Коррозия железа и других металлов

 

Выше была изложена сущность процессов коррозии бетонов и других ИСК на основе неорганических вяжущих веществ. Теперь следует рассмотреть коррозию металлов, причиняющую огромный урон конструкциям, оборудованию, трубопроводам и другим ме­таллическим объектам.

Процесс коррозии очень сложен и продолжает оставаться не вполне выясненным и гипотетическим. Между тем различают неско­лько видов коррозии металлов, и весьма распространенной среди них является электрохимическая с возможным разделением ее на хи­мическую и электрическую.

Химическая коррозия заключается в потере атомами металла тектронов и переходе атомов в ионы. Из свободного состояния металл в своих поверхностных слоях переходит в химически связанное. Так, например, электроны атома железа переходят к ионам водорода, которых хотя и мало в воде, но все же всегда присутствуют: Fe + 2Н + 2ОН = Н₂ + Fe(OH)₂ с образованием гидрата закиси желе­за. Под воздействием кислорода воздуха или растворенного в воде происходит дальнейшая потеря железом электронов с переходом гидрата закисного железа в гидрооксид Fе(ОН)₃, что адекватно об­разованию ржавчины. Налет ржавчины на железе образует рыхлый слой, и поэтому процесс порчи железа постепенно распространяется на всю толщину металла, полностью разрушает элемент, подверг­шийся коррозии.

В том же направлении происходят реакции и с другими металла­ми. Однако в других металлах (алюминии, цинке, олове и др.) обра­зующаяся оксидная пленка имеет значительно меньшую толщину и, главное, обладает повышенной плотностью (а не рыхлым слоем, как у железа), что защищает металл от дальнейшей коррозии. Именно поэтому одним из видов предохранения железа от коррозии служит покрытие его слоем цинка (оцинкованное железо), или слоем олова (белая жесть), или слоем никеля (никелирование). Среди других средств предохранения железа против химической реакции исполь­зуют способ периодической покраски покрытий масляной краской и другими антикоррозионными веществами.

Следует отметить, что чистое железо корродирует меньше, чем при включении в него примесей, хотя используют специально вводимые «примеси» (добавки), которые предохраняют сталь от корро­зии (нержавеющая сталь).

Наряду с окислительными процессами, характеризующимися от­дачей электронов, возможна также чисто электрическая коррозия. В этом случае перенос электронов происходит в результате образования гальванических микроэлементов. Под влиянием различных факторов — структурной и химической неоднородности поверхно­сти металла, неравномерности распределения деформаций в металле после термической и механической обработки и др. — корродирую­щий металл становится как бы многоэлектродным гальваническим элементом. Электрическая коррозия протекает под действием блуж­дающих токов, что особенно характерно для рельсового пути электрических железных дорог.

Электрохимическая коррозия протекает при совмещениях кор­родирующего железа с другим металлом, например с медью, в рас­творе электролита.

Глава 20

 

Заключительная

 

В заключительной главе обобщены наиболее принципиальные и значимые положения строительного материаловедения, которые пока почти отсутствуют в учебной литературе, но призваны влиять на уровень мировоззрения специалистов (или будущих специали­стов) в этой отрасли. Следует отметить, что все выделяемые в резю­ме положения публиковались автором и ранее в периодической пе­чати и разного рода научных сборниках.

Современное строительное материаловедение как фундамента­льная наука прикладного характера состоит из двух частей — практической и теоретической. Практика в этой науке, подобно большинству наук, всегда имела приоритетное значение и под об­щим названием «Строительные материалы» или «Строительные материалы и изделия» она многократно на высоком научном уров­не [50] излагалась, в основном, в учебниках и учебных пособиях. Теория, призванная систематизировать и обобщать практические данные в объективных закономерностях, в своем историческом развитии непреклонно следовала за практикой, иногда временно опережая ее, но, тем не менее, непрерывно находясь с ней в тесней­шей взаимосвязи. Как показано в этом учебном пособии, тес­нейшая взаимосвязь практики и теории служит спонтанным фак­тором саморазвития науки и формирования мировоззрения о строительном материаловедении как фундаментальной науке при­кладного характера.

Становление строительного материаловедения относится к древнейшему периоду и связано с началом использования обжига глины и глинистых изделий с целью придания им твердого и водо­стойкого состояния. Исторический путь этой фундаментальной науки насчитывает три этапа, весьма неравных по своей продол­жительности. Они описаны в первой главе книги, но ввиду прин­ципиальной значимости, как всякой истории, изложены еще и в отдельной брошюре [12]. Исторический процесс составляет важ­нейший элемент изучения этой фундаментальной науки.

Многочисленные природные и искусственные строительные ма­териалы в этой науке объединены с помощью единой классифика­ции. В ней каждый материал и все вместе проходят постадийное во времени формирование. Кроме традиционных, в нее внесены пока отсутствующие в номенклатуре. Открытие новых или моди­фицированных материалов с разработкой соответствующих техно­логий сопровождается заполнением в классификации свободных мест (клеток), что является закономерным процессом с исключением из него элементов случайного изобретательства. Вследствие та­кого закономерного процесса классификация имеет динамичный характер. Каждый новый, вносимый в нее материал остается не только сходным с предыдущими в ней, но при оптимальной струк­туре и подобным им. Наиболее ярко выраженной разновидностью материалов представлены искусственные строительные конгломе­раты (ИСК). Им посвящена в строительном материаловедении спе­циальная теория из четырех взаимно связанных частей, достаточно подробно изложенных ранее [39] и в настоящей книге.

Важнейшим положением является оптимизация структур в стро­ительном материаловедении, многократно использованная и полно­стью апробированная в практике (на производстве). Она обеспечена общим научно обоснованным методом проектирования и корректи­рования составов ИСК с использованием в нем эксперименталь­но-математических и компьютерных программ (например, типа Ex­cel, а ранее — программ на языках Бейсик или Фортран). Об этом подробно изложено в настоящем учебном пособии и в ранее издан­ных [42, 45].

В строительном материаловедении сформулирована и доказана теорема о подобии материалов оптимальной структуры: геометри­ческом, физическом и технологическом. Предложен индикатор по­добия И.А. Рыбьева, который при его значении, равном единице, констатирует наличие у материалов оптимальной структуры и, как следствие, их подобие между собой [19, 30, 41].

Предложена общая теория отвердевания матричного вещества в ИСК, ранее опубликованная в [19, 38]. На фоне большого скопления специфических, частных теорий твердения различных — неоргани­ческих и органических — вяжущих веществ общая теория отверде­вания в строительном материаловедении весьма уместна и целесооб­разна. Она с термодинамических позиций ориентирует практику на технологические процессы, фиксирующие минимумы энтропии и комплекс наилучших качественных показателей при оптимальных структурах и, следовательно, являющихся экстремальными. Важно, чтобы показатели качества готовых изделий находились не только на уровне заданных (проектных), но и чтобы последние становились экстремумами, обеспечивая действие закона створа.

Изложено первое в истории отечественного материаловедения научное открытие — закон створа, — подтвержденное дипломом Международной ассоциации авторов научных открытий: «Законо­мерность соответствия физических свойств и структуры твердого и твердообразного (упруговязкопластичного) материала» (регистра­ционный № АНО-2/58 от 01.11.98). Суть его заключается в том, что «комплекс экстремальных значений главных физических свойств твердого и твердообразного (упруговязкопластичного) материала соответствует их оптимальной структуре, характеризующейся равномерным расположением дискретных частиц и непрерывностью пространственной сетки связующего при минимальных толщинах его распределения...» [26, 33]. Изложена также сущность двух других общих законов, открытых автором, — закон конгруэнции и закон прочности оптимальных структур. Как и закон створа, они внесли существенное углубление объективных знаний в этой науке, способ­ствовали обеспечению эффективных решений технологических за­дач в практике [27, 34].

С учетом общих и объективных законов, упомянутых выше, выведены общая (3.3) и еще более полная — обобщенная (3.10) формулы прочности ИСК оптимальной структуры, все члены в которых имеют строгий физический смысл [19]. Общая формула увя­зана с формулой прочности Гриффитса и выражена в виде зависи­мости (3.7). В ней упрочняющие факторы (в числителе) и разупрочняющие (в знаменателе) ориентируют на конкретные практические мероприятия, благоприятствующие достижению вы­сшего качества готовой продукции как первого критерия прогрес­сивных технологий (см. 6.3.1). Примечательно, что в общей фор­муле прочности для любых видов напряжений впервые содержатся практически все структурные элементы и отражено влияние глав­ных технологических параметров, влияющих в той или иной мере на числовые значения прочности — количество и качество вяжу­щего вещества, его расчетная прочностная характеристика, коли­чество и качество заполняющей части в ИСК, пористость, интен­сивность уплотнения, температура, скорость деформирования и др. Формулы лежат в основе программ, используемых при проектиро­вании оптимальных составов ИСК и оптимальной структуры [28, 42, 45]. Побочным следствием из общей формулы прочности и закона конгруэнции является взаимосвязь между активностью вяжу­щего матричного вещества и его количеством в ИСК оптимальной структуры (3.13).

Раскрыта сущность и разработана комплексная смысловая и ко­личественная критериальная характеристика прогрессивных техно­логий в строительном материаловедении с учетом уровня мировых достижений в данной конкретной отрасли [35, 36]. Отмечено, что принятая в настоящее время оценка прогрессивности и эффективно­сти производства, научных разработок, проектных решений и т. п. по одному-двум показателям (обычно по качеству или по себестои­мости продукции) являются безусловно недостаточными, поскольку при их удовлетворительном уровне все остальные могут оказаться неудовлетворительными или пониженными по сравнению с сущест­вующими достижениями в данной отрасли производства.

Разработаны типичные оптимизирующие факторы, используе­мые для совершенствования технологий до уровня прогрессивных по всему комплексу критериальных значений. Являясь в системе ти­пичными, факторы пригодны для практических технологий различ­ной направленности [32], но в каждрй из них они принимают ярко выраженное конкретное содержание реализуемых мероприятий.

Показаны три временных элемента, слагающих долговечность ИСК оптимальной структуры. Решаемая задача заключается во все­мерном увеличении каждого временного элемента, причем особое внимание уделяется комплексу оперативных мероприятий по тормо­жению деструкции ИСК в конструкциях за счет, например, ингибирующих добавок, вводимых в технологический период, или своевре­менных обработок, применяемых в эксплуатационный период [19, 36, 37].

В Российской архитектурно-строительной энциклопедии отме­чено: теория ИСК «служит важнейшим теоретическим компонен­том» [23]. В частности, по своему содержанию и построению она составляет эффективную методологическую основу научно-техни­ческих исследований новых и модифицированных строительных материалов с применением в них различных сырьевых веществ и технологий. Первая часть этой теории, именуемая теоретической технологией, исходит из закономерностей, на которые опираются переделы производства. Во второй части сосредоточены законы оптимальных структур, в третьей — проблемы долговечности и на­дежности готовой продукции. Четвертая часть устанавливает науч­ную достоверность исследований и полученных результатов при тщательном техническом контроле на производстве. Как методо­логическая основа, теория ИСК была многократно использована при разработке эффективных материалов и изделий на неорганиче­ских и органических, в том числе полимерных, вяжущих веществах по безобжиговой и обжиговой технологиям [37]. Среди наиболее значимых — легкие бетоны с применением в них вакулита, шаро­образного керамзита; арболиты обычные и прессованные на осно­ве портландцемента и высокопрочного гипса и с применением обо­гащенного древесного заполнителя; изоляционно-отделочные древесно-минеральные плиты повышенной прочности; керамзито-золобетон поризованный на основе нового цементно-зольного вяжущего вещества; цементный бетон прессованный для тоннеле­строения; расширение сырьевой базы из гипсового камня понижен­ного качества, включая его третий сорт, для производства высоко­прочного гипса альфа-модификации; новые абразивные круги для механической обработки (шлифования) прочных горных пород (типа гранитов) на основе магнезиально-перлитовых и шлакощелочных вяжущих веществ; рулонный кровельный эластостеклобит наплавляемого типа; полиуретановый герметик; дренирующий ас­фальтовый бетон для быстропросыхающих дорожных покрытий, архитектурно-выразительные отделочные крупногабаритные кера­мические плиты типа «Чак-Чак» и многие другие. В основе обеспе­чения их качества лежит принцип оптимизации структуры, дости­гаемой с помощью общего и единого методов проектирования их составов.

Изложена сущность синергообработки на примере синергобето-нирования. Проф. А.С. Арбеньев разработал специальное оборудо­вание, которое позволило одновременно использовать при совме­щении компонентов бетонной смеси несколько видов энергии. Последующее постепенное остывание отформованного изделия бла­гоприятствует протеканию процессов структурообразования с ми­нимумом технологической пористости и повышенным качеством готовой продукции.

Синергообработка получила несколько иное направление, но так­же с положительным эфектом, в работах других авторов (К.В. Чаус, Л.Н. Попов) — см. Рыбьев И.А. Основы строительного материалове­дения — в лекционном изложении. Изд. ACT, 2004.

Подробнее, чем обычно, изложено в этой книге о пресной воде, как природном минерале и важнейшем компоненте в матрицах ИСК, а также о способах ее активирования и всемерной экономии. Детально рассмотрены в ней нестандартные способы оценки ак­тивности цемента и других неорганических вяжущих веществ в ха­рактерных формулах прочности и деформируемости.

Использована общая теория отвердевания при изложении техно­логии изготовления строительных конструкций из различных бето­нов.

Определены новые формулы прочности цементных бетонов, полностью отражающие факторы их внутреннего строения, качест­ва компонентов и их взаимосвязи и разработаны типовые критерии прогрессивных технологий.

Изложены сведения о современных разновидностях сухих рас­творных смесей.

Впервые приведен метод оценки удобообрабатываемости ас­фальтобетонных смесей вместо используемой в настоящее время визуальной оценки.

Развита теория и производственная технология арболитов, опи­саны способы их вибропрессования.

Процесс дальнейшего расширения и модернизации строительно­го материаловедения, как фундаментальной науки прикладного ха­рактера, продолжается с соответствующим совершенствованием ми­ровоззренческих основ современной строительной индустрии.

[1] Лукреций Тит Кар. О природе вещей / Пер. Ф.А. Петровского. М., 1958.

[2] Российская архитектурно-строительная энциклопедия. М., 1995.

[3] Эта теория в дальнейшем называется «Теория ИСК».

[4] Подробно см. в [19, 39].

[5] Металлы по плотности условно разделяют на легкие (плотность их меньше 5) и тяжелые (с истинной плотностью больше 5).

[6] Фазой называется часть системы, отграниченная от других поверхностью раз­дела; она имеет одинаковые состав и свойства, т.е. относится к однородной (гомоген­ной) системе.

[7] Синерезис - самопроизвольное сжатие, сопровождаемое отделением жидкой среды (экссудата).

[8] Реология — наука о течении, развивающемся в материале во времени.

[9] Относительная плотность равна отношению величин средней плотности изде­лия к его истинной плотности.

[10] Более точно — диссолюция.

[11] Эпитаксия — ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого (подложки).

[12] Обоснованным выбором элементов структуры и количественной оценкой их содержания в структуре занимается специальная наука — стереология.

[13] Баженов П.И. Улучшение качества конгломератных материалов фракциони­рованием заполнителя // Строительные материалы. 1978, 9.

[14] Раздельная технология в 1920-х годах была впервые предложена д.т.н., проф. П.В. Сахаровым применительно к производству асфальтобетона.

[15] Рыбьев И.А. Типизация параметров взамен устаревших стандартов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, № 5, 2003.

[16] Нередко величину водопоглощаемости называют водопоглощением хотя этот термин характеризует процесс поглощения воды материалом и не относится к свойству материала.

[17] Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость // Строите­льные материалы, технологии, оборудование XXI в. 1999. 3-4.

[18] Рыбьев И.А., Скрыльников Д.К. О минимально допустимой прочности камен­ного материала, применяемого в асфальтовом бетоне // Изв. ВУЗов. Разд. Строитель­ство и архитектура. Новосибирск. 1972, вып. 5.

Рыбьев И.А., Голованова.Л.В. Релаксация напряжений в асфальтобетоне оптимальной структуры // Изв. ВУЗов. Разд. Строительство и архитектура. Новоси­бирск. 1974, вып. 10.

[19] Патуроев В.В., Соловьев Г.К. Устойчивость полимерных бетонов. ФИП. 78 Eighth Congress, ProceeDynojs: Pariti, 1978.

[20] Комаровский А.А. Механизм разрушения бетона и перспективные меры обес­печения его долговечности. Киев. 1988.

[21] Журков С Н Дилатонный механизм прочности твердых тел // ФТТ. 1983, т. 25, № 10.

[22] Рыбьев И.А., Нехорошее А.В. Исходные методические позиции при исследова­нии ИСК // Строительные материалы. 1980, № 2. С. 24—26.

[23] Ефименко А.З. Применение метода экспертных оценок в строительной индуст­рии. М: МГСУ, 2001.

[24] В стереорегулярных полимерах все звенья расположены в пространстве в определенном порядке.

[25] Гонт, или драница, — узкие и тонкие дощечки для покрытия крыши.

[26] Глава в основном подготовлена доц., канд. техн. наук Рыбьевой Т. Г.

[27] Далее истинная плотность обозначается как плотность.

[28] Здесь и далее характеристика твердости приводится по шкале Мооса.

[29] Победит — металлокерамический твердый сплав с содержанием до 90% Воль­фрама (W) и до 10% кобальта (Co).

[30] Для ориентировки следует учесть, что первый оксид (СаО) составляет ²/₃ всего количества; каждый последующий (SiO₂, A1₂O₃, Fe₂O₃) — ¹/₃ количества предыдущего оксида («Мнемоническое правило»).

[31] Одни сутки образцы в формах хранятся, во влажном воздухе и 27 суток — освобожденные от форм в воде; температура 20±2°С.

[32] Предложено А.В. Волженским и А.В. Ферронской.

[33] Согласно закону Кулона:, где F — сила взаимодействия между заряда­ми e₁ и е₂; r — расстояние между центрами ионов; ε — диэлектрическая проницае­мость растворителя (для воды при 20°С величина ε = 80).

[34] Львович К. Песчаный бетон: родина — Россия // Стройка. 2000. 34.

[35] Более полные сведения о заполнителях для тяжелого и легкого бетонов см. в ж. «Стройка», 2000, № 5, с. 139—141.

[36] Для прикидочных опытов размеры образцов могут быть приняты и меньших размеров, например 2x2x2 см в целях экономии вяжущего вещества.

[37] Все найденные значения Ц, В, П и Щ умножены на 10 потому, что в 1 тонне (1000 кг) каждый 1% составляет 10 кг. Поэтому Ц% составляет Ц 10 кг, и т. д.

[38] Если сумма окажется больше или меньше 1000, то надо искать в расчетах арифметическую ошибку.

[39] Проектирование оптимального состава может осуществляться и по другим качественным требованиям к бетону: средней плотности, морозостойкости и т. д.

[40] Арбеньев А.С. От: электротермоса к синэргобетонированию. Владимир, ВГГУ, 1996. Синэргобетонирование изделий и конструкций: Сб. тезисов. Владимир, ВГГУ, 1998.

[41] Научно-производственные работы М.И. Клименко и А.А. Акчабаевым вы­полнялись под научным руководством И.А. Рыбьева

[42] Архитектурный бетон: комплексное управление эксплуатационными и деко­ративными характеристиками / Н.Ф. Башлыков, В.Р. Фаликман, Ю.В. Сорокин, В.В. Денискин: Сб. трудов I Всероссийской конференции по проблемам бетона и же­лезобетона, Т. 2, М., 2001.

[43] Бернацкий А.Ф. Электроизоляционный бетон для электроэнергетического строительства. Автореферат докт. диссерт. Новосибирский ГАСУ, 2001.

[44] Более точные интервалы этих коэффициентов: для бетона (0,7—1,48)∙10^-5 град^-1, для стали 1,1∙10^-5 град^-1.

[45] Анурозтивили Ш., Муродян 3. Как повысить несущую способность стен // Стройка. 2000. 1. С. 131—132.

[46] Денисов Г. Отечественный мини-завод сухих смесей // Стройка. 2000. 32.

[47] Мелик-Багдасаров М.С. и др. Устройство асфальтобетонных покрытий мето­дом вибролитья // Наука и техника в строительстве. 1997. 3.

[48] Патуроев В. В. Стеклополимербетонные строительные конструкции М Строииздат, 1972.

[49] Кубовые остатки производства синтетических жирных кислот получают при окислении парафинов. По внешнему виду — желеобразная масса. Содержат свыше 85% водонерастворимых жирных кислот.

[50] По материалам научно-производственной работы к.т.н. С.Х. Исламкуловой выполнявшейся под научным руководством И.А. Рыбьева.

[51] См. подробнее в 9.1.2, а также «Шлакощелочные цементы, бетоны и конструк­ции» / Материалы 3-й Всесоюзной научно-практической конференции (в двух томах). Киев, 1989.

[52] Львович К. Вибропрессованная цементно-песчаная черепица // Стройка. 2000. 7.

[53] Железцов В. А., Янбаева Г.У. и др. Способ упрочнения изделий из стекла. Авт. св. №793206. Б.И. 1981, 12, с.5

Железцов В. А., Янбаева Г.У. Зависимость ионного обменного упрочнения - 1 от его термической предыстории. — Физика и химия стекла, 1983, т. 9. № 4.

[54] Ряд металлов по химической активности был установлен акад. Н.Н. Бекетовым в 60-х годах XIX в.