Коррозия бетона и железобетона в жидких средах

Конструкции из бетона и железобетона нередко контактируют с самыми разнообразными жидкими средами, резко различающимися по своим агрессивным свойствам. Это и обычные природные воды, и сточные воды различных предприятий, и грунтовые воды, а также технологические растворы, зачастую очень агрессивные, например растворы кислот и щелочей, проливы которых на перекрытия происходят довольно часто.

В связи с этим знания по коррозионной устойчивости бетона в различных средах позволяют сделать бетонные и железобетонные конструкции более жизнеспособными.

Бетон - сложный пористый искусственный композиционный материал, полученный путем затвердевания смеси вяжущего вещества, заполнителей (щебня, гравия, песка) и воды. В результате взаимодействия вяжущего вещества с водой образуется цементный камень, содержащий в себе разнообразные химические соединения, состав которых зависит от вида цемента, например:

Са(ОН)₂ - гидроксид кальция (фаза С-Н)

5СаО · 6SiO₂ · 5, 5Н₂О - гидросиликат капьция-1 (фаза C-S-H(1))

2СаО · SiO₂ · 1, 17Н₂O - гидросиликат кадьция-2 (фаза C-S-H(2))

4СаО ·Аl₂O₃ · 19H₂O - гидроалюминат кальция (фаза С-A-Н)

2СаО ·Fе₂О₃ · Н₂О - гидроферрит кальция (фаза C-F-H)

4СаО · Аl₂O₃ · 3CaS0₄ ·32Н₂O - гидросульфоалюминат кальция (фаза С-A-Cs-H) (эттрингит) и т.д.

Все эти фазы, находясь в равновесии с водой в порах бетона, обеспечивают ее рН в пределах 12 - 13. При таком рН внутри бетона ус­тойчивы как все его составляющие, так и арматура железобетона. Сталь в слабощелочном растворе с рН = 12 - 13 хорошо пассивируется за счет образования упорядоченной плотной пленки гидроксидов железа (Fе (ОН)₂, Fе (ОH) ₃.

При воздействии агрессивных жидких сред на бетон и железобетон могут происходить самые разнообразные процессы:

1) снижение рН внутри бетона, приводящее к увеличению раствори­мости составляющих бетона, постепенному их растворению и, следовательно, к повышению пористости бетона и к снижению его несущих свойств. В то же время снижение рН до значений < 11.8 приводит к коррозии арматуры с образованием объемных продуктов коррозии (mFeO · nFe₂O₃ · kH₂O), в результате чего внутри железобетона около корродирующей арматуры появляются высокие внутренние напряжения, в итоге приводящие к растрескиванию бетона вдоль арматуры;

2) взаимодействие составляющих бетона с агрессивными компонента­ми жидких сред с образованием растворимых и нерастворимых продук­тов. Свойства этих продуктов, условия их вымывания из бетона и оп­ределяют коррозионный эффект.

Согласно В.М. Москвину, различают три основных вида воздействия жидких сред на бетон.

1) Коррозионное воздействие мягких природных вод.

Мягкие природные воды, содержащие небольшое количество раство­ренных компонентов, в частности солей жесткости, оказывают корро­зионное воздействие на бетонные и железобетонные сооружения напор­ного типа, в которых происходит фильтрация воды через бетон или железобетон (рис. 3.1).

При эксплуатации таких сооружений возможны два случая:

а) скорость фильтрации больше скорости испарения (V_ф > V_исп);

б) скорость фильтрации меньше скорости испарения (V_ф < V_исп).

Для практики наиболее опасна первая ситуация, когда V_ф > V_исп. В этом случае мягкие промывные воды при фильтрации через бетон вымывают из поровой жидкости известь (Ca(OH)₂), рН внутри пор уменьшается, повышается растворимость малорастворимых составляющих бетона, в частности кристаллического Са(ОН)₂, и они начинают растворяться. Известь Са(ОН)₂ и другие растворяющиеся компоненты бетона вместе с фильтрующимися водами выносятся на поверхность бетона со стороны воздуха.

 

Природные

воды

Грунт или

воздух

Рис. 3.1. Схема напорного сооружения: VФ – cкорость фильтрации природных вод через бетон; Vисп – скорость испарения фильтрующихся вод с поверхности бетона со стороны воздуха

Бетон или

железобетон

V

ф

V

исп

 

На поверхности происходит реакция взаимодействия извести с углекислым газом, присутствующим в воздухе:

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О

(известь) (мел)

В результате этой реакции на поверхности бетона появляются белые подтеки мела, четко указывающие на то, что происходит вымывание составляющих бетона.

При постепенном вымывании Са(ОН)₂ и других компонентов бетона возрастает пористость бетона и происходит его нейтрализация (рН внутри бетона уменьшается). Существенное увеличение пористости уве­личивает фильтрацию, ухудшает рабочие характеристики бетона и может приводить к появлению морозильных эффектов. При нейтрализации бето­на до рН < 11, 8 начинается коррозия арматуры с образованием объем­ных продуктов коррозии, которые приводят к растрескиванию бетона вдоль арматуры.

В том случае, когда при работе напорного сооружения V_ф < V_исп, фильтрующиеся мягкие воды не выходят на поверхность бетона со стороны воздуха и реакция

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О

происходит в поверхностных слоях бетона. Образующийся при этом ма­лорастворимый мел заполняет поры бетона, что приводит к уплотнению по­верхностных сдоев бетона со стороны воздуха. Фильтрация мягких вод через бетон уменьшается, а следовательно, вымывание составляющих бетона и его нейтрализация не происходят. Именно такой ситуации необходимо добиваться при проектировании напорных бетонных и железо­бетонных напорных сооружений.

2) Коррозионное воздействие жидких сред с компонентами, которые вступают во взаимодействие с составляющими бетона и образуют при этом растворимые соединения.

К таким средам относятся прежде всего растворы кислот, щелочей и некоторых солей, например MgCl₂ и NaCl.

Кислотная коррозия. Кислые растворы, взаимодействуя со многими составляющими бетона, приводят к появлению растворимых веществ, лег­ко вымываемых из бетона. Вследствие этого резко ухудшаются его тех­нологические свойства. Одновременно кислые растворы способствуют быстрой нейтрализации бетона, в результате чего начинается коррозия арматуры, сопровождающаяся растрескиванием бетона.

Согласно СНиП 2.03.11-85, кислые воды любого состава с рН < 3 для бетонов с повышенной плотностью (W₈) являются сильноагрессивными. Для бетонов меньшей плотности (W₄) сильноагрессивными являются растворы с рН < 4. Чем выше концентрация кислот, тем меньше в них устойчивость бетона. Так, 1%-ные растворы серной соляной и азотной кислот сильно разъедают бетон в течение нескольких месяцев. Фосфор­ная кислота менее агрессивна по отношению к бетону из-за малой растворимости образующегося фосфата кальция. Однако в растворах с 5%-ной концентрацией фосфорной кислоты разрушение происходит также довольно быстро.

Агрессивными по отношению к бетонам являются и растворы органи­ческих кислот, прежде всего молочной, масляной, уксусной, яблочной и др.

Щелочная коррозия. Для бетона опасны растворы щелочей с концент­рацией более 50 г/л. В результате действия на бетон таких растворов растворимость гидроксида кальция Са(ОН)₂ значительно понижается, но одновременно резко возрастает растворимость кремнезема (SiO₂) и других оксидов, например Al₂O₃. Взаимодействие этих соединений со щелочами приводит к образованию растворимых или гелеобразных соеди­нений:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + Н₂О

Al₂O₃ + 2NaОH → 2NaA1О₂ +H₂О

Наиболее агрессивно действуют на бетон растворы гидроксида нат­рия (NaOH), затем следуют растворы гидроксида калия (КОН), аммония (NH₄ОH) и карбоната натрия (Na₂CO₃). При полном погружении в раст­воры щелочей с концентрацией 1 - 2 % наибольшей стойкостью обладают бетоны на пуццолановых и шлакопортландцементах.

Магнезиальная коррозия. В сточных и грунтовых водах часто встречаются соли магния, в частности хлорид магния (MgCl₂). При его взаимодействии с Са(ОН)₂, находящемся в бетоне, получаются два продукта: CaCl₂ и Мg(ОН)₂.

MgCl₂ + Са(ОН)₂ → CaCl₂ + Mg(OH)₂

Один из продуктов - малорастворимый Mg(OH)₂ (растворимость 18, 2 мг/л). Процесс образования Mg(OH)₂ сопровождается понижением рН в порах бетона, что создает благоприятные условия для растворения и гидролиза гидратных образований в цементном камне (т.е. действие аналогично коррозии первого вида по Москвину). Второй продукт, CaCl₂, способен вымываться, в связи с чем растворы MgCl₂ с концентрацией 5 % и выше разрушают все гидратные образования в цементном камне.

Коррозия в NaCl. Растворы NaCl взаимодействуют с Са(ОН)₂ в бетоне, образуя растворимые CaCl₂ и NaOH, которые постепенно вымываются из бетона:

NaCl + Са(ОН)₂ → CaCl₂ + NaOH

При этом растет пористость бетона и ухудшаются его несущие свойства. Следует отметить, что растворы NaCl вызывают коррозию арматуры с образованием объемных соединений даже в том случае, когда нейтрализация бетона еще не прошла и рН внутри пор остается достаточно высоким (рН > 11, 8). Это объясняется тем, что ионы С1^- разрушают пассивную пленку на железе, вызывая локальную (местную) коррозию. В связи с этим эффект растрескивания железобетона вдоль арматуры, особенно при периодическом обливании растворами NaCl, может проявиться очень быстро (2 - 5 лет).

3) Коррозионное воздействие жидких сред с компонентами, которые вступают во взаимодействие с составляющими бетона и образуют при этом нерастворимые объемные соединения.

К третьему виду коррозии, по классификации В.М. Москвина, относится сульфатная коррозия бетона. Сульфатная коррозия является особенно распространенной из-за того, что сульфат-ионы присутствуют практически во всех видах природных и сточных вод.

При взаимодействии сульфатов кристаллический Са(ОН)₂, находящийся в цементном камне, и Са(ОН)₂ поровой жидкости взаимодействуют с сульфатами с образованием гипса CaSO₄∙ 2H₂O:

Са(ОН)₂ + Na₂SO₄ + 2H₂О = CaSO₄∙ 2H₂O + 2NaOH

При взаимодействии сульфатов с другими компонентами цементного камня может образоваться гидросульфоалюминат кальция - ГСАК

(3СаО ∙ А1₂O₃ ∙ 3CaSO₄ ∙ 32Н₂O) или (3СаО ∙ Al₂O₃ ∙ 3СаSО₄ ∙ 11Н₂О).

Гипс и ГСАК имеют объем, более чем в два раза превышающий объем исходных компонентов цементного камня. В связи с этим в бетоне появляются большие внутренние напряжения, приводящие к послойному растрескиванию бетона, оголению и выпадению наполнителей.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: