POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Inżynierii Lądowej

S P R A W O Z D A N I E Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z PRZEDMIOTU: CHEMIA BUDOWLANA

Imię i Nazwisko		Data wykonania ćwiczenia:	18.12.2004
		Nr ćwiczenia:	13.1
		Temat ćwiczenia:
Rok studiów:	I
Semestr:	I	Badanie przebiegu korozji kwasowej betonu
Grupa:	6	cementowego.
Zespół:	5
Data:		Ocena:

Uwagi prowadzącego ćwiczenie:

SPRAWOZDANIE Z PRZEPROWADZENIA ĆWICZENIA NR 13.1

1. TEMAT ĆWICZENIA

Badanie przebiegu korozji kwasowej i węglanowej betonu cementowego

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest porównanie skutków oddziaływania na beton cementowy różnych kwasów, a także ocena wpływu stężenia kwasu na intensywność korozji.

Ponadto celem ćwiczenia jest obserwacji przebiegu korozji węglanowej betonu cementowego.

3. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA

Korozja materiału budowlanego są to samorzutne procesy niszczące zachodzące w materiale, prowadzące do pogorszenia jego cech użytkowych, aż do jego całkowitego zniszczenia.

Przyczyną korozji może być wpływ czynników zewnętrznych lub procesy zachodzące w materiale lub procesy zachodzące wewnątrz materiału (korozja wewnętrzna).

W praktyce najczęściej występuje kilka czynników korozyjnych, których działanie wzmacnia proces korozji.

Ogólnie korozje materiałów budowlanych możemy podzielić na:

• korozja betonu

• korozja metali

• korozja żelbetowa

• korozja innych materiałów

Przedmiotem ćwiczenia 13.1 będzie korozja betonu.

3.1. Korozja betonu

3.1.1Korozja fizyczna

Korozja fizyczna spowodowana jest:

- działaniem sił zewnętrznych i związanymi z nimi odkształceniami materiału;

- niewłaściwą temperaturą użytkowania, a głównie jej gwałtowne zmiany;

- działaniem wody (wilgoci), powodującym wymywanie składników oraz destrukcję mrozową materiału przy zamarzaniu i rozmarzaniu;

- zmiennym zawilgoceniem materiału (cykliczne pęcznienie i skurcz);

3.1.2 Korozja biologiczna

Korozja biologiczna jest spowodowana działaniem organizmów żywych: mikroorganizmów, grzybów, insektów lub gryzoni.

3.1.3 Korozja chemiczna

Korozja chemiczna następuje na skutek reakcji chemicznych, w których substratami są zarówno składniki materiału, jak i składniki środowiska, produktami zaś związki obniżające trwałość materiału. Są to związki rozpuszczalne, wypłukiwane z materiału lub powiększające swoją objętość i niszczące strukturę wewnętrzną tworzywa.

Podstawowy podział korozji chemicznej betonu:

1. Korozja spowodowana czynnikami wewnętrznymi

Jest to szczególny rodzaj korozji chemicznej, jest to korozja wewnętrzna zachodząca w warunkach zawilgocenia. Przebiega ona wtedy, gdy pomiędzy źle dobranymi składnikami betonu zachodzą reakcje prowadzące do pogorszenia jego właściwości.

Przykładem mogą być reakcje alkaliów zawartych w cemencie z kruszywami reaktywnymi, np. niektórymi kruszywami krzemianowymi i węglanowymi. Składniki koloidalne lub słabo skrystalizowane kruszyw krzemianowych reagują z wodorotlenkiem sodowym lub potasowym:

SiO2 + NaO2 + nH2O Na2O+SiO3 ^. H2O

Powstający krzemian łatwo chłonie wodę, pęcznieje, a następnie w postaci żelu wycieka z betonu, powstałe naprężenia prowadzą do niszczenia betonu.

2. Korozja ługowania

Polega na rozpuszczeniu i wymywaniu z betonu rozpuszczalnych składników, przede wszystkim wodorotlenku wapniowego. Zjawisko to powodują na ogół wody miękkie, pozbawione soli wapniowych i uzupełniające w ten sposób ich niedobór. Szybkość rozpuszczania i wymywania zależy przede wszystkim od szybkości przepływu i ciśnienia wody. Ponadto agresywność wód miękkich zwiększa się w niższych temperaturach ponieważ rozpuszczalność Ca(OH)2 jest wtedy większa i jego ługowanie zachodzi szybciej.

3. Korozja kwasowa

Wszystkie kwasy są szczególnie niebezpieczne dla betonu, zarówno mocne jak i słabe reagują z wodorotlenkiem wapniowym:

Ca(OH)2 + 2H ^+ Ca^2+ + 2H2O

a także z glinianami i krzemianami zawartymi w zaczynie cementowym:

3CaO ^. Al2O3 + 12H ^+ 3Ca ^2+ + 2Al ^3+ + 6H2O

3CaO ^. SiO2 + 6H ^+ Ca^2+ + H2 SiO3 + 2H2O H2O + SiO2

W wyniku tych reakcji powstają łatwo rozpuszczalne związki, np. chlorki, które ulegają następnie wyługowaniu z betonu. Proces ten powoduje stopniowe zwiększanie porowatości betonu i obniżanie jego wytrzymałości. Kwasy reagują również z węglanem wapniowym, powstającym w wyniku karbonatyzacji betonu lub stanowiącym składnik kruszyw węglanowych:

CaCO3 + 2H ^+ Ca^2+ + H2O + CO2

4. Korozja węglanowa

Korozję węglanową betonu powodują wody zawierające większe ilości wolnego dwutlenku węgla . Przebiega ona dwuetapowo:

początkowo powstaje węglan wapniowy:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

który przechodzi w łatwo rozpuszczalny wodorowęglan:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3 )2

Korozja węglanowa może być zaliczona do korozji kwasowej, ponieważ dwutlenek węgla jest bezwodnikiem kwasowym.

5. Korozja magnezowa i amonowa

Wodorotlenek wapniowy jest zdolny do wymiany jonowej. W wyniku tych reakcji jony wapniowe zastępowane są przez inne jony

Ca(OH)2 + MgCl2 CaCl2 + Mg(OH)2

Ca(OH)2 + 2NH4Cl CaCl2 + 2NH4OH 2NH3 + 2H2O

Magnez zastępuje wapń w strukturze betonu tworząc wodorotlenek, który ma luźniejszą strukturę. Źródłem jonów magnezowych są wody morskie, lub substancje stosowane od odladzania nawierzchni dróg.

Reakcja z solami amonowymi powoduje powstawanie związków rozpuszczalnych z wydzielaniem się amoniaku, które zwiększa porowatość betonu.

6. Korozja siarczanowa

Jony siarczanowe reagują ze składnikami stwardniałego zaczynu cementowego, tworząc związki, które krystalizują z przyłączeniem wody, zwiększając przy tym znacznie swoją objętość. Początkowo wodorotlenek wapniowy przechodzi w uwodniony siarczan wapniowy:

Ca(OH)2 ^. SO4 ^2- + 2H2O ^+ CaSO4 ^.2H2O + 2OH ^-

Następnie powstaje siarczanoglinian trójwapniowy - (etryngit lub sól Candalota):

3CaO ^.Al2O3 ^.3CaSO4 ^.2H2O ^.26H2O 3CaO ^.Al2O3 ^.3CaSO4 ^.32H2O

lub monosiarczaglinian

3CaO ^.Al2O3 ^. CaSO4 ^.2H2O ^.10H2O 3CaO ^.Al2O3 ^. CaSO4 ^.12H2O

W początkowym stadium następuje uszczelnienie betonu wskutek stopniowego wypełnienia kapilar i porów w betonie, towarzyszy temu zwiększenie wytrzymałości. Jednak przy dalszym wzroście kryształów powstają duże naprężenia wewnętrzne powodujące rysy i pęknięcia, aż do zniszczenia betonu („rozsadzenie” betonu).

Korozja siarczanowa jest szczególnie niebezpieczna w połączeniu z korozją kwasową, która zachodzi w wyniku kwaśnych deszczy.

4. OPIS STANOWISKA

Ćwiczenie przeprowadza się na stole laboratoryjnym.

Sprzęt potrzebny do wykonania ćwiczenia:

• zlewki 250 cm3 (6 szt.);

• kolba stożkowa 300 cm3 (2 szt.);

• wkraplacz;

• rurka szklana

• elektroniczna waga jednoszalkowa (bezodważnikowa);

Stosowane odczynniki i inne materiały:

• próbki betonu (6 szt.);

• lignina;

• C₂H₅COOH 2%, 4% i 6%;

• HCl 2%, 4% i 6%;

• HCl 2m;

• grys wapienny;

• sproszkowany beton.

Ćwiczenie przeprowadza się z zachowaniem ostrożności i przepisów BHP (użycie kwasów) po wcześniejszym założeniu fartucha.

5. PRZEBIEG WYKONYWANYCH CZYNNOŚCI

Ćwiczenie składa się z dwóch części:

1. Część I - Badanie przebiegu korozji kwasowej

1. Po wyjęciu z wody osuszono i zważono sześć próbek betonu cementowego:

Próbka nr 1 - 77,8 g

Próbka nr 2 - 116,6 g

Próbka nr 3 - 62,0 g

Próbka nr 4 - 45,4 g

Próbka nr 5 - 57,6 g

Próbka nr 6 - 67,6 g

2. Poszczególne próbki umieszczono w oznaczonych zlewkach i zalano do poziomu 1 cm powyżej górnej powierzchni próbek j.n.:

Próbka nr 1 - HCl stężenie 2%

Próbka nr 2 - HCl stężenie 4%

Próbka nr 3 - HCl stężenie 6%

Próbka nr 4 - C₂H₅COOH stężenie 2%

Próbka nr 5 - C₂H₅COOH stężenie 4%

Próbka nr 6 - C₂H₅COOH stężenie 6%

3. Po wlaniu do zlewek kwasów zakrywamy zlewki szkiełkami zegarkowymi

4. po 60 minutach wyjęto próbki betonu opłukano, osuszono i zważono:

Próbka nr 1 - 75,6 g

Próbka nr 2 - 113,0 g

Próbka nr 3 - 60,0 g

Próbka nr 4 - 45,2 g

Próbka nr 5 - 57,2 g

Próbka nr 6 - 67,0 g

2. Część II - Badanie przebiegu korozji węglanowej

1. Badanie wykonuje się za pomocą aparatu przedstawionego na rysunku nr 1, składa się on z dwóch kolb stożkowych o pojemności 300 cm3, połączonych z sobą rurką szklaną. Jedna z kolb zaopatrzona jest w naczynko z wkraplaczem.

2. Do kolby stożkowej nr 2 wsypujemy próbkę rozdrobnionego betonu, tak aby grubość warstwy na dnie wynosiła 0,3-0,5 cm i zalewamy wodą destylowaną, poziom cieczy powinien sięgać 2-3 cm ponad powierzchnię próbki

3. Do kolby stożkowej nr 1 wsypujemy rozdrobniony grys wapniowy tak aby grubość warstwy na dnie wynosiła ok. 0,5-0,7 cm.

4. Zamknięto obie kolby i połączono

5. Do naczynka N wlewamy kwas solny HCl 2m i za pomocą wkraplacza dodajemy kwas kroplami .

6. 
   W wyniku reakcji kwasu z węglanem wapniowym CaCO₃ wydziela się CO₂ , który za pomocą rurki dostaje się do kolby z próbką rozdrobnionego betonu, gdzie rozpoczyna się proces korozji węglanowej

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2

7. Początkowo zaobserwowano zmętnienie roztworu w kolbie nr 2 jest to skutek wydzielania się CaCO₃, który powstaje w reakcji wodorotlenku wapnia zawartego w betonie z dwutlenkiem węgla:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

8. Po dodaniu całej zawartości naczynka roztwór w kolbie wyklarował się (stał się przezroczysty). Powstały w wyniku poprzedniej reakcji (zmętnienia roztworu) węglan wapnia przechodzi w łatwo rozpuszczalny wodorowęglan wapnia:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3 )2

i rozpuszcza się w roztworze.




1 - kolba stożkowa 300 cm3

2 - kolba stożkowa 300 cm3

N - naczynko z wkraplaczem

W - wkraplacz

Rs - rurka szklana

6. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZENIA

W trakcie pierwszej części doświadczenia dokonano następujących pomiarów:

Próbka nr	Rodzaj i stężenie kwasu	Masa przed doświadczeniem	Masa po doświadczeniu	Ubytek masy w %
1	HCl stężenie 2%	77,8 g	75,6 g	2,8
2	HCl stężenie 4%	116,6 g	113,0 g	3,0
3	HCl stężenie 6%	62,0 g	60,0 g	3,2
4	C2H5COOH stężenie 2%	45,4 g	45,2 g	0,5
5	C2H5COOH stężenie 4%	57,6 g	57,2 g	0,7
6	C2H5COOH stężenie 6%	67,6 g	67,0 g	0,9

7. WNIOSKI

7.1. Po zakończeniu pierwszej części doświadczenia - badania przebiegu korozji kwasowej i dokonaniu obliczeń stwierdzono, że korozja kwasowa zależy od rodzaju kwasu (mocny-słaby) oraz od stężenia kwasu.

W wyniku działania mocnym kwasem HCl próbka betonu wykazuje większy procentowy ubytek masy niż próbka betonu poddana działaniu słabego kwasu C₂H₅COOH.

Podobnie jest ze stężeniem kwasu, zarówno podczas działania mocnym, jak i słabym kwasem procentowy ubytek masy betonu jest tym większy, im wyższe jest stężenie kwasu.

7.2. Po zakończeniu drugiej części doświadczenia - badania przebiegu korozji węglanowej stwierdzono, że podczas działania dwutlenkiem węgla na próbkę betonu Początkowo zaobserwowano zmętnienie roztworu w kolbie nr 2 jest to skutek wydzielania się CaCO₃, który powstaje w reakcji wodorotlenku wapnia zawartego w betonie z dwutlenkiem węgla:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

Po dodaniu całej zawartości naczynka roztwór w kolbie wyklarował się (stał się przezroczysty). Powstały w wyniku poprzedniej reakcji (zmętnienia roztworu) węglan wapnia przechodzi w łatwo rozpuszczalny wodorowęglan wapnia:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3 )2

i rozpuszcza się w roztworze.

8. LITERATURA

1. Praca zbiorowa pod redakcją Lecha Czarneckiego „ Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej” Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2001

2. L. Czarnecki, T.Broniewski, O.Henning. „Chemia w Budownictwie”.Wydawnictwo ARKADY. Warszawa 1996, s. 236-237

Załącznik:

• notatki z przeprowadzenia doświadczenia w laboratorium

10

---