Коррозия бетонных конструкций

Бетон, как искусственный конгломерат, по составу исходных материалов достаточно долговечен и не нуждается в специальном уходе, если эксплуатируется в нормальных температурно-влажностных условиях и отсутствии агрессивной среды. В таких условиях работает относительно небольшой класс конструкций, расположенных внутри жилых и общественных зданий или же в сооружениях, эксплуатируемых в теплых и сухих климатических районах.

Физико-химические процессы, при которых раз­рушаются бетон и железобетон в условиях агрессивной среды, представляют собой коррозию. В бетонных конструкциях в зави­симости от ведущих признаков разрушения коррозия подраз­деляется на три вида:

I вид — выщелачивание извести из цемента;

// вид — кислотное разрушение;

/// вид — сульфатная коррозия, или кристалли­зационное разрушение.

В железобетонных конструкциях коррозия может протекать как в бетоне, так и в арматуре — IV вид.

Таким образом, для бетона различают три вида коррозии, а для железобетона — четыре.

Физико-механические разрушения бетонных конструкций происходят также вследствие замораживания и от­таивания влаги в них, расклинивающего действия пролитых на бетон масел и смазок, кристаллизации солей при увлажнении конструкций минерализованными водами и последующего испа­рения влаги со свободной поверхности конструкций, а также при механических внешних воздействиях.

Скорость коррозии и разрушения возрастает при одновремен­ном воздействии на конструкцию физико-химических и механи­ческих факторов. Процессы коррозии и методы защиты от нее наиболее сложны и поэтому ниже рассматриваются подробно.

Предупреждение коррозии и разрушения бетонных и желе­зобетонных конструкций, широко применяемых в строительстве, особенно при возведении ответственных и уникальных зданий и сооружений (здания повышенной этажности, гидротехнические сооружения и др.), является весьма актуальной задачей. Пра­вильная защита конструкций от коррозии и своевременное вос­становление защитных покрытий существенно сказываются на экономике строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Поэтому изучение процессов коррозии и разрушения бетонных и железобетонных конструкций в различных условиях эксплуа­тации, выбор и осуществление рациональных методов защиты имеют очень большое значение в повышении стойкости и долго­вечности конструкций и зданий в целом.

Факторы, влияющие на коррозию бетонных и железобетон­ных конструкций, делятся на две группы:

1) факторы, связанные со свойствами внеш­ней среды(характер агрессивности, степень агрессивности, постоянство агрессивности, совместное действие с отрицательной температурой, совместное действие с механическими факторами);

2) факторы, связанные со свойствами материалов и конструкций (свойства цемента, свойства наполнителей, химическая стойкость поверхностного слоя, форма и расположение конструкций, плотность и непроницаемость конструкций).

Коррозия I вида. Коррозия этого вида вызывается фильтрацией сквозь толщу бетона мягкой воды, вымывающей его со­ставные части, в частности гидрат окиси кальция Са(ОН)₂ — га­шеную известь. Этот процесс называется выщелачиванием извести и весьма опасен для бетона, поскольку известь яв­ляется составляющей почти всех цементов. Внешним признаком коррозии I вида служит 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. При этом гидрат окиси кальция под влиянием углекислого газа воздуха превращается в карбонат кальция:

Са (ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₃О

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.

Если в воде содержатся соли (кроме солей кальция), кото­рые непосредственно не взаимодействуют с составляющими це­ментного камня, но повышают ионную силу раствора (NaCl, NaSO₄ и др.), то они увеличивают растворимость цементного «камня, усиливая тем самым процесс коррозии. По мере выщелачивания извести из бетона его механическая прочность снижается; при этом первоначальная потеря извести сказывается на прочности меньше, чем последующая.

Коррозия II вида. Коррозия II вида, или химическое разрушение (рис. 55), развивается в бетоне при действии на него кислот, солей и щелочей, вступающих в обменные реакции с со­ставными частями цементного камня, в результате чего образу­ются хорошо растворимые соли. Примером коррозии II вида яв­ляется коррозия бетона под действием кислот. Разрушение конструкций кислотами и кислыми газами наиболее часто встречается на заводах, в хранилищах кислот в лабораториях и т. п. При воздействии кислот более стойким оказывается портланд­цемент и менее стойким — пуццолановый портландцемент. Для условий очень агрессивной среды применяются только кислотостойкие цементы. Сущность процессов, протекающих при коррозии II вида, состоит в следующем. Основным окислом цементного камня является окись кальция. В результате взаимодействия кислоты

(серной, соляной, азотной) с гидратом окиси кальция бетон разрушается:

Са (ОН)₂ + H₂SO₄ (или 2HCI; или HNO₃) = CaSO₄ (или СаС1₂;или Са (NO₃)₂+ Н₂О)

Коррозия 111 вида. Коррозия III вида, или кристаллизацион­ное разрушение бетона происходит вследствие накоп­ления в порах и капиллярах бетона кристаллов солей. Такое накопление происходит по двум причинам:

в результате химических реакций взаимодействия агрессив­ной среды и составных частей цементного камня;

в результате приноса солей извне и выделения их из рас­твора при постепенном испарении влаги, например в частях со­оружений, расположенных в жарких сухих районах с засолен­ными грунтами.

На начальной стадии рост кристаллов повышает плотность бетона. Однако на определенной стадии кристаллообразования возникают такие растягивающие усилия в стенках пор и капилляров, при которых структурные элементы бетона разрушаются и к онструкции теряют свою прочность. Поэтому оценка опас­ности коррозии III вида только по прочности, особенно на на­чальной стадии, может ввести в заблуждение. Кристаллизационное разрушение конструкций при пористом бетоне и сильноагрессивной среде может наступить быстро — через недели или месяцы, а при первоначально плотном бе­тоне — через несколько лет.

Если при коррозии I и II видов бетон разрушается вследствие медленного или ускоренного механического либо химического растворения и вымывания водой составных частей цемент­ного камня, то ведущим признаком коррозии III вида является, наоборот, накопление в бетоне новообразований — кристаллов,до тех пор, пока они не разрушают конструкцию.

Коррозия IV вида. Долговечность железобе­тона определяется способ­ностью бетона и арматуры в совокупности длитель­но противостоять дейст­вию 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, проникая через поры и трещины защитного слоя к металлу, она вызывает его коррозию. Грунтовые минерализованные воды, содержащие большое количество сульфатов (25 г/л), хлоридов (35 г/л), магнезиаль­ных и других солей, агрессивны как по отношению к бетону, так и к арматуре. Обычно железобетонные конструкции выходят из строя быстрее, чем бетонные, вследствие коррозии и бетона и арматуры. Коррозия металлической арматуры может быть химической, электрохимической или может быть вызвана блуждающими токами. Коррозия арматуры 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

Для антикоррозионной защиты бетона и повышения долговечности бетона следует выполнять конструктивные требования и применять первичную защиту (путем введения различных модифицирующих добавок), а также вторичную защиту с нанесением на поверхности конструкций различных защитных покрытий (уплотняющие пропитки, лакокрасочные покрытия, лакокрасочные мастичные покрытия, биоцидные материалы, оклеечные покрытия.) Целью применения защитных покрытий является антикоррозионная защита бетона, предотвращение распространения коррозии, предотвращение проникновения влаги в бетон и придание поверхности эстетического вида.