Коррозия цементного камня
Не так давно в одной из статей мы говорили о таком понятии как тампонажный камень, где определили его основные свойства и характеристики. Также в этой статье мы упомянули об одном из наиболее значимых процессов, который влияет на состояние тампонажного камня в скважине и его способность выполнять свои функции – коррозии.
Коррозия цементного камня — это процесс разрушения материала, образуемого после затвердения тампонажного раствора в скважине. Данное разрушение обусловлено воздействием на тело камня внешних факторов. По типу вызывающих коррозию цементного камня факторов можно выделить два основных ее вида: речь идет о физических и химических коррозиях тампонажного материала. Также существуют такие менее распространенные ее разновидности – биологическая и электрохимическая.
Физическая коррозия цементного камня предполагает в качестве причины своего возникновения наличие какого-либо фактора физического характера. Это могут быть температурные колебания или значительное термическое воздействие, негативное влияние содержащейся в окружающей среде влаги, а также разрушение камня вследствие кристаллизации солей. Все эти эффекты способны нанести значительный урон, особенно – в зонах распространения многолетнемерзных пород, где данный вид коррозийного процесса может привести к смятию обсадной колонны после остановки скважины. Входящая в эту категорию термокоррозия в значительной степени характерна для объектов в виде высокотемпературных скважин, что необходимо учитывать при проведении работ по цементированию.
Химическая коррозия тампонажного камня предполагает его разрушение вследствие воздействия агрессивных химических сред. В окружающей материал воде часто содержится значительное количество растворенных солей, которые создают сложную многокомпонентную среду, а потому при разработке мер защиты ориентируются на преобладающий тип.
Среди менее изученных типов коррозии тампонажного камня необходимо выделить биологическую – то есть процесс разрушения, детерминированный наличием микроорганизмов и бактерий. Их продукты жизнедеятельности также оказывают негативный эффект на состояние цементного камня, постепенно приводя к снижению его способности выполнять свои функции.
Еще один интересный вид коррозии тампонажного камня – электрохимическая. Так называемые блуждающие токи, которые могут использовать в качестве проводника обсадную колонну и само тело камня, способны переносить отдельные ионы, что также обуславливает коррозийный процесс особого типа.
Вымывание компонентов цементного камня
Данный вид коррозии бетона начинается из за процесса вымывания (растворения) компонентов цементного камня. Под воздействием воды на бетон, первым делом начинает растворяться гидроксид кальция, при гидролизе образуется C3S и C2S и его количество постепенно увеличивается и примерно к 3 месяцам становится порядка 10-15%, а растворимость 1.3 г/л. После того как процесс вымывания из цементного камня свободного гидроксида кальция. Когда содержание уменьшится до 1.1 г/л., начнется процесс распада гидросиликатов, далее происходит разложение гидроалюминатов и гидроферритов кальция, все это приводит к увеличению пористости, что означает уменьшение прочности. Данный процесс коррозии бетона значительно ускоряется, когда на него воздействует вода или вода под давлением.
Для того что бы уменьшить процессы коррозии возникающие из за выщелачивания (вымывания), используют цемент с умеренным количеством C3S, и изделия из бетона специально выдерживают достаточно долго на воздухе, для того что бы на поверхности бетона, начал процесс карбонизации, который обеспечивает образование слаборастворимого защитного слоя из CaCO3.
Но самым популярным способом при необходимости побороть выщелачивание гидроксида кальция, является использование плотных бетонов, и добавление в его состав, специальных добавок, обеспечивающих связь Ca (OH) в слаборастворимое соединение — гидросиликат кальция.
Связанные статьи: Плотность керамзита
Второй 2 вид коррозии бетона:
Объединяет все процессы, при воздействии которых, цементный камень образует различные соединения
Когда бетон взаимодействует с различными агрессивными средами, в результате образуются соединения большого размера, чем изначальные соединения бетона, что приводит к образованию внутреннего напряжения в бетоне, с последующим растрескиванием. Этот вид коррозии характерен для сульфатной коррозии. Сульфаты достаточно часто содержатся в воде, и при реакции с гидроксидом кальция образуют гипс. Бетон разрушается из за давления кристаллов гипса (гипсовая коррозия). Такая коррозия происходит из за высокого содержания сульфатов в воде.
Связанные статьи: Бетонные работы в зимнее время
Три вида коррозии цементного камня, их сущность, протекаемые процессы. Методы защиты от коррозии.
Первый вид коррозии
— разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Растворимость Са(ОН)2 невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15°С), но из цементного камня в бетоне под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)2 непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность.
Несколько предохраняет от данного вида коррозии защитная корка из углекислого кальция, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции между гидроксидом кальция и углекислотой воздуха
Са (ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н2О
Второй вид коррозии
— разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты, которые либо легкорастворимы, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность.
К третьему виду коррозии
относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводит к разрушению цементного камня. Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом:
ЗСаО • А12О3 • 6Н2О + 3CaSO4 + 25H2O = ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • 31Н2О
При этом образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень.
Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.
Полимеры. Классификация. Получение. Свойства.
Полимеры – высокомолекулярные соединения, вещества с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.
Существуют разные классификации полимеров.
I. По происхождению полимеры делят на
:
· 4. Природные (биополимеры): полисахариды (крахмал, целлюлоза), белки, нуклеиновые кислоты;
· 5. Искусственные – полученные из природных полимеров путем их химических превращений (целлулоид, волокна: ацетатное, медноамиачное, вискозное).
· 6. Синтетические – полученные из мономеров: каучуки, волокна, пластмассы.
Примечание: Волокна
– высокомолекулярные вещества, имеющие линейное строение и сформированные в виде нитей.
Каучуки
– продукты полимеризации алкадиенов и их производных.
Пластмассы
– высокомолекулярные соединения, в состав которых входят также вещества улучшающие физические свойства полимера:стабилизаторы(повышают стойкость к свету), пластификаторы(улучшают эластичность, морозостойкость, огнестойкость), красители.
II. По составу полимеры подразделяют на:
· Органические;
· 2. Элементорганические (поликарбораны, кремнийорганические);
· 3. Неорганические полимерные (олово, селен, теллур, аморфная сера, черный фосфор, кварц, корунд, алюмосиликаты).
III. По химическому составу
:
· Гомополимеры (макромолекулы содержат одинаковые структурные звенья);
· 2. Гетерополимеры (состоят из разных остатков мономеров). Такие полимеры называют также сополимеры.
IV. По структуре макромолекулы:
1. Линейные (высокоэластичные)
В макромолекулах линейных полимеров структурные звенья последовательно соединены друг с другом в длинные цепи. Цепи изгибаются в различных направлениях или сворачиваются клубком. Именно эта особенность строения придает эластичность полимерам. Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, амилоза (составная часть крахмала) натуральный каучук, а из синтетических – полиэтилен низкого давления, капрон, найлон и многие другие полимеры.
2. Разветвленные
Макромолекулы разветвленных полимеров – это длинные цепи с короткими боковыми ответвлениями. Такое строение имеют, например полиэтилен высокого давления, амилопектин (компонент крахмала).
3. Сетчатые (низкоэластичные)
Макромолекулы сетчатых полимеров представляют собой длинные цепи, связанные (сшитые) поперечными связями. Такая макромолекула имеет три измерения в пространстве. Высокомолекулярными соединениями с пространственной структурой являются: шерсть, фенолформальдегидные полимеры, резина.
V. По пространственному строению:
Определенное чередование элементарных звеньев разной пространственной конфигурации делит полимеры на : стереорегулярные (или изотактические)инестереорегулярные (или атактические).
Общие свойства полимеров (характерные для большинства ВМС).
1. ВМС не имеют определенной температуры плавления, плавятся в широком диапазоне температур, некоторые разлагаются ниже температуры плавления.
2. Не подвергаются перегонке, т. к. разлагаются при нагревании.
3. Не растворяются в воде или растворяются с трудом.
4. Обладают высокой прочностью.
5. Инертны в химических средах, устойчивы к воздействию окружающей среды.
Получение полимеров.
К образованию ВМС приводят три процесса:
1) Реакция полимеризации –
процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономеры) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя полимер. Эта реакция характерна для соединений с кратными связями.
2) Реакция поликонденсации –
процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих 2 или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп, таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т. п. (Капрон, нейлон, фенолформальдегидные смолы).
3) Реакция сополимеризации –
процесс образования полимеров из двух или нескольких разных мономеров. (Получение бутадиенстирольного каучука).
Основные виды полимеров и их применение в строительстве.
Полиизобутилен
обладает высокой эластичностью, по свойствам близок к каучуку, морозостоек, хорошо прилипает ко многим силикатным материалам. Из него изготавливают герметики и мастику, в частности для герметизации стыков между стеновыми панелями.
Поливинилхлорид самый распространенный полимер в строительстве. Прозрачный, жесткий, прочный. Температура размягчения 60-100°С. Плавится при температуре 160-200°С. Изготавливают линолеумы, трубы, отделочные и строительные материалы.
Полистирол – продукт полимеризации газа стирола, прочный, легко окрашивается, используется для изготовления пенопласта.
Поливинилацетат – остаток уксусной кислоты предопределен низкой водостойкостью. Используется для приготовления лаков, красок, мастик.
Полиметилметакрилат (оргстекло) — прозрачный, используется в чистом виде, в виде листов или блоков.
Сополимеры.
Получают совместной полимеризацией нескольких полимеров.
Поликонденсационные полимеры.
Фенол формальдегидный – получают поликонденсацией фенола и формальдегида. Выпускают в виде олигомера. Используют для получения слоистых пластиков, водостойких лаков, клеев.
Карбамидные получаются поликонденсацией мочевины или карбамида и формальдегида. Наиболее дешевые и прочные в отвердевшем состоянии. Недостаток: низкая водостойкость, склоны к быстрому старению. Используют для красок, лаков, слоистых пластиков.
Полиэфирные, получают поликонденсацией спиртов и органических кислот. Из них изготавливают краски, лаки.
Эпоксидные (смола и отвердитель), очень дорогие, используют для ремонта специальных конструкции.
Кремнийорганические полимеры. Имеют в своем составе кроме органической части кремний. Используют для термостойких красок.
⇐ Предыдущая3
Воздействие на цементный камень агрессивных веществ
Данный вид коррозии возникает при воздействии на цементный камень различных агрессивных веществ, соприкасаясь с которыми образуются 2 типа соединений:
- Соли
- Аморфные массы
Образующиеся соли являются легкорастворимыми и растворяются (вымываются) водой. Аморфные массы, практически не обладают ни какими связующими свойствами (кислотная коррозия).
Кислотная коррозия появляется когда воздействует любая из кислот, кроме поликрениевой и кремне-фтористо-водородной кислоты. Эти кислоты, при взаимодействии с гидроксидом кальция, создают легкорастворимые соли CaC12 в том числе, которые постоянно увеличивают свой размер CaSO4-2H2O:
Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н2О Са(ОН)2 + H2SO4 = CaSO4.2H2O
При воздействии таких кислот, начинают разрушаться: гидроалюминаты, гидросиликаты и гидроферриты, создают легкорастворимые соли и другие дополнительные аморфные массы.
Защита от слабых кислотных сред pH =4-6, осуществляется с помощью специального кислотостойкого материала (покрывают пленкой, окрашивают итд). Если кислотные коррозии являются сильными, ph<4, то применяют специальный бетон, который производят на кислотоупорном цементе и таких же кислотоупорных заполнителях, при необходимости используют бетон с полимерными компонентами связующего материала.
Углекислотная коррозия — это тип общекислотной коррозии, возникает под воздействием воды на бетон, которая содержит свободные диоксиды углерода, в качестве слабой угольной кислоты, выше нормы. Такое повышенное содержание агрессивной углекислоты, разрушает ранее образованную карбонатную пленку, из за того что образуется отлично растворимый бикарбонат кальция.
Коррозия бетона при воздействии различных органических и неорганических кислот. Так же очень плохо действует на бетон различные масла, которые в своем составе содержат жирные кислоты (льняное масло, рыбий жир и.т.д). А в свою очередь нефть и все его продукты производства, такие как бензин, масло, керосин и.т.д совершенно не наносят вред бетону, при условии что не содержат остаточных кислот но необходимо знать, что они достаточно легко проникают внутрь бетона.
Связанные статьи: Вес керамзита
