вяжущий вещество. Лекция 1 Неорганические вяжущие Изучаемые вопросы Фазовый состав

• Название: Лекция 1 Неорганические вяжущие Изучаемые вопросы Фазовый состав
• Дата: 27.02.2022
• Размер: 362.51 Kb.
• Имя файла: вяжущий вещество.docx
• Тип: Лекция; #375692
• страница: 6 из 10

Видыкоррозиибетона:

Выделяют 3 вида:

1. 
   разложение составляющих цементного камня водой, а так же растворение и вымывание (выщелачивание) образовавшегося при этом или ранее имевшегося гидроксида кальция;
   
2. 
   образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия составляющих цементного камня с веществами, находящимися в окружающей среде, а также вымывание этих солей;
   
3. 
   образование в цементном камне (под влиянием проникающих в него веществ) соединений, имеющих больший объем, чем исходные продукты реакции, что приводит к внутренним напряжениям и образованию трещин в бетоне;
   

На практике разрушение бетона обусловлено коррозионным воздействиям не одного, а различных видов.

Видыкоррозииметалла:

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Химическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и

восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.
По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии.

Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

Атмосферная коррозия — это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.

Подземная коррозия — это коррозия металлов в почвах и грунтах.

Биокоррозия — это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

Контактная коррозия — это вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите.

Радиационная коррозия - это коррозия, обусловленная действием радиоактивного излучения.

Коррозия внешним током и коррозия блуждающим током. В первом случае — это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника. Во втором случае — под воздействием блуждающего тока.

Коррозия под напряжением — коррозия, вызванная одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (оси, рессоры, автоклавы, паровые котлы, турбины и т.д.). Если металлические изделия подвергаются циклическим растягивающим напряжениям, то можно вызвать коррозионную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомобилей, канаты, валки прокатных станов.

Коррозионная кавитация — разрушение металла, обусловленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды.

Фреттинг-коррозия — это коррозия, вызванная одновременно вибрацией и воздействием коррозионной среды. Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий и т.д.

Коррозия называется сплошной, если она охватывает всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной, если процесс протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной когда скорость процесса неодинакова на различных участках поверхности. Равномерная коррозия наблюдается, например, при коррозии железных труб на воздухе. При избирательнойкоррозии разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава. В качестве примеров можно привести графитизацию чугуна или обесцинкование латуней.

Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла. Местная коррозия может быть выражена в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла; язв - разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла, или точек (питтингов), глубоко проникающих в металл.

Первый вид наблюдается, например, при коррозии латуни в морской воде. Язвенная коррозия отмечена у сталей в грунте, а питтинговая — у аустенитной хромоникелевой стали в морской воде.

Подповерхностная коррозия начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.

Межкристаллитная коррозия характеризуется разрушением металла по границам зерен. Она особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность и пластичность и легко разрушается. Связано это с образованием между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Этому виду разрушений особенно подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы.

Щелевая коррозия вызывает разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях и т.д.

Широко применяются следующие основные решения защиты металлических конструкций от коррозии:

1. 
   Защитные покрытия;
   
2. 
   Обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности. Примерами такой обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;
   
3. 
   Электрохимическая защита металлов;
   
4. 
   Разработка и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов и т.д.), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например хрома в железо, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.);
   
5. 
   Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокополимерные материалы, стекло, керамика и др.);
   
6. 
   Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей (исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги, ударного действия струй и резких изменений скоростей потока в конструкции и др.).
   

13. 
    Поясните, в чём различно разрушающее действие углекислой и сульфатной коррозии. Какими факторами может быть вызвана биогенная коррозия?
    

Сульфатная коррозия сопровождается образованием высолов на поверхности и снижением прочности бетона, а физическая - накоплением солей в порах с разрывом стенок и расшатыванием структуры бетона при переменном увлажнении. Физическая форма коррозии наиболее характерна для нижних частей колонн и балок из-за капиллярного подсоса влаги с перекрытий.

Углекислая коррозия. Наиболее часто встречающаяся при действии природных вод коррозия бетона —коррозия под действием углекислых вод. Углекислота Н₂CO₃ присутствует, как правило, во всех водах. Источником обогащения воды углекислотой являются биохимические процессы, протекающие в воде и в почве.

Присутствие в растворе ионов (С1^-, Na⁺ и др.), не участвую щих в реакции, увеличивает ионную силу раствора, ускоряет реакцию, способствуя растворению большого количества Са(НСO₃)₂. В том случае, если на бетон действует стоячая или медленно движущаяся вода, на поверхности бетона устанавливается карбонатное равновесие, т. е. разрушение замедляется При быстром течении воды замедление реакции вызывается уменьшением реагирующих поверхностей, уменьшение ионов ОН^- в растворе способствует переводу Са(НСO₃)₂ в СаСO₃, который выпадает в осадок Чем выше концентрация ОН^- внутри

цементного камня, тем выше скорость его разрушения при быстром обмене агрессивной воды у поверхности.

Отсюда можно заключить, что вначале скорость разрушения цементного камня на портландцементе и пуццолановом порт панд цементе будет одинаковая, но затем она у цементного камня на пуццолановом цементе значительно уменьшается, так как количество гидроксильных ионов (ОН^-) в жидкой фазе там значительно меньше. По этой же причине более высокую стойкость при коррозии II вида будет иметь бетон на глиноземистом цементе. При этом существенную роль играет плотность бетона и продуктов коррозии.

Подводя итог процесса, протекающего при углекислотной коррозии, необходимо отметить, что чем больше агрессивной Н₂СO₃, тем выше кислотные свойства раствора и скорость коррозии.

Биогенная коррозия, обусловленная действием серной кислоты, которую образуют тиобациллы, является причиной до 75 % аварий на железобетонных трубопроводах водоотведения и снижения их долговечность с планируемых 50 до 10-15 лет. В лабораторных и натурных экспериментальных исследованиях установлены количественные показатели основных этапов развития коррозионного процесса: инициации - образования сероводорода в сточной воде лотковой части трубопровода путем микробиологической сульфатредукции, образования потока сероводорода из лотковой части на сводовую часть трубопровода, развития на своде ассоциации ацидофильных тионовых бактерий, продуцирующих серную кислоту, и диффузии биогенной серной кислоты вглубь бетона (биогенной коррозии).

14. 
    Какое действие оказывает на цементный камень минерализованные воды, содержащие органические или неорганические кислоты?
    

Минерализованные воды оказывают менее разрушающее действие на цементы, при твердении которых выделяется мало свободной гидроокиси кальция, а также на цементный камень, вовсе не содержащий или содержащий в незначительном количестве трехкальциевый алюминат. Минерализованные воды, находящиеся в пластах, могут привести к коагуляции буровых растворов и к ускорению сроков схватывания движущегося в затрубном пространстве скважины тампонажного раствора. Совместное действие температуры, давления и пластовых вод оказывает более сильное влияние на растворы и разрушает камень многих типов тампонажных растворов. Поэтому стабилизации свойств растворов и выбору типа цемента с учетом его коррозионной стойкости против минерализованных пластовых вод следует уделять большое внимание.

15. 
    Глиноземистый цемент. Химический состав и процессы твердения глиноземистого цемента.
    

Глиноземистый цемент представляет собой быстродействующий гидравлический вяжущий материал, который получают путем тонкого измельчения обожженной до спекания или сплавления богатой глиноземом сырьевой смеси. В качестве исходных материалов для получения глиноземного цемента используют известняк, известь или породы, с высоким содержанием глинозема (Al₂O₃). Химический состав такого цемента включает Al₂O₃ (минимум 35%), CaO (минимум 36 %), SiO₂ (2 – 4 %) и Fe₂О₃ (10 – 14 %). Внешние параметры глиноземистого цемента - это тонкий порошок серо-зеленого, коричневого или черного цвета. Химический состав глиноземистых цементов подвержен значительным колебаниям. Так, содержание основных оксидов колеблется в следующих пределах, %: А1₂O₃ —30—50; СаО — 35—45; SiO₂, —5—10; Fe₂O₃ — 5—15.

Минеральный состав глиноземистых цементов представлен преимущественно низкоосновными алюминатами кальция СаО*А1₂O₃ и СаО*2А1₂O₃, которые и обусловливают его свойства как быстротвердеющего вяжущего вещества. При этом

главная роль принадлежит однокальциевому алюминату СА; количество 12СаО*7А1₂О₃ и СА₂ в обычных цементах невелико; первый из них присутствует в высокоизвестковых цементах, второй —- в малоизвестковых, используемых в производстве огнеупорных бетонов и изделий. Наконец, в глиноземистом цементе присутствует небольшое количество оксида магния, обычно в виде магнезиальной шпинели MgO*Al₂0₃, а иногда MgO или 2CaO*MgO*2SiO₂. При образовании шпинели качество цемента ухудшается, так как оксид алюминия связывается в неактивное соединение. Нежелательно также присутствие щелочных и сернистых соединений, ухудшающих свойства цемента.

Твердение глиноземистого цемента — результат взаимодействия составляющих его минералов, в первую очередь основного компонента — однокальциевого алюмината СА, с водой с образованием гидратных соединений. Твердение глиноземистого цемента протекает настолько интенсивно, что уже через сутки достигается около 90 % конечной прочности, рост которой к 3 сут практически завершается.

16. 
    Что такое пуццолановый цемент, и с какими добавками его производят? Каков химико-минералогический состав портландцемента? Какие химические процессы протекают при обжиге портландцементного клинкера? Какие добавки применяют при помоле клинкера?
    

Пуццолановым портландцементом называют вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера нормированного минерального состава (ГОСТ 22266—76 с изм.), кислой активной минеральной добавки (ОСТ 21-9-81) и двуводного гипса (ГОСТ 4013—82). Содержание трехкальциевого алюмината в клинкере для производства этого цемента должно быть не более 8 %

В этом цементе допускается следующее содержание активных минеральных добавок: осадочного происхождения— не менее 21 и не более 30%; вулканического происхождения, обожженной глины, глина или топливной золы — не менее 25 и не более 40 %.

Гипс вводят в пуццолановый портландцемент для регулирования сроков схватывания. Содержание его зависит от качества портландцементного клинкера и не должно превышать 3,5 % в пересчете на SO₃.

Для пуццоланового портландцемента целесообразнее всего применять кислые минеральные добавки повышенной активности. Использование малоактивных добавок вызывает необходимость увеличения их содержания в цементе для полного связывания выделяющейся при гидратации клинкера Са(ОН)₂. В ряде случаев это нежелательно, так как неизбежно значительное снижение прочности пуццолатового портландцемента, особенно в первые сроки твердения.

При помоле пуццоланового портландцемента, по соглашению между поставщиком и потребителем, допускается введение пластифицирующей или гидрофобизирующей добавки.
Химико-минералогическийсоставпортландцемента

Сырьевые материалы, используемые для производства портландцемента, состоят в основном из окиси кальция, кремнезема, глинозема и окиси железа. В печи эти окислы химически взаимодействуют друг с другом с образованием ряда более сложных соединений, при этом достигается химическое равновесие. Обычно остается лишь небольшое количество химически не связанной окиси кальция. Однако во время охлаждения клинкера равновесие не сохраняется и в зависимости от скорости охлаждения изменяется степень кристаллизации минералов клинкера и количество аморфного вещества. Вещества одного и того же химического состава в аморфном, стеклообразном и кристаллическом состоянии значительно различаются по своим свойствам.

Взаимодействие жидкой фазы клинкера с вновь образованными кристаллическими соединениями усложняет структуру клинкера.

Тем не менее, цемент можно рассматривать как систему, находящуюся в равновесии, вследствие «замораживания» расплава в состоянии, существовавшем при температуре клинкерообразования. В действительности это предположение делается на основе расчета состава товарных цементов; расчетный состав определяется по известному содержанию окислов в клинкере исходя из предположения о полной кристаллизации соединений в состоянии равновесия.

В действительности силикаты в цементе не являются чистыми фазами, так как содержат небольшое количество окислов в виде твердых растворов. Эти окислы оказывают значительное влияние на расположение атомов, форму кристаллов и гидравлические свойства силикатов.

Кроме основных минералов в цементном клинкере содержатся в небольшом количестве MgO, Al₂О₃, К₂О. Они обычно составляют не более нескольких процентов от веса цемента. Особый интерес представляют окислы натрия и калия. В дальнейшем мы их называем щелочами. Установлено, что они химически взаимодействуют с некоторыми заполнителями и продукты этих реакций вызывают разрушение.

При обжиге сырьевой смеси при 1300—1450 °С в результате физико-химических и термохимических процессов получают портландцементный клинкер, состоящий как отмечалось ранее, из четырех основных клинкерных минералов: трех кальцневого силиката C₃S (алита) двух кальциевого силиката C₂S (белита), трех кальцевого алюмината С₃А и четырех кальциевого алюмоферрита C₄AF.

Процесс образования клинкерных минералов при обжиге, минералогический состав получаемого клинкера и свойства портландцемента зависят от физико-механических свойств и химического состава обжигаемой сырьевой смеси, вида и качества топлива, температурь и продолжительности обжига, а также от скорости охлаждения клинкера.

Клинкер получают во вращающихся печах, применяемых как при мокром, так и при сухом способах производства портландцемента. Характер физико-химических реакций, протекающие при обжиге сырьевых смесей, приготовленных по мокрому или по сухому способу, по существу, одинаков и определяется температурой нагревания материала. При обжиге в печи по характеру определенных превращений сырьевой смеси можно выделить шесть температурных участков-зон: I — до 200 °С, испарение (подушка материала); II—200—800°С, подогрев (дегидратация)' III — 800—1200°С, декарбонизация (кальцинирование); IV— 1200—1300 °С, экзотермические реакции; V— 1300—1300 "С, спекание; VI — 1300—1000°С, охлаждение.

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68 %. SiO₂ – 19-25%, оксида алюминия 4-8 %, оксида железа 2-6 %.

При содержании в портландцементе серного ангидрида SO₃ более 3.5% или MgO более 4.5% наблюдается неравномерность изменения объема. Гидравлический модуль портландцемента 1.7 – 2.7. С целью увеличения содержания в портландцементе того или иного оксида в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, т.е. вещества, содержащие значительное количество того или иного оксида. При помоле клинкера добавляют до 5% гипса для регулирования сроков схватывания.

Улучшение некоторых свойств портландцемента и снижение его стоимости возможно путем введения до 15% активной минеральной добавки при измельчении клинкера. Портландцемент с активными минеральными добавками маркируют следующим образом: ПЦ 500Д15. Без добавок: ПЦ 500Д.

17. 
    Добавки в портландцемент. Влияние различных добавок на скорость процесса затвердевания.
    

При изготовлении портландцемента стандарт допускает добавку к клинкеру активных минеральных (гидравлических) добавок в количестве, определяемом видом портландцемента и качеством добавки. Неотъемлемой частью портландцемента является добавка гипса; получение пластифицированного и гидрофобного портландцемента достигается добавкой поверхностно-активных веществ.

Гипс. Гипс как добавка к клинкеру при получении портландцемента вводится в виде гипсового камня. По химическому составу он представлен в основном двуводным сернокислым кальцием CaSO₄-2H₂O. Химически чистый двуводный сернокислый кальций содержит: СаО -32,56; SO₃ -46,51 и Н₂О -20,93 %. В зависимости от содержания CaSO₄*2H₂O в гипсовом камне последний подразделяется на 3 сорта. К. 1-му сорту относится гипсовый камень с содержанием СаSО₄*2Н₂О не менее 90 %, ко 2-му сорту .не менее 75 % и к 3-му сорту не менее 65%.

Активныеминеральныедобавки. Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные.

Природныеактивныеминеральныедобавкибывают:

• 
  осадочного происхождения, образованные в результате осаждения в водоемах остатков некоторых растений или в результате природного обжига глинистых пород;
  
• 
  вулканического происхождения, образовавшиеся в результате извержения магмы.
  

В качестве добавок осадочного происхожденияв цементном производстве применяются:

• 
  диатомиты - горные породы, состоящие преимущественно из скопления микроскопических панцирей диатомовых микроорганизмов и содержащие главным образом кремнезем в аморфном состоянии;
  
• 
  трепелы - горные породы, состоящие из микроскопических округлых зерен и содержащие, главным образом, аморфный кремнезем. Трепелы и диатомиты по своим физическим свойствам сходны с глинами: они пластичны, вязки и легко распускаются в воде;
  
• 
  опоки - уплотненные диатомиты и трепелы;
  
• 
  глиежи - горные породы, образовавшиеся в результате природного обжига глины при подземных пожарах в угольных пластах.
  

Добавками вулканическогопроисхожденияявляются:

• 
  пеплы вулканические - представляющие собой рыхлые продукты извержения вулканов и содержащие в основном алюмосиликаты;
  
• 
  туфы вулканические - уплотненные и сцементированные (склеенные) застывшей магмой вулканические пеплы;
  
• 
  трассы - видоизмененные разновидности вулканических туфов;
  
• 
  пемза - камневидные породы, характеризирующиеся пористым губчатым строением. Назначение активных минеральных добавок в портландцементе состоит в том,
  

чтобы связать в нерастворимые в воде соединения свободный гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении цемента. В соответствии с этим основным показателем качества гидравлической добавки является способность ее связывать Са(ОН)₂. Эта способность добавки характеризуется ее активностью.

За показатель активности гидравлической добавки, принимается количество извести в миллиграммах, поглощаемой из известкового раствора 1 г добавки в течение 30 сут. Различные добавки, применяемые для портландцемента, должны иметь активность не ниже следующей в мг СаО/г.

Поверхностно-активныедобавки. Поверхностно-активные добавки подразделяются на пластифицирующие и гидрофобизующие. Их используют, как отмечалось, для изготовления соответственно пластифицированного и гидрофобного портландцементов. Однако эти добавки вводят также и во все другие разновидности

портландце.ментов. При этом каждый цемент приобретает дополнительное название, соответственно пластифицированный или гидрофобный. Например, пластифицированный дорожный портландцемент или гидрофобный сульфатостойкий портландцемент.

Пластифицирующие поверхностно-активные добавки применяют в виде концентратов сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Они образуются как отход при получении целлюлозы по сульфитному способу. В зависимости от агрегатного состояния и соответственно содержания сухого вещества различают концентраты ССБ жидкие (КБЖ), содержание сухих веществ, в которых не менее 50 %, твердые (КБТ) - не менее 76 %, и порошкообразные (КБП) - не менее 87 %.

Оптимальное количество вводимой добавки в цемент находится в пределах 0,15 – 0,25 % от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.

Гидрофобизующие поверхностно-активные добавки применяют в виде асидола, асидол-мылонафта и мылонафта, являющихся нафтеновыми (нефтяными) кислотами, образующимися при переработке нефти. Кроме указанных веществ, применяют также олеиновую кислоту. Она содержится в животных жирах.

Количество вводимой гидрофобизующей добавки зависит от ее вида и состава цемента и устанавливается опытом. Обычно величина этой добавки находится в пределах от 0,06 до 0,30% от массы цемента, считая на сухое вещество добавки.

Для лучшего распределения добавок в цементе их вводят в цементную мельницу в жидком виде. Для этой цели применяют специальные дозировочные механизмы. Если же добавки поступают ил завод в виде пасты, например мылонафт, или в твердом состоя их растворяют и горячей коде.

Обычно добавки – ускорители схватывания и твердения бетона – представляют собой электролиты (соли, кислоты, основания) и делятся на два класса. Поэтому при растворении этих добавок в воде образуются сольваты – более или менее прочные соединения молекул добавок с водой. Вводимые в бетонную смесь в количествах 0,5 – 3,0 % от массы цемента, они интенсифицируют процессы гидратации и оказывают положительноевлияние на формирование структуры цементного камня.

18. 
    Портландцемент. Состав и применение в строительстве. Физические и механические свойства цемента. Состав цементного камня.