Omskvorota.ru

Строим дом
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Коррозия цементного камня москвин

Коррозия бетона и методы борьбы с ней. Физическая коррозия. Химическая коррозия: углекислотная, сульфатная, магнезиальная, записать реакции.

Date: 2015-10-07 ; view: 336 .

Вопрос 55

Бетон – это искусственный каменный материал, состоящий из цемента, песка, воды и щебня. При затвердевании уплотненной смеси вяжущего вещества (цемент) с заполнителем образуется бетон. В качестве заполнителя может быть использован щебень, песок, гравий.

Коррозия бетона – процесс разрушения его структуры, охрупчивания под воздействием окружающей среды. Коррозия бетона может быть трех видов.

При эксплуатации инженерных сооружений в жидких и газовых средах бетон может подвергаться химической коррозии. Коррозия в газообразной среде протекает обычно при наличии влаги и так же, как в воде.

В соответствии с классификацией, предложенной В.М. Москвиным, химическую коррозию цементного бетона разделяют на три вида. В чистом виде она встречается редко. Чаще совмещаются два вида коррозии.

Коррозия первого вида происходит в результате растворения составляющих цементного камня водами с малой временной жесткостью. Эта вода горных рек, дождевая, болотная, конденсат. Уменьшает агрессивность воды содержание в ней Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2. И только вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4-0,7 мг экв/л является агрессивной. Разрушение цементного камня начинается вымыванием Са(ОН)2, растворимость, которой составляет 1,2 г/л в расчете на СаО, а затем идет разрушение клинкерных минералов. Выщелачивание 15-30% СаО цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40-50%.

Стойкость бетона можно повысить применением более плотных бетонов, пуццолановых портландцементов и шлакопортландцементов. Добавки в цементах связывают известь в нерастворимые соединения. При выдерживании изделий на воздухе в результате взаимодействия Са(ОН)2 с СО2 на поверхности бетона образуется малорастворимый карбонат кальция СаСО3, который не выщелачивается водой.

Коррозия второго вида происходит в результате взаимодействия составляющих цементного камня с кислотами и некоторыми солями. При обменных реакциях образуются не имеющие прочности легкорастворимые соединения. К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.

Углекислотная коррозия. Углекислый газ СО2, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н2СО3. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция СаСО, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, Н2СО3 и СаСО3 должны находиться в равновесном состоянии: СаСО3 + Н2СО3 Са (НСО3)2. Эта угольная кислота не является агрессивной по отношению к цементному камню. Если количество углекислоты больше, чем равновесное, она становится агрессивной и способна разрушить цементный камень по реакциям:

Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой. Углекислотная коррозия происходит в результате действия растворов неорганических и органических кислот при их рН CaSO4 + 2NaOH, а затем CaSO4 с минералом С3А. Сульфат кальция CaSO4 сразу реагирует с минералом С3А (ЗСаО х Аl2О3):

В результате взаимодействия образуется кристаллический трехсульфатный гидроалюминат (этрингит) с объемом в 2,8 раза большим объема исходных веществ.

Для предотвращения этого вида коррозии применяют глиноземистый цемент, сульфатостойкие портландцемента и бетоны повышенной плотности.

Сульфатно-магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень сульфата магния MgSO4. Реакция идет по схеме: Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = CaSO4 х2Н2О + Мg(ОН)2. Образуется рыхлая масса Мg(ОН)2 и кристаллы CaSO4 х 2Н2О, которые растворяются в воде. Влияние на цемент сказывается при концентрации MgSO4 более 0,5-0,75%. Происходит совмещение двух видов коррозии — магнезиальной и сульфатной.

Для повышения стойкости бетона при коррозии 1-го вида используют:

  • бетоны повышенной плотности;
  • специальные цементы, в частности пуццолановые;
  • гидроизоляцию бетона;
  • облицовку или пропитку бетона.

Для защиты бетона от коррозии 2-го вида используют следующие приемы:

  • правильный выборцемента;
  • повышение плотности бетона;
  • защита поверхности бетона специальными красками;
  • облицовка и др.

Основными мероприятиями по борьбе с коррозией бетона 3-го вида являются:

  • выбор цемента в зависимости от условий службы конструкций и степени агрессивности среды;
  • введение воздухововлекающих, пластифицирующих добавок типа СДБ, повышение плотности бетона различными способами, в том числе применением низких ВЦ и уплотняющих добавок.

Если указанные средства не могут обеспечить защиту, то необходимо прекратить доступ воды к поверхности бетона, т.е. применить поверхностную защиту.

Коррозия бетона

Дата добавления: 2013-12-24 ; просмотров: 1349 ; Нарушение авторских прав

Влияние напряженно- деформированного состояния (НДС) на водонепроницаемость бетона

Основные положения по расчету состава водонепроницаемого бетона

Для расчета водонепроницаемого бетона необходимо знать, что водонепроницаемость бетона зависит от цементно- водного отношения (формула) и имеет связь с прочностью и морозостойкостью бетона ( график):

В/Ц
W F R

W = aRц*(Ц/В- В)

Таким образом, можно сделать вывод, что пористость – это функция отношения воды к цементу. А прочность R, морозостойкость F, водонепроницаемость W – это функция от пористости.

Для обеспечения низкой проницаемости необходимо ограничивать В/Ц бетонной смеси не более 0,5, создать длительные благоприятные условия твердения, применить уплотняющие добавки и специальные цементы.

σt/Rt
Wσ/W
σ/R
W

σt / Rt – уровень растягивающих напряжений;

σ/R – уровень сжимающих напряжений;

σt – растягивающее напряжение;

Wσ – реальная водонепроницаемость;

W – водонепроницаемость испытываемых образцов;

R – прочность при сжатии

Согласно данному графику, можно сделать соответствующие выводы о том, какая из представленных на графике величин воздействует на состояние бетона.

Под коррозией подразумевается гидратация ( разрушение ) бетона во времени, обусловленное физическими, физико- химическими и химическими процессами, происходящими в структуре бетона, в результате его взаимодействия с окружающей средой без учета влияния механических напряжений от нагрузок.

Существует классификация коррозии по Москвину:

1.Коррозия 1 типа: есть результат разрушения бетона в результате воздействия на него « мягких» вод при омывании или фильтрации. Механизм коррозии сводится к следующему: в результате гидратации алита одним из продуктов является Ca(OH)2 – портландит, имеющий растворимость в воде до 1,2 г/л.

R

Существует зависимость между прочностью бетона и содержанием портландитом:

%, Ca(OH)2

Удаление примерно 30%Ca(OH)2 из цементного камня влечет за собой потерю всей прочности цементного камня.

Условно безопасная граница удаления Ca(OH)2 из цементного камня ≈ 10%.

Способ защиты против коррозии 1типа: плотнее необходимо изготавливать бетон, т.е. необходимо повышать марку по водонепроницаемости.

2.Коррозия 2 типа: обменные реакции между продуктами и поступающими из вне агентами, в результате которых образуются либо легко растворимые соединения, либо соединения, не обладающие вяжущими свойствами, либо соединения, вызывающие коррозию 3 типа.

При этом типе коррозии происходят следующие реакции:

Малорастворимый осадок, не обладающий вяжущими свойствами
Идет в коррозию 3типа

Ca(OH)2 + MgSO4 CaSO4 +Mg(OH)2

Ca(OH)2 + NaCl Ca 2+ Cl — + Na + + OH —

Эта коррозия характеризуется тем, что вода растворяет и уносит растворенные соединения. Следовательно, коррозия 2 типа идет только в воде.

H2O

Карбонизация происходит так:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O – образуется нерастворимое соединение

Таким образом, все виды коррозии 2 типа основаны за счет химического взаимодействия; в той или иной форме уходит Ca(OH)2.

Способ защиты против коррозии 2 типа: необходимо повышать марку бетона по водонепроницаемости.

3.Коррозия 3 типа: разрушение бетона в результате позднего образования гидросульфоалюминатов кальция (ГСАК) – вторичные продукт- при воздействии на бетон сульфатов ( так называемая сульфатная коррозия).

В составе цемента есть трехкальциевый алюминат , который взаимодействует с водой с образованием гидроалюминатов кальция. Далее к полученному образованию добавляют гипсовый камень для замедления сроков схватывания. В результате образуется эттрингит, который тормозит дальнейшую быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя и замедляет схватывание цемента на 3…5ч:

гидроалюминаты Ca
эттрингит

C3A + H2O CxAHn + CaSO4* 2H2O 3CaO*Al2O3*3CaSO4*(30-32) H2O

Эттрингит для воды не проницаем ( его объем составляет в 2 раза больше, чем суммарный объем образующих его веществ, что приводит к растрескиванию бетона).

Активный эттрингит образуется при повышенном рH- среды, а пассивный эттрингит – при пониженном рH – среды.

Способ защиты против коррозии 3 типа: использование сульфатостойких цементов, которые отличаются повышенной устойчивостью к действию сульфатных вод, что обеспечивается пониженным содержанием С3А. Изготавливают этот цемент из клинкеров нормированного минералогического состава:

Механизм работы коррозии 3 типа: уменьшение гидросульфоалюминатов кальция ведет к уменьшению образования эттрингита. Чем меньше С3А , тем меньше гидроалюминатов кальция; и чем меньше трехкальциевого силиката С3S, тем меньше Ca(OH)2, следовательно, уменьшается pH – среды. А это значит в меньшей степени будет образовываться эттрингит.

Выделяют внутреннюю коррозию (щелочную): происходит в результате взаимодействия щелочей, содержащихся в цементе с аморфным микрокремнеземом ( опал, халцедон), содержащимся в некоторых заполнителях:

Аморфный кремнезем

Na2O + K2O = R2O + (SiO2)

Далее образуется гель кремнекислоты, объем которого больше объема своих компонентов. В результате происходит растрескивание бетона. Образуются нерегулярные и хаотичные трещины.

Способ защиты против внутренней коррозии: необходимо следить, чтобы в цементе содержание щелочи и реакционно- активного кремнезема в заполнителях было минимальным.

свая
соль
H2O + соль
H2O

Есть еще такой вид коррозии как солевая коррозия: по своему сути имеет хаотичный характер. Происходит в результате кристаллизационного давления выпадающих в порах бетона солей. Рассмотрим пример солевой коррозии:

Соли при кристаллизации образуют сильное давление на поверхности сваи и разрывают изделие.

Виды и характеристика коррозии цементного камня. Борьба с коррозией.

Коррозия цементного камня

Не так давно в одной из статей мы говорили о таком понятии как тампонажный камень, где определили его основные свойства и характеристики. Также в этой статье мы упомянули об одном из наиболее значимых процессов, который влияет на состояние тампонажного камня в скважине и его способность выполнять свои функции – коррозии.

Коррозия цементного камня — это процесс разрушения материала, образуемого после затвердения тампонажного раствора в скважине. Данное разрушение обусловлено воздействием на тело камня внешних факторов. По типу вызывающих коррозию цементного камня факторов можно выделить два основных ее вида: речь идет о физических и химических коррозиях тампонажного материала. Также существуют такие менее распространенные ее разновидности – биологическая и электрохимическая.

Физическая коррозия цементного камня предполагает в качестве причины своего возникновения наличие какого-либо фактора физического характера. Это могут быть температурные колебания или значительное термическое воздействие, негативное влияние содержащейся в окружающей среде влаги, а также разрушение камня вследствие кристаллизации солей. Все эти эффекты способны нанести значительный урон, особенно – в зонах распространения многолетнемерзных пород, где данный вид коррозийного процесса может привести к смятию обсадной колонны после остановки скважины. Входящая в эту категорию термокоррозия в значительной степени характерна для объектов в виде высокотемпературных скважин, что необходимо учитывать при проведении работ по цементированию.

Химическая коррозия тампонажного камня предполагает его разрушение вследствие воздействия агрессивных химических сред. В окружающей материал воде часто содержится значительное количество растворенных солей, которые создают сложную многокомпонентную среду, а потому при разработке мер защиты ориентируются на преобладающий тип.

Среди менее изученных типов коррозии тампонажного камня необходимо выделить биологическую – то есть процесс разрушения, детерминированный наличием микроорганизмов и бактерий. Их продукты жизнедеятельности также оказывают негативный эффект на состояние цементного камня, постепенно приводя к снижению его способности выполнять свои функции.

Еще один интересный вид коррозии тампонажного камня – электрохимическая. Так называемые блуждающие токи, которые могут использовать в качестве проводника обсадную колонну и само тело камня, способны переносить отдельные ионы, что также обуславливает коррозийный процесс особого типа.

Коррозия цемента, виды коррозии и борьба цементной коррозией.

Уже давно было замечено, что сооружения, возведенные на цементе, в некоторых водах (минерализованных, мягких и кислых), постепенно разрушались, корродировались. Поэтому пришлось принять ряд мер для повышения долговечности гидротехнических сооружении. Так, начатый строительством в 1868 г. Одесский порт уже возводился инж. Августиновичем на смеси цемента с гидравлической добавкой, а не на чистом цементе, что существенно повысило прочность сооружения.

В дальнейшем широко развернулись работы по изучению коррозии цементов и методов борьбы с ней, были созданы эффективные мероприятия па борьбе с различными видами коррозии.

В. М. Москвин выделяет три основных вида коррозии бетона.

Коррозия первого вида характеризуется растворением составных частей цементного камня и в первую очередь гидрата окиси кальция.

Для коррозии второго вида типичны процессы взаимодействия между цементным камнем и агрессивным раствором с образованием либо легкорастворимых солеи, уносимых движущимся раствором, либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущими свойствами.

Коррозия третьего вида характеризуется тем, что продукты химических реакций агрессивного раствора и цементного камня накапливаются в порах, каналах и трещинах бетона и кристаллизуются в них, разрушая структурные элементы цементного камня и бетона.

В. В. Кинд классифицирует виды агрессивности природных вод (среды по отношению к бетону) в зависимости от их состава следующим образом:

1) выщелачивающая агрессивность, присущая мягким водам и определяемая величиной гидрокарбонатной жесткости;

2) общекислотная агрессивность, присущая водам, содержащим те или иные кислоты, и определяемая концентрацией свободных водородных ионов (практически величиной водородного показателя рН);

3) углекислая агрессивность, присущая водам, содержащим агрессивную углекислоту и определяемая концентрацией агрессивной или свободной CO2 (с учетом гидрокарбонатной жесткости воды);

4) сульфатная агрессивность, присущая водам, содержащим сернокислые: соли, и определяемая концентрацией ионов SO4” (с учетом содержания ионов CI’);

5) магнезиальная агрессивность, присущая волам, содержащим соли: магния, и определяемая концентрацией ионов Mg·· (с учетом содержания ионов SO4”).

Наряду с химическими процессами на развитие коррозии бетона влияют и физические факторы, такие как плотность и водопроницаемость бетона, попеременное замораживание и оттаивание, истирающее действие потока воды, несущего частицы горных пород, и т. д.

См. далее:

Коррозия цемента в пресных водах.

Коррозия цемента в минерализованных водах.

Коррозия цемента углекислыми водами.

Выполнила: Костомарова И.А.

III курс, ВиВ (заочный)

г. Москва, 2009 г.

В настоящее время цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбестоцементных изделий. Изготовляют его на крупных механизированных и автоматизированных заводах. Цемент

начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Делиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента. Портландцемент является минеральным вяжущим веществом, составляющим основу большей части номенклатуры сухих строительных смесей в качестве самостоятельного вяжущего, в смешанных цементных вяжущих системах, в составе цементно-известковых вяжущих, а также различных полимерцементных композиций. Ценные и уникальные свойства портландцемента определяются его способностью при затворении водой образовывать пластичное тесто, со временем, самопроизвольно, за счёт химического взаимодействия в системе, превращающееся в камень. Способность к самоотвердеванию, образование прочного и долговечного камня, экологическая чистота, низкая химическая опасность, пожаровзрывобезопасность в сочетании с низкой стоимостью являются предпосылками для широкого практического применения портландцемента.

Бетоны и цементный камень, как его матричная часть, в эксплуатационных условиях подвержены коррозионному воздействию различных сред, особенно минерализованной воды в морских сооружениях (молы, причалы, эстакады со свайным основанием и железобетонным верхним строением, портовые конструкции и др.), минеральной кислоты при эксплуатации резервуаров, башен и других сооружений химической промышленности. На бетон оказывают коррозионное воздействие органические кислоты и биосфера, особенно при работе сооружений в торфяных грунтах, на предприятиях пищевой промышленности. Негативное влияние могут оказывать на состав и структуру цементного камня в бетонах щелочная среда, пресная вода, особенно водные растворы электролитов. В индустриальных районах коррозионное влияние на бетонные конструкции оказывают газы, например сернистые, сероводород, хлористый водород, аэрозоли солей, например морской воды и др. Агрессивное воздействие оказывают также твердые, в основном высокодисперсные вещества, способные образовывать во влажных условиях прослойки из истинных и коллоидных растворов. Кроме химических реакций при контакте со средой возможны физические сорбционные процессы с поглощением из среды поверхностно-активных веществ (ПАВ), например серосодержащих полярных смол из нефтепродуктов, с физическим нарушением сплошности контактов в структуре и ускорением развития дефектов.

Возможно вы искали — Контрольная работа: Подъёмно-транспортные машины

Коррозия цементного камня. Виды коррозии

Различают физическую, химическую, электрохимическую и биологическую коррозии.

Физическая коррозия

Это выветривание, растворение, разрушение вследствие температурных колебаний характерных для всех видов горных пород.

Коррозии растворения носит физико-химический характер (см. ниже коррозии выщелачивания).

Похожий материал — Курсовая работа: Проектирование металлорежущих инструментов

Химическая коррозия

Агрессивными по отношению к цементному камню являются все кислоты и многие соли.

Этот вид коррозии имеет место чаще всего, а разрушение происходит наиболее интенсивно. Самым уязвимым веществом в цементном камне является известь. Однако связывание извести (скажем за счет SiO2 ) еще не исключает коррозии, поскольку она может восстанавливаться за счет отступления от гидратов кальция.

Кислоты и некоторые соли вступают в реакцию с Са(ОН)2 и образуют новые соединения, либо легко растворимые в воде, либо непрочные рыхлые, либо кристаллизующиеся со значительным

Изменением объема. Иногда это все происходит одновременно.

Очень интересно — Курсовая работа: Электронный луч в технологии

Все кислоты разрушают портландцементный камень

Са(ОН)2 + НСl = CaCl + 2 H2 O

Са(ОН)2 + H2 SO4 = CaSO4 + 2H2 O

Хлористый кальций легко растворим, а CaSO4 может вступать во вза-имодействие с гидроаллюминатами кальция и образовывать гидросульфоаллюминат кальция. Последний кристаллизуется с увеличением объема.

Гипс также кристаллизуется с увеличением объема.

Вам будет интересно — Контрольная работа: Ременные передачи

Хотя в пластовых водах нет непосредственно соляной и серной кислот, (но их образование можно предположить), зато имеется достаточное количество солей агрессивных по отношению к цементному камню. К таким солям относятся сульфаты (MgSO4 , CaSO4 ), хлориды (MgCl2 , CaCl2 ).

Агрессивный сероводород и углекислый газ, которые могут содержаться как в пластовых водах, так и в добываемых нефти и газе.

Рассмотрим основные виды химической коррозии и применение в связи с ними цементов.

Коррозия выщелачивания

Кристаллогидраты (гидросиликаты, алюминаты и ферриты кальция), образующиеся при взаимодействии с водой клинкерных минералов и составляющие вместе с наполнителями цементный камень, имеют значительную равновесную растворимость в воде. Это значит, что они остаются устойчивыми при контакте с водами, только в том случае, если в воде имеется достаточная концентрация Са(ОН)2 . Если концентрация в воде Са(ОН)2 ниже равновесной, то у гидрата будут отщепляться молекулы извести и концентрация будет восстанавливаться до равновесной.

Похожий материал — Курсовая работа: Усовершенствование технологии получения изделий из полиамида методом литья под давлением

Гидросиликаты и гидроалюминаты кальция имеют тем большую равновесную растворимость, чем выше их основность. Следовательно отщепление гидратов сначала происходит от высокоосновных гидратов, их основность при этом понижается, а устойчивость в данной среде повышается.

Если концентрация гидрата окиси кальция в дальнейшем не будет понижаться, то процесс на этом остановится. Если же концентрация извести будет продолжать понижаться и станет ниже равновесной для вновь образовавшегося гидрата, то отщепление гидрата окиси кальция будет продолжаться вплоть до полного разложения гидросиликатов и гидроалюминатов, с образованием аморфных кремнезема и глинозема. Хотя последние и плохо растворимы в воде, однако они не обладают вяжущими свойствами – прочность и монолитность камня нарушаются.

Эти процессы могут наблюдаться, если цементный камень омывается непрерывно обновляющейся водой или растворами солей, имеющими малую концентрацию Са(ОН)2 , либо если Са(ОН)2 связываются содержащимися в растворе веществами в прочные малорастворимые или малодиссоциирующие химические соединения (кальция).

Чем выше концентрация извести в порах цементного камня, тем выше скорость выщелачивания. Низкоосновные гидраты кальция имеют меньшую равновесную растворимость. Известь связывается, а основность понижается в тех случаях, когда в цемент вводятся активные кремнеземистые добавки, а при высоких температурах и кварцевый песок.

Коррозия цементного камня москвин

Сероводород, содержащийся в скважинах, контактирует с тампонажным камнем, как в газообразном, так и в растворенном состоянии. В зависимости от агрегатного состояния сероводорода механизм и скорость коррозионного поражения камня существенным образом меняются.

Сероводород является коррозионно-активным кислым газом, оказывает интенсивное разрушающее действие на тампонажные цементы. Это создает серьезную опасность экологическому равновесию, как на поверхности, так и в недрах в широком смысле этого слова.

Когда тампонажный камень взаимодействует с сероводородом, растворенном в пластовой воде, поражение камня протекает послойно. Сероводород, диффундируя вглубь цементного камня, вступает в химическую реакцию с растворенной гидроокисью кальция. В результате химических реакций поровая жидкость обедняется щелочью, что приводит к нарушению термодинамического равновесия между твердой и жидкой фазами цементного камня. Продукты твердения продолжают растворяться и гидратировать с выделением свободной гидроокиси кальция. Прежде всего, разрушается твердая фаза, представленная кристаллическим гидратом окиси кальция, высокоосновными алюминатами, гидросиликатом и гидроферритом кальция.

Нерастворимая часть цементного камня, химически инертная по отношению к сероводороду, образует буферную зону. Она представлена продуктами разложения гидратных фаз в виде гелей SiO2 и Al(OH)3 и продуктами коррозии в твердой (CaS, FeS) и жидкой фазе, является более проницаемой, чем исходный камень, т.к. реакционноспособная часть цементного камня в процессе гидролиза и растворения перешла в раствор, а затем в виде хорошо растворимых продуктов коррозии — Ca(HS) — в окружающую среду.

Если тампонажный камень контактирует с газообразным сероводородом, то последний способен проникать по открытым порам на значительную глубину в камень. Проникший газ растворяется в гелевых порах, заполненных раствором гидроокиси кальция и диссоциирует.

При pH > 11 основным продуктом взаимодействия сероводорода с гидроксидом кальция является малорастворимый сульфид кальция. По мере убывания из раствора Ca(OH)2 нарушается равновесие между твердой и жидкой фазами, что вызывает растворение и гидролиз составляющих тампонажного камня. В результате гидролиза в раствор вступают новые порции Ca(OH)2, которые связываются растворенным сероводородом. Накапливаемые в порах цементного камня сульфиды кальция вызывают в нем внутренние напряжения и последующую деструкцию. Такой вид коррозии характерен для тампонажного материала, камень на основе которого представлен свободным гидроксидом кальция, высокоосновными гидросиликатами и гидроалюминатами кальция, равновесная pH которых больше 12.

Основной причиной разрушения цементного камня на основе портландцемента является процесс межфазовых переходов

Объемное расширение опасно, когда оно происходит в уже затвердевшем цементном камне. Дело в том, что эттрингит может образовываться из продуктов гидратации С3А в результате сульфатной агрессии по уравнению

При этом наблюдается 4-6 кратное увеличение объема, что в затвердевшем камне приводит к возникновению напряжения, нарушению и разрушению структуры.

К этой группе цементов в первую очередь следует отнести портландцементы, в частности цементы ПЦТ-100, ПЦТД20-100.

Одним из путей повышения коррозионной стойкости цементного камня является метод химического ингибирования. Суть метода в дополнительном введении в состав жидкой фазы тампонажной суспензии компонентов, способных к взаимодействию с присутствующим в газе сероводородом. Образующиеся в результате продукты реакции должны представлять собой труднорастворимые соединения, способные препятствовать проникновению агрессивного агента в цементный камень.

Лучшим вариантом, конечно, будет использование специальных коррозионостойких цементов, в составе камня которых отсутствуют компоненты, способные к реакциям восстановления (шлаковые цементы, НКИ).

Имея в виду невозможность поставок специальных видов цемента, необходимо производить обработку тампонажного раствора специальными реагентами, которые сами нереакционно-способны с сероводородом, кроме того, обладают способностью связывать гидроокись кальция, нарушая цепочку образования сульфидов и гипсов. Это один из наиболее доступных путей повышения коррозионной стойкости.

Из сказанного выше следует, что повышение седиментационной устойчивости, снижения количества несвязанной воды (снижение степени фильтрации), ускорение сроков схватывания, предотвращение возможности радиальной усадки камня при твердении способствует упрочнению структуры гидратирующегося цементного камня, исключает вероятность образования микрозазора и не дает возможности проникновения вызывающего коррозию агента (сероводорода) в поровое пространство цементного камня.

Нами рекомендована комплексная обработка воды затворения для цементного раствора смесью реагента РДН-У (реагент для добычи нефти унифицированный) и стабилизатора типа КМЦ (карбоксометиллцеллюлоза).

В случае если вода затворения обработана каким-либо реагентом, преобладающим в процессе сероводородной коррозии цементного камня является взаимодействие газа с химическими добавками-регуляторами. Реакция может быть направлена так, что приведет к исчезновению функционального действия реагентов-регуляторов на растворы, и, как следствие, к катастрофическому нарушению свойств последних. Направленным регулированием кинетики процессов взаимодействия реагентов с агрессивными флюидами и комбинациями химических добавок можно защитить цементный камень от сероводородной агрессии. В этой среде преимуществом в плане защиты цементного камня от коррозии должны использоваться реагенты органического строения. При выборе неорганических реагентов нужно быть особо осторожным, т.к. вероятность реакции их с сероводородом резко возрастает.

В результате проведенных исследований были выявлены закономерности процессов, происходящих при формировании тампонажного камня и под действием агрессивного агента сероводорода, находящегося в жидкой фазе, на тампонажный камень, который имеет в своем составе широкую гамму реагентов, применяемых для улучшения его свойств.

Основными изменяющимися величинами, которые могут быть определены с высокой степенью точности, на стадии проектирования тампонажного состава являются: абсолютная и фазовая проницаемости, доля свободного поперечного сечения пор, прочность на изгиб, свободная поверхность, приходящаяся на единицу объема и скорость химической реакции сероводорода с компонентами цементного камня. Так же необходимо исследовать изменение поверхности контакта агрессивного агента с цементным камнем.

Все исследуемые величины находятся в прямой зависимости от седиментационной устойчивости и степени фильтрации тампонажных суспензий. Зная результаты предварительно проведенного седиментационного анализа, можно прогнозировать реологические и физико-механические свойства тампонажной суспензии и сформированного из нее тампонажного камня.

Физико-механические характеристики сформированного тампонажного камня определяют, в какой степени и за какой период в условиях эксплуатирующейся скважины произойдет диффузионное проникновение в него коррозионно-активного флюида и начнется его разрушение.

Процесс твердения тампонажных растворов сопровождается переупаковкой молекул воды. Химически связанная вода занимает объем на четвертую часть меньше, чем свободная. В результате возникает изменение объема. Высвобожденный первоначально занимаемый свободной водой объем, заполняется за счет притока воды извне, если этот приток возможен. При твердении же в межколонном пространстве или против плотных пород приток воды к цементу невозможен, а с момента возникновения замкнутых пор исключается возможность подвода воды к гидратирующемуся цементу из окружающей среды даже при твердении цемента в воде. Поэтому по мере дальнейшей гидратации цемента и расходования воды в замкнутой поре образуется вакуум. Напряжение внутри цементного камня, возникающее в результате вакуумирования замкнутых пор достигает значительных величин и приводит к усадке цементного камня. В результате этого на границе «цементный камень-обсадная колонна» образуется микрозазор. При этом не исключена возможность микро-макро-переноса по всему объему цементного камня. Газ может проходить по контактным зонам и возможно его проникновение и по самому цементному камню по каналам, возникшим в результате седиментации и диффузии газа в тампонажный раствор. Значительно снизить возникающие внутренние напряжения и усадку раствора позволяет обработка воды затворения вакуумированием до введения воды в состав вяжущего, что позволяет увеличить в несколько раз прочность самой воды путем удаления из нее растворенного газа. Нами экспериментально доказано, что такого рода обработка примерно на 10% увеличивает прочностные характеристика цементного камня.

Такие процессы наиболее вероятны в цементных камнях, сформированных из седиментационно-неустойчивых тампонажных растворов, а также у растворов с замедлителями сроков схватывания, в которых структура камня продолжительное время будет представлена открытой пористостью.

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 портладцемен- ты в этих условиях разрушались. Долголетние исследо­вания А. А. Байкова, В. А. Кинда, В. М. Москвина, Ф. М. Иванова, В. В. Кинда и др. позволили установить физико-химические процессы, вызывающие коррозию портландцемента [7, 57]. Эти работы послужили осно­ванием для выбора специального цемента в зависимости от вида коррозии, степени агрессивного воздействия во­ды— среды, скорости ее притока к поверхности конст-‘ рукции, плотности бетона и др.

Возможны следующие виды коррозии: 1—связанная с выщелачиванием растворимых частей цементного камня (агрессивность выщелачивания); 2 — вызывав — мая 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. Во-‘ да 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 Са (НСОзЬ и Mg (НС03)2.

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 = 2 СаС03 + 2 Н20.

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: СаС03+С02 + Н20^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 зави-

СИТ 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.

В работах [107, 109] показана скорость коррозии раз­ных цементов в кислых водах, оцениваемой по количест­ву выщелачиваемой извести во времени (Щ. При рЯ= = 2,5 скорость выщелачивания значительно больше, чем при рН = 4. Бетоны на шлакопортландцементе с кислыми шлаками и на портландцементе с добавкой нефелиново­го шлама показали повышенную стойкость по сравнению с портландцементом даже в воде-среде с рН = 3. Порт­ландцементы с пониженным содержанием C3S характе­ризуются повышенной стойкостью.

Магнезиальная агрессия происходит при определен­ной концентрации катионов магния, причем степень их воздействия зависит от вида аниона С1- или S04

. Вода, содержащая хлористый магний, взаимодействует прежде всего с гидроксидом кальция цементного камня по реак­ции:

Са (ОН2) + MgCl2 = СаС12 + 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.

Магнезиально-сульфатная агрессия является наибо­лее сильной [52]. При наличии гидроксида кальция в цементном камне происходит реакция: Са (0H)2-fMgS04-LnH20 = CaS04-2H20 + Mg (ОН)2+(л—2) Н20.

В результате образуется гипс и появляются аморфные рыхлые массы гидроксида магния. Если вследствие этой реакции свободной извести Са (ОН)2 уже не будет в со­ставе твердых фаз цементного камня и величина рН за­метно снизится, начнется гидролиз (точнее разрушение) гидроалюминатов и гидросиликатов кальция по следую­щей схеме:

3 СаО — A1./V6H20 + 3 MgSO„-7 НгО = 3 CaS04- 2 Н,0 + + 2А1 (OH)3 + 3Mg (ОН)2 + п Н20;

3 СаО • 2 Si02 • 3 Н20 + 3 MgS04• 7 Н20 = 3 CaS04 • 2 Н.,0 + + 3Mg (0H)2 + Si02-nH.,0

Причина, которая вызвала эту реакцию, не наблю­дающуюся при воздействии сернокислого натрия,—сла­бая растворимость гидроксида магния и вследствие это­го низкое значение рН его насыщенного раствора, состав­ляющее примерно 10,5. Это меньше, чем необходимо для сохранения гидроалюмината и гидросиликата кальция в твердой фазе, поэтому они начинают разлагаться, вы­деляя в раствор Са (ОН)2- Поскольку при этом он реа­гирует с сульфатом магния, образуя гипс и гидроксид магния, значение рН снова понижается, что вызывает дальнейшее разложение гидросиликата кальция. В ре­зультате происходит процесс накопления гипса в раство­ре до полного его насыщения и выпадения даже в твер­дой фазе. Что же касается трехкальциевого гидроалю­мината, то вначале он вступает в реакцию с сернокислым магнием, образуя гидросульфоалюминат кальция, ко­торый также неустойчив в среде сульфата магния и раз­лагается.

Сульфатная агрессия происходит при действии вод, обычно содержащих преимущественно сульфаты натрия либо кальция. Сульфат натрия взаимодействует с гидрок — сидом кальция цементного камня следующим образом:

Са (0Н)2 + Na2S04 + nH20 = CaS04-2 Н.20 + 2 NaOH.

Образующийся сернокислый кальций повышает кон­центрацию в воде ионов SOj

и Са[1]+, необходимую для взаимодействия с находящимся в твердой фазе трех — кальциевым гидроалюминатом кальция и образования гидросульфоалюмината кальция;

3Ca0-Ala03.6H20 + 3CaS04.2H,0 f 19Н.20 = = 3Ca0.Al203.3CaS04.31 Н20

В результате первоначальный объем трехкальциевого гидроалюмината увеличивается так значительно (в 2,86 раза), что появляются большие внутренние напряжения, вызывающие образование трещин и разрушение цемент­ного камня и бетона. При высокой концентрации ионов SO^

b воде они взаимодействуют с ионами Са2+и образу­ют дополнительные количества сульфата кальция. Из-за увеличения его объема при кристаллизации в виде дву — водной 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.

Внутри бетона вследствие Взаимодействия щелочей цемента с реакционноспособным кремнеземом заполните­ля. :

При современной технологии производства цемента в составе клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений, причем оксид натрия присутству­ет почти во всех фазах клинкера. Основное количество оксида калия находится в фазе трехкальциевого алюми­ната и C2S. Щелочи встречаются в клинкере также в ви­де сульфатов. При гидратации цемента щелочные фазы взаимодействуют с водой и в виде гидратированных сое­динений накапливаются в жидкой фазе. В ранние сроки твердения калиевая щелочь растворяется быстрее, чем натриевая. Примерно к 25 сут твердения почти все сое­динения калия переходят в водорастворимое состояние, в то время как количество перешедшего в раствор оксида натрия составляет 40—60%. Концентрация щелочей в жидкой фазе зависит от содержания щелочей в цементе и В/Ц и может достигать 50 г/л. По мере твердения и химического связывания воды концентрация щелочей в жидкой фазе будет возрастать.

Реакция растворов щелочи с кремнеземом протека­ет в две стадии. Первая заключается в нейтрализации поверхности кремнезема:

= — Si — О Na+ + Н20 В этом случае водородный ион Н+ поверхности кремне­зема соединяется с гидроксильным ионом ОН — с обра­зованием молекулы воды. Оставшийся некомпенсирован­ный заряд кислорода позволяет ему присоединиться к положительному иону натрия Na+. Для такой реакции достаточен щелочной раствор слабой концентрации.

Вторая стадия заключается в разрыве кремнекисло — родных фязей:

— Si — О — Si + 2 NaOH = — Si — О — Na+ + Na+ О — — Si + H20 и проходит при избытке щелочи по сравнению с коли­чеством, необходимым для нейтрализации кислой по­верхности кремнезема. В результате реакции появля­ются студенистые, гелеобразные отложения белого цве­та в порах и во внутренних слоях бетона вблизи частиц реакционноспособных заполнителей и на поверхности бе­тона. Затем становятся заметными трещины, различные по конфигурации и достигающие иногда значительных размеров (рис. 23). При дальнейшем развитии процессов

£ис. 23. Коррозий бетоиа при действии щелочей цемента

Сверху — бетон через

16 лет твердения; снизу — лаборатор­ный образец

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Расход цементной стяжки геркулес
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector