СУЛЬФАТТЫ КОРРОЗИЯНЫҢ ПАЙДА БОЛУ ШАРТТАРЫ МЕН ДАМУЫ туралы қазақша реферат
Сульфатты коррозияның пайда болу шарттары мен дамуы
Суда болатын натрий және калий сульфаттары цементті таспен жанасқанда екі бағытта әсер етеді: біріншіден, цементті тастың кейбір құрамдас бөліктерінің ерігіштігін едәуір арттырып, коррозияның I түрінің дамуын жылдамдата алады; екіншіден, ионалмасу (өзара алмасу) реакцияларын күшейтіп, Na+, K+, Mg2+ катиондарының орын басуы арқылы цементті тастан Ca2+ иондарының ығысуын туындатады, яғни коррозияның II түрін қоздырады.
Белгілі бір жағдайларда сульфаттардың әсері коррозияның III түрінің дамуын да жеделдетеді. Бұл жерде негізгі мәселе — ионалмасу реакциялары нәтижесінде су цементті тас кеуектерін толтыра отырып, біртіндеп кальциймен қанығып, кейін кальций сульфатының түзілуіне алғышарт жасайды.
Негізгі механизмдер (қысқаша)
- I түрі: цементті тастың құрамдас бөліктерінің ерігіштігі өседі → шайылу үдейді.
- II түрі: Na+, K+, Mg2+ орын басады → Ca2+ ығысады → құрылым әлсірейді.
- III түрі: кеуектерде кальций сульфаты мен кейінгі өнімдердің кристалдануы → көлемдік ұлғаю, жарықшақтану.
Кальций сульфаты (гипс) түзілуі және ерігіштік факторлары
Кальций сульфаты (CaSO4) түзілген сайын қатты фазадағы гипс мөлшері өседі, алайда ерітіндідегі концентрациясы міндетті түрде арта бермейді. Са(OH)2 қатысында CaSO4·2H2O қатты фазасының түзілуі ерітіндіде CaSO4 салыстырмалы түрде төмен концентрациясында (шамамен 20%) басталуы мүмкін.
Біртекті ион әсері (Ca2+)
CaCl2 ерітіндісі сияқты ортада Ca2+ ионының болуы CaSO4 ерігіштігін төмендетеді. Соның нәтижесінде CaSO4·2H2O қатты фазаға түсуі (гипстің тұнуы) ертерек басталады.
Хлоридтердің (NaCl) ықпалы
NaCl ерітінділері керісінше әсер береді: CaSO4·2H2O ерігіштігін арттырып, гипс кристалдарының тұну сәтін кейінге ығыстырады.
Мысалы, CaSO4 ерігіштігі NaCl-дың 2% ерітіндісінде 5,2 г/л, ал 4% ерітіндісінде 5,92 г/л болады; бұл — NaCl жоқ судағы мәннен тиісінше шамамен 2,5 және 2,8 есе жоғары.
Na2SO4 ерітіндісінде CaSO4 ерігіштігі Na2SO4 концентрациясы 0-ден 1,6% дейін артқанда шамамен 30% төмендейді, ал концентрация одан әрі өскенде қайтадан жоғарылауы мүмкін. Ерігіштік өзгерген сайын CaSO4·2H2O қатты фазаға бөліну сәті де сәйкесінше жақындайды немесе алыстайды.
Маңызды ескерту
Нақты бетон жүйелері әлдеқайда күрделі болғандықтан (компоненттер саны көп, тепе-теңдік шарттары әртүрлі), бұл процестерге толық сандық сипаттама беру әлі де қиын: көптеген параметрлер толық зерттелмеген.
Кальций гидросульфоалюминаты (эттрингит): түзілуі және рөлі
Агрессивті сульфатты ортада бетонда түзілетін комплексті тұздардың ішінде цементті тастың тұрақтылығы мен бұзылу динамикасы үшін кальций гидросульфоалюминаты ерекше мәнге ие. Түзілу шарттарына қарай оның екі негізгі модификациясы қарастырылады: үшсульфатты және моносульфатты форма.
Екі модификация
Үшсульфатты форма (эттрингит): 3CaO·Al2O3·3CaSO4·30H2O (әдебиеттерде басқа жазылымдары да кездеседі).
Моносульфатты форма: үшкальцийлі алюминаттың бір молекуласына гипстің бір молекуласы сәйкес келетін гидросульфоалюминат.
Бетон коррозиясына әсері күштірек — құрамында кристалданған суы көп болатын үшсульфатты форма. Оның кристалдарының өсуі цементті тас пен бетонда айтарлықтай ішкі кернеулер туғызып, жарықшақтану мен бұзылуға әкелуі мүмкін.
Тарихи дерек
Бұл тұз табиғатта ертерек белгілі болған және эттрингит атауымен сипатталған. Оның кристалдық құрылысы мен параметрлері әртүрлі зерттеулерде нақтыланған.
Құрылысының мәні
Эттрингит құрылымында SO42− иондары мен су молекулалары орналасатын каналдар бар. Алюминийдің бір бөлігін темір атомдары алмастыруы мүмкін.
Кристалдану салдары
Эттрингит ерітіндіден кристалданғанда кеуектер мен микрожарықшақтарды толтырып, көлемдік ұлғаюды күшейтуі ықтимал.
Зерттеулер бойынша эттрингит кристалдық торына шамамен 30 су молекуласы кіруі мүмкін; олардың бір бөлігі адсорбциялық байланыспен ұсталып, қатаң құрылымдық элемент ретінде қарастырылмайды. Сондай-ақ С3A гидратациясы барысында аралық өнімдер түзіліп, гипстің мөлшеріне қарай алдымен эттрингит пайда болып, кейін кей жағдайларда басқа фазаларға ауысуы мүмкін.
Еру шарттары және ерітінді құрамы: тәжірибелік деректер
Әдебиеттерде кальций гидросульфоалюминатының ерігіштігі туралы деректер біркелкі емес. Кейінгі зерттеулер концентрацияларды нақтылап, оның еру шарттарын дәлірек анықтауға мүмкіндік берді. Бұл тұз, әсіресе кальций сульфаттары мен гидроксидтері бар ортада нашар ериді; CaO концентрациясы төмендегенде тұнба көбіне борпылдақ (флокуляцияланған) түрде бөлінуі мүмкін.
25°C-та ерітінді құрамының мысалдық мәндері
| Ерітінді | pH | Al2O3 (мг/л) | CaO (мг/л) | SO4 (мг/л) |
|---|---|---|---|---|
| Су | 10,8 | 0,035 | 0,13 | 0,125 |
| 3% NaCl | 11,05 | 0,115 | 0,295 | 0,23 |
| 3% Na2SO4·10H2O | — | 0,081 | 0,22 | — |
| 5% Na2SO4 | 10,79 | 0,065 | 0,185 | — |
Ескерту: бастапқы дереккөздегі кейбір ұяшықтар нақты берілмегендіктен, кестеде “—” белгісімен көрсетілді.
Сульфаттардың концентрациясы тым жоғары болғанда гипстің аса қаныққан ерітіндісі пайда болуы мүмкін, содан кейін екісулы гипс (CaSO4·2H2O) кристалданады.
Бетонның кеңеюі, диффузия және ортаның рН әсері
Тәжірибелік қорытындылардың бірі: бетонның айқын кеңеюі көбіне гидросульфоалюминаттың үшсульфатты формасы көп мөлшерде түзілген жағдайда байқалады. Сульфаттар шлактыпортландцементті бетонға әсер еткенде осы форма пайда болуы мүмкін және ол ерітіндіде бұзылудың негізгі себептерінің бірі ретінде қарастырылады. Мұндай цементтердегі бетон тұрақтылығы көбіне цементті тастың диффузиялық сипаттамаларымен (агрессивті иондардың ену қарқыны, кеуектілік, өткізгіштік) байланысты.
рН және температура: өзара байланыс
Кейбір зерттеулерде сульфаттардың агрессивтілігі ерітіндінің рН мәніне тәуелді екені көрсетіледі. Температура артқан сайын сульфатты коррозия кей жағдайда әлсіреуі мүмкін, себебі бетон кеуектеріндегі әк (кальций гидроксиді) коррозиясы бәсеңдеп, орта рН-ының төмендеу динамикасы өзгереді.
Дегенмен петрографиялық және микроскопиялық зерттеулерде кейбір сынамаларда гидросульфоалюминат кристалдарының мөлшері көп болмайтыны, ал гипс кристалдарының жарықшақтар мен кеуектерде жиірек кездесетіні айтылады. Сонымен бірге теңіз гидротехникалық құрылыстарының кей бөліктерінен алынған бұзылған бетон үлгілерінде кальций гидросульфоалюминаты кристалдары анықталған жағдайлар да бар.
Жалпы алғанда, цементті тас сульфат ерітінділерінің әсеріне ұшырағанда белгілі бір термодинамикалық жағдайларда кальций гидросульфоалюминаты түзілуі мүмкін. Коррозия өнімдерінде бұл тұздың кездесуі оның түзілу себептері мен бетон бұзылуындағы үлесін нақтылау қажеттігін көрсетеді, әсіресе магнезиялы тұздар әсеріне тұрақтылығы төмен болуы ықтимал.
Температураның сульфатты коррозияға әсері
Сульфатты коррозияға температураның ықпалын зерттеулер гидратация өнімдерінің құрамының температураға тәуелді өзгеретінін көрсетеді. Мысалы, төмен температураларда (шамамен 5°C) алюминатты фазаның гидратация өнімдері ретінде S4AH19 типтес қосылыстар басым болуы мүмкін, ал 25°C шамасында S3AH6 типтес өнімдердің үлесі артады.
Гипспен әрекеттескенде температура жоғарылаған ортада эттрингитке ұқсас фазалардың түзілуі мүмкін; ал төменірек температурада монокальцийлі гидросульфоалюминаттың пайда болуы ықтимал. Сондай-ақ 10°C-тан төмен жағдайларда сульфат ерітіндісінің әсерінен портландцемент гидратация өнімдерінің бұзылуы 10°C-тан жоғары температуралармен салыстырғанда күштірек болуы мүмкін.
Практикалық түйін
Сульфатты ортада бетонның ұзақмерзімді тұрақтылығы тек химиялық реакцияларға ғана емес, кеуектілік пен иондардың диффузиясына, ерітіндінің рН-ына, температуралық режимге және қалыптасатын кристалдық фазалардың (әсіресе эттрингит пен гипстің) көлемдік әсеріне бірдей тәуелді.