона: прочность при сжатии, стойкость к попеременному увлажнению, высушиванию и замораживанию, оттаиванию.

Доказано, что бетон на пуццолановом портландцементе и шлакопортландцементе обладает высокой стойкостью к углекислотной коррозии.

Сульфатостойкость бетона на портландцементе выполняется при двух условиях при введении активной минеральной добавки и при ограничении содержания трехкальциевого алюмината в исходном клинкере до 5 %.

74

Предотвратить разрушение бетонных конструкций, эксплуатирующихся в морской воде, от магнезиальной коррозии введением активных минеральных добавок не удастся, но можно резко замедлить скорость этого процесса. Если в бетоне преобладает однокальциевый гидросиликат, то продукты его разрушения содержат значительно больше (в 2-3 раза) гелевидной кремнекислоты. Такой слой разрушенного бетона плохо пропускает воду и обеспечивает постепенное затухание проникновения магнезиальных солей вглубь бетона.

75

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Коровин, Н.В. Общая химия / Н.В. Коровин, Г.Н. Масленникова, Э.И. Мигулина, Э.Л. Филиппов. М. : Высшая школа, 2000. 558 с.

2.Карапетьянц, М.Х. Общая и неорганическая химия / М.Х. Карапетьянц, С.И. Дракин. М. : Химия, 1993. 288 с.

3.Агасян, Э.П. Помощник в решении примеров и задач и в освоении курса «Химия в строительстве» / Э.П. Агасян, А.А. Корытин, И.В. Котенева, Е.М. Мясоедов. М. : АСВ, 2008. 159 с.

4.Крестов, Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л. :

Наука, 1973. 185 с.

5.Мищенко, К.П. Вопросы термодинамики и строения водных и неводных электролитов / К.П. Мищенко, Т.М. Полторацкий. JI. : Наука, 1968. 225 с.

6.Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. М. : Высшая школа, 2004. 350 с.

7.Четфилд, Х.В. Лакокрасочные покрытия. М. : Химия, 1968. 423 с.

8.Розенфельд, И.Л. Антикоррозионные грунтовки и ингибированные лакокрасочные покрытия / И.Л. Розенфельд, Ф.И. Рубинштейн. М. : Химия, 1980.

195 с.

9.Ламбурн, Р. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика. СПб : Химия, 1991. 252 с.

10.Попов, К.Н. Строительные материалы и изделия / К.Н. Попов, М.Б. Каддо. М. : Высшая школа, 2005. 320 с.

76