Коррозия бетона

   Как видно, в начальный период времени, когда слой продуктов коррозии еще  незначителен, интенсивность коррозии определяется скоростью химической реакции - процесс находится в кинетической области. По мере роста слоя продуктов коррозии на поверхности бетона процесс замедляется и при дальнейшем увеличении слоя продуктов коррозии интенсивность коррозии определяется только диффузией агрессивных ионов через прокорроди-рованный слой к еще не поврежденному бетону - процесс переходит в диффузионную область.

   Для процессов  коррозии, находящихся в диффузионной области, может быть использовано уравнение, полученное на основе описания кинетики гетерогенной реакции (уравнение Таммана), которое в данном случае может быть записано в следующем виде:

   

   где - глубина коррозионного повреждения;

   А_б- коэффициент, постоянный для данного состава бетона, м³/кг^1/2;

   D^* - эффективный коэффициент диффузии агрессивного вещества через слой продуктов коррозии см²/ч;

   С₀ - концентрация агрессивного вещества, кг/м³;

   Э - химический эквивалент, представляющий собой соотношение масс оксида кальция и кислоты, вступающих во взаимодействие, определяемый по уравнению:

   

   где т и n- стехиометрические коэффициенты уравнения реакции между кислотой и оксидом кальция;

   М_Са0 и М_кисл - молекулярные массы оксида кальция и кислоты; т - время воздействия агрессивной среды на бетон, ч.

   Исходя  из равенства потока агрессивного вещества и количества оксида кальция, пошедшего  на его нейтрализацию, Л.Н. Карнауховой и В.Г. Петровым-Денисовым расчетом была подтверждена применимость уравнения Таммана

   Согласно  уравнению химической реакции в  случае действия на цементный камень, например, раствора НСl, имеем

      mM_CaO   nM_кисл

   Са О +2НС1->СаС1₂+Н₂0.

    q₁   q₂

   Выделим в цементном камне кубический объем с длиной ребра, равной единице  (5=1). По уравнению химической реакции для потока агрессивного вещества, прошедшего через этот объем, можно записать:

   

   При этом - количество СаО, которое содержалось в единичном объеме цементного камня и вступило в химическое взаимодействие с агрессивной средой, может быть определено как Ц*к, где Ц - расход цемента, кг/м³; к - содержание СаО в цементе, доли единицы.

   Тогда количество агрессивного вещества q₂, вошедшее во взаимодействие с q_b определится как: 

   Согласно  уравнению Фика для потока агрессивного вещества q₂, вошедшее во взаимодействие с q₁ определится как: 

   Для ≠1 

   откуда: 

   Интегрируя , получим: 

   При τ = 0 имеем = 0, так как слой продуктов коррозии еще не образовался. Тогда постоянная интегрирования С равна нулю.

    Решая относительно и введя обозначения 

   Чем менее растворимы новообразования и чем плотнее их структура, тем в большей степени замедляется скорость коррозии. Это положение использовано при разработке способа повышения стойкости бетона в агрессивной среде путем обработки его поверхности раствором кремнефтористоводородной кислоты.

    Реакция между цементным камнем и H₂SiF₆ протекает следующим образом:

   З Са ( О Н ) ₂ H ₂ Si F ₆ = 3 Ca F₂ + Si ( O H ) ₂ + 2 Н ₂ 0.

   Обработка производится слабым раствором, поэтому  не вызывает разложения минералов цементного камня. Образование фторида кальция CaF₂ идет в основном за счет свободного гидроксида кальция. Растворимость CaF₂ низкая и поэтому он вместе с теряющим гидратную воду и уплотняющим гелем Si(OH)₄ образует плотную и устойчивую пленку, обеспечивающую защиту поверхности бетона от действия внешней среды и замедление скорости его коррозии.

   Этот  же принцип уплотнения поверхностных  слоев может быть распространен и на другие кислоты, соли кальция которых обладают низкой растворимостью.

   Следует отметить, что процессы коррозии цементного камня при действии кислоты можно  использовать и в противоположном  направлении, а именно, в дорожном строительстве. Для увеличения коэффициента трения поверхность дорожного бетона, например, обрабатывают слабым раствором соляной кислоты. Образующиеся при этом продукты коррозии можно легко удалить струей воды.

   Агрессивность неорганических кислот определяется следующими факторами: природой кислот, показателем концентрации водородных ионов (рН водных растворов), окислительными свойствами и температурой среды. Разрушительное действие кислот при прочих равных условиях определяется растворимостью образуемых продуктов коррозии при их взаимодействии с бетоном. 

   1.3 КОРРОЗИЯ БЕТОНА ПРИ ДЕЙСТВИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ 

   Эти кислоты также разрушительно  действуют на бетон. Особенно активны  уксусная, молочная и масляная кислоты, содержащиеся обычно наряду с другими  в пищевых продуктах и отходах  их изготовления, а также имеющие  место в зданиях сельскохозяйственного  производственного назначения. При  их взаимодействии с гидроксидом кальция образуются ацетат кальция, лактат и бутерат кальция по реакциям:

   В льняном, хлопковом и тунговом маслах, рыбьем жире и т.п. содержатся высокомолекулярные кислоты жирного ряда, насыщенные и ненасыщенные (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.), в виде сложных  эфиров и в свободном виде. Они разрушают цементный камень, а, следовательно, и бетон.

   Объясняется это тем, что при действии гидроксида кальция на жиры и масла они окисляются с образованием соответствующих многоатомных спиртов (глицерина и др.) и жирных кислот. Последние, реагируя с Са(ОН)₂, образуют различные соли.

   Например, при действии олеиновой кислоты  С₁₈Н₃₄0₂ образуется олеат кальция по реакции:

   Са ( О Н ) ₂ + 2 С ₁₈ Н ₃₄ 0 ₂ = Са (С ₁₈ Н ₃₃ 0 ₂ ) ₂ + 2 Н ₂ 0.

      (олеат кальция)

   Растворы  глицерина также агрессивно действуют  на цементный бетон, связывая гидроксид кальция цементного камня в легкорастворимый глицерат кальция по реакции:

   Са ( О Н ) ₂ + 2 С ₃ Н ₈ 0 ₃ = Са ( С ₃ Н ₇ 0 ₃ ) ₂+ 2 Н ₂0.

                            (глицерат кальция) 

4. КОРРОЗИЯ  БЕТОНА ПРИ ДЕЙСТВИИ НЕКОТОРЫХ СОЛЕЙ

 

   Коррозия II вида может быть вызвана воздействием на бетон некоторых солей.

   Механизм  процесса коррозии бетона и железобетона в растворах солей, образованных катионом слабого основания и  анионом сильной кислоты, протекает  по общекислотной схеме. К таким солям относятся сульфат алюминия /A1(S0₄)₃/, хлорид железа /FeCl/, сульфат аммония /(NH₄)₂S0₄/ и др., гидролизующиеся с образованием кислот. Специфическое действие на бетон и железобетон оказывают растворы магнезиальных солей. В сточных и фунтовых водах соли эти присутствуют в виде сульфата и хлорида магния. Эти соли содержатся и в морской воде (общее содержание иона Mg"⁺ при солености воды в 5% в среднем составляет 1,3 г в 1 кг морской воды; при этом из общего количества магнезиальных солей в морской воде, составляющего 15,5% (иногда 18%) по отношению ко всему количеству солей, 2/3 приходится на долю хлористого магния и 1/3 - на долю сернокислого магния, что в пересчете на ион магния составляет в сульфате - 0,43 г, а в хлориде - 0,87М²⁺.

    В основе процессов, которые протекают  в бетоне в присутствии растворов  этих солей, лежат реакции их взаимодействия с Са(ОН)₂:

   Са(ОН)₂ + MgS0₄ = CaS0₄ + Mg(OH)₂,

    Са(ОН)₂ + MgCl₂ = СаС1₂ + Mg(OH)₂.

   В общих случаях образуется малорастворимый  гидроксид магния (растворимость 18,2 мг/л), выпадающий в осадок. Связывание ОН - ионов в Mg(OH)₂ сопровождается понижением поровой жидкости до 10, что создает благоприятные условия для растворения и гидролиза гидратных новообразований цементного камня. Это и обусловливает разрушение бетона и железобетона. Установлено, что коррозия под действием MgCl₂ и MgS0₄ становится значительной, если концентрация их в воде превышает 1,5...2% и 0,5...0,75% соответственно для MgCl₂ и MgS0₄.

   Многочисленные  сравнительные испытания портландцементов и глиноземистого цемента при действии растворов магнезиальных солей, в частности, выполненные В.В. Киндом, показывают, что в этих условиях глиноземистые цементы при любых концентрациях солей обладают наибольшей стойкостью, а при малых концентрациях и пуццолановый портландцемент. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС КОРРОЗИИ 
 

   Схватывание и твердение затворенного водой  цемента – это сложные химические и физико-химические процессы, включающие адсорбцию воды, растворение и гидролиз исходных безводных вяжущих, насыщение, коллоидацию, последующую гидратацию, полимеризацию, конденсацию и кристаллизацию продуктов гидратации. Накладываясь друг на друга во времени, в процессе схватывания и твердения, в зависимости от термодинамических условий продукты гидратации проходят различные стадии дисперсного состояния от появления зародышей (размером < 1 нм) частиц коллоидной степени дисперсности (от 1 до 100 нм) до образования кристаллов (размером более 100 нм). В результате образуется цементный камень, состоящий из цементного геля (60–80 % объема камня), который обеспечивает прочность, и кристаллической фазы, заполняющей отдельные объемы пространства геля (20–40 %). Гель представлен C-S-H фазой, кристаллическая фаза – С-Н, С-А-Н, С-F-Н, С-А-С_s-Н – фазами [2].

   C-S-H фаза включает гидросиликаты кальция двух видов: CSH (1) с соотношением С/S = 0,8 ….1,5, и CSH (II) с соотношением С/S >1,5. С-Н фаза представлена крупными кристаллами Са(ОН)₂, С-А-Н – гидроалюминатом С₄АН₁₀, С-А-С₃-Н иглообразным эттрингитом: 3СаО · Аl₂О₃ · 3СаSО₄ · 32 Н₂О.

   В процессе твердения могут образоваться вторичные продукты, в первую очередь, кальцит – СаСО₃. Основные виды продуктов гидратации клинкерных минералов, составных частей цемента и условия их устойчивого существования приведены в табл. 2

Таблица 2

   Продукты  гидратации и условия их существования