Коррозия цементного камня и бетона. Виды коррозии
Бетон– искусственный камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, крупного и мелкого заполнителя (щебня, гравия и песка).
Коррозия выщелачивания представляет собой вымывание гидроксида кальция, особенно в условиях постоянной фильтрации воды через массу бетона. Коррозия идет наиболее интенсивно при воздействии слабоминерализованной, мягкой, воды, в результате чего на поверхности образуются натеки Ca(OH)2.
Сульфатная коррозия возникает при проникновении в поры бетона сульфатов кальция, натрия и магния, которые при гидратации образуют многоводные кристаллогидраты Na2SO4×10H2O, MgSO4×7H2O, CaSO4×2H2O. Рост кристаллогидратов сопровождается их увеличением в объеме и возникновением кристаллизационного давления, которое и разрушает поры бетона. Наибольшей разрушающей способностью обладает гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), или «цементная бацилла», которая образуется по уравнению
3CaO×Al2O3×6H2O + 3CaSO4 + 25H2O ® 3CaO×Al2O3×3CaSO4×31H2O
Магнезиальная коррозия идет в результате действия растворимых солей магния, которые взаимодействуют с гидроксидом кальция:
Ca(OH)2 + MgCl2 ® CaCl2 + Mg(OH)2
В результате этого процесса образуется хорошо растворимый хлорид кальция и аморфный гидроксид магния.
Кислотная коррозия бетона особенно интенсивно протекает под воздействием сильных кислот HNO3, H2SO4, HCl, даже очень разбавленные растворы которых разрушают строительный материал в короткие сроки. Хлоридная коррозия бетона идет под воздействием хорошо растворимых соединений, образованных соляной кислотой. Растворы поваренной соли (NaCl) интенсивно разрушают бетон и цементно-песчаные кладочные растворы.
Керамика
Керамика– общее название всех изделий из обожженной глины. Химический состав глин принято выражать следующими оксидами: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, FeO, TiO2, K2O, Na2O, SO3.
Вода содержится в глинах как в свободном, так и химически связанном виде, входит в состав глинообразующих минералов.
Минералогический состав глин как в качественном, так и в количественном отношении разнообразен и может быть представлен следующими минералами:
Al2O3×2SiO2×2H2O каолинит
Al2O3×4SiO2×H2O×nH2O монтмориллонит
K2O×MgO×4Al2O3×7SiO2×2H2O иллит (гидрослюда)
Солевые налеты на обожженном строительном и лицевом кирпиче образуются при взаимодействии Ca(OH)2 и CaСO3, содержащих в глине (кирпиче-сырце), с сернистым газом, присутствующим в дымовых газах. Разбавленные воздухом дымовые газы играют роль теплоносителя при сушке сырца. Сернистый газ сначала взаимодействует с влагой сырца, образуя сернистую кислоту:
H2O + SO2 = H2SO3
затем сернистая кислота окисляется до серной:
2H2SO3 + O2 = 2H2SO4
Далее на поверхности кирпича-сырца идут реакции, приводящие к образованию нерастворимого сульфата кальция (ангидрита):
Ca(OH)2 + H2SO4 ® CaSO4 + 2H2O
CaСO3 + H2SO4 ® CaSO4 + 2H2O + СO2
Высолы на кирпичной кладке в процессе ее сооружения могут образовываться через 7–10 сут после ее возведения. Главные причины образования высолов – растворимые соли, содержащиеся в кирпиче и кладочном растворе, и атмосферные осадки. Миграция растворимых солей на открытую поверхность кладки приводит к образованию высолов, состав которых разнообразен: Na2SO4 (тенардит), Na2SO4×10H2O (мирабилит), CaSO4×2H2O (гипс), Na2SO4×CaSO4 (глауберит), CaSiO3 (волластонит) и др.
Солевая коррозия кирпичной кладки возникает в результате кристаллизации в порах кирпича и кладочного раствора многоводных кристаллогидратов, которые могут иметь следующий состав: Na2SO4×10H2O, Mg SO4×7H2O, Na2СO3×10H2O, CaCl2×6H2O. Механизм разрушения аналогичен таковому при сульфатной коррозии бетона. Рост в объеме перечисленных кристаллогидратов приводит к возникновению кристаллизационного давления от 0,09 до 0,44 МПа, которое является причиной деструкции материалов кирпичной кладки.
ЗАДАЧИ
20.1. Содержание пирита в глине составляет 0,5 % мас. При обжиге глины пирит окисляется до оксида серы (IV) и оксида железа (III) . Сколько литров газа, приведенного к н. у., выделится при обжиге 500 кг глины? Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции.
Ответ: 933,5 л.
20.2. Содержание пирита в глине составляет 0,5 % мас. Рассчитать, сколько граммов серы находится в 400 кг глины.
Ответ: 1069 г.
20.3. При гидратации и гидролизе трехкальциевого силиката (минерала цементного клинкера) образуются двухкальциевый гидросиликат и гидроксид кальция. Написать уравнение реакции и рассчитать, какое количество Cа(ОН)2 образуется из 22,8 г 3СаО×SiO2.
Ответ: 7.4 г.
20.4. На поверхности бетона в результате выщелачивания образовался натек гидроксида кальция, масса которого составляет 0,74 г. В дальнейшем Ca(OH)2 взаимодействует с СО2 и водой с образованием Ca(HCO3)2. Написать уравнения соответствующих реакций. Рассчитать, сколько литров СО2 (н. у.) пойдет для карбонизации указанного количества Ca(ОН)2.
Ответ:0,448 л.
20.5. При термической диссоциации кальцита (известняка) выделяются углекислый газ и оксид кальция (негашеная известь). Написать уравнение реакции и рассчитать массу выделяющегося СО2 при диссоциации 75 кг кальцита.
Ответ: 33 кг.
20.6. На приготовление известково-песчаного кладочного раствора израсходовано 150 кг гашеной извести. Написать уравнение твердения известкового раствора и рассчитать, сколько литров СО2 (н. у.) пошло на карбонизацию 100 кг гашеной извести.
Ответ: 30270 л.
20.7. Для связывания растворимых солей (сульфатов) в глине в керамическую шихту вводится карбонат бария. Написать уравнение реакции взаимодействия сульфата натрия с ВаСО3 и рассчитать его количество, необходимое для нейтрализации 142 г Na2SO4, содержащегося в глиномассе.
Ответ: 197 г.
20.8. Вычислить содержание, в % мас., каждого из элементов в соединениях кальцита, пирита, поташа.
Ответ: а) 40, 12, 48 %; б) 47, 53 %; в) 56,5; 8,7; 34,8 %.
20.9. Кальцит разлагается при нагревании на оксид кальция и оксид углерода (II). Какая масса кальцита, содержащего 90 % мас. карбоната кальция, потребуется для получения 7,0 т негашеной извести?
Ответ: 13,9 т.
20.10. Хлорид бария вводится в глиномассу для связывания растворимых сульфатов. Найти формулу кристаллогидрата хлорида бария, зная, что 36,6 г хлорида при прокаливании теряет в массе 5,4 г.
Ответ: BaCl2×2H2O.
20.11. Антрацит используется при обжиге глиняного кирпича. Установлено, что при сжигании 3 г антрацита выделяется 5,3 л СО2, измеренного при н. у. Сколько процентов углерода (по массе) содержит антрацит?
Ответ: 94,64 %.
20.12. Для повышения коррозионной стойкости бетона в строительную смесь вводится мелкозернистый кремнезем, переводящий растворимый гидроксид кальция в силикат. Какое количество кремнезема необходимо ввести в бетонную смесь, чтобы связать 180 г Са(ОН)2? Написать уравнение реакции.
Ответ:146 г.
20.13. Исходя из уравнения реакции взаимодействия негашеной извести с водой (написать уравнение реакции) определить теплоту образования гашеной извести, используя данные табл. 4 приложения.
Ответ: -65,3.
20.14. При рН < 5 изделия из бетона начинают интенсивно разрушаться. Насколько опасна для бетона жидкая среда, в которой концентрация ионов водорода [H+] = 2,5×10-5 моль/л? Каков при этом рН среды?
Ответ: 4,6.
20.15. Вычислить рН растворов, в которых концентрация ионов ОН-, в моль/л, следующая: а) 4,6×1-4; б) 5×10-6. Насколько такая среда опасна для оцинкованных водопроводных труб?
Ответ:а) 10,7; б) 8,7.
20.16. Какое количество гашеной извести, содержащей 80 %-ный Са(ОН)2, необходимо для устранения временной жесткости 1000 м3 воды, если в 1 л Н2О находится 10 ммоль HCO3-?
Ответ:462 кг.
20.17. В состав шихты для производства цементного клинкера входят оксиды кальция, железа, алюминия и кремния. Определить их характер (основной, кислотный, амфотерный). Написать формулы минералов, входящих в состав цементного клинкера.
20.18. Сколько гашеной извести (в процентах к использованному известняку) можно получить из известняка, содержащего 2 % мас. примесей?
Ответ:72,52 %.
20.19. При анализе цемента (навеска 1,5 г) магний был осажден в виде гидроксида. Полученный осадок прокален до постоянного веса, масса которого оказалась равной 0,045 г. Определить содержание магния (в виде оксида) в данном образце цемента.
Ответ: 3 %.
20.20. Оконное стекло содержит 13,0 % мас. оксида натрия, 13,7 % мас. оксида кальция и 73,3 % мас. оксида кремния. Определить молекулярный состав такого стекла.
Ответ:1:1,17:5.8.
20.21. Сколько килограммов негашеной извести получится при прокаливании 1 т известняка, содержащего 20 % мас. примесей?
Ответ:448 кг.
20.22. При прокаливании на воздухе 5 кг пирита, содержащего некоторое количество минеральных примесей, получено 5,12 кг оксида серы (IV). Определить чистоту пирита.
Ответ:96 %.
20.23. При обжиге 100 кг известняка выделилось 18 м3 оксида углерода (IV). Сколько примесей, % мас., содержится в исходном материале (н. у.)?
Ответ:19,64 %.
20.24. Определить массы SiO2 и соды, которые потребуются для получения 1 кг растворимого стекла, состоящего только из метасиликата натрия.
Ответ: 491,8 г и 868,9 г.
20.25. Каковы массовые доли (%) оксида калия, оксида алюминия и оксида кремния (IV) в ортоклазе K2Al2Si6O16?
Ответ:16,9, 18,35 и 64,75 %.
20.26. Сколько (по массе) каолинита Al2O3×2SiO2×2H2O, SiO2 и поташа образуется при выветривании 278 кг ортоклаза? Написать уравнение реакции выветривания указанного минерала.
Ответ:129, 120 и 69 кг.
20.27. Определить массовые доли оксидов (%), составляющих оконное стекло, Na2O×CaO×6SiO2.
Ответ:13, 11,7 и 75,3 %.