Виды коррозии бетона и цементного камня

Коррозия I вида (коррозия выщелачивания) Растворимость продуктов гидратации цемента в воде обусловливает возможность коррозии цементного камня в бетонах и растворах за счет растворения и вымывания соединений, определяющих прочность кристаллизационных контактов в цементном камне. Так как наиболее растворимым компонентом цементного камня на основе портландцемента является гидроокись кальция, то коррозионный процесс определяется обычно как процесс «выщелачивания» извести. Существует прямая зависимость интенсивности процесса выщелачивания от проницаемости (плотности) бетона и от минералогического состава цементного камня — количества свободного гидроксида кальция в нем.

Серьезные повреждения обычного бетона могут иметь место при действии на него мягких вод, содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся конденсат, воды оборотного водоснабжения, дождевые, болотные, воды горных и равнинных рек в половодье.

При действии на бетон мягких вод вначале выщелачивается свободная гидроокись кальция, образовавшаяся при гидролизе трехкальциевого силиката. Когда концентрация Ca (OH)₂ становится менее 1,1 г/л, начинается разложение гидросиликатов кальция и происходит вымывание получившейся гидроокиси. Выщелачивание Ca (OH)₂ в количестве 15−30% общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40−50% и более.

Признаки коррозии I вида можно наблюдать в бетоне различных сооружений. Особенно заметной она становится на участках высыхания воды, соприкасающейся с цементным камнем в бетоне. В этом случае растворенные в воде соединения, в первую очередь гидроокись кальция, карбонизируясь и выпадая в осадок в виде карбоната кальция, образуют на поверхности белый налет («белая смерть бетона»). Под влиянием углекислого газа воздуха гидроксид кальция постепенно превращается в карбонат, что закрепляет этот налет и не дает ему вновь раствориться при последующих увлажнениях поверхности.

В стойкости бетона против коррозии I вида большую роль играет его плотность. Чем меньше площадь поверхности соприкосновения бетона с водой — средой и фильтрация воды через бетон, тем меньше и скорость развития коррозии. Таким образом, в число основных мероприятий, в результате которых могут быть повышены стойкость и долговечность бетона при коррозии I вида, входят все, способствующие увеличению плотности бетона, а также использование цементов, наиболее стойких к растворяющему действию воды и, в первую очередь, пуццолановых и шлакопортландцементов, которые можно применять, если конструкции не находятся в условиях частой смены замораживания и оттаивания.

Процесс выщелачивания гидрата окиси кальция замедляется также когда в поверхностном слое бетона под воздействием углекислого газа воздуха, вследствие карбонизации, образуется малорастворимый CaCO₃. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай для карбонизации поверхностного слоя бетона повышает их стойкость против выщелачивания.

Коррозия II вида (кислотная и магнезиальная коррозия).

Коррозия II вида связана с развитием обменных реакций между кислотами или солями окружающей среды, с одной стороны, и составляющими цементного камня — с другой. Чем энергичнее протекает реакция взаимодействия и чем более растворимы новообразования, тем скорее и полнее разрушается бетон.

При действии кислоты цементный камень полностью разрушается, причем продукты разрушения частично растворяются, а частично остаются на месте реакции. Разрушение цементного камня идет в поверхностных слоях бетона, соприкасающихся с агрессивной средой, и процесс разрушения этих слоев может достичь полного развития при сохранении в прилегающих слоях бетона почти без изменения всех элементов цементного камня.

Так как кислоты взаимодействуют прежде всего с гидроксидом кальция, а затем с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция с образованием кальциевых солей, то от их растворимости и структуры слоя продуктов коррозии в значительной степени и зависит скорость разрушения бетона. Если новообразования, не обладающие вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать дальнейшему прониканию агрессивной среды, растворяются или смываются механически, то обнажаются более глубокие слои бетона. Последние также разрушаются и процесс коррозии протекает до полного разрушения всего бетона, однако скорость этого процесса может быть различной. В данном случае ограничивающими скорость коррозии факторами являются реакционная емкость агрессивной среды и скорость ее обмена у поверхности бетона.

Если новообразования нерастворимы или после удаления растворимых продуктов реакции остается достаточно плотный слой продуктов реакции, который в конкретных условиях контакта агрессивной среды и бетона не удаляется, то они замедляют доступ агрессивной среды к внутренним, еще не поврежденным, частям цементного камня. В этом случае скорость коррозии зависит от толщины и диффузионной проницаемости слоя, образовавшегося на поверхности цементного камня.

Наиболее часто встречающаяся в природных условиях коррозия II вида — это коррозия при действии углекислых вод. Углекислота в большем или меньшем количестве присутствует в большинстве природных вод. При действии углекислоты на цементный камень бетона, еще не имеющего карбонизированного поверхностного слоя, идут два процесса. Вначале при избытке в поверхностном слое бетона ионов OH— образуется карбонат кальция. После того, как ионы OH— в поверхностном слое бетона будут израсходованы, начнется образование бикарбоната кальция, растворяющегося в водной среде и уносимого ею. При наличии же карбонатного слоя будет идти лишь образование бикарбоната. При одном и том же содержании агрессивной CO₂ в растворе наличие карбонатного слоя приводит к образованию в 2 раза большего количества бикарбоната. Следовательно, наличие карбонизированного слоя бетона при действии на него углекислых вод ускоряет коррозию и, соответственно, снижает стойкость бетона.

Соли магния, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и всегда содержатся в большом количестве в морской воде, также могут вызвать разрушение цементного камня в бетоне в результате обменных реакций с кристаллами гидроокиси кальция. Вода является агрессивной при содержании ионов магния более 0,5%. Наблюдения за состоянием и характером разрушения бетона, подвергающегося в течение длительного времени действию растворов магнезиальных солей, показывают, что сначала на поверхности бетона и в его порах образуется белый налет, а затем и скопление белого аморфного вещества — гидроксида магния. Чем более проницаем для морской воды бетон и чем выше относительное содержание CaO в цементе, тем в большем количестве образуется эта белая аморфная масса и тем в большей степени теряет бетон механическую прочность.

Для защиты бетона от разрушения при действии растворов кислот необходимо либо заменять обычные цементы кислотоупорными и применять кислотоупорные бетоны или полимербетоны, либо устраивать надежную изоляцию поверхности бетонов покраской или облицовкой.

Для снижения скорости коррозии бетона в растворах магнезиальных солей могут быть приняты следующие меры:

1) повышена плотность бетона; 2) в случае сильно агрессивной среды использованы покраски или облицовки, защищающие поверхность бетона от соприкосновения с агрессивной средой.

Коррозия III вида (сульфатная и солевая коррозия).

Основным признаком коррозии III вида является накопление в порах и капиллярах бетона солей и последующая их кристаллизация, связанная с увеличением объема твердой фазы. Соли либо образуются вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды с составными частями цементного камня, либо привносятся извне и выделяются из раствора вследствие постепенного испарения из него воды.

Выделение твердой фазы и рост кристаллообразований могут вызвать на определенной ступени развития значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров и разрушение структурных элементов бетона. При коррозии III вида на начальной стадии за счет накопления солей в порах бетона он уплотняется. Если этот процесс развивается медленно, заполнение пор и пустот в бетоне кристаллическими новообразованиями и связанное с ним уплотнение бетона создает картину ложного благополучия. Прочность бетона при этом на какой-то период увеличивается и превышает плотность бетона, не подвергавшегося действию агрессивной среды. Лишь после возникновения значительных растягивающих усилий в стенках пор и капилляров, вызванных продолжающимся ростом кристаллообразований, происходит разрушение структурных элементов цементного камня бетона и наблюдается быстрое снижение (сброс) прочности. Чем медленнее протекает коррозия, тем позднее наступает сброс прочности.

Наиболее распространенная разновидность коррозии III вида — коррозия бетона при действии сульфатов. Сульфаты встречаются в большинстве природных вод. В пресных озерах и реках содержание ионов SO₄^2- обычно не превышает 60 мг/л. В минерализованных грунтовых водах оно значительно выше. В морской воде при солености 33−35 г/л количество SO₄^2- составляет 2500−2700 мг/л. Сульфатные ионы при определенной концентрации могут образовывать с ионами кальция двуводный гипс, а затем вместе с высокоосновными алюминатами — гидросульфоалюминат кальция.

Особенностью этих реакций является то, что и гипс, и гидросульфоалюминат кристаллизуются с большим количеством воды при значительном увеличении объема. Если такое образование происходит в порах уже сложившейся структуры цементного камня, то возникают большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев. Гидросульфоалюминат кристаллизуется в виде характерных игл, поэтому обычно называется «цементной бациллой».

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.

При сульфатной коррозии интенсивность коррозионного процесса определяется количеством агрессивного вещества, проникающего в структуру цементного камня, и химической активностью внутренней поверхности этого камня. При этом имеются в виду условия, в которых бетон постоянно погружен в агрессивный раствор и перемещение агрессивного компонента в порах бетона может происходить только в результате диффузии. В случае же постоянного частичного, периодического полного или частичного погружения бетона при контакте агрессивной среды с цементным камнем протекают процессы, которые не происходят в условиях полного погружения материала.

Основное отличие процессов солевой коррозии бетона при постоянном частичном или периодическом (полном и частичном) погружении, когда протекают коррозионные процессы, в которых химическое действие агрессивного раствора не играет существенной роли, состоит в том, что в этом случае на движение растворов в поровой структуре бетона оказывают решающее влияние процессы, происходящие на поверхности бетона, оказавшейся в период воздействия на воздухе.

В условиях, когда бетонная или железобетонная конструкция частично погружена в жидкость, содержащую растворенные соли, интенсивность коррозии будет зависеть от кинетики проникновения агрессивных компонентов в бетон, которая будет определяться при частичном погружении интенсивностью испарения воды и капиллярной проницаемостью бетона. Площадь открытой поверхности бетона, находящейся на воздухе, расстояние от уровня агрессивного раствора до открытой поверхности, а также внешние условия играют важную роль в переносе раствора в теле бетона и определяют интенсивность коррозионного процесса. Когда в порах бетона в результате испарения воды повышается концентрация агрессивного раствора и происходит кристаллизация солей, то при накоплении солей в порах появляется кристаллизационное давление, которое при определенных условиях может превысить прочность материала пор на растяжение и вызвать возникновение трещин и разрушение бетона.

Главным условием стойкости бетона при коррозии III вида является устойчивость цементного камня к химическому действию среды, в частности, при сульфатной коррозии цементный камень сам по себе должен обладать сульфатостойкостью, т. е. при данном содержании сульфатов иметь наименьшую реакционную способность по отношению к ним. Это может быть достигнуто, в первую очередь, ограниченным содержанием в цементе трехкальциевого алюмината.

Коррозия III вида в значительной степени зависит и от плотности бетона, поскольку степень повреждения определяется количеством агрессивного компонента, проникающего из окружающей среды в бетон, а оно прямо пропорционально свободному сечению пор в бетоне. Следовательно, все технологические приемы, используемые при изготовлении бетона с целью повышения его плотности (непроницаемости), будут способствовать повышению стойкости бетона к сульфатной коррозии и коррозии III вида вообще.

В специфических условиях развития коррозии III вида вследствие частичного или периодического высыхания бетона хорошим средством повышения его стойкости является объемная гидрофобизация. Гидрофобизация прерывает пути капиллярного движения растворов в бетоне, что исключает перемещение растворимых солей в нем и накопление их в отдельных зонах. В подземных сооружениях гарантировать от развития коррозии III вида в случае действия напорных вод на бетон может только надежная гидроизоляция.