Коррозия бетона

   Окислительно-восстановительный  потенциал (Eh) вытяжек из цементного теста колеблется для различных цементов и в/ц от + 0,1 … до + 0,3 В [2]. Следовательно, цементный камень представляет собой слабоокислительную среду с высоким значением рН поровой жидкости.

   Многие  технические свойства цементного камня, бетона и железобетона, зависят:

• от структуры (неоднородности по составу – щебень, гравий, песок; по свойствам и форме компонентов);
• пористости (наличия пор, макро- и микротрещин);
• удобоукладываемости;
• проницаемости;
• водостойкости;
• морозостойкости.

   Различают структуру цементного камня (микроструктуру: коагуляционную, конденсационную, кристаллизационную); структуру цементно-песчаного раствора (мезоструктуру) структуру бетона, состоящую из щебня, гравия и цементно-песчаного раствора (макроструктура).

   Общая пористость бетона – это сумма  пор в цементном камне и  пор, которые образуются за счет седиментационных процессов и воздухововлечения. Общая пористость составляет 8–15 % в плотных бетонах, и до 85 % – в бетонах с искусственной пористой структурой.

   Различают общую пористость и эффективную (т.е. проницаемость или объем  открытых пор, по которым может двигаться  жидкость или газ).

   Существует  зависимость между маркой бетона по водонепроницаемости и коэффициентом  фильтрации (табл. 3.2)

   Таблица 3

   Зависимость коэффициента фильтрации от марки бетона

   Опыт  показывает, что бетон монолитных конструкций обладает большей способностью к самоуплотнению при долговременном напорном воздействии воды, чем пропаренный  бетон сборных конструкций.

   Один  из показателей свойств цементного камня бетона – водостойкость, т.е. способность сохранять прочностные  и другие характеристики при длительном контакте с водой.

   В капиллярно – пористых телах при контакте с водой протекают следующие процессы:

   1. Адсорбция  молекул воды.

   2. Поверхностное  растворение и гидролиз составных  частей структуры.

   3. Развитие  ионного обмена.

   4. Проявление  расклинивающего давления в трещинах, микропорах и снятие в них  упрочняющих менисков.

   5. При  напорном воздействии воды может  наблюдаться не только растворение, но и частичный вынос продуктов растворения, что изменяет прочностные характеристики бетонов, т.е. снижает их прочность.

   Причиной  снижения прочности бетона и других материалов в контакте даже с химически  неактивными средами служит физическая (обратимая) адсорбция поверхностно-активных веществ в местах поверхностных дефектов (снижение поверхностной энергии, облегчение ультрафильтрации).

   Поверхностно-активными  веществами могут стать газы, жидкости. Их влияние тем больше, чем ближе  сродство, т.е. чем меньше разница  в полярности молекул твердого тела и адсорбирующегося вещества.

   Эффект  адсорбционного понижения прочности  усиливается с увеличением пористости, силовых нагрузок, особенно циклических.

     Еще одно не мало важное значение для прочности и плотности конструкций имеет структура бетона, количество воды и цемента: чем меньше воды при данном расходе цемента, тем выше прочность (рис. 3, а) и плотность бетона. Увеличение водоцементного отношения (В/Ц) повышает проницаемость бетона и, следовательно, снижает его стойкость при воздействии агрессивной среды. Поэтому количество воды, используемой для затворения бетона, играет весьма существенную роль в обеспечении плотности и непроницаемости бетона, т. е. в характеристике его стойкости в агрессивной среде.

   По  условиям технологии бетонных работ  воды берется больше, чем может  быть израсходовано на гидратацию. Излишняя вода заполняет пустоты, раздвигает частицы цемента с оболочками из продуктов гидратации и образует в бетоне целые прослойки, а после испарения — пустоты, увеличивающие проницаемость и снижающие прочность бетона. Такие же пустоты образуются и при усыхании гелеобразной массы; они являются очагами коррозии и путями проникновения агрессивных растворов в толщу конструкции. Внутренне замкнутые поры становятся очагами коррозии, когда возникшее вблизи них осмотическое давление разрушает их стенки (рис. 3,в). Некоторое количество пор, особенно мелких, со временем, при увлажнении бетона и развитии гидратации, частично заполняется продуктами гидролиза и гидратации, в первую очередь наиболее растворимым гидратом окиси кальция.

   В условиях замерзания бетонных и железобетонных конструкций количество свободной влаги в них оказывает большое влияние на прочность: насыщенные влагой конструкции при замерзании разрушаются вследствие замерзания и расширения объёма влаги (рис. 3,г). 
 
 
 
 
 

  

   Рисунок 3 

Изменение прочности бетона

а — при различном B/Ц; б — при выщелачивании; в — с увеличением агрессивности среды: 1 — теоретический рост прочности бетона; 2 и 3 — при разных агрессивных средах; г — при замораживании бетона: 1 — сухого при положительной температуре; 2 — незначительно увлажненного; 3 — насыщенного влагой 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Внешние факторы влияющие на коррозию бетона

 
 

   При коррозии II вида последовательность разрушения бетона отсутствует. В поверхностных  слоях бетона, соприкасающихся с  внешней средой, идет разрушение структурных  элементов гидратированного цементного камня, а иногда и негидратированных зерен цементного клинкера. Новообразования не обладают вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать дальнейшему проникновению агрессивной среды. Они смываются, растворяются и обнажают более глубокие слои бетона.

   К внешним факторам коррозии бетона II вида относится: действие углекислотных вод, магнезиальных вод, неорганических кислот и присутствием в воде различных ионов.

   Наиболее  часто встречающиеся при действии природных вод коррозия бетона – коррозия углекислотных вод. Углекислота (Н₂СО₃) присутствует, как правило, во всех водах. Источником обогащения воды углекислотой являются биохимические процессы, протекающие в воде и в почве.

   Увеличение  в растворе ионов водорода (Н+) смещает  равновесие реакции, при этом ,а . Уменьшение ионов водорода приводит к образованию НСО и СО2 из углекислоты. Для различных рН раствора характерны разные основные формы: при рН>8,4 углекислота в воде отсутствует, при рН<6,5 является основной формой, при рН<4,0 НСО-3при рН>6,5 НСО₃ — основная форма, при рН>11 СО₃ — основная форма. Для устойчивого состоянии НСОз- в растворе необходимо наличие некоторого количества С0₂. Вода, в которой Н+, СО₃ и НСО₃ находятся в равновесном состоянии, не способна растворять карбонатную Пленку, т. е. по отношению к цементному камню она не агрессивна. Увеличение С0₂ сверх равновесного создаст условия для растворения карбонатной пленки, т.е. вода приобретает агрессивные свойства по отношению к цементному камню бетона.

   Присутствие в растворе ионов (CI-. Na+ и др.). не участвующих в реакции. увеличивает ионную силу раствора, ускоряет реакцию, способствуя растворению большого количества СаНСО_З. В случае если на бетон действует стоячая или медленно движущаяся вода, на поверхности бетона устанавливается карбонатное равновесие, т.е. разрушение замедлится. При быстром течения воды замедленние реакции вызывается уменьшением реагирующих поверхностей, уменьшеньшению ионов ОН- в растворе способствует переводу СаНСО_З в СаСО_З. который выпадает в осадок. Чем выше концентрация ОН- внутри цементного камня, тем выше скорость его разрушения при быстpом быстром обмене воды у поверхности.

   Отсюда можно заключить что вначале скорость разрушения цементного камня на портландцементе и пуццолановом портландцементе будет одинаковая, но затем она у цементного камня на пуццолановом цементе значительно уменьшается, так как количество гидроксильных ионов (ОН-) в жидкой фазе там значительно меньше. По этой же причине более высокую стойкость при коррозии II вида будет иметь бетон на глиноземистом цементе. При этом существенную роль играет плотность бетона и продуктов коррозии.

   Подводя итог процессам, протекающим при углекислотой коррозии, необходимо отметить, что чем больше агрессивной Н₂СОз, тем выше кислотные свойства раствора и скорость коррозии.

   Действие  на бетон неорганических кислот также  вызывает в бетоне процессы коррозии II вида, которые могут переходить в коррозию I вида, вызывая полное разрушение цементного камня бетона.

   В зависимости от вида кислоты в процессе реакции образуются различные соли. Скорость разрушения цементного камня будет зависеть от растворимости солей кальция. При большой растворимости продуктов реакции быстрее протекает разрушение цементного камня. Скорость коррозии в этом случае ограничивается: реакционной емкостью агрессивной среды, скоростью ее обмена на поверхности бетона и размером поверхности соприкосновения среды и цементного камня. Если продукты реакции мало растворимы, то, оставаясь на месте реакции , т.е. на поверхности бетона они закрывают доступ агрессивной среды к внутренним слоям цементного камня, замедляя скорость коррозии. Существенную роль в развитии процесса коррозии бетона II вида играет скорость обменараствора у поверхности цементоного камня.

   При малых скоростях обмена и малых концентрациях кислот (рН>4) взаимодействие кислоты с гидроокисью кальция протекает полностью:

   2HCI + Са(ОН)₂.= CaCl₂+2Н₂О

   После этого раствор нейтрализуется, происходит растворение Са(ОН)2. образуется СаСО₃ и далее процесс коррозии П вида сменяется процессом коррозии I вида. При больших скоростях ограничивающим фактором скорости коррозии является размер поверхности соприкосновения агрессивного раствора и цементного камня и скорость притока агрессивной среды. Цементы по стойкости в кислотах малых концентраций можно расположить в следующем порядке: глиноземистый, пуццолановый, портландцемент, что аналогично коррозии I вида. Это связано с тем что процесс коррозии II вида протекает вместе с процессом коррозии I вида и последнему в этом случае принадлежит ведущая роль. При повышении концентрации кислот разница в стойкости цементов становится практически неощутимой. В этом случае стойким считается специальный кислотоупорный цемент.

   Также ко II виду коррозия бетона относится также действие магнезиальных солей на бетон. Соли магния MgS0₄ и MgCl₂. как правило, присутствуют в грунтовых водах. Большое количество этих солей содержится в морской воде.

   При малых концентрациях раствора MgCl₂ реакционная емкость раствора низкая. Реакции с Са(ОН)₂  протекают на поверхности бетона. Выделяющийся при этом Mg(OH)₂ образует на поверхности бетона пленку, которая даже способствует предохранению бетона от дальнейшего, т. е. при малых концентрациях растворов скорость диффузии Са(ОН)₂ из внутренних слоев бетона достаточна, чтобы восполнить то количество, которое ушло на реакцию с солями. При длительном взаимодействии с такими растворами во внутренних слоях бетона развивается коррозия I вида [вынос Са(0Н)2]. При больших концентрациях MgCl₂ реакционная емкость раствора велика, количество Са(ОН)₂ недостаточно для нейтрализации, поэтому раствор диффундирует внутрь бетона.

   При действии MgSО₄ на бетон «критическая» концентрация определяется соотношением между суммарной поверхностью взаимодействия цементного камня и количеством раствора. Если время соприкосновения раствора MgS0₄ с поверхностью цементного камня больше времени полного насящения этого объема сульфатом кальция (CaS0₄), то гипс выпадает в осадок. В противном случае в твердой фазе будет образовываться Mg(OH)₂. Образование CaS0₄ — это уже процесс коррозии III вида.

   Поскольку взаимодействие магнезиальных солей с Са(ОН)₂ связано с его уносом из бетона и проникновением в глубь солей, которые способны вызвать дальнейшее разрушение бетона, то цемент с большим запасом СаО более стоек в данных условиях.