Виды коррозии бетона москвин
Обновлено: 20.05.2024
Коррозионные процессы весьма многообразны, поэтому их классификация весьма сложная задача. Классифицировать коррозионные процессы удается только по сумме основных ведущих признаков их влияния на бетон. В 1952 году Москвин В.М. предложил разделить процессы коррозии, протекающие в бетоне на три основных вида:
I вид - к данному виду относятся все процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии жидких сред (водных растворов), способных растворять составляющие цементного камня с последующим их удалением. Особенно интенсивно данный вид коррозии протекает при фильтрации воды через тело бетона.
II вид -к данному виду относятся процессы коррозии,при которых происходит химическое взаимодействие между компонентами цементного камня и агрессивного раствора. При этом продуты реакции могут, либо удалятся, либо скапливаться в толще в виде аморфной массы.
III вид - к данному виду относятся процессы коррозии, при которых в порах бетона происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы, либо веществ, способных при фазовых переходах увеличивать объем твердой фазы, что приводит к возникновению внутренних напряжений в структуре.
Обычно коррозионные процессы, протекающие в бетоне, носят смешанный характер, поэтому чтобы отнести процесс коррозии к одному из видов стараются выделить преобладающие процессы, вызывающие разрушение материала.
Существуют также и специфические виды коррозии, к которым относятся:
- внутренняя коррозия бетона – взаимодействие заполнителя, содержащего реакционноспособный кремнезем со щелочами цемента;
- биокоррозия – разрушение бетона при действии продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;
- коррозия арматуры железобетонных конструкций;
- снижение прочности бетона (δR) при действии адсорбционно-активных сред.
В таблице 9 представлены хорошо известные и изученные в настоящий момент процессы при взаимодействии бетона и железобетона с агрессивными средами.
Таблица 9. Классификация коррозионных процессов бетона и железобетона
| Природа, определяющего коррозионного процесса | Вид коррозии по Москвину | Коррозионные процессы | Параметр количественной оценки коррозионного процесса | Факторы, определяющие кинетику коррозионного процесса | |
| в условиях напорной фильтрации | при свободном омывании | ||||
| Физико-химические процессы: растворение кристаллизация | I | Выщелачивание водой не содержащей солей | Количество растворенных компонентов цементного камня, вынесенных из бетона | Скорость внутренней диффузии | |
| II | Выщелачивание нейтральными солевыми растворами | ||||
| III | Кристаллизация | Количество внесенных агрессивных компонентов или продуктов их взаимодействия с цементным камнем | Скорость капиллярного поднятия жидкости к испаряющей поверхности | Скорость внутренней диффузии | |
| Химическое взаимодействие агрессивной среды с компонентами цементного камня | III-II-I | Сульфатная коррозия | Количество внесенных агрессивных компонентов или продуктов их взаимодействия с цементным камнем | Объемная скорость фильтрации и процессы уплотнения цементного камня продуктами реакции | - |
| II | Кислотная коррозия | Скорость диффузии в слое продуктов реакции | |||
| II | Магнезиальная коррозия | ||||
| Электролиз цементного камня | - | Электрокоррозия | Количество электричества, прошедшего через элемент конструкции | Напряжение или сила тока, электропроводность бетона | |
| Адсорбция поверхностно-активных веществ | - | Адсорбция и понижение, поверхностной энергии твердого тела | Понижение прочности цементного камня | Концентрация поверхностно-активных веществ. Напряженное состояние бетона. | |
| Физико-химические процессы на контакте цементного камня и заполнителя или арматуры | - | Взаимодействие активного кремнезема заполнителей и щелочей цемента | Деформации набухания | Соотношение между реагирующими компонентами | |
| - | Взаимодействие доломита в заполнителе и растворов солей щелочных металлов | ||||
| - | Электрохимическая коррозия стали | Глубина поражения металла | Характер контроля процесса коррозии: анодный, катодный, омический | ||
| - | Коррозия растрескивания стали | Напряжение, при котором происходит резкое ускорение разрушения | Состав и структура арматурной стали, ее напряженное состояние и содержание в среде агрессивных или пассивирующих ионов |
2.2.2 Классификация коррозионных сред.
По степени воздействия на строительные конструкции среды делят на:
- умеренно агрессивные (ХА2);
По физическому состоянию среды подразделяют на: газообразные, жидкие и твердые.
По характеру действия среды подразделяют на: химические и биологически активные.
В СНБ 5.03.01-02 приведены классы сред по условиям эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций и минимальные классы бетона по прочности на сжатие для обеспечения требуемой долговечности (табл. 10).
Таблица 10. Классы среды по условиям эксплуатации
| Класс среды | Характеристика среды | Примеры для идентификации классов среды | Минимальный класс бетона по прочности на сжатие |
| Коррозия арматуры вследствие карбонизации защитного слоя бетона | |||
| ХС1 | Сухая или постоянно влажная | Элементы конструкций внутри помещений, включая кухни, ванные и прачечные | С12/15 |
| Элементы конструкций постоянно находящиеся в воде | |||
| ХС2 | Влажная, редкое высыхание | Элементы резервуаров для воды | С16/20 |
| Элементы фундаментов | |||
| ХС3 | Умеренно влажная | Элементы, к которым часто или постоянно поступает наружный воздух, элементы во внутренних помещениях с повышенной влажностью | С20/25 |
| ХС4 | Переменное увлажнение и высыхание | Внешние элементы конструкций периодически орошаемые водой | С25/30 |
| Коррозия арматуры под действием хлоридов | |||
| ХD1 | Умеренно влажная | Элементы дорожных покрытий | С25/30 |
| ХD2 | Мокрая, редко высыхаемая | Элементы конструкций при постоянном действии солевых растворов | С30/37 |
| ХD3 | Переменно увлажняемая и высыхаемая | Дорожные покрытия, элементы мостов | С35/45 |
| Агрессивное воздействие на бетон отрицательных температур при наличии или отсутствии антиобледенителей | |||
| ХF1 | Умеренное водонасыщение без антиобледени-телей | Внешние элементы конструкций | С25/30 |
| ХF2 | Тоже с антиобледени-телем | Элементы дорожных покрытий | С25/30 |
| ХF3 | Интенсивное водонасыщение без антиобледени-телей | Элементы конструкций в зоне попеременного увлажнения | С25/30 |
| ХF4 | Тоже с антиобледени-телями | Дорожные покрытия | С30/37 |
| Агрессивное воздействие на бетон химически агрессивной среды | |||
| ХА1 | Химически слабая агрессивная среда | Очистные сооружения, отстойники | С25/30 |
| ХА2 | Химически умерено агрессивная среда | Элементы бетонных полов | С30/37 |
Окончание таблицы 10
| Класс среды | Характеристика среды | Примеры для идентификации классов среды | Минимальный класс бетона по прочности на сжатие |
| ХА3 | Химически сильная агрессивная среда | Сооружения для сточных промышленных вод, кормушки для животных, градирни | С35/45 |
| Воздействия, способствующие износу бетона | |||
| ХМ1 | Умеренный износ | Промышленные полы при движении транспорта на пневматических шинах | С25/30 |
| ХМ2 | Сильный износ | Промышленные полы при интенсивном движении транспорта | С30/37 |
| ХМ3 | Очень сильный износ | Промышленные полы при воздействии транспорта на гусеничном ходу | С30/37 |
В таблице 11 приведены типичные случаи взаимодействия агрессивных сред с бетонными и железобетонными конструкциями с указанием условий воздействия, преобладающих процессов, характера разрушения и способов защиты.
Таблица 11. Типичные случаи взаимодействия агрессивных сред с бетонными и железобетонными конструкциями
| Среда | Условия воздействия | Преобла-дающие процессы в бетоне | Характер ограничения процессов в бетоне | Характер разрушения железобетонных конструкций (ведущий процесс) | Способы защиты конструкции |
| Кислые растворы | Постоянные, с образованием буферного слоя | Растворение и обменные реакции нейтрализации | Диффузионный процесс в слое продуктов коррозии | Послойный с образование слоя продуктов коррозии бетона, затухающий | В зависимости от скорости коррозии без защиты или изоляция поверхности конструкции |
| Постоянные, без образования буферного слоя | Диффузионно-кинетический | То же, с удалением продуктов коррозии, незатухающий | |||
| Солевые растворы: - сульфаты и другие соли, дающие кристаллогидратные новообразования; | Постоянные | Обменные реакции с кристаллиза-цией новообразова-ний | Диффузионный процесс в структуре бетона | Расстрескивание бетона | Использование низко-алюминатных цементов, повышение плотности бетона, уплотняющие пропитки, изоляция поверхности конструкций |
| Периодичес-кое увлажнение и подсос с испарением | То же | Диффузионно-конвективный процесс в структуре бетона | Ускоренное растрескивание бетона |
Окончание таблицы 11
| Среда | Условия воздействия | Преобла-дающие процессы в бетоне | Характер ограничения процессов в бетоне | Характер разрушения железобетонных конструкций (ведущий процесс) | Способы защиты конструкции |
| - хлориды | Постоянные | Диффузион-ный перенос с постоянным выравнива-нием концентрации солей | Диффузионный в структуре бетона | Депассивация и коррозия арматуры с сильным катодным ограничением | Повышение плотности и толщины защитного слоя бетона, насыщение пресной водой, уплотняющие пропитки, изоляция поверхности железобетон-ных конструкций, защитные покрытия арматуры |
| Периодичес-кое увлажнение и подсос с испарением | Диффузионно-конвективный перенос с накоплением солей | Диффузионно-конвективный в структуре бетона | То же, с преобладанием катодного или анодного ограничения в зависимости от плотности и влажности бетона | ||
| Воздушно-влажная | Постоянные | Нейтрализация кислыми газами | Диффузионный в нейтрализован-ном слое бетона | Депассивация и коррозия арматуры с преобладанием анодного или омического ограничения в зависимости от плотности и влажности бетона | Повышение плотности и толщины защитного слоя бетона; уплотняющие пропитки, изоляция поверхности конструкции |
Далее рассмотрим наиболее распространенные химические вещества, воздействующие на конструкции и степень их агрессивности.
Кислоты – агрессивны по отношению к бетону. Степень агрессивного воздействия зависит от химического состава кислоты, ее концентрации и температуры.
Вода-среда, содержащая растворенные сульфаты - агрессивна по отношению к бетону. Степень агрессивности зависит от содержания растворенных сульфатов.
Растворы солей - при нормальной температуре обычно не агрессивны к бетону, а являются агрессивными по отношению к арматуре.
Креозот – агрессивность определяется содержанием фенолов, которые способны медленно разрушать бетон.
Смазочные масла – агрессивны, если содержат кислоты. Обладают высокой проникающей способностью и могут воздействовать на арматуру при наличии кислот, а также снижать прочность бетона при «промасливании».
Продукты переработки нефти - как правило, не агрессивны по отношению к бетону, если в составе нет кислот и серы. Обладают высокой проникающей способностью.
Сера (расплавленная)- не агрессивна.
Каустическая сода и другие едкие щелочи - при концентрации NaОН до 10 % как правило не агрессивны. При более высокой концентрации и повышении температуры агрессивность увеличивается.
Соединения мышьяка - не агрессивны.
Сульфат железа - при растворении дает кислую реакцию, поэтому агрессивен по отношению к бетону.
Гипохлорит кальция (отбеливающий порошок) - агрессивен только при высокой концентрации.
Сахар- агрессивен даже по отношению к качественному бетону.
Молоко- свежее молоко не агрессивно. Агрессивны кисломолочные продукты.
Фрукты и овощи - в соках содержится сахар и кислоты, поэтому агрессивны по отношению к бетону.
Вино- как правило, не воздействует на бетон.
Сточные воды - жидкие бытовые отходы не агрессивны к бетону, однако при снижении рН < 6,5 могут интенсивно разрушать бетон.
Сероводород (Н2S)-не оказывает агрессивного воздействия на высококачественный бетон. Но при растворении в воде образует сероводородную кислоту, которая оказывает незначительное воздействие на бетон. При определенных условиях, под воздействием аэробных бактерий он может перейти в серную кислоту (Н2SО4).
Дистиллированная вода - горячий дистиллят весьма агрессивен к бетону.
Морская вода - агрессивна за счет содержания, прежде всего сульфата магния.
Возведенные с применением портландцемента бетонные сооружения могут подвергнуться разрушению (коррозии) под действием природных вод и «агрессивных жидкостей. Разрушение обычно начинается с цементного камня, как наиболее подверженного коррозии. Исследования советских ученых А.А. Байкова, В.А. Кинда, В.Н. Юнга, В.Н. Москвина и других позволили установить сущность процессов коррозии цементного камня и рекомендовать методы борьбы с ней.
В.H Москвин разделяет коррозионные процессы, возникающие в цементных бетонах, на три основные вида.
Коррозия первого вида возникает при действии на цементный камень бетона Проточных пресных вод (с малой временной жесткостью). Эти воды растворяют и вымывают гидроксид кальция, выделяющийся при гидролизе трехкальциевого силиката. В результате такого выщелачивающего действия воды повышается пористость цементного камня и снижается его прочность, что в свою очередь приводит к постепенному разрушению бетона.
Главным средством борьбы с выщелачиванием является введение в цемент активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Положительно сказывается выдерживание на воздухе 2-3 месяца бетонных свай, блоков и других элементов с целью образования на их поверхности защитного слоя из малорастворимого СаСО3 (Са(ОН)2 + СО2 -> СаСО3).
24 Второй вид коррозии цементного камня
Коррозия второго вида может происходить при действии на цементный камень бетона минерализованных вод, содержащих химические соединения, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо выделяются в виде амфорной массы, не обладающей связующими свойствами.
Основной комплекс мер защиты цементного камня от коррозии:
1.повышение плотности цементного камня;
2.выбор специальных вяжущих;
3.введение добавок, изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т.д.;
4.обработка поверхностного слоя (флюатирование, гидрофобизация, силикатизация и т.д.), а также инъекция растворов в толщу конструкции (цементация, битумизация, смолизация, силикатизация и т.д.);
5.защита поверхности от агрессивной среды при помощи окраски, оклейки, оштукатуривания различными гидроизоляционными материалами, а также торкретированием и облицовкой керамикой или металлом.
25 Третий вид коррозии
Коррозия третьего вида характеризуется прониканием в цементный камень растворов солей, которые при взаимодействии с составляющими кристаллического каркаса образуют соединения, кристаллизующиеся в порах, трещинах и капиллярах бетонного монолита, вызывая внутренние напряжения, приводящие к его разрушению.
Меры борьбы: 1) правильный выбор цемента, 2) изготовление особо плотного бетона, 3) применение защитных покрытий.
26. Заполнители для бетонов. Показатели их качества
Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате расширения рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси минерального вяжущего вещества, воды, заполнителей и в необходимых случаях специальных добавок. Смесь указанных компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.
Вяжущее вещество и вода - активные составляющие бетона, которые в смеси обволакивают тонким слоем зерна заполнителя. Со временем вяжущее вещество затвердевает и связывает их, превращая бетонную смесь в прочный монолитный камень - бетон.
Заполнители (песок, щебень или гравий) занимают до 80 - 85 % объема бетона и образуют его жесткий скелет препятствующий усадке. Применяя заполнители с различными свойствами, можно получать бетоны с разнообразными физико-механическими показателями, например, легкие, жароупорные и пр.
Песок. В качестве мелкого заполнителя для тяжелого бетона используют природный песок крупностью от 0,14 до 5мм.
Природные пески разделяются наречные, морские и горные (овражные). Речные и морские пески имеют округлую форму зерен; горные содержат остроугольные зерна, что обеспечивает их лучшее сцепление с бетоном. Однако горные пески обычно больше загрязнены вредными примесями, чем речные и морские.
Искусственные пески получают дроблением твердых и плотных горных пород, а также отвальных металлургических шлаков. Дробленые пески имеют высокую стоимость, и поэтому, их применяют для обогащения мелкого природного песка в бетоне.
По зерновому составу пески делят на крупные, средние, мелкие и очень мелкие В песке для бетонов и растворов не допускается наличие зерен размером более 10 мм, а зерен размером 5-10 мм не должно быть более 5 % по массе. Количество мелких частиц, прошедших через сито с отверстиями 0,14 мм, не должно превышать 10%.
Крупный заполнитель: для тяжелого бетона это гравии или щебень.
Гравий - рыхлая смесь зерен округлой формы размером 5-70 мм, образовавшихся в результате естественного разрушения (выветривания) твердых , горных пород. Гравий может быть горным (овражным), речным и морским. Горный гравий имеет шероховатую поверхность и содержит обычно примеси песка, глины, пыли и органических веществ. Речной и морской гравий чище горного, но зато с гладкой поверхностью, что ухудшает сцепление с цементно-песчаным раствором. Для улучшения сцепления его можно дробить на щебень.
Щебень - рыхлая смесь, получаемая дроблением больших кусков различных твердых горных пород, а также кирпичного боя, шлаков и др. Полученную смесь зерен различных размеров (5 - 70 мм) подвергают рассеву на отдельные фракции. В зависимости от размера зерен гравий и щебень подразделяют на фракции 5-10, 10 - 20, 20 - 40 и 40 –70мм. В каждой фракции гравия или щебня должны быть зерна всех размеров - от наибольшего до наименьшего для данной фракции.
Для приготовления бетона более экономичен предельно крупный гравий или щебень, так как при этом снижается расход цемента. Но наибольший размер зерен крупного заполнителя должен быть не более 1/3 наименьшего размера бетонируемой конструкции или не более 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры. При бетонировании плит допускается применение до 50 % зерен крупного заполнителя наибольшей крупности, равной половине толщины плиты. Содержание зерен крупнее установленного наибольшего размера допускается не более 5% по массе гравия или щебня.
Для тяжелых бетонов следует применять щебень, получаемый из горных пород, имеющих прочность в 1,5 - 2 раза выше заданной марки бетона. Содержание в щебне зерен слабых, выветрившихся пород не должно превышать 10%по массе. Проверяется также морозостойкость гравия и щебня. Окончательно пригодность гравия или щебня для бетона требуемой марки устанавливают по результатам испытания бетона на данном заполнителе.
Общим для всех заполнителей требованием является однородность, т. е. постоянство свойств и показателей качества заполнителей от пробы к пробе
На железобетонные конструкции зданий и сооружений в процессе их эксплуатации одновременно с силовыми нагрузками разрушающе действуют разнообразные внешние факторы - химические и физические. Соответственно различают химическую и физическую коррозии. Под химической коррозией понимают процесс разрушения бетона в результате химического взаимодействия агрессивных веществ в жидком, твердом и газообразном состоянии с составляющими цементного камня и заполнителем.
Физическая коррозия бетона и железобетона вызывается сменой отрицательных и положительных температур, попеременным увлажнением и высыханием, сопровождающимися деформациями усадки и набухания, отложением солей в порах цементного камня, приводящими к развитию кристаллизационного движения.
На основании результатов изучения кристаллизационных процессов и характера разрушения эксплуатируемых конструкций различают следующие основные виды коррозии (Кинд. В.А.):
1) коррозию выщелачивания, происходящую вследствие растворения гидрата окиси кальция в цементном камне и выноса ее из него;
2) общекислотную коррозию - в результате действия кислот при РН менее 7;
3) углекислую, вызываемую действием на бетон углекислоты;
4) сульфатную, которая подразделяется на три вида: сульфоалюминатную - вызываемую действием сульфат -ионов более 1000 гм/л; гипсовую - под действием воды с большим содержанием Na2S04 или К2S()2;
5) магнезиальную коррозию, которая также подразделяется соответственно на магнезиальную, вызываемую действием ионов магния при отсутствии в воде ионов сульфата, и магнезиально-гипсовую или сульфатно-магнезиальную, происходящую при совместном воздействии на бетон ионов магния и сульфата.
Все эти виды коррозии могут протекать под действием природных, промышленных и бытовых сточных вод. Степень агрессивности этих вод и других агрессивных факторов (газообразные и твердые вещества) приведена в нормах СНиП. Из большого числа разнообразных процессов коррозии В.М. Москвин выделил три основных вида.
К коррозии первого вида принято относить процессы коррозии бетона под действием вод с малой временной жесткостью, возникающей в результате растворения составных частей цементного камня и выноса их протекающей водой.
Под коррозией второго вида понимают процессы коррозии, развивающиеся в бетоне в результате обменных реакций между составными частями цементного камня и химическими веществами, содержащимися в воде.
Коррозия третьего вида объединяет процессы разрушения цементного камня в результате отложения и кристаллизации в порах и пустотах бетона малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение усилий, приводящих к разрушению структуры бетона.
Коррозия первого вида
Причиной коррозии бетона в пресной воде является растворимость отдельных компонентов цементного камня. Наиболее растворимым компонентом является гидрооксид кальция, образующийся при гидролизе C3S.
Этот вид коррозии особенно прогрессирует в условиях воздействия проточной воды, фильтрующейся через тело бетона. В общем случае скорость коррозии I вида прямо пропорциональна скорости течения воды, при этом вначале происходит разрушение многоосновных гидросиликатов, а затем и малоосновных.
Для борьбы с коррозией I вида в цемент вводят активные гидравлические добавки, которые связывают Са(ОН)2 в малорастворимый гидросиликат кальция. Вследствие этого количество свободного Са(ОН)2 резко уменьшается и значительно снижается скорость коррозии. Одновременно гидравлические добавки повышают плотность бетона, снижая его водонепроницаемость. Снижение водонепроницаемости можно достичь также за счет более интенсивного уплотнения бетонной смеси, позволяющего сформировать более плотную структуру бетона.
Коррозия второго вида
Коррозия второго вида происходит в результате взаимодействия составных частей цементного камня с кислотами и солями, находящимися в окружающей бетон среде. В результате обменных реакций образуются продукты в виде аморфной массы, которые растворяются и выносятся из тела бетона. Это приводит к увеличению пористости и снижению прочности цементного
камня и дальнейшей активизации процесса коррозии до полного разрушения бетона.
Обменные реакции чаще всего протекают в бетоне под действием сернокислых и хлористых солей по следующей схеме:
Са(ОН)2 + MgS04 + 2Н 20 = CaS04.2H 20 + Mg(OH)2 Са(ОН)2 + MgCI2 = CaCI2 + Mg(OH)2.
Образующееся труднорастворимое аморфное вещество - Mg(OH)2 либо выпадает в осадок на месте образования, либо выщелачивается из цементного камня. Образовавшийся на первой стадии двуводный гипс реагирует затем с трехкальциевым алюминатом, образуя гидросульфоалюминат кальция (коррозия III вида).
Эффективными средствами защиты бетона от коррозии второго вида служат применение цементов определенного состава (белитовые), введение гидравлической добавки для связывания Са (ОН)2 и перевода С3А.nН20 в менее основный СА(гидроалюминатСа), а также получение плотных бетонов.
Коррозия бетона третьего вида
При действии на бетон минерализованных вод в его порах и капиллярах накапливаются кристаллы солей, а также продукты реакции, образующиеся при взаимодействии воды- среды с цементным камнем. В результате увеличения числа кристаллов возникают значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров, и под влиянием этих усилий стенки разрушаются.
Такие изменения цементного камня вызывают воды, содержащие сульфаты в виде растворенного сернокислого кальция и другие сульфаты. Гипс, выделяющийся из раствора, откладывается в порах цементного камня. При наличии в воде других солей сульфатов гипс образуется при взаимодействии этих солей с Са(ОН)2. Гипсовая коррозия начинается при концентрации S04 свыше 1000 мг/ л. Предельно допустимая концентрация SO4 для портландцемента - 250 мг/ л независимо от состава находящейся в воде сернокислой соли.
Кроме того, между сульфатами и трехкальциевым алюминатом происходит реакция образования труднорастворимого гидросульфоалюмината кальция (ГСАК):
ЗСаО*Аl203+3CaS04+31H20 = ЗСаО*АL2 О 3*CaSO4*31Н 20.
Объем ГСАК примерно в 2,5 раза больше, чем сумма объемов исходных компонентов, вследствие чего цементный камень разрушается. Механизм коррозии 3 вида имеет сложную зависимость. В начале процесса происходит отложение гипса в порах и образование гидросульфатов приводит к уплотнению бетона. Продолжительность такого периода может колебаться от нескольких месяцев до нескольких лет. Скорость коррозии 3 вида зависит от минералогического состава клинкера и от микро- и макроструктуры цементного камня. В качестве мер борьбы с коррозией 3 вида применяют портландцементы с высоким содержанием C3Sи низким содержанием С3А (сульфатостойкого портландцемента), повышение плотности бетона за счет снижения водоцементного отношения и интенсификации уплотнения, защиту поверхности битумными красками, фенолформальдегидными смолами и др.
5. Условия возникновения коррозии арматуры в бетоне и способы ее предотвращения.
Коррозия арматуры в бетоне является частным случаем многообразного явления коррозии металлов. Под понятием коррозии металлов подразумевается процесс постепенного разрушения их поверхности в результате химического или электрохимического взаимодействия металла с окружающей средой. Чисто химическое взаимодействие металлов со средой встречается несравненно реже, чем электрохимическое.
Электрохимическая коррозия, или коррозия в электролитах, является результатом работы множества микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих на поверхности металла при контакте с электролитом. Их возникновение обусловлено неоднородностью металла или окружающей среды. Разность потенциалов на поверхности стальной арматуры в бетоне обусловлена тем, что отдельные микроучастки стали имеют разные структурные характеристики, связанные с характером окисных пленок, точек соприкосновения как с жидкой фазой, так и с продуктами гидратации цемента, зернами мелкого и крупного заполнителей. Таким образом, электрохимическая коррозия предполагает наличие электрического тока, который возникает в процессе коррозии и не нуждается во внешней причине. При наличии внешней причины, например, в виде блуждающих токов, коррозия еще более усиливается.
Пассивирующее действие бетона на сталь
Коррозия стали в бетоне является результатом электрохимического процесса, при котором на анодных участках железо переходит в раствор и превращается в ржавчину. Необходимые для этого процесса гидроксил-ионы образуются на катоде из кислорода и воды. Стальная арматура в плотном и некарбонизованном бетоне без трещин надежно защищена от коррозии. Это обусловлено высокой щелочностью рН поровой влаги, которая находится в пределах 12,5-13,5 в зависимости от вида и количества цемента, вида и количества добавок. Высокая щелочность бетона вызвана, как известно, процессами гидролиза и гидратации силикатных фаз цемента с образованием Са(ОН)2 . При наличии в цементе щелочных солей калия и натрия, они в процессе гидратациицемента превращаются в гидроксиды - КОН или NaOH, которые повышают рН среды бетона до 13,5. При столь высоком значении рН среды в присутствии кислорода на поверхности стали образуется микроскопически топкий слой гидроксида двухвалентного железа, который предохраняет сталь от анодного растворения. При снижении рН среды ниже 12 гидроксид двухвалентногожелеза переходит в гидроксид трехвалентного железа пo схеме:
Fе (OH) 2 + 02+Н20 2Fe (ОН)3.
При этомобъем образующегося гидроксида более, чем в 2 раза превышает сумму объемовисходных компонентов, что приводит к нарушению оцепления арматурыс бетоном. В результате несущая способность конструкций понижается.
Электрокоррозия. Условия ее возникновения и предотвращения
Длительная практика эксплуатации железобетонных конструкций в поле действия блуждающих токов показала, что в анодных зонах стали идет интенсивный процесс коррозии с разрушением бетонного покрытия. Источником разрушения являются токи постоянной величины. Коррозия стали в бетоне под действием токов постоянной величины описывается теорией механических напряжений. Согласно этой теории, при прохождении постоянного тока через арматуру последняя подвергается коррозии, в результате чего образующиеся продукты коррозии приводят к возникновению внутренних растягивающих напряжений, что неизбежно ведет к разрушению бетона. Для защиты железобетонных конструкций от электрокоррозии используют метод протекторной защиты. Суть способа состоит в наложении на арматуру внешнего защитного потенциала, при котором она попадает в зону пассивного состояния диаграммы Пурбэ, то есть когда железо неионизируется (не растворяется) в любых агрессивных средах. Величина защитного потенциала принимается в пределах 0.85-1,1В по отношению к медно -сульфатному электроду, а плотность тока около –
Основные способы защиты арматуры в бетоне от коррозии
Скорость электрохимической коррозии стальной арматуры зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются величина рН среды бетона, толщина и плотность защитного слоя, наличие и характер трещин, температура и химический состав окружающей среды. Поэтому для обеспечении долговечности железобетона следует применять такие способы и приемы, которые бы обеспечили сохранность стальной арматуры. В частности, дня повышения плотности защитного слоя бетона следует применять пластифицирующие добавки, для поддержания высокого значения рН среды бетона - чистоклинкерный портландцемент или портландцемент с минимальным содержанием минеральных добавок, для повышения трещиностойкости бетона наряду с химическими добавками следует стремиться к минимальному удельному расходу
цемента, мягким режимам тепловой обработки. Для повышения защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре вводят в бетонную смесь специальные добавки - ингибиторы или пассиваторы коррозии. К ним относятся нитриты, нитраты, хроматы, бихроматы, фосфаты, силикаты, бораты натрия или калия в количествах 0,5-3,0% от массы цемента. Сущность механизма действия пассиваторов заключается в образовании на поверхности металла защитных пленок из оксидов или нерастворимых солей. Такими свойствами обладают нитриты, фосфаты, силикаты, хроматы, бихроматы и некоторые другие соединения. Следует, однако, заметить, что некоторые из перечисленных соединений, действуя в основном на анодный процесс, сокращают площадь анодных участков и в случае малой концентрации способствуют локализации коррозионного процесса в отдельных точках -питтингах. Следовательно, добавки - пассиваторы не всегда обеспечивают надежную защиту стали от коррозии.
Добавки-ингибиторы обеспечивают надежную защиту стали от коррозии, особенно в бетоне с пониженной щелочностью среды. Они образуют на поверхности стали пленки с физической адсорбцией. К таким добавкам относятся амины, фосфорорганические соединения, ряд ПАВ катионактивного действия. Наибольшую эффективность защиты арматуры в бетоне обеспечивают комплексные добавки.
Коррозией бетона называется понижение прочности, повреждение и разрушение бетона под влиянием окружающей среды.
Большой вклад в изучение коррозии бетона и мер борьбы с ней внесли русские ученые А.А.Байков, В.М.Москвин, С.Н.Алексеев, В.В,Тимашев и др.. различают коррозию бетона трех видов.
3.1. Виды коррозии бетона
3.1. Коррозия бетона первого вида
Этот вид коррозии сопровождается растворением составных частей цементного камня, в первую очередь, гидроксида кальция под действием проточной воды. Хотя растворимость Ca(OH)2 в воде невелика (1,7 г/л при 15°С), но под действием проточной воды из цементного камня может вымыться большое количество Ca(OH)2. в связи с этим цементный камень становится пористым, теряет связанность и часть прочности. Если бетон плотный и не имеет пустот и трещин, то коррозия его может протекать только с поверхности; если же бетон пористый и вода проходит сквозь него под напором, то процесс протекает очень интенсивно. Наиболее сильное растворяющее действие на гидроксид кальция оказывает чистая дистиллированная вода (на заводах) и мягкая природная (дождевая) вода. Однако растворению Ca(OH)2 препятствует защитный верхний слой из карбоната кальция, образующегося на поверхности твердеющего бетона по реакции:
Эта реакция называется реакцией карбонизации. Растворимость карбоната кальция в чистой воде приблизительно в 100 раз меньше, чем гидроксида кальция. Поэтому верхний слой из карбоната кальция, хотя и очень тонкий – несколько микрометров, защищает цементный камень от вымывания Ca(OH)2 из бетона. Поэтому при строительстве морских сооружений из бетонных блоков последние обязательно выдерживают 2-3 месяца на берегу перед опусканием их в водоем.
Коррозия бетона второго вида
Этот вид коррозии происходит в результате реакций обмена между кислотами или солями, растворенными в воде, и составними частями цементного камня. В результате такого взаимодействия образуются вещества, которые легко растворяются в воде и вымываются ею из бетона. Это также способствует понижению прочности и разрушению бетона, т.е. его коррозии.
По вышеприведенной схеме протекает коррозия бетона при контакте его с природными водами, содержащими свободную углекислоту в количестве более 15-20 мг/л. Такая углекислота называется агрессивной по отношению к бетону, т.е. она разрушающе действует на бетон. Процесс коррозии бетона при действии агрессивной углекислоты начинается с растворения карбонатного слоя бетона: CaСO3 + СО2 ↔ Ca(НСO3)2 (2).
Гидрокарбонат кальция Ca(НСO3)2 обладает значительной растворимостью в воде и вымывается из бетона. Лишенный защитного карбонатного слоя бетон быстро разрушается.
Сточные воды могут содержать различные неорганические кислоты, разрушающе действующие на бетон, например:
Образующийся хлорид кальция CaCl2 легко растворим в воде и ею вымывается из бетона.
Аналогично разрушают бетон и аммонийные соли, входящие в состав многих удобрений. Например, нитрат аммония, подвергаясь во влажной среде гидролизу по схеме
образует кислоту HNO3 . Азотная кислота также, как и соляная растворяет СаСО3 и взаимодействуя с Ca(OН)2 бетона, вымывает его.
Особенно опасны для бетонов растворы солей магния т.к. он реагируют не только с карбонатом и гидроксидом кальция, но и с основной составляющей затвердевшего цемента в бетоне – двухкальциевым гидросиликатом 2СаО · SiO2 · nH2O.
Вышеназванные процессы протекают по следущим реакциям:
Образующийся в реакциях (8) и (9) гидроксид магния Mg(OH)2 хотя и труднорастворим, но связанностью не обладает, поэтому тоже вымывается из бетона водой. Все эти процессы способствуют понижению прочности и разрушению бетона. Соли магния содержатся в морской воде, поэтому она особенно агрессивна по отношению к бетону.
Коррозия бетона третьего вида
Этот вид коррозии происходит при взаимодействии реагентов с компонентами затвердевающего бетона и сопровождается образованием веществ, кристаллизирующихся в порывах бетона с увеличением объема по сравнению с исходными компонентами бетона. Вследствие этого в бетоне возникают расклинивающие напряжения и происходит его растрескивание. Таким образом на бетон действуют серная кислота, сульфаты, гипсовые воды. При этом протекают следущие реакции:
CaSO4 · 2Н2О – гипс при кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с исходным компонентом бетона (CaСO3) на 10%;
гипсовые воды,содержащие в растворе сульфат кальция, реагируют с трехкальциевым гидроаллюминатом, входящим в состав бетона, по схеме:
Образующийся трехкальциевый гидросульфоалюминат при кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с компонентом бетона 3СаО · Al2O3 · 6H2O в 2,5 раза. Коррозия бетона 3 вида происходит особенно быстро, если бетон находится под нагрузкой.
Разбавленные растворы щелочей не разрушают бетон, если они постоянно его омывают. Если же щелочные растворы попеременно контактируют с бетоном, то в этом случае происходит коррозия бетона третьего вида в последствие действия углекислоты воздуха на щелочь, остающуюся в порах влажного бетона. Например, при контакте цемента с раствором гидроксида натрия идет следущая реакция:
Образующаяся сода Na2CO3 · 10H2O также кристаллизируется с увеличением объема в порах высыхающего бетона.
Клас-ция по Москвину:I.Коррозия, которая протекает под действием вод с малой временной жесткостью, при этом составляющие цем. камня растворяются и уносятся с водой. II.Протекат по воздействием вод, содержащих в-ва, которые вступают в реакцию с цем. камнем. Продукты реакции легко растворимы либо выделяются на месте в виде аморфных масс, не обладающих важными свойствами. III.Под действием вод, содержащих в-ва, которые вступают в реакцию с цем. камнем, продукты реакции кристаллизуются в порах и капиллярах.
Класс-ция по Кинду: 1)Коррозия выщелачивания. 2)Кислотная коррозия. 3)Углекислотная коррозия. 4)Магнезиальная коррозия. a) Собственномагнезиальная. b)Сульфомагнезиальная. 5)Сульфатная коррозия. a) Сульфоалюминатная (концентрация сульфатаниона до 1000). b)Сульфоалюминатногипсовая (концентрация >1000) c) Гипсовая (действие солей Na2SO4, K2SO4).
Коррозия I вида. Цем. камень нах-ся в состоянии неустойчивого равновесия. Наблюдается при действии вод с малой временной жесткостью. Чем ближе к дистиллированной (чем более мягкая), тем больше растворяется Ca(OH)2. Цем. камень имеет щелочную среду. Щелочная среда или PH цем. камня восстанавливается за счет разложения высокоосновных соединений. Вымывание 10% Ca(OH)2 хар-ся как неустойчивое состояние. Если вымывается больше, то прочность теряется до 50%.
На коррозию влияет состав цем. камня: - чем выше содержание Ca(OH)2, тем больше будет коррозия. - минералогический состав клинкера. - вещественный состав (наличие АМД приводит к уменьшению количества Ca(OH)2 за счет связывания его с CSH). Используют гидрофильные и гидрофобные добавки, сокращают В/Ц, сокращают количество пор. Гидрофобные делают поверхность плохо смачиваемой. - чем плотнее цем. камень, тем меньше коррозия.
Коррозия II вида. CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2. Ca(HCO3)2 хорошо растворим, хорошо вымывается с водой. Повышенная жесткость воды приводит к углекислотной коррозии.
Меры борьбы с углекислотной коррозией: 1) Выбирают соответствующие виды цемента (глиноземистый ПЦ и ППЦ). 2) Использование тонкомолотых карбонатов (Са или Mg) в качестве наполнителя. Переводят агрессивную СО2 в Са(НСО3)2. 3) Использование засыпок из карбонатных пород около ж/б конструкций, которые подвергаются воздействию коррозии.
Кислотная коррозия. H2SO4, HCl, HNO3, уксусная и молочная кислота. Поцесс разрушения начинается с поверхностного слоя. Если продукты реакции не препятствуют проникновению агрессивной среды, то процесс разрушения перемещается в глубинные слои. Скорость разрушения зависит от скорости реакции и от свойств продуктов реакции. Кислоты будут реагировать со всеми составляющими цем. камня. CaSO4 менее растворим, поэтому он задерживается на поверхности, замедляется скорость разрушения. Для защиты используют листовые мат-лы, кислотоупорные цементы. Обычные бетоны начинают разрушаться при воздействии среды с PH
Собственномагнезиальная коррозия происходит под воздействием MgCl2.
Ca(OH)2+MgCl2=CaCl2+Mg(OH)2. Если концентрация р-ра MgCl2 до 2%, то Mg(OH)2 выпадает в виде рыхлой, высокопроницаемой массы. Если >5%, то в виде плотной непрницаемой пленки. Наличие др. в-в в воде влияет на растворимость защитной пленки. Используя чистый ПЦ, пленка будет плотнее.
Коррозия III вида. Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4•2H2O+2NaOH. Гипс выкристаллизовывается, накапливается в порах, давит на стенки.
Сульфоалюминатная коррозия. Гипс вступает в реакции с С3АН6 с образованием высокосульфатного ГСА. Способы защиты от сульфоалюминатной коррозии: 1) Применение клинкера нормированного состава, содержание C3S не более 50%, С3А ≤5%, С3А+С4АF≤22%. 2)Применение смешанных цементов (ППЦ, ШПЦ). 3) Более тонкий помол цемента с повышенной дозировкой гипса.
4) Применение глиноземистого цемента. Магнезиальносульфатная коррозия. Образуется Mg(OH)2, PH которого намного меньше. MgSO4 вступает в реакцию с гидроалюминатами, гидросульфатами.
Читайте также: