Коррозионная стойкость бетона

Степень агрессивного воздействия внешней среды определяется ее химическим составом и комплексом факторов, характеризующих условия контакта среды и бетона.
Основная составляющая бетона - цементный камень - состоит из химических соединений, имеющих щелочной характер, поэтому наиболее интенсивная коррозия бетона характерна при воздействии на него среды, содержащей водные растворы кислот. Агрессивными по отношению к бетону могут быть также соли и другие вещества как неорганического, так и органического происхождения.
По типу химического взаимодействия реакции коррозии можно сгруппировать в обменные процессы и реакции, связанные с образованием малорастворимых хорошо кристаллизующихся солей. Из физических факторов, воздействующих на бетон, можно выделить температурные воздействия. На тепловой обмен между средой и бетоном в сильной мере влияют процессы массообмена, а также фазовые превращения, происходящие в бетоне. При нарушении термовлажностного равновесия между средой и бетоном в зависимости от величины перепада температур и влажности в нем возникают внутренние напряжения. Из физико-химических факторов, вызывающих коррозию, наиболее существенными являются выщелачивание, а также осмотические и контракционные явления.
Агрессивные для бетона газовыделения характерны для предприятий металлургической, нефтехимической, коксохимической и других отраслей промышленности. Агрессивные газы являются, как правило, кислыми или кислотообразующими. Образование из них кислот происходит при наличии на поверхности конструкций или в воздухе капельно-жидкой влаги. При влажности до 60% кислые газы практически не разрушают бетон, а в ряде случаев даже уплотняют его. Такое действие оказывают, например, газы, содержащие углекислый газ (карбонизация), четырехфтористый кремний.
Твердые среды в виде порошков, аэрозолей пылей могут оказывать заметное, а иногда значительное агрессивное действие на бетон при высокой растворимости (более 2 г/л) и гигроскопичности.
Пыль различных материалов, оседая на конструкции, адсорбирует пары и влагу, которые придают ей агрессивные свойства. В зависимости от состава пыли во влажной среде образуется кислый или щелочной раствор, который может являться более агрессивным, чем раствор, полученный при конденсации во влажной среде агрессивных паров и газов.
Жидкими агрессивными средами для бетона могут быть природные поверхностные и грунтовые воды, промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды и другие жидкие продукты.
Для характеристики наиболее характерных жидких сред, кроме концентрации агрессивных веществ учитываются температура, напор или скорость движения у поверхности конструкций. Степень агрессивного воздействия жидких сред (табл. 6.14) зависит от концентрации водородных ионов (рН), содержания свободной углекислоты, магнезиальных солей, едких щелочей, сульфатов. К жидким агрессивным средам, кроме водных растворов солей, кислот и щелочей, относятся масла, нефтепродукты, растворители. Нормативные показатели, характеризующие степень агрессивного воздействия жидкой среды на бетонные сооружения, различаются в зависимости от фильтруемости грунтов. При сильно- и среднефильтрующих грунтах (коэффициент фильтрации свыше 0,1 м/сут) они значительно меньше, чем при слабофильтрующих. Например, для безнапорных сооружений из бетона нормальной плотности вода-среда оказывает сильное агрессивное действие при рН до 5, если грунт имеет Кф>0,1 м/сут и до 3 если Кф<0,1 м/сут. Для напорных сооружений независимо от К грунта в этом случае рН воды-среды должен быть до 5,5. Наличие испаряющей поверхности обусловливает проявление коррозии при значительно меньшей концентрации агрессивных веществ, чем при ее отсутствии.
Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно воды рек и озер имеют слабо щелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 0,3-0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды содержат минеральные соли и другие примеси. Их агрессивность по отношению к цементным бетонам оценивается нормами агрессивности воды-среды. Совершенно чистая, неминерализованная вода может быть также агрессивной в отношении бетона, вызывая выщелачивание извести.
Бетон обладает определенной адаптируемостью к воздействиям внешней среды, т.е. способностью (по В.Л. Чернявскому) к совокупности внутренних реакций и процессов, направленных на сохранение его структурных характеристик в пределах, обеспечивающих заданное функциональное состояние. Способность к адаптации бетона обусловлена, в основном, наличием в составе вяжущего непрогидратированных или т.н. реликтовых зерен, потенциально активных наполнителей, которые в условиях тепловых и химических воздействий способны образовывать гидраты, часто модифицированные компонентами внешней среды. Продукты коррозии на первых этапах могут приводить также к некоторому увеличению плотности и прочности поверхностного слоя конструкций.
Коррозионная стойкость бетона непосредственно связана с его плотностью, а последняя с водонепроницаемостью.
Виды коррозии бетона классифицируют по названию агрессивных веществ (В.В. Кинд) и механизму агрессивного влияния среды (В.М. Москвин). Во втором случае классификация является более общей.
По классификации В.М. Москвина к коррозии I вида относятся процессы, связанные с выщелачиванием извести (точнее, Са(ОН)2) из бетона, вследствие ее большей растворимости в воде по сравнению с другими гидратами. В настоящее время к коррозии I вида относят все процессы, связанные с растворением в воде веществ, входящих в бетон.
Основными путями фильтрации воды через бетон являются трещины и строительные швы. При определенных условиях возможна кольматация пор бетона гидроксидом кальция, который при достаточной концентрации СО2 подвергается карбонизации.
Для предотвращения или уменьшения интенсивности коррозии I вида особенно большое значение имеет плотность бетона. Вторым важнейшим направлением повышения коррозионной стойкости бетона является связывание Са(ОН)2 активными минеральными добавками, введенными в цемент или непосредственно в бетонные смеси.
Коррозия II вида обусловлена протеканием обменных реакций между продуктами гидратации цемента и кислотами или солями, воздействующими на бетон. Наиболее характерными разновидностями коррозии II вида являются углекислая, кислотная и магнезиальная коррозия. В результате воздействия кислот образуются соли кальция, обычно хорошо растворимые в воде. Кислоты взаимодействуют прежде всего с гидроксидом кальция, а затем с гидросиликатами кальция. Наряду с хорошо растворимыми солями, вымываемыми из бетона, при коррозии этого вида возможно образование малопрочных рыхлых масс SiO2*пН2О, Аl(ОН)3 и др. В первую очередь разрушаются поверхностные слои бетона и скорость разрушения будет определяться растворимостью продуктов реакции, скоростью обмена агрессивной среды у поверхности бетона и скоростью диффузии ионов через слой продуктов реакции.

Особенность углекислой коррозии заключается в том, что она осуществляется в два этапа. Сначала СО2, содержащийся в воде, образует СаСО3, уплотняющий бетон. Условия для растворения карбонатной пленки создаются при увеличении количества СО2 сверх равновесного и образовании гидрокарбоната. Избыточное по отношению к равновесному количество СО2 носит название агрессивной углекислоты.
Бетон нормальной плотности начинает разрушаться при рН<6,5, особо плотный при рН < 4,9 - 4.
Различие скорости коррозии под влиянием НСl и Н25О4 при одинаковом рН объясняется неодинаковой растворимостью продуктов коррозии - СаСl2 и Са5О4. По мере повышения концентрации кислот разница в стойкости различных видов цемента уменьшается.
Коррозию II вида вызывают соли магния, часто присутствующие в грунтовых водах и в значительном количестве содержащиеся в морской воде (15,5-18% от всего количества солей). Наряду с растворимыми и вымываемыми из бетона солями при магнезиальной коррозии образуется рыхлая аморфная масса Мg(ОН)2, уменьшающая прочность бетона. В морской воде магнезиальная коррозия усиливается вследствие повышения растворимости гид-роксида кальция и магния в присутствии NaСl.
До 2/3 магнезиальных солей в морской воде приходится на долю МgСl2, 1/3 - МgSО4. Наиболее опасной является магнезиаль-но-сульфатная коррозия, поскольку в результате реакций МgSО4 с Са(ОН)2 а также с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция образуется не только аморфный Мg(ОН)2, но и кристаллизуется гипс, объем которого больше суммарного объема исходных веществ, что вызывает значительные напряжения в цементном камне. Магнезиально-сульфатную коррозию можно считать смешанной (коррозией II и III вида).
Коррозия III вида развивается в бетоне от внутренних напряжений при накоплении в порах и капиллярах малорастворимых солей. Это может быть как результатом кристаллизации продуктов химических реакций, так и процесса кристаллизации при поглощении солей из агрессивных растворов.
Наиболее распространенной коррозией этого вида является сульфатная коррозия, которая происходит в цементном камне под влиянием анионов SO2-4, связанных с катионами Na+, Са2+ и Мg2+. В грунтовых водах обычно содержание SO2-4 не превышает 60 мг/л, в морской оно может достигать 2500-2880 мг/л. Для бетона нормальной плотности на портландцементе сульфаты, содержащиеся в воде-среде, оказывают слабое агрессивное воздействие при концентрации ионов SO2-4 уже свыше 300 мг/л, а сильное - свыше 500 мг/л. Разновидностями сульфатной коррозии являются сульфоалюминатная и гипсовая коррозия. Кристаллизация СаSО4*2Н2О имеет место только при концентрации SO2-4 более 300 мг/л. В присутствии ионов кальция кристаллизация СаSО4*2Н2О начинается при более низких концентрациях СаSО4 в растворе.
Коррозия бетона III вида может происходить не только при взаимодействии бетона с внешней средой, но и в результате разрушительных процессов, происходящих при химическом взаимодействии компонентов бетонной смеси. Характерным примером таких процессов является взаимодействие щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей. В портландцементе содержание растворимых соединений достигает 1-1,5% (в пересчете на Na2О). Источниками их являются глинистые компоненты шихты для получения клинкера и зола топлива. Значительная часть щелочей поступает в шихту с пылью печей, возвращаемой на обжиг. Щелочи могут накапливаться в бетоне также вследствие обменных реакций составляющих цементного камня с солями натрия, растворенными в природных водах. Реакционноспособны-ми в среде щелочей являются некоторые модификации кремнезема (тридимит, кристобалит, кремнеземистое стекло, опал, опока, трепел, халцедон и др.), встречающиеся в заполнителях. Продукты реакции между щелочами цемента и активным кремнеземом расширяются в объеме и создают разрушающее давление. Заполнитель с содержанием растворимого кремнезема более 50 ммоль/л считается потенциально способным к взаимодействию со щелочами цемента.
Наиболее действенным способом предупреждения рассматриваемой коррозии является ограничение содержания щелочей в цементе до 0,6%. Замедляются процессы щелочной коррозии при введении в цемент активных минеральных и некоторых других добавок (углекислый литий, альбумин и др.).
Строительные конструкции промышленных предприятий могут подвергаться агрессивному воздействию растворов щелочей-ка-устической и кальцинированной соды и др. Щелочестойкость бетона является относительно высокой в растворах низкой концентрации, однако в концентрированных растворах (>5000 мг/л) возможно значительное снижение прочности и разрушение бетона. Механизм щелочной коррозии заключается в повышении растворимости компонентов цементного камня, содержащих SiO2 и Аl2О3, и образовании щелочно-земельных силикатов и алюминатов.
Растворимость Са(ОН)2 в цементном камне при контактировании с растворами щелочей вследствие присутствия ионов ОН" значительно понижается. Наибольшую активность по отношению к щелочам проявляет С3А, несколько меньшую - С4АР, минимальную С35. При увеличении содержания трехкальциевого алюмината в клинкере в 2 раза щелочестойкость цементного камня снижается в 1,5-5 раз.
Бетоны на портландцементе показывают большую стойкость в растворах щелочей, чем бетоны на пуццолановых и шлакопортлан-дцементах, имеющих обычно большее содержание растворимых щелочью соединений. Коррозия бетона при воздействии щелочных растворов может быть отнесена к коррозии II вида, переходящей в последующем в коррозию I вида.
Наряду с цементным камнем при воздействии щелочей возможно разрушение заполнителей. Наиболее активно взаимодействуют с едкими щелочами заполнители из кислых горных пород. С едким натром возможно также взаимодействие карбонатных пород:
СаСО3 + 2Ка(ОН) <=> Са(ОН)2 + Na2СО3
Реакция сдвигается вправо при высоких концентрациях NаОН, когда резко уменьшается растворимость Са(ОН)2. Разрушение карбонатных пород в щелочных растворах в 7-8 раз менее интенсивно чем кислых горных пород.
Щелочная коррозия бетона возможна также при взаимодей ствии щелочей, содержащихся в цементе, с кремнеземом заполнителей.
Органогенная коррозия бетона развивается под влиянием органической агрессивной среды. На многих предприятиях пищевой, деревообрабатывающей, легкой и других отраслей промышленности образуются или используются продукты, содержащие органические кислоты.
Агрессивное действие органических кислот растет с увеличением их молекулярной массы. Из органогенных сред пищевой промышленности наиболее коррозионно активными по отношению к цементному бетону являются жиры и растительные масла. Растительные и животные жиры, взаимодействуя с Са(ОН)2, омыляются, образуя кальциевые соли жирных кислот и многоатомные спирты. Животные жиры при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу, в результате чего образуются глицерин и жирные кислоты. Оба эти продукта разрушают бетон.
Глицерин, обладающий кислотными свойствами, взаимодействует с Са(ОН)2:
Са(ОН)2 + 2С3Н8О3 = Са(С3Н7О3 )2 + 2Н2О
Разрушение цементного камня и бетона в этом случае идет по механизму коррозии III вида.
Значительной агрессивностью обладает продукция винодельческих предприятий и пивоваренного производства, содержащая спирты, сахара, органические кислоты. Так, например, этиловый спирт химически взаимодействует с известью цементного камня, образуя алкоголят кальция-соль, распадающуюся в присутствии воды. В данном случае разрушение бетона относится к III виду коррозии.
Сахарные растворы (предприятия кондитерской промышленности, плодоконсервные и др.) способствуют интенсивному развитию микрофлоры, выделению различных продуктов брожения, содержащих кислоты: масляную, молочную, уксусную.
Органогенные среды, характерные для болотных и торфяных почв, также способствуют коррозии II вида вследствие превращения органических веществ в гуминовые и другие кислоты.
Разрушения материалов под воздействием растительных и животных организмов называют биоповреждениями. С биологически активной средой контактируют гидротехнические сооружения, строительные конструкции сооружении на различных предприятиях пищевой промышленности и микробиологических производств. Например, мидии, поселяющиеся на поверхности подводных морских сооружений (до 40 кг на 1 м2) способны выделять до 12,2 см3 СО2 за 1 ч на 1 кг своей массы.
Ряд других живых организмов, поселяющихся на поверхности сооружений, особенно в период биоценоза (цветения воды), наоборот, поглощают из бетона углекислоту и свободный СаО. В обоих случаях развивается органогенная коррозия бетона.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Перед оформлением заказа нужно понять структуру бетонной смеси и определиться с ее составом.
• Как понять, какую смесь для бетона выбрать?
• Качественная бетонная заливка - правила ухода за свежим бетоном.