КОРОЗІЯ БЕТОНУ ТРЕТЬОГО ВИДУ І ЗАХИСТ ВІД НЕЇ

Лекція 6

Механізм корозії третього виду обумовлений виникненням внутрішніх напружень, що утворюються внаслідок накопичення в порах і капілярах бетону важкорозчинних солей. Цей процес може бути результатом кристалізації продуктів хімічних реакції і наслідком процесу кристалізації при поглинанні солей з агресивних розчинів. Найбільш поширеною корозією цього виду є сульфатна корозія.

· Сульфатна корозія

Сульфатна агресія є найбільш розповсюдженою через те, що сульфат-іони присутні практично у всіх видах природних і стічних вод. У прісній водопровідній воді, а також у водах рік і озер вміст SO₄^2- -іонів звичайно не перевищує 60 мг/л і рідко доходить до 100 мг/л. У мінералізованих ґрунтових водах їх концентрація досягає 5000 мг/л і більше, а у виробничих водах може досягати 10 г/л.

Присутність у воді сульфат-іонів може призводити не тільки до підвищення розчинності компонентів цементного каменю, тобто до корозії першого виду), але і викликати обмінні реакції, що супроводжуються випаданням в осад таких кристалічних продуктів, як гідросульфоалюмінат кальцію (ГСАК) і гіпсу, що накопичуються в порах і капілярах бетону і сприяють виникненню в ньому внутрішніх напружень і руйнуванню, тобто приводити до корозії другого виду. Кристалізація етрингіту супроводжується збільшенням об’єму приблизно у 4,76 разів.

Зовнішні ознаки і швидкість протікання сульфатної корозії визначаються концентрацією сульфат-іонів, видом катіону, хімічним і мінералогічним складом в'яжучого. У ґрунтових, стічних та інших водних середовищах найбільш часто зустрічаються сульфати кальцію, натрію, калію і магнію. Перших три сульфати можуть служити середовищем для утворення ГСАК, а дія сульфату магнію знижує концентрацію вапна в поровій рідині цементного каменю, тому ГСАК утворитися не може. Під впливом сульфат-іонів у порах бетону можуть утворюватися три основні сполуки:

3CaО×Al₂O₃×3CaSO₄×32 H₂O; 3CaО×Al₂O₃×CaSO₄×11H₂O; CaSO₄×2H₂O.

Можливість появи кожної з них визначається термодинамічними умовами, що виникають при змішанні рідкого агресивного середовища, яке містить сульфат-іони, і порового електроліту, що знаходиться в контакті з твердими продуктами гідратації цементного каменю і зернами заповнювача.

Проведені В.І. Бабушкіним [8] термодинамічні розрахунки показали, що утворення етрингіту 3CaО×Al₂O₃×3CaSO₄×32H₂O можливе при рН > 10 і низкої концентрації сульфат-іонів, моносульфату 3CaО×Al₂O₃×CaSO₄×11H₂O) – при рН = 12,5 і дефіциті сульфат-іонів. Тому в складі продуктів сульфатної корозії обидві сполуки практично не фіксуються. Експерименти показали, що більше всього ГСАК утворюється, коли концентрація сульфат-іонів знаходиться в межах 1000-1500 мг/л, що відповідає вмістові сульфат-іонів у насичених розчинах гіпсу. Присутність в агресивному розчині солей типу NaCl, NaBr, NaNO₃ з концентраціями, не меншими вмісту сульфат-іону в розчині, перешкоджає утворенню кристалів ГСАК, тому що він починає розчинятися, і зниження в розчині концентрації вапна до значення менш 0,027 г/л приводить до остаточного розкладання ГСАК.

Таким чином, механізм руйнування цементного каменю і бетону під дією сульфатів виглядає так. Незалежно від типу кристалічних ґрат і від того, як змінюється об’єм системи, накопичення твердої фази в обмеженому поровому просторі завжди викликає виникнення у стінках пор напруження, що їх розриває.

Кристалізація гіпсу в порах цементного каменю починається при наявності в них насиченого розчину вапна (~ 1200 мг/л) і досягненні концентрації CaSO₄, рівної 1500 мг/л. Якщо ж у розчині немає гідроксиду кальцію та інших солей, кристалізація гіпсу починається при більш високій його концентрації, а саме 2020-2040 мг/л. У незруйнованому цементному камені вид катіонів також деякою мірою впливає на величину мінімальної концентрації, що необхідна для кристалізації гіпсу. Так, для розчину Na₂SO₄ мінімальна концентрація повинна складати 1980 мг/л, а для MgSO₄ – 1800 мг/л. Під час протікання цих реакцій концентрація вапна знижується і призводить до утворення розчину гіпсу. Весь кальцій з гідроксиду кальцію порової рідині, переходить у гіпс, якщо концентрація Na₂SO₄ дорівнює 3040 мг/л, а MgSO₄ – 2570 мг/л. Якщо ж концентрація сульфатів у розчині менше 0,18 %, гіпс не кристалізується і єдиною твердою фазою при взаємодії цементного каменю з сульфатами є ГСАК.

Однак наявність ГСАК і гіпсу серед продуктів корозії цементного каменю і бетону сама по собі ще не може вважатися ознакою сульфатної корозії. Більш того, у цементному камені у певних умовах ГСАК являє собою елемент структури, а в гідратованому сульфатно-шлаковому цементі він є одним з головних структурних компонентів. Разом з тим відомі випадки, коли в бетоні, зруйнованому дією сульфатних вод, не вдавалося знайти кристали ГСАК.

Утворення відкладень гіпсу, незважаючи на значну його кількість, не завжди супроводжує небезпечні об'ємні деформації матеріалу. Слід відзначити, що властивості цементного гелю і процеси, що відбуваються в порах і капілярах, обумовлюють найважливіші характеристики бетону. Напівтверда гелеподібна маса присутня у всіх гідратованих цементах, а відносне зниження її кількості може бути досягнуто, зокрема, пропарюванням. На ранніх стадіях гідратації встановлюється висока концентрація іонів і насамперед кальцію. Гель, що знаходиться в енергетичній рівновазі з поровою рідиною, має здатність набухати і тим більше, чим вище початкова концентрація вапна. Залежно від стану продуктів корозії дифузія Са(ОН)₂ може бути різною: якщо вона протікає інтенсивніше, ніж дифузія іонів агресивного розчину в тіло бетону, на зруйнованій поверхні останнього утворюються кристали двоводного гіпсу.

Руйнування бетону при дії розчинів сульфатів пояснюється ще і виникненням осмотичного тиску позитивного знаку, коли тиск спрямований зсередини назовні, що і призводить до виникнення тріщин або навіть повного руйнування бетону.

Для захисту від сульфатної корозії використовують добавки у вигляді летючої золи, що містить низькоосновні алюмінати кальцію, які майже повністю зв'язують гідроксид кальцію, який виділяється при гідратації цементу і цим забезпечують підвищення стійкості бетону до впливу сульфатвмісних середовищ. Стійкість гіпсоцементо-пуцоланових і гіпсошлакоцементних в'яжучих у сульфатних середовищах обумовлена пониженою концентрацією СаО, оскільки СаО нейтралізується пуцолановими добавками або шлаками.

Таким чином, сульфатостійкість цементних бетонів і розчинів залежить від фізико-хімічних характеристик порової рідини, зміна яких у період ранньої гідратації забезпечує той чи інший ступінь сульфатостійкості матеріалу. Зменшення вмісту алюмінію в цементі є визнаним способом підвищення сульфатостійкості, оскільки зменшується імовірність утворення ГСАК під дією сульфатів. Аналогічного ефекту можна чекати при зміні характеристик порової рідини, які призводять до зниження осмотичного тиску за рахунок видалення з неї якомога більшої кількості вапна в період ранньої гідратації.

Іншими заходами боротьби із сульфатною агресією є:

- застосування сульфатостійкого (С₃А < 5,0 % і С₃S < 50 %) або низькоалюмінатного (С₃А < 5,0 % і С₃S < 60 %) портландцементів;

- застосування бетонів підвищеної щільності;

- застосування різних обмазок, ізоляції рулонними і плівковими матеріалами, пластбетонами (наклепка плівкових матеріалів проводиться на клеї 88-Н і Б-12).

· Корозія в розчинах солей

Корозія бетону в розчинах солей характерна в умовах теплого і сухого клімату при наявності у грунті водорозчинних солей в кількості більше 1 % або високого рівня ґрунтових вод з мінералізацією не менше 3 г/л. При відповідних температурно-вологісних умовах ряд солей з безводної або маловодної своєї форми (Na₂SO₄, MgSO₄∙H₂O) переходить в порах цементного каменю до висоководної форми кристалогідратів (Na₂SO₄∙10H₂O, MgSO₄∙7H₂O і т.п.). Таке перетворення супроводжується збільшенням об’єму твердої фази в 1,5-3 рази і значними деформаціями.

Відкладення солей у порах цементного каменю можливе і при їх кристалізації із солених розчинів внаслідок капілярного підсмоктування і випару води. За даними А.І. Мінаса [9], при підсмоктуванні розчину 5 %-ної концентрації кристалізаційний тиск може досягати для Na₂SO₄ – 4,4, MgSO₄ – 3,6, NaС1 – 2,7, СаSO₄ – 0,09 МПа.

Внаслідок солевої корозії у ряді південних регіонів відмічається руйнування конструкцій на висоті 10-50 см від поверхні грунту. Тому ефективними заходами для захисту бетону від дії солевої корозії є підвищення його щільності і введення до складу бетону гідрофобізуючих добавок, які зменшують капілярне всмоктування, наприклад, етиленсиліконат натрію, бавовняне мило, милонафт у кількості приблизно 0,1 %.

До корозії третього виду належить також руйнівний процес хімічної взаємодії між компонентами бетонної суміші, наприклад, процес взаємодії лугів, які містяться в цементі, і кремнеземом заповнювачів. У складі портландцементу є до

1-1,5% розчинних сполук (в перерахунку на Na₂О). Їх джерелом є глинисті компоненти шихти і зола палива. Значна частина лугів потрапляє в шихту з пилом печей, який повертають при випалі цементу. Деякі модифікації кремнезему, такі як тридиміт, крістобаліт, кремнеземисте скло, опал, опока, трепел, халцедон та ін. набувають реакційної активності у лужному середовищі. Реакції таких видів кремнезему з лугами цементу призводять до утворення продуктів, що дуже збільшуються в об’ємі, що призводить до виникнення руйнівного тиску в тілі бетону. Причому заповнювач, в якому міститься розчинних видів кремнезему більше 50 ммоль/л, вже є здатним до взаємодії з лугами цементу.

Найбільш дієвим способом запобігання такого виду корозії є обмеження вмісту лугів у цементі до 0,6 % або введення до цементу активних мінеральних та деяких інших видів добавок, наприклад, вуглекислого літію, альбуміну та ін.

· Газова корозія бетону

Бетон і залізобетон руйнуються також внаслідок взаємодії з різними газами. У повітряно-сухих умовах експлуатації конструкцій агресивність газів на бетон незначна. Але при підвищенні відносної вологості й температури навколишнього середовища корозія може виявитися настільки небезпечною, що призводить до швидкого виходу з ладу всі конструкції будівлі.

На відміну від корозії бетону і з/б у рідких агресивних середовищах процеси корозії арматури, що відбуваються у газоповітряному середовищі, як правило, визначають швидкість руйнування конструкцій.

Механізм дії на бетон діоксиду сірки, сірководню, хлористого водню, хлору, вуглекислого газу полягає в наступному. Проникаючи в пори бетону, газ у першу чергу нейтралізує гідроксид кальцію, а потім вступає у взаємодію з гідросилікатами та іншими гідратними новотворами цементу. Залежно від типу газу утворюються важкорозчинні сполуки, наприклад, гіпс, СаСО₃ і т.п. або добре розчинні продукти, такі як СаС1₂та ін.

Необхідні умови агресивного впливу газів на бетон – підвищена відносна вологість атмосфери і відповідна рівноважна вологість бетону або утворення конденсату на поверхні чи в його товщі. Нижня межа відносної вологості, при якій вплив на бетон агресивних газів є безпечним дорівнює 40 - 45 %. Це пояснюється тим, що через капілярно-пористу структуру бетону кількість вологи, що утримується на поверхні пор і капілярів, недостатня, щоб утворити два або більше молекулярних прошарків, які вже мають властивості рідкої вологи, оскільки конденсований її стан обумовлений силами адсорбції.

Для визначення корозійного стану порового електроліту стосовно складових частин цементного каменю і арматурної сталі, що знаходяться в контакті з кислими газами, використовують рівноважні значення рН, які наведені в табл. 7.

Таблиця 7 – Види продуктів корозії залежно від рН середовища

Кислий газ	Продукт корозії	Значення рН
SO₃	CaSO₄×2H₂O	7,2
H₂S	CaSO₄×2H₂O	7,2
CO₂	CaCO₃	8,5

За впливом на бетон агресивні гази можна розподілити на три групи.

До першої групи можна віднести СО₂, НF, фтористий кремній, що утворюють з цементним каменем у поверхневому шарі бетону нерозчинні й важкорозчинні солі, які кольматують його пори. У результаті підвищується щільність бетону, знижується дифузійна проникність газів і уповільнюється швидкість їхньої взаємодії з цементним каменем.

Найбільший інтерес серед цих кислих газів викликає СО₂, якого в атмосферному повітрі міститься до 0,03 %. У промислових повітряних середовищах його концентрація може перевищувати 0,1 %. Цей постійно діючий фактор забезпечує протікання карбонізації в бетоні незалежно від присутності в повітрі інших газів, що дозволяє вважати карбонізацію бетону одним із процесів, які визначають швидкість нейтралізації бетону при дії на нього суміші кислих газів. Інші кислі гази, як правило, вже взаємодіють з частково карбонізованим зовнішнім шаром бетону.

Карбонізація підвищує міцність бетону на 40-70 %, на 5 % зменшує пористість та водопоглинення і хоча цей процес супроводжується усадкою до 1,6 мм/м, але тріщини в бетоні не утворюються. Тому для бетону СО₂ прийнято вважати безпечним. Але для з/б вуглекислий газ є агресивним, тому що він реагує з гідроксидом кальцію і продуктами гідратації цементу, в результаті чого величина рН порового електроліту знижується з 12,6 - 13 до 8,5 - 9, а це вже небезпечно для арматурної сталі, пасивність якої забезпечується при рН > 11,8.

До другої групи віднесені діоксид сірки і сірководень, що утворюють з бетоном важкорозчинні кальцієві солі. Продуктом взаємодії в кінцевому підсумку є двоводний гіпс, що приводить до збільшення обсягу вихідних продуктів приблизно у 2 рази, і, як наслідок цього, виникненню в захисному шарі бетону значних напружень і тріщин. Тому діоксид сірки і сірководень небезпечні для бетону. Особливо небезпечні ці гази для арматурної сталі, тому величина рН знижується до 8 більш інтенсивно, а глибина нейтралізації поверхневого шару бетону за два роки досягає 10 мм і більше.

Третя група представлена хлористим воднем, молекулярним хлором, парами йоду і брому, оксидами азоту. Ці гази утворюють з гідроксидом кальцію легкорозчинні солі. Для арматурної сталі найбільш небезпечними є галогеновмісні гази (НС1 і С1₂). Так, при вологості повітря 60 % і концентрації НС1 10 мг/л вже через 10 місяців експлуатації конструкції починається руйнування бетону, глибина нейтралізації складає 8 мм, а рН становить < 7. Оксиди азоту утворюють кальцієві солі, що не стимулюють корозію арматури, але ці оксиди знижують рН і депасивують сталеву арматуру залізобетону.

Вибір складів бетону і видів протикорозійного захисту здійснюють у відповідно до СНіП 2.03.11-85 залежно від ступеня агресивності газів стосовно бетону і залізобетону:

- для слабкоагресивних середовищ товщина захисного шару бетону в залізобетонних конструкціях повинна складати не менше 20 мм, а марку бетону за водонепроникністю треба забезпечувати не нижче W4;

- для середньоагресивних середовищ товщина захисного шару бетону повинна складати 20 мм, а марка бетону за водонепроникністю - не нижче W6;

- для сильноагресивних - товщина захисного шару бетону повинна складати 25 мм, а марка бетону за водонепроникністю - не нижче W8.

Крім цього рекомендується застосовувати лакофарбові покриття першої і другої груп з товщиною лакофарбового шару від 0,1 до 0,15 мм, для середньоагресивних - з товщиною лакофарбового шару від 0,15 до 0,2 мм, сильноагресивних – від 0,2 до 0,25 мм.

До першої групи лакофарбових покриттів відносяться алкідні , масляні, нітроцелюлозні, полімерцементні, органосилікатні, полівінілацетатні, кремнійорганічні рідини, до другої – перхлорвінілові і на сополімерах вінілхлориду, до третьої – кремнійорганічні, поліуретанові, епоксидні, епоксидо-фенольні, хлоркаучукові, тіоколові; до четвертої – епоксидні, епоксидно-фенольні покриття і хлорсульфірований поліетилен.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
СПОСОБИ АНТИКОРОЗІЙНОГО ЗАХИСТУ	\|	ЕЛЕКТРОХІМІЧНА І ЕЛЕКТРИЧНА КОРОЗІЯ ЗАЛІЗОБЕТОНУ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.