اقرأ في هذا المقال
كيف يتم تدهور الخرسانة عن طريق تفاعلات التبادل الكاتيوني؟
ستؤدي الخرسانة المُعرّضة لمحاليل كيميائية شديدة إلى بعض التفاعلات الضارة التي يتم إجراؤها بواسطة التبادل الكاتيوني. يحدث التفاعل بين المحلول القوي ومكونات الأسمنت البورتلاندي في الخرسانة. يمكن أن تؤدي تفاعلات التبادل الكاتيوني الضارة هذه إلى تدهور الخرسانة.
أنواع تفاعلات التبادل الكاتيوني:
يتم تصنيف تفاعلات التبادل الكاتيوني المختلفة بناءً على المنتجات الضارة المتكوّنة. وهم:
- تكوين أملاح الكالسيوم.
- تشكيل أملاح الكالسيوم الذائبة.
- تكوين أملاح المغنيسيوم.
1- تكوين أملاح الكالسيوم في تفاعلات التبادل الكاتيوني:
توجد أملاح الكالسيوم غير القابلة للذوبان عندما تتفاعل الأيونات الموجودة في الماء العدواني مع عجينة الأسمنت. لا يحدث الضرر الذي يلحق بالخرسانة بسبب نواتج التفاعل هذه إذا كان ملح الكالسيوم المتكون إمّا ممتدًا أو تم غسله عن طريق تسرب المياه الجارية أو حركة مرور المركبات.
في مُعظم الحالات، يؤدي التفاعل بين هيدروكسيد الكالسيوم في الخرسانة والأحماض مثل أحماض التانيك الهيدروفلوريك والفوسفوريك والطرطريك والأكساليك والحيوميك إلى إنتاج أملاح الكالسيوم المصنّفة على أنها غير قابلة للذوبان وغير قابلة للتمدد. توجد الأحماض الدبالية بشكل أساسي في المواد العضوية المتحلّلة. عندما تتعرض الخرسانة لمثل هذه المواد، يكون حمض الهيوميك مسؤولاً عن التلف الكيميائي.
2- تكوين أملاح الكالسيوم الذائبة في تفاعلات التبادل الكاتيوني:
في الصناعات، تحتوي البيئة في الغالب على محلول حمضي يحتوي على الأيونات. يمكن أن تشكل هذه الأيونات أملاح الكالسيوم القابلة للذوبان. تتكوّن مُعظم النفايات السائلة الموجودة في الصناعات الكيميائية من أحماض النيتريك وحمض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك. تحتوي مُعظم المنتجات الغذائية على حمض اللاكتيك والفورميك والأسيتيك. تتكون المشروبات الغازية من حمض الكربونيك والمياه الطبيعية التي تحتوي على نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون.
بين المحلول الحمضي والمواد المكونة لعجينة الأسمنت البورتلاندي ، تحدث تفاعلات التبادل الموجبة. سيؤدي هذا إلى ظهور مصدر قابل للذوبان من الكالسيوم. بعض هذه الأملاح هي أسيتات الكالسيوم وبيكربونات الكالسيوم وكلوريد الكالسيوم. تتم إزالة هذه الأملاح القابلة للذوبان عن طريق الترشيح.
تفاعلات التبادل الكاتيوني شائعة في بيئات مثل الأسمدة والصناعات الزراعية. تحول تفاعلات التبادل الكاتيوني مكونات عجينة الأسمنت إلى منتجات قابلة للذوبان. الحلول الرئيسية التي تدخل في مثل هذه التفاعلات في هذه الصناعات هي كلوريد الأمونيوم وكبريتات الأمونيوم.
(2NH4Cl + Cl (OH) 2 -> CaCl2 + 2NH4 OH)
Eq. 1
نواتج التفاعل أعلاه قابلة للذوبان، وهذا يجعل الهجوم أكثر شدة. إذا كان المحلول عبارة عن كلوريد المغنيسيوم، فستكون المنتجات عبارة عن كلوريد الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم غير القابلة للذوبان والتي لن تزيد من نفاذية ومسامية النظام بأكمله، ممّا يجعل الارتباط أقل حدة.
المذكور أدناه هو تفاعل التبادل الموجي بين حمض الكربونيك وهيدروكسيد الكالسيوم.
(Ca (OH) 2 + H2CO3 -> CaCO3 + 2H2O)
Eq. 2
(CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca (HCO3) 2)
Eq. 3
سيتوقف ترسيب كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان خلال المعادلة (2) المذكورة أعلاه، نظرًا لعدم وجود ثاني أكسيد الكربون في الماء. وفقًا للمعادلة (3)، يتم تحويل كربونات الكالسيوم إلى بيكربونات قابلة للذوبان. سيسهل ثاني أكسيد الكربون الحر التحلّل المائي لهيدروكسيد الكالسيوم.
هذا التفاعل قابل للانعكاس، لذا يلزم وجود كمية من ثاني أكسيد الكربون الحر للحفاظ على توازن التفاعل. إذا كان ثاني أكسيد الكربون الحر أكثر أو أقل ممّا هو مطلوب لتحقيق التوازن، فسيؤدي ذلك إلى عمل قوي على عجينة الأسمنت. ستؤثر عسر الماء على توازن ثاني أكسيد الكربون.
إنّ حموضة الماء الطبيعي ترجع أساسًا إلى وجود ثاني أكسيد الكربون المُذاب. هذا مهم في المياه الجوفية ومياه البحر والمياه المعدنية. كقاعدة عامة، يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون ضئيلًا بالنسبة للمياه الجوفية ومياه البحر عندما تكون درجة الحموضة أكبر من أو تساوي 8. ستظهر درجة الحموضة الأقل من 7 تركيزًا ضارًا لثاني أكسيد الكربون.
3- تكوين أملاح المغنيسيوم في تفاعلات التبادل الكاتيوني:
تحتوي بعض النفايات السائلة الصناعية والمياه الجوفية ومياه البحر على كلوريد المغنيسيوم أو كبريتات المغنيسيوم أو بيكربونات المغنيسيوم. يحدث التفاعل بين محلول المغنيسيوم وهيدروكسيد الكالسيوم الموجود في الأسمنت البورتلاندي. ينتج عن ذلك أملاح الكالسيوم. تم العثور على تفاعل محاليل المغنيسيوم لتكون شديدة العدوانية لأنها تُؤدي إلى هجوم الكبريتات على هيدرات تحمل الألومينا الموجودة في الأسمنت.
من الخصائص المهمّة لهجوم أيون المغنيسيوم أن التفاعل المُمتد سيُعطي هيدرات سيليكات الكالسيوم (C-S-H) وهو عنصر أساسي ومكوّن أساسي للخرسانة. إذا استمر ملامسة هيدرات سيليكات الكالسيوم (C-S-H) مع المغنيسيوم لفترة طويلة، سيفقد المنتج أيون الكالسيوم الذي يمكن استبداله بالمغنيسيوم. ومن ثم فإنّ المنتج النهائي سيكون هيدرات سيليكات المغنيسيوم والتي لها تأثير سلبي على خصائص الأسمنت.
