Коррозия цементного камня

 

Бетоны и цементный  камень, как его матричная часть, в эксплуатационных условиях подвержены коррозионному воздействию различных  сред, особенно минерализованной воды в морских сооружениях (молы, причалы, эстакады со свайным основанием и  железобетонным верхним строением, портовые конструкции и др.), минеральной  кислоты при эксплуатации резервуаров, башен и других сооружений химической промышленности. На бетон оказывают коррозионное воздействие органические кислоты и биосфера, особенно при работе сооружений в торфяных грунтах, на предприятиях пищевой промышленности. Негативное влияние могут оказывать на состав и структуру цементного камня в бетонах щелочная среда, пресная вода, особенно водные растворы электролитов. В индустриальных районах коррозионное влияние на бетонные конструкции оказывают газы, например сернистые, сероводород, хлористый водород, аэрозоли солей, например морской воды и др. Агрессивное воздействие оказывают также твердые, в основном высокодисперсные вещества, способные образовывать во влажных условиях прослойки из истинных и коллоидных растворов. Кроме химических реакций при контакте со средой возможны физические сорбционные процессы с поглощением из среды поверхностно-активных веществ (ПАВ), например серосодержащих полярных смол из нефтепродуктов, с физическим нарушением сплошности контактов в структуре и ускорением развития дефектов. 
 

1. Физическая  коррозия

 
 

Это выветривание, растворение, разрушение вследствие температурных  колебаний характерных для всех видов горных пород. 

Коррозии растворения  носит физико-химический характер. 

2. Химическая  коррозия

 
 

Агрессивными по отношению к цементному камню  являются все кислоты и многие соли. 

Этот вид коррозии имеет место чаще всего, а разрушение происходит наиболее интенсивно. Самым  уязвимым веществом в цементном  камне является известь. Однако связывание извести (скажем за счет SiO2) еще не исключает коррозии, поскольку она может восстанавливаться за счет отступления от гидратов кальция. 

Кислоты и некоторые  соли вступают в реакцию с Са(ОН)2 и образуют новые соединения, либо легко растворимые в воде, либо непрочные рыхлые, либо кристаллизующиеся со значительным

Изменением объема. Иногда это все происходит одновременно. 

Все кислоты разрушают  портландцементный камень 

Са(ОН)2 + НСl = CaCl + 2 H2O 

Са(ОН)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O 
 
 
 
 
 
 
 

3. Коррозия  выщелачивания

 
 
 

Чем выше концентрация извести в порах цементного камня, тем выше скорость выщелачивания. Низкоосновные гидраты кальция имеют меньшую равновесную растворимость. Известь связывается, а основность понижается в тех случаях, когда в цемент вводятся активные кремнеземистые добавки, а при высоких температурах и кварцевый песок. 

Таким образом, более  стойкими против коррозии выщелачивания  являются низкоосновные цементы (пуццолановые, шлакопесчанистые, БКЗ, известковокремнеземистые). 
 

4. Магнезиальная коррозия

 
 

Если в окружающей цементный камень среде содержатся вещества, образующие с Са(ОН)2 малорастворимые соединения, то концентрация извести в ней будет поддерживаться на очень низком уровне. 

Например, если в  пластовых водах есть MgSO4(МАГНИЯ СУЛЬФАТ), то он вступая во взаимодействие с Са(ОН)2 по реакции: 

Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = Mg(ОН)2 + Са SO4 2Н2О 

Mg(ОН)2(ГИДРОКСИД МАГНИЯ) и гипс имеют очень низкую растворимость в воде. Mg(ОН)2 сам по себе представляет рыхлое аморфное вещество. Если подобный процесс будет продолжаться - цементный камень разрушится. Это магнезиальная коррозия. Подобное действие но более слабое, оказывает и хлористый магний. 

Однако, чаще всего процесс затухает по мере накопления Mg(ОН)2 (МАГНИЯ СУЛЬФАТ), и Са SO4 2Н2О в порах цементного камня кольматаций. Причем накопление этих веществ происходит тем быстрее, а уплотнение пор выше, чем выше основность цемента. Кольматация пор приводит к замедлению проникновения агрессивноного MgSO4. 

Следовательно, стойкость  вяжущего к этому виду коррозии понижается при введении активных минеральных  добавок. Отсюда в таких средахнельзя применять облегченные цементные растворы с минеральными добавками типа диатомит, опока, тремел, пемза). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.Углекислотная коррозия 
 

В пластовых водах как правило присутствует то или иное количество углекислого газа. Он действует разрушающе, поскольку понижает содержание Са(ОН)2 окисляя ее сначала до СаСО3(Карбонат кальция), которая мало растворима, что будет вызывать понижение основности гидратов цемента. При поступлении новых порций СО2, СаСО3 окисляется до бикарбоната Са (НСО3)2, который хорошо растворим. При незначительной концентрации Са2 в водах процесс может затухнуть. Однако если кислота содержится в пластовом газе, то вследствие большой проницающей способности, диффузии и осмоса возможно быстрое разрушение камня. Если процесс ограничивается до СаСО3, то низкоосновные, если до Са (НСО3)2 (гидрокарбонат кальция) - т о высокоосновные (см. ниже). 

5. Сульфатная  коррозия

 
 

Это вид коррозии, который связан с образованием соединений кристаллизующихся с увеличением  объема. Примером такой коррозии являются взаимодействие с сульфатами кальция  и натрия. Известно, что гидроалюминаты кальция могут присоединять гипс и образовывать гидросульфоалюминат. Последний кристаллизуется с увеличением объема, что вызывает внутренние напряжения и разрушение цементного камня. 

(3 CaO Al2O3 12H2O + 3(CaSO4 2H2O) + 13H2O = 

= 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 

Однако не всегда наличие гидросульфоалюмината кальция в цементном камне говорит и сульфатной коррозии. Это вещество имеется в первичной структуре цементного камня. Только увеличение количества гидросульфатоалюмината говорит о происходящей сульфоалюминатной коррозии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сероводородная  коррозия 
 

Это один из распространенных на нефтяных и газовых месторождениях видов коррозии. При сероводородной коррозии наблюдается образование  малорастворимых сульфидов кальция, алюминия и железа. Это приводит к понижению равновесной концентрации Са(ОН)2, Al(OH)3, Fe(OH)3, что в свою очередь вызывает разрушение гидратов кальция. 

Нефть и нефтепродукты  не опасны, но если в них есть нафтеновые кислоты и сульфаты, то они также  разрушают цементный камень. 

6. Биологическая коррозия

 
 

Этот вид коррозии изучен мало. Однако, видимо сводится в конечном итоге к какому либо химическому виду. 

Так имеется много  бактерий, которые выделяют углекислоту, что повлечет углекислотную коррозию. Некоторые бактерии могут окислять сульфаты сначала до сероводорода, а затем до серной кислоты. Отсюда и характер разрушения камня. 

7. Электрохимическая и электроосмотическая  коррозии

 
 

Источник - блуждающие токи (промышленные сети). Система обсадная колонна, цементный камень - земля  являются проводниками. В этой системе  всегда возможен перенос ионов, отсюда возможны и электрохимическая и  электроосмотическая коррозии. Следует  отметить, что цементные камни, бетоны (фундаменты) обладают как правило определенным электрическим потенциалом по отношению к земле. 

Разрушение цементного камня может происходить под  влиянием физических факторов (насыщение  водой, попеременное замораживание  и оттаивание, увлажнение и высыхание  и т. п.), а также при химическом взаимодействии компонентов камня  с агрессивными веществами, содержащимися  в окружающей среде. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Коррозия  первого вида -- разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей (коррозия выщелачивания). При действии воды на цементный камень вначале растворяется и уносится водой свободный гидроксид кальция, образовавшийся при гидролизе C3S и C2S, содержание которого в цементном камне через 1...3 мес твердения достигает 10...15%, а растворимость при обычных температурах-- 1,3 г/л. После вымывания свободного гидроксида кальция и снижения его концентрации ниже 1,1 г/л начинается разложение гидросиликатов, а затем гидроалюминатов и гидроферритов кальция. В результате выщелачивания повышается пористость цементного камня и снижается его прочность. Процесс коррозии первого вида ускоряется, если на цементный камень действует мягкая вода или вода под напором. 
 

Коррозия  второго вида происходит при действии на цементный камень агрессивных веществ, которые, вступая во взаимодействие с составными частями цементного камня, образуют либо легкорастворимые и вымываемые водой соли, либо аморфные массы, не обладающие связующими свойствами (кислотная, магнезиальная коррозия, коррозия под влиянием некоторых органических веществ и т. п.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Коррозия  под действием  органических  и  неорганических кислот, быстро разрушает цементный камень. Вредное влияние оказывают и масла, содержащие кислоты жирного ряда (льняное, хлопковое, рыбий жир). Нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не опасны для цементного бетона, если в них нет остатков кислот, но они легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенолы, оказывают агрессивное воздействие на бетон. 
 
 
 
 
 
 

• Коррозия  третьего вида объединяет процессы, при которых компоненты цементного камня, вступая во взаимодействие с агрессивной средой, образуют соединения, занимающие больший объем, чем исходные продукты реакции. Это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание. Характерной коррозией этого вида является сульфатная коррозия. Сульфаты, часто содержащиеся в природной и промышленных водах, вступают в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя гипс CaSO4-2H2O. Разрушение цементного камня в этом случае вызывается кристаллизационным давлением кристаллов двуводного гипса. Такая коррозия происходит при значительных концентрациях сульфатов в воде