ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.По результатам измерения потенциалов составить потенциальную диаграмму рельса и ПМС, представить ее в черновом варианте. Определить длину анодной зоны ПМС, lА.

6.Рассчитать среднюю скорость коррозии ПМС. По закону Фарадея, определить потерю массы металла и рассчитать скорость коррозии анодной зоны ПМС по методу коррозионного:

7.Предъявить результаты работы преподавателю, объяснив их содержание, механизм происходящих процессов.

8.Оформить и сдать отчет, защитив его.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какова причина возникновения блуждающих токов?

2.В чем сущность процессов коррозии?

3.Каково распределение потенциалов на рельсах и подземных сооружениях?

4.Объясните сущность применяемых методов борьбы с коррозией от блуждающих токов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высш. шк., 2000.-с.

2.Зубрев Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. –М.:

УМК МПС РФ, 1999. С.154-155

3.Котельников А.В., Блуждающие токи электрифицированного транспорта. – М.: Транспорт, 1986, 279 с.

62

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 49

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОМ РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ

Цель работы: изучить процесс образования и механизм протекания химической коррозии цементного камня и электрохимической коррозии стальной арматуры.

Рабочее задание: 1) измерить стационарный потенциал (Ест) арматуры в бетоне; 2) определить водородный показатель (рН) среды бетона; 3) определить весовым способом скорость химической коррозии бетона в 1 Н растворе соляной кислоты. Написать гетерогенные химические реакции нейтрализации и обмена, составить и оформить отчет.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

1. Химический состав цементного камня

Одним из наиболее распространенных материалов на рельсовом транспорте: железнодорожном, трамвайном, метро является бетон и железобетон.

На электрифицированном железнодорожном транспорте применяется около 1,5 млн железобетонных опор контактной сети, более 130 млн подрельсовых оснований – железобетонных шпал, подземные и другие искусственные сооружения.

Химический состав цементного камня определяется реакциями гидратации и гидролиза минералов цементного клинкера (лабораторная работа № 46 «Тепловые эффекты реакции гидратации вяжущих веществ»). Затвердевший бетон состоит из связующего вещества – цементного камня и каменного наполнителя: щебня и песка. Цементный камень – сложное химическое соединение, состоящее из малорастворимых кристаллогидратов, которые образуются в процессе схватывания и твердении, реакций гидратации и гидролиза минералов цементного клинкера.

Клинкер, продукт обжига сырьевой смеси: глины и известняка. Портландцементный камень состоит из кристаллогидратов: двухкальциевый гидросиликат – 2СaO·SiO2·nH2O, трехкальциевый гексагидроалюминат – 3CaO·Al2O3·6H2O, однокальциевый гидроферрит – CaO·Fe2O3·nH2O, гидросульфоалюминат кальция (ГСАК) 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31(32)H2O и свободной извести, получаемой при гидратации и гидролизе трехкальциевого силиката, при затворении портландцемента водой, по реакции

63

в кристаллогидратах n изменяется в широком интервале от 6 до 30. Наличие свободной извести в значительной степени определяет хими-

ческую коррозию бетона. Коррозия бетона почти всегда начинается с коррозии цементного камня, химическая стойкость которого меньше, чем каменных заполнителей.

В цементном камне имеются открытые и закрытые поры и капиллярные ходы, заполненные воздухом и водой.

Агрессивными по отношению к портландцементному камню могут быть речные, морские, грунтовые, дренажные, сточные воды, а также находящиеся в воздухе кислые газы: СО2 , SO2, SO3, H2S, окислы азота NO-N2O5.

Насчитываются сотни веществ, которые практически могут оказаться коррозионно-опасными для цементного камня, в т.ч. пылевидные: KCl, NaCl и т.д.

Различают три вида химической коррозии бетона: первого, второго и третьего видов.

2. Коррозия бетона первого вида и ее предупреждение

Коррозия первого вида обусловлена растворением в воде составных частей цементного камня. Наиболее распространенным случаем такой коррозии является выщелачивание (вымывание) водой гидрата окиси кальция Са(ОН)2, этот физико-химический вид коррозии приводит к увеличению пористости бетона и к снижению его прочности.

Коррозия первого вида способствует продолжению гидролиза высокоосновных гидросиликатов кальция по уравнению (1): сначала трехкальциевого до двухкальциевого, затем до однокальциевого и т.д. с потерей прочности.

Установлено, что при потере примерно 10% СаО – прочность цементного камня снижается на 10%, при потере 20% СаО – на 15%. При потере 33% СаО наступает полное разрушение цементного камня по схеме

3СaO·SiO2 → 2СaO·SiO2 → СaO·SiO2 → SiO2.

Для уменьшения скорости коррозии первого вида проводятся следующие мероприятия.

1. Карбонизация поверхности бетона углекислым газом из окружающей атмосферы

На поверхности бетона образуется плотная, нерастворимая карбонатная пленка СаСО3.

В природных и других водах при избытке углекислоты (СО2) создается подвижное равновесие

64

Агрессивным по отношению к бетону является только избыточное по сравнению с равновесным количество уклекислоты. На границе т/г (твердое/газообразное) небольшой избыток СО2 не опасен.

В водах с высокой временной жесткостью, т.е. с высоким содержанием Са(НСО3)2, Mg(НСО3)2 опасность избытка СО2 снижается. Скорость коррозии первого вида снижается, образуется нерастворимое соединение СаСО3, заполняющего поры бетона, повышается непроницаемость цементного камня.

2.Для снижения выщелачивания, пористости применяют бетоны с повышенной плотностью за счет снижения водоцементного отношения (В/Ц) при затворении водой, путем применения поверхностно-активных веществ (ПАВ), повышающих пластичность бетонной смеси в процессе укладки, формования и уплотнения.

3.Применяют цементы с уменьшенным содержанием трехкальциевого силиката, 3СaO·SiO2 для снижения интенсивности реакции (1) и содержания

вцементном камне свободной извести Са(ОН)2.

4.Эффективным методом борьбы является связывание свободной из-

вести с помощью активной двуокиси кремния (SiO2), гидравлической добавки, содержащейся, например, в доменных шлаках. С этой целью при помоле цементного клинкера вводят шлаки до 12%. В процессе схватывания и твердения бетона, выделяющаяся свободная известь, взаимодействует с двуокисью кремния с образованием гидросиликатов кальция по реакции

5. Для предупреждения коррозии первого вида необходимо применять гидроизоляцию поверхности бетонных конструкций путем оклейки, облицовки, пропитки гидрофобными, гидроизолирующими материалами в виде плитки, пленки, смол, краски и т.д.

С этой целью, фундаменты сооружений покрывают слоем гудрона, опоры контактной сети и другие бетонные конструкции пропитывают мономерными и полимерными органическими веществами (метилметакрилат, стирол с последующей полимеризацией), применяют полимерцементные бетоны и покрытия из них.

3. Химическая коррозия бетона второго рода и защита от нее

При коррозии бетона второго вида происходят гетерогенные ионномолекулярные реакции обмена составляющих цементного камня с веществами окружающей среды путем образования малорастворимых, менее плотных, более рыхлых веществ с последующим их вымыванием из бетона.

1. Значительное распространение имеет углекислотная коррозия в водной среде, приводящая к декарбонизации поверхностного защитного слоя по реакции (3) СаСО3 + СО2 + Н2О ' Са(НСО3)2.

65

В результате образуется легко растворимое вещество гидрокарбонат кальция, происходит декарбонизация, уменьшение рН защитного слоя бетона, повышается вероятность коррозии арматуры.

2. В водах, содержащих соли магния, происходит магнезиальная кор-

розия

В результате получаются растворимые, малорастворимые соли и рыхлое соединение Mg(OH)2, вымываемые водой.

3. По второму типу коррозии происходит взаимодействие составляющих цементного камня с кислотами, например

Для защиты от коррозии второго вида необходимо применять бетоны повышенной плотности, уменьшать содержание свободной извести в бетоне, обеспечивать защиту от воды (гидроизоляцию) поверхности бетонных конструкций путем оклейки, облицовки водонепроницаемыми, коррозионностойкими материалами, либо за счет нанесения лакокрасочных покрытий.

4. Коррозия бетона третьего вида

Коррозия третьего вида происходит с образованием в цементном камне соединений, имеющих больший объем, чем исходные вещества, что приводит к внутренним напряжениям растяжения и образования трещин в бетоне.

Наиболее распространенным случаем коррозии третьего вида является сульфатная коррозия.

Сульфаты встречаются в большинстве природных вод, а также в сточных водах. В результате реакций обмена с цементным камнем вода в порах насыщается малорастворимым двуводным сульфатом кальция (гипсом):

Образующийся двуводный гипс взаимодействует с трехкальциевым гексагидроалюминатом цементного камня с образованием высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (ГСАК)

3CaO·Al2O3·6H2O + 3CaSO4·2H2O +23H2O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O (9)

Объем образующегося ГСАК увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с суммарным объемом исходных продуктов, вследствие чего воз-

66

никают внутренние напряжения в цементном камне и бетоне, достигающие предела их прочности.

ГСАК в цементном камне называют по имени французского исследователя Т. Каидло – солью Каидло, «цементной бациллой», а также эттрингитом. Борьбу с коррозией третьего вида можно вести теми же методами, что и

скоррозией 1-го и 2-го видов:

1)уменьшая содержание в цементном клинкере окиси кальция; и уменьшая содержание в цементном камне свободной извести по уравнению

(1);

2)введением в состав цемента гидравлической добавки в виде актив-

ного, аморфного кремнезема SiO2, содержащегося в шлаке. В результате происходит нейтрализация свободной извести по реакции (4);

3)путем повышения плотности бетона за счет применения поверхност- но-активных веществ (ПАВ) и уменьшения водоцементного отношения В/Ц при приготовлении бетонной смеси;

4)применением защитных гидроизолирующих слоев на поверхности бетонных конструкций в виде оклеечной, облицовочной или лакокрасочной изоляции.

Практика показывает, что в природе редко встречается коррозия только одного вида. Как правило, различные коррозионные процессы протекают одновременно, накладываются друг на друга, в целом ускоряют процессы коррозии бетона.

5. Коррозия и защита железобетона

Условия совместной работы арматуры и бетона. Электрохимическая коррозия арматуры.

Железобетон – это сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединенных и работающих в конструкции как единое целое. Совместная работа материалов в железобетоне обеспечивается прочным сцеплением бетона с арматурой, относительной близостью значений температурных коэффициентов линейного расширения обоих материалов. Бетоном обычно воспринимаются сжимающие усилия, а арматурой растягивающие. В результате достигается высокая прочность, долговечность, простота формообразования.

Коррозия стали в бетоне не допускается. Начавшийся процесс коррозии арматуры приостановить трудно.

Обычно бетон имеет сильно щелочную среду, рН = 12-13, иногда больше. В этих условиях стальная арматура находится в пассивном состоянии. Стационарный потенциал стали находится в положительной области значений, окисление (коррозия стали) термодинамически невозможно.

Однако стечение некоторых неблагоприятных условий: повышенная влажность воздуха и бетона, водная среда, сравнительно легкий доступ кислорода к поверхности арматуры, обусловленный пористостью цементного

67

камня, понижение рН до значений ниже 11,5; нарушение целостности защитного слоя бетона может вызвать коррозию арматуры, которая имеет электрохимический механизм.

Роль электролита выполняет пористый слой бетона, заполненный водой и кислородом. Причины образования коррозионной пары электродов анод-катод могут быть различные: химическая, структурная неоднородность сплава арматуры, приводящая к электрохимической неоднородности поверхности арматуры, дифференциальная аэрация кислородом поверхности арматуры, образование трещин защитного слоя бетона.

В результате образуются короткозамкнутые микро- и макрокоррозионные пары (КП), подобные КП при атмосферной коррозии и коррозии в электролитах (смотри атмосферную коррозию и коррозию в электролитах). Образование КП можно показать рисунками 1 и 2.

Электрохимические схемы КП и реакции на электродах аналогичны таковым при электрохимической коррозии.

6. Электрокоррозия арматуры в бетоне

Защитный слой бетона подвергается химической коррозии 1-го, 2-го и 3-го видов. Электрохимическая коррозия арматуры (ЭХКА) может усилиться электрокоррозией при попадании на нее токов утечки или блуждающих токов от электрифицированного рельсового транспорта.

Место стекания токов с арматуры является анодом. На нем происходит окисление железа. Фактически в слое бетона, выполняющего роль электролита, насыщенного различными ионами, будет приходить электролиз, подоб-

68

ный электрокоррозии в грунте под действием блуждающего тока (смотри электрокоррозию ПМС под действием блуждающих токов).

Сначала на пассивной поверхности арматуры при потенциале +0,8В (по водородной шкале) и более начинается процесс окисления гидроксогруппы и молекул воды по реакции

Так как доставка путем диффузии и путем переноса тока гидроксогрупп ОН- к поверхности анода на арматуре затруднена, в прианодной области понижается рН, пассивная пленка на стали разрушается, начинается процесс депассивации, активации поверхности арматуры и наступает окисление железа по реакциям

Образуется гидрозакись железа Fe(OH)2 и гидроокись железа Fe(OH)3, причем на определенном расстоянии от поверхности железа.

В результате нарушается сцепление арматуры с бетоном.

Объем продуктов коррозии увеличивается в 2-4 раза, что создает условия для развития трещин в изолирующем слое бетона. Арматура и бетон перестают работать как единое целое.

Место прихода тока утечки или блуждающего тока в арматуру является катодом. На нем будут происходить реакции восстановления молекул кислорода, затем молекул воды

В соответствии с СНиП опасными являются плотность тока утечки с арматуры, превышающая 0,6·10-3А/дм2, и потенциал на границе арматура – бетон свыше 0,8 В по отношению к водородному электроду, или 0,5 В по отношению к насыщенному медносульфатному электродам сравнения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель:

1.Определить потенциал арматуры в бетоне до опыта и после опыта, сделать вывод о ее коррозионной стойкости.

2.Определить кислотно-основную среду в цементном камне, водородный показатель среды.

3.Определить скорость химической коррозии цементного камня в 1 Н соляной кислоте весовым методом.

69

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получить коррозионный образец, используя вольтметр В7-47 и хлорсеребряный электрод сравнения ЭВЛ-1М. Определить потенциал арматуры и степень ее пассивности по формуле

Е0 , В − Ест , В 100%

Е0 , в

до опыта и после опыта. Сделать вывод о коррозионной стойкости арматуры.

2.Снять оболочку с образца, слегка смочить поверхность цилиндра, нанести каплю фенолфталеина, дать подсохнуть, определить цвет и среду бетона.

С помощью индикаторной бумаги определить величину рН бетонной смеси при затворении цемента водой. Сделать вывод о влиянии среды бетона на коррозионное поведение арматуры.

3.Определить площадь поверхности цилиндрического образца (см2). Взвесить образец на технических весах ВЛТК до опыта, записать результат (в граммах). Поместить образец на подвеске в стакан с раствором 1 Н НCl (150 мл) на 30 минут. Наблюдать за результатом химической коррозии цементного камня. После опыта промыть образец под краном, дать стечь избытку воды. Поместить образец в сушильный шкаф на подписанный брига-

дой лист бумаги.

Температура в сушильном шкафу не должна превышать 600С. Продолжительность сушки до постоянного веса одни сутки.

После сушки взвесить образец, рассчитать скорость коррозии весовым методом.

Написать реакции взаимодействия составляющих цементного камня с соляной кислотой.

4.Сделать вывод по проделанной работе, оформить и сдать отчет преподавателю.

70