Коррозия бетона

Министерство образования республики Беларусь Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет Реферат на тему: Коррозия бетона Минск 2004

Содержание Введение

1. Классификация и общие условия коррозий

2. Воздействие сульфатов на бетон

3. Основные мероприятия по борьбе с коррозией бетона Заключение Список использованных источников

Введение

Практика эксплуатации инженерных бетонных сооружений показала, что в ряде случаев под влиянием физико-химического действия жидких и газовых сред бетон может подвергаться разрушению, которое в газообразной среде протекает обычно при наличии влаги и так же, как в воде.

Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивного вещества в его толщу; она особенно интенсивна при постоянной фильтрации такого вещества через трещины или поры бетона. К агрессивным воздействиям внешней среды чаще всего относят следующие: пресные и минерализованные воды, совместное действие воды и мороза, попеременное увлажнение и высушивание.

Коррозия бетона вызывается главным образом разрушением цементного камня. Цементный камень состоит из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований при взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в основном из субмикрокристаллических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами гидроксида кальция. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств других материалов — металлов, стекла, гранита и др. например, с наличием гелевой составляющей связана усадка при твердении на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.

На рис. 1 приведена схема, в которой указаны основные положительные и отрицательные свойства портландцемента и цементного камня.

В бетоне цементный камень не только должен обеспечить монолитность, прочность этого композиционного искусственного, каменного материала, но и долговечность его службы в конструкциях при разных условиях эксплуатации. Химическая стойкость цементного камня характеризуется отношением его к коррозионным воздействиям. Прежде всего, это изменение температурно-влажностного режима и действие агрессивных сред: жидких, газообразных и твердых.

Рис. 1. Свойства цементного камня В связи с расширением промышленного производства и, особенно предприятий химического профиля вопрос этот очень важен. В Беларуси особенно остро эта проблема стоит при возведении фундаментов, так как подъем минерализованных грунтовых вод в большинстве районов высок.

Следовательно, для того чтобы бетон стойко сопротивлялся агрессивному воздействию внешней среды, цементный камень должен быть водостойким, морозостойким и атмосферостойким.

Действие агрессивных сред усиливается, если конструкции находятся под нагрузкой. Отсюда вытекает сложность и актуальность рассматриваемого свойства.

1. Классификация и общие условия коррозий цементный бетон сульфат коррозия В соответствии с классификацией, предложенной В. М. Москвиным, химическую коррозию по механизму действия и характеру разрушения цементного камня разделяют на три вида. В чистом виде они встречается редко. Чаще совмещаются два вида коррозии.

Первый вид — выщелачивание гидроксида кальция. В данном случае разрушение происходит в результате растворения и увода гидроксида кальция из цементного камня при фильтрации воды под давлением. Так как все образованные, в результате реакции минералов портландцемента с водой, кристаллогидраты химически устойчивы только при определенной концентрации гидроксида кальция, то его снижение вызывает их частичное разрушение и, как следствие, падение прочности.

Степень разрушения зависит в первую очередь от объема открытых, капиллярных пор и количественного содержания в них раствора свободного гидроксида кальция.

Такая коррозия развивается наиболее интенсивно в мягких водах (дождевых, талых, болотная, конденсат), содержащих небольшое количество солей. Уменьшает агрессивность воды содержание в ней Са (НСО₃)₂ и Mg (HCO₃)₂. И только вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4 — 0,7 мг. экв/л является агрессивной.

Под действием проникающих в бетон мягких вод растворяется наименее стойкое соединение Ca (OH)₂, растворимость которого составляет 1,2 г/л в расчете на CaO, вслед за этим разлагаются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция (клинкерные минералы). Выщелачивание 15−30%, CaO из цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40 — 50%.

Второй вид — кислотная коррозия. Эту коррозию можно наблюдать при действии на цементный камень кислот и солей с кислой реакцией, образованных сильной кислотой и слабым основанием, например хлорид или нитрат аммония. Кислоты вступают в реакцию с кристаллическими продуктами гидратации цемента, образуя или легко растворимые соединения или гелеобразные соединения, не обладающие прочностью. Эти агрессивные среды вызывают самые сильные разрушения, интенсивность которых зависит от концентрации агрессивного раствора, его температуры и скорости движения потока по отношению к разрушаемой поверхности.

Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть также при конденсации на поверхности конструкций влаги, если в атмосфере содержатся агрессивные вещества. Такая атмосфера характерна для современных промышленных центров.

К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.

Углекислотная коррозия. Углекислый газ СО₂, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н₂СО₃. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция СаСО₃, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, H₂CO₃ и СаСО₃ должны находиться в равновесном состоянии:

СаСО₃ + H₂CO₃ = Ca (HCO₃)₂.

Эта угольная кислота не является агрессивной по отношению к цементному камню. Если количество углекислоты больше, чем равновесное, она становится агрессивной и способна разрушить цементный камень по реакциям:

Са (ОН)₂ + Н₂СО₃ = СаСО₃ + 2Н₂О;

CaCO₃ + H₂CO₃ = Ca (HCO₃)₂.

Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой.

Кислотная коррозия происходит в результате действия растворов неорганических и органических кислот при их рН < 7. Не входят сюда кремнефтористоводородная и поликремневая кислота. Кислоты содержатся в сточных, болотных водах; в выбросах промышленных предприятий может быть сернистый газ SO₂, хлор и другие газы, образующие с водой кислоты. Кислоты взаимодействуют с гидроксидом кальция, в результате чего получаются бессвязные кальциевые соли, легко вымываемые водой. Например, при действии соляной кислоты НСl на цементный камень получается растворимый хлорид кальция:

Сa (OH)₂ + 2НСl = CaCl₂ + 2Н₂O.

Органические кислоты — уксусная, молочная и винная также быстро разрушают цементный камень. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и другие) разрушают бетон, поскольку при действии гидроксида кальция они омыляются.

Магнезиальная коррозия. Чисто магнезиальная коррозия происходит при действии магнезиальных солей (кроме MgSO₄), которые содержатся в растворенном виде в грунтовых водах и всегда в большом количестве в морской воде. Например, в морской воде содержание хлорид магния MgCl₂ составляет 3,8 г/л. Разрушение цементного камня вследствие реакции обмена протекает по следующей схеме:

Са (ОН)₂ + MgCl₂ = СаСl₂ + Mg (OH)₂.

Образуется растворимый хлорид кальция и бессвязный гидроксид магния, нерастворимый в воде, поэтому реакция идет до полного израсходования гидроксида кальция.

Коррозия становится наиболее заметной при содержании в воде MgCl₂ более 1,5−2%.

Третий вид — солевая коррозия. Она имеет место при действии солей на цементный камень. Накапливаясь в порах кристаллы самой агрессивной среды, при условии наличия испаряющей поверхности и отсутствия взаимодействия с цементным камнем (хлорид и карбонат натрия), или продукты реакции цементного камня с сульфосодержащими средами вызывают уплотнение и упрочнение структуры.

В результате взаимодействия со средой в порах цементного камня возникают новые твердофазные соединения, объем которых намного больше объема исходных продуктов реакции. В дальнейшем, при заполнении порового пространства, этот процесс сопровождается ростом остаточных деформаций. Кристаллы этих соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызывая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона.

Наиболее ярко коррозия третьего вида проявляется при действии на цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия), приводящем к разрушению материала. Народное хозяйство республики несет от сульфатной агрессии огромные убытки. Более подробно этот вид коррозии рассмотрен нами в 3 разделе.

К третьему виду относится также щелочная коррозия, которая происходит в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (NaOH или KOH), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в порах бетона образуется сода и поташ, которые кристаллизуясь, расширяются в объеме и разрушают цементный камень. Сильнее разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция.

Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений. В составе заполнителей бетона, в особенности в песке, встречаются реакционно-способные модификации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они вступают при обычной температуре в разрушительные для бетона реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен реакционно-способного заполнителя, появляется сеть трещин, поверхность бетона местами вспучивается и шелушится. Такое разрушение бетона может происходить через 10 — 15 лет после окончания строительства.

Помимо трех основных видов коррозии, охватывающих подавляющее большинство процессов, которые приводят к разрушению бетона, исследованы также некоторые специфические виды коррозионного воздействия, из которых следует выделить процессы адсорбционного понижения прочности капиллярно-пористых материалов. Эти процессы развиваются при действии на бетон поверхностно-активных веществ, которые, адсорбируясь на цементном камне, существенно уменьшают его поверхностную энергию, что способствует развитию микротрещин в бетоне и понижению его прочности.

2. Воздействие сульфатов на бетон Как уже отмечалось выше, коррозия третьего вида возникает при действии па цементный камень веществ, способных образовывать кристаллические соединения увеличенного объема. Они оказывают давление на стенки пор и разрушают цементный камень.

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 CaSO₄2H₂O, накопление которого в поровом пространстве бетона ведет к его постепенному разрушению.

К более опасным последствиям приводит взаимодействие сульфатов с алюминийсодержащими 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, алюминийсодержащих 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 SO₄^2- в жидкой фазе он реагирует с катионом кальция Ca²⁺ по реакции:

Ca²⁺ + SO₄^2- = CaSO₄2H₂O

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:

3СaOAl₂O₃6H₂O + 3CaSO₄ + 25H₂O = 3CaOAl₂O₃3CaSO₄31H₂O

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 3CaOAl₂O₃3CaSO₄31H₂O. 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 = CaSO₄2H₂O + Mg (OH)₂.

Образуется рыхлая масса Mg (OH)₂ и кристаллы CaSO₄2H₂O, 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.

3. 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:

1. Повышение плотности бетона различными конструктивными мерами;

2. Выбор специальных цементов из клинкера определенного минералогического состава;

3.

Введение

добавок изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т. д.;

4. Обработка поверхностного слоя флюатированием, высокомолекулярными соединениями (например, битумом);

5. 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 (3CaOAl₂O₃). Невысокое количество трехкальциевого силиката (3CaOSiO₂) 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.

Заключение

В процессе эксплуатации бетонные конструкции находятся в постоянном контакте с окружающей средой.

Взаимодействие агрессивной среды с бетоном приводит к его коррозионному разрушению, механизм и интенсивность которого зависят от большого числа взаимосвязанных факторов.

Сложные, в большинстве случаев недостаточно изученные процессы, определяющие механизм и интенсивность коррозионного разрушения бетонных конструкций, находятся в прямой зависимости со свойствами агрессивной среды, в контакте с которой они эксплуатируются.

Как уже отмечалось выше, наиболее опасной является химическая коррозия, которая вызывается взаимодействием агрессивных газов и жидкостей с составными частями затвердевшего портландцемента, главным образом с Ca (OH)₂ и 3СaOAl₂O₃6H₂O. Поэтому, учитывая будущие условия эксплуатации бетона, заранее предусматривают комплекс мероприятий, предотвращающих коррозию.

Вероятность коррозии третьего вида в первую очередь рассматривают при строительстве морских гидротехнических сооружений и возведении фундаментов в районах, где грунтовые воды содержат сульфаты натрия или кальция.

Список литературных источников

1. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т, Т. 2 / А. А. Герасименко, А. К. Баталов, Б. В. Бочаров и др. — М.: Машиностроение, 1087. — 784с.

2. Киреева Ю. И. Строительные материалы и изделия. Методическое пособие. — Мн.: Дизайн ПРО, 1998. — 62с.

3. Киреева Ю. И. Строительные материалы и изделия. — Мн.: Дизайн ПРО, 1998. — 192с.

4. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М. Москвин, Ф. М. Иванов, С. Н. Алексеев, Е. А. Газеев. — М.: Стройиздат, 1980. — 535с.

5. Мурадов Э. Г. Материалы для приготовления бетонной смеси и строительного раствора: Учеб. Пособие для СПТУ. — М.: Высш. школа, 1987. — 111с.

6. Строительные материалы: Справочник / А. С. Болдырев, П. П. Золотов, А. Н. Люсов и др. — М.: Стройиздат, 1989. — 567с.

7. Строительные материалы: Учебник / под общей ред. В. Г. Микульского. — М.: Изд-во АСВ, 2000. — 536с.

8. Основин В. Н., Основина Л. Г., Шуляков Л. В. Строительные материалы и конструкции / Учебное пособ. — Мн.: Ураджай, 200. — 270с.