Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Основные положения теории агрессивного воздействия сульфатов на материалы на основе цемента

Основные положения теории агрессивного воздействия сульфатов на материалы на основе цемента

11.07.2017

Основной причиной агрессивного воздействия сульфатов на материалы на основе цемента является то, что ионы сульфата, проникая в цементный камень, приводят к возникновению химических реакций с некоторыми твердыми фазами, образуя нерастворимые минеральные соли. Эти нерастворимые минеральные соли, с одной стороны, формируют AFt, гипс и др. набухающие продукты, что приводит растрескиванию, отслаиванию и разрушению бетона; с другой стороны, приводят к диализации и разложению CH и CSH и др. компонентов в затвердевшем цементе и, как следствие, к потере прочности. Выделяют следующие типы реакций:
Образование кристаллов AFt

Ионы SO4в2- из окружающей воды вступают в реакцию с гидроксидом кальция и продуктом гидратации C3A в цементном камне, в результате чего образуются продукты реакции гидратации AFt (ЗСаО*Аl2O3*ЗСаSО4*32H2O). AFt является минералом с очень низкой растворимостью, способным стабильно существовать даже в растворе извести с очень низкой концентрацией. При образовании кристаллов AFt абсолютный объем твердой фазы увеличивается до 94%, образуются тонкие иглообразные или листовые кристаллы. Эти небольшие кристаллы диализируются и набухают при впитывании воды, что приводит к образованию огромных внутренних напряжения в цементном камне, набуханию и растрескиванию материалов на основе цемента. Проведенные исследования показали, что величина внутреннего напряжения набухания зависит от размера и вида кристаллов, образующихся при кристаллизации AFt. При низкой жидкофазной щелочности AFt часто образуются большие полосовые кристаллы, что, как правило, не приводит к критическому набуханию; при высокой жидкофазной щелочности образуются небольшие иглообразные или листовые, а иногда и гелеобразные кристаллы Aft. Эти AFt обладают сильной адсорбционной способностью, что приводит к возникновению значительного набухания за счет водопоглощения и, как следствие, значительных напряжений в структуре материала. Поэтому необходимость контроля жидкофазной щелочности становится одним из эффективных способов уменьшения опасности от набухания AFt.
Образование кристаллов гипса

При концентрации в агрессивном растворе ионов SO4в2- более 1000 мг/л и заполнении в процессе проникновения насыщенного раствора капиллярных гор цементного камня известью образуются не только кристаллы AFt, но и кристаллы гипса. При этом объем кристаллов CaSО4*2H2О увеличивается до 124%, приводя к набуханию, возникновению значительных внутренних напряжений и растрескиванию материалов на основе цемента; кроме того, в процессе получения гипса затрачивается CH, что приводит к потере прочности и уменьшению долговечности.
При растворимости ионов SO4в2- и Ca2+, превышающей или равной растворимости гипса, в соответствии с правилом растворимости продуктов, гипс кристаллизируется и диализирует. На основании исследований, проведенных В.В Kind и другими учеными, подсчитано, что при концентрации ионов SO4в2-в агрессивном растворе менее 1000 мг/л образуется только кристалл AFt; при постепенном увеличении концентрации ионов SO4в2- начинается кристаллизация комплексов AFt-гипс; при высокой концентрации ионов SO4в2- разрушение бетона от кристаллизации гипса играет основную роль.
Действительно, если материалы на основе цемента находятся во влажной или сухой среде, то концентрация ионов SO4в2-, проникающих из окружающих агрессивных сред не очень высокая; достаточно часто, в связи с испарением воды, происходит повышение концентрации агрессивного раствора и. как следствие, разрушение бетона от кристаллизации гипса становится основным фактором. Основная причина разрушения бетонов под действием сульфатов на ряде Китайских объектов (ГЭС Бапанси и Люцзяюая и др.) шла именно по этому механизму.
Воздействие MgSO4

Влияние MgSO4 из всех других типов агрессивного воздействия сульфатов приводит к наибольшему разрушению материалов на основе цемента, что создает определенные трудности для защиты бетонов от агрессивного воздействия MgSO4. Основной причиной такого серьезного агрессивного воздействия является взаимодействие ионов Mg2+ и SO4в2-. Кристаллы гипса и AFt приводят к набуханию материалов на основе цемента и возникновению внутренних напряжений. В то же время, гидроксид кальция приводит к перерождению гидроксида магния и разрушению стабильно существующих продуктов гидратации C-S-H и, как следствие, потере прочности и вязкости материалов на основе цемента. При длительном воздействии сульфата магния цементный камень становится мазеобразным материалом.
Сульфатная коррозия щелочного типа

При сульфатной коррозии в условиях достаточно высокой концентрации сульфата натрия в порах материалов на основе цемента диализируются соли NSH10; при взаимодействии их с кристаллической водой происходит возникновение значительных напряжений и, как следствие, разрушение материалов на основе цемента. Подобное явление особенно часто наблюдается в том случае, когда одна часть сооружения находится в соляном растворе, а другая - на воздухе; раствор соли под действием капиллярных сил всасывания поднимается выше границы жидкости, вода из соляного раствора испаряется, что приводит к ускорению деструкции материалов на основе цемента.
Образование таумасита

В 60-х г. XX века при исследовании материалов на основе цемента, подвергающихся воздействию сульфатов и карбонатов, был обнаружен минерал таумасит (Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)6*12(Н2О)). В январе 1999 года в Бирмингемском университете (Англия) профессор Lee CIarke с коллегами впервые выявил этот тип сульфатной деструкции в своем докладе, назвав его деструкцией TSA-типа. Обычно считают, что таумасит образуется двумя способами: во-первых, при протекании реакции, возникающей при определенных условиях, между продуктами гидратации цемента (гели C-S-H) с сульфатами и карбонатами; во-вторых, в процессе постепенного трансформирования переходных фаз Si-AFt.
Образование минералов в результате непосредственной (прямой) реакции

Из цементных минералов C3S и B-C3S в процессе гидратации образуются гели C-S-H (обычно C3S3H3), которые являются источником основных вяжущих веществ и влияют на прочность цементного камня. Введение при производстве цемента небольшого количества гипса позволяет регулировать сроки схватывания; ионы Ca2-, содержащиеся в цементе, вступая (в процессе проникновения в них сульфатных растворов) в реакцию с SO4в2- также приводят к образованию гипса. При использовании в качестве заполнителя известняка наблюдается протекание реакции ионов CO3в2- (из окружающих агрессивных сред или при растворении CO2. содержащегося в воздухе, в воде) с продуктами гидратации цемента Ca(OH)3 с образованием CaCO3. При наличии достаточного количества воды и оптимальной температуре эти три вида веществ приводят к непосредственному образованию кристаллов таумасита.
Несмотря на то что данный процесс идет очень медленно, он приводит к трансформированию геля C-S-H в цементном камне в кристаллы таумасита, не обладающие вяжущими свойствами, и, как следствие, к разрушению и деструкции материалов на основе цемента. Образовавшийся в процессе реакции CH может быстро реагировать с растворенным в воде СО2 с образованием CaCO3, который также участвует в образовании кристаллов таумасита. Исследования, проведенные Gaze и Crammond, показали, что образование кристаллов обязательно наблюдается при существовании в системе ионов CO3в2- и SO4в2- и pH раствора более 10.5.
Образование минералов путем трансформирования переходных фаз Si-Aft

Кроме гелей C-S-H, возникающих в процессе гидратация C3S и B-C2S, в результате протекания реакции между C3A и C4AF с гипсом образуются кристаллы AFt. При соответствующих условиях окружающей среды (при наличии карбоната кальция и воды) происходит образование твердого раствора эттрингита (Afk) и таумасита (Si-AFt). Эти реакции протекают достаточно медленно, однако, образующиеся кристаллы таумасита значительно увеличивают скорость реакции. Скорость образования кристаллов таумасита в процессе трансформирования Si-AFt протекает быстрее, чем при непосредственной реакции.
Юай Ян, Ко Лай-Хунг на основе исследований сульфатостойкости бетонов, содержащих известняк, эксплуатирующихся в растворе 10% MgSО4 при температуре 3,10 и 20° С сделали следующие выводы:
(1) материалы на основе цемента, содержащие известняк, подвергающиеся агрессивному воздействию сульфатов при температуре ниже 10° С наиболее сильно подвергаются деструкции TSA-типа, т.е. разрушение материалов на основе цемента при протекании непосредственной реакции происходит быстрее;
(2) введение зол улучшает защиту материалов на основе цемента, эксплуатирующихся в условиях сульфатной коррозии TSA-типа.