Лекция Бейорганикалық байланыстырғыш заттар негізінде алынатын құрылыс материалдары
Портландцементті клинкер минералдарының сумен байланысы
жүктеу/скачать 399,51 Kb.
|
| 3. Портландцементті клинкер минералдарының сумен байланысы
Цементті клинкердің минералдары сумен байланисқа түскенде гидратты құрамалар түзеді. Клинкерлік минералдар азды-көпті дәрежеде суда ериді, ал олардың гидратталу өнімі, кальций гидрототығынан басқасы іс жүзінде ерімейді Әйтпегенде, қатқан цемент өзінің беріктігін су ішіп те сақтай алмас еді. Судың клинкерлік минералдарға әсері кезінде алынатын гидраттық құрамалар, олардың гидролизі мен гидратталуы нәтижесінде түзіледі. Клинкерде сан жағынан кальцийлі силикаттар басым, олар күшті негіз әлсіз қышқылдан түзілген мұндай тұздар, сулық ерітіндіні гидроксид иондарымен байыта отырып, гидролитті ыдырауға қабілетті. Иондар арасындағы кез-келген алмасу реакциясы сияқты, гидролиз де орнына келетін процесс, оның тепе-теңдік жалпы иондық алмасу реакциясының тепе-теңдігіне, әсер ететін барлық факторларға байланысты болады. Бұйымды жылу-ылғалды өңдеуде жүретін температураның жоғарылауы кезінде гидролиз дәрежесі де ұлғаяды. Гидраттауға келсек, ол су молекуласының алынған затпен байланысуына қарайды. Айта кету керек, гидраттауға алынған жинақты қосындылар кешендер көп жағдайда ауыспалы құрамға ие болады. Сондықтан да, төменде құрамалар формулаларында келтірілген, клинкерлік минералдардан түзілген су, шамамен алынған, шартты сипатта болады. Судың үшкальцийлі силикатқа әсері кезінде оның гидролизінің өнімі гидратталады. Онан соң лайлы гидратты күрделі қосындыларында кешеннің қайта топтасуы жүреді де, осының нәтижесінде лайдан қиындықпен төртсулы қоскальцийлі силикат бөлінеді. Бұл келтірілген реакция тендігінен төртсулы қоспалы екі гидросиликатпен қатар, еркін кальций гидрототығы да түзілетінін көреміз. Қоскальцийлі силикаттың құрамындағы кальций тотығы үшкальцицлі силикаттағыдан аз болады, яғни оған қарағанда негізгілігі төмен, сондықтан қоскальцийлі силикаттың гидролизі іс жүзінде үшкальцийлінің гидролизіне қарағанда көп мөлшерде гидраттаудың сыртқы жағдайларына, мәселен, кальций гидрототығының лайдағы концентрациясына тәуелді. Бетондар мен құрылыс лайларын дайындаудың қалыпты температуралық жағдайында, қоскальцийлі силикат іс жүзінде гидролиз өнімін түзбейді, бар болғаны гидратталады: Бірақ цемент-құмды бұйымдарды автоклавтық өндеу кезінде, қоскальцийлі силикат еркін кальций гидрототығын бөле отырып, гидролизделеді. Соңғысы құмның құрамындағы кремний қостотығымен кальций гидросиликатын түзіп әрекеттеседі. Үшкальцийлі алюминатқа келсек, оның гидратталуының келесі реак-циялық теңдігі жалпы қабылданған: Үшкальцийлі алюминат гипс бар жерде сумен тіпті бясқаша әрекетке түседі. Бұл мәселені жан-жақты баяндаймыз, өйткені ол келесі себептерге байланысты манызды. Біріншіден, қоссулы гипс клинкерді уату кезінде цементтің беку уақытын реттеу үшін енгізілген қоспа ретінде цементте әрдайым шағын мөлшерде кездеседі. Екіншіден, егер кальций сульфатының сулық ерітіндісі бетонға шайып жатқан судан енетін болса, бетонның сульфаттық коррозиясы пайда болуы мүмкін (төменнен қараңыз «Портландцементтік тастың коррозиясы»). Үшкальцийлі алюминаттың суға қарағанда үлкен реакциялық қабілеттілігі нәтижесінде, гипс қоспасыз цементтің өте жылдам қататындығын айтқан болатынбыз; түзілетін алтысулы үшкальцийлі алюминат цемент қамырына шамадан тыс ерте құрылым түзілісін туғызады. Бұл бетон лайын араластыру, орналастыру және тығыздау операцияларын қиындатады, кейде оған мүмкіндік бермейді. Реакция гипс енгізу арқылы баяулатылады: Келтірілген теңдіктен гипстің үшкальцийлі алюминатпен реакцияға түскенінде, құрамында судың 31-32 молекуласы бар эттрингит кристализациясынан кальций гидросульфоалюминаты бөлінетінін көреміз. Бұл құрам қалдықпен ериді. Осылайша, цементті сумен араластырғаннан кейінгі басқа кезең ішінде кальций гидроалюминатының байланысуы жүреді. Тек бірнеше сағаттан соң ғана, яғни лайдағы барлық гипс толық жұмсалған соң кальций гидроалюминаты түзіліп, цемент беки бастайды. Яғни, гипс қоспасы үшкальцийлі алюминаттың бірқатар мөлшерінің бастапқы кезеңде жаңа дайындалған бетон лайындағы сумен реакцияға түсуіне жол бермей, «Тосқауыл қою» үшін қызмет етеді. Атап көрсетілгендей, үшкальцийлі алюминаттың сулы ортада, гипс бар жерде әрекетке түсуін қарастыруымыздың екінші себебі, цемент тастың аталған сульфаттық коррозияға ұшырау мүмкіндігі болып табылады. Өзінің түзілуі барысында көп суды қосып алған кальций гидросульфоалюминаты, бастапқы реагенттер мен суға қарағанда көп орын алып тұрады. Егер қатты гидратталған кешенді тұз (эттрингит) әлі де өзінің иілгіштігін сақтап қалған цемент қамыр ортасында түзілетін болса, аумағының ұлғаюы зиянды зардаптарға соқтырмайды. Бірақ бұл тұздың түзілуі агрессивті ортадағы сульфат-иондар әсерімен қатып қалған цементте, яғни қатқан цемент таста жүретін болса, аумағының ұлғаюы қауіпті, сондықтан бетонның сульфаттық коррозиясы кезінде бетонның бетонсуына, онда жарықшақтар пайда болуына және беріктігін жоғалтуға алып келетін күшті ішкі қысымдар пайда болады. Енді төрткальцийлі алюмоферриттің сумен әсерін қарастырайық. Бұл клинкерлік минерал су әсерімен алтысулы үшкальцийлі алюминат пен кальций гидроферритін түзу арқылы ыдырайды. Мұнан әрі аталмыш кальций гидроферриті үшкальцийлі силикаттан бөлінген кальций гидрототығымен байланысып, анағұрлым негізгі кальций гидроферриттін түзеді. Демек, бұл кезде кальций гидрототығы белгілі бір мөлшерде химиялық байланысады. Жоғарыда айтылған ойларымызды тұжырымдасақ, клинкерлік минералдардың сумен реакциясы туралы бұл айтылғандардан цемент тасының бір қатар заттардан түзілгендігі аңғарылады. Іс жүзінде оларда ауамен немесе сумен толтырылған азды-көпті бос қуыстар болады. Бетон қоспасын сумен араластырғанда оларға тиісті иілгіштік қасиет беру үшін қату реакциясына қажетті мөлшерде көп су қосады. Сондықтан бетон қатқанда сол барлық судың ұшуынан бос қуыстар пайда болады. Портландцементті тас коррозиясы негізінен бетон коррозиясына қатысты қаралады. Бетон мен темірбетон оларды дұрыс дайындап, осы конструкциядағы қызмет жағдайына сай қолданғанда ғана өте ұзаққа шыдас береді және үйлер мен құрылыстарда ондаған жылдар, тіпті ғасырлар бойы қызмет етеді. Бірақ бетон, темірбетон конструкциялары салыстырмалы алғанда коррозиялық бұзылулар әсерінен тез істен шығатын жайлар да болады. Коррозияны қоршаған ортада (ауада, суда) болатын және цемент тасы үшін зиянды болып табылатын түрлі заттар туғызады. Қазіргі кезде барлық өнеркәсіптік құрылыстың 50%-ке жуығы бетон үшін агрессивті ортаның әрекетіне азды-көпті мөлшерде ұшырауда деп саналады. Мұндай құрылыстар саны химиялық және оған туыстас өндірістің дамуына байланысты үздіксіз өсуде. Бірақ, бетон коррозиясы өндірістік құрылыс конструкцияларында ғана пайда болып қана қоймайды. Бетон үшін көп жағдайда өзен, теңіз, жер асты, құбырлық және тағы басқа да бірқатар сулар, сондай-ақ ауадағы қышқыл газдар да агрессивті болады. Коррозия процесі өте күрделі, өйткені олар қоршаған ортадағы агрессивті агенттердің химиялық табиғатында ғана емес, цемент тасының физика-химиялық ерекшеліктеріне де тәуелді. Бұл процестер заттардың өздері тиісіп жылжитын материалмен сіңісу (диффузия) әрекеті арқылы жалғасады. Егер конструкцияда, шөгінді, температуралық, механикалық қысым әсерінен жарықшақтар пайда болса, сондай-ақ бетонда ірі ашық бос қуыстар, тесіктермен қуыстар бар болса коррозиялық кұбылыс қашанда өседі. Мұндайда агрессивті заттардың бетон қабатына енуі жылдамдап, олар мен қоршаған көлем ортасындағы масса ауысымы күшейеді, жиі-жиі суланып, құрғауы, алма-кезек мұздап еруі, егер бұл процестер бетонда агрессивті заттар бар болғанда жүрсе, олар да коррозиялық бұзылуды күшейтеді. Агрессивті факторлардың алуан түрлігіне қарамастан цемент тасы коррозиясының негізгі себептерін келесі үш топ төңірегіне топтастыруға болады (профессор В.М.Москвиннің болжамы бойынша): I. Цемент тасының құрамдас бөлігінің таза сумен, яғни іс жүзінде елеулі мөлшерде органикалық емес және органикалық қоспалары жоқ сумен ыдырауы. Бұл әдетте жауын-шашынның, кей жағдайда өзен, көл, жер асты сулары. Бұл жағдайда ылғал әсерімен түзілген және бұрыннан бар кальций тотығы гидратының еруі және шайылуы (сілтіленуі) жүреді (коррозияның бірінші түрі). 2. Цемент тасы мен қоршаған ортадағы бірқатар заттардың өзара арасындағы реакция нәтижесінде тез еритін тұздардың түзілуі және бұл тұздардың шайылуы (шығару), (коррозияның екінші түрі). Цемент тасының оған енетін заттардың әсерімен реакцияның бастапқы өніміне қарағанда аумағы үлкен қосындылардың түзілуіне, олар бетонның ішкі қысымының пайда болуына, оның ішкі құрылымдарының босансуына және бетонда әр түрлі жарықшақтар пайда болуына соқтырады (коррозияның үшінші түрі). Келтірілген жүйелер шартты түрде ғана, өйткені кейде ара жігін, мәселен коррозияның бірінші және екінші түрлері арасындағы ерекшелік құбылыстары, дәл ажырату өте қиын. Іс жүзіндө цементті материалдар бір емес, бірнеше түрдегі коррозия әсеріне бірдей ұшырайды. Оның үстіне химиялық жеке тұлға болып табылмайтын цемент тасының езі әр түрлі құрамға, түрлі құрылымға ие болуы мүмкін. Цемент тасының құрамында цементтің қатуы процесінде түзілген кристалды қосындылармен ұлпа түріндегі массамен қатар, әдетте оның гидратталмаған түйіршіктерінің болуы мүмкін. Цементтің барынша ірі бөлшектері бетінен бастап терең қайнауына дейін баяу жүретіндіктен, іс жүзінде, кейде бірнеше немесе ондаған жылдардан кейін де аяқталмауы мүмкін екендігінен болады. Цементтің гидратталмаған бөлшектерінің пайда болуы да мүмкін, өйткені цемент тасында жарықшақ пайда болғанда (ол көбінесе қоршаған ортаның агрессивті әсеріне себепші болады) оларға енген су әлі де байланыспаған клинкерлік минералдардың гидролизі мен гидратталуын туғызады. Осының нәтижесінде жарықшақтың "тартылуы" (өздігінен емделуі) жүреді де бетонның беріктігінің артуына игі ықпал етеді. Коррозияның жекелеген түрлерін қарастыралық. Коррозияның бірінші түрі. Бұл әдетте портландцементті тас құрамында азды-көпті мөлшерде болатын еркін кальций гидрототығының еруінен басталатын физикалық процесс. Кальций тотығы гидратының суда ерігіштігі температураға (ол көтерілген сайын азаяды), бірақта негізінен судағы қоспа мөлшеріне байланысты. Біртекті иондардың болуы өзге де иондар сияқты кальций тотығы гидратының ерігіштігін әлсіретеді, ал әртекті иондардың болуын күшейтеді. Мәселен, натрий сульфатын қосу кальций тотығының ерігіштігін арттырады. Бірақ, мәселен елеулі қаттылығымен ерекшеленетін, кальций мен магний иондарына бай тұшы су кальций гидрототығының ерігіштігін төмендетеді. Сондықтан бұл затпен цемент тасы жанасқанда, олардың әрекеттесуі жұмсақ тұшы судың әсері кезіндегіден аз дәрежеде жүреді. Коррозияның екінші түрі. Бұл түрлі процестердің ішінен айрықша практикалық маңызы бар, магнезиалдық коррозияны атап көрсетуге болады, оны теңіз суының, сондай-ақ бір қатар жер асты суының құрамындағы тұздар ( және ) тудырады. Олардың цемент тасының кальций гидратына әсері кезінде келесі реакция жүреді: Түзілген магний тотығының гидраты аз ериді және борпылдақ түзілім (пленка) түрінде су өтетін шөгінді болып тұнады. Бетонға магнезиалдық тұздар одан әрі енген кезде, олар магний гидрототығының жұқа қабыршығы арқылы сіңіледі, цемент тасының одан әрі бұзылуын туғыза отырып, енді кальций силикатымен әрекетке түседі. Келтірілген реакция теңдігінен магнезиалдық тұздар әсері кезінде магний гидрототығымен қатар кальций сульфаты және хлориді түзілетінін көруге болады. Кальций сульфатының цемент тасына зияндылығы коррозияның үшінші түрін сипаттау кезінде түсіндірілетін болады. Ал хлорлы кальций болса, бетонға агрессивті әрекеті жағдайында, кальций гидрототығының ерігіштігін арттырады, яғни бірінші түрдің коррозиялық процестерін жылдамдатада. Коррозияның үшінші түрі. Коррозияның бұл түрінің негізгі белгісі ретінде, бетонның бос қуыстары мен ұяларында көлемдік реакцияның бас-тапқы өнімімен салыстырғанда ұлғаюмен түзілген, құрамалардың шоғырлануы қызмет етеді. Бұл процестердің ішінде сульфаттық коррозияның маңызы зор. Сульфаттар теңіздің және көптеген өзендердің суында, тұзды аудандардың жер асты суларында салыстырмалы алғанда үлкен шоғырлы болады. Сульфаттар табиғи жағдайда емес, өндірістік суларда да жиі кездеседі. Цементті таспен алмасу реакцисы нәтижесінде құрамында, мәселен, магний, натрий немесе алюминий сульфаты бар, су біртіндеп күкіртқыш-қылды кальциймен байиды. Мұнда аумағы біршама ұлғайып кристалданады, ал ол цемент тасында ішкі қысым туғызып, оның құрылы-мын бұзады ("гипсті коррозия"). Кальций сульфаты мүнан әрі үшкальцийлі алюминаттың гидратталуы кезінде де, төрткальцийлі алюмофериттің гидролиттік ыдырауы кезінде де (клинкерлік минералдардың сумен реак-циясын қарастырғанда бұған назар аударған болатынбыз) түзілген кальций гидроалюминатымен байланысқа түсе алады. Мұнда кешенді тұз-кальций гидросульфоалюинат (эттрингит) түзіледі. Эттрингит көп мөлшердегі сумен кристалданатындықтан оның түзілуі аумағының елеулі ұлғаюымен бірге жүреді, қатты фаза аумағы 2,6 есе ұлғаяды. Бұл кезде цөмент тасында күшті ішкі қысым пайда болатыны тү-сінікті. Алдымен бетонда бұзылудың алғашқы белгілері пайда болады: уатыла бастауы, шағын жарықшақтардың кездесуі, ал мұнан әрі бұзылу процесі күшейе береді, цемент тасы басы бірікпейтін ақ массаға айналуы мүмкін. Бұл гидросульфоалюминаттық коррозияның ең соңғы сатысы. Кальций гидросульфоалюминатының кристалдары микроскоп астында майда ине, кейде жұлдызша түрінде (друздар) біріктірілген ине тектес формада болады. Микроскоп астындағы бірқатар бактериялармен сырттай ұқсастығына және цемент тасына зиянды әсеріне байланысты кальций гидросульфоалюминатын көбінесе «цемент бацилласы» деп атаған. Үдемелі коррозия кезінде жоғарыда айтылғандай басы бірікпейтін ақ масса түзілетіндіктен, ал бетон конструкциясы апатты жағдайға кететіндіктен (қирайды) кальций гидросульфоалюминатының басқа бейнелі аты пайда болған «бетонның ақ ажалы». Біз бұл ғылыми термин болмаса да, өте бейнелі атауларды, бетонның сульфаттық коррозиясының айрықша қауіптілігін атап көрсету үшін келтіріп отырмыз. Бетонды коррозиядан қорғау. Үйлер мен құрылыстарды тұрғызганда бетон коррозиясы мүмкіндігін ескеріп, одан қорғау шараларын ойластыру қажет. Бірқатар жағдайда бетонды және темірбетонды конструкцияларды жасау және пайдаланудың тиісті жағдайы үшін, тиімді тәсілдерді іздестіру мақсатымен, арнайы зерттеу жұмыстарын жүргізуге тура келеді. Бірақ алғашқы жақындауда және өте шартты түрде бұл тәсілдерді келесі топтарға жүйелеуге болады: I) тиісті цементті таңдап алу; 2) бетон араласына гидрофобтандырғыш түрдегі қоспа енгізу; 3) өте тығыз бетон жасау; 4)арнайы сіңірілетін заттар мен бүркемелі жамылғыларды қолдану. Бетон және темірбетон конструкцияларының қызмет мерзімін ұзарта отырып, бетонның коррозиясына жол бермейтін немесе елеулі түрде коррозияны әлсірететін шаралар, құрылысқа жұмсалған қаржының пәрменділігін арттыруга елеулі ықпал етеді, сондықтан да бұл мәселенің халықшаруа-шылық мәні өте зор. Төменде портландцементтің жекелеген түрлері, сондай-ақ кең пай-даланатын бірқатар өзге де цементтер қарастырылатын болады, әрі осы арқылы белгілі бір дәрежеде бетондар мен лайлардың беріктігін арттыру үшін цемент таңдау мәселесі түсіндіріледі. жүктеу/скачать 399,51 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|