Лабораторна робота 1

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До вивчення курсу

„Корозія і захист будівельних матеріалів та конструкцій”

(для студентів 5 курсу всіх форм навчання

спец. 7.092101 „Промислове і цивільне будівництво”,

7.092103 „Міське будівництво та господарство”)

ХАРКІВ-ХНАМГ-2006

Методичні вказівки до вивчення курсу „Корозія і захист будівельних матеріалів та конструкцій” (для студентів 5 курсу всіх форм навчання спец. 7.092101 „Промислове і цивільне будівництво”, 7.092103 „Міське будівництво та господарство”). Укл. Кондращенко О.В., Юшко В.А. – Харків: ХНАМГ, 2006. – 35 с.

Рецензент: д.т.н., проф. Г.М. Шабанова (НТУ”ХПІ”)

Рекомендовано кафедрою ТБВ та БМ протокол № 1 від 31.08.2005 р.

ВСТУП

Термін „ корозія ” означає процес, який шляхом фізико-хімічних реакцій між матеріалом та довкіллям призводить до зміни властивостей матеріалу. Інколи цей процес може бути корисним, наприклад, при утилізації відходів та їх переробці. Але частіше корозія приносить шкоду матеріалам, забруднює навколишнє середовище продуктами корозії, знижує надійність конструкцій, призводить до порушення функцій різних виробничих та технологічних систем, що відбивається на життєзабезпеченні суспільства. Оцінка витрат, пов’язаних з корозією складається з витрат на захист матеріалів та конструкцій, на заміну пошкоджених частин, збитків від аварій та зупинки виробничих процесів, а іноді і нещасних випадків.

Враховуючи соціальне значення корозії, важливо, щоб кожний фахівець будівельних спеціальностей був обізнаний з питаннями, які виникають через корозію, міг швидко і кваліфіковано дати оцінку пошкодженню і за допомогою нормативної документації дати рекомендації щодо захисту матеріалів або конструкцій в даному агресивному середовищі.

Метою цих методичних вказівок є навчання студентів вмінню грамотно оцінювати агресивність різних агресивних середовищ за їх властивостями і вибирати способи захисту за нормативними документами.

При вивченні дисципліни „Корозія і захист будівельних матеріалів та конструкцій” велика увага приділяється системному підходу і самостійній роботі студентів. Для цього в даних вказівках наведене приклади задач для визначення цілого ряду показників корозії, схеми приладів для визначення практичних характеристик корозійних процесів, даються теми для самостійної роботи студентів і список необхідної літератури.

І. КОРОЗІЯ НЕОРГАНІЧНИХ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

Забезпечення довговічності й корозійної стійкості будівельних матеріалів закладається ще на стадії їх виготовлення. Всі засоби, що використовуються для цього: підбір складу, вибір додатків, визначення форми й розмірів виробів або конструкцій відносяться до первинних заходів захисту. Захист також залежить від умов експлуатації матеріалу, бо треба враховувати всі фактори, які мають зовнішній вплив. Зовнішні фактори поділяються на фізичні, хімічні, біологічні, електрохімічні тощо. Так найбільш поширеним є вплив такого фізичного фактору, як вилуговування (корозія першого виду за класифікацією В.М. Москвіна). Кількісна оцінка цього виду корозії на бетон та конструкції з нього може виконуватися за допомогою розрахунків швидкості процесу розчинення вапна та допустимого коефіцієнта фільтрації води. Розрахунки базуються на такій залежності:

τ = , (1)

де τ – час впливу води до критичної межі вмісту вапна, роки;

qCaO – кількість розчиненого вапна, г/см3;

Vоб – кількість води, що фільтрує за одиницю часу (об’ємна швидкість води), см3/(см3×с);

ССаО – середня концентрація вапна у воді протягом експлуатації конструкції, г/см3.

Значення qCaO встановлюють на підставі даних про склад бетону та припустимому відсотку вилуговування К, який можна прийняти за 10 %:

qCaO = К×Ц×a, (2)

де Ц – вміст цементу в бетоні, г/см3;

a - вміст вапна в цементі (визначають в частках, наприклад, для портландцементу - 0,65).

Об’єм води, що фільтрує, дорівнює: Vоб = DН×Кср,

де DН = Н/h – градієнт напору води;

Кср = гранично допустимий коефіцієнт фільтрації бетону.

Завдання 1. Визначити довговічність бетонної конструкції, яка зазнає руйнівної дії корозії першого виду при наступних даних, наведених в табл. 1:

Таблиця 1 - Вихідні дані для визначення довговічності

Показники Значення показників
Вміст цементу, г/см3 0,3
Відсоток вилуговування К, %  
Вміст вапна в цементі 0,65
Об’ємна швидкість води, см3/(см3×с) 2,57×10-9
Градієнт напору води  
Середня концентрація вапна, г/см3 0,0012

Послідовність розрахунків:

1. Оцінити допустиму кількість розчиненого вапна qCaO.

2. Визначити час надійної роботи бетонної конструкції τ.

Завдання 2. Визначити гранично допустимий коефіцієнт фільтрації портландцементного бетону Кф для конструкції, яка експлуатується протягом часу τ при ССаО = 1,2 г/л та a = 0,65. Вихідні дані наведені в табл. 2. Розрахунки вести за формулою: Кф = .

Таблиця 2-Вихідні дані для визначення Кф

№ п/п τ, роки К, % Ц, г/см3 Н/h
    0,1 0,28 5/0,25
    0,1 0,32 6/0,25
    0,1 0,36 7/0,25
    0,1 0,40 8/0,25
    0,1 0,44 9/0,25
    0,13 0,28 10/0,25
    0,13 0,32 11/0,25
    0,13 0,36 12/0,25
    0,13 0,40 13/0,25
    0,13 0,44 14/0,25

ІІ. КОРОЗІЯ У ГАЗОПОВІТРЯНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Звичайне повітряне середовище є неагресивним по відношенню до щільного бетонного каменя, але для залізобетону вже треба враховувати температурно-вологісні умови експлуатації. Агресивність газового середовища підвищується у приміщеннях, на території промислових підприємств, де в технологічних процесах можуть мати місце різні види газів, або в прибережних районах, в яких у повітрі присутні аерозолі солей морської води. В атмосфері підземних споруд теж можливий підвищений вміст газів різної концентрації, що викликає корозійні процеси в будівельних матеріалах, які там розташовані. Щоб оцінити ступінь агресивності газоповітряного середовища, треба зробити хімічний аналіз повітря, встановити види газів та їх концентрацію і встановити групу агресивності (відповідно до СНіП 2.03.11-85) за табл. 3.

Таблиця 3 – Групи агресивності газів залежно від їх виду та концентрації

Найменування газу Концентрація, мг/м3
А В С D
Вуглекислий газ до 2000 > 2000 - -
Аміак до 0,2 > 0,2 до 20 > 20 -
Сірчаний ангідрид до 0,5 > 0,5 до 10 > 10 до 200 > 200 до 1000
Фтористий водень до 0,05 > 0,05 до 5 > 5 до 10 > 10 до 100
Сірководень до 0,01 > 0,01 до 5 > 5 до 100 > 100
Оксид азоту до 0,1 > 0,1 до 5 > 5 до 25 > 25 до 100
Хлор до 0,1 > 0,1 до 1 > 1 до 5 > 5 до 10
Хлористий водень до 0,05 > 0,05 до 5 > 5 до 10 > 10 до 100

Примітки до табл. 3:

1. Коли концентрація газу перевищує межі, вказані у графі D, використання матеріалів для виготовлення конструкцій слід визначати відповідно до експериментальних даних.

2. При наявності у середовищі декількох газів до уваги беруть найбільш агресивну групу (від А до D).

Крім цього для газоповітряного середовища треба враховувати температурно-вологісний режим приміщень, який наведено в табл. 4.

Таблиця 4 – Температурно-вологісні режими приміщень

Режим Відносна вологість повітря, %, при температурі, оС
до 12 понад 12 до 24 понад 24
Сухий до 60 до 50 до 40
Нормальний понад 60 до 75 понад 50 до 60 понад 40 до 50
Вологий понад 75 понад 60 до 75 понад 50 до 60
Мокрий - понад 75 понад 60

Агресивність зовнішнього повітря оцінюють з урахуванням ще середньорічної температури даної місцевості (tc oC) і середньої температури найбільш холодної п’ятиденки (tх oC). Для різних регіонів України ці дані наведені в табл. 5.

Таблиця 5 – Показники середньорічної температури tc та середньої температури найбільш холодної п’ятиденки tх для деяких міст України

Місто tc oC tх oC Місто tc oC tх oC
Київ 7,2 - 25 Донецьк 7,5 - 25
Харків 6,9 - 22 Одеса 9,8 - 21
Ялта   - 7 Вінниця 6,7 - 25
Суми   - 27 Полтава   - 26
Львів 6,7 - 20 Ужгород 9,6 - 20
Херсон 9,8 -23 Чернігів 6,5 -26

Завдання 3. Визначити вологісний режим приміщення при показниках повітря, наведених у табл. 6.

Таблиця 6 - Показники повітря

Показник Значення
Температура, оС          
Відносна вологість повітря, %          

Завдання 4. Визначити ступінь агресивності газоповітряного середовища на бетонні, залізобетонні, металеві конструкції та конструкції з силікатної та керамічної цегли, використовуючи СНіП 2.03.11-85, за даними, наведеними у табл. 7.

Таблиця 7 – Експериментальні значення

Показники повітря Експериментальні значення
         
Температура, оС          
Відносна вологість повітря, %          
Хімічний склад повітря, мг/м3:  
вуглекислий газ     -    
аміак 0,1 - 0,1 - 0,1
сірчаний ангідрид -     -  
сірководень - - 2,5 -  
молекулярний хлор -   -    

ІІІ. КОРОЗІЯ У РІДКОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Оцінка ступеня агресивності води або іншого рідкого середовища залежить від хімічного складу рідини і умов, при яких відбувається взаємодія середовища та матеріалу (швидкість руху потоку, температура, тиск тощо). Агресивність води поділяється на три категорії за європейськими нормами, що наведено в табл. 8.

Таблиця 8 - Ступені агресивності води

Вид іона і рН Хімічна агресивність, мг/л
Слабка Середня Сильна
SO32- 200-600 600-3000 3000-6000
CO2 15-40 40-100 > 100
NH4+ 15-30 30-60 60-100
Mg2+ 300-1000 1000-3000 > 3000
pH 6,5-5,5 5,5-4,5 4,5-5,0

Завдання 5. Визначити ступінь агресивності води на повністю занурені у воду металеві конструкції, використовуючи СНіП 2.03.11-85, при наступних даних хімічного аналізу води, наведених у табл. 9.

Таблиця 9 - Дані хімічного аналізу води

Показники Величина показника
Водневий показник (рН)   6,5  
Сульфати (SO42-), мг/л      
Хлориди (Cl-), мг/л      

Примітка: Для перерахунку сульфатів на хлориди треба ввести коефіцієнт 0,25.

Завдання 6. Визначити ступінь агресивності ґрунтових вод на залізобетонні блоки фундаменту, що виготовлені на портландцементному бетоні W4, використовуючи СНіП 2.03.11-85. Блоки розташовані в рівні грунтових вод, при наступних показниках грунту та грунтових вод, наведених у табл. 10.

Таблиця 10 - Показники грунту та грунтових вод

Показник Величина показника
           
Коефіцієнт фільтрації грунту (Кф), м/добу 0,15 0,15 0,15 0,05 0,05
Бікарбонатна лужність (НСО3-), мг-екв/л 1,0 1,0 1,0 - -
Водневий показник (рН)   6,6      

Продовження табл. 10

           
Іони магнію (Mg2+), мг/л          
Луги (Na+, K+), мг/л 5,0 2,0 7,5 5,0 2,0
Сумарний вміст солей (за сухим залишком) 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0

Завдання 7. Визначити ступінь агресивності води на залізобетонні стіни ємкісної споруди з бетону W4, що піддаються гідростатичному тиску, використовуючи СНіП 2.03.11-85, при наступних даних аналізу води, наведених у табл. 11.

Таблиця 11 - Дані аналізу води

Показник Величина показника
Бікарбонатна лужність (НСО3-), мг-екв/л 0,5 1,5 0,7 1,2
Жорсткість води, град - -    

ІV. КОРОЗІЯ У ТВЕРДОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Корозійні процеси в твердих середовищах (грунти, хімікати у вигляді гранулятів або порошків) при звичайній температурі без впливу рідкої фази не відбуваються. Агресивність, наприклад, сухих грунтів обумовлена кількістю і складом солей, які вони вміщують, умовами зволоження, кліматом тощо. Агресивність зволожених грунтів залежить від складу розчинних солей та їх концентрації. Відносно сталевих конструкцій корозійна агресивність грунту характеризується також величиною питомого електричного опору грунту і середньої густини катодного струму при зміщенні потенціалу на 100 мВ в більш негативний бік в порівнянні з потенціалом корозії сталі. Ступені агресивності грунту визначають за результатами лабораторних чи польових вимірювань. Дані таких вимірювань наведено в табл. 12.

Таблиця 12 – Ступені агресивності грунтів

Вид агресивності грунту Питомий електричний опір грунту Ом×м Середня густина катодного струму, А/м2
Низька понад 50 до 0,05
Середня 20-50 0,05-0,20
Висока до 20 понад 0,20

Корозійна небезпека порошкоподібних матеріалів визначається зволоженням внаслідок конденсації вологи повітря, а це залежить від капілярної конденсації та гігроскопічності порошку.

Завдання 8. Визначити ступінь агресивності грунту на розташовані в ньому елементи фундаментів з бетону та залізобетону, виготовлені на портландському цементі з маркою за водонепроникністю W4, використовуючи СНіП 2.03.11-85, при наступних даних аналізу грунту, наведених у табл. 13.

Таблиця 13 - Дані аналізу грунту

Показник Величина показника
Зона вологості нормальна нормальна волога
Вміст хлоридів, мг/кг      
Вміст сульфатів, мг/кг      

Завдання 9. Визначити ступінь агресивності грунту (вище рівня ґрунтових вод) на розташовані в ньому сталеві конструкції при наступних даних аналізу грунту, наведених у табл. 14.

Таблиця 14 - Дані аналізу грунту

Показник Величина показника
Зона вологості нормальна нормальна волога
Питомий електричний опір, Ом×м      
Середня густина струму, А/м2 0,06 0,04 0,15

Завдання 10. Визначити ступінь агресивності пилу на залізобетонні й металеві ферми і на огорожувальні конструкції з силікатної та керамічної цегли заводського корпусу при наступних даних аналізу хімічного складу пилу та температурно-вологісного режиму повітря, наведених у табл. 15.

Таблиця 15 - Дані хімічного аналізу пилу та властивості повітря

Показник Величина показника
Температура, оС          
Відносна вологість, %          
Вид солі в пилу СаСО3 Na2CO3 Na2SO4 CaCl2 NaCl
Рівноважна вологість солі (при 20 оС) - -      
Розчинність солі пилу, г/л 0,01 133,9 168,3 731,9 328,6

V. ХІМІЧНА КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ

Хімічна корозія виникає внаслідок хімічної взаємодії металу з неелектролітами і процес руйнування відбувається за хімічним механізмом без виникнення електричного струму. Такий вид корозії може також виникати при контакті металів з сухими газами. Вірогідність протікання корозійного процесу визначається знаком термодинамічного потенціалу, який може змінюватися. Критерієм в цьому випадку є ізобарно-ізотермічний потенціал Z. Коли DZ < 0, процес є можливим, коли DZ > 0 – процес неможливий, а якщо DZ = 0 - система знаходиться у рівновазі. Для процесу корозії металів при умові, що Р = const і Т = const, використовують наступне рівняння:

DZm = 4,575T×lg + DZo×m, (3)

де РО2 – парціальний тиск кисню, відповідно стану системи, атм;

m – число атомів металу в молекулі оксиду;

n – валентність металу;

DZm = - 4,575 lg Kp - стандартна зміна ізобарно-ізотермічного потенціалу, кал;

Кр – константа хімічної рівноваги.

Як правило, продуктами хімічної корозії металів є захисні плівки, завдяки чому відбувається гальмування корозійного процесу. Але захисну дію мають тільки суцільні плівки з щільною будовою. Суцільність плівки буде забезпечена, якщо об’єм оксиду є більшим ніж об’єм металу, що був використаний на цей процес. Коли ця умова не виконується, плівка не буде вкривати всю поверхню металу, а її будова буде пухкою. Це можна виразити наступним співвідношенням:

< 1, плівка не має суцільності; (4)

> 1, плівка може бути суцільною, (5)

де Vок - об’єм оксиду; Vме - об’єм металу, що був використаний; М – молекулярна вага оксиду; А – атомна вага металу; dок – густина оксиду; dме – густина металу; Х – число атомів металу в молекулі оксиду.

В реальних умовах захисні властивості навіть суцільних плівок можуть зменшитися внаслідок виникнення в них внутрішнього напруження, що призводить до їх руйнування. Наприклад, у плівок Vок/ Vме > 1 захисні властивості відсутні. Граничною величиною, при якій ще зберігаються захисні властивості є Vок/ Vме = 2,5-3,0, а при умові 1 < Vок/ Vме < 2,5-3,0 – плівки мають захисні властивості.

Для визначення величини швидкості корозії існують такі показники корозії:

- ваговий показник –характеризує зміну маси зразка внаслідок корозії за одиницю часу по відношенню до площі поверхні металу;

- об’ємний показник – характеризується об’ємом поглинутого газу за одиницю часу, віднесеного до площі поверхні металу;

- глибинний показник – характеризує зменшення товщини металу внаслідок корозії за одиницю часу.

Ваговий показник корозії роздяляють на негативний і позитивний:

К-ваг = , г/м2×год.; (6)

К+ваг = , г/м2×год., (7)

де До – початкова маса зразка, г; Д1 – маса зразка після видалення продуктів корозії, г; Д2 – маса зразка з продуктами корозії, г; Sо – площа поверхні зразка, м2; τ – час, за який протікав процес корозії, год.

Об’ємний показник корозії визначають за формулою

Коб = , см3/см2·год., (8)

де Vо - об’єм поглинутого газу, приведеного до нормальних умов (Т = 0оС, Р = 760 мм рт. ст.), см3; τ – час, за який протікав процес корозії, год.

Глибинний показник корозії використовують для порівняння металів з різною густиною і розраховують за формулою

П = , мм/рік, (9)

де ρме – густина металу, г/см3.

Для оцінки корозійної стійкості використовують 10-ти бальну шкалу корозійної стійкості, яка наведена в табл. 16.

Таблиця 16 - Шкала корозійної стійкості

№ п/п Група стійкості Швидкість корозії, мм/рік Бали
  Повністю стійкі < 0,001  
  Дуже стійкі > 0,001 до 0,005 > 0,005 до 0,01  
  Стійкі > 0,01 до 0,05 > 0,05 до 0,1  
  Зниженої стійкості > 0,1 до 0,5 > 0,5 до 1,0  
  Малостійкі > 1,0 до 5,0 > 5,0 до 10,0  
  Нестійкі > 10,0  

Величини густини деяких металів наведені в табл. 17.

Таблиця 17 – Густина деяких металів

Метал Густина, г/см3 Метал Густина, г/см3
Магній 1,74 Цинк 7,14
Алюміній 2,7 Залізо 7,87
Хром 7,1 Мідь 8,94

Завдання 11. Встановити корозійну стійкість цинкового зразка площею S при температурі повітря T, коли до випробування зразок важив m1, а після випробування його вага склала m2. Вихідні дані для розрахунків наведені в табл. 18.

Таблиця 18 – Вихідні дані

№ п/п m1, г m2, г So, см2 τ, діб
  42, 2171 42, 2190    
  42, 2165 42, 2180    
  42, 2152 42, 2160    
  42, 2135 42, 2140    
  42, 2131 42, 2125    

Послідовність вирішення завдання:

- визначити позитивний показник корозії;

- визначити негативний показник корозії за формулою

К-ваг = К+ваг× , (10)

де Аме та АО2 – атомні маси відповідно цинку і кисню, г;

- визначити глибинний показник корозії.

Завдання 12. Визначити об’ємний показник корозії і оцінити корозійну стійкість міді в повітряному середовищі при температурі 700 оС. Мідний зразок з площею поверхні LxL см2 після τ годин окислення при 700 оС поглинув об’єм кисню V см3 при нормальних умовах (Т = 0 оС; Р = 760 мм рт. ст.). Вихідні дані для розрахунків наведені в табл. 19.

Таблиця 19 – Вихідні дані

№ п/п Об’єм кисню, см3 Розміри зразка, см Час, год.
  14,1 5 х 5 1,5
  14,5 5 х 5 1,5
  14,7 5 х 5 2,0
  14,9 5 х 6 2,0
  15,3 6 х 6 2,5
  15,7 6 х 7 2,5
  15,9 7 х 7 3.0
  15,4 6 х 8 3,0
  16,5 6 х 9 3,5
  16,8 7 х 8 3.5

Послідовність вирішення завдання:

- знайти об’ємний показник корозії;

- розрахувати позитивний показник корозії:

К+ваг = Коб × 1000; (11)

- визначити негативний показник корозії за формулою (8);

- визначити глибинний показник корозії;

- зробити висновок щодо корозійної стійкості металу.

VІ. ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОРОЗІЯ

При електрохімічній корозії відбувається руйнування металу з виникненням електричного струму. Цей процес складається з таких процесів:

- анодний процес: Me + mH2O ® Men+× mH2O + ;

- катодний процес: D + ne ® [D × ne].

При електрохімічній корозії має місце процес кисневої деполяризації, який можна описати наступними рівняннями:

H+×H2O + ® H+ + H2O ® ½H2 + H2O Cu2+×mH2O + 2 ® Cu + mH2O O2 + 4 + 2H2O ® 4OH- Cl2 + 2 = 2Cl-.

При електрохімічній корозії на катоді відбувається той процес, потенціал якого має більш позитивне значення.

Швидкість електрохімічної корозії оцінюють струмовим показником корозії, який показує анодну густину струму:

і = К-ваг· , (12)

де і – струмовий показник корозії, А/см2;

К-ваг – негативний ваговий показник корозії, г/м2 ·год.;

n – валентність іону металу;

А – атомна маса металу, г.

Лабораторна робота 1

Моделювання хімічної корозії деяких видів будівельних матеріалів

Одним з найпоширеніших видів хімічної корозії будівельних матеріалів є їх загальнокислотна корозія, що виникає при впливі на матеріали різних видів кислот як неорганічного, так і органічного походження. Швидкість цього виду корозії знаходиться в межах від 0,001 до 10 мм/рік. Критерієм оцінки нанесеного збитку є ваговий показник корозії, що визначається за формулою (6).

Для випробування вибрані зразки з гіпсу, портландцементу, мармуру, крейди, силікатної та керамічної цегли. Перед випробуванням всі зразки треба зважити і записати результати у табл. 24. Потім зразки занурюють у 20 % розчині сірчаної і соляної кислот і витримують протягом 20 хв. Після цього їх виймають, промивають чистою водою, сушать до постійної маси і зважують вдруге. Всі дані заносять до табл. 20.

Таблиця 20 – Експериментальні дані з оцінки хімічної корозії

№ п/п Вид матеріалу До, г Sо, м Д1, г Вид кислоти Кваг-
  Гіпсовий камінь          
  Цементний камінь          
  Мармур          
  Крейда          
  Силікатна цегла          
  Керамічна цегла          

Після розрахунків зробити висновок щодо кислотостійкості будівельних матеріалів, які випробовувались.

Контрольні запитання до лабораторної роботи 1:

1. Назвати будівельні об’єкти, де переважає вплив загальнокислотної корозії.

2. У чому полягає механізм руйнування матеріалу під дією кислот?

3. Навести приклади первинного захисту будівельних матеріалів від загальнокислотної корозії.

4. Навести приклади вторинного захисту будівельних матеріалів від загальнокислотної корозії.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: