Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая стойкость материалов. Учебное пособие
.pdf
21
Микроорганизмы, источником питания которых служат
разные неорганические вещества, называют литотрофами,
что в переводе с греческого означает «питающиеся камнями». Их еще называют хемолитотрофами, так как чаще всего
усваивание неорганических веществ бактериями связано с
протеканием химических реакций в их биомассе. Эти уникальные микроорганизмы могут обитать в горячих гейзерах,
выживать при высоких температурах и давлении, на глубине до нескольких тысяч километров. Для того чтобы усваивать углерод из углекислоты воздуха, им не нужна солнечная энергия – в отличие от растений. Некоторые бактерии
способны усваивать азот из воздуха, при этом он не переходит в растворимое состояние. Другие способны извлекать
фосфор из минералов, чего не могут делать другие живые
организмы. К группе хемолитотрофов также относятся слизистые бациллы, способные усваивать кремний прямо из
минералов.
Подавлять размножение бактерий можно введением в бетонную массу различных антисептиков. Кроме этого, в местах
монтажа подземных бетонных конструкций проводят обработку грунта антисептиками. Оценка биологической активности грунтов и грунтовых вод является необходимым условием при всех видах строительных работ.
1.5. Радиационная стойкость
минеральных материалов
Ионизирующие излучения являются особым видом агрессивной среды для цементного камня. Бетонные конструкции
ядерных реакторов подвергаются ионизирующему излучению в наибольшей степени. Способность материалов сохранять свои свойства после облучения называется радиацион-
ной стойкостью.
22
Радиационная стойкость бетона зависит от плотности потока
частиц, интенсивности и поглощенной дозы излучения. Кроме
этого, стойкость к радиационной деструкции определяется
структурой и составом минеральных материалов. В ходе облучения происходит постепенное разрушение бетонных материалов за счет ухудшения упругих и теплофизических свойств,
уменьшения плотности и возникновения разных дефектов.
Поскольку при ионизирующем облучении бетон может нагреваться до 300 °С, то возникают процессы, приводящие к его
обезвоживанию и усадке. При радиационном облучении в бетоне происходят деформации, которые значительно превышают деформации, возникающие при испарении воды. Появляющиеся в материале деформации связаны с прохождением
излучения через материал, в результате которого происходит
ионизация и возбуждение молекул, что и является особенностью протекания этого процесса. Начинают протекать радиационно-химические реакции, сопровождающиеся выделением
водорода и кислорода. Деструктивные процессы при облучении приводят к снижению стойкости бетона, изменению модуля упругости, развитию деформаций ползучести. При интенсивном и длительном облучении бетона часть продуктов
твердения цемента и минералов, образующих заполнители,
переходит в аморфное состояние.
1.6. Влияние пористости бетона
на его химическое сопротивление
агрессивному воздействию
Пористые материалы обладают меньшей стойкостью, чем
монолитные такого же состава. В пористых материалах значительно увеличивается поверхность контакта материала с
агрессивной средой, что в первую очередь связано с большей
вероятностью проникновения агрессивной среды в поры и ка-
23
пилляры [2; 7]. Кроме того, в пористых материалах возможно
протекание процессов, присущих только пористым телам:
– осмотическая коррозия;
– разрушения при замерзании жидкости в порах, сопровож-
дающееся возникновением напряжений и растрескиванием;
– конденсация водяных паров в замкнутых порах, разру-
шение вследствие капиллярного давления;
– разрушения, связанные с расклинивающим действием
воды при ее конденсации в вершинах трещин.
Коррозионная стойкость пористых материалов зависит от
общего количества пор, их размера, формы и расположения.
Скорость коррозионного разрушения будет определяться как
особенностями структуры цементного камня, так и свойствами агрессивной среды. Контакт с агрессивной средой приводит к химическим превращениям в бетоне, которые ведут к
потере им вяжущих свойств.
Под проницаемостью бетона понимают его способность пропускать газы и жидкости при определенном перепаде давления. Во время формирования и твердения конструкций формируется структура порогового пространства бетона. Структура порогового пространства и проницаемость бетона непрерывно меняются при твердении и эксплуатации конструкций.
На проницаемость оказывает существенное влияние образование сквозных путей фильтрации и развития микротрещин.
Понижают проницаемость бетона введением в бетонную
смесь как органических, так и неорганических добавок. К органическим относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ)
и полимерные добавки. В зависимости от природы ПАВ, добавляемого в бетон в процессе изготовления, возможно снижение его проницаемости, уменьшение В/Ц, повышение плотности и уменьшение радиуса капилляров. Некоторые ПАВ могут
вовлекать воздух в бетонную смесь, образуя при этом замкнутую капиллярно-пористую структуру, что способствует умень-
24
шению проницаемости. Полимерные добавки применяют в виде эмульсий и латексов, а также разных смол, мономеров или
сополимеров с катализаторами. Они заполняют капиллярные
поры, в которых в зависимости от природы добавки образуются
термореактивные и термопластичные полимеры.
В качестве неорганических добавок используют в основном
соли, разные виды глины и другие минеральные добавки.
Действие этих добавок основано на регулировании формы и
размеров кристаллов новообразований в процессе твердения,
что позволяет контролировать пористость и проницаемость
бетона. Наибольшая эффективность достигается при введении различных комбинированных добавок, включающих как
органические, так и неорганические вещества.
Понижение проницаемости бетонных конструкций возможно с помощью обработки поверхности материала гидрофобизаторами и веществами, химически реагирующими с
минералами цементного камня с образованием нерастворимых соединений [2; 5].
1.7. Стойкость
к температурно-влажностным воздействиям
Интенсивность коррозионных процессов в минеральных
материалах зависит от влажности. Бетон представляет собой
капиллярно-пористое тело, которое хорошо адсорбирует влагу из воздуха. При постоянном температурно-влажностном
режиме устанавливается равновесие между окружающей
средой и бетонной массой. Конструкции из минеральных материалов постоянно эксплуатируются в условиях колебания
температуры. Изменение температуры и влажности воздуха
влияет на стойкость цементного камня.
В условиях колебания температуры могут протекать разные
процессы. Повышение температуры приводит к испарению
25
влаги, а ее понижение – к замерзанию или конденсации паров
воды. В результате появляются нестационарные потоки паров
воды и поровой жидкости, что может сопровождаться фазовыми и химическими превращениями в системе. Кроме этого, изменяются линейные размеры конструкции, которые зависят от
коэффициента термического расширения бетонной массы.
Повышение температуры окружающей среды приводит к
постепенному увеличению температуры бетонной конструкции, испарению воды из поровой жидкости и увеличению
упругости паров воды. Градиент парциальных давлений водяного пара будет определять скорость этого процесса. Результатом этого процесса является возникновение в бетоне
растягивающих напряжений. Поскольку одновременно с испарением воды будет происходить и некоторое увеличение
бетонной массы, заметного роста давления в системе на
начальном этапе не наблюдается. По мере протекания процесса нарушается равновесие между поровой жидкостью и
стенками пор. Испарение воды приводит к повышению концентрации солей в поровой жидкости, что может способствовать достижению предельной концентрации солей. Процесс
кристаллизации солей в бетонной массе приведет к коррозии
III вида. В дальнейшем может пойти процесс испарения воды из геля кремниевой кислоты, ведущий к сжатию геля. Он
будет сопровождаться протеканием осмотической коррозии.
Следующий этап процесса разрушения связан с удалением
не только свободной воды, но и химически связанной. Это
приведет к развитию в бетоне усадочных явлений, сопровождающихся интенсивным сжатием геля. Таким образом, при
длительном воздействии повышенных температур будет удаляться одна из составляющих цементного камня – гель
кремниевой кислоты. В результате происходят механические
изменения в системе, приводящие к сжатию и последующему
растрескиванию массы.
26
Понижение температуры приводит к увеличению влажности бетона, что ведет к развитию деформации набухания.
Деформация усадки по абсолютной величине значительно
больше, чем деформация набухания. Таким образом, понижение температуры до 0 °С не вызывает значительных изменений в бетоне. Снижение температуры до отрицательных
значений приводит к процессам, связанным с фазовыми превращениями воды, что вызовет уже весьма существенные
изменения в бетоне. Эксплуатация бетонных конструкций
при циклических колебаниях температур может значительно
повлиять на стойкость материала.
Известно, что при замерзании объем воды увеличивается
примерно на 9 %, что ведет к возникновению значительного
давления на стенки в капиллярах и порах. Подобные многократные процессы приведут сначала к нарушению структуры
цементного камня, далее – к появлению трещин и снижению
прочности бетона. Пористость бетона будет определять общий уровень напряжения. Величина разрывающих напряжений тем меньше, чем меньше пористость. Разрушающее
действие попеременного замораживания и оттаивания усиливается, если вода содержит значительное количество растворенных солей. Кристаллизация этих солей в порах, приводящая к появлению дополнительных напряжений, снижает стойкость конструкций.
Размер пор и капилляров также влияет на развитие процессов разрушения под действием отрицательных температур. Сначала замерзает вода в крупных порах и полостях при
температуре не ниже 0 °С. Дальнейшее понижение температуры приводит к образованию льда в капиллярах значительно меньших размеров. В тонких капиллярах вода замерзает
только при температуре –25 °С. Следовательно, морозостойкость бетона определяется размером капилляров и пор, а
также общей пористостью.
27
Морозостойкость бетона повышают уменьшением его пористости за счет уменьшения водоцементного отношения при
его изготовлении. Для уменьшения размера пор в состав бетонной массы добавляют добавки, которые обеспечивают образование равномерно распределенных в объеме материала
мелких пор.
Повысить устойчивость конструкций из минеральных материалов в условиях эксплуатации при низких температурах
можно увеличением промежутка времени между изготовлением бетонной конструкции и моментом начала воздействия
низких температур. В связи с этим бетонные работы рекомендуют проводить в теплое время года, чтобы до начала заморозков прошло как можно больше времени.
Если это требование нельзя выполнить, то следует воспользоваться «прогревным» методом бетонирования, когда
прогревают все сооружение до положительных температур,
не допускающих замерзания воды.
Поскольку «прогревный» способ зимнего бетонирования
является энергозатратным, он не находит широкого применения в последнее время. Поэтому используют беспрогревный метод, который более прост и экономичен. В процессе
изготовления в бетонную смесь вводят противоморозные
компоненты, понижающих температуру замерзания жидкой
фазы бетона, что обеспечивает условия затвердевания бетона
при отрицательных температурах. При уменьшении температуры скорость всех физико-химических процессов снижается, поэтому замедляется и темп твердения. Это один из основных недостатков беспрогревного метода.
Введение противоморозных добавок может отрицательно
повлиять на структуру бетона. Поэтому в настоящее время
применяют комплексные добавки, которые состоят из противоморозного компонента и пластификатора, позволяющего
снизить содержание воды при изготовлении цементного
28
камня без увеличения жесткости бетонной массы. В качестве
противоморозных добавок используют нитрит кальция, смесь
нитрита натрия с хлоридом кальция, хлорид натрия. Присутствие хлоридов в бетонной массе может стимулировать
питтинговое поражение стальной арматуры, поэтому их применение ограничено для железобетонных конструкций. Повышение морозостойкости бетона при добавлении пластифицирующих добавок происходит как за счет уменьшения водопотребности и, соответственно, капиллярной пористости, так
и вследствие определенного воздухововлечения.
Поверхностная и объемная гидрофобизация также позволяет повысить морозостойкость бетона. В результате применения
этого способа бетонная масса приобретает водоотталкивающие
свойства. При гидрофобизации поверхности стенок капилляров и пор возрастает величина поверхностного натяжения на
границе «вода – бетон». Происходит ухудшение смачиваемости
бетона водой и водными растворами. При смачивании стенок
капилляра вместо вогнутого мениска возникает выпуклый мениск (рис. 2). Образование выпуклого мениска препятствует
проникновению жидкости в толщу бетона в отличие от вогнутого. Вогнутый мениск способствует подсосу жидкости в капилляре и увеличению ее количества в бетонной массе.
Рис. 2. Влияние гидрофобизации на смачивание бетона: а – вогнутый
мениск; б – выпуклый мениск
а)
б)
29
В качестве гидрофобизаторов используют разнообразные
вещества. В основном применяют добавки полигидросилоксана, растворенного в органических растворителях – ксилоле,
толуоле или уайт-спирите.
Поверхностная гидрофобизация бетонной массы осуществляется обработкой растворами веществ, которые адсорбируются на поверхности или даже вступают с ней в химическое
взаимодействие. С течением времени растворитель испаряется, а основные компоненты остаются на поверхности пор и
капилляров.
Объемную гидрофобизацию выполняют в процессе изготовления бетонной смеси, в отличие от поверхностной, заключающейся в поверхностной обработке готовой конструкции. Возможно одновременное применение двух способов.
Объемная гидрофобизация дает лучший результат, так как
гидрофобизаторы быстро теряют свои водоотталкивающие
свойства в поверхностных слоях под действием солнечной
радиации. Более глубокие поверхностные слои бетонной массы сохраняют гидрофобные свойства и длительное время
обеспечивают защитный эффект.
Метод гидрофобизации обеспечивает беспрепятственный
обмен влагой внутренних слоев бетона с внешней атмосферой. Одновременно с этим обменом не происходит проникновения больших количеств воды в толщу бетона. Такой эффект не может быть достигнут при защите непроницаемыми
покрытиями поверхности сооружения.
Способ гидрофобизации имеет ограничения в применении.
Его не применяют при защите напорных сооружений, работающих под давлением. Он не является эффективным при
защите конструкций в сильноагрессивных средах, поскольку
в этом случае происходит послойное разрушение бетонной
массы за счет протекания химических реакций [5].
30
1.8. Особенности коррозии
других минеральных материалов
К группе минеральных относятся природные каменные
материалы. Природные каменные материалы отличаются
прочностью, долговечностью и огнестойкостью. Они широко
применяют благодаря эксплуатационным и эстетическим качествам для облицовочных работ, устройства полов и других
различных покрытий. Материалы изготавливают из мономинеральных и полиминеральных горных пород. Среди горных пород выделяют три основных вида: магматические, осадочные и метаморфические.
Изверженные породы отличаются по показателям и природе. При застывании магмы на глубине ее составные части
постепенно кристаллизуются и приобретают полнокристаллическую структуру. Когда магма вырывается на поверхность и попадает в зону низких температур, образуются породы с мелкокристаллической структурой. В этих условиях ее
компоненты не имеют времени закристаллизоваться, что
способствует образованию мелких кристаллов.
Изверженные материалы, образованные из расплавов, могут иметь не только кристаллическую структуру, но и
аморфную. Они обладают высокой химической стойкостью к
агрессивному воздействию за счет высокой плотности и малой пористости. Кроме этого, эти горные породы имеют хорошую теплопроводность и морозостойкость, высокую твердость
и механическую прочность. Основным недостатком изверженных материалов является высокая чувствительность к
резким колебаниям температуры. Особенно опасны циклические колебания температур. Это связано с различием термических коэффициентов расширения минералов, входящих в
состав изверженных горных пород. В результате температурного воздействия изверженные материалы растрескиваются.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]