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.