Факторы, способствующие коррозии бетона

Факторы, влияющие на развитие коррозии бетрнных и железобетонных конструкций, делятся на две группы (табл. 9.1): связанные со свойствами внешней среды — атмосферных и грунтовых вод, грунтов и т. п.;
обусловленные свойствами материалов (цемента, заполнителей— песка, щебня, воды и т. п.) конструкций.

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. 9.1, 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. 9.1, 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 объема влаги (рис. 9.1,г).

Проникновение агрессивной среды в толщу бетона и воздействие температуры также приводят к снижению его прочности.
 

Рис. 9.1, Изменение прочности бетона
а — при различном В/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: / — сухого при положительной температуре; 2 — незначительно увлажненного; 3 — насыщенного влагой

Оценивая опасность коррозии бетонных и железобетонных конструкций, необходимо знать характеристики бетона: его плотность, пористость, количество пустот и др. При контроле качества строительства эти характеристики должны находиться в центре внимания технического надзора и эксплуатационной
службы.

Химическая коррозия бетона. Коррозия данного вида развивается в бетоне при действии на него агрессивной среды — кислот, солей и щелочей, вступающих в обменные реакции с составляющими цементного камня, в результате чего образуются хорошо растворимые соли. Разрушение конструкций кислотами и кислыми газами наиболее часто происходит на заводах, в хранилищах кислот, в лабораториях и т. п. При воздействии кислот более стойким оказывается портландцемент и менее стойким — пуццолановый портландцемент. В очень агрессивной среде применяются только кислотостойкие цементы.

Сущность процессов, протекающих при коррозии этого вида, заключается в следующем. Основным окислом цементного камня является окись кальция.

Развитию коррозии способствует растворение и вымывание продуктов разрушения: при действии кислоты на цементный камень он может полностью разрушиться. Если продукты разрушения малорастворимы, то со временем коррозия замедляется.

Увеличение притока агрессивной среды повышает скорость коррозии. При небольшой концентрации кислоты и малой скорости ее притока развивается коррозия I вида, характеризующаяся замедлением скорости растворения, вызванным снижением диффузии из пристенного слоя фильтрата в окружающую водную среду.

Скорость коррозии возрастает с повышением концентрации кислоты и увеличением скорости фильтрации. Но скорость коррозии отстает от скорости фильтрации вследствие защиты бетона продуктами коррозии, а также более медленной коррозии негидратированных зерен цемента, чем гидрата окиси кальция.

Рассматривая действие углекислоты, нужно отметить положительную (защитную) роль углекислого газа (СОг), содержащегося в атмосфере и во всех природных водах. Поверхностный слой бетона, в частности свободный гидрат окиси кальция, а также СаО, связанный в виде гидросиликатов и гидроферритов, под влиянием углекислого газа карбонизируется.

Степень агрессивного воздействия жидкой среды на бетон повышенной плотности (химическая коррозия) по СНиП 11.28—73 оценивается следующими показателями:
показателем pH — при его значении более 5,9 среда считается неагрессивной, при 5,9—5 — слабоагрессивной, при 4,9— 4 — среднеагрессивной, ниже 4 — сильноагрессивной;
содержанием свободной углекислоты (в мл/л) — при ее содержании больше 0,01 а [Са"] + 57 среда считается слабоагрессивной, а при меньшем — неагрессивной;
содержанием магнезиальных солей — если их меньше 1500 мг/л, среда неагрессивна, а если больше 3000 мг/л — сильно-агрессивна;
содержанием едких щелочей КОН, NaOH —если их меньше 60 мг/л, среда неагрессивна, а если больше 101 мг/л — сильноагрессивна.

Развитие химической коррозии в толще бетона характеризуется тремя основными зонами.
1-    я зона — зона разрушения — характеризуется тем, что агрессивная вода, взаимодействуя с карбонатом, насыщается бикарбонатом Са(НС03)2 и разрушает цементный камень. Бикарбонат уносится водой, а в конструкции остаются не обладающие вяжущими свойствами окислы железа. По мере развития коррозии эта зона смещается в толщу конструкции и может охватить ее всю.

2-    я зона — зона уплотнения — характеризуется тем, что вода, насыщенная бикарбонатом и свободным углекислым газом, встречает гидрат окиси кальция. В результате их взаимодействия в осадок выпадает малорастворимый карбонат кальция, поры заполняются и бетон уплотняется.

3-    я зона — зона выщелачивания извести — характеризуется тем, что вода, лишенная углекислоты, т. е. ставшая неагрессивной, вымывает легкорастворимые частицы бетона.

Конструкции подвержены наибольшему разрушению агрессивной водой, если в них образуется только 1-я зона.

Поскольку большинство цементов содержат гидрат окиси кальция, естественно, что агрессивная углекислота разрушает все цементы. Однако скорость их разрушения зависит от многих факторов, в частности от химического и минералогического составов цемента, плотности цементного камня, свойств продуктов коррозии, скорости фильтрации воды и др.

Интенсивность разрушения конструкции зависит также от скорости фильтрации воды через нее: если вода на внутренней ее поверхности испаряется, то растворенные соли уплотняют конструкцию, если же скорость фильтрации больше скорости испарения воды на поверхности, она не успевает испариться и уносит растворенные соли, в результате чего конструкция разрушается.

Меньшая стойкость пуццолановых портландцементов, чем портландцементов, объясняется более полной гидратацией зерен клинкера и уменьшением количества свободного гидрата окиси кальция в портландцементе вследствие поглощения его добавками или образования гидросиликатов либо гидроалюминатов кальция. Повышенная степень гидратации цементов, содержащих гидрофобные добавки, способствует ускорению их коррозии по сравнению с портландцементами. При оценке стойкости бетонов в кислотной среде надо учитывать также стойкость заполнителей, в качестве которых рекомендуются силикатные породы.

Предупреждение химической коррозии состоит в изоляции конструкций, снижении агрессивного действия среды, ее температуры, скорости движения.

Физико-химическая коррозия бетона. Коррозия этого вида вызывается фильтрацией сквозь толщу бетона мягкой воды, вымывающей его составные части, особенно гидрат окиси кальция Са(ОН)г — гашеную известь. Этот процесс, называемый выщелачиванием извести, весьма опасен для бетона, поскольку известь является составляющей почти всех цементов. Так, портландцемент содержит 64—68 % извести, 21—24 % кремнезема, 4—7 % глинозема, по 1—3 % железа и магния.

Минералогический состав цемента также разнообразен: 20— 70% трехкальциевого силиката (Ca3Si), 10—60% двухкальциевого силиката (Ca2Si), 4—15% трехкальциевого алюмината (СазАЬ), 6—16% четырехкальциевого алюмоферрита (Ca4AlFe).

При действии воды на бетон перечисленные минералы подвергаются гидролитическому разложению, ибо некоторые из них устойчивы только в воде, содержащей определенное количество извести. По мере выщелачивания гашеной извести (рис. 9.1,6) и снижения количества окиси кальция (негашеной извести) в растворе, соприкасающемся с цементным камнем, происходит разрушение других гидратов — гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов, так как стабильное их существование возможно лишь в растворах гидрата окиси кальция определенной концентрации.

Внешним признаком коррозии такого вида является белый налет на поверхности конструкции в месте выхода воды, что и послужило основанием назвать данный вид коррозии «белой смертью» бетона. Налет — это результат выпадения в осадок растворенных в бетоне солей, в частности гидрата окиси кальция и карбоната кальция.

Если приток воды очень мал и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция остается в толще
бетона, уплотняет его и прекращает фильтрацию; этот процесс называется самозалечиванием бетона.

Основным показателем этой коррозии является скорость растворения гидрата окиси кальция. Растворение его происходит при концентрации окиси кальция, близкой к концентрации насыщенного раствора. При малых скоростях фильтрации интенсивность разрушения бетона прямо пропорциональна скорости течения и выщелачивания извести. По мере увеличения скорости течения воды скорость разрушения замедляется. При больших скоростях фильтрации воды интенсивность выщелачивания зависит от скорости диффузии ее из пристенного слоя фильтрата в основную его массу и, естественно, уменьшается.

По мере выщелачивания извести из бетона его механическая прочность снижается. Например, выщелачивание первых 16 % извести приводит к потере 20 % прочности, а последующих 14 % — уже к потере 50 % прочности. Полное разрушение конструкций наступает при выщелачивании более 35—50 % извести.

Показателем агрессивности среды для этой коррозии является бикарбонатная щелочность воды, измеренная в мг-экв/л или градусах жесткости. Слабоагрессивной считается вода с показателем 0,7 (2°).

Оценивая устойчивость бетонов к физико-химической коррозии, следует отметить, что главными факторами, противостоящими ей, являются плотность бетона и характеристика цемента (в частности, минимальное количество извести в нем), увеличение временной жесткости воды, качество гидроизоляции.

Стойкость различных цементов к выщелачиванию оценивается по наличию в них извести и добавок. По этим признакам менее стоек в условиях физико-химической коррозии портландцемент, более плотными и стойкими (при длительном «созревании» в теплой и влажной среде) являются пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент с гидравлическими добавками, повышающими плотность бетона благодаря связыванию свободной извести. Более водостойкие бетоны, т. е содержащие плотный цементный камень, используются для подземных частей сооружений при отсутствии агрессивных вод.

Глиноземистый цемент, поскольку он не содержит гидроокиси кальция, также очень стоек к воздействию физико-химической коррозии. Плотность бетона, изготовленного на глиноземистом цементе, почти в два раза выше, чем портландцемента, и поэтому он более стоек в условиях коррозии.

Песчано-пуццолановый и песчаный портландцемента менее устойчивы, чем портландцементы, так как они содержат малоактивную добавку песка.

К физико-химической коррозии можно отнести кристаллизационное (солевое) разрушение бетона. Происходит оно  вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды и составных элементов цементного камня. Коррозия бетона из-за капиллярного приноса солей с водой извне и выделения их из раствора при постепенном испарении влаги, например в цоколях зданий, расположенных в жарких сухих районах с засоленными грунтами, относится к физико-химической коррозии.
На начальной стадии рост кристаллов повышает плотность бетона. Однако на определенной стадии кристаллообразования в стенках пор и капилляров возникают растягивающие усилия, при которых структурные элементы бетона разрушаются и конструкции теряют свою прочность. Поэтому оценка опасности возникновения такой коррозии только по прочности, особенно на начальной стадии, может ввести в заблуждение.

Кристаллизационное разрушение конструкций из пористого бетона в сильноагрессивной среде может наступить быстро — через недели, месяцы, а из первоначально плотного бетона — через годы. В развитии коррозии этого вида существенную роль играет характеристика пустот, по которым водный раствор проникает в толщу бетона, и место, где происходит кристаллизация солей. Ведущим фактором коррозии данного вида является состав грунтовых вод, в частности наличие в них сульфатов, способных при взаимодействии с трехкальциевым гидроалюминатом цемента образовывать кристаллы.
Количественными показателями агрессивности среды солевой коррозии являются:
содержание сульфатов в пересчете на ионы S04 — если их меньше 460 мг/л, среда неагрессивна, а если больше 800 мг/л,— сильноагрессивна (для сульфатостойких портландцемента и пуццоланового цемента значение этих показателей увеличивается в десять раз);
содержание хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей при наличии испаряющихся поверхностей — если их меньше 16 г/л, среда неагрессивна, а если больше 30 г/л,— сильноагрессивна.

Сульфоалюминат кальция образуется при участии гидроалюминатов цементного камня и гипса. При этом гипс либо поступает в виде раствора, либо образуется в результате взаимодействия других сульфатов агрессивного раствора и гидрата окиси кальция цементного камня. Таким образом, кристаллизационное разрушение бетона возможно при кристаллизации гипса или более сложного соединения на основе гипса — суль- фоалюминиевого кальция.

Сравнивая стойкость в растворах сульфатов пуццолановых портландцементов с портландцементами, надо указать, что в первых она выше вследствие большей гидратации зерен цемента. Так как в пуццолановом портландцементе основная масса цементного камня состоит из некристаллизованного вещества — геля и количество свободного гидрата окиси кальция очень мало из-за его поглощения гидравлической добавкой, кристаллообразование и разрушение бетона протекают медленнее.

Глиноземистый цемент не содержит гидрата окиси кальция, образует более плотную структуру бетона и поэтому более сульфатостоек, чем пуццолановые и шлакопортландцементы.

Опасна не сама пропитка строительных конструкций солевыми растворами, а вызывающая их разрушение кристаллизация солей в порах при высыхании конструкций, начинающаяся со стороны поверхности испарения, ибо интенсивный рост кристаллов происходит именно с этой стороны.

Для предотвращения физико-химической коррозии рекомендуется изоляция сооружений от агрессивных вод, содержащих сульфаты, а также их отвод, снижение концентрации солей, воздействующих на растворы.

Электрохимическая коррозия железобетона. Долговечность железобетона определяется способностью бетона и арматуры в совокупности длительно противостоять воздействию агрессивной среды.

Разрушение железобетона может быть результатом коррозии как бетона, так и арматуры. В первом случае окружающая среда агрессивна по отношению к бетону, а потому он разрушается; при этом обнажается и разрушается арматура. Если же окружающая среда неагрессивна по отношению к бетону, но агрессивна к арматуре, то она вызывает ее коррозию.

Грунтовые минерализованные воды, содержащие большое количество сульфатов (свыше 400 мг/л), хлоридов (более 16 г/л), магнезиальных и других солей, агрессивны как к бетону, так и к арматуре. Обычно железобетонные конструкции выходят из строя быстрее, чем бетонные, из-за коррозии и бетона, и арматуры.

Коррозия металлической арматуры может быть химической, электрохимической или может вызываться блуждающими токами. Коррозия эта развивается в том случае, если в защитном слое имеются трещины, через которые проникает кислород, углекислый газ, вода, или по порам и капиллярам поступает агрессивный раствор. Участок арматуры под трещиной приобретает более отрицательный потенциал, становится анодом и разрушается, а участок в плотном бетоне становится катодом.

Жидкая фаза в порах свежеприготовленного бетона характеризуется pH = 12-4-13. Щелочной характер электролита является основным фактором защиты арматуры от коррозии: щелочной раствор пассивирует металл, защищая его от разрушения. Коррозия стали в растворе Са(ОН)г благодаря его защитному действию при рН=11,5 резко замедляется без доступа воздуха.

СНиП 11.28—73 определяет степень агрессивного воздействия нефти, масел на бетон и железобетон: обычно они среднеагрессивны, а к кирпичу неагрессивны. На практике один вид коррозии может налагаться на другой или сопутствовать ему, что ускоряет разрушение конструкций.

Обнаружение и исследование коррозии бетона и железобетона осуществляются визуально и ускоренными методами испытаний. Для изучения выщелачивания цемента применяют три метода:
фильтрацию агрессивного раствора через измельченный цементный камень;
фильтрацию раствора через образец с ненарушенной структурой;
перемешивание измельченного цементного камня с агрессивным раствором.

Для изучения химического разрушения цемента используют методы фильтрации через ненарушенный или измельченный цементный камень, а также метод хранения образцов в агрессивной среде.

Выводы об опасности коррозии указанных видов делаются на основе химических анализов и натурных наблюдений.
Для изучения коррозии вследствие кристаллизации солей применяется метод испытания ненарушенных образцов бетона в агрессивной среде.

Коррозия арматуры обнаруживается по наличию и раскрытию трещин в защитном слое бетона.