CC BY
5
ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТ КОРРОЗИИ С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ Маммедов Д.1, Керимов Ч.К.2, Реджепов О.Б.3
'Маммедов Доврангулы - преподаватель;
2Керимов Чарыяр Кадыркулыевич- преподаватель;
3Реджепов Оразмырат Базарович- преподаватель кафедра строительства, Институт инженерно-технических и транспортных коммуникаций Туркменистана,
г. Ашхабад, Туркменистан
Аннотация: бетон и арматура обеспечивают монолитность конструкции и ее работу как единого целостного материала. Основное защитное действие бетона по отношению к металлу арматуры определяется содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи, продукта гидратации цемента, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации приводит сталь в неустойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объемных продуктов взаимодействия.
В специальных реакторах, с помощью применения коллоидных систем, можно добиться связывания извести активным кремнеземом, содержащимся в кислых активных добавках. Этот несложный технологический прием позволить обеспечить защиту как бетона, так и стали.
Ключевые слова: коррозия, бетон и арматура, силикатизация бетонов, коллоидных систем, обеспечить защиту.
PROTECTION OF FERROCONCRETE PRODUCTS AGAINST CORROSION WITH
THE HELP OF COLLOIDAL SYSTEM Mammedov D.1, Kerimov C.K.2, Rejepov O.B.3
1 Mammedov Dowranguly - Lecturer;
2 Kerimov Charyyar Kadyrkulyevich - Lecturer;
3 Rejepov Orazmyrat Bazarovich - Lecturer;
DEPARTMENT OF CONSTRUCTION INSTITUTE OF ENGINEERING-TECHNICAL AND TRANSPORT COMMUNICATIONS OF TURKMENISTAN,
ASHGABAT, TURKMENISTAN
Abstract: concrete and armature provide solidity of a design and its work as single integrated material. The main protective effect of concrete in relation to metal armature is determined by the content in the pores of concrete of saturated solution of alkali, a product of cement hydration, which ensures the safety of steel armature. A decrease of concentration leads the steel to an unstable state, in which corrosion is possible with the accumulation of bulk interaction products. Depth penetration of silicatization, is adjusted by terms of a presence of concrete in a reactor. This simple technological reception will allow to provide protection as concrete, and so steel. Keywords: corrosion, concrete and reinforcement, silicification of concrete, colloidal systems, provide protection.
В конструкциях строящихся в настоящее время зданий и сооружений, основное место занимают элементы из железобетона. Стальная железобетонная арматура эффективно воспринимает нагрузки на растяжение и изгиб, тогда как бетон работает против сжимающих нагрузок и защищает сталь от коррозии. Тем не менее, коррозия стальной арматуры в железобетоне не редкость. Коррозия стали в железобетоне имеет 2 основные причины:
1) образование дефектов в бетоне из-за коррозии;
2) снижение щелочности бетона ниже рН 12.
Устранение этих двух причин весьма затруднительно, потому что они часто противоречат друг другу,
В обычном гидратированном портландцементном тесте присутствует около 20 %-ов Са(ОН)2 который обеспечивает резервную основность (рН = 12^13) для защиты стали. Защиту стальной арматуры от коррозии при действии окружающей среды обеспечивает защитный слой бетона, который должен быть не менее 1-3,5 см. Основное защитное действие бетона по отношению к металлу арматуры определяется содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи, продукта гидратации цемента, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации приводит сталь в неустойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объемных продуктов взаимодействия (ржавчины) на поверхности контакта сталь - бетон. В этом случае наблюдается отслоение защитного слоя бетона и, как следствие, разрушение конструкции в целом. Для сохранения пассивности стали в бетоне необходим её постоянный контакт с поровой жидкостью, щелочность которой должна иметь водородный показатель рН > 11,8 [1, 171 с.].
Гидроксид кальция - самый реактивный компонент в минералогическом составе портландцементного бетона, который совершенно неустойчив к коррозии бетона I, II и III типов. Чтобы обеспечить защиту
бетона от коррозии, в состав цементов вводятся минеральные добавки. Образующиеся при этом гидросиликаты кальция (по сути, неорганические полимеры), намного более химически инертны и очень малорастворимы, по сравнению с Са(ОН)2. Цемент, в котором используются природные минеральные вещества или различные шлаки потребляет значительную часть гидроксида кальция, который образуется при гидратации портландцемента. На момент приготовления показатель щелочности этих бетонов рН<12. Требуется дополнительная защита стальной арматуры, когда они используются как основание железобетона [2, 180 с.]. Это вызывает некоторую озабоченность у инженеров-конструкторов, которые полагают, что из-за пониженной щелочности бетона, добавка аморфных силикатов (пуццоланов) к предварительно напряженному железобетону может привести к коррозии стали [3, 291 с.]. Коррозионное поведение арматуры в бетоне характеризуют главным образом изменением прочности, пластичности и характера её излома, а также глубиной коррозионного поражения (мм/год) или потерей массы (г/м2 сут или г/м2 ч). Пассивное состояние арматуры в бетоне, термодинамически склонной к окислению, возникает в соответствии с оксидно-пленочной теорией вследствие образования на поверхности металла тонкой оксидной пленки у^Юз или FeO • Fe2Oз толщиной 2,5 - 10 нм. Равновесный потенциал образования такой пленки составляет примерно +0,63 В, а железа в активном состоянии около -0,4 В. Как только поляризация анодных участков металла достигает потенциала образования оксидной пленки, плотность тока растворения резко снижается и металл (в данном случае сталь) переходит в пассивное состояние. Этот потенциал называется Фладе - потенциалом и обозначается Ef [2, 179 с.]. С увеличением pH он уменьшается:
Ef = 0,63 - 0,059 pH.
Из формулы Фладе выходить, что для пассивизации арматуры в бетоне, более чем достаточно добиться щелочности среды на уровне pH 11. Однако присутствие таких ионов, как SO42- и С1- смещают потенциал растворения металла в отрицательную сторону. Принято считать, что бетонная среда рН 11,8-12 обеспечивает пассивирование всех видов стальных арматур, в том числе сильно нагруженных (и по этой причине хуже поддающихся анодной поляризации). Однако, как видно из расчетов, водородный показатель низкоосновных гидросиликатов (в частности, тоберморитов C5S6H5,5), образующихся в бетонах с минеральными добавками, оказывается ниже необходимого значения рН 11,8 [4, 83 с.]:
= 1,96 • 10-3 ^Ш; рН = 14 + ^ (1,96 • 10-3) = 11,3.
Чтобы обеспечить защиту как бетона, так и стали можно провести поверхностную силикатизацию бетонов.
В данной работе предлагается с помощью применения коллоидных систем добиться связывания Са(ОН)2 на поверхности бетона активным полимерным кремнеземом, содержащимся в водном растворе. В качестве реактора можно использовать любую ванну, с не очень активной поверхностью. Глубина проникновения силикатизации регулируется количеством активного ингредиента, температурой и сроками нахождения бетона в реакторе. С повышением щелочности среды растворимость SiO2 увеличивается [5, 44 с.], поэтому в реакторе с бетоном (в ванночке) кремнезем очень активно растворяется.
В качестве активного кремнеземистого компонента было испробовано несколько материалов: вулканический туф (№1), жидкое стекло (№2). Для приготовления коллоидного раствора вулканический туф измельчен до дисперсного состояния 2800 -3200 см2/г, что соответствует прохождению 85 % от всей массы через сито № 008; жидкое стекло добавлено в готовом виде. В раствор на 6 дней поместили бетонные образцы, размером 4 - 4 - 16 см. Эти образцы после затворения водой, в течении суток содержались для твердения в воздушно-влажностных условиях, как того требуют стандарты.
Термодинамика цементного геля. В портландцементном бетоне хоть и образуются гидроалюминаты и гидроферриты кальция, главными определяющими минералами его основных свойств являются гидросиликаты кальция. Система CaO - SiO2 - H2O в цементном геле очень сложна и имеет много неустойчивых фаз. Они под влиянием многих факторов возникают и исчезают за короткий промежуток времени. В виду высокой основности портландцемента, вместе с гидросиликатами, в большом количестве образуется и гидроксид кальция. Портландит немедленно кристаллизуется, а система CSH в основном превращается в сложные полимеры, преимущественно с ближним и средним порядком. Из множества видов гидросиликатов кальция, можно выделить тоберморит (I), тоберморит (II) и различные гиллебрандиты.
Чем меньше запас химической энергии, тем устойчивее химическое соединение. Наиболее термодинамически устойчивы гидросиликаты кальция с соотношением C/S = 2/3 ^ 3/4, так как в этих областях наименьший запас химической энергии, а следовательно, большая устойчивость [5, 63 с.]. Гиллебрандиты и другие высокоосновные минералы малоустойчивы к коррозии не только из-за повышенной метастабильности, но и из-за высокой щелочности. Они водоустойчивы только в присутствии достаточного количества портландита, который сам имеет очень высокую растворимость в воде, не говоря о более агрессивных средах.
Диаграмма реактора
Диаграмма 1. Результаты силикатизации за 2,4 и 6 суток: кривая зеленого цвета - система с жидким стеклом,
желтого - с туфом.
Как видно из диаграммы, наиболее высокая активность проявилась в системе с жидким стеклом. Малую активность остальных систем, можно объяснить общими для всех троих причинами: высокая кристаллизованность, высокая загрязнённость инертными элементами, недостаточно мощная стеклянная фаза - и, как следствие, весьма низкий уровень внутренней энергии препаратов.
Рис. 1. Образцы после обработки в силикатной системе.
По результатам исследований, мы получили в реакторе (по сути, в ванночке), поверхностно силикатизированные бетонные образцы (рис. 1). По периметру излома образцов (рис. 2), ясно видны образования тоберморита (I) и других низкоосновных гидросиликатов белого цвета, толщиной до 6 мм, по реакции:
Са(0Н)2 + БЮ2 • Н2О + ПН2О = СаО • SiO2 • (п + 2)Н20.
Эта силикатный слой безопасен для арматуры, потому что как отмечено выше, защитный слой бетона обеспечивается толщиной не менее 10-35 мм.
Внутренние части изделия заняты тоберморитом (II), гиллебрандитом и другими высокоосновными гидросиликатами, которые обеспечивают надежную защиту стальной арматуры.
Рис. 2. Излом силикатизированных образцов № 2.
Этот несложный технологический прием позволить обеспечить защиту как бетона, так и стали. В предлагаемом способе не требуется сложного оборудования и сырья. Эти реакторы целесообразно использовать в технологии изготовления железобетонных изделий работающих в агрессивных средах (например, в технологии производства железнодорожных шпал, элементов подземных сооружений, гидротехнических сооружений, различных столбов и т. д.).
Список литературы /References
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. - Москва: "Высшая школа", 1987.
2. Микульский В.Г. и др. Строительные материалы. Учеб. издание. - Москва: ИАСВ, 2004.
3. Рамачандран В.С. и др. Добавки в бетон. - Москва: Строиздат, 1988.
4. Кафтаева М.В. Теоретическое обосновании основных переделов технологии производства ячеистых силикатных материалов автоклавного твердения. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013.
5. Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Ленинград: "Стройиздат", 1978.
