Повышение коррозионностойкости портландцемента смешанными минерально-химическими добавками тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ТАДЖИКСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САИДОВ Джамшед Хамрокулович

ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА СМЕШАННЫМИ МИНЕРАЛЬНО-ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

Специальность: 02.00.04 - Физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук си

Научный руководитель доктор технических наук Шарифов А.

Душанбе - 1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................... 4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ................................. 6

ГЛАВА 1. КОРРОЗИЯ ЦЕМЕНТСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИЙ И СПОСОБЫ ЕЕ УСТРАНЕНИЯ (аналитический обзор литературы).................................. 9

1.1. Краткая характеристика коррозионных процессов цементсодержащих систем........................................... 9

1.2. Способы повышения стойкости цементсодержащих композиций в агрессивных средах................ .................... 14

1.3. Добавки из местных видов сырья для цементов и гипсовых вяжущих........................................................... 20

1.4. Цель и задачи исследования........................................ 22

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............. 24

2.1. Объекты исследования и характеристика исходных материалов ................................................................. 24

2.1.1. Цемент.................................................................... 25

2.1.2. Гипс....................................................................... 25

2.1.3. Заполнители............................................................ 25

2.1.4. Добавки.................................................................. 26

2.2. Методы исследования................................................ 32

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНО-ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ.................. 34

3.1. Влияние минеральных добавок из ОПФ и молотого

керамзита на свойства цемента и строительного гипса....... 34

3.1.1. Влияние минеральных добавок на свойства цемента.......... 34

3.1.2. Влияние минеральных добавок на свойства строительного

гипса

стр.

48

3.2. Влияние минерально-химических добавок на свойства

цемента и гипса.................................................... 52

ГЛАВА 4. КОРРОЗИОННОСТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ

КОМПОЗИЦИЙ СО СМЕШАННЫМИ МИНЕРАЛЬНО-ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ ИЗ ОТХОДОВ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДСТВ............................. 63

4.1. Исследование коррозионностойкости цементсодержащих композиций с минерально-химическими добавками........ 63

4.2. Механизм влияния минерально-химических добавок для повышения коррозионностойкости цементсодержащих композиций и моделирование процессов коррозии бетона... 80

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................................................86

ЛИТЕРАТУРА...............................................................88

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................. 99

Введение

Актуальность темы. При эксплуатации бетонных изделий обычно на них влияют различные агрессивные вещества (мягкие воды, минерализованные грунтовые воды, магнезиально-сульфатные ионы и т.п.), и под их влиянием эти изделия разрушаются. Такое разрушение происходит в результате коррозии цементного камня в бетоне. Природно-климатические условия Таджикистана благоприятствуют коррозии бетона, т.к. почва во многих регионах республики насыщена солями и при соприкосновении изделий с грунтовыми водами они насыщаются ими. При сухом и жарком климате эти соли кристаллизуются в порах бетона и способствуют его разрушению.

Ежегодный экономический ущерб от коррозии бетона, так же как от коррозии металла, огромный. Поэтому предотвращение или снижение скорости коррозии цементного камня не только увеличивает долговечность и надежность работы бетонных изделий, но и повышает эффективность применения цементсодержащих материалов в строительстве.

Для повышения коррозионностойкости цементсодержащих материалов применяют различные способы и методы, например, покрытие их поверхности водонепроницаемыми материалами. Обычно, для производства изделий, подвергаемых влиянию агрессивных веществ, применяют так называемые сульфатостойкие цементы (пуццолановые, шлаковые и т.п.). Однако, в настоящее время их производство в Таджикистане отсутствует и все изделия изготовляют из обычного портландцемента.

Наиболее эффективным и технологически легко выполняемым способом повышения коррозионностойкости цементсодержащих материалов является модифицирование цемента добавками химического и минерального происхождения. Добавки регулируют свойства цемента, уплотняют структуру цементного камня, в то же время не только повышают коррозион-

ностойкость, но и уменьшают удельный расход цемента в бетоне. А это в свою очередь снижает себестоимость бетонных материалов и повышает эффективность их эксплуатации.

Вопросами модифицирования цементов добавками в течение нескольких лет занимаются сотрудники Таджикского технического университета во главе с доктором технических наук, профессором Шарифовым А. Им разработаны такие эффективные добавки, как волластонит, отходы производства флюорита, декстрин, модифицированный лигносульфонат технический (МЛСТ), щелочной экстракт стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и многие их комплексные составы. В то же время не исследовано совместное влияния добавок на многие свойства цементсодержащих материалов, особенно их коррозионностойкость. Совместное влияние добавок на свойства цементсодержащих материалов, и для сравнения гипсовых материалов, позволяет выяснить роль каждой добавки, найти более оптимальное соотношение их количеств. Совместное применение минерально-химических добавок в составе цемента, с одной стороны, значительно улучшает качество цементсодержащих материалов, хотя действия добавок могут быть неадекватными, с другой стороны-позволяет существенно уменьшить расход цемента в бетоне при получении равнопрочностных составов.

Данные исследования проводились в период 1990-1999 г.г. на кафедрах "Технология строительного производства и строительные материалы", "Технология строительных материалов", "Химическая технология неорганических материалов" Таджикского технического университета им.академика М.С.Осими:

Общая характеристика работы

Цель работы - повышение коррозионностойкости портландцемента минерально-химическими добавками из отходов некоторых производств. В качестве минерально-химических добавок в работе используются отходы производства флюорита (ОПФ), молотый керамзит, декстрин и щелочной экстракт стеблей хлопчатника (ЩЭСХ).

Поставленная цель достигается решением следующих задач исследований:

изучением влияния минеральных добавок из ОПФ и молотого керамзита как в отдельности, так и совместно, на свойства цемента и для сравнения на свойства гипса;

изучением влияния минерально-химических добавок из ОПФ и молотого керамзита совместно с декстрином и ЩЭСХ на свойства цемента и цементсодержащих материалов;

изучением коррозионностойкости портландцемента с минерально-химическими добавками в сильноагрессивных средах дистиллированной и минерализованной водах, растворах М§Б04 и НгБОд при длительном воздействии агрессивных веществ на цементсодержащие материалы;

выяснением механизмов влияния минерально-химических добавок из ОПФ, керамзита, декстрина и ЩЭСХ на повышение коррозионностойкости портландцемента.

Научная новизна работы:

обоснована возможность модифицирования портландцемента минерально-химическими добавками из отходов производства флюорита, молотого керамзита, декстрина и щелочного экстракта стеблей хлопчатника для повышения его прочности и коррозионностойкости в разных агрессивных средах;

показана высокая коррозионностойкость портландцемента, модифицированного добавками в условиях возникновения процесса выщелачивания Са(ОН)2, магнезиально-сульфатной и сульфатно-кислотной коррозии цементного камня;

выявлен послойный механизм разрушения цементного камня с первоначальным уплотнением его структуры под действием растворов НгБС^ и положительным влиянием минерально-химических добавок на снижение скорости разрушения цементсодержащих материалов;

составлена математическая модель процессов коррозии цементсодержащих материалов в агрессивных средах, что позволяет определить закономерности протекания коррозии и факторы, влияющие на скорость разрушения бетонных изделий.

Практическая ценность работы:

результаты работы расширяют возможность использования портландцемента для производства коррозионностойких строительных изделий;

использование минерально-химических добавок для модифицирования цемента не только повышает прочность и коррозионностойкость цементсодержащих материалов, но и уменьшает удельный расход цемента при получении равнопрочностных изделий, это также уменьшает их себестоимость;

использование ОПФ в качестве минеральной добавки цементов также позволяет утилизировать отходы Такобского горно-обогатительного комбината, что улучшает экологическое состояние местности накопления этих отходов;

получение коррозионностойких цементсодержащих материалов из обычного портландцемента с минерально-химическими добавками из местных видов сырья и отходов производства позволяет вместо сульфатостойких цементов использовать обычный портландцемент, что

освобождает строительные объекты от завоза специальных коррозионностой-ких цементов извне республики.

Внедрение результатов работы осуществлено на Акционерное общество открытого типа (АООТ) "Хонасоз". При этом экономия цемента

•л

составила 53,6кг на 1 м бетона.

Публикации и апробация работы. Основные результаты исследования обсуждались на 37 Международном семинаре композитов "Моделирование в материаловедении"(Одесса-Украина, 1998г.); республиканской научно-практической конференции "Проблемы экономического и социального развития Таджикистана"(Душанбе, 1998г.); Международной научно-практической конференции "Химия и проблемы экологии"(ТТУ-Душанбе, 1998г.); Межвузовской научно-практической конференции посвященой 1100-летию Государства Саманидов и 90-летию академика Б.Гафурова (Исфара, 1998г.); 6 Международной конференции по композиционным материалам 1ССЕ/6 (Орландо, шт.Флорида, США, 1999г); Республиканской научно-практической конференции молодых ученых Таджикистана (Душанбе, 1999г); 45 Международной конференции по научно-практическим проблемам строительства (Врославл, Польша, 1999г); Международной конференции «Горные регионы Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития» (Душанбе, 1999г).

По материалам работы опубликованы 4 научных статьи и 6 тезисов докладов, получено 1 авторское свидетельство СССР.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа включает введение, 4 главы, общие выводы, список литературы (117 наименований) и приложения.

Диссертационная работа изложена на 101 страницах машинописного текста, включая 17 таблиц, 19 рисунков и 3 страницы приложения.

ГЛАВА 1. Коррозия цементсодержащих композиций и способы ее устранения (аналитический обзор литературы)

1.1. Краткая характеристика коррозионных процессов цементсодержащих систем

Цемент- и гипсосодержащие композиции (бетоны и строительные растворы) являются основными материалами современного строительства. Благодаря технологичности производства и обеспечению ими высокой устойчивости и долговечности строительных конструкций и изделий их применение в строительстве с каждым годом расширяется. Важным свойством таких композиций, особенно цементсодержащих, является повышение их прочности и возрастание времени их эксплуатации. Однако, в определенных условиях, когда на строительные изделия влияют различные агрессивные вещества, происходит преждевременное разрушение этих композиций. Такое разрушение под влиянием агрессивных веществ называется коррозией бетона или коррозией цементного камня, поскольку в бетоне разрушается цементный камень его состава.

С развитием науки о свойствах цемента и расширением области применения цементных композиций особое значение придается исследованиям причин возникновения, механизму протекания процессов коррозии цементного камня и методам ее предотвращения.

Изучение стойкости цементсодержащих изделий в различных средах было начато в 70-80 годах прошлого века. Особенно интенсивно проводили исследования такие ученые, как Ю.Михаэлис, Ле Шателье, А.Р. Шуляченко, H.A. Белелюбский, В.И. Чарномский, A.A. Байков и др., которые заложили основу изучения причин возникновения и развития коррозии цементного камня. Уже в то время Ле Шателье указал на то, что в процессах коррозии

важная роль отводится диффузии отдельных растворенных продуктов цементного камня [1].

A.A. Байков [2-4] рассматривал разрушение бетона в морской воде как растворение извести состава цементного камня, и в качестве способа его предотвращения предлагал карбонизацию извести путем выдергивания бетонных изделий на воздухе.

B.Н.Юнг [5,6] расширил исследования и показал, что карбонизация Са(ОН)2 протекает довольно медленно, и не всегда способна защитить бетон от разрушения. Для предотвращения развития коррозии было предложено осуществлять карбонизацию внешнего слоя бетона и повышать плотность его структуры введением минеральных гидравлических добавок в состав цемента.

Развитие промышленного производства, возведение уникальных гидротехнических и других сооружений, рассчитанных на длительные сроки службы, выпуск разнообразных видов цемента существенно расширили область исследования коррозии цементсодержащих систем [7-10]. Большое значение имеют работы по классификации процессов коррозии и механизмам взаимодействия цементного камня и внешней среды, участвующих в них. В работах [11, 12] отмечается, что в процессах коррозии участвуют определенные соединения и группы ионов: в цементном камне- гидроксиды кальция, гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, гипс; в окружающих бетонных средах - ионы РГ, ОН", S042", С032", НСОз, CI", Mg2+,

3+

AI , NH4 и др.; газы СО2, H2S и пр., а также некоторые органические соединения.

В зависимости от типа химического взаимодействия ионов среды с ионами поровой жидкости бетона В.И. Бабушкин [13] разделяет коррозию цементного камня на два вида. К первому относятся обменные реакции, способствующие образованию легкорастворимых солей и малорастворимых

соединений, не связанных между собой, ко второму- реакции, в результате которых образуются малорастворимые хорошо кристаллизующиеся соли.

В.А.Кинд [14] классифицирует коррозию цементного камня в зависимости от состава агрессивной среды и протекающих химических реакций на кислотную, углекислотную, сульфатную, магнезиальную, выщелачивания извести. В свою очередь сульфатная коррозия по Кинду подразделяется на сульфоалюминатную, сульфоалюминатно - гипсовую, а магнезиальная - на собственно магнезиальную и магнезиально -сульфатную.

Согласно классификации В.М. Москвина [1] коррозия цементного камня в бетоне подразделяется в зависимости от действующих факторов на три вида: процессы коррозии от действия жидкой среды, так как в газовой среде или от действия твердых тел они протекают, как правило, при наличии влаги, и возникающие при этом процессы не отличаются практически от коррозии бетона в водной среде.

К коррозии I вида относится процесс растворения и выщелачивания компонентов цементного камня из его структуры, протекающие под действием воды малой временной жесткости. Это приводит к ослаблению структурных связей цементного камня, снижению его прочности и постепенному разрушению [15].

При фильтрации мягких вод сквозь структуры цементного камня в первую очередь выщелачивается гидроксид кальция. Выщелачивание Са(ОН)2 приводит к гидролизу остальных компонентов цементного камня [16]. Отмечалось [17], что существенное влияние на протекание такой коррозии оказывает химический состав воды. В дистиллированной и мягкой воде процесс коррозии происходит быстрее, чем в жесткой.

Коррозия II вида связана с развитием обменных реакций между кислотами (солями) окружающей среды и составными частями цементного

камня, способствующих образованию растворимых соединений или продуктов аморфного типа, не обладающих вяжущими свойствами.

Кислотная коррозия цементного камня происходит под действием растворов минеральных и органических кислот, а также кислых газов во влажных условиях. Интенсивность разрушения камня зависит от вида кислоты и pH среды, а также от растворимости образующихся солей: чем лучше растворяются продукты реакции, тем быстрее протекает процесс разрушения цементного камня [18, 19].

Коррозия III вида характеризуется образованием и накоплением в порах и капиллярах цементного камня малорастворимых солей, которые в последующем кристаллизуются с увеличением объема твердой фазы, что вызывает дополнительные внутренние напряжения, приводящие к разрушению структуры цементного камня.

Коррозия III вида бывает сульфатной, гипсовой и магнезиальной и

2

протекает под влиянием ионов SO4" , связанных с такими ионами, как Na и Ca

и солей магния MgCl2 и MgSC>4. При этом в основ�