Коррозия природного камня и меры защиты от нее

Коррозия природного камня и меры защиты от нее

Дорожные каменные материалы

Непременным условием длительной службы каменных материа­лов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуа­тационной среды, химико-минералогического состава и структуры материала. Однако даже самые прочные породы, из которых выпол­нен материал, под механическими и химическими воздействиями ат­мосферных факторов и различных микроорганизмов разрушаются. Этот процесс по аналогии с разрушением металлов называют корро­зией.

Основной причиной коррозии каменных материалов в строитель­ных конструкциях является физико-химическое воздействие воды.

Ясно, что стойкость каменных материалов против коррозии тем выше, чем они плотнее (меньше пористость) и чем меньше их растворимость. Поэтому все мероприятия по защите каменных материалов коррозии направлены на предохранение их от воздействия воды и повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.

Схема 2.2.11. — Способы защиты природного камня от коррозии

Конструктивная защитаот увлажнения осуществляется путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

Физико-химические мероприятиизаключаются в создании на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя и/или гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты (флюатами), например флюатами магния. В результате происходящей реакции:

в поверхностных порах камня выделяются практически не растворимые в воде фториды кальция, магния и кремнезем. Это уменьшает по­ристость и водопоглощаемость поверхностного слоя и несколько препятствует загрязнению облицовки пылью. Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки— содой, а затем флюатом.

Уплотнить поверхность камня можно также последовательной пропиткой растворимым стеклом и хлористым кальцием, в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция и кремнекислота, закрывающие поры. Эта же цель достигается при последовательной пропитке поверхности камня спиртовым раствором калийного мыла и уксуснокислого алюминия. В этом случае на поверхности камня образуется нерастворимая пленка соли жирной кислоты.

Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гиброфобными (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремнийорганическими жидкостями и полимерными материалами, а так­же растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т. д.).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Коррозия цементного камня и способы защиты от неё.

Коррозия вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части цементного камня.

Коррозионные процессы делятся на 3 группы:

1) охватывает процессы, при которых некоторые составляющие цементного камня растворяются в воде и уносятся по средствам фильтрации. Причиной может служить конденсат, дождевая вода. Выщелачивание Са(ОН)₂ можно заметить по появлению белых пятен (подтеков) на поверхности бетона. Для ослабления ограничивают содержание 3CaOAl₂O₃ до 50%, а также вводят активные минеральные добавки (диатомит, трепел). Т.о., выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай, применяемых для сооружения оснований, портовых и гидротехнических сооружений, повышает их стойкость.

2) охватывает процессы, связанные с реагированием веществ, содержащихся в воде, с цементным камнем с образованием легкорастворимых продуктов. Она может происходить в различных формах:

Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободную двуокись углерода.

Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот с рН 2600 кг/м 3 – особо тяжелый бетон (заполнители – железные руды, стальные опилки, магнетит, гематит, лиманит, стальные зерна, чугунная дробь); б) ρ_m=2100 — 2600 кг/м 3 – тяжелый бетон (в качестве заполнителей используются плотные, тяжелые, магматические, метаморфические и осадочные породы); в)ρ_m=1800 — 2100 кг/м 3 – облегченные бетоны (в качестве заполнителей – ГП с ρ_m=1600-1900 кг/м 3 , песчаники, известняки, искуственные крупные заполнители – кирпичный бой, старый бетон); г)ρ_m=500 — 1800 кг/м 3 – легкие бетоны. Пористые заполнители: а) природные (пористые ГП – вулканического происхождения: туф, пенза, лава); б) искусственные: специально сделанные (керамзит) и отходы промышленности (поризованные шлаки – шлаковая пенза); д) ρ_m£500 кг/м 3 – особооблегченный бетон. Ячеистые бетоны, теплоизоляционные, крупнопористый бетон на пористом заполнителе. Классификация по виду конструкции: сборные и монолитные (на небольших стройках готовят смесь в передвижной бетономешалке. Широко используются сухие смеси. Классификация бетонов по назначению: гидротехнический, декаротивный, кислотоупорный, жаростойкие, дорожные, бетоны для защиты от радиации.

Тяжелый бетон используют для защиты стальной арматуры от коррозии, для цементно-бетонных дорог и полов промышленных зданий. Бетоны высокой морозостойкости применяют для тех частей сооружений, которые подвергаются многократному замораживанию и оттаиванию во влажном состоянии (гидротехнические сооружения, конструкции железобетонных градирен, цементно-бетонные покрытия дорог и аэродромов…). Крупнопористый бетон используется как теплоизоляционный материал. Гипсобетон широко применяют для изготовления сплошных и пустотелых плит перегородок. Ячеистые бетоны для ограждающих конструкций, железобетона и др.

Заполнители для тяжёлого бетона. Технические требования. Стандартные методы оценки зернового состава.

Цемент выбирают в зависимости от условий эксплуатации бетона, от вида бетонной конструкции, от заданной марки бетона. Если речь идет о производстве железобетона на заводе, то берется быстро твердеющий цемент. Мелкий заполнитель – песок (природный и искусственный 0,16 – 5 мм. По происхождению пески: горные, овражные, речные, морские. От происхождения зависит форма зерен (окатанные или угловатые). Крупные заполнители: щебень (дробление горных пород и крупного гравия. Щебень чище, чем гравий); гравий (осадочная горная порода, те же примеси, что и в песках).благодаря гладкой поверхности гравия бетоны на гравии более экономичны с точки зрения расхода цемента. У гравия сцепление с цементным камнем. Щебень из искусственного камня (из шлака, кирпичного боя, из дробленого бетона). Вода – чистая, водопроводная. Содержание солей ≤5000 мг/л. SO₃ ≤2750 мг/л. добавки в бетонах: 1) химические вещества (0,1 – 2)% Ц (вводится с водой затворения). 2) тонкомолотые минеральные вещества (5 – 20)%Ц (для разбавления высокомарочных цементов). Химические добавки: 1) добавки, регулирующие свойства бетонной смеси (а) добавки стабилизаторы (препятствуют расслоению бетонной смеси), б) водоудерживающие добавки); 2) добавки, регулирующие схватывание и твердение бетона (ускорители и замедлители твердения); 3) добавки, регулирующие плотность и пористость бетона (газообразователи, пенообрахователи); 4) добавки, придающие бетонам специальные свойства (гидрофортность, стойкость к коррозии).

Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 176.

Коррозия бетона

Коррозией бетона принято называть процесс разрушения его структуры под воздействием окружающей среды. Специалисты различают следующие виды коррозии бетона:

1. Растворение составных частей цементного камня, когда бетон становится хрупким. Это наиболее распространенный вид коррозии бетона. Происходит это в основном, когда бетонные изделия эксплуатируются на открытом воздухе и постоянно подвергаются разрушительному воздействию погодных и др. условий. Так как составной частью бетона является гашеная известь (а это легкорастворимый компонент), то со временем цементный камень как бы растворяется, нарушая при этом структуру бетона.
2. Коррозия бетона под воздействием кислот. Если бетон контактирует с кислотами, то коррозия может протекать по двум сценариям. Первый, это когда происходит увеличение объема бетона. Объясняется это вполне объяснимым химическим процессом, вследствие которого происходит отложение вещества в порах цементного камня. Это приводит к увеличению объема бетона, а в дальнейшем провоцирует его растрескивание и разрушение.
3. Воздействие кислот может проходить и по другому сценарию. А именно, с вымыванием легкорастворимых известковых соединений. Например, при контакте бетона с водными растворами кислот, может образовываться компонент, который является агрессивным по отношению к бетону. А при систематическом наличии воды начинает в ней растворяться и «вымывать» структуру бетонного камня.
4. Биокоррозия, или коррозия бетона вследствие образования и кристаллизации в порах труднорастворимых веществ. Этот вид коррозиии бетона может быть вызван наличием различных грибков, бактерий и некоторых водорослей, которые могут проникать в поры бетона. Описать этот процесс можно примерно так: в процессе метаболизма грибков и бактерий образуются вещества, которые откладываются в порах бетонного камня и постепенно разрушают его структуру.

Обычно коррозия бетона протекает под воздействием нескольких видов разрушений.

Коррозия арматуры в бетоне

Строительная конструкция может столкнуться с еще одним видом разрушения — коррозии арматуры в бетоне. Если в конструкции используется железная арматура, то при наличии агрессивных сред арматура попросту ржавеет, вследствие чего образуются продукты коррозии железа. Эти продукты по своему объему со временем значительно превышают объем самой арматуры, что в конечном итоге вызывает рост внутреннего напряжения конструкции, и как следствие — растрескивание бетона.

Коррозия арматуры в бетоне может происходить по разным причинам. Одна из них — электрохимическая коррозия. Скорость ее развития зависит от влагопроницаемости и пористости бетонного камня, и от наличия в нем трещин. Проникающие сквозь поры и трещины вода и воздух приводят к разности потенциалов на поверхности бетона, что усиливает электрохимическую коррозию и повышает концентрацию электролита.
Для того, чтобы защитить арматуру бетона от коррозии специалисты используют несколько способов. Например, для увеличения срока службы арматуры можно улучшить свойства самого бетона. Т.е. можно исключить или значительно уменьшить процентный состав веществ, которые способствуют интенсификации процесса коррозии арматуры в бетоне.
Также, можно защитить конструкцию, используемую в экстремальных условиях, путем пропитывания бетона специальными веществами, снижающими проницаемость бетона. К таким веществам относятся битумные, петролатумные и др. пропитки.
Защитить арматуру бетона от коррозии можно введением в бетонную смесь так называемых пассиваторов, которые образуют защитную оксидную пленку при воздействии водной щелочной среды бетонного камня.

Защита бетона от коррозии

Защита бетона от коррозии — наиважнейшая часть технологического процесса. Для того, чтобы продлить срок службы всей строительной конструкции, меры по защите бетона от коррозии проводят еще на стадии проектирования. Сюда можно отнести профилактические мероприятия по нейтрализации агрессивных сред, качественную герметизацию и хорошую вентиляцию при эксплуатации бетона.
Важную роль защите от коррозии специалисты отводят грамотному конструированию. Здесь имеется ввиду отсутствие скоплений воды (или свободный отток жидкости) в конструкциях.

Защита от коррозии предполагает введение в состав бетона специальных добавок, улучшающих его состав. Это могут быть пластифицирующие, стабилизирующие и химические модификаторы. Все они значительно улучшают эксплуатационные свойства бетона, повышают его плотность и водонепроницаемость.
Другой способ защиты от коррозии заключается в нанесении на поверхность бетона различных лакокрасочных материалов и покрытий, способствующих его гидроизоляции. Сюда относят разнообразные мастики, акриловые покрытия, пропитки. Все они выполняют роль непроницаемого подслоя, который также защищает бетон от разрушительного действия.
Наиболее эффективным считается комплексное использование различных методов защиты от коррозии.

Коррозия цементного камня меры защиты от коррозии

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.