Сульфатная коррозия бетона
Stroimaster-nsk.ru

Строительный портал

Сульфатная коррозия бетона

Проблема сульфатной коррозии в современном бетоноведении

Хотите получать свежие статьи на свою почту?

Все свежие статьи публикуются в электронном журнале ВесьБетон.

Подписка на журнал бесплатная, процедура подписки занимает одну минуту! Подписаться!

Журнал «ВесьБетон» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Особенности журнала ВесьБетон:

  1. Публикуются статьи и книги о производстве и применении строительных материалов, добавок.
  2. Тираж более 10 500 профессиональных строителей.
  3. Подписаны только строители, технологи и производители, так как публикуется только профессиональная информация.
  4. Выходит 2 раза в месяц.
  5. Честный тираж! Журнал распространяется через независимый канал Subscribe.ru
  6. Обсуждение статей на форумах

Подписаться (бесплатно)!

Считается, что основной характеристикой бетона, определяющей его качество, является предел прочности при сжатии, но этот показатель не остается постоянным в течение длительного срока эксплуатации конструкций. Воздействие окружающей среды оказывает влияние на прочность бетонных изделий. Что происходит с бетоном в случае негативного воздействия внешней среды? Насколько интенсивным будет снижение прочности бетона? Можно ли распознать начальные признаки коррозионного разрушения материала, чтобы принять меры для защиты конструкции. Изучение этих и многих других вопросов позволяет разрабатывать методы защиты бетона от коррозии, а также оценивать необходимость их применения в тех или иных условиях эксплуатации, давать технико-экономическую оценку их эффективности, определять кинетику процесса с тем, чтобы обеспечить своевременную реконструкцию.

Термин «сульфатная коррозия» используется для характеристики разрушения бетона при взаимодействии сульфатных сред различных типов с цементным камнем, при этом стойкость материала во многом определяется условиями твердения и особенностями сульфатного воздействия. Такой вид коррозии возможен при наличии в воздействующей среде сульфат-ионов, но кроме этого, он развивается и при воздействии пресных вод на бетоны с внутренними источниками сульфатов.

Продукты взаимодействия агрессивной среды и цементного камня – к ним в первую очередь относятся эттрингит и таумасит – обладают экспансивным характером. Оба минерала имеют подобные кристаллические структуры, но таумасит представляет собой силикатсодержащую фазу, тогда как эттрингит – алюминатную. В бетоне таумасит образуется в результате реакции между силикатами кальция цемента, карбоната кальция и сульфатов.

Таблица 1. Кристаллическая структура эттрингита и таумасита

Эттрингит

а0=11,23 А; с0=21,44 А;

а0=10,90 А; с0=18,29 А;

а=4,582; 3,792; 2,714 А

Обозначения: а0, с0 – параметры элементарной ячейки кристаллов; n0, nе – показатели светопреломления одноосных кристалло

Рис. 1. Трещинообразование бетона при возникновении в нем системы эттрингит-таумасит

Например, в Великобритании в начале 80-х годов прошлого века для строительства ряда мостов использовались местные заполнители, содержащие сульфаты, поэтому для повышения коррозионной стойкости бетонных конструкций проектировщики применяли сульфатостойкий цемент. В середине 90-х часть конструкций этих мостов разрушилась. Для анализа причин разрушения была сформирована правительственная комиссия во главе с профессором Л. Кларком. По результатам работы комиссии был сформирован отчет, в котором главной причиной разрушения конструкций признано образование таумасита.

Образование и эттрингита, и таумасита сопровождается увеличением объема твердой фазы кристаллических новообразований, которое вызывает внутренние напряжения, являющиеся причиной коррозионного разрушения бетона при воздействии сульфатов. Однако совсем не обязательно, что воздействие сульфатов на бетонные конструкции является причиной образования экспансивных фаз, а кроме того, эттрингитообразование не всегда является причиной внутренней экспансии. Когда эттрингит образуется в свежеприготовленной бетонной смеси и его распределение относительно гомогенно, то он не является причиной разрушения бетона. Такой тип эттрингита, согласно международной классификации, называется первичным (Early Ettringite Formation – EEF). Примером образования первичного эттрингита является реакция двуводного гипса с трехкальциевым алюминатом в присутствии воды:

3CaO · Al2O3 + 3(CaSO4·3H2O) + 26H2O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O.

В процессе этой реакции эттрингит адсорбируется на поверхности цементных зерен, препятствуя проникновению к ним воды и адгезии цементного геля, таким образом выступая в качестве регулятора сроков схватывания.

С другой стороны, когда эттрингит образуется в гораздо более поздние сроки (в течение нескольких месяцев или даже лет), возникает неоднородная экспансия в жесткой бетонной структуре, что является основой появления микротрещин и развития процессов трещинообразования. Согласно международной классификации такой эттрингит называется поздним или вторичным (Delayed Ettringite Formation – DEF). Разрушающий эффект, который создается в результате образования вторичного эттрингита, зависит от концентрации реагирующих компонентов на локальных участках бетонной структуры и кристаллической формы новообразований.

Кроме этого, выделяют два типа вторичного эттрингита в зависимости от того, воздействуют ли сульфаты на бетон из внешней среды либо присутствуют в бетоне в виде внутренних сульфат источников. Первый тип определяется международным термином «внешнее воздействие сульфатов» (External Sulfate Attack – ESA), второй – «внутреннее воздействие сульфатов» (Internal Sulfate Attack – ISA). Внешнее воздействие сульфатов происходит при фильтрации агрессивной среды через толщу бетона. Внутреннее воздействие сульфатов имеет место при действии на бетон жидких сред, не содержащих сульфатов, но при наличии в материале внутренних сульфат источников, например таких, как высоко-сульфатсодержащие или гипсосодержащие заполнители. По данным отдельных исследователей, внутреннее воздействие сульфатов и связанное с ним образование эттрингита характерно только для бетонов, прошедших тепловую обработку и эксплуатирующихся длительное время в изменяющихся атмосферных условиях.

Рассмотрим механизм разрушения бетонных конструкций в результате развития процессов коррозии третьего вида. Под действием сульфатсодержащих сред, – например грунтовых вод, которые содержат сульфаты кальция, магния, натрия, калия, – в бетонных конструкциях происходит образование эттрингита. Продукты реакции характеризуются увеличением объема твердой фазы по сравнению с реагирующими компонентами. Накапливаясь на стенках пор и капилляров, кристаллы постепенно заполняют все внутреннее пространство, создавая тем самым напряжения. Под действием этих напряжений вначале происходит образование микротрещин, и кристаллизация эттрингита продолжается в этих трещинах. Таким образом, увеличивается расклинивающее воздействие на бетон, появляются макротрещины. Характер разрушений при кристаллизации эттрингита зависит от множества факторов, в частности, от температурных условий, концентрации сульфатсодержащих сред и величины рН, которая определяет габитус кристаллов.

Особенность таумасита состоит в том, что в его структуре содержится шестивалентный кремний. Поэтому он образуется при относительно низких температурах (ниже +15 °С) и наличии в растворе ионов SO42- , CO32-. Наши исследования показали, что таумасит наиболее интенсивно образуется при температуре +2…+6 °С. Как уже отмечалось ранее, кристаллическая структура таумасита идентична эттрингиту, однако характер разрушения бетона при кристаллизации этих веществ различен. Таумасит образуется в мелкокристаллической форме и не создает столь значительных растягивающих усилий, как эттрингит, но дополнительные напряжения могут возникать за счет адсорбции им влаги. Кроме этого, образование таумасита не ограничено содержанием алюминатов, и поэтому процесс его кристаллизации может продолжаться значительное время, результатом чего является снижение прочности цементного камня. При эксплуатации сооружений в реальных условиях температура окружающей среды изменяется в широких пределах, поэтому эттрингит и таумасит образуются в кристаллической смеси, что в свою очередь не только усложняет процессы коррозии, но и ускоряет разрушение материала.

Условия, в которых протекает коррозионный процесс, определяют соотношения этих компонентов экспансивной фазы, а, следовательно, и характер разрушения материала. В университете г. Веймара под руководством профессора Й. Штарка были проведены многочисленные исследования, показавшие, что эттрингит образуется в различных формах. На контакте цемента с заполнителем и поверхностях самого заполнителя он образует нитевидные волокна. При свободной кристаллизации в крупных порах или на открытой поверхности бетона эттрингит образует скопления в виде сферолитов или неупорядоченных наростов. Если эттрингит кристаллизуется в мелких порах и капиллярах, то он образует параллельно упорядоченные скопления.

На изменение формы и размеров кристаллов эттрингита большое влияние оказывает концентрация гидроксида кальция в поровой жидкости. Профессор П. Мехта из университета г. Беркли (США) описывает 2 модификации эттрингита, которые сильно отличаются по габитусу и размерам. К первому типу он относит игольчатообразные кристаллы длинной от 10 до 100 мкм и толщиной порядка 3–5 мкм. Этот тип кристаллов образуется при низкой концентрации Ca(OH)2. По мнению Мехты, этот тип эттрингита не вызывает возникновение напряжений, большие кристаллы образуются в крупных порах, дополнительно уплотняя и упрочняя бетон. Второй тип эттрингита образуется при высоких значениях рН бетона. К эттрингиту второго типа относятся маленькие палочкообразные кристаллы длинной лишь 1–2 мкм и толщиной до 0,2 мкм. При эксплуатации бетона вследствие выщелачивания гидроксида кальция рН поровой жидкости может снизиться, что приведет к перекристаллизации мелкокристаллического эттрингита второго типа в крупнокристаллическую форму. При этом длина кристаллов может вырасти до 100 раз, что, соответственно, вызовет и рост напряжений в материале.

Таумасит в бетоне образуется преимущественно в мелкокристаллической форме. При разрушении материала, связанного с кристаллизацией таумасита в устьях трещин и контактах материала с заполнителем можно наблюдать белую эмульсию. Эта эмульсия и есть таумасит. Переход гидросиликатов кальция в таумасит сопровождается снижением прочности цементного камня и на отдельных участках может привести к полному его разрушению. Кроме этого, мелкокристаллические образования как таумасита, так и эттрингита благодаря адсорбции воды создают дополнительное расширяющее воздействие.

Для того чтобы установить различия в характере разрушений при образовании эттрингита и таумасита, были изготовлены 2 серии образцов кубиков с высотой ребра 100 мм (для исследования изменения предела прочности при сжатии) и партия кубиков с высотой ребра 25 мм (для микроскопических исследований), а так же партия балочек размером 40х40х160 мм (для исследования изменения линейных размеров и прочности). Одна партия образцов помещалась в условия, стимулирующие образование эттрингита, другая – таумасита. Образцы балочки и кубики с высотой ребра 25 мм изготавливались из мелкозернистого бетона, большие кубики из тяжелого бетона. Составы бетонов приведены в таблице 2. После твердения в нормальных условиях в течение 28 суток образцы помещались в 5 % раствор Na2SO4. Испытания проводились в течение 3-х лет.

Таблица 2. Составы бетонов для проведения исследований

Сульфатная коррозия бетона

Широкое распространение в природе сульфатных солей часто является причиной повышенной агрессивности воды, если учесть, что содержание сульфатных ионов может колебаться от 50 мг/л в воде реки до 4000-5000 мг/л в минерализованных природных водах. В сточных водах промышленных предприятий содержание сульфатных ионов может достигать 5000-10000 мг/л. Сульфатные ионы образуют с ионами кальция двуводный гипс, затем, реагируя с высокоосновными алюминатами, дают гидросульфоалюминаты кальция. Отличительным свойством этих новообразований является увеличение объема по сравнению с объемами исходных материалов в основном за счет присоединения кристаллизационной воды.

Наличие в растворе сульфатов натрия, кальция, магния, ионов S04 в концентрациях, превышающих 250 мг/л, вызывает повышенную растворимость составных частей цементного камня, что приводит к снижению прочности бетона или раствора.

В результате обменной реакции с замещением катионов сульфата ионами Са”, Nа”, Мg” возникает коррозия бетона II вида. При этом в водной среде, соприкасающейся с цементным камнем, происходит насыщение ее сернокислым кальцием.

При концентрации СаS04, превышающей 2000 мг/л, происходит образование кристаллов гипса СаS04-2Н20. Наличие в растворов других солей, например хлористого натрия, повышает растмость гипса и отодвигает начало образования кристаллов.

В свою очередь хлористый кальций снижает растворимость СаSO4 и приближает момент выпадания его в твердую фазу.

Образование двуводного гипса и гидросульфоалюмината в порах бетона, по мере разложения исходных минералов цементного камня, вызывает структурные напряжения и деформации, проявляющиеся в расслоении и растрескивании бетона, вызываемом увеличением его массы.

Образование кристаллов гипса происходит в местах повышенного содержания гидратов окиси кальция. Кроме гипса, в цементном камне образуется также гидросульфоалюминат, который кристаллизуется с 30-32 молекулами воды

Большое содержание кристаллизационной воды в составе гидросульфоалюмината кальция, которое приводит к значительному увеличению новообразований, является причиной интенсивного разрушения бетонной структуры.

Образование продуктов сульфатной коррозии идет за счет недиссоциированной гидроокиси кальция, которая имеет место при значении рН поровой жидкости, равном 11. Кристаллизация гипса идет за счет любой формы гидроокиси кальция при любом значении рН. Изменения в бетоне, вызываемые образованием гидросульфоалюмината, начинают происходить при контакте бетона со средой, содержащей 250 мг сульфат-иона. По мере увеличения концентрации сульфат-ионов интенсивность коррозионного процесса растет, вплоть до концентрации, соответствующей содержанию сульфат-иона в насыщенных растворах гипса, т. е. до 1500 мг/л.

Для того чтобы весь кальций, входящий в состав гидрата окиси кальция, перевести в гипс, необходимо, чтобы концентрация сульфата натрия была равной 3000, а сульфата магния – 2500 мг/л. Из этого вытекает, что без образования перенасыщенного раствора гипса его кристаллизация невозможна, поэтому концентрация сульфатов для образования в структуре цементного камня кристаллов гипса должна быть не менее 0,18%. При меньших концентрациях единственной твердой фазой новообразований будет гидросульфоалюминат.

Вопрос сульфатной коррозии чрезвычайно сложен. Наличие гипса и гидросульфоалюминатов в структуре цементного камня не может свидетельствовать о коррозионном процессе, поскольку и гипс и гидросульфоалюминат являются структурными элементами целого ряда цементов.

Существенно повысить сульфатную стойкость цементов можно путем снижения содержания в минералогическом составе цементного камня высокоосновных алюминатов. Например, в сульфатостойком цементе содержание СзА снижено до 5%, а в сульфатостойком шлакопортландцементе и пуццолановом цементе – до 8%. Повысить сульфатостойкость цемента можно путем добавления 10-20% тонкомолотого гранулированного шлака для портландцемента и 5-10% тонкомолотых трепела, опоки или диатомитов, а также 21-60% граншлака для сульфатостойкого шлакопортландцемента.

Для бетонов нормальной плотности и обычных портландцементов в условиях сильнофильтрующих грунтов при содержании в водной среде ионов хлора менее 1000 мг/л неагрессивной считается вода, содержащая менее 300 мг/л сульфатов в пересчете на ионы S04″ и среднеагрессивной – при содержании ионов сульфатов в пределах 401-500 мг/л.

Для сульфатостойких портландцементов содержание ионов сульфатов может быть увеличено в 10 раз, например, неагрессивной считается концентрация S”, равная 3000 мг/л. Портландцементы с умеренной экзотермией по сравнению с обычными не сульфатостойкими цементами допускают концентрацию сульфатов в 5 раз выше. Наличие испаряющих поверхностей конструкции, находящейся в сильнофильтрующих грунтах, приводит к разрушению бетона при содержании в воде хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей, поэтому неагрессивной средой считается вода, содержащая солей менее 10 г/л и среднеагрессивной – 16-20 г/л.

Сульфатная коррозия бетона, меры борьбы с коррозией

Сульфатная коррозия – один из широко распространенных видов химического разрушения цементных материалов, в частности, бетона. При контакте с бетоном сульфаты активно взаимодействуют с гидроксидом кальция и алюминатными составляющими цементного камня. В результате реакции сульфатов с гидроксидом кальция образуется CaSO4?2H2O, накопление которого в поровом пространстве бетона ведет к его постепенному разрушению.

К более опасным последствиям приводит взаимодействие сульфатов с алюминий содержащими минералами, в результате которого образуются различные формы гидросульфоалюмината кальция (ГСАК). Наиболее коррозионно-опасной модификацией ГСАК является эттрингит. Давление растущих кристаллов этой соли на структурные элементы цементного камня достигает значений, превышающих значения прочности бетона, что является основной причиной его интенсивного коррозионного разрушения под воздействием растворов, содержащих сульфаты.

Интенсивность коррозии бетона в сульфатсодержащих средах зависит от минералогического состава применяемого цемента. Бетоны, для изготовления которых используются цементы с ограниченным содержанием трехкальциевого силиката и, особенно, алюминий содержащих минералов, обладают, как правило, повышенной сульфатостойкостью.

Ниже рассмотрим более подробно взаимодействие цементного камня с водами, содержащими природные сульфаты.

Собственно сульфатная коррозия. При достаточно высокой концентрации аниона SO42- в жидкой фазе он реагирует с катионом кальция Ca2+ по реакции:

Ca2+ + SO42- = CaSO4?2H2O

Далее гипс насыщается водой и при кристаллизации увеличивается в объеме, что приводит к разрушению цементного камня.

Сульфоалюминатная коррозия. Эта коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей CaSO4, и протекает по схеме:

3СaO?Al2O3?6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = 3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O

В результате взаимодействия образуется малорастворимый кристаллический трехсульфатный гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), объем которого примерно в 2,8 раза больше объема исходных веществ. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции.

Вместе с тем к такой коррозии могут привести и агрессивные сточные воды промышленных предприятий, а также грунтовые воды. При малой концентрации сернокислых солей их агрессивное воздействие проявляется следующим образом. При действии вод, содержащих, например, сульфат натрия Na2SO4, он вначале реагирует о Са(ОН)2 по схеме:

Са(ОН)2 + Na2SO4 = CaSO4 + 2NаОН.

В последующем CaSO4 взаимодействует с гидроалюминатом, что также приводит к образованию эттрингита 3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O. Следует отметить, что сульфат кальция CaSO4 практически сразу реагирует с клинкерным минералом.

Сульфатно-магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень сульфата магния МgSО4, который также может присутствовать в грунтовой или морской воде. Реакция взаимодействия идет по схеме:

Са(OH)2 + MgSO4 + 2H2O = CaSO4?2H2O + Mg(OH)2.

Образуется рыхлая масса Mg(OH)2 и кристаллы CaSO4?2H2O, которые растворяются водой.

Влияние на коррозию цементного камня сказывается при концентрации MgSO4 более 0,5 – 0,75%. Происходит совмещение двух видов коррозии – магнезиальной и сульфатной.

Основные мероприятия по борьбе с коррозией бетона.

В практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать коррозию, например первого и второго вида. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид коррозии и с учетом сопутствующих ему вторичных коррозионных воздействий запроектировать мероприятия по защите конструкций от коррозии. Среди основных мер антикоррозионной защиты следующие:

  • · Повышение плотности бетона различными конструктивными мерами;
  • · Выбор специальных цементов из клинкера определенного минералогического состава;
  • · Введение добавок изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т.д.;
  • · Обработка поверхностного слоя флюатированием, высокомолекулярными соединениями (например, битумом);
  • · Защита поверхности от агрессивной среды за счет окраски, оштукатуривания, оклейки гидроизоляционными материалами.

Так, например, коррозионную стойкость бетона можно повысить применением более плотных бетонов. Плотность цементного камня определяется минимальным водоцементным отношением, интенсивным уплотнением бетона при укладке и формовании, тщательно подобранным зерновым составом заполнителей.

Для подводных сооружений рекомендуется применять более водостойкие пуццолановые портландцементы и шлакопортландцементы.

Коррозионная стойкость бетонов увеличивается после автоклавной обработки. Такие бетоны полностью устойчивы в водных растворах Na2SO4 и CaSO4 и несколько более устойчивы в растворах MgSO4. Гидросиликаты кальция, образующиеся в бетонах автоклавного твердения, по отношению к сульфатам менее реакционноспособны, чем гидросиликаты, образующиеся при нормальном твердении.

Повысив плотность цементного камня, и снизив содержание в нем свободного Ca(OH)2, можно значительно увеличить стойкость бетонных изделий на основе портландцемента к коррозии выщелачивания. Причем снизить содержание гидроксида кальция в самом портландцементе можно введением в его состав добавок, связывающих Ca(OH)2 в более стойкие нерастворимые соединения. Кроме того, при выдерживании изделий на воздухе в результате взаимодействия Са(ОН)2 с СО2, на поверхности бетона образуется малорастворимый карбонат кальция СаСО3, который не выщелачивается водой.

Так как действие агрессивных растворов связано с химической реакцией между цементным камнем и агрессивной средой, то наиболее надежный способ защиты от коррозии второго и третьего вида – изменение состава и качества портландцемента. В условиях сульфатной агрессии и попеременного замораживания и оттаивания применяют глиноземистый цемент и сульфатостойкие портландцементы. Такие цементы содержат не более 5% трехкальциевого алюмината (3CaO?Al2O3). Невысокое количество трехкальциевого силиката (3CaO?SiO2) приводит к снижению гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего цемента и препятствует образованию эттрингита.

Наиболее эффективным средством борьбы с коррозией являются химические добавки. Их использование позволяет на три-четыре марки повысить непроницаемость (плотность) бетона. В таких бетонах резко снижается скорость диффузионного переноса агрессивных агентов в поровом пространстве и, соответственно, скорость коррозионных процессов.

С помощью химических добавок можно существенно улучшать структурные характеристики цементного камня, в частности, увеличивать в нем процентное содержание условно замкнутых пор, что позволяет повышать прочность и плотность бетона, гидрофибизировать его поверхность и др.

Когда агрессивность вод превышает установленные нормы, применяют пропитку поверхности бетонных конструкций различными химическими веществами: битумом, метилметакрилатом, стиролом, петролатумом и серой.

В качестве конструктивных способов защиты используется устройство противокоррозионной защиты изолирующими материалами.

Сульфатная коррозия бетона

КАЧЕСТВЕННО

БЫСТРО

SEO оптимизация

адаптивная верстка

Ремонт в регионах

  1. Главная
  2. Строительство
  3. Защита конструкций от коррозии
  4. Сульфатная и магнезиальная коррозия бетонов.

Сульфатная коррозия бетона состоит в том, что в жидкой фазе цемента всегда присутствуют и могут активно взаимодействовать с агрессивной средой ионы кальция (Са”) и гидроокисла (ОН’). Имеются и другие ионы, но они обычно подавляются большим количеством извести.

Действие катионов среды оказывается наиболее агрессивным в том случае, если они способны образовывать с ионами гидроокисла плохо растворимые или малодиссоциированные соединения, удаляемые из сферы реакции в осадок, воду или газ. Сюда относятся катионы металлов, образующие слабые основания (гидраты окислов магния, цинка, алюминия, железа, меди, аммония).

Образование этих соединений типа Mg(OH)2 и других приводит к резкому понижению щелочности в бетоне и далее к растворению твердой извести, а затем к гидролизу устойчивых до этого силикатов и алюминатов.

Действие катионов натрия, калия, кальция и бария незначительно.
Анионы, образующие нерастворимые кальциевые соли (СО3“; С2О4” ; PO4“; SiO3“;), будут уплотнять поры бетона и, следовательно, играть положительную роль.
Особое положение занимают сульфатные анионы (SO4“). При известной концентрации они могут образовать с ионами кальция двуводный гипс, а вместе с высокоосноными алюминатами и гидросульфо-алюминат:
Са” + SO4 + 2Н20 — CaS04 • 2Н20;
3CaS04 + ЗСаО • Аl2O3 + 31Н20 — СаО •Аl2O3 • 3CaS04 • 31Н20.

Особенностью этих реакций является то, что и гипс и гидросульфо-алюминат кристаллизуются с большим количеством воды при значительном увеличении объема.

Если такое образование происходит в порах уже сложившейся структуры цементного камня, то создаются большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев.

Гидросульфоалюминат кристаллизуется в виде характерных игл, что послужило поводом назвать его «цементной бациллой».

Описанные разрушения бывают не всегда. Если образование гидросульфоалюмината протекает еще до формирования структуры бетона в жидкой фазе или в растворе присутствуют в значительном количестве ионы хлора, усиливающие растворимость алюминатов и сульфоалюмината, опасных напряжений может не возникать. Этим объясняется относительно невысокая агрессивность к цементному бетону морской воды, в которой содержится большое количество сульфатов, но еще большее количество хлоридов.

Если анионы хлора присутствуют в воде совместно с катионами магния, то последние, образуя с известью Mg(OH)2 и СаСl2, понижают концентрацию извести, а вместе с этим создают возможность существования высокоосновных гидроалюминатов и образование сульфоалюминатов в опасной форме.

Наличие в растворе хлористого кальция приводит к образованию неопасных хлоралюминатов и плохо растворимых хлорокисей кальция. На этом основаны специальные приемы введения в бетон большого количества хлоридов. При этом сильно понижается точка замерзания воды, что позволяет работать с бетоном в зимнее время, а самый бетон уплотняется (получается так называемый «холодный» бетон). Однако одновременно с этим было установлено, что в таком бетоне ионы хлора усиливают коррозию арматуры и поэтому широкого применения, особенно в армированных конструкциях, «холодный» бетон не получил.

Сульфатная коррозия бетона может усиливаться в том случае, если одновременно с катионами кальция цемента будут связываться и анионы гидроксила:
Са” + 20Н’ – Са (ОН)2.
Поэтому наиболее опасными являются сернокислые соли, образованные слабыми основаниями, особенно сульфат аммония
Са (ОН)2 + (NH4)2 S04 = CaS04 • 2Н20 + NH3.

При увеличении концентрации растворимых сульфатов сульфо ллюминатная коррозия переходит в гипсовую. Степень агрессивности, а также и скорость разрушения цементного камня при этом сильно возрастают.

При наличии значительных концентраций катионов магния происходит обменная реакция с разрушением структурной гидроокиси кальция и образование гипса:
Са (ОН)2 + MgS04 + 2Н20 = Mg (ОН)2 + CaS04 • 2Н2О.

Рассмотрение механизма сульфатной коррозии бетона позволяет понять и практикуемые мероприятия по ее смягчению:

  • а) возможное уменьшение количества извести (например, использованием белитовых, пуццолановых или глиноземистых цементов);
  • б) уменьшение содержания высокоосновных алюминатов, что и практикуется в так называемых сульфатостойких портландцементах, где допустимый процент С3А снижается до 5% вместо обычно имеющегося содержания в 8—12%;
  • в) введение большого процента гипса в состав цемента при помоле — в этом случае гидросулвфоалюминаты образуются в жидкой фазе еще до формирования структуры.

Коррозия бетона и железобетона: сульфатная и магнезиальная, углекислотная и кислотная

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций учитывают воздействие различных факторов, которые могут способствовать снижению прочностных характеристик зданий и сооружений. Одним из них является коррозия, представляющая собой самопроизвольный процесс разрушения цементного камня в результате воздействия на него агрессивной среды.

Виды химической коррозии

Коррозия первого вида

Вследствие контакта бетона с проточной мягкой водой возникает коррозия I вида. Данный процесс может происходить с разной скоростью, которая зависит от плотности цементного камня. К примеру, в гидротехнических сооружениях с бетоном повышенной плотности разрушение наступает гораздо позднее, чем в тонкостенных конструкциях. Это вызвано вымыванием основных минералов портландцементного клинкера, что через несколько лет привод к существенной потере прочности.

На интенсивность коррозии влияют следующие факторы:

  • содержание в воде солей;
  • скорости потока;
  • наличие трещит и пустот.

Таким образом, в ячеистом бетоне, через который вода проходит под напором, вымывание гидросиликата кальция осуществляется быстрей, чем в плотном цементном камне, где процесс протекает лишь у его поверхности. При этом, сильное растворяющее воздействие на одноосновные и многоосновные новообразования оказывает очищенная вода, которая не имеет каких-либо примесей.

Коррозия второго вида

В агрессивной среде могут находиться определенные соли и кислоты, их взаимодействие с цементным камнем приводит к возникновению коррозии II вида. Данный процесс сопровождается образованием непрочных соединений, которые быстро растворяются в воде, что вызывает дальнейшее разрушение конструкции. В зависимости от состава агрессивной среды различают углекислотную и магнезиальную коррозии.

Магнезиальная коррозия бетона

При воздействии на бетон магнезиальных солей, которые, как правило, находятся в морских и грунтовых водах, происходит снижение щелочности поровой жидкости, что приводит к разложению гидратных минералов и появлению коррозии I вида (разрушение конструкции будет происходить гораздо быстрей). При уменьшении содержания хлорида магния процесс протекает только у поверхностного слоя, в то время как повышение концентрации этой соли способствует проникновению коррозии вовнутрь цементного камня.

Углекислотная коррозия бетона

Способствует разложению защитной карбонатной пленки, которая образовывается на поверхности бетона до контакта с водой. В ходе этой реакции происходит возникновение быстрорастворимых гидрокарбонатов, что приводит к потере прочности конструкции.

Коррозия третьего вида

Данный тип коррозии совмещает в себе процессы, связанные с образованием в порах бетона слаборастворимых солей, которые вызывают внутренние напряжения, влияющие на разрушение структуры бетона. В плотном бетоне процесс будет протекать медленней и обнаружится только через несколько лет, а вот в пористом – уже спустя пару недель, либо месяцев.

Сульфатная коррозия бетона

Является наиболее распространенным видом химической коррозии бетонных и железобетонных конструкций. Она происходит в результате взаимодействия гидроокислов и ионов кальция, которые находятся в составе гидравлического вяжущего, с агрессивной средой. Это вызывает образование малорастворимых соединений, способствующих снижению щелочности бетона и дальнейшему вымыванию устойчивых силикатов и алюминатов кальция, что приводит к растрескиванию и отслаиванию поверхностных слоев. При увеличении концентрации сульфатов коррозия преобразовывается в гипсовую, которая увеличивает темп разрушения зданий и сооружений.

Виды физической коррозии

Коррозия железобетона на примере металлического стержня

Биологическая коррозия бетона

Происходит в результате действия на бетон живых форм микроорганизмов, способствующих ухудшению технических характеристик и внешнего вида конструкции. Такими организмами являются: морские водоросли, различные бактерии, грибки, мхи и лишайники, а также продукты их жизнедеятельности – аммиак, сульфиды, кислоты и другие.

Коррозия при переменном уровне воды

Коррозия наиболее интенсивна в частях бетонных и железобетонных конструкциях, располагающихся в районе переменного уровня воды, к примеру, в морских гидротехнических сооружениях. Коррозия может вызываться различными причинами: попеременным высыханием и увлажнением, а также замораживанием и оттаиванием, химическими (если вода имеет в своем составе агрессивную среду) и механическими воздействиями.

Способы защиты бетона от коррозии

Согласно нормативному документу СНиП 2.03.11-85 существуют следующие правила и методы борьбы с коррозией:

  • необходимая марка по водонепроницаемости – W4 и выше;
  • предъявлять необходимые требования по морозойстокости при одновременном воздействии агрессивной среды и попеременном замораживании и оттаивании;
  • применять специальные виды цементов: портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент, сульфатостойкие, глиноземистые и напрягающие цементы;
  • при проектировании конструкций следует предусматривать гидрофобизацию, пропитку или облицовку покрытия: лакокрасочные, мастичные и оклеечные покрытия, биоцидные материалы, полимербетоны;
  • использовать бетоны с повышенной плотностью.

Меры защиты от биокоррозии

Для предотвращения появления биологической коррозии, которая возникает при повышенной влажности, наносят гидроизоляцию, используя: окраску, защитную штукатурку, пропитки синтетическими и природными смолами, рулонные материалы и облицовку. В случае поражения сооружения биокоррозией нужно избавиться от поврежденного участка, высушить его и нанести на поверхность специальный дезинфицирующий состав, а затем заново его оштукатурить.

Защита бетона от коррозии

Коррозийным разъеданием подвергаются многие строительные материалы, в том числе и бетон. Она представляет собой разрушение металлов под воздействием физико-химических или химических факторов окружающей среды. Чтобы предотвратить разрушение в сооружениях из бетона и железобетона существуют различные методы защиты. Это могут быть покрытия поверхности с помощью специального стойкого материала или разнообразными лаками, пропитками.

Определение коррозии

Коррозия представляет собой разъедание строительных материалов под влиянием физических, химических и биологических факторов при контакте с окружающей средой. Бетон имеет в своем составе наименее прочный компонент – это цементный камень. Именно с этой части материала начинается коррозийный процесс. Разрушение случается в результате воздействия различных видов вод, а именно:

  • сточных;
  • вод в траншеях или трубах;
  • морских;
  • речных;
  • грунтовых.

Наиболее опасны для бетонов грунтовые воды вблизи промышленных предприятий из-за наличия в них химических выбросов. Также при воздействии с бетоном и железобетоном наносят им весомый вред сточные воды. Коррозия бетона воздействует на гидротехнические сооружения, загрязняет воздух, однако, такая концентрация газа в окружающей среде не вредит здоровью человека, но способствует разрушению бетонных конструкций.

Разрушения строительных материалов разнообразны и могут находиться разрушающие микроорганизмы как в прямом контакте, так и внутри структур. Ускоряется разъедание в бетоне при повышенной влажности окружающей среды.

Виды и описание

Существуют разновидности бетонной коррозии:

  • Радиационная, которая зависит от дозы ионизирующего облучения и количества цементного камня. Вследствие чего искажается кристаллическая решетка минералов, расширяется заполнитель, который приводит к микротрещинам, макротрещинам в материале, а в дальнейшем к полному разрушению.
  • Химическая, происходящая вследствие атмосферных осадков и под воздействием углекислого газа, входящий в состав воздуха. Таким образом, в строительстве бывает газовая коррозия, которая особенно актуальна при большом количестве влаги.
  • Биологическая. Разъедания, связанные с биологической коррозией, появляются в результате воздействия химических веществ, получившиеся при эксплуатации бетонных конструкций.
  • Физико-химическая коррозия появляется в результате замерзания воды. В жидком состоянии вода попадает в поры материала, а в результате минусовых температур она замерзает. Образовавшийся лед расширяется и распирает постройки, в итоге образуются трещины.

Вернуться к оглавлению

Химические разъедания

Образуются под взаимодействием бетонного камня с веществами окружающей среды. Процессы химической коррозии относятся к трем категориям:

  • В результате кристаллизации материалов происходит растрескивание. Трещины являются последствием расширения объема материала из-за низких температур.
  • Выщелачивание мягкими водами с последующим образованием белого налета.
  • Цементная бацилла, которая является последствием влаги, разрушает бетонные конструкции. На них образуются трещины и растрескивания.

Вернуться к оглавлению

Физико-химическая

В этом случае цементный камень расходится в воде. В результате чего гидроксид кальция вымывается или растворяется. Растворение железобетона из-за воздействия воды случается с различной быстротой. Так, например, плотные массивные конструкции подвластны коррозии лишь по истечении многих десятилетий. В сооружениях с тонкими оболочками, вымывание кальция случается уже через 2-3 года. В момент прохождения вод через бетон, процесс разложения ускоряется во много раз, и уменьшаются прочностные характеристики материала.

Биологические разрушения

Коррозия с образованием больших объемов биологических соединений в камне, является итогом влияния проникающих в бетон различных веществ. Это способствует появлению внутреннего напряжения и трещин в бетонной конструкции. Биологическая коррозия определяется наличием на цементном камне бактерий, мхов, грибков или лишайников.

Биологические разрушения развиваются из-за прямого контакта микроорганизмов с материалом. А также биоорганизмы, которые могут нанести вред материалу, находясь на расстоянии. Развиваются биологические коррозии в условиях техногенной среды с большим содержанием влаги в атмосфере.

Радиационная

Коррозия бетона бывает радиационной, которая возникает в результате радиационного излучения. Она способствует удалению из бетонной конструкции кристаллизованной жидкости и тем самым приводит к нарушению прочности структуры. Продолжительное воздействие радиационного облучения приводит к жидкому состоянию кристаллических веществ. Появляется напряжение в бетонном растворе, и возникают трещины.

Факторы влияния

Коррозия бетона возникает под воздействием следующих обстоятельств, от которых зависит скорость разрушения зданий и сооружений:

  • умение поверхности бетонного раствора противодействовать веществам;
  • пористость материала;
  • вещества, находящиеся в атмосферных осадках;
  • капиллярность.

Главная составляющая бетона – это его пористость, которая определяет количество пор и наличие плотности в структуре материала. От пористости бетона зависит возможность влагопоглощения конструкции при таянии снежных масс или других атмосферных осадков. Материал со значительным количеством пор подвластен большей возможности разрушения в результате физико-химической коррозии. Поэтому защита бетона от коррозии должна начинаться на начальном этапе постройки зданий и сооружений, ведь все виды коррозии бетона приводят к разрушению построек.

Антикоррозийная защита

Виды коррозийных разрушений бетона различны и многообразны. Многих строителей интересует вопрос защиты бетонных конструкций от влияния негативных внешних факторов окружающей среды.

Зачастую подвергаются разрушению верхние слои бетона, тогда защита заключается в применении бетона с небольшим количеством капилляров в его структуре. Используя препарат от возникновения трещин еще на начальном этапе строительства, это поможет уберечь сооружения от выщелачивания и вымывания.

Защита от разрушений в виде ржавчины разделяется:

  • способы, изменяющие состав бетона, при этом, делая его более прочным и устойчивым к негативным воздействиям окружающей среды;
  • мероприятия, связанные с покрытием поверхности материала гидравлическими препаратами;
  • комбинированные мероприятия, которые включают в себя покрытие бетона антикоррозийным препаратом с дальнейшим его проникновением вглубь материала.

Применение в состав бетона белитового цемента позволит снизить количество выделяемого гидроксида кальция, что способствует испарению жидкости. Такой компонент позволит уплотнить материал и тем самым прекратит проникновение жидкости через бетонный раствор.

Еще один вид разрушения бетонного сооружения от ржавчины — сульфатная коррозия бетона. Она появляется в результате взаимосвязи сульфатов с камнем в цементе раствора. Разрушение наблюдается в виде искривлений конструкции и распирания конструктивных элементов.

Металлические части конструкции покрывают специальными защитными материалами.

Коррозию бетона, возникшую из-за воздействия вод, предотвращают разными путями. Используют разнообразные добавки, препараты на начальном этапе приготовления бетонного раствора: водоотводы или гидроизоляцию.

Защита бетона от разъеданий подразделяется на: первичную и вторичную. Также подвластны воздействию разъедания ржавчиной сооружения из железобетона. Для их спасения применяют ингибиторы металлической коррозии в момент приготовления бетонного раствора. Таким образом, на составляющих из железобетона образуется пленка, которая останавливает контакт металла с бетоном.

Первичная

Данная защита обусловлена введением дополнительных препаратов в состав бетонной смеси в процессе его приготовления. Такой способ позволит изменить состав смеси и убережет в дальнейшем здания и сооружения от разрушений.

Применяют разнообразные стабилизирующие, гидроизоляционные, пластифицирующие, биоцидные и другие препараты. При выборе вспомогательных препаратов для изготовления раствора отталкиваются от условий эксплуатации бетонного камня. Например, при изготовлении цементного раствора в водах с большим содержанием сульфата снижают количество свинца.

Что используется?

Улучшают бетонный раствор и его прочностные характеристики химические препараты. Они позволяют сократить в порах агрессивные вещества, которые замедляются при движении. А, значит, коррозия арматуры в бетоне подвергается меньшим разъеданиям. Используя химические препараты в качестве добавок в цементный раствор, увеличивают замкнутость пор. Благодаря этому образуется высокая морозостойкость бетона и железобетона. Используют химические добавки: противоморозные, воздухопоглощающие, уплотняющие, замедлители схватывания.

Применение добавок в бетонную смесь, которые повышают морозостойкость.

Применяют добавки, которые способны улучшить сразу пару показателей или, наоборот, один улучшают, другой снижают. Для защиты бетонных сооружений от разъедания его составляющих ржавчиной используют такие добавки:

  • сульфатно-дрожжевую бражку;
  • мылонафт;
  • кремнийорганическую жидкость.

Вернуться к оглавлению

Вторичная

Вторичная защита от разрушений ржавчиной бетонных сооружений и зданий из железобетона заключается в защитном покрытии верхнего слоя цементного камня. Защита состоит из лакокрасочных покрытий и уплотняющей пропитки. Также к ней относят выдержу бетона определенное время на воздухе.

Что используется?

Вторичная защита включает в себя следующие добавки, при которых разъедание ржавчиной бетонных построек сводится к минимуму:

  • пропитки с уплотнением;
  • покрытия красками и акрилами, с помощью которых образуется защитная пленка;
  • защита мастиками, которая актуальна при большом воздействии на бетонный раствор влаги;
  • защита оклеиванием полиизобутиленовыми пластинами;
  • биоцидные добавки, которые оберегают сооружения от грибков, плесени и микроорганизмов. Большего эффекта можно добиться, используя первичную и вторичную защиту в комплексе.

Вернуться к оглавлению

Заключение

Коррозийные воздействия опасны для бетонных зданий и сооружений из железобетона. Важно следить за постройками и всячески предотвращать появление разъедающей ржавчины. Иначе постройка, на которую ушло много сил и финансов, может полностью пасть. На рынке строительных материалов присутствует множество различных добавок, которые способны спасти постройку от разрушений.