Под воздействием агрессивных химических растворов в бетоне происходят разрушительные реакции, которые осуществляются путем катионного обмена. Реакция происходит между агрессивным раствором и компонентами портландцемента в бетоне. Эти пагубные реакции катионного обмена могут привести к разрушению бетона.
Типы реакций катионного обмена
Различные реакции катионного обмена классифицируются в зависимости от образующихся вредных продуктов. К ним относятся:
1. Образование солей кальция
Нерастворимые соли кальция образуются, когда анионы, присутствующие в агрессивной воде, вступают в реакцию с цементной пастой. Повреждение бетона из-за этих продуктов реакции не происходит, если образовавшиеся соли кальция либо расширяются, либо вымываются просачивающейся водой или движением автотранспорта.
В большинстве случаев реакция между гидроксидом кальция в бетоне и такими кислотами, как дубильная, плавиковая, фосфорная, винная, щавелевая и гуминовая, приводит к образованию солей кальция, которые классифицируются как нерастворимые и неэкспансивные. Гуминовые кислоты в основном содержатся в разлагающихся органических веществах. Когда бетон подвергается воздействию таких материалов, гуминовая кислота вызывает химическое разрушение.
2. Образование растворимых солей кальция
В промышленности окружающая среда в основном содержит кислые растворы, содержащие анионы. Эти анионы могут образовывать растворимые соли кальция. Большинство стоков, присутствующих в химической промышленности, состоят из азотной кислоты, серной кислоты и соляной кислоты. Большинство пищевых продуктов содержат молочную, муравьиную и уксусную кислоты. Безалкогольные напитки состоят из углекислоты и природной воды с высокой концентрацией углекислого газа.
Между кислым раствором и составляющим материалом портландцементной пасты происходят реакции катионного обмена. В результате образуются растворимые источники кальция. Некоторые из этих солей – ацетат кальция, бикарбонат кальция и хлорид кальция. Эти растворимые соли удаляются путем выщелачивания.
Выщелачивание отложенных солей в бетоне
Реакции катионного обмена распространены в таких средах, как производство удобрений и сельское хозяйство. Эти реакции катионного обмена превращают компоненты цементной пасты в растворимые продукты. Основными растворами, участвующими в таких реакциях в этих отраслях, являются хлорид аммония и сульфат аммония.
2NH4Cl + Cl (OH)2 -> CaCl2 + 2NH4 OH Eq (1)
Продукты вышеуказанной реакции растворимы, что делает атаку более сильной. Если бы раствором был хлорид магния, то продуктами были бы хлорид кальция и гидроксид магния, которые являются нерастворимыми, что не увеличит проницаемость и пористость всей системы, тем самым делая прикрепление менее сильным.
Ниже приведена реакция катионного обмена между угольной кислотой и гидроксидом кальция.
Ca (OH)2 + H2CO3 -> CaCO3 + 2H2O уравнение (2)
CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca (HCO3)2 Eq (3)
Осаждение нерастворимого карбоната кальция по формуле (2), упомянутой выше, прекратится, если в воде не будет углекислого газа. Согласно уравнению (3), карбонат кальция превращается в растворимый бикарбонат. Свободный диоксид углерода будет способствовать гидролизу гидроксида кальция.
Эта реакция обратима, поэтому для поддержания равновесия реакции требуется некоторое количество свободного диоксида углерода. Если количество свободного диоксида углерода больше или меньше, чем требуется для балансировки, это приведет к агрессивному воздействию на цементную пасту. Жесткость воды будет влиять на уравновешивание углекислого газа.
Примечание: Кислотность воды природного происхождения в основном обусловлена наличием растворенного диоксида углерода. Он присутствует в основном в грунтовых, морских и минеральных водах. Как правило, концентрация двуокиси углерода незначительна для грунтовых и морских вод, если ph больше или равен 8. При ph менее 7 концентрация двуокиси углерода будет вредной.
3. Образование солей магния
Некоторые промышленные стоки, грунтовые и морские воды содержат хлориды магния, сульфаты магния или бикарбонаты магния. Реакция происходит между раствором магния и гидроксидом кальция, присутствующим в портландцементе. В результате образуются соли кальция.
Реакция магниевых растворов является очень агрессивной, поскольку она приводит к сульфатной атаке на гидраты глинозема, присутствующие в цементе.
Примечание: Важной характеристикой атаки ионов магния является то, что в результате продолжительной реакции образуется гидрат силиката кальция (C-S-H), который является важным и основным компонентом бетона.
Если контакт C-S-H с магнием будет продолжаться в течение длительного периода, продукт потеряет ионы кальция, которые могут быть заменены магнием. Следовательно, конечным продуктом будет гидрат силиката магния, который оказывает негативное влияние на характеристики цемента.
- Как можно использовать воплощенный углерод для снижения глобального потепления?.
- Сульфатная атака на бетон – процесс и контроль сульфатной атаки.
- Отверждение бетона углекислым газом [PDF].
- Коррозия стальной арматуры в бетоне – причины и защита.
- Бетон, подверженный воздействию морской воды – последствия и меры предосторожности.
- Влияние примесей в воде на прочность, долговечность и другие свойства бетона.
- Роль хлорида кальция в бетоне.