Эскорт-агентство класса Люкс MOLLY/24
| Новости | Организации | Описания | Форум | Публикации | Регистрация | Контакт | "Русский бетон" |

Коррозия и защита бетона железобетонных конструкций

Розенталь Н. К. , Москва, Россия
Основоположником науки о коррозии бетона профессором В. М. Москвиным предложено подразделять меры защиты железобетонных конструкций от коррозии на первичные и вторичные. К первым относятся мероприятия, которые реализуются на стадии изготовления и возведения конструкций, вторые - выполняются как дополнительные, если первичная защита не обеспечивает требуемой долговечности конструкций.

Первичная защита железобетонных конструкций обеспечивается применением бетонов, имеющих повышенную коррозионную стойкость к агрессивным воздействиям среды и способность защищать стальную арматуру от коррозии. Меры первичной защиты включают в себя использование для изготовления бетона и железобетона материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость (определённые виды вяжущих, заполнителей, модификаторов, сталей для арматуры), выбор составов и технологических режимов, обеспечивающих повышенную стойкость бетона в агрессивной среде и его низкую проницаемость. К мерам первичной защиты относится также назначение требований к категории трещиностойкости, ширины расчётного раскрытия трещин, толщины защитного слоя.

Вторичная защита включает в себя применение различного рода химически стойких и мало проницаемых антикоррозионных покрытий, оклеечной изоляции, футеровок, уплотняющих пропиток.

Профессором В. М. Москвиным исследованы и классифицированы основные процессы коррозии бетона в агрессивных средах и указаны основные пути повышения коррозионной стойкости бетона. Важнейшей мерой первичной защиты является выбор и реализация бетонов, обладающих повышенной химической стойкостью и малой проницаемостью. Классификация процессов коррозии бетона включает в себя три основных вида коррозии. Рассмотрим меры первичной защиты, рекомендуемые в условиях коррозии различных видов с учётом разработок В. М. Москвина и учёных созданной им коррозионной школы.


Коррозия первого вида

Коррозия первого вида - включает в себя физические процессы растворения цементного камня без химического взаимодействия со средой. Основной компонент цементного камня - гидроксид кальция - имеет определённую растворимость (около 1,2 г/л). Растворимость цементного камня увеличивается в случае, если вода имеет низкое содержание растворённых кальциевых солей, если в ней имеются соли, увеличивающие ионную силу раствора, например хлорид натрия. В настоящее время процессы коррозии первого вида достаточно изучены. Установлено, что при растворении гидроксида кальция из состава цементного камня на поверхности бетона остаётся пористый несвязанный слой мало растворимых веществ: гидратов кремния, алюминия, железа, зёрна песка и других. В случае если условия эксплуатации бетона таковы, что это слой длительно сохраняется на поверхности и со временем увеличивается, процесс коррозии бетона развивается с замедлением во времени по логарифмическому закону. Если образующийся рыхлый слой продуктов коррозии разрушается, например, смывается потоком воды, процесс разрушения бетона после некоторого начального периода развивается по линейному закону. Знание этих закономерностей и получаемые экспериментально в ускоренных испытаниях кинетические коэффициенты позволяют прогнозировать глубину коррозии бетона в большие периоды времени.

Обследования различных сооружений из бетона, находившихся длительное время в контакте с чистой водой (подводные элементы мостов и плотин, колонны в резервуарах чистой воды на водопроводных станциях и другие), показали, что в отсутствие сквозной фильтрации разрушение происходит с достаточно малой скоростью и составляет для плотного бетона не более 5 мм за 50 лет. При фильтрации воды сквозь бетон в напорных сооружениях (трубы, плотины, резервуары) коррозия бетона первого вида может вызвать серьёзное повреждение конструкций.

Основными мерами первичной защиты бетона в условиях коррозии первого вида является понижение проницаемости бетона, создание конструкций, не фильтрующих воду.


Коррозия второго вида

Коррозия второго вида характеризуется химическим взаимодействием агрессивных растворов с цементным камнем с образованием хорошо растворимых соединений или веществ, не обладающих вяжущими свойствами. Типичным случаем является действие на бетон растворов кислот и магнезиальных солей. Скорость разрушения бетона в этом случае сильно зависит от растворимости образующихся химических продуктов. Например, наиболее быстрое разрушение вызывает соляная кислота, образующая с гидроксидом кальция цементного камня хорошо растворимый хлорид кальция. С меньшей скоростью разрушается бетон в растворах серной кислоты - образующийся сернокислый кальций (гипс) имеет ограниченную (около 2,1 г/л) растворимость в воде. Кислоты, образующие практически нерастворимые соединения, например щавелевая кислота, наиболее медленно разрушают бетон. Скорость коррозии второго вида зависит от концентрации агрессивного раствора и скорости его подвода к поверхности бетона. При свободном омывании бетона агрессивным раствором коррозия развивается быстрее, чем при поступлении раствора к поверхности конструкции через слабо фильтрующий грунт.

При изучении кинетики коррозии второго вида рассматривается два случая: с сохранением на поверхности бетона увеличивающегося во времени слоя продуктов коррозии и с его систематическим удалением. Как было сказано выше, во втором случае коррозия бетона ускоряется. Используются те же принципы прогнозирования глубины повреждения бетона, что при коррозии первого вида, определяется количество кальция перешедшего в раствор или количество прореагировавшего с бетоном агрессивного вещества и рассчитывают толщину повреждённого слоя за проектные сроки службы конструкций.

Поскольку цементный камень, изготовленный на портландцементе, имеет щелочную основу, уменьшить скорость коррозии бетона в кислых средах, изменяя в известных пределах состав портландцементного вяжущего, не представляется возможным. Экспериментальные работы и обследование состояния конструкций из бетона, подвергавшихся этому виду коррозии, показывают, что с уменьшением проницаемости бетона лишь при малых концентрациях кислот и магнезиальных солей наблюдается некоторое повышение стойкости. Защита конструкций в этом случае осуществляется преимущественно мерами вторичной защиты.


Коррозия третьего вида

Коррозия третьего вида вызывается прониканием растворов солей и других соединений в бетон и кристаллизацией их в порах бетона с большим увеличением объёма твёрдых фаз. Типичным примером коррозии третьего вида является взаимодействие бетона с растворами сульфатов. Образующиеся в бетоне гипс и гидросульфоалюминаты кальция, будучи кристаллогидратами, заполняют поры и вызывают внутренние напряжения вплоть до разрушения бетона. По указанному механизму бетон разрушают соли-кристаллогидраты. Разрушение бетона по механизму коррозии третьего вида вызывают также растворы карбамида. Разработаны способы прогнозирование глубины разрушения бетона. Расчёты выполняются с использованием экспериментальных данных о скорости накопления вещества в бетоне и критических количествах его, вызывающих разрушение. Коррозия третьего вида встречается на практике достаточно часто в случаях, когда конструкции из бетона подвергаются воздействию растворов солей с испарением воды с поверхности конструкции.

Меры первичной защиты от коррозии третьего вида включают в себя применение вяжущих с пониженной реакционной способностью по отношению к агрессивным компонентам среды (сульфатостойкие цементы и цементы нормированного минералогического состава) и все способы, ведущие к снижению проницаемости бетона. С появлением в последние годы эффективных пластификаторов и модификаторов, позволяющих в производственных условиях на рядовых цементах получать бетоны с марками по водонепроницаемости W12-W20, задача защиты бетона от коррозии третьего вида существенно облегчена. В подавляющем большинстве случаев защита бетона может выполняться мерами первичной защиты без применения различного рода покрытий.


Коррозия в газовых средах

В сухих газовых средах при нормальной температуре бетон на портландцементе не разрушается. При повышенной относительной влажности воздуха агрессивные газы растворяются в поровой жидкости и образуют кислоты, которые химически взаимодействуют с минералами цементного камня.

Исследования коррозии бетона в агрессивных газовых средах позволило выделить следующие группы газов, отличающихся особым механизмом взаимодействия с бетоном:

  • газы первой группы (углекислый газ, фтористый водород и другие газы) - с гидроксидом кальция цементного камня образуют практически нерастворимые соли, не образующие кристаллогидратов и мало изменяющие пористость и прочность бетона. Вследствие образования плотных нерастворимых слоёв на поверхности пор и капилляров в цементном камне остаётся значительное количество исходных продуктов гидратации цемента, блокированных продуктами реакции. Разрушение бетона наблюдается лишь при высокой концентрации газов. Взаимодействие с гидроксидом кальция цементного камня вызывает сильное снижение рН бетона и утрату им пассивирующего действия по отношению к стальной арматуре;
  • газы второй группы (сернистый и серный ангидрит, сероводород) - при взаимодействии с гидроксидом кальция цементного камня образуют растворимые соли-кристаллогидраты, не образуют на поверхности капилляров малопроницаемых слоёв, процесс химического взаимодействия может идти до полного разрушения минералов цементного камня. Значительное увеличение объёма вызывает растрескивание и полное разрушение бетона. Вследствие относительно небольшой растворимости, диффузия солей из зоны реакции вглубь бетона незначительна, наблюдается хорошо выраженное послойное разрушение бетона. Основной продукт реакции - гипс;
  • газы третьей группы - образуют при растворении в воде сильные кислоты, взаимодействующие с гидроксидом кальция и образующие хорошо растворимые гигроскопические соли кальция. Химические процессы идут до полного разрушения минералов цементного камня. Соли активно поглощают влагу их газовой среды и быстро диффундируют вглубь бетона. В присутствии гидроксида кальция образуют двойные соли типа оксихлоридов, что временно повышает плотность и прочность бетона.
В зависимости от отношения образующихся солей к стальной арматуре газы третьей группы подразделяются на две подгруппы: к первой подгруппе отнесены газы, продукты взаимодействия которых с гидроксидом кальция агрессивны по отношению к стали в щелочной среде (хлор, хлористый водород, пары монохлоруксусной кислоты и др.). Ко второй подгруппе отнесены газы, которые с гидроксидом кальция образуют соли, не вызывающие в щелочной среде интенсивной коррозии стали (оксиды азота, аммиак и другие).

Меры первичной защиты бетона в среде газов первой и частично второй группы (при образовании малорастворимых солей) состоят в повышении непроницаемости бетона. В средах с газами второй и третьей группы повышение непроницаемости даёт положительный эффект лишь при малой концентрации газов и пониженной влажности. Во влажных средах, содержащих газы второй и третьей группы, как правило, требуются меры вторичной защиты.


Коррозия в твёрдых средах

К агрессивным твёрдым средам относят грунты различного состава, соли, в частности минеральные удобрения, другие химические продукты, находящиеся в твёрдом состоянии (товарные продукты, пыль). Основные признаки агрессивности твёрдых сред по отношению к бетону: растворимость в воде, гигроскопичность, способность в растворённом состоянии реагировать с компонентами цементного камня или кристаллизоваться в порах бетона. Классификация твёрдых агрессивных сред приведена в СНиП 2.03.11-85. Сухие грунты не вызывают коррозию бетона. При увлажнении грунтов имеющиеся в них соли растворяются и могут реагировать с цементным камнем бетона. При малом содержании влаги в грунте и в бетоне концентрация солей в жидкой фазе высока, однако, ввиду малого заполнения пор и капилляров влагой диффузия солей в бетон сильно ограничена. При ограниченном содержании солей в грунте с повышением влажности концентрация солей в жидкой фазе может уменьшиться или остаться на прежнем уровне (в присутствии малорастворимого гипса), в то же время с заполнением пор цементного камня водой диффузионная проницаемость бетона увеличится. Указанная экстремальная зависимость скорости коррозии от влажности грунта получена профессором С. Н. Алексеевым с сотрудниками в исследованиях коррозии железобетонных труб со стальным цилиндром.


Коррозия в условиях капиллярного всасывания и испарения растворов солей

Мало изученным вопросом остаётся коррозия бетона в условиях капиллярного всасывания и испарения растворов солей. Выполненные лабораторные и натурные обследования состояния бетонных конструкций показывают, что эти условия являются весьма агрессивными по отношению к бетону. Известно много случаев разрушения бетона от подобных воздействий. Отмечается усиленное разрушение бетона в осенний и весенний периоды года, когда пониженная температура среды способствует образованию кристаллогидратов в бетоне. Имеющаяся в СНиП 2.03.11-85 оценка степени агрессивного действия растворов солей при наличии испаряющей поверхности требует существенной детализации. В нормах лишь указано общее содержание в растворах хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей. Поскольку важную роль играет способность солей образовывать кристаллогидраты с большим увеличением объёма твёрдых фаз (сравним сульфаты в виде гипса CaSO4.2H2O и мирабилита Na2SO4.10H2O), способность перемещаться по поверхности (для Na2SO4.10H2O), реагировать с цементным камнем, необходима дифференцированная оценка различных солей.

Поскольку скорость коррозии бетона в условиях капиллярного всасывания и испарения солей сильно зависит от скорости капиллярного переноса агрессивных растворов в бетоне, максимальный защитный эффект получается при использовании бетонов с модификаторами водоредуцирующего и гидрофобизирующего действия.

Поскольку скорость коррозии бетона в условиях капиллярного всасывания и испарения солей сильно зависит от скорости капиллярного переноса агрессивных растворов в бетоне, максимальный защитный эффект получается при использовании бетонов с модификаторами водоредуцирующего и гидрофобизирующего действия.


Коррозия в маслах и органических средах

При длительном воздействии минеральных масел прочность бетона постепенно снижается (за 7 лет до 30% от первоначальной - исследования Н. М. Васильева), что объясняется снижением прочности контактов срастания гидратированных соединений цементного камня. Отсутствие воды в пропитанном маслом бетоне исключает гидратацию клинкера и самозалечивание трещин. Агрессивное действие технических масел связано также с действием имеющихся в них кислот и поверхностно-активных веществ. Агрессивное действие растительных и животных масел вызвано химическим взаимодействием гидроксида кальция цементного камня с органическими кислотами из состава масел с образованием продуктов, не обладающих вяжущими свойствами. Нефтепродукты могут оказывать агрессивное воздействие на бетон. Степень их воздействия увеличивается от неагрессивной до среднеагрессивной в ряду: бензин, керосин, дизельное топливо, сернистый мазут, сернистая нефть.

Значительные исследования коррозии бетона в органических средах выполнил Ростовский Промстройниипроект. Предложена следующая классификация органических сред:

группа А - органические соединения, не растворяющиеся в воде и не вступающие в химическое взаимодействие с цементным камнем;

группа Б - органические соединения, растворимые в воде, не вступающие в химическое взаимодействие с цементным камнем;

группа В - органические соединения, способные вступать в химическое взаимодействие с цементным камнем.

Сильноагрессивное воздействие на бетон оказывают органические кислоты: уксусная, лимонная, молочная концентрацией свыше 0,05 г/л, а также жирные водонерастворимые кислоты (каприловая, капроновая и другие). Агрессивность водных растворов многоатомных спиртов определяется в основном процессами адсорбции на цементном камне, что увеличивает степень заполнения пор водой и ускоряет разрушение бетона при воздействии отрицательных температур. Для ряда органических продуктов степень агрессивного воздействия на бетон приведена в СНиП 2.03.11-85. Номенклатура органических веществ чрезвычайно велика. Исследования в этом направлении следует продолжить с учётом потребностей химической промышленности.


Биологическая коррозия

Под биологической коррозией понимают процессы повреждения бетона, вызванные продуктами жизнедеятельности живых организмов, в первую очередь бактерий, грибов и морских организмов, поселяющихся на поверхности конструкций. По масштабам повреждения конструкций и сооружений наибольшее значение имеет ущерб, вызываемый тионовыми бактериями. Известны массовые повреждения канализационных сооружений, связанные с разрушением бетона серной кислотой, выделяемой тионовыми бактериями.

Процесс коррозии бетона, вызываемой тионовыми бактериями, представляется в настоящее время следующим образом. В анаэробной среде воды, загрязнённой органическими веществами, развиваются сульфатредуцирующие бактерии. Используя в своём жизненном цикле серосодержащие соединения, они выделяют сероводород. Сероводород перемещается в аэробную зону, где тионовыми бактериями превращается в серную кислоту, которая разрушает бетон. Количество образующейся серной кислоты таково, что значение рН конденсата на стенах сооружений достигает значений 1-2, а скорость разрушения бетона 1-2 см в год. Сооружение быстро выходит из строя. Экологически обоснованными представляются методы защиты, связанные с аэрацией сточных вод. При этом создаются условия, при которых образование сероводорода становится невозможным. Это направление развивается профессором В. М. Васильевым в ГАСУ в г. Санкт-Петербурге.

Натурные испытания бетонов на цементных вяжущих, показали, что в сильно агрессивной среде разрушение цементных бетонов, даже особо низкой проницаемости, остаётся достаточно быстрым. Попытки применить биоцидные добавки, подавляющие жизнедеятельность тионовых бактерий, пока не имели успеха. При высокой концентрации сероводорода в газовой среде требуется вторичная защита (химически стойкие полимерные материалы в виде плёнок, толстослойных покрытий, скорлуп). Значительные повреждения цементных штукатурок и бетона наблюдаются в предприятиях пищевой промышленности, где имеются проливы технологических растворов, содержащих органические вещества. Помимо агрессивного действия этих веществ, определённую роль играют поселяющиеся в материале бактерии, которые выделяют кислоты и тем ускоряют разрушение цементных материалов.

Специфическим видом повреждения цементных штукатурок и бетона является коррозия, вызванная жизнедеятельностью низших грибов. Грибная флора на поверхности конструкций весьма многообразна и насчитывает большое число видов. Наиболее распространённая форма повреждения при действии грибков - превращение бетона и штукатурки в сыпучую несвязанную массу, при этом разрушаются также декоративные покрытия. Разработан и широко применяется метод защиты цементного бетона и штукатурки с применением биоцидов, водимых в бетон (раствор) или наносимых на поверхность конструкций.

Существенные повреждения морских сооружений вызывают живые организмы, поселяющиеся на поверхности конструкций, преимущественно моллюски. Выделяя при дыхании углекислоту и воздействуя не бетон механически, они разрушают поверхность бетона. Как показали обследования, за 30 лет эксплуатации глубина разрушения бетона может достигать 10-15 мм. В районах с жарким климатом отдельные виды моллюсков-камнеточцев проникают в бетон на глубину 10 см и более, оставляя позади себя цилиндрические ходы диаметром около 1 см. Большое число подобных ходов делает бетон непригодным для эксплуатации. Средства борьбы с подобными повреждениями разработаны недостаточно. Одним из возможных способов защиты является замена карбонатного заполнителя на более прочный и стойкий заполнитель из изверженных пород.


Деструкция бетона при замораживании и оттаивании

Повреждение бетона при замораживании и оттаивании развивается вследствие изменения объёма отдельных фаз и структурных элементов бетона. Увеличение объёма воды при переходе в лёд, различие в коэффициентах линейного расширения продуктов гидратации цемента, клинкерных зёрен и зёрен мелкого и крупного заполнителя создают предпосылки для появления внутренних напряжений в бетоне при замораживании и оттаивании. Не рассматривая в данной статье вопросы морозостойкости бетона, отметим лишь случаи быстрого разрушения бетона при воздействии на него растворов солей и отрицательных температур.

При замораживании бетона, насыщенного разбавленным раствором соли, в начальный период охлаждения часть воды в крупных порах превращается в лёд. С замерзанием части воды концентрация солевого раствора в порах увеличивается. Дальнейший переход воды в лёд происходит постепенно по мере понижения температуры. При температуре эвтектики в твёрдое тело превращается оставшийся объём солевого раствора.

При высокой начальной концентрации раствора с понижением температуры в кристаллическую форму переходит соль. По достижении эвтектической точки в твёрдое тело превращается весь объём раствора. Наибольшая скорость разрушения бетона наблюдается в случае, если концентрация раствора соли равна приблизительно 5%. Такая зависимость от концентрации характерна для растворов, имеющих различную химическую природу, в том числе для растворов хлористого натрия, хлористого кальция, мочевины, этилового спирта. Разрушение бетона в растворах происходит примерно в 20-40 раз быстрее, чем в случае замораживания бетона, насыщенного водой.

Считается, что ускорение разрушения обусловлено несколькими факторами: для солевых растворов увеличением вязкости при понижении температуры и вымораживании воды в случае, если в исходном состоянии раствор имел малую концентрацию, и образованием кристаллогидратов, если раствор имел высокую концентрацию. Однако оба эти объяснения не приемлемы, если бетон замерзает в спиртовом растворе. Более вероятной причиной ускоренного разрушения бетона при замораживании в растворах является образование малопроницаемого слоя при заполнении пор кристаллами льда или кристаллогидратов в зоне фронта замораживания. Это затрудняет отток воды и создаёт условия для возникновения высокого давления в порах и капиллярах при замораживании последующих порций воды за фронтом замораживания.

Не исключая указанный механизм деструкции бетона при замораживании, учёные Германии развивают идею об ускоренном разрушения бетона при замораживании вследствие образования дополнительного количества эттрингита в структуре цементного камня. На стойкость бетона в условиях переменного замораживания и оттаивания оказывает влияние уровень напряжённого состояния бетона. Работами В. М. Москвина и А. М. Подвального показано, что при воздействии растягивающих и изгибающих напряжений, составляющих 0,1-0,25 от разрушающих и сжимающих напряжений 0,4-0,5 от разрушающих скорость морозной деструкции бетона сильно увеличивается. Эти пороговые напряжения ещё более понижаются, если замораживание бетона происходит не в воде, а в растворе соли.

Применение модификаторов пластифицирующего и воздухововлекающего (микрогазообразующего) действия, вызывающих образование в бетоне не заполненных водой буферных пор, существенно повышает морозостойкость бетона.

В отечественной строительной практике разработаны бетоны марок по морозостойкости до F1000. Эффективность их демонстрируется опытом эксплуатации Кислогубской приливной станции в Баренцевом море. Конструкции этой станции в приливно-отливной зоне за более чем 25 лет эксплуатации претерпели свыше 10 тыс. циклов замораживания и оттаивания без ухудшения эксплуатационных свойств бетона. Принципиально проблема получения бетонов высокой морозостойкости решена.

В зарубежных разработках много внимания уделяется методам испытаний бетона на морозостойкость. В странах, ориентированных на американские нормы ASTM, испытание бетонов заканчивается определением фактора долговечности, под которым понимают отношение величины динамического модуля упругости бетона, полученной после 300 циклов переменного замораживания и оттаивания, к аналогичной величине, полученной до замораживания и оттаивания. Численное значение фактора долговечности, при котором бетон считается морозостойким, в стандарте ASTM не нормировано. Требования к бетону устанавливаются путём назначения технологических показателей: вида цемента, состава бетона, вида и дозировки модификаторов и других показателей. Практикуется микроскопическая оценка пористости бетона с подсчётом "фактора расстояния" - расчётного расстояния между воздушными порами.

Автор: Розенталь Николай Константинович, ГУП НИИЖБ, г. Москва, РФ, заведующий сектором коррозии бетона лаборатории коррозии и долговечности бетонных и железобетонных конструкций, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.



| Новости | Организации | Описания | Форум | Публикации | Ресурсы | Регистрация | "Русский бетон" |
Copyright © 2000 - 2004 Leonid Evteev. Авторские права охраняются.
Воспроизведение материалов или их частей в любом виде без письменного разрешения запрещено.
 
  Яндекс цитирования