Коррозия бетона

   Углекислота в воде диссоциирует в две ступени:

                              Н₂С0₃ ↔Н⁺+НС0₃^–;   (1)

                              НСО₃↔Н⁺+СО₃^–.    ₍₂₎

   Следовательно, в воде устанавливается подвижное  равновесие между H₂C0₃ ↔2H⁺+CO₃^2–.

   Чем больше в воде содержится HCO₃^–, тем больше в равновесии с этим анионом должна быть С0₂. Если же количество С0₂ превышает равновесие, то оно способно реагировать с цементным камнем с образованием новых количеств СаС0₃, т.е. такая углекислота будет агрессивной.

   Константы диссоциации для этих реакций  равны:

                              

                            

   Из  этих уравнений следует, что соотношение  между отдельными формами зависит  от концентрации водородных ионов рН (табл. 4.8). 

   Таблица 1

   Соотношение форм состояния углекислоты в  зависимости от рН воды (по О.А. Алексину)

 

   Для устойчивого состояния НСО, в  присутствии ионов необходимо некоторое количество СО₂. Увеличенное количество С0₂ сверх равновесного создает условия для растворения карбонатной пленки, а вода приобретает агрессивные свойства. Поэтому избыточное сверх равновесного количество С0₂ называют агрессивной углекислотой.

   Если  поверхность бетона контактирует с  водой, содержащей углекислоту, то будет  нейтрализоваться гидроксид кальция с образованием карбоната кальция. Затем новые количества углекислоты будут растворять и вновь образовавшийся карбит кальция, и существовавший в поверхностном слое как результат карбонизации цементного камня углекислотой воздуха. При этом процесс идет с поверхности вглубь бетона и его интенсивность будет определяться концентрацией углекислоты в водной среде.

   Опасность углекислотной коррозии зависит  от условий контакта бетона с водой.

   При свободном омывании водой поверхности бетона массивных сооружений, когда процесс коррозии происходит при диффузионном контроле потока гидроксида кальция из глубины к поверхности бетона, содержание в воде углекислоты будет усиливать растворяющее действие воды пропорционально содержанию углекислоты. При этом, так как С0₂ выводит в раствор Са²⁺-ион в виде Са(НС0₃)₂, на каждый моль будет удаляться 1/2 моля Са²⁺-иона или в расчете на соотношение по массе - на каждые 100 мг С0₂ в растворе будет удаляться 64 мг СаО.

   Если  принять во внимание растворимость  в воде Са(ОН)₂ - 1200 мг/л (в расчете на СаО), то следует отметить, что в этих условиях присутствие С0₂ в воде незначительно (примерно на 5%) будет увеличивать агрессивность воды. Если же карбонатная пленка на поверхности бетона защищает его от коррозионного воздействия других веществ, агрессивных по отношению к цементному камню, например, в морской воде, то в этом случае практически не растворимый в воде СаС0₃, составляющий пленку, растворяется в воде, содержащей углекислоту, и защитное действие карбонатной пленки прекращается.

   При фильтрации под напором через  тонкостенные конструкции из бетона и железобетона взаимодействие Са²⁺ с Са(ОН)₂ будет в первоначальный момент уплотнять бетон. Однако, затем коррозионное действие воды, содержащей С0₂, будет усиливаться за счет более интенсивного разрушения цементного камня в результате не только растворения гидроксида кальция, но и обменных реакций между минералами цементного камня и углекислотой.

   Отметим, что при фильтрации через бетон  воды, содержащей углекислоту, можно  судить о характере процесса. Если в фильтрате содержится Са(ОН)₂, то это значит, что углекислота задерживается в бетоне в виде Са-С0₃, что уплотняет бетон.

   Если  же в фильтрате содержится Са(НС0₃)₂, то будет происходить усиление фильтрации за счет растворения как СаС0₃, так и Са(ОН)₂.

   Следовательно, появляется опасность коррозионного  воздействия воды, содержащей углекислоту.

   В этом случае последовательность разрушения бетона по В.М. Москвину протекает следующим  образом:

• зона I - «зона разрушения» (насыщенная бикарбонатом вода разрушает постепенно цементный камень; бикарбонат уносится водой, а на месте остаются не обладающие вяжущими свойствами продукты разрушения цементного камня с включениями зерен заполнителя); насыщенный раствор бикарбоната, встречая на своем пути гидроксид кальция, выпадает постепенно в малорастворимый карбонат кальция;
• зона II - «зона уплотнения» (в этой зоне происходит сужение каналов, по которым движется вода); далее фильтрующаяся вода, насыщенная углекислотой, растворяет цементный камень по механизму коррозии I вида, т.е. начинается
• зона III - «зона выщелачивания».

   Основными факторами, влияющими на развитие процесса углекислотной коррозии, являются площадь  реагирующей поверхности цементного камня и скорость движения воды по отношению к поверхности цементного камня.

   Характеристикой интенсивности процесса углекислотной  коррозии является количество СаО (в виде бикарбоната) в агрессивном растворе, образующееся в течение одной мин. (V_Cao)- Многочисленные исследования по влиянию на этот вид коррозии различных цементов показали, что все они нестойки против углекислотной коррозии. Несколько более высокая стойкость глиноземистого и пуццоланового цементов объясняется в основном уплотняющим действием продуктов коррозии (в первом случае - глинозема, во втором - кремнезема), препятствующих свободной диффузии ионов Са⁺ к поверхности цементного камня.

   Кроме этого, положительное влияние оказывает  повышенная плотность бетона.

   Дополнительным  требованием при этом виде коррозии является использование вместо известняковых - плотных изверженных пород.

   Все перечисленное выше является не только факторами, от которых зависит развитие механизма процесса коррозии при действии углекислых вод, но и путями повышения стойкости конструкций из бетона и железобетона при действии углекислых вод.

   Рассмотрим  теперь, как протекает коррозия II вида при действии на бетон различных  кислот. 

   1.2 КОРРОЗИЯ БЕТОНА ПРИ ДЕЙСТВИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ 

   Очень часто на предприятиях, имеющих наличие  неорганических (минеральных) кислот (соляная, серная, углекислая и др.), можно встретить следующие типичные случаи разрушения конструкций из бетона и железобетона (рис. 1).

   Механизм  процесса коррозии бетона в кислой среде протекает в форме реакций  замещения. Образующиеся при этом продукты реакции непрочны, легко растворяются и уносятся водой или выделяются в аморфном состоянии.

   Последовательность  реакции можно представить следующим  образом:

   Са(ОН),+Н₂S0₄(или 2HC1;HN0₃)=CaS0₄(или СаС1₂;Ca(NO,)₂)+2Н₂0 (5)

                3CaO2Si0₂3H₂0+3H₂S0₄=3CaS0₄+2Si0₂aq+H₂0,          (6)

                ЗСаО•2Si0₂•ЗН₂0+6НС1=ЗСаС1₂+2SiO₂•aq+Н₂0.       (7) 

   При действии кислот на алюминаты и ферриты  также образуются аморфные, бессвязные массы А1(ОН)₃, Fe(OH)₂.

   Скорость  коррозионного процесса зависит  от растворимости продуктов реакции: чем больше растворимость продуктов  реакции и чем интенсивнее  они уносятся агрессивным раствором, тем быстрее идет разрушение цементного камня. В этом случае ограничивающими скорость коррозии факторами являются, в первую очередь, реакционная емкость агрессивной среды и скорость ее обмена у поверхности бетона.

Если  же продукты реакции малорастворимы, то, оставаясь на месте образования, они замедляют доступ агрессивной среды к внутренним еще не поврежденным участкам цементного камня. В этом случае ограничивающим фактором скорости коррозии является уже диффузия ионов через образовавшийся слой продуктов реакции. Скорость диффузии ионов зависит от градиента их концентрации, а также от толщины и диффузной

Рисунок  1

    Разрушение  конструкций из бетона и железобетона при  действии кислот

    Сверху  вниз: а - стен; б - балок; в - перекрытия; г - фундаментов 

проницаемости слоя, образовавшегося на поверхности цементного камня.

   Г.В. Любарской были получены количественные характеристики эффективных коэффициентов диффузии кислот и предложено разделить кислоты на 3 группы :

• к 1 группе относятся кислоты, в результате действия которых на цементный камень бетона образуется слой продуктов коррозии, состоящий из
• гелей кремнекислоты, гидроксидов железа и алюминия и незначительного количества кристаллических включений - солей кальция; это - соляная, азотная, хлористоводородная и другие сильные минеральные кислоты;

 
   

• ко 2 группе относятся кислоты с растворимостью солей менее 1 г/л, которые при  небольших концентрациях образуют слой продуктов коррозии, состоящий  из тех же продуктов коррозии, что и при действии кислот 1 группы,

 

   Рисунок 2

   Глубина разрушения образцов из цементного камня  и цементного раствора при действии растворов  HCI

   1.2- дробленый цементный камень, 3...5- цементный камень; концентрация HCI: / - 0,5 Н; 2, 3 - 0.1 Н; 4 - 0,01 Н; 5-0,001 Н 

   

• а при высоких  концентрациях - слой, состоящий из тех же солей (кремнекислоты, Fe(OH)₂, Аl(ОН)₃) со значительным содержанием солей кальция в твердой фазе, что возможно при повышении концентрации аниона кислоты над растворимостью ее кальциевой соли; присутствие солей кальция повышает плотность слоя продуктов коррозии и снижает скорость коррозионного процесса; к этой группе относится фосфорная, серная, сернистая и другие кислоты;
• к 3 группе относятся кислоты, растворимость кальциевых солей которых менее 0,002 г/л; кислоты, образующие при всех значениях концентрации слой продуктов коррозии, состоящий из гелей кремнекислоты и гидроксидов железа и алюминия, уплотненных нерастворимыми солями кальция; к этой группе относятся щавелевая, фтористоводородная и кремнефтористоводородная кислоты.

   Образовавшиеся  на поверхности бетона продукты коррозии затрудняют доступ агрессивной среды  к внутренним, еще не поврежденным частям цементного камня и значительно снижают скорость коррозионного процесса, что видно из данных, приведенных на рис. 2.