Меню

Реакция цемента с алюминием



Считается, что алюминий не ржавеет. Но это неправда. Рассказываем, почему.

Есть мнение, что алюминий не ржавеет и не портится на воздухе. Это близко к правде, но не совсем. К атмосферным воздействиям алюминий действительно устойчивее, чем железо. Но и он может корродировать, теряя твердость и внешний вид.

В этой статье расскажем, почему ржавеет алюминий и какие меры принимаются на производстве, чтобы этого избежать.

Почему (не) ржавеет алюминий

Микроструктура алюминия устроена так, что он защищает от коррозии сам себя. Под воздействием контакта с воздухом свободные атомы алюминия на поверхности «цепляют» кислород и образуют пленку из оксида алюминия. Она и препятствует запуску коррозионных процессов.

Но оксидная пленка − это не танковая броня. Скорее это кожица, как у яблока. Пока плод спрятан внутри, ему ничего не грозит. Если надкусить яблоко и оставить на тарелке, повреждение быстро начнет темнеть − пойдут те самые окислительные процессы.

Примерно то же самое происходит с алюминием. Пока пленка сохраняет целостность, все в порядке. Но, если ее нарушить, алюминий тоже будет корродировать. Сильнее всего оксидной пленке вредят механические воздействия, кислотные и щелочные соединения в атмосфере.

Самые серьезные разрушители алюминия − фтор, калий и натрий. Они вступают в реакцию с кислородом, как бы вытягивая его из оксидной пленки. Устойчивость материала к коррозии падает. Также для алюминия вредны соединения брома и хлора, растворы извести, цемент. Активно разрушается оксидный слой под воздействием соленого морского воздуха в прибрежных регионах.

Так выглядит ржавчина на старых автомобильных дискахТем более, «идеальная» оксидная пленка образуется только в лабораторных условиях с чистым алюминием и беспримесным воздухом. В реальной промышленности обычно используются сплавы на основе алюминия. Да и воздух чаще всего содержит целый букет разнообразных соединений.

Те же автомобильные диски, как правило, делают из сплавов с участием кремния. Кремний делает материал более текучим − это важно при выплавке дисков. Плюс повышает износостойкость изделия.

Антикоррозионные свойства зависят от состава алюминиевого сплава.

Повышение антикоррозионных свойств алюминия

В промышленности для повышения антикоррозионных свойств алюминия применяют анодирование.

Этот метод решает сразу две проблемы:

  • Во-первых, дополнительно защищает алюминий от коррозии.
  • Во-вторых, надежно окрашивает материал в один из многочисленных вариантов расцветки.

При анодировании с поверхности удаляется естественная оксидная пленка и создается новая − значительно толще и прочнее. Естественный оксидный слой обычно не превышает 0,01 мкм. Анодирование позволяет создать защитное покрытие толщиной до 25 мкм. Это уже не яблочная кожура, а настоящая скорлупа ореха. Повредить ее значительно сложнее. Поэтому анодированный алюминий значительно долговечнее обычного.

Процесс анодирования алюминия

Есть несколько технологий анодирования. В цехах «Новаметалтрейд» используется следующий подход:

Обезжиривание. Прокат погружается в ванну с поверхностно-активным веществом, которое удаляет грязь и пятна масел. Этот этап нужен, чтобы качественно подготовить поверхность к следующему.

Травление. Подготовленный прокат погружается в ванну с щелочным раствором, который разрушает естественную оксидную пленку и верхний слой чистого металла.

Осветление. В результате травления на поверхности металла остается тонкий слой из окислов элементов, которые входят в состав щелочного раствора. На этой стадии поверхность проката очищается от тяжелых металлов и готовится непосредственно к анодированию.

Анодирование. Прокат помещается в проводящую среду, и производится анодная поляризация. В результате на поверхности вырастает прочная пористая пленка, которая обеспечивает материалу высокую коррозионную стойкость.

Абсорбционное окрашивание. Прокат помещается в среду, содержащую красящий пигмент. Пигмент проникает в образовавшиеся поры, придавая поверхности ровный однородный цвет.

Уплотнение. Это финальный технологический этап. Прокат погружается в кипящую воду и выдерживается там. Под таким воздействием поры надежно закупориваются. Теперь пигмент не вымывается с поверхности под воздействием внешних факторов, а материал надолго сохраняет свой внешний вид.

В процессе анодирования можно получить покрытия разной толщины.

Анодированный алюминий классов 5 и 10 используется для изделий, рассчитанных на эксплуатацию в помещении.

Классы 15 и 20 используются для архитектурных сооружений.

Высший класс 25 применяется для изделий, который эксплуатируются в особо жестких атмосферных условиях: в прибрежных регионов, вблизи агрессивных сред, в помещениях с загрязненным воздухом (например, в производственных цехах) и т. д.

Подписывайтесь на канал, если хотите знать о металлургии и металлических изделиях еще больше.

«Новаметалл Трейд» — один из ведущих производителей металлопроката и металлических изделий в России. На рынке с 2010 года.

В статье использованы изображения с сервиса Яндекс.Картинки

Источник

ZipBeton — все о строительстве: материалы, инструменты, проекты и идеи

Реакции газовыделения

В производстве ячеистых бетонов газообразователи, при перемешивании с другими компонентами растворов, равномерно распределяются по всей их массе, и в результате тех или иных химических реакций выделяют газ (водород, кислород и др.), который вспучивает раствор и придает ему необходимую пористость. Таким образом, реакции газовыделения играют первостепенную роль в производстве газобетона и газосиликата: скорость и интенсивность их протекания влияют на свойства получаемого ячеистого бетона.

Читайте также:  Как замешивать цемент его пропорции

В при производстве газобетона и газосиликата в качестве газообразователя применяется главным образом алюминиевая пудра. Химическая реакция между алюминием и известью протекает по следующему уравнению.

Объем, газа, выделяемого единицей газообразователя, так называемое «удельное газовыделение», зависит от многих факторов, в частности от тонкости алюминиевого порошка, его чистоты и др.

Поэтому расход газообразователя на 1 ж3, газобетона устанавливается в зависимости от удельного газовыделения и для алюминиевой пудры, проходящей через сито с 4 900 отвсм2 (№ 0085), составляет 0,2-0,6 кг.

При использовании алюминиевой пудры реакция газовыделения начинается не сразу после введения газообразователя, а через некоторое время, достаточное для тщательного перемешивания раствора и разлива его в формы. С наибольшей интенсивностью процесс газовыделения протекает через 5-10 мин. после перемешивания раствора и продолжается в течение 15-30 мин.

Процесс газовыделения не должен быть слишком медленным или очень бурным. И то и другое не обеспечивает получения газобетонных изделий с достаточно равномерной пористой структурой.

Алюминиевый порошок желательно вводить в раствор газобетона в виде водной суспензии или в смеси с каким-либо сухим компонентом для равномерного распределения его во всей ячеистой массе. Использование алюминиевой пудры в сухом виде может привести к получению неравномерной структуры газобетона и к перерасходу газообразователя.

Однако алюминиевый порошок очень трудно перемешивается с водой, так как он плавает на ее поверхности. Для устранения этого явления алюминиевую пудру следует предварительно прокалить в электропечи при температуре 180-200° в течение 4-6 час. Прокаливанием удаляется с поверхности частиц алюминия налет парафина, благодаря чему повышается качество газобетона.

При прокаливании следят за тем, чтобы максимальная толщина слоя порошка на противне не превосходила 15-20 мм. Вследствие того, что порошок легко сдувается и при этом может воспламениться, следует также следить за правильным температурным режимом печи и осторожно, без резких рывков, открывать и закрывать дверцы печи. Готовность порошка проверяют, всыпая его небольшими дозами в воду.

На реакцию газовыделения оказывает влияние также химический состав цемента.

В Швеции, Польше и в других странах предъявляют определенные требования к химическому составу цемента для производства газобетона. Содержание в цементе глинозема регламентируется в пределах 3-5%. Цемент должен содержать достаточное количество растворимых щелочей. Содержание хрома не должно превышать 0,1%. При этом чем меньше в цементе растворимых щелочей, тем меньше должно быть и хрома.

В случаях, когда цемент не удовлетворяет указанным требованиям, в раствор вводят едкий натрий (NaOH), который, соединяясь с алюминием, выделяет волород. Химическая реакция между алюминием и едким натрием происходит по следующему уравнению:

Количество едкого натрия, которое необходимо вводить в раствор, определяется опытным путем для каждого отдельного случая.

В ряде стран (Швеция, Польша и др.) при использовании в качестве газообразователя алюминия едкий натрий вводится в ячеистую смесь почти всегда. По данным зарубежных исследований, для приготовления 1 м3 газобетона с объемным весом 700 кгм3 требуется 0,5 кг алюминиевой пудры и 1,2-1,6 кг едкого натрия. При необходимости получения газобетона с меньшим объемным весом расход алюминия и едкого натрия соответственно увеличивают.

При использовании цемента с повышенным содержанием хрома в газобетонную смесь вводят железный купорос FeSO в виде водного раствора в количестве до 300 г на м3 газобетона.

Добавки, регулирующие реакцию газообразования, не всегда обеспечивают полное согласование этого процесса со сроками схватывания и твердения цемента. Для достижения такого согласования часто требуется воздействовать не только на газообразователь, но и на цемент путем введения замедлителей или ускорителей схватывания и твердения.

В качестве ускорителей схватывания и твердения в раствор вводят гипс, хлористый кальций, жидкое стекло. Для замедления схватывания в газобетон добавляют срезки газобетонного раствора, поднявшегося в результате вспучивания выше краев формы.

Применяемая в качестве газообразователя перекись водорода (пергидроль) при взаимодействии с цементом разлагается на воду и газообразный кислород.

Различные сорта цементов по-разному реагируют с пергидролем. Здесь так же, как и при алюминиевом газообразователе, встречается необходимость в регулировании процесса газообразования и сроков схватывания цемента. Для ускорения процесса газообразования применяется хлорная известь с 70% активного хлора. Химическая реакция между пергидролем и хлорной известью протекает по следующему уравнению:

При этом 1 г 27,5-31%-ного раствора перекиси водорода, разлагаясь, выделяет 200 см3 кислорода. В данном случае кроме кислорода выделяется также хлористый кальций (СаС12), который способствует ускорению процессов твердения цемента.

Читайте также:  Устройство цементной стяжки для мягкой кровли

Источник

Химическое воздействие на металлы железобетонных конструкциях

При использовании металлов для ремонта и восстановления конструкций очень важно помнить о том, что различные металлы не должны соприкасаться друг с другом. В условиях эксплуатации большинства конструкций между двумя металлами, которые находятся в непосредственном контакте, происходит электрохимическое взаимодействие. Один металл превращается в анод, другой — в катод. Анод корродирует, катод — нет. Фактически это правило положено в основу катодной защиты, рассмотренной в главе 5. Магний, цинк и алюминий служат анодом по отношению к железу и стали, а железо и сталь — анодом к латуни, меди, фосфористой и пушечной бронзе. Во многих случаях малоуглеродистая сталь является анодом по отношению к нержавеющей стали.

2.3.1. Малоуглеродистая и высокопрочная сталь

В большинстве случаев для арматуры железобетонных конструкций применяют малоуглеродистую и высокопрочную стали. Окружающий стальную арматуру бетон защищает ее от коррозии (если, конечно, это высококачественный бетон с достаточной толщиной защитного слоя). Бетон на портландцементе создает вокруг арматуры высокощелочную среду. Величина pH цементного теста находится в пределах 10,5—11,5. Научные исследования показали, что в этом диапазоне pH вокруг стали создается защитный слой, который замедляет процесс коррозии.

Коррозия стали — сложный электрохимический процесс. Незащищенная сталь корродирует в присутствии влаги вследствие разницы электрического потенциала на поверхности стали, создаваемой анодным и катодным участками. На аноде металл окисляется, вызывая коррозию.

Тредуэй и Рассел указывают на следующие три фактора, от которых зависит скорость коррозии стальной арматуры в бетоне:

  • 1) контакт между сталью и ионопроводящен водной фазой бетона, зависящий от влагосодержания и состава бетона;
  • 2) наличие анодных и катодных участков на металле, соприкасающемся с электролитом; определяющими являются изменения на поверхности металла (слой окисла, находящийся в контакте с поверхностями обнаженного металла и окружающей среды);
  • 3) присутствие кислорода, способствующего катодным реакциям (катодная деполяризация). Катодная деполяризация зависит от скорости диффузии кислорода от атмосферы через бетон к катодным участкам на поверхности стали.

Из изложенного видно, что степень или скорость коррозии зависит от количества кислорода и проницаемости бетона. Это в равной степени относится и к уменьшению величины pH бетона вследствие реакции между двуокисью углерода и щелочами цементного теста. Если бетон подвергается карбонизации по всей толщине защитного слоя арматуры, то инертность стали будет нарушена и процесс коррозии ускорен. Было подсчитано, что коррозия начинается, вероятно, при уменьшении величины pH до 9.

Ионы хлорида также могут нарушить инертность стали Поэтому наличие хлоридов в бетонной смеси — потенциальная причина коррозии. Возможность коррозии от хлоридов увеличивается из-за пористости бетона, которая является следствием некачественного уплотнения, высокого водоцементного отношения, низкого содержания цемента, неправильного проектирования смеси или недостаточного перемешивания. Естественная инертность бетона, окружающего арматуру, теоретически может быть увеличена, и с помощью замедлителей коррозии можно увеличить его защитные свойства.

Замедлители коррозии можно вводить в бетон. Однако этот метод по ряду причин, рассмотренных в упомянутом отчете Научно-исследовательской строительной станции, не рекомендуется для практического использования. Более эффективным, хотя и трудоемким в условиях строительной площадки, методом является включение определенных замедлителей в жидкое цементное тесто, которое наносится ка арматуру. Исследования Тредуэя и Рассела дают основания считать, что комбинация нитрита натрия и бензоата натрия позволяет достичь отличных результатов с помощью легко доступных и достаточно дешевых химических веществ. На основе собственного опыта автор пришел к выводу, что цементный раствор, нанесенный на арматуру, довольно быстро высыхает и отслаивается. Этого можно избежать, заменив воду для затворения бутадиен-стирольным латексом. Но даже в этом случае важно, Чтобы бетон или раствор укладывались как можно скорее на затвердевший слой цементного теста. Вариантом более долговечного, но и более дорогого защитного слоя является применение эпоксидной смолы. При этом дополнительные затраты оправданы лишь в особых случаях, которые рассмотрены в главе 5.

2.3.2. Удаление ржавчины с арматуры

Заводская окалина образуется в мягкой восстановительной среде во время изготовления арматурных стержней. Она состоит из окислов железа с преобладанием более низких окислов FeO и Fe2O3. Вероятно присутствие и более высокого окисла Fe3O4. В нормах СР 2008 заводская окалина определяется как «многослойное образование окислов железа FeO, Fe2O3 и Fe3O4». Под воздействием воздуха окалина соединяется с кислородом, т. е. окисляется, и увеличивается в объеме; ее сцепление с нижележащей сталью ослабевает. Как правило, окалина не покрывает стержень целиком, а выступает в виде отдельных пятен. Именно эта разрывность окалины способствует образованию коррозионных элементов вследствие разницы электрического потенциала между окалиной и сталью.

Возникает вопрос, до какой степени нужно удалять окалину с арматуры. Существует много различных точек зрения, но, как и в других случаях, не рекомендуется быть слишком категоричным, а следует исходить из здравого смысла. В частности, автор рекомендует удалять лишь рыхлую окалину, а окалину, плотно приставшую к стержням, допускается оставлять.

Читайте также:  Цемент м500 евроцемент сертификат

Аналогичный подход применим к ржавчине на арматуре. Легкую порошкообразную ржавчину, которая не осыпается при ударе по стержню, можно не удалять. Некоторые инженеры считают, что такая ржавчина улучшает сцепление арматуры с бетоном или раствором. Однако по указанным причинам ржавчина может в какой-то степени увеличить опасность коррозии, если инертность стали уменьшается вследствие проникания влаги, карбонизации, присутствия хлоридов и т. д. Перед ремонтом вся ржавчина в виде окалины или чешуек должка быть удалена с арматуры до укладки нового бетона или раствора.

Многие подрядчики по ремонту и восстановлению железобетонных конструкций широко применяют замедлители (ингибиторы) коррозии на основе фосфорной кислоты, которые наносятся на стальную арматуру после ее очистки. Опыт автора показывает, что при использовании таких ингибиторов у рабочих мест может появиться стремление менее тщательно производить очистку. Фосфорная кислота вступает в реакцию со сталью, образуя фосфат железа, который помогает защищать металл от коррозии. Однако эти кислотные ингибиторы не рекомендуются по следующим причинам.

1. Если ржавчина соответствующим образом удалена, то ингибиторы не нужны, так как новый бетон или раствор будет защищать сталь.

2. Поскольку ингибиторы по своей природе обладают кислотными свойствами, а окружающий бетон — щелочными, то они будут разрушать любой бетон, с которым соприкасаются, и нейтрализовать его щелочные свойства. Поэтому на ингибитор следует нанести специальное «антикислотное» покрытие, что вызывает необходимость выполнения еще одной рабочей операции с соответствующим контролем.

3. Если кислотный ингибитор наносится слишком обильно, то он стекает с арматуры и проникает в неповрежденный бетон, окружающий арматуру.

Более целесообразно тщательно удалять ржавчину и рыхлую окалину, а затем надежно покрывать сталь неагрессивными ингибиторами, рассмотренными ранее, или использовать покрытия из портландцемента и эмульсин бутадиен-стирольного латекса (2 ч. цемента на 1 ч эмульсии по массе).

2.3.3. Оцинкованная арматура

Обладая щелочными свойствами, влажный портландцемент будет разъедать цинк и алюминий. В связи с этим рекомендуется покрывать битумной краской или аналогичным составом любую сталь, покрытую слоем цинка или алюминия, которая постоянно соприкасается с влажным бетоном.

Когда применяют оцинкованную арматуру, то в начальной стадии бетон оказывает воздействие на само покрытие, но если бетонная смесь высокого качества и водонепроницаема, то оно, как правило, весьма незначительно.

Некоторые виды портландцемента содержат хроматы. Если содержание хромата превышает 65 мг/л, то реакция между цементным тестом и цинком будет замедляться образовавшимся слоем неактивного хромата цинка на поверхности гальванизирующего покрытия. Если цемент не содержит хроматов, тогда их добавляют в ванны горячего цинкования. Оцинкованную арматуру иногда целесообразно использовать и при ремонтных работах, например если внешняя среда агрессивна или толщина защитного слоя бетона недостаточна. Преимущество оцинкованной арматуры защитного слоя в последнем случае подтверждается Британским стандартом BS 1217: 1975 «Бетонный камень».

2.3.4. Нержавеющая сталь

Краткие сведения о нержавеющей стали были приведены в главе 1.

Выбор соответствующей марки стали с учетом ожидаемых условий эксплуатации очень важен. Для агрессивных условий рекомендуется марка Еп58 1 (известная также как сталь марки 316), относящаяся к категории аустенитных сталей. Как правило, ее применяют в качестве соединительных стержней в бетонных плитах и деталей крепления, так как они являются важными элементами при ремонте и восстановлении железобетонных конструкции. Когда необходимо совместно применить два металла разного химического состава (что может привести к электролитической реакции с коррозией металла, образующего анод), целесообразно получить квалифицированную консультацию.

2.3.5. Алюминий

При применении неанодированного алюминия в контакте с влажным бетоном его следует покрывать толстым защитным слоем битумной краски или другим материалом, который не разрушается под действием едких щелочей цемента. Анодирование увеличивает долговечность и сопротивление коррозии, улучшает внешний вид алюминия. Процесс анодирования кратко рассмотрен в главе 1.

Как правило, алюминий обладает анодными свойствами по отношению к стали, но это не относится к некоторым сплавам алюминия, которые могут служить катодом. Поэтому в случае непосредственного контакта между сталью и алюминием нужно принимать меры предосторожности.

2.3.6. Медь

Медь обладает высокой способностью сопротивления агрессии и является очень долговечным материалом для большинства строительных конструкций. При отсутствии хлоридов она не корродирует под действием бетона на портландцементе. Как правило, медь обнаруживает катодные свойства по отношению к стали. Во избежание коррозии стальной арматуры необходимо следить за тем, чтобы эти два металла не находились в не посредственном контакте.

Источник