Цемент это щелочь или кислота

Цемент это щелочь или кислота

В СССР и за рубежом были обнаружены случаи разрушения бетона в железобетонных конструкциях мостов, плотин, зданий и др., которые были вызваны реакцией щелочей портландцемента с заполнителями бетона. Коррозия этого вида принципиально отличается от обычной тем, что разрушение вызывается не взаимодействием внешней среды с бетоном, а процессами, возникающими внутри бетона вследствие взаимодействия щелочей цемента с реакционноспособным кремнеземом заполнителя

При современной технологии производства цемента в составе клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений, причем оксид натрия присутствует почти во всех фазах клинкера. Основное количество оксида калия находится в фазе трехкальциевого алюмината и C2S. Щелочи встречаются в клинкере также в виде сульфатов. При гидратации цемента щелочные фазы взаимодействуют с водой и в виде гидратированных соединений накапливаются в жидкой фазе, В ранние сроки твердения калиевая щелочь растворяется быстрее, чем натриевая. Примерно к 25 сут твердения почти все соединения калия переходят в водорастворимое состояние, в то время как количество перешедшего в раствор оксида натрия составляет 40—60%. Концентрация щелочей в жидкой фазе зависит от содержания щелочей в цементе и В/Ц и может достигать 50 г/л. По мере твердения и химического связывания воды концентрация щелочей в жидкой фазе будет возрастать.

Реакция растворов щелочи с кремнеземом протекает в две стадии. Первая заключается в нейтрализации поверхности кремнезема;

— Si — ОН + Na+ + ОН» = — Si — О Na+ + Н20 В этом случае водородный ион Н+ поверхности кремнезема соединяется с гидроксильным ионом ОН- с образованием молекулы воды. Оставшийся некомпенсированный заряд кислорода позволяет ему присоединиться к положительному иону натрия Na+. Для такой реакции достаточен щелочной раствор слабой концентрации.

Вторая стадия заключается в разрыве кремнекисло- родных Связей:

— Si —О —Si +2 NaOH = — Si — О» Na+ + Na+ 0~ — Si + H20 и проходит при избытке щелочи по сравнению с количеством, необходимым для нейтрализации кислой поверхности кремнезема. В результате реакции появляются студенистые, гелеобразные отложения белого цвета в порах и во внутренних слоях бетона вблизи частиц реакционноспособных заполнителей и на поверхности бетона. Затем становятся заметными трещины, различные по конфигурации и достигающие иногда значительных размеров ( 23). При дальнейшем развитии процессов взаимодействия щелочей с заполнителем образуется сеть трещин. Участки бетонной поверхности шелушатся и вспучиваются.

Данные исследований и наблюдений за состоянием сооружений свидетельствуют о том, что разрушение бетона может наступить даже через 10—15 лет после начала реакции. Постепенное расширение бетона и его разрушение происходит в результате давления, возникающего в контактных слоях реакционноспособного заполнителя и цементного камня. Оно вызывается набуханием продуктов реакции и осмотическими явлениями, возникающими из-за полупроницаемости цементного камня по отношению к продуктам реакции [86, 87, 104, 57].

Существуют различные способы предупреждения щелочной коррозии. Это ограничение общего содержания щелочей в цементе 0,6%; введение активных минеральных добавок [111, 112], а также воздухововлекающих или газообразующих веществ. Заметно уменьшается расширение при добавлении солей лития, а также альбумина — интенсивного воздухововлекающего вещества. Уменьшить расширение можно также при введении крем- нийорганического полимера ГКЖ-94. Наибольший эффект дают тонкомолотые активные минеральные добавки с преимущественным содержанием опаловидного вещества (Si02 aq), активно поглощающего гидроксид кальция и щелочи. С введением таких гидравлических добавок, обладающих большой удельной поверхностью, уменьшается разность концентраций щелочей в объеме образца и у поверхности реакционноспособных заполнителей, что способствует уменьшению осмотического давления. Кроме того, уменьшается отношение Na20 : : Si02, поэтому реакции проходят преимущественно по первой схеме и опасные напряжения и расширение бетона не происходят.

В результате многолетних исследований большого коллектива советских ученых была решена проблема получения специальных цементов, которые обладают высокой коррозиеустойчивостью при определенном хи- мико-минералогическом составе исходного клинкера и соответствующем содержании в цементе активных минеральных добавок.

Смотрите также:

суль-фоалюмииатиую, вызываемую действием на цемент ионов SCXf при их концентрации от 250—300 до 1000 мг/л
и другим разнообразным видам коррозии (действию щелочей и других веществ, животных жиров, растительных масел, углеводов, спиртов, фенолов и т.п.), что надо.

Коррозия портландцементных бетонов под действием вод происходит в основном в . щелочей цемента и реакционноспособного кремнезема заполнителей, .

Коррозия под действием концентрированных растворов щелочей, особенно при последующем высыхании, возникает в
В слабощелочной среде цементный камень не подвергается коррозии. Защита бетона и других материалов от коррозии вызывает большие расходы.

1.10.1. Щелочная коррозия заполнителя. Этот вид коррозии особенно опасен при повышенном содержании щелочей в цементе
ASTM C227 и ASTM С289 (химические, с целью определения потенциальной реакционной способности, вызванной кремнеземистым заполнителем), а также.

Способность ‘бетона противостоять действию сред, вызывающих его химическую коррозию, определяется
Как показано В. М. -Москвиным и Г. С. Рояком, наибольшее развитие щелочной коррозии наблюдается при неблагоприятных соотношениях щелочей цемента и.

Источник

Минералогический и химический состав Портландцемента

Химический состав цемента выражают в оксидах, основными оксидами являются: CaO, оксид кремния, железа. Оксид кальция. 63-66%. Вводится с карбонатным компонентом. Чем выше содержание его, тем больше образуется основного клинкерного минерала алита. Но при повышении содержания CaO необходимо следить, чтобы он был весь связан минералами, не связанного должно быть не больше 1% Оксид кремния связывает оксид кальция в силикаты. Чем выше содержание оксида кремния, тем больше образуются двухкальциевые силикаты, тем ниже прочность цемента (марка). Оксид алюминия 4-8%. Попадает в клинкер с глинистыми компонентами. Этот оксид входит в состав клинкерного минерала 3CaO.Al₂­O­₃? который отвечает за схватывание цемента. Fe₂O₃ 3-4%, основное назначение – образование расплава. Жидкая фаза необходима для защиты фупировки печи от высоких температур, образование основного клинкерного минерала – трехкальциевого силикага. Благодаря образованию расплава снижается температура обжига портландцеменьного клинкера до 1450 град. (без железа 1600 град.). Второстепенные оксиды: Оксид магния. Не более 5%. Попадает с карбонатным сырьем. В процессе обжига карбонат магния разлагается на MgO, а затем происходит его пассивирование. При обычных условиях пассивный MgO с водой не взаимодействует. А при получении изделий из такого цемента, например, бетона, который подвергают пропаливанию при температуре 60-80 град. оксид магния начинает реагировать с водой с увеличением объема, в результате чего получаемые изделия имеют дефекты. Поэтому содержание MgO ограничивают до 5%. R₂O, где R – Na, Ca. Попадют в состав. При их содержании до 1% они полезны, поскольку снижают температуру разложения CaСO₃ и способствует образованию основных клинкерных минералов. Если они содержатся в количествах более 1%, то при сухом способе производства цементного клинкера они легко переходят в газовую фазу, а затем конденсируются в газоходах, происходит налипание на них пыли и газоходы забиваются. Кроме того, при получении из такого портландцемента изделий на них могут образовываться высолы, т.е. эти щелочные соединения вымываются на поверхность изделия ухудшая их эстетический вид. Если эти щелочи находятся в связанном соединении (в виде хлоридов), то такой цемент не годится для получения железобетонных изделий, поскольку хлориды – мощные агрессоры по отношению к железу (стальная арматура коррозирует). Оксид хрома. Попадает в клинкер в результате разрушения хромогрезитовой фуппировки печи. Этот оксид не допустим в содержании, поскольку в результате обжига он может переходить в 6-валентный оксид хрома, который является токсичным. Оксид титана. TiO₂. Попадает через глинистый компонент. Полезен, поскольку облегчает кристаллизацию основных клинкерных минералов.

Минералогический состав Портландцемента

Основным клинкерным минералом является трехкальциевый силикат (алит). 3CaO.SiO­₂. 55-65%. Этот минерал отвечает за набор прочности в ранние сроки твердения. Именно он обеспечивает марочную прочность цемента. 2CaO.SiO­₂. Белит. 21-24%. Отвечает за прочность портландацементного клинкера, но в отличии от алита, он медленно твердеет и придает прочность в поздние сроки. 3CaO.Al₂O₃.Кальций алюминат. 4-8%. Отвечает за быстрое схватывание цемента. Чтобы замедлить схватывание в состав вводят природный гипсовый камень. Он взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, тем самым замедляется реакция взаимодействия трехкальциевого алюмината с водой. Тем самым замедляется схватывание портландцемента. 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃. 10-12%. Фактически является балластом, т.к. основное назначение в процессе обжига – образование расплава, благодаря которому образуется алит. Второстепенные минералы: Клинкерное стекло. Образуется в результате резкого охлаждения расплава. Чаще всего в состав клинкерного стекла входят трехкальц алюминат и алюмо феррит. Поскольку при резком охлаждении не все минералы успевают выкристаллизоваться (чем меньше степень закристаллизованнности вещества, те выше его активность; стекло – аморфное тело). Выделяют свободный оксид кальция не более 1%. Оксид кальция не более 5%. Для удобства на практике приняты обозначения: алит – C₃S, белит C₂S, C₃A, С₄AF.

Источник

Цемент это щелочь или кислота

Коррозия, вызванная реакцией щелочей портландцемента с заполнителями бетона, принципиально отличается от обычной тем, что разрушение вызывается не взаимодействием внешней среды с бетоном, а процессами, возникающими внутри бетона вследствие взаимодействия щелочей цемента с реакционноспособным кремнеземом заполнителя.
При современной технологии производства цемента в составе клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений, причем оксид натрия присутствует почти во всех фазах клинкера. Основное количество оксида калия находится в фазе трехкальциевого алюмината и C2S. Щелочи встречаются в клинкере также в виде сульфатов. При гидратации цемента щелочные фазы взаимодействуют с водой и в виде гидратированных соединений накапливаются в жидкой фазе. В ранние сроки твердения калиевая щелочь растворяется быстрее, чем натриевая. Примерно к 25 сут твердения почти все соединения калия переходят в водорастворимое состояние, в то время как количество перешедшего в раствор оксида натрия составляет 40—60%. Концентрация щелочей в жидкой фазе зависит от содержания щелочей в цементе и В/Ц и может достигать 50 г/л. По мере твердения и химического связывания воды концентрация щелочей в жидкой фазе будет возрастать. Реакция растворов щелочи с кремнеземом протекает в две стадии. Первая заключается в нейтрализации поверхности кремнезема. В этом случае водородный ион Н+ поверхности кремнезема соединяется с гидроксильным ионом ОН- с образованием молекулы воды. Оставшийся некомпенсированный заряд кислорода позволяет ему присоединиться к положительному иону натрия Na+. Для такой реакции достаточен щелочной раствор слабой концентрации.
Вторая стадия заключается в разрыве кремнекислородных связей и проходит при избытке щелочи по сравнению с количеством, необходимым для нейтрализации кислой поверхности кремнезема. В результате реакции появляются студенистые, гелеобразные отложения белого цвета в порах и во внутренних слоях бетона вблизи частиц реакционноспособных заполнителей и на поверхности бетона. Затем становятся заметными трещины, различные по конфигурации и достигающие иногда значительных размеров. При дальнейшем развитии процессов взаимодействия щелочей с заполнителем образуется сеть трещин. Участки бетонной поверхности шелушатся и вспучиваются. Данные исследований и наблюдений за состоянием сооружений свидетельствуют о том, что разрушение бетона может наступить даже через 10—15 лет после начала реакции. Постепенное расширение бетона и его разрушение происходит в результате давления, возникающего в контактных слоях реакционноспособного заполнителя и цементного камня. Оно вызывается набуханием продуктов реакции и осмотическими явлениями, возникающими из-за полупроницаемости цементного камня по отношению к продуктам реакции.
Существуют различные способы предупреждения щелочной коррозии. Это ограничение общего содержания щелочей в цементе 0,6%; введение активных минеральных добавок, а также воздухововлекающих или газообразующих веществ. Заметно уменьшается расширение при добавлении солей лития, а также альбумина — интенсивного воздухововлекающего вещества. Уменьшить расширение можно также при введении кремнийорганического полимера ГКЖ-94. Наибольший эффект дают тонкомолотые активные минеральные добавки с преимущественным содержанием опаловидного вещества, активно поглощающего гидроксид кальция и щелочи. С введением таких гидравлических добавок, обладающих большой удельной поверхностью, уменьшается разность концентраций щелочей в объеме образца и у поверхности реакционноспособных заполнителей, что способствует уменьшению осмотического давления. Кроме того, уменьшается отношение Na2О : Si02, поэтому реакции проходят преимущественно по первой схеме и опасные напряжения и расширение бетона не происходят.
В результате многолетних исследований большого коллектива советских ученых была решена проблема получения специальных цементов, которые обладают высокой коррозиеустойчивостью при определенном химико-минералогическом составе исходного клинкера и соответствующем содержании в цементе активных минеральных добавок.

Источник

Что происходит с бетоном в щелочной среде?

В цементах щелочи взаимодействуют с кремнеземами, компонентами заполнителей. Этот процесс известен как выщелачивание бетона. Провоцирует постепенную рекристаллизацию и разрушение структуры материала. Обуславливает нарушение упругости, целостности зданий, снижение срока эксплуатации.

Как воздействует щелочная среда?

Реакция между щелочами и заполнителями является сложным диффузионным процессом, не всегда протекает с одинаковой скоростью. Выщелачивание в цементе проявляется в виде неравномерного расширения бетонных поверхностей и появления трещин, что приводит к снижению прочности, долговечности стен и других поверхностей. Трещины имеют вид неправильного узора, шире всего в нижней части конструкции, ближе к земле. Достигают 30—40 мм там, где внутреннее расширение особо велико, однако находятся на поверхности, разрушают бетон неглубоко, разветвляясь на микротрещины.

Нарушение монолитности материала в щелочной среде чревато попаданием внутрь влаги. Воздействие воды на бетон усиливается на морозах и при оттаивании, что ускоряет разрушительные процессы. Изменить ход реакции, снизить негативный эффект взаимодействия щелочей и наполнителей можно несколькими способами:

• Применение химически неактивных веществ-заполнителей.
• Контроль за долей щелочей в цементе.
• Использование стабилизирующих добавок, улучшающих вяжущие свойства цементного раствора, как пуццолан. Введенные пуццолановые материалы вступают в химическое взаимодействие со щелочами до того, как те начинают реагировать с активными компонентами заполнителей.
• Корректировка пористости в растворах и бетонах. Для определения расширения в результате реакции между щелочами и добавками используются воздухововлекающие модификаторы.
• Контроль за уровнем влажности. Химические реакции, разрушающие бетонные конструкции, происходят только в присутствии воды. Ее отсутствие замедляет разрушение даже в случае использования цементов с большим количеством активно реагирующих веществ.

Появление щелочной коррозии

Высокий процент щелочей в цементе, производство высокопрочного бетона, где расход цемента больше обычного, использование реакционноспособных добавок провоцирует химический процесс, известный как щелочная коррозия. Щелочи присутствуют в растворимой и нерастворимой в воде формах. Первые попадают в раствор в виде сульфатов. Вторые — в составе глин, примесей, силикатов. Зачастую процессы выщелачивания запускается при постоянном воздействии воды, которая растворяет кальциевый гидроксид. С вымыванием этого вещества бетон способен терять до 30% своей исходной прочности. Поэтому крайне важно решить эту проблему.

Применяемые способы определения подверженности бетона этому виду разрушений:

1. Петрографический — ASTM C295. Визуальный анализ, оценка материала и заполнителя.
2. ASTM C586. Определение активности карбонатого сырья, используемого в качестве заполнителя, его способность вступать в реакцию.
3. Химические — ASTM C228, ASTM C289. Выявляют реакционную активность кремнеземистых добавок.
4. Метод испытания бетонных образцов-призм. Отражает особенности поведения бетона.

Согласно стандартам низкощелочным признан цемент с процентным содержанием щелочей не выше 0,6.

В докладе на одной из многочисленных конференций, где была представлена работа НИИЖБ, выяснено, что кремнезем и многие другие заполнители не вызывают выщелачивание. Действующий активно в составе бетона кремнезем уменьшает щелочестойкость, поэтому важно знать минералогический состав заполнителя. Рекомендуется использовать плотные известняки или доломиты. С повышением температуры коррозионные процессы значительно ускоряются: кристаллогидраты алюминатов разрушаются первыми, последними — трехкальциевые силикаты.

Источник