• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

СПОСОБИ АНТИКОРОЗІЙНОГО ЗАХИСТУ

ХІМІЧНА КОРОЗІЯ БЕТОНУ.

Лекція 5

Хімічні фактори корозії бетону і з/б поділяються на:

- корозія в рідких середовищах (кислоти, луги, розчини солей);

- корозія в газоподібних середовищах (CO₂, Cl₂, SO₂, NO, NH₃ та ін.);

- корозія в пилоподібних середовищах (вплив твердих часточок пилу, що складаються із солей типу KCl, NaCl, NaNO₃, KNO₃ та ін.).

Корозія в рідких середовищах – це головний вид корозії.

За видами хімічної взаємодії іонів середовища з іонами порового електроліту бетону можна виділити дві групи реакцій:

- обмінні хімічні реакції з утворенням легкорозчинних солей або важкорозчинних сполук, які не пов’язані між собою;

- реакції з утворенням важкорозчинних добре закристалізованих солей.

Аналіз реакцій першої групи показує, що найбільш небезпечними в розчині, який контактує з бетоном є катіони H⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, NH₄⁺. Вони при взаємодії з гідроксильними іонами порового електроліту утворюють добре розчинні солі або незв’язані аморфні гідроксиди. При цьому знижується величина рН порового електроліту, що сприяє виникненню процесу гідролізу продуктів гідратації цементу і розвитку деструктивних процесів у цементному камені.

У протіканні реакцій другої групи особливе значення мають реакції з сульфат-іонами, а найбільш небезпечними є поєднання з катіонами NH₄⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ та Cu²⁺. Розчини цих солей за агресивністю можна порівняти з сірчаною кислотою.

Використовують дві класифікації видів корозії бетону: за назвою агресивного середовища (класифікація В.В. Кінда [6]) і за механізмом агресивного впливу середовища на матеріал (класифікація В.М.Москвіна [7]).

· Корозія бетону першого виду

Відповідно до класифікації В.М. Москвіна до першого виду хімічної корозії бетону й залізобетону відносять корозію вилуговування.

Процес вилуговування виникає в цементному камені, бетоні або з/б при дії на них слабкомінералізованих вод. Вплив такого виду корозії зазнають наливні й ємкісні споруди, труби, греблі, мостові конструкції, причальні стінки морських і річкових портів, палі підвалин і т.п.). Вилуговування виникає в цементному камені і бетоні при дії вод з малою тимчасовою жорсткістю, що призводить до фізико-хімічного розчинення продуктів гідратації цементу, а для конструкцій, які працюють під напором таких вод спостерігається винос розчинених складових цементного каменю разом з водою, що фільтрується крізь конструкції. Поки немає фільтрації, усі гідратні сполуки цементного каменя знаходяться в рівновазі із Са(ОН)₂, розчинність якого досить висока і дорівнює 1,2 г СаО/л. У процесі фільтрації вапно вилуговується і починається східчасте розчинення всіх гідратних сполук цементного каменю. Якщо 10 % вапна виноситься, то міцність зменшується на 10 %, якщо - 30 %, то втрачається 30 % міцності бетону і відбувається руйнування:

5CaО×6SiО₂×5,5H₂O ® 5Са(ОН)₂ + 2 Al(ОН)₃; (6)

Са(ОН)₂ = Са²⁺ + 2 ОН^-. (7)

Відповідно до СНіП агресивність води залежить від ступеня підвищення концентрації бікарбонат-іонів НСО₃^1-.

При вмісті 1,05 ммольНСО₃/л і менше – вода є слабкоагресивною стосовно бетону з водонепроникністю W4, при W6 – середовище прийнято вважати не агресивним.

Відомо, що головні компоненти цементного каменю (гідросилікати, гідроалюмінати, гідроферіти, гідросульфоалюмінати, гідроксид кальцію) є стабільними тільки в контакті з поровою рідиною, в якій розчинено у певній концентрації вапно. При омиванні бетону водою або фільтрації води під тиском відбувається поступове вимивання вапна, тобто протікає процес вилуговування. Такі втрати вапна відновлюються за рахунок східчастого гідролізу цементного каменю, але це призводить до його поступової деструкції. У першу чергу руйнуються багато основні сполуки, виділяючи в розчин гідроксид кальцію. У зв'язку з цим знижується його концентрація в рідкій фазі і розчиненню піддаються вже менш основні гідратні сполуки цементу. Уже при величині рН < 10,17 розчиняються основні продукти гідратації цементу.

Швидкість корозії при вилуговуванні залежить не тільки від швидкості розчинення складових частин цементного каменю, але й від хімічного складу води. Особливо важливий вміст у ній бікарбонату кальцію і вугільної кислоти. Так, якщо в контакті з бетоном знаходяться води з підвищеним вмістом бікарбонатів і карбонатів кальцію (жорсткі води), то накопичення карбонатів кальцію в капілярах призводить до підвищення щільності бетону і зменшенню швидкості фільтрації. У той же час м'які води розчиняють не тільки складові частини цементу, але навіть той карбонат, що утворився ще до контакту бетону з водою.

Для захисту бетону при корозії I-го виду існують заходи, які поділяють на первинні й вторинні.

Первинний захист:

а) застосування пуцоланового цементу або цементу з добавкою активного кремнезему, наприклад, 20-40 % трепелу;

б) низьке В/Ц;

в) інтенсивне ущільнення бетонної суміші (W4 - W8);

Вторинний захист:

застосування різних видів гідроізоляції, наприклад:

а) бітумної обмазки;

б) гідрофобного просочення.

· Корозія бетону другого виду

За класифікацією другий вид корозіїхарактеризується впливом на бетон розчинів кислот, лугів і магнезіальних солей.

Корозія в мінеральних кислотах. Найбільшнебезпечна і розповсюджена з них кислотна корозія, що виявляється при впливі на бетон розчинів мінеральних кислот типу HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃ і органічних кислот: оцтової, мурашиної, масляної, щавлевої та ін. Ці процеси характерні для підприємств хімічної і харчової промисловості, а також при дії стічних вод.

Основним показником, характерним для цих середовищ є значення рН середовища, тобто негативний логарифм концентрації водневих іонів:

нейтральне середовище - рН (- lg [H⁺] ) = 7 ; [H⁺] = 10^-7 г-моль Н⁺/л кисле середовище - рН = 1; [H⁺] = 10^-1 г-моль Н⁺/л

лужне середовище - рН = 12 [H⁺] = 10^-12 г-моль Н⁺/л

Під впливом мінеральних кислот, наприклад, соляної, бетон розчиняється внаслідок утворення легкорозчинних сполук і швидко руйнується:

5CaО×6SiО₂×5,5H₂O + 10 HCl = 5СаCl₂ + 6SiО₂ + 10,5H₂O. (8)

Згідно зі СНіП 2.03.11-85 при рН < 4 жоден зі звичайних видів цементу не витримує впливу кислих рідких середовищ.

Звичайний портландцемент витримує вплив кислих вод із рН > 6, при цьому коефіцієнт фільтрації повиннен складати менше 0,1 м/добу.

Отже, бетони на будь-яких видах цементу, що експлуатуються у водах із рН < 6,5, термодинамічно не стійкі, але по різному.

Кисла вода (1 % -й розчин Н₂SО₄) виявилася агресивною для всіх мінералів цементного клінкеру, однак за 3-4 тижні найбільше зруйнувалися зразки з С₃А, а зразки з С₂S і С₃S ще зберігали форму і деяку міцність. Знижена стійкість продуктів гідратації С₃А спостерігається навіть у чистій воді.

Експерименти показали, що 1 % розчини НСl, Н₂SО₄, НNО₃ сильно роз'їдають бетон протягом декількох місяців. Фосфорна кислота менш агресивна щодо бетону через малу розчинність фосфату кальцію, що утворюється при цьому. Однак при підвищенні концентрації фосфорної кислоти до 5 % руйнування відбувається досить швидко.

Таким чином, продукти реакції цементного каменя з розчинами кислот з малозмінними концентраціями в основному розчиняються і виносяться потоком, а швидкість корозії визначається швидкістю підведення агресивного середовища і площею поверхні контакту її з бетоном.

Особливий різновид корозії другого виду – вуглекислотна корозія.

Відповідно до СНіП показником агресивності цього виду корозії є вміст у воді агресивного вуглекислого газу СО₂, який міститься в більшості ґрунтових і стічних вод. Якщо його концентрація знаходиться в межах 10- 40 мг/л, то для бетону з показником водонепроникності W 4 це середовище є слабкоагресивним, при концентрації більше 40 мг/л для бетону з W 4 - середньої агресивності, але неагресивне для бетону з показником водонепроникності W 8. Вугільна кислота дисоціює у воді в два етапи:

Н₂СО₃ « Н⁺ + НСО₃^-, (9)

НСО₃^- « Н⁺ + СО₃^{2 –}. (10)

Частина вугільної кислоти, що утворюється шляхом розчинення вуглекислого газу, називається вільною. Вміст її у природних водах не перевищує 150 мг/л. Характер дії води, що містить цю кислоту, залежить від багатьох факторів:

- концентрації розчиненої вугільної кислоти;

- вмісту іонів кальцію і бікарбонат-іонів у воді;

- умов омивання конструкції (під напором, без напору);

- властивостей бетону (його щільності і виду цементу).

Якщо бетон був вже частково карбонізований, корозія в чистому вигляді виявляється в розчиненні карбонатної плівки на поверхні бетону:

СаСО₃ + Н₂СО₃ = Са ²⁺ + 2НСО₃^-. (11)

При відповідних умовах може бути досягнутий стан рівноваги. Але якщо вода, в якій розчинена вільна кислота, рухається щодо бетону, вкритого карбонатною плівкою, і концентрації Са ²⁺ і НСО₃^- не збільшуються, то карбонатна плівка розчиняється безперешкодно, тобто вугільна кислота є агресивною кислотою як для бетону, так і для металів, застосованих як арматура в з/б конструкціях. У всіх випадках, коли вміст вугільної кислоти у воді перевищує рівноважний, у порах цементного каменя не утворюється карбонат кальцію з вапна і кислоти. Карбонат кальцію може утворитися тільки при концентраціях кислоти нижче рівноважних. За даними І. Тільманса, вода, в якій вміст бікарбонатів-іонів складає більше 100 мг/л, практично не агресивна щодо бетону.

Характер контакту вод, що містять вуглекислоту, теж сильно впливає на механізм процесів взаємодії. Коли вода не рухається або рухається повільно, то між нею і твердою фазою цементного каменю може встановитися рівновага, агресивна кислота частково зв'язується з утворенням бікарбонату, а інша частина її є рівноважною, тобто неагресивною. Якщо ж вода рухається з великою швидкістю, то рівновага не встановлюється і корозія розвивається постадійно до повного руйнування бетону. Вона може дещо сповільнитися тільки за рахунок зменшення площі контакту бетону з агресивним середовищем.

При наявності фільтрації крізь тіло бетону води, що містить вуглекислоту, спостерігається специфічний характер руйнування. Спочатку фільтруюча вода за допомогою кислоти розчиняє СаСО₃ і цементний камінь поступово насичується бікарбонатом (зона руйнування). Потім гідроксид кальцію з бікарбонатом утворює важкорозчинний карбонат кальцію, який заповнює мікротріщини і капіляри бетону, ущільнюючи його (зона ущільнення). Позбавлена кислоти вода в наступній зоні вилуговує складові частини бетону і процес корозії іде за механізмом корозії першого виду.

Щоб попередити конструкції з бетону від руйнування під впливом вуглекислотної агресії, використовують глиноземистий цемент. Менш стійким в цих умовах є пуцолановий цемент, швидше всього руйнується звичайний портландський. Введення до складу портландцементу 25 % тонкомолотого вапняку істотно підвищує його стійкість до вод з вмістом вуглекислоти.

Корозія в середовищі коагулянтів. За загалькислотною схемою протікає процес корозії бетону і залізобетону у розчинах деяких солей, утворених катіонами слабкої основи й аніонами сильної кислоти. До них відносяться: Al₂(SO₄)₃, Al(Cl)₃, Fе₂(SO₄)_3, Fе(Cl)₃, що широко використовуються як коагулянти на водопровідних станціях.

Агресія концентрованих розчинів Al₂(SO₄)₃, Al(Cl)₃, Fе₂(SO₄)₃ і Fе(Cl)₃ стосовно цементу виявляється в тому, що вони при дії на бетон викликають дифузію іонів Н⁺, SO₄^2-, Al³⁺ і призводять до значного зниження рН (рН = 3) порової рідини. Крім цього на поверхні бетону утворюються гідроксид алюмінію і гіпс, які постійно видаляються з поверхні внаслідок гідродинамічного впливу. Незважаючи на те, що начебто б є необхідні складові для утворення ГСАК, він не утворюється через дуже низьке значення рН.

У розчинах коагулянтів при величині рН < 4 застосування бетонів на звичайному портландцементі навіть із захистом недоцільно, тому використовують кислотостійкі цементи підвищеної водостійкості на основі рідкого скла Na₂SiO₃ і кремнієфтористого натрію - Na₂SiF₆ з добавкою кислототривкого наповнювача, наприклад, діабазу, андезитового порошку, меленого піску і т.п. Але в нейтральних і лужних середовищах К4 застосовувати не можна, необхідно використовувати карбонатні породи.

Корозія в органічних кислотах. Крім неорганічних кислот і кислих солей на бетон впливає і агресивна дія органічних кислот, спиртів, фенолів та ін. У практиці експлуатації деяких видів споруд спостерігається руйнування бетону і з/б кислими стічними водами, що містять органічні кислоти. Органогенна корозія також спостерігається на сільськогосподарських підприємствах, пивоварнях, цукрових, консервних, кондитерських та інших заводах. З біологічно активним середовищем контактують гідротехнічні споруди, будівельні конструкції мікробіологічних виробництв.

Механізм впливу органічних кислот залежить від їхніх відносних молекулярних мас, чим вони більше тим більше їх агресивність. До низькомолекулярних кислот відносяться молочна, масляна, оцтова, винна, яблучна, щавлева і т.д. До кислот з високою відносною молекулярною масою відносяться: олеїнова, стеаринова, пальмітинова і т.д. Для бетонів найбільш небезпечними є жири та рослинні олії, які при взаємодії з водою піддаються гідролізу, внаслідок чого утворюються гліцерин й жирні кислоти, які руйнують бетон.

З перерахованих органічних кислот найбільш агресивною є молочна кислота. Її розчин руйнує пуцоланові, шлакопортландцементи, звичайний портландцемент, а глиноземистий цемент стійкий тільки до рН = 4. Аналогічно діє і масляна кислота.

Оцтова кислота теж має агресивну дію. У 5 % розчині оцтової кислоти бетон руйнується вже через кілька місяців. Трохи стійкіший до її дії пуцолановий цемент і шлакопортландцемент, а глиноземистий стійкіше звичайного портландцементу тільки при концентрації кислоти до 0,5 %.

Слабкі розчини винної кислоти не викликають помітних руйнувань бетону, а яблучна кислота більш агресивна і навіть у невеликих концентраціях може призвести до серйозних руйнувань. Розчини щавлевої кислоти незначно впливають на бетон, оскільки утворюють на поверхні і порах бетону нерозчинний оксалат кальцію.

Всі органічні кислоти з високими відносними молекулярними масами мають на явно виражену агресивну дію, сила якої збільшується зі збільшенням відносної молекулярної маси. Руйнування від дії цих кислот буває більш сильним, коли бетон експлуатується в повітряному, а не у водному середовищі. Дія цих кислот викликає значне зниження значення рН цементного каменя. Так, бензойна кислота знижує рН порової рідини з 12,5 до 11,95, малеїнова – до 9,5.

Окрему групу складають органічні сполуки типу нафти, масел для опалювання, нафтових дистилятів, що, як правило, не роблять помітного впливу на затверділий бетон, оскільки їхні компоненти не можуть хімічно взаємодіяти зі складовими частинами цементного каменю. Легкі мінеральні олії вільно проникають у бетон. Рослинні, тваринні олії і жири шкідливі для бетону, оскільки в них є вільні органічні кислоти; вміст кислот сильно залежить від процесів окислювання жирів і масел. До їхнього складу уходять гліцериди та інші складні ефіри, які в контакті з цементним каменем гідролізуються, розпадаючись на спирт і кислотні компоненти, що утворюють з гідроксидом кальцію відповідні солі. Агресивність рослинних і тваринних олій визначається їхньою в'язкістю, що характеризує ступінь проникання їх у бетон.

Олії типу кокосової, лляної, маслинової, пальмової, реп'яхової, тунгової, бавовняної, рибного жиру при постійному контакті з бетоном є агресивними. З ацетатів сильний вплив на бетон має ацетат амонію. Вважаються також агресивними фенол, крезол і їм подібні органічні сполуки.

Оскільки рН стічних і природних ґрунтових вод, що контактують з різними спорудами, набагато нижче 4, тому необхідно застосовувати більш водостійкі й безусадові склади бетонів на основі рідкого скла. При затвердінні таких бетонів (із застосуванням рідкого скла, кремнієфтористого натрію і кислотостійких заповнювачів) утворюються желеподібний кремнезем і фтористий натрій, з яких формуються міцні, але не дуже щільні структури. Вони досить стійкі до дії концентрованих кислот (за винятком плавикової і гарячої фосфорної). Чим більше концентрація кислот і температура середовища, тим вище корозійна стійкість бетону.

Магнезіальна корозія. Магнезіальна корозія цементного каменя є дуже специфічною. В основі цього процесу лежать наступні реакції:

MgSO₄ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + Mg(OH)₂, (12)

MgCl₂ + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂. (13)

У результаті цих реакцій в обох випадках утворюється важкорозчинний осад у вигляді Mg(OH)₂ (його розчинність дорівнює 18,2 мг/л). Крім цього знижується рН порової рідини до 10, що створює сприятливі умови для розчинення і гідролізу гідратних новоутворів цементного каменю. Підтримка величини рН відбувається за рахунок гідролізу і дифузії гідроксиду кальцію з глибинних шарів, але вже при 0,26 % концентрації MgSO₄ весь гідроксид кальцію буде повністю витрачений. Експериментально встановлено, що чим більше агресивного розчину приходиться на одиницю маси цементного каменя, тим більш низькою має бути концентрація MgSO₄, при якій цілком зникає Са(ОН)₂.

При дії розчинів MgSO₄ треба враховувати специфічний вплив на цементний камінь не тільки іону магнію, але і сульфат-іонів. Він полягає в тому, що в поверхневих шарах бетону в основному протікають обмінні реакції іонів Mg²⁺ і ОН^- з утворенням Mg(OH)₂, а у внутрішніх шарах відбувається сульфоалюмінатна або гіпсова корозія.

У 1-2 % розчинах MgCl₂ реакційна ємність порівняно невелика, і реакція між іонами магнію і ОН^- звичайно здійснюється на зовнішній поверхні бетону, при цьому в порах бетону Mg(OH)₂ утворює пухкий шар, що не є перешкодою для дифузії Са(OH)₂ до поверхні бетону. У зв'язку зі зниженням лужності у внутрішніх шарах бетону розвиваються процеси, характерні для корозії вилуговування (т.зв. корозія першого виду). При цьому в першу чергу руйнуються багатоосновні гідросилікати і гідроалюмінати кальцію, а потім менш основні і т.д. Тому введення в цемент активних мінеральних добавок сприяє підвищенню його корозійної стійкості в розчинах Mg(OH)₂ низької концентрації.

Якщо концентрація розчинів Mg(OH)₂ досягає ³ 5 %, то реакційна ємність системи стає настільки великою, що гідроксиду кальцію, який надходить із глибинних шарів до поверхні бетону, уже недостатньо для своєчасної нейтралізації MgCl₂. Тоді іони магнію дифундують углиб бетону і руйнують усі гідратні новоутвори цементного каменю.

Для боротьби з магнезіальною корозією необхідно забезпечити максимальну щільність бетону, а при дуже високих концентраціях передбачити ще й захист поверхні:

а) обмазувальна ізоляція:

- при слабкому ступені агресії – бітумні або бітумнолатексні склади;

- при середньому ступені – асфальтобетонна обмазка або мастика на основі епоксидних смол.

б) обклеювальна ізоляція рулонними матеріалами (руберойд, гідроізол, ізол, брізол) із притискною стійкою зі штучних каменів (цегла, плитка, шлакоситал або кам'яне лиття);

в) хімічно стійкі плівкові матеріали (поліетилен, ізобутілен, полівінілхлорид).

Оцінка ступеня агресивності кислих рідких середовищ і розчинів магнезіальних солей щодо бетону і вибір протикорозійного захисту здійснюють за СНіП 2.03.11-85.

Корозія в лужних середовищах. Для бетону небезпечні розчини лугів з концентрацією > 50 г/л. У результаті дії на бетон таких розчинів розчинність Са(ОН)₂ значно знижується, але одночасно різко зростає розчинність кремнезему і полуторних оксидів. Найбільш агресивно на бетон діють розчини NaОН, потім розчини КОН, аміаку і Na₂СО₃.

Найбільшу стійкість до розчинів лугів мають бетони на пуцоланових і шлакопортландцементах. Вибираючи склад бетонів для таких середовищ, необхідно приділяти увагу вибору заповнювачів. При високих концентраціях лугів найбільш ефективні щільні карбонатні породи.

Читайте також:

1. Аварійно-рятувальні підрозділи Оперативно-рятувальної служби цивільного захисту, їх призначення і склад.
2. Авілум – “син чоловіка” – повноправна людина, охороні його життя, здоров’я, захисту його майнових інтересів присвячена значна частина законника.
3. Адміністративно-правовий спосіб захисту прав
4. Адміністративно-правовий спосіб захисту прав
5. Акустичні засоби|кошти| захисту
6. Базові напрями організації захисту інформації ІКСМ.
7. Банк (філія) - учасник СЕП не має права передавати засоби захисту інформації іншій установі.
8. Безстатеве розмноження, його визначення та загальна характеристика. Спори — клітини безстатевого розмноження, способи утворення і типи спор.
9. Біологічні способи лікування ран.
10. Валютний курс і способи його визначення
11. Варіанти і способи вимірювань характеристик телефонних каналів
12. Варіантів захисту підсудного

Переглядів: 923