Лабораторная работа №2
Тема: Действие кислот на цементный камень.
Общие сведения
Коррозия цементного камня и бетона II вида связана с развитием обменных реакций между растворами кислот или солей воды-среды и составными частями цементного камня. Чем энергичнее протекает реакция взаимодействия, а новообразования становятся растворимыми, тем быстрее разрушается цементный камень и бетон. Данная коррозия связана в основном с образованием в теле цементного камня легкорастворимых новообразований, непрочных, а также аморфных соединений.
Разрушение начинается с поверхностных слоев, соприкасающихся с внешней средой, далее оно может развиваться почти без изменения всех элементов структуры цементного камня в прилегающих слоях бетона.
К коррозии II вида относятся углекислая коррозия, кислотная коррозия по действием минеральных кислот, магнезиальная коррозия, коррозия под действием щелочей, морской воды, биологических и других факторов,
Наиболее часто встречаемых коррозий II вида является коррозия, происходящая под действием минеральных кислот. При действии кислот на цементный камень происходит его полное разрушение, причем продукты разрушения частично или полностью растворяются.
Последовательность коррозионных процессов схематически может быть вы-ражена следующими реакциями:
Са(ОН)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O;
nСаОSiO2 + pH2SO4 = nCaSO4∙2H2O + mSi(OH)4.
Основным гидроксидом в цементном камне является Ca(OH)2, поэтому от степени растворения солей кальция, образовавшихся при действии кислот на цементный камень, в значительной мере зависит скорость разрушения цементного камня и бетона. Чем больше продуктов реакции растворяется и уносится раствором кислоты, тем быстрее протекает процесс разрушения.
Ограничивающим фактором коррозии является реакционная емкость, включающая концентрацию и объем действующей кислоты, а также скорость ее обмена у поверхности камня. Если продукты реакции малорастворимы, то, оставаясь на месте своего образования, они замедляют доступ агрессивной среды к внутренним слоям камня. В этом случае скорость коррозии ограничивается интенсивностью диффузии ионов через слой продуктов реакции, которая зависит от концентрации ионов, толщины и плотности слоя продуктов коррозии на поверхности камня. Это учитывалось при разработке способа повышения стойкости камня в агрессивной среде путем обработки его поверхности раствором кремнефтористоводородной кислоты:
Са(ОН)2 + H2SiF6 = 3СаF2 + Si(OH)4 + 2H2O.
Растворимость СаF2 очень мала, поэтому он вместе с теряющим гидратную воду и уплотняющимся гелем Si(OH)4 образует плотную и устойчивую пленку, которая защищает поверхность камня от действия внешней среды и замедляет скорость коррозии. Коррозия негидратированных зерен цемента идет медленнее, чем коррозия Ca(ОH)2, поэтому скорость коррозии увеличивается не прямо пропорционально росту скорости фильтрации растворов кислот.
Стойкость различных цементов при действии кислот не одинакова. Концентрированные растворы кислот быстро разрушают бетон на всех цементах, за исключением кислотоупорного цемента. Уже при концентрации кислоты более 0,0001 N (рН<4) начинается коррозия. Некоторая разница в скорости разрушения не сможет увеличить долговечность бетона в кислой агрессивной среде.
Чем выше концентрация кислот, тем меньше сказывается влияние добавок на коррозионное разрушение, так как реакционная емкость раствора уже достаточна для полного разрушения всех гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
Кислотоупорные растворы и бетоны хорошо сопротивляются действию почти всех неорганических кислот, кроме плавиковой кислоты HF, кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6 и горячей фосфорной кислоты H3PO4. Кислоты малой концентрации (< 10 %) более агрессивны для кислотостойкого бетона: происходит снижение прочности. Кислотоупорные цементы без добавки Na2SiF6 можно использовать при концентрации кислоты не выше 5% и то лишь в виде тонких слоев, т.е. для штукатурок, затирок, замазок и т.д. Для бетона такой цемент не пригоден.
Для повышения водостойкости рекомендуется вводить кремнефтористый натрий и добавки, содержание кремнезем (SiO2). Образующийся гель Si(OH)4 кольматирует поры и капилляры, препятствуя при этом проникновение кислот вглубь бетона. Кислотоупорные составы имеют небольшую плотность (водопоглощение по массе 6-15 %, фильтрующая пористость 10-30 %), поэтому в качестве подслоя рекомендуется использовать плотные материалы, в частности полимерные.
После выдерживания бетона в воде в течение 1 года происходит снижение его прочности на 20-50 %.
Для защиты бетона от разрушения под действием кислот (особенно при средней и высокой их концентрации), необходимо заменять обычные цементы кислотоупорными цементами; применять кислотоупорные бетоны или полимербетоны; устраивать надежную изоляцию поверхности бетонов (окраска, облицовка и т. п.)
Цель работы: Определить степень разрушения цементного камня с добавками трепела при действии различных кислот. Выявить причины разрушения.
Оборудование: Конические колбы обьемом 250 мл, пипетки, песчаная баня, вытяжной шкаф, весы.
Ход работы:
Проводится изучение стойкости в кислотах образцов цементного камня различного состава, указанного в работе № 1.
Для определения стойкости цементного камня в кислых средах используются следующие кислоты: разбавленная НСl (рН = 3-4), 10 %-ный раствор НС1, 10 %-ный раствор H2SO4 и 10 %-ный раствор HNO3.
В четыре конические колбы объемом 250 мл наливает по 150 мл соответствующей кислоты и погружает в нее по 3 предварительно взвешенных цементных образца-кубика с размером ребра 2 см. Колбы с кислотой и образцами устанавливаются на песчаную баню и кипятят 15 минут под вытяжным шкафом. Затем образцы промываются дистиллированной водой и взвешиваются.
Прочность образцов, подверженных действию кислоты (Rсж кисл) и изменение массы (Δm = m2 – m1) сравниваются с контрольными образцами (Rконтр), прокипяченными после взвешивания в 150 мл дистиллированной воды в течение 15 мин. Результаты испытания заносят в табл. 3.
Таблица 3 - Результаты определения свойств цементного камня.
Среда |
Концентрация кислоты до кипячения, % |
Масса образца, г |
Δm, г |
Rсж, МПа |
ΔRсж =
Rсж кисл,/ Rконтр |
|
до кипячения, m1 |
после кипячения, m2 |
|||||
Разбавленная HCl |
|
|
|
|
|
|
10 %-ный раствор НС1 |
|
|
|
|
|
|
10 %-ный раствор H2SO4 |
|
|
|
|
|
|
10 %-ный раствор HNO3 |
|
|
|
|
|
|
Дистиллированная вода |
|
|
|
|
|
|
По результатам испытаний делаются выводы о влиянии вида и концентрации кислоты на стойкость цементного камня. Результаты экспериментов всей подгруппы заносятся в табл. 4, строятся графики изменения массы и прочности по отношению к контрольным образцам в зависимости от добавки шлака.
Таблица 4 - Результаты определения свойств цементного камня.
Количество АМД, % |
Результаты испытаний |
||||||||||
Разбавленная HCl |
10 %-ный раствор НС1 |
10 %-ный раствор H2SO4 |
10 %-ный раствор HNO3 |
||||||||
Δm, г |
ΔRсж |
Δm, г |
ΔRсж |
Δm, г |
ΔRсж |
Δm, г |
ΔRсж |
||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Кратко описывается сущность коррозии цементного камня и бетона под действием кислот, указываются основные факторы, влияющие на скорость протекания коррозии этого вида.
Контрольные вопросы:
Какие кислоты являются наиболее агрессивными по отношению к бетону.
Какие факторы влияют на скорость протекания процесса коррозии II вида?
Что повышает устойчивость бетонов и цементов к коррозии II вида?
Какой процесс протекает на поверхности цементного камня при обработке его поверхности раствором кремнефтористоводородной кислоты?
Укажите виды вторичной защиты бетона от протекания коррозии II вида.