влияние со2, карбонатной и карбонатно

УДК 626/627:691.5
ВЛИЯНИЕ СО2, КАРБОНАТНОЙ И КАРБОНАТНО-СУЛЬФАТНОЙ АГРЕССИИ
НА ГИДРАТАЦИЮ И ТВЕРДЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТОВ
А. А. Суворова
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
В настоящее время ключевыми проблемами долговечности бетонных и цементных
материалов являются воздействие сульфатов и карбонизация атмосферным СО2, а также
разрушение бетонных структур в условиях индустриальной окружающей среды. В
атмосферу России ежегодно выделяется 3,5…4 млрд. т углекислого газа, причем объем
выбросов в результате природных процессов в 8 раз превосходит индустриальные
источники. Атмосферный СО2 растворенный в воде разлагает гидратные фазы
цементного камня, и, в первую очередь Са(ОН)2, о чем подробно доложено на 9 и 10
Международных конгрессах по химии цемента.
Исследование процессов гидратации и сравнительной стойкости различных типов
цементов проводилось в средах с повышенным содержанием СО2 в воде и в растворе
сульфата натрия. Образцы подвергались воздействию коррозии попеременного
высыхания и насыщения в карбонатной и карбонатно-сульфатной средах. В качестве
объектов исследования были взяты цементы с различным химико-минералогическим
составом такие как высокоглиноземистый (ВГЦ), гипсоглиноземистый (ГГЦ),
напрягающий цемент (НЦ), сульфатостойкий цемент. В работе также исследовалось
поведение образцов, изготовленных из сульфоалюминатного, сульфоферритного и
сульфоалюмоферритного клинкеров (САК, СФК, САФК).
Как показали исследования, менее всего подвержены карбонатному воздействию
напрягающий и сульфатостойкий цементы, это обусловлено тем, что при их твердении
образуется плотный цементный камень, и углекислота не проникает глубоко в поровое
пространство таких образцов. Воздействию карбонат-ионов и сульфатных ионов
подвержены в основном поверхностные слои образцов и открытые поры, которые со
временем заполняются мелкокристаллическими продуктами карбонизации и вторичным
эттрингитом, что обусловливает снижение пористости и рост прочности образцов.
Образцы из НЦ и сульфатостойкого цемента выдерживают более 25 циклов коррозии
попеременного высыхания и насыщения в карбонатно-сульфатной среде без ощутимой
потери или прибавки веса.
Менее всего подвержены коррозии попеременного высыхания и насыщения в
карбонатной и карбонатно-сульфатной среде образцы из высокоглиноземистого цемента,
поскольку при твердении образуется гель гидроксида алюминия, уплотняющий
цементный камень. Образцы из ВГЦ выдерживают более 25 циклов.
Взаимодействие гидроалюминатов кальция с агрессивной средой происходит только
в поверхностных слоях образца и в неглубоких открытых порах, где фиксируется
образование карбоалюминатов кальция, карбоната кальция и геля гидроксида алюминия
при хранении в воде насыщенной углекислотой или эттрингита и карбоалюмината
кальция, карбоната кальция и геля гидроксида алюминия при хранении в растворе
сульфата натрия, насыщенного углекислотой.
Образцы гипсоглиноземистого цемента очень сильно подвержены воздействию
коррозии попеременного высыхания и насыщения в растворе сульфата натрия,
насыщенного углекислотой. При твердении таких цементов образуется гетероконтактная
структура цементного камня из гидросиликатов и гидросульфоалюминатов кальция. Как
показано выше, эттрингит обладает высокой стабильностью к воздействию карбонатов, а
моносульфогидроалюминат кальция под воздействием карбонатов разлагается и вновь
образует эттрингит, что вызывает напряжения в структуре образца и рост пористости,
через которую проникает коррозионная среда. Ионы коррозионной среды,
взаимодействуя с глубинными гидратами, образуют новые кристаллогидраты, которые
впоследствии разрушают образец.
Изучение кинетики поглощения углекислоты показало, что наибольшей
поглощающей способностью обладает гипсоглиноземистый цемент, а наименьшей напрягающий (см. рисунок), но при этом цементы обладают высокой стойкостью к
агрессивному воздействию.
5
Содержание СО2, %
Содержание
Степень гидратации сульфатированных
цементов
4
3
Вид
цемента
САК
СФК
САФК
2
1
Степень гидратации, %
30 сут.
60 сут.
90 сут.
50
75
85
37
58
80
61
82
93
0
ВГЦ
НЦ
ГГЦ
ССПЦ
Ряд1
Поглощение
различными
цементами
диоксида углерода
сульфатированных
цементов
Образцы из сульфоалюминатного, сульфоферритного и сульфоалюмоферритного
клинкеров не образуют плотного прочного цементного камня и хорошо проницаемы для
коррозионной среды. Этот факт был использован для изучения влияния карбонатных и
сульфатных ионов на гидратные фазы и на непрогидратировавшие зерна этих клинкеров.
Установлено, что при гидратации зерен этих клинкеров происходит рост степени
гидратации, уже в первые два месяца твердения такие цементы прогидратированы на
85…93% (см. таблица)
Структура таких цементов представлена с основном хорошо закристаллизованными
кристаллогидратами как игольчатого, так и гексагонального габитуса. Отсутствие
гелеобразных фаз гидроксидов алюминия у цементов алюминатного типа
свидетельствует о том, что они под воздействием карбонатных и сульфатных ионов
образуют с ионами кальция кристаллогидраты. Рентгенофазовым анализом фиксируется
как повышенное содержание эттрингита, так и содержание гидрокарбоалюминатов
кальция. Структура сульфоферритных образцов также представлена повышенным
содержанием закристаллизованных кристаллогидратов и небольшим количеством
гелеобразной массы гидросиликатов кальция и гидроксида железа. Полученные данные
позволяют заключить, что гидратация сульфоалюминатного, сульфоферритного и
сульфоалюмоферритного клинкеров в карбонатной и карбонатно-сульфатной среде
ускоряется с образованием большого объема кристаллической фазы, оптимальное
сочетание которой с гелеобразными продуктами гидратации портландцементной
составляющей обеспечивает образцам высокую коррозионную стойкость.
Полученные данные положены в основу при разработке эффективных мер по защите
цементов от карбонатного воздействия.