msgbartop
Оборудование для производства строительных блоков
msgbarbottom

24 Окт 12 КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

Доліовечность бетона зависит в основном от поровой стр>кі/рьі це­ментного камни, а іакжс химических н физических сііоіїсін компонси гов беюна. Решающее значение имеет микроклимат, г. е. такие > ел овил на рассматриваемой поверхности бетона, как влажность, доступ воздуха, содержание агрессивных веществ.

Тутти [8.18J предложил основные схемы повреждения для коррози і стали в бетоне (рис. 8.3), откуда видно, что следует рассматривать ста­дию проникания фронта карбонизации и (или) внедрения хлоридов как фактора, определяющего начало стадии разрушения. Связь стадии прон; кания и разрушения необычайно сложна. В рамках згой работы буду і обсуждены основные зависимости стадии проникания при карбонизации.

Под карбонизацией понимают химическую реакцию щелочных компо­нентов цементного камня с диоксидом углерода с образованием карбо­натов. Вследствие этой реакции изменяются структуры и основные свой­ства бетона [8.8]. Чтобы точнее описать процесс карбонизации, необхо­димо обсудить предварительно карбонизацию составляющих бетона.

Сущность процесса карбонизации. Процесс карбонизации протекает в три ступени [8.7]: сначала диффундирует углекислый газ, имеющийся в воздухе в естественных условиях в количестве 0,03% по объему, прони­кая через поверхность бетона в систему пор (выравнивание концентра­ции). Проникающий в заполненные воздухом поры С02 превращается частично в угольную кислоту. Последним шагом являются реакции СО со щелочными компонентами цементного камня, растворенными в пор<- вой влаге. При этом может быть утрачена щелочность и защитное дсйсі вие бетона но отношению к стальной арматуре.

Упрощенно можно представить карбонизацию гидроксида кальция ь форме

Н20

Са (ОН) 2 + С02 - - -> СаСОз + Н2 О.

20>

От общего количества Са(ОН)2 раствориться в поровой влаге может лишь очень небольшое количество, остальное представлено кристалли­ческой формой как твердое гело. По мере превращения растворенною

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

ИНДУКЦИОН-

_____ Ный

ПЕРИОД tQ '

ПЕРИОД ПОВРЕЖДЕНИЯ?

КОРРОЗИЯ АРМА І УРІ. І

ПОВРЕЖДЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЕ ПГТДЕЛЬПОТ СОСТОЯНИЕ

ВРЕМЯ t

КЛРЬОНИЗЛ - НИН

ПРОНИКАНИЕ

С1-

Рис. 8.3. Схема повреждения при коррозии стали в бетоне [9|


Са(01І)2 в СаС03 переходит в раствор дальнейшая часть кристалличес­кого Са(ОП)2, так что раствор гидроксида кальция в порах остается насыщенным до тех пор, пока может растворяться Са(ОН)2. Ьсли весь гидроксид кальция прореагирует, величина рН понизится.

Фаза CSH также участвует в процессе карбонизации. По общему пред­ставлению [8.8] фаза CSH реагирует с С02 с образованием карбоната кальция и геля SH, при зтом химически несвязанная вода не выделяется:

CSH + С02 СаСОз + SH — гель.

Алюминатсодержащие гидратные фазы (САН, CAFH, CASH) также реа­гируют [8.8, 8.7] с диоксидом углерода. В качестве конечного продукта при зтом образуются карбонат кальция и гидроксид алюминия и при известных условиях гидроксид железа, отделяется химически связанная вода.

Для описанных реакций необходимо небольшое количество воды. По [8.10], реакции карбонизации прекращаются при относительной влаж­ности воздуха около 30%.

Поскольку при реакциях карбонизации щелочные компоненты бетона превращаются в карбонаты, значение рН бетона понижается до 9 и менее, так что защитное действие щелочей бетона для стальной арматуры в кар­бонизированном бетоне прекращается. Чтобы оценить, в какой момент времени фронт карбонизации достигнет арматуры, необходимо знать раз­витие глубины карбонизации бетона во времени.

Развитие карбонизации. После того как гидроксид кальция, имеющий­ся во внешнем слое у поверхности бетона, карбонизируется, С02 диф­фундирует через уже карбонизированный слой. Движущей силой при этом является разность концентрации С02 в наружном воздухе и у фрон­та карбонизации.

Диффузия диоксида углерода в бетоне при допущении стационарной диффузии выражается сформулированным в 1955 г. А. Фиком и назван­ным 1-м законом Фика диффузионным выражением в форме (рис. 8.4) :

DQ=Dl А-х'1 (с| - сг) Dt ,

Где Q - количество диффундирующего диоксида углерода, г; А - поверхность, нормальная диффузионному потоку С02, см is, - содержание диоксида углерода

Рис. 8.4. Модель диффузии По Фмку

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

В воздухе па внешней поверхности бетона, г/ем ; с2 - содержание дгчкеида углеро­да на границе карбонизации (может быть прм^ято равным нулю); T - время. с; х - Шубина карбонизации, см; /)'. і<ол|)(|)ііаиепі диффузии дин диоксин,! \ гш-рица. и Пеношшм Мерсі к. ірНоіні ШроншшмИ Гчччж, ем*/с (1.1 Іітім о і I'M Ип. і ін-Unu. Civile Ни гндраіацни, l це ржания влаги).

В качестве второго допущения мож."т быть принято, что чее количест­во С02 проникает до фронта карбонизации и там реагирует с продукта­ми гидратации цемента. При этом предусматривается, что до дальнейше­го проникания диоксида углерода все способные карбонизироваться составные части гидратированного цемента прореагируют:

DQ = d - А ■ dx,

Где о - количество С02, необходимое для превращения всех способных карбонизи­роваться продуктов гидратации (зависит от состава бетона), г/см.

Приравнивая оба уравнения, интегрируя по глубине карбонизации и извлекая корень, получают глубину карбонизации х за определенное время T в виде простого выражения:

Х =V 2D1 а(с, - с2) / .

.Для упрощения принимают с2 равным нулю. Выражение 20[ с1 /а для определенного бетона при постоянных атмосферных условиях в первом приближении представляют постоянной величиной

К= S/2D' Ал с, Что позволяет дать уравнение карбонизации в простой форме

X=KyJF.

Эта зависимость известна как закон корня квадратного из времени, но пригодна как приближенная формула только при относительно постоянной и низкой влажности.

Влияние условий среды на развитие карбонизации. Обширные дли­тельные испьиания бетонных призм в различных условиях храпения однозначно показывают, что фактическое развитие карбонизации откло­няется от закона корня из времени. Риг. 8.5 показывает, среднее значе­ние глубины карбонизации 27 бетонов при хранении в условиях искусст­венного климата (температура 20°С, относительная влажность 65%) и хранения на открытом воздухе (защищенных от дождя и незащищен­ных) .

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

ВРЕМЯ. ЛЕТ

0 І 4

I'm, 8.5. І'їмульшьі іісііміаіініі серні № 1 (средине дії и неех Ссіоиоіі)


Фактически измеренное развитие карбонизации во времени было при этом более медленным, чем это следует из закона корня из времени. В [8.13] дана другая модель карбонизации, с учетом изменяющейся влажности бетона.

Диффузия С02 в воздухе происходит примерно в 104 раз быстрее, чем в воде. Поэтому влажность бетонных образцов имеет решающее зна­чение для скорости карбонизации бетона. В водонасыщенном бетоне кар­бонизацией можно пренебречь. Незащищенные наружные детали из желе­зобетона, как правило, находятся под воздействием постоянно меняю­щейся влажности. Поскольку высушивание протекает относительно мед­ленно, в наружном слое возникает градиент влажности.

На рис. 8.6 представлено распределение влажности в наружном слое затвердевшего цементного камня с В/Ц = 0,5 в зависимости от времени.

Поскольку высушивание бетона протекает значительно медленнее, чем поглощение воды, период высушивания соответственно длиннее, чем период поглощения воды. Очевидно, что как зоны влажности, так и фронт карбонизации располагаются параллельно поверхности бетона, что позволяет различать два его состоянии При этом из зоны высушивания может быть выделена область, в которой капиллярные иоры в основном гак обезвожены, что становится возможной диффузия С02 .

Если граница зоны высушивания более удалена от поверхности, чем фронт карбонизации, то диффузия С02 может развиваться снаружи до фронта карбонизации через заполненные воздухом поры. Однако, если после кратковременного дождя зона высыхания находится ближе к по­верхности бетона, чем фронт карбонизации, диффузия С02 через запол­ненную водой систему нор сильно затрудняется, так что карбонизация практически прекращается.

Увеличение во времени глубины карбонизации в связи с этим не отве­чает закону корня из времени, но при изменяющихся микроклиматичес­ких условиях происходит с переменной скоростью.

На рис. 8.7 схематически представлено увеличение во времени глуби­ны карбонизации в постоянно сухих условиях и при периодическом увлажнении бетона.

V/7

Гін-. К IK іорн II По

І ІІПІЦГНІІІ' IHII(I. I Щ - MCIIIIIMM K. lMlK'rsl Ji

(ад = 0,45)

Jy

25

5 ?e

О <

2

И о

II)

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

Рис. 8.7. Схематиче­ское представление о скорости карбониза­ции в относительно сухом состоянии и при периодическом увлажнении бетона

ЫЦ

Известно, что глубина карбонизации во времени увеличивается до постоянного значения, так называемой конечной глубины карбониза­ции. Карбонизация не может развиваться далее, чем до наибольшей глу­бины высыхания бетона. При этом глубина высыхания зависит не юлько от качества беюпа, но и or условий среды. По 18.15] конечная глубина карбонизации устанавливается независимо от влажности бетона. При карбонизации в поровой влаге возникает разность концентрации ще­лочных составляющих бетона между внутренними слоями и фронтом карбонизации. Это вызывает диффузию подвижных щелочных состав ляютцих в поровой влаге к фронту карбонизации, где онн также карбо­низируются. Поскольку скорость карбонизации с увеличением глубины карбонизации уменьшается ввиду увеличения пути диффузии С02, в пределе устанавливается конечная ілубина карбонизации, при кото - рои к фронту карбонизации поступает столько С02, сколько необходи­мо для реакции с диффундирующими из глубины бетона щелочными компонентами. Это связано со значительным уплотнением этого гра ничного слои.

HI Ml ІІГІІІ. ІИ KAMI III II l| II 1>. IKMI'lM I U Ml№1| II І ИІІЦ. ІІЛШП1 /и ДН

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

Карбонизация как химический процесс зависит оі температуры. С но вышением температуры повышается и скорость процесса карбонизации.

Среднее содержание С02 в атмосфере равно примерно 0,03% по обьс - му. При плохой вентиляции строительные детали могут находиться и при более высоком содержании С02, как, например, в подвалах, туннелях, подземных гаражах или стойлах для животных. Атмосфера больших го­родов и промышленная атмосфера может содержать в воздухе значитель­но больше, чем 0,03% С02. В этом случае карбонизация развивается соот­ветственно быстрее и до большей конечной глубины [7.5].

Влияние состава бетона на процесс карбонизации. Увеличение во вре­мени глубины карбонизации определяется главным образом пористой структурой бетона, особенно долей капиллярных пор и способностью связывать С02, т. е. в основном количеством поставляемого Са(ОН)2. Далее кратко обсуждается роль основных технологических факторов.

Водоцементное отношение. На рис. 8.8 представлено влияние водоце- ментного отношения на глубину карбонизации бетонов на различных це­ментах [8.20], из которого видно, что глубина карбонизации линейно за­висит от водоцементного отношения.

Эта зависимость объясняется тем, что вместе с увеличением водоце­ментного отношения растет капиллярная пористость, т. е. доля наиболее крупных пор в бетоне, которые образуются потому, что в бетонную смесь вводят, как правило, и больше воды, чем требуется для реакции с цементом. С увеличением пористости возрастает также коэффициент диффузии кислорода [8.17].

Уход за бетоном. Соответствующими мероприятиями по уходу за бетоном, которые исключают его раннее высушивание, можно сущест­венно повысить степень гидратации в поверхностных слоях бетона. След­ствием этого является то, что проницаемость бетона для газов пони­жается с увеличением'длительности ухода (рис. 8.9).

Соответственно с увеличением длительности ухода при прочих равных условиях глубина карбонизации уменьшается. На рис. 8.10 показано влияние длительности ухода на глубину карбонизации после года хране­ния бетона на различных цементах. Увеличение длительности ухода вызы­вает уменьшение глубины карбонизации.

Вид цемента. Вид и содержание цемента в бетоне влияют как на спо­собность связывать, так и на диффузионное сопроіивлсние прониканию С02. Чем больше имеется в бетоне щелочных продуктов гидратации, тем

Возраст бетона в лет условия хранения 20°с/65% относительная - влажность - бетоны на

Шла^опорУланд -

І нм

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

, бетоны на портландцемент-

Tax и железистом - цементе"

0,3 0,k 0,5 0,6 0,7 0,8

Водоцементное отношение. в/ц

Г ___ цементах-

Рис. 8.8. Влияние водоцементного отношения на глубину карбонизации бетона на различных вяжущих


Больше (J02 может быть связало и тем медленнее перемещается фронт карбонизации в глубь бетона.

Если при изготовлении цемента, помимо портландцементного клинке­ра, используют большое количество других материалов, например домен­ного шлака, золы от сжигания каменного угля или трасса, то количество щелочных компонентов понижается. В связи с этим бетон на чисто клин­керном портландцементе карбонизируется медленнее, чем бетон на це­ментах, содержащих названные добавки. На рис. 8.8 и 8.11 показано, что бетон на шлакопортландцементе, который, помимо норіландцементного клинкера, содержит доменный шлак, имеет большую глубину карбони­зации, чем бетон на портландцементе. В цементах, которые содержат пуццолановые добавки, такие, как силикатиая пыль, эола-упос или грасс, со временем количество Са(ОН)2 еще более понижается вследст­вие реакции компонентов с пуццоланой и скорость карбонизации выше.

С другой стороны, присутствие пуццоланы и других гидравлических материалов, например доменного шлака, приводит к улучшению порис­той структуры.

Рис. 8.11 показывает распределение пор по размерам в растворе из портландцемента и шлакопортландцементе. При применении шлако­портландцементе доля мелких пор больше, а доля крупных меньше, так что проницаемость соответственно меньше. Это объясняет малую вели­чину коэффициента диффузии кислорода в бетоне на шлакопортланд­цементе (рис. 8.9).

Большое содержание щелочных компонентов в бетоне на чистом клинкерном цементе, как правило, имеет для развития карбонизации большее значение, чем малое диффузионное сопротивление, поэтому бе­тон на портландцементе, несмотря на малое диффузионное сопротивле­ние, часто имеет меньшую глубину карбонизации, чем бетон на шлако­портландцементе.

Вид заполнителя. Исходя из того, что заполнитель в тяжелом бетоне практически непроницаем, на процесс карбонизации он практически не влияет. Однако значительную роль в диффузионном процессе играет граница іаноинніель цементный камень (ем. например ''і).

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

Ё о

КИНЕТИКА КАРБОНИЗАЦИИ КАК МЕРА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ БЕТОНА

Рис. 8.12. Влияние вовлечеииого Рис. 8.11. Распределение пор по раз - воздуха на глубину карбонизации

Мерам в растворе X

Другие условия имеются в легком бетоне на пористом заполнителе (см. разд. 8.2).

Наполнители и добавки. Для наполнителей, которые могут быть до­бавлены в небольшом количестве в бетон, наблюдаются в основном те же зависимости, о которых говорится при применении различных видов цемента. Действие добавок на развитие карбонизации до сих пор систе­матически не изучено. Можно исходить, однако, из того, что, например, водоредуцирующее действие разжижителей благоприятно, ввиду умень­шения водоцементного отношения. Вместе с тем можно предполагать, что некоторые содержащиеся в добавках материалы при определенных обстоятельствах могут привести к повышению скорости карбонизации.

Для повышения морозосолестойкости бетона путем создания воздуш­ных нор могут применяться воздухововлекающие добавки. Применение этих добавок может, однако, как показано на рис. 8.12, вызвать увеличе­ние глубины карбонизации.

Оставить комментарий