Коррозия портландцемента в растворах солей
Разработка технологии производства и применения специальных портландцементов, обладающих стойкостью при действиии морской и других видов минерализованных вод, была вызвана тем, что обычные портладцементы в этих условиях разрушались. Долголетние исследования позволили установить физико-химические процессы, вызывающие коррозию портландцемента.
Возможны следующие виды коррозии: 1 — связанная с выщелачиванием растворимых частей цементного камня (агрессивность выщелачивания); 2 — вызываемая обменными реакциями между цементным камнем и агрессивной жидкой средой, в результате образуются легко растворимые соединения не обладающие вяжущими свойствами (агрессивность углекислая, общекислотная и магнезиальная); 3 — обусловливаемая развитием и накоплением в цементном камне малорастворимых кристаллизующихся солей (агрессивность сульфатная).
Выщелачивание при действии пресных вод, главным образом мягких, характеризующихся малой жесткостью, происходит из-за растворения гидроксида кальция. Вода насыщается известью, если содержание СаО будет ниже 1,08 г/л воды. Это вызывает разложение гидроалюмината кальция, что приводит к образованию гидроксида кальция и к его растворению под действием вод, омывающих бетонную конструкцию. Растворимость Са(ОН)2 увеличивается в водах с малой жесткостью, т. е. с малым содержанием бикарбоната кальция и магния.
При высокой жесткости вода может сыграть даже известную положительную роль, так как способствует образованию нерастворимого соединения — углекислого кальция, отлагающегося в порах бетона и тем самым уплотняющего его. Реакция протекает по уравнению
Са(ОН)2 + Са(НС03)2 = 2СаС03 + 2Н20.
В результате этой реакции происходит также карбонизация поверхностных Слоев бетона, аналогичная той, которая вызывается действием атмосферной углекислоты.' Сущность углекислой агрессии заключается в следующем. Для того, чтобы удержать бикарбонаты кальция и магния в растворе, необходимо в силу обратимости реакции наличие некоторого количества свободной С02, называемой равновесной. Эта углекислота не оказывает вредного действия на бетон, так как она не может растворять углекислый кальций. Если в воде содержится С02 сверх количества, необходимого для того, чтобы удержать в растворимом состоянии бикарбонаты кальция и магния, то этот избыток может реагировать с СаС03 по обратимой реакции: СаСО3+С02 + Н2О+Са(НС03)2. Прореагировавшая часть углекислоты называется агрессивной; другая ее часть — равновесной по отношению к вновь образовавшемуся количеству бикарбонатов. Следовательно, агрессивность содержащейся в воде С02 зависит от временной жесткости воды, ибо чем она больше, тем больше равновесной углекислоты и меньше агрессивной. Количество агрессивной С02 можно определить опытным и расчетным путем. По экспериментальным данным скорость действия агрессивной С02 растет пропорционально примерно квадрату ее содержания.
Общекислотная агрессия возникает обычно при действии на бетон речных вод, сильно загрязненных промышленными сточными водами. Скорость коррозии бетона зависит от кислотного аниона. Кислые воды растворяют и разрыхляют, в первую очередь, поверхностные карбонизированные слои цементного бетона. Дальнейшая коррозия будет зависеть от ряда обстоятельств, которые должны рассматриваться в каждом отдельном случае применительно к виду той или иной кислоты и ее концентрации.
Магнезиальная агрессия происходит при определенной концентрации катионов магния. Вода, содержащая хлористый магний, взаимодействует прежде всего с гидроксидом кальция цементного камня по реакции:
Са(ОН2) + MgCl2 = СаСl2 + Mg(ОН)2.
Хлористый кальций довольно легко растворяется в воде, а остающийся на месте реакции плохо растворимый в воде гидроксид магния выпадает в рыхлый осадок белого цвета. В результате растворения извести нарушается структура цементного камня, а гидроксид магния не является структурным элементом.
При высокой концентрации ионов воде они взаимодействуют с ионами Са2+ и образуют дополнительные количества сульфата кальция. Из-за увеличения его объема при кристаллизации в виде двуводной соли появляются напряжения в местах его образования в цементном камне, что может разрушать бетон. Если портландцемент содержит высокоактивную минеральную добавку (трепел, опоку и др.), то вследствие значительного химического связывания гидроксида кальция кремнекислотой, введенной в состав цемента с активной минеральной добавкой, концентрация извести в окружающей среде может оказаться столь низкой, что трехкальциевый гидроалюминат растворяется.
Под действием проникающих в бетон сульфатных ионов образуется гидросульфоалюминат кальция уже в жидкой фазе, вследствие чего его кристаллизация не вызывает таких больших разрушающих напряжений, как это бывает при образовании гидросульфоалюмината кальция по указанной выше схеме, когда трехкальциевый гидроалюминат находится в твердой фазе. Гидросульфоалюминат кальция, кристаллизуясь в порах цементного камня, заполненных водой, может оказать в этом случае даже положительное влияние па уплотнение структуры цементного камня.
Большинство природных вод, в особенности морские, содержат значительное количество хлоридов натрия, что несколько меняет характер некоторых видов коррозии. Однако установлено, что влияние хлоридов менее значительно и что сульфатная агрессия все же происходит, хотя в несколько меньшей степени.