Реакции гидратации клинкерных минералов
2(3CaO SiO2) + 6Н2O → 3CaO 2SiO2 3H2O + 3Ca(OH)2
2(2CaO SiO2) + 4H2O → 3CaO 2SiO2 3H2O + Ca(OH)2
3CaO Al2O3 + 6H2O → 3CaO Al2O3 6H2O
3CaO Al2O3 + 3CaSO4 + (30…31)H2O → 3CaO Al2O3 3CaSO4 (30…31)H2O
4CaO Al2O3 Fe2O3 + 10H2O → 3CaO Al2O3 6H2O + CaO Fe2O3 4H2O.
Структура цементного камня
1. Частицы цемента;
2. Цементный гель
Цементный гель — двухфазная система частиц. Обладает очень высокой прочностью.
3. Поры
3.1. Гелевые — поры геля.
3.2. Капиллярные — пространство, не занятое цементным гелем.
Их можно уменьшить за счёт тонкости помола, степени гидратации цемента, сроков хранения.
Выделение тепла при твердении.
Гидратация цемента сопровождается выделением тепла. В тонких бетонных конструкциях тепло гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массивной конструкции может повысить его температуру на 40°С и более по отношению к температуре бетонной смеси при укладке. Снаружи массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные напряжения, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне.
Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать низкотермические цементы, снижают расход цемента в бетоне, а в случае необходимости применяют искусственное охлаждение массива.
Коррозия цементного камня
Коррозией называется самопроизвольное разрушение материала под воздействием окружающей среды.
Факторы, разрушающие цементный камень (ЦК): внешние и внутренние.
I.Внешние:
1.1. Физические: попеременное замораживание и оттаивание, увлажнение и высыхание.
1.2. Химические
Химическое взаимодействие компонентов цементного камня с агрессивными веществами, содержащимися в окружающей среде.
1.3. Физико-химические
1.4. Биологические
Разрушение ЦК происходит в процессе жизнедеятельности бактерий.
Процессы коррозии материалов под действием микроорганизмов могут протекать в аэробных (при наличии кислорода) и в анаэробных (при отсутствии кислорода) условиях.
Меры борьбы:
1. Изоляция конструкции от среды обитания микроорганизмов;
2.Устранение благоприятных условий для микроорганизмов;
3. Стерилизация среды.
Внутренние причины разрушения ЦК:
1. Наличие в цементном камне гидроксида кальция Ca(OH)2
2. Наличие в затвердевшем цементном камне 3CaO Al2O3 ∙6H2O
3. Пористость цементного камня
В зависимости от механизма разрушения физико-химическая коррозия ЦК делится на три вида:
Коррозия I вида (коррозия выщелачивания) — разрушение ЦК происходит в результате растворения и вымывания его составных частей. Например, коррозия мягкими водами. При действии на ЦК мягких вод растворяется и уносится водой гидроксид кальция.
Меры борьбы:
1. Применение смешанных цементов (пуццолановые ПЦ, шлакопортландцемента);
Активные минеральные добавки в составе этих цементов связывают гидрооксид кальция в малорастворимое соединение — гидросиликат кальция.
2. Изготовление плотного ЦК (снижение водоцементного отношения);
3. Использование гидроизоляций.
Коррозия II вида происходит при действии на ЦК агрессивных веществ, которые, вступая во взаимодействие с составными частями ЦК, образуют либо легкорастворимые соли, либо аморфные соединения.
Кислотная коррозия
Возникает при действии растворов кислот:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 2H2O
Очень опасна соляная кислота, т.к. в результате взаимодействия ее с гидроокисью кальция возникают очень легко растворимые соли.
Меры борьбы:
1. Защита кислотостойкими материалами;
2. Применение бетона на основе кислотоупорного цемента.
Углекислотная коррозия
Развивается при действии на ЦК воды, содержащей CO2 который, в зависимости от концентрации и влажности среды, может образовывать бикарбонат кальция, легко вымываемый водой, или образовывать с гидроокисью кальция карбонат кальция, понижая щелочность поровой жидкости цементного камня и разрушая алюминатные структуры:.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O;
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2.
Меры борьбы:
1. Применение глинозёмистого цемента
Магнезиальная коррозия
Развивается при воздействии на ЦК магнезиальных солей.
Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2
Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидроксид кальция магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и содержится в большом количестве в морской воде. Мера борьбы - повышение плотности бетона.
Коррозия III вида происходит, когда при взаимодействии составляющих ЦК с агрессивной средой образуются соединения, занимающие больший объём, чем исходные.
Сульфатная коррозия
Ca(OH)2 + MgSO4 = CaSO4 + Mg(OH)2;
Меры защиты:
1. Нормирование минерального состава клинкера
Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат кальция цементного камня морской воды, грунтовых и других минерализованных вод, содержащих сульфатные ионы:
3CaO Al2O3 ∙6H2O + 3CaSO4 + (25…26)H2O = 3CaO Al2O3 3CaSO4 ∙(31…32)H2O.
Для борьбы с этой коррозией используются специальные сульфатостойкие портландцементы, применяемые в плотном бетоне.
Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в клинкере цемента. Снизить ее можно тщательным подбором минерального состава цемента.
Экономически и технологически легче всего бороться с коррозией цементного камня путем правильного выбора цемента по минеральному составу, применением бетонов повышенной плотности и изоляции его поверхности от воздействия агрессивных сред.