Materiale rezistente la coroziune

CURSUL 1

5.1. BETOANE

Protecţia pe care betonul o exercită împotriva coroziunii este un vechi deziderat şi, paralel cu extinderea construcţiilor de beton, s-au folosit numeroase metode pentru rezolvarea acestei probleme. Astfel de metode sunt:

- alegerea corespunzătoare a compoziţiei betonului (ciment şi agregate corespunzătoare, granulometrie adecvată, utilizarea adaosurilor de compactizare şi de plastifiere);

- tratamente speciale;

- acoperiri protectoare etc.

5.1.1. Betoane cu ciment portland

În cadrul metodelor de tratare superficială, un mare interes a stârnit procedeul aplicat de Fabrica olandeză OCRIET pentru întâia oară în anul 1952, denumit “ocratarea” betonului. Aceasta constă în supunerea betonului întărit unui tratament chimic special. Procedeul constă în esenţă în tratarea betonului întărit, cu tetraflorură de siliciu (SiF4) gazoasă, la o presiune de circa 4 atmosfere. Drept rezultat calitatea betonului se ameliorează considerabil. Suprafaţa tratată se acoperă cu un strat compact gros de 4... 5 mm, care rezistă bine la acizi şi la alte substanţe agresive. Totodată şI rezistenţa betonului creşte în mare măsură. Acest procedeu se aplică în prezent în numeroase ţări.

La tratamentul superficial are loc în principiu următoarea reacţie:

2Ca(OH)2 + SiF4 = 2 CaF2 + Si(OH)4 (5.1)

În cursul acestei reacţii, hidroxidul de calciu care se formează în urma hidratării cimentului portland şi care este solubil în apă, dar mai ales în soluţii acide, se transformă în florură de calciu insolubilă. Totodată hidroxidul de siliciu format se depune în porii betonului sub formă de gel ca acid silicic.

Elementele de beton se aşază, după timpul de priză prevăzut, în autoclave speciale, în care se introduce, din rezervoare separate, SiF4 gazoasă, după ce, în prealabil, s-a creat o depresiune în autoclavă.

SiF4 este un gaz incolor de 3,7 ori mai greu decât aerul şi toxic.

Gazul produs în generator este absorbit, iniţial rapid, apoi din ce în ce mai lent de beton. Tratamentul durează 4 ... 6 h. Un dispozitiv de semnalizare indică procentele în volum de gaz rămas în cazan la sfârşitul timpului de reacţie.

Variind presiunea şi timpul de reacţie, se poate regla grosimea stratului de protecţie obţinut. Hidraţii acidului silicic care se pun în libertate în cursul reacţiei, se depun în capilarele betonului, etanşează betonul, împiedicând astfel influenţa soluţiilor agresive, şi mărind rezistenţa mecanică abetonului. Betonul ocratat în mod corespunzător rezistă nu numai efectelor agresive naturale, ci devine neutru chiar faţă de acţiunea directă a acizilor.

Reglarea profunzimii de pătrundere a gazului permite acomodarea la condiţiile practice. Prin tratarea cu gaz zona de protecţie poate fi obţinută la grosimea dorită. În cazul plăcilor şI al tuburilor mai subţiri, se aplică şi tratamentul pe toată grosimea. Crearea unui strat de protecţie uniform este cu atât mai simplă la beton, cu cât structura lui este mai omogenă. Dacă piesele de beton, ocratate la suprafaţă, se sparg ş se scufundă în soluţie de acid clorhidric 1:3, se constată că mijlocul netratat al probei se dizolvă, în timp ce stratul exterior tratat rămânând neatacat.

În general agregatele betonulu nu reacţionează cu tetraflorură de siliciu, ci numai matricea liantă pe bază de ciment portland.

Tratarea cu gaze a pieselor de beton este mai indicat să se aplice atunci când cea mai mare parte a procesului dedezvoltare a rezistenţei mecanice a betoanelor a avut loc, adică în general între 2 ... 3 săptămâni de la prepararea amestecului proaspăt.

Ocratarea nu atacă armătura metalică a betonului. Experienţele au arătat însă că fier-betonul din betoanele armate rămâne complet neschimbat chiar dacă după un contact îndelungat cu acidul clorhidric şi acidul lactic. Armătura metalică s-a înconjurat cu un strat tare, asemănător cu porţelanul, care a împiedicat coroziunea oţelului.

Realitatea a demonstrat o creştere a rezistenţei mecanice de la 190 % la 469 %, funcţie de grosimea pieselor de beton tratate cu tetraflorură de siliciu.

Diferenţele în creştere a rezistenţei mecanice se explică prin aceea că în timp ce piesele subţiri de beton sunt pătrunse de tetraflorura de siliciu gazoasă, în toată profunzimea lor, la cele mai groase se întăreşte numai stratul exterior.

Efectul ocratării asupra rezistenţei mecanice se flă în corelaţie cu gradul de uscare sau vârsta betonului, tabelele 5.1. şi 5.2.

Tabelul 5.1

Efectul ocratării asupra rezistenţei mecanice a betonului

Durata urcării, h Rezistenţa, daN/cm2

la încovoiere la compresiune la încovoiere la compresiune

Netratate Tratat

1 46 239 70 472

2 44 265 68 421

3 45 229 65 444

4 51 258 72 375

5 36 267 48 323

În acest scop s-au efectuat experimentări pe cuburi cu latura de 3 ...5 cm şi pe prisme cu dimensiunile de 4 x 4 x 16 cm. Epruvetele au fost încercate la diverse grade de uscare şi, în cazul mortarului, la vârste diferite - tabelul 5.2.

Tabelul 5.2.

Efectul ocratării asupra rezistenţei mecanice a epruvetelor

confecţionate dintr-un mortar de ciment-nisip 1:3,5

Vârsta epruvetei,

zile

Durata uscării,

h

Rezistenţa mecanică, daN/cm2

la încovoiere la compresi-une la încovo-iere la compresi-une

Netratate Tratat

3 2 32 103 75 227

3 3 32 103 95 284

3 5 31 100 101 294

3 10 35 111 65 203

7 3 35 126 92 272

7 3 33 105 99 316

7 5 33 103 60 184

7 10 37 118 49 151

28 1 36 154 52 207

28 2 33 147 82 419

28 3 30 149 81 345

De asemenea, masa volumică a betonului ocratat a crescut de la 2,08 ... 2,19 t/m3 cât avea betonul netratat, la 2,16 ... 2,33 t/m3, după ocratare.

Depunerea gelului de acid silicic format în cursul reacţiei menţionate mai sus, are ca efect reducerea volumului porilor. Scăderea de porozitate reprezintă în medie 2,7%. Drept consecinţă, creşte compactitatea betonului şi scade cantitatea de apă absorbită. În cazul tuburilor din beton, ocratarea a determinat scăderea cantităţii de apă la 1/22 din cantitatea absorbită de proba mator. Cresc de asemenea şi durabilitatea superficială şI rezistenţa la uzură a betonului tratat cu SiF4.

Experienţele au arătat că pierderile prin uzură reprezintă numai 35 ... 65% din pierderile apărute la betonul netratat.

Ocratarea influenţează, de asemenea, şi aderenţa la fier-beton, care a crescut la 27%

O mare importanţă are rezistenţa mărită a betonului ocratat faţă de agenţii agresivi. Astfel piesele tratate cu SiF4 şi păstrate un an într-o soluţie de sulfat de sodiu cu concentraţie de 25 g/l SO3, au prezentat o rezistenţă la compresiune de 605 daN/cm2. Datorită acestei proprietăţi favorabile, betonul ocratat poate fi utilizat în mod avantajos la construcţiile expuse gazelor de ardere, la canalizări, la construirea pilonilor maritimi şi a digurilor, la construcţiile miniere în ape freatice agresive, la tuneluri, la uzine chmice etc.

Primele experienţe au fost făcute cu elemente de beton prefabricate, dar s-au pus la punct metode şi pentru aplicarea, în cazul construcţiilor de beton armat, la faţa locului. Avantajul acestui procedeu constă în aceea că se ameliorează caracteristicile chimice şi fizice ale mortarului care umple rosturile.

La aprecierea economicităţii betonului ocratat trebuie luată în considerare şi reducerea dimensiunilor, care devine posibiliă în urma creşterii rezistenţei mecanice, precum şi posibilitatea omiterii învelişului protector separat care, altminteri, ar fi necesar. Adâncimea de pătrundere a gazului poate fi reglată conform scopului urmărit, aşa că nu este necesară tratarea cu SiF4 a întregii piese de beton. Deci la examinarea economicităţii, criteriul decisiv este nu volumul, ci mărimea suprafeţei care trebuie tratată. De aici rezultă că tratarea cu SiF4 influenţează considerabil costul construcţiilor cu pereţi subţiri, dar influenţează într-o măsură neînsemnată costul construcţiilor mai groase.

Datele arată că tratarea cu gaz are ca efect o creştere considerabilă a rezistenţei mecanice, care la piesele cu dimensiuni reduse, în cazul unei îmbinări complete, poate să atingă o valoare mai mare decât cea iniţială. Îmbinarea este mai puţin eficace atunci când epruvetele nu sunt suficient de uscate, sau când grosimea lor este prea mare. În acest caz, precum şi la epruvetele vechi, creşterea rezistenţei nu depăşeşte 10-50%. Creşterea presiunii gazului de tratament (SiF4) de la 0,03 atm. la 2,0 - 4,0 atm măreşte eficacitatea tratamentului. Gradul de uscare a epruvetelor este hotărâtor pentru eficacitatea tratării cu SiF4. Tratarea epruvetelor umede duce la diminuarea rezistenţei mecanice. Nici tratarea probelor uscate în exces nu a dat rezultate, căci, betonul uscat nu reacţionează cu tetraclorura de siliciu. Astfel că umiditatea optimă pentru beton, respectiv pentru mortarul de ciment-nisip a fost de 1,5 - 8%.

Ocratarea a dat rezultate şi în cazul betoanelor uşoare (beton de zgură, beton din cenuşa de cărbune, gazobeton). S-a stabilit că grosimea stratului protector depinde de durata tratamentului, de presiunea aplicată şi de compactitatea betonului. Crusta care se formează sub acţiunea SiF4 este nu numai antiacidă, ci prezintă o etanşeitate faţă de apă şi o rezistenţă la uzură considerabil mărită. Cercetările privind rezistenţa arată că rezistenţa la uzură a plăcilor de mozaic ocratate este de 57% mai mare decât a plăcilor mozaic de beton netratat. Prin ocratare creşte rezistenţa la coroziune a betonului. În cursul acestor experienţe, pentru testare epruvetele din beton au fost expuse la acţiunea unor soluţii de sulfaţi de amoniac, de acizi etc.