Lúg-aggregátum reakció

Az alkáli-aggregátum reakciók (a RAG rövidítéssel is ismertek ) a betonban az endogén lebomlási reakciók családját alkotják . Ezek a reakciók a hidroxilionok (OH - ) között játszódnak le ( a vizes oldatok elektro-semlegessége miatt ), oldható lúgos ionokkal (Na + , K + ), amelyek jelen vannak a beton (főleg nátriumionok és kálium ) és az aggregátumok közbenső oldatában. . Úgy vezet duzzanat és repedések az érintett betonok, valamint csökkenti a mechanikai tulajdonságait a beton (ellenállás a kompressziós , vontatási, hajlító , és a módosítás a Young-modulus ), így csökkentve a élettartamát a beton. Működik érinti.

Ezek a reakciók három körülmények között zajlanak le:

Ez a reakciócsalád 3 reakcióból áll:

Lúg-aggregátum reakciók típusai

Alkáli-szilícium-dioxid reakció

Az aggregátumok, ha elegendő mennyiségű szilícium-dioxidot tartalmaznak, sérülékenyek rá: az amorf vagy rosszul kristályosodott kovasav ( opál , kalcedon , chert stb.) A leginkább megváltoztatható, és a hidroxil- ionokkal (OH - ) reagál az intersticiális oldatban a hiperkalcin (dominálva) KOH és NaOH segítségével (pH = 13,5) tartalmazta a megkeményedett cementpép porozitását.

A szilícium-dioxid (SiO 2 ) feloldódása nagyon bázikus körülmények között sematikusan írható fel a régi ipari jelölési rendszerben, amelyet kovasav és szilikátok képviseletére használnak :

SiO 2 + H 2 O → H 2 SiO 3H 2 SiO 3 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 + 2 H 2 O

Globálisan a szilícium-dioxid nátrium-hidroxiddal való oldódásának reakciója a következőképpen írható fel:

SiO 2 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 + H 2 O

Ha a NaOH hiányzik a szilícium-dioxidhoz képest, és csak a metasavsav (H 2 SiO 3 ) első disszociációs reakcióját vesszük figyelembe, akkor a reakció az alábbiak szerint is írható, Na / Si = 1 atomaránnyal, és nem 2-vel, mint a fenti megfelelő egyenletben :

SiO 2 + NaOH → NaHSiO 3

Meg kell azonban jegyezni, hogy a szilikátok kémiai jelölésének ez a régi formalizmusa, bár előnye az írás egyszerűsége, és hasonlósága a szénsavval és a karbonátokkal , valójában helytelen, mert sem a savas metasavsav (H 2 SiO 3 ), sem a metaszilikát aniont (SiO 3 2– ) soha nem figyelték meg és nem azonosították vizes oldatban, mert ezek a fajok instabilak és folytatják hidratáltságukat. Valójában a CO 2 hidratálásával ellentétben, amely csak egy vízmolekulát emészt fel, és a H 2 CO 3 -nál áll meg , a SiO 2 hidratálása két vízmolekulát emészt fel, és egy lépéssel tovább folytatja a H 4 SiO 4 molekulához jutást . A CO 2 és a SiO 2 közötti hidratációs viselkedésbeli különbséget a termodinamika és a molekula központi atomja körüli kötési energia vagy szterikus akadályok okai magyarázzák. Ebből a szempontból a geokémiában jelenleg alkalmazott pontozási rendszer helyesebb. Kovasav Megjegyezzük abban formájában H 4 SiO 4 vagy Si (OH) 4 , és a szilikát anionja első konjugált bázisa, mint H 3 SiO 4 - vagy Si (OH) 3 O - . Az egyszerűség kedvéért azonban az alábbiakban a régi szilikát minősítő rendszert alkalmazzuk annak érdekében, hogy könnyebben megértsük a többszörös, gyakran összetett kölcsönhatásokkal járó kémiai reakciók sorozatát. Noha nem felel meg pontosan a sokkal bonyolultabb valóságnak, mégis hasznos marad a tömegmérleg megállapításához.

A szilícium-dioxid oldódási reakció nátrium- és kálium-szilikát képződéséhez vezet a beton élettartamának rovására, mivel a víz abszorpciójával "a beton duzzadását idézi elő a mikroszkópos repedés hatására a reakciótermékek, amelyek duzzadó gélek. Ha betont terhelnek, a beton helyi terhelésének megfelelően mikroszkopikus repedés alakul ki, amely a beton viselkedésének és deformációjának anizotropiáját váltja ki ” . A támadás kinetikáját olyan paraméterek szabályozzák, mint a pH, lúgosság (OH - ionok koncentrációja), a kalciumionok koncentrációja (Ca 2+ ), a SiO szerkezetének többé-kevésbé amorf vagy kristályos jellege. 2 aggregált ,  stb

A ≡Si - O - Si≡ sziloxán hidak a polimer szerkezet a szilárd kolloid szilícium-dioxid a hidrolizált és ≡Si - O - szilanol felületi csoportok (deprotonált lúgos körülmények között) jönnek létre. A szilanolcsoportok negatív elektromos töltését a K + és Na + kation pozitív töltése ellensúlyozza . Az előállított új vegyület egy erősen hidrofil gél, amely víz jelenlétében megduzzad. A "géleknek" nevezett termékeket KCSH-nak, NCSH-nak és CSH-nak is nevezik (amelyeket itt kötőjelekkel jelölünk, hogy hangsúlyozzuk a vegyületek nem sztöchiometriáját ), a cement kémiájának jelölése szerint. Ezek polimer hidratált fázisok, amelyek káliumból (K, K 2 O), nátriumból (N, Na 2 O), kalciumból (C, CaO), szilikátból (S, SiO 2 ) és vízből (H H 2 O).

A SiO 2 hálózat hidrolízise és oldása

A szilárd szilícium-dioxid (SiO 2 ) vízzel érintkező felületét sziloxánkötések (≡Si - O - Si -) és szilanolcsoportok (≡Si - OH) borítják, amelyek érzékenyek az OH - ionok lúgos támadására .

A sziloxán-kötések hidrolízisen és kondenzációs reakciókon mennek keresztül, az alábbiakban sematikusan bemutatva:

Sziloxán kötés két szilícium atom között. ≡Si - O - Si≡ + H 2 O ↔ ≡Si - OH + HO - Si≡ = Si = O + H 2 O ↔ = Si (–OH) 2 Szilanolcsoport kémiai képlete

Másrészt a szilanolcsoportok protonáláson / deprotonáláson is áteshetnek, mint például a víz autoprotolízise esetén :

≡Si - OH ↔ iSi - O - + H +

Ha az oldatban megemelik a hidroxid- anion (OH - ) koncentrációját (NaOH hozzáadása és a pH növelése), ezek az egyensúlyi viszonyok a reakció jobb oldalára tolódhatnak, és a szilícium-dioxid oldódását okozhatják.

Lúgos hidrolízise a sziloxán kötésekkel történik által nukleofil szubsztitúciós OH - egy szilíciumatomot, míg a másik csoport - O - Si≡ (kilépő csoport) kell hagyni, hogy megőrizzék a tetravalens jellegét az atom. A Si:

≡Si - O - Si≡ + OH -   → ≡Si - OH + - O - Si≡ = Si = O + OH -   → = Si (OH) O -

A szilanolcsoportok deprotonálása  :

≡Si - OH + OH -   → ≡Si - O - + H 2 O Az alkáli-szilícium-dioxid reakció mechanizmusa

A aggregátumok reagens SiO 2 amorf duzzadás után támadás hidroxiddal alkálifém jelen beton ( KOH és NaOH ) előállítására gél higroszkópos , mint a nátrium-szilikát és kálium- . Ha a rendszer egyszerűsítése érdekében a nátrium-szilikát (Na 2 SiO 3 · n H 2 O) egyetlen esetét vesszük figyelembe, akkor az alkáli-szilícium-dioxid kémiai reakció alapelveit a következőképpen írhatjuk fel sematikusan a „ szilikátok régi ipari jelölésében”. (a karbonátanion kémiai viselkedésének analógiájával ):

SiO 2 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 · H 2 O

Ez az oldódási mellett hiper- lúgos körülmények között (pH ≥ 13,5) a hidratált szilícium-dioxid ( kovasav , szerint a jelölést választott: H 2 SiO 3 , H 4 SiO 4 vagy Si (OH) 4 ) tartalmazott az aggregált. Az oldatban a magas pH-értékért felelős hidroxid-ionok (OH - ) felelősek az alkáli-aggregátum reakcióért, mert ez valóban savas-bázis reakció ( H + protonok cseréje ) a kovasav és az OH között. - ionok . A hidroxid-anionok ezért mindenekelőtt az amorf szilícium-dioxid hálózatát hidrolizálják és feloldják. Nélkülük a szilícium-dioxid oldódási reakciója nem lehetséges: a szilícium-dioxid vagy az üveg feloldásához magas pH-értékre van szükség (ezért nagyon bázikus körülményekre van szükség). Az OH - (elektro-semlegesség) kísérő oldható és mobil alkáli kationok (Na + és K + ) szerepe azonban sokkal kevésbé ismert: valójában a Li + -ionok meztelen állapotban nagyon kicsi ionsugárral rendelkeznek, ezért nagyon a hidratáltak McCoy és Caldwell (1951) munkája óta ismertek az alkáli-szilícium-dioxid reakció gátlására, de ezt a mechanizmust még mindig rosszul értik, és még mindig vita tárgya. A szilícium-dioxid-gélek elektromos kettős rétege (EDL), valamint az ozmotikus jelenségek valószínűleg fontos szerepet játszanak az alkáli-szilícium-dioxid reakcióban, de a lítium-ion kölcsönhatása ezekkel a folyamatokkal továbbra sem ismert.

Hidratált állapotában az alkáli-kationok valószínűleg segítenek a víz visszatartásában a kapott oldható szilikagélben . Az előállított nátrium-szilikát ezért nagyon higroszkópos, csakúgy, mint a szilikagél , amelyet gyakran használnak szárítószerként. A nátrium-szilikát vonzza azokat a vízmolekulákat, amelyekhez nagy affinitása van, és erősen hidratálódik a következő reakció szerint:

Na 2 SiO 3 · H 2 O + n H 2 O → Na 2 SiO 3 · (n + 1) H 2 O

A nátrium-szilikát hidratációs reakciója duzzanattal is jár, és jelentős térfogat-növekedést okoz. A nátrium-szilikát ezért hidratálása során megduzzad, és az aggregátum szabad porozitásának kitöltésével kezdődik. Ha ez teljesen megtelik, a nátrium-szilikát tovább terjeszkedik és vándorol az aggregátumban a kémiai gradiens ( diffúzió , Fick-törvény ) következtében, amelyhez hozzáadódik a hidraulikus kiutasítása ( advection , Darcy-törvény ) az aggregátumon belüli belső nyomás emelkedését követően . A hidratált nátrium-szilikát nagy viszkozitása tovább gátolja az aggregátumon belüli transzportját, ennek megfelelően növeli a benne lévő hidraulikus nyomást. Ezután az adalékanyag mátrixát feszültség alá helyezzük, és a kapott húzóerő végül az aggregátum repedéséhez vezet. Az adalékanyagok így át tudnak repedni .

Egy másik jelenség is hozzájárul az aggregátumok megrepedéséhez: fokozatosan egy hidratált kalcium-szilikát (CaSiO 3 n H 2 O, röviden CSH- ként is megjegyezhető) át nem eresztő filmmel borítják be , amely szintén megakadályozza a hidratált nátrium-szilikát kijutását az aggregátumból. Ez a film lassan képződik a nátrium- szilikát és a kikeményített cementpépben lévő portlandit (Ca (OH) 2 ) szemcsék által felszabadított kalciumionokkal történő reakció után . Ekkor a két reagens kalcium- és nátrium-ionjai között cserélődik, majd kevésbé oldható HSC-k kicsapódnak a következő reakció szerint:

Na 2 SiO 3 n H 2 O + Ca (OH) 2 → CaSiO 3 n H 2 O + 2 NaOH

Vegye figyelembe azt is, hogy ez a reakció két oldható nátrium- hidroxid (NaOH) "molekulát" eredményez, amelyek viszont elősegítik az amorf szilícium-dioxid oldódását a reaktív aggregátumból. A hurok zárva van, és az alkáliás szilícium-dioxid reakció katalizátorként folytatódik (az egyik reaktáns állandó regenerálása a rendszerben). Csak harcosok hiányában áll meg, ha az összes reaktív szilícium-dioxid elfogy, vagy a portlandit teljesen eltűnik. Amint azt Wang és Gillott (1991) megjegyezte, az edzett cementpépben lévő hidroxilionok (OH - ) fő tartalékát szilárd fázisban viszonylag oldható portlanditban (1,5 g Ca (OH) 2 / l oldat nagyságrendben ) tárolják. a pH = 12,5, de ez az érték kisebb magasabb pH hatására közös ionok okozó oldódási egyensúlyát portiandit a visszafejlődés )

Amikor a kalcium-szilikát-hidrát eltömítette a granulátum felületének szinte az összes pórusát , amikor az edzett cementpéppel érintkezett, majd az optikai mikroszkóphoz vékony metszet figyelte meg a granulátum körüli folytonos peremet. Ez a féligáteresztő CSH membrán lehetővé teszi, hogy a kémiai gradiens hatására diffúzióval az aggregátumba belépő Na + és OH - ionok könnyebben áthaladjanak, mint a kilépő hidratált nátrium-szilikát, amelynek viszkozitása akadályozza a szállítást. Ez a membrán egyfajta „ héjként ” viselkedik, amely át nem ereszti a hidratált nátrium-szilikátot, és megakadályozza, hogy kivándoroljon az aggregátumból. Az aggregátumban bezárt nátrium-szilikát duzzadása által okozott hidraulikus nyomás növekedése végül az utóbbi repedéséhez vezet .

Amikor az összes NSH gél (N nátrium, nátrium) lett alakítva CSH fogyasztás után a kalcium a portiandit jelen a rendszerben, a alkáli-kovasav reakció teljesen befejeződött, a beton többé-kevésbé hasonlít a puccolán reakció a a rómaiak cementje :

SiO 2 + Ca (OH) 2 + n H 2 O → CaSiO 3 (n + 1) H 2 O

Valójában a pozzolán reakcióban a vulkáni eredetű szilícium-dioxid-üveg ( obszidián , habkő ) reagál az oltott mésszel , így hidraulikus kötőanyagot kap .

Az alkáli-szilícium-dioxid reakció azonban abban különbözik a pozzolán reakciótól, hogy folyamatosan katalizálja a NaOH és a KOH jelenléte a betonban. Ebben hasonlít a szódamész reakciójára a levegőben lévő CO 2 -vel . A NaOH katalizátorként is működik, és a CO 2 eltávolító reakció sebességének és hatékonyságának javítására szolgál .

Az alkáliás szilícium-dioxid reakció potenciálisan reaktív aggregátumok jelenlétében történő elkerülésének vagy minimalizálásának egyik módja az, hogy ügyelni kell arra, hogy a pórusvízben a NaOH és a KOH (a reakció katalizátorai) koncentrációja a lehető legkisebb legyen. Az alacsony lúgosságú portlandi cementekre (CEM I) (alacsony lúgosságú, LA) vonatkozó előírások általában kevesebb, mint 0,6 tömegszázalék Na 2 O-egyenértéket írnak elő (a cement tömegére számítva).

Analógia a nátrium-mész és a beton karbonizációjával

A mechanizmus az alkáli-szilika reakciót katalizált egy erős oldható bázis, például nátrium-hidroxid vagy kálium-hidroxid jelenlétében, Ca (OH) 2 ( lúgosság pufferben jelen a szilárd fázis) össze lehet hasonlítani, hogy a folyamat a karbonátosodás a nátronmész .

(1)   CO 2 + 2 NaOH    →     Na 2 CO 3 + H 2 O   (CO 2 csapdája oldható NaOH-val)
(2)   Na 2 CO 3 + Ca (OH) 2   →   CaCO 3 + 2 NaOH     (NaOH regenerálása mésszel történő reakció után )
(1 + 2)   CO 2 + Ca (OH) 2   →   CaCO 3 + H 2 O     (általános reakció)

Víz jelenlétében vagy egyszerűen a környezeti páratartalom mellett az erős bázisok, a NaOH vagy a KOH könnyen feloldódnak a hidratáló vizükben ( higroszkópos anyagok , deliquescence jelenség ), és ez nagyban megkönnyíti a katalízis folyamatát, mert a vizes oldatban a reakció sokkal gyorsabban megy végbe, mint a száraz szilárd fázisban. A nedves NaOH átjárja a magas fajlagos felületű kalcium-hidroxid szemcsék felületét és porozitását . A nátronmeszet általában a zárt körben búvárkodó újrahasznosítókban és az érzéstelenítő rendszerekben használják a légzéssel felszabaduló CO 2 megkötésére .

Ugyanilyen katalitikus hatást alkálifém-hidroxidokat (attól függően, hogy a Na 2 O ekv tartalmát a cement) is hozzájárul szénsavas portiandit által légköri CO 2 a beton , bár a terjedési sebessége a reakció első ott van. Különösen korlátozza az a diffúziós közlekedési CO 2 belül a beton mátrixában kisebb porozitású .

A nátrium-mész szénsavas reakciója közvetlenül átfordítható a szilikátok régi ipari jelölésébe (a meta-kovasavra utalva , soha nem tapasztalt H 2 SiO 3 -ra ), egyszerűen azzal, hogy a C-atomot a tömeg-egyenlet egyenleteiben Si-atomra cseréljük (azaz a CO 2 helyett SiO 2 és a karbonát anionok metaszilikát anionok). Ez a következő, az irodalomban is gyakran előforduló reakciókat adja a NaOH folyamatos regenerálódásának sematikus leírására az alkáli-szilícium-dioxid reakcióban:

(1)   SiO 2 + 2 NaOH    →     Na 2 SiO 3 + H 2 O   (SiO 2 gyorsan oldódik higroszkópos NaOH-val)
(2)   Na 2 SiO 3 + Ca (OH) 2   →   CaSiO 3 + 2 NaOH     (NaOH regenerálása portlandittal történő reakció után)
(1 + 2)   SiO 2 + Ca (OH) 2   →   CaSiO 3 + H 2 O     (globális reakció, amely hasonlít a pozzolán reakcióra )

Ha a nátrium-hidroxidot egyértelműen hiányzik a rendszerben tekinthető (nátronmész vagy alkáli-szilika reakciót), ez formálisan lehet írni az azonos reakció-készletek által egyszerűen kicseréljük a CO 3 2- anionok által HCO 3 - , és a SiO 3 2- által HSiO 3 - , a katalízis elve ugyanaz marad.

A lúgos kovasavgélek fejlődése és öregedése

A folyékony lúgos szilikagél fokozatos átalakításának folyamata a beton aggregátumok váladékában kevésbé oldható szilárd anyaggá (általában a gélpasztákban vagy a kivirágzásokban) átalakítható négy egymást követő szakaszban.

1. A SiO 2 oldódása és folyékony és higroszkópos lúgos gél képződése

2 NaOH + SiO 2 → Na 2 SiO 3 · H 2 ONa 2 SiO 3 · H 2 O + n H 2 O → Na 2 SiO 3 · (n + 1) H 2 O

A frissen képződött lúgos gél hidratációs reakciója felelős a duzzadásért, amely a reaktív aggregátumok széttörését okozza. A lúgos gél pH-ja magas, és gyakran jellegzetes borostyánszínű. A legutóbbi alkalikus gélkiválasztások magas pH-ja megakadályozza a mohák és zuzmók szaporodását a betonrepedés felületén. A váladékok fokozatosan diffundálnak a beton felületének porozitásában is a repedések két oldalán. Mivel a szilikagél (Na 2 SiO 3 · n H 2 O) nagyon higroszkópos (mint a NaOH és a KOH), ez a repedések körül nagyon jellegzetes zsíros megjelenésű sötétebb színű sorjákat eredményez. Fiatal és oldható NSH géllel (folyékony gél) van dolgunk.

2. A lúgos gél érlelése és viszkozitásának növekedése
A szilikát- anionok polimerizációja és gélesedése a szol-gél átmeneti mechanizmus szerint . Kolloid szuszpenzióban (szol) diszpergált szilikátok monomerjeinek vagy oligomerjeinek kondenzációja háromdimenziós kétfázisú vizes szilikagél hálózatban . A kalcium-hidroxid ( portlandit ) oldhatóságának növelésével felszabaduló kétértékű kalcium- ionok, a Ca 2+, amikor a pórusvíz pH-ja a betonban fokozatosan csökken, részt vehet a gélesedési folyamatban.

3. Hidratált kalcium-szilikát (CSH) paszta kicsapása A
nátrium- (vagy kálium) -szilikát kationcseréje kalcium-hidroxiddal (portlandit) és amorf vagy kriptokristályos hidratált kalcium-szilikát (CSH) kicsapása NaOH regenerálásával:

Na 2 SiO 3 n H 2 O + Ca (OH) 2 → CaSiO 3 n H 2 O + 2 NaOH

Az amorf hidratált kalcium-szilikátok (CSH, amelynek nem sztöchiometriáját itt a rövidítésben kötőjelek jelzik ) átkristályosodhatnak rozetták formájában, hasonlóan a girolit jellemzőihez , amely CSH különösen a kohók salakjának lassú hidratálása során keletkezik acélcementekben (CEM III a cementekre vonatkozó EN-197 európai szabvány szerint). Fejlett és rosszul oldódó CSH géllel van dolgunk (gél a megszilárdulás folyamatában).

4. A CSH-k
karbonátolása A szilikagél karbonizációs reakciója kalcium-karbonát és amorf SiO 2 kicsapásához vezet egy nagyon sematikusan stilizált reakció szerint:

CaSiO 3 + CO 2 → CaCO 3 + SiO 2

Mindaddig, amíg a hidratált lúgos gél (Na 2 SiO 3 ) még nem reagált a portlandit fokozatos feloldódása során felszabaduló Ca 2+ -ionokkal , bár meglehetősen viszkózus , elég folyékony marad ahhoz, hogy a reaktív aggregátumokból kiszabadulhasson. duzzadás következtében belső feszültségnek kitett betonban. Ennek eredményeként az érintett beton felületén néha látható sárga viszkózus folyadékváladék keletkezik (apró borostyánszínű folyadékcseppek formájában). Leggyakrabban azonban a borostyángél-váladék közvetlenül a repedések mentén átjárja a kikeményedett cementpép porozitását, és ezáltal meglehetősen jellegzetes nedves és sárga zsíros foltos megjelenést kölcsönöz nekik.

Amikor a megkeményedett cementpép pórusvízének pH-ja a szilícium-dioxid oldódási reakció előrehaladása miatt fokozatosan csökken, a kalcium-hidroxid oldhatósága növekszik, és az alkáli gél reagál a Ca 2 ionokkal . Viszkozitása a gélesedési folyamat következtében növekszik, mobilitása (alacsonyabb folyékonyság) élesen csökken, amikor a CSH-fázisok kicsapódni kezdenek, miután az alkáli gél kalcium-hidroxiddal (portlandit) reagált. Ezen a ponton a meszesített gél megkeményedik és korlátozza az alkáli gél betonba történő transzportját.

Amikor a pépes CSH gél érintkezésbe lép és a légkörben reagál a szén-dioxiddal , gyorsan karbonizálódik, és fehér / sárga kivirágzás jelenik meg a betonrepedések felületén. A folyékonyabb lúgos gél tovább duzzad és kiválik a megkeményedett és szénsavas gél megkeményedett felületi rétege alatt, így kiszorítja a kivirágokat a repedésekből, gyakran okozva kissé kiállónak. Mivel a szilikagél száradási és karbonizálódási sebessége magasabb, mint az alkáli gél kiválasztódásának sebessége (a folyékonyabb alkáli gél repedéseken keresztüli kiürülésének sebessége), a friss és még folyékony alkáli váladékok gyakran alacsonyak. a betonszerkezetek felülete, kivéve a jellegzetes sárgás, zsíros és sötétebb sorjákat, amelyek a repedések mentén áthatják a beton porozitását. Bizonyos betonszerkezeteknél és bizonyos fúrási óvintézkedések esetén a frissen dekompresszált magok eltávolításukkor borostyáncseppek formájában folyékony lúgos váladékokat tárhatnak fel.

Alkáli-szilikát reakció

Az alkáli-szilikát reakció akkor fordul elő, amikor a beton aggregátumokat agyagásványok (agyag, föld stb.) Jelenléte szennyezi . Az agyag néha szennyeződésként jelen lehet még a mészkőzetekben is. Az alkáli-karbonátos reakcióhoz gyakran valójában egy alkáli-szilikát reakciót alkalmaznak. Ez a reakció az alkáli-szilícium-dioxid reakció unokatestvére, és hidratált kalcium-szilikátok (CSH) képződését is előidézi. Ezt a fajta interakciót jól tanulmányozzák az agyag / beton interfészek és a radioaktív hulladék geológiai elhelyezésére agyagos közegben kialakuló lúgos csapok összefüggésében.

Alkáli-karbonátos reakció

Az alkáli-karbonát reakciót meglehetősen rosszul nevezik meg, és valójában az alkáli-magnézium reakcióra utal. A dolomit vagy magnezit jelenléte az adalékanyagokban reakciót idézhet elő a magnézium-karbonát és a mész között, ami a brucit , egy magnézium-hidroxid kristályosodásához vezet , amelynek késleltetett duzzanata károsíthatja a betont .

A magnezit és a portlandit reakciója esetén a reakció a következőképpen íródik:

MgCO 3 + Ca (OH) 2 → Mg (OH) 2 + CaCO 3

Abban az esetben, ha a betonban lévő oldható alkáli hidroxidok (NaOH, KOH) megtámadják a dolomitot, ez inkább a dolomitozásos reakció, amelyet itt adunk a NaOH támadására:

(Ca, Mg) (CO 3 ) 2 + 2 NaOH → Mg (OH) 2 + CaCO 3 + Na 2 CO 3

A sokkal oldhatóbb nátrium-karbonát viszont reagál a szilárd fázisban lényegében rendelkezésre álló kalcium-hidroxiddal, hogy kicsapja a kalcium-karbonátot és újra felszabadítsa a NaOH-t:

Na 2 CO 3 + Ca (OH) 2 → CaCO 3 + 2 NaOH

Az így regenerált NaOH hozzájárulhat a reakció végtelen fenntartásához, amint azt Fournier és Bérubé (2000) és Bérubé és mtsai. (2005). A rendszert ezért a vizes fázisban oldott nátrium-hidroxid katalizálja, míg a hidroxid-ionok tartaléka valójában a portlandit szilárd fázisában található (pufferfázis), amely sokkal lassabban reagál, mert kevéssé oldódik.

A két reakció összege végül a kalcium-hidroxid és a dolomit közötti közvetlen reakcióra vezethető vissza, amely katalizátor nem jelenik meg a teljes reakcióban:

(Ca, Mg) (CO 3 ) 2 + Ca (OH) 2 → Mg (OH) 2 + 2 CaCO 3

Az 1950-es években Kanadában Swenson által felfedezett alkáli-karbonát reakció kevésbé ismert, mint az alkáli-szilícium-dioxid reakció. Ez utóbbihoz kémiailag is kapcsolható. Az a tény, hogy a dolomitos kőzetek gyakran tartalmaznak különféle szennyeződéseket, például agyagokat és szerves anyagokat, megnehezíti az alkáli-karbonát reakció tanulmányozását, amely szintén elrejtheti az alkáli-kovasav reakciót.

A mészkő aggregátumok használata ezért nem elegendő az alkáli-szilícium-dioxid reakció elkerülésére, messze tőle.

Bizonyos mészkövek amorf szilícium-dioxidot is tartalmazhatnak, mint szennyeződést, amely cementbe hozza a kalcitaszemeket a kőzetben. Ez különösen igaz Kanadában és Belgiumban bizonyos mészkövekre. Mészkő karbon a Tournaisien (régió Tournai Belgium és Észak-Franciaország lehet akár 25 -. 30 tömeg% amorf szilícium-kovasav származik tüskék a szivacsok , a bőséges szervezetek primitív állatok idején Ezek mészkövek, amelyek szintén nagyon gazdag kovakő (chert, kalcedon ) szintekben, ezért nagyon érzékenyek az alkáli-szilícium-dioxid reakcióra, és nem szabad összetéveszteni őket esetükben a nagyon ritka és kevésbé káros alkáli-karbonát reakcióval. A szilícium-dioxidban jelenleg betonanyagként teljes mértékben tilos, és a belga autópályák építése során az 1960-as és 1970-es években számos építőmérnöki épületben való felhasználásuk még mindig sok problémát okozott.

Hivatkozások

  1. PE Grattan-Belew és L. Mitchell, "  megelőzése romlása beton miatt alkáli-adalékanyag reakció  ," Építőipari Technology , n o  52,2002. március( online olvasás )
  2. Charpin L () Mikromechanikus modell az alkáliás szilícium-dioxid reakció anizotropiájának vizsgálatához  ; Párizs-Est Egyetem <NNT: 2013PEST1103> <pastel-00873539>; lásd az összefoglaló 7/194. oldalt
  3. WJ McCoy és AG Caldwell , „  Új megközelítés az alkáli-aggregátumok expanziójának gátlásához  ”, Journal Proceedings , vol.  47, n o  5,1 st május 1951, P.  693–706 ( ISSN  0002-8061 , DOI  10.14359 / 12030 , online olvasás , hozzáférés : 2020. április 28. )
  4. Monica Prezzi , Paulo JM Monteiro és Garrison Sposito , „  Az alkáli-szilícium-dioxid reakció: I. rész. A kétrétegű elmélet használata a reakciótermék-gélek viselkedésének magyarázatára  ”, ACI anyagok folyóirata , 1. évf.  94, n o  1,1997, P.  10–17 ( ISSN  0889-325X )
  5. BJ Wigum , LT Pedersen , B. Grelk és J. Lindgard , a legkorszerűbb jelentés: Az alkáli aggregátum reakcióját befolyásoló legfontosabb paraméterek. SBF52 A06018 - Korlátlan jelentés. 134 pp. , SINTEF épület és infrastruktúra,2006( ISBN  82-14-04078-7 , online olvasás )
  6. H. Wang és JE Gillott , „  Az alkáli-szilícium-dioxid reakció mechanizmusa és a kalcium-hidroxid jelentősége  ”, Cement and Concrete Research , vol.  21, n o  4,1 st július 1991, P.  647–654 ( ISSN  0008-8846 , DOI  10.1016 / 0008-8846 (91) 90115-X , online olvasás , hozzáférés : 2020. április 28. )
  7. Videó az alkáli-szilícium-dioxid reakcióról, amely az aggregátum teljes repedését mutatja.
  8. G. Verbeck „  karbonálást hidratált portlandcement  ” STP205-EB cement és beton (West Conshohocken, PA: ASTM International ,1958, P.  17–36 ( DOI  10.1520 / STP39460S )
  9. Benoit Fournier és Marc-André Berube „  alkáli-adalék reakció konkrét: Beszámoló az alapfogalmak és mérnöki következményeit. Lásd a kémiai egyenleteket. 168  ”, Canadian Journal of Civil Engineering , vol.  27, n o  21 st április 2000, P.  167–191 ( ISSN  0315-1468 , DOI  10.1139 / l99-072 , online olvasás , hozzáférés : 2020. április 10. )
  10. Bérubé, MA, Smaoui, N., Bissonnette, B., és Fournier, B. (2005). Eszköz az alkáliás-kovasav-reakciók (RAS) által érintett struktúrák értékelésére és kezelésére . Tanulmányok és kutatás a közlekedésben, Quebec Közlekedési Minisztériuma. Lásd a kémiai egyenleteket. 3-4.
  11. Swenson, EG (1957a) Reaktív aggregátum, amelyet az ASTM teszt nem mutatott ki. ASTM Értesítő, 226: 48–50.
  12. Swenson, EG (1957b) Cement-aggregátum reakció egy kanadai híd betonjában. ASTM Proceedings, 57: 1043–1056.
  13. EG Swenson és JE Gillott , „  alkáli - karbonátos kőzet reakció  ”, Highway Research Record , Vol.  45,1964, P.  21–40

Lásd is

Belső linkek

Bibliográfia

  • Ian Sims és Alan B. Poole , alkáli-aggregátumok reakciója a betonban: A világ áttekintése , CRC Press ,1 st augusztus 2017, 768  p. ( ISBN  978-1-317-48441-7 , online olvasás )
  • Jean-Pierre Ollivier és Angélique Vichot irányításával, A beton tartóssága. Tudományos alapok a fenntartható beton megfogalmazásához a környezetükben , a National School of Ponts et Chaussées sajtója , Párizs, 2008 ( ISBN  978-2-85978-434-8 )

Külső linkek