Коррозия бетона и железобетона

КОРРОЗИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ АГРЕССИВНЫХ СРЕД

2.1. Бетон и железобетон в дорожном строительстве

Широко используется железобетон при обустройстве автомобильных дорог: автопавильонов, элементов ограждений, сигнальных столбиков, опорных элементов дорожных знаков, шумозащитных экранов и пр.

2.2. Сроки службы объектов транспортного строительства

Прежде чем перейти к рассмотрению сущности процессов, протекающих при взаимодействии бетона с окружающей средой попытаемся сгруппировать разнообразные воздействия среды на конструкции во время эксплуатации сооружений в различных условиях.

2.3. Классификация коррозионных процессов при взаимодействии

окружающей среды с бетоном и железобетоном

Деструктивные процессы в бетоне можно условно разделить на две группы:

1. Физические процессы без химического взаимодействия между средой и материалом конструкций. Эта группа в свою очередь может быть разделена на подгруппы:

а) увлажнение и высушивание. При этом наблюдаются явления усадки и набухания, приводящие к появлению деформаций и трещин, что приводит в конечном итоге к снижению прочности;

б) попеременное замораживание и оттаивание водонасыщенного пористого материала, к которому относится бетон;

в) воздействие высоких (более 100оС) температур на цементный бетон при этом происходит дегидратация минералов цементного камня и снижение прочности бетона.

Эти коррозионные процессы резко ускоряются, если на конструкции действует циклическая или знакопеременная нагрузка.

Таким образом, мы рассмотрели классификацию основных видов взаимодействия бетона и железобетона с окружающей средой, которые могут привести к коррозии материалов и разрушению конструкций.

2.4. Стойкость бетона и железобетона в условиях эксплуатации в различных средах

2.4.1. Морозостойкость бетона

Вода в бетоне может замерзать только в капиллярах. Поры геля слишком малы, и лед в них может образовываться только при очень низких температурах (

Рисунок 3. Возникновение гидравлического давления в порах бетона

Факторы, влияющие на степень морозостойкости бетона

Можно выделить следующие факторы, которые в основном определяют морозостойкость бетона:

1. Минералогический состав и вид цемента.

2. Водоцементное отношение бетонной смеси.

3. Условия твердения бетона.

4. Химические добавки в бетонную смесь.

Содержание С3А в цементе для получения бетонов повышенной морозостойкости не должно превышать 5%.

Наиболее стойкими при замораживании являются бетоны, приготовленные на сульфатостойком, гидрофобном и пластифицированном портландцементе. Бетоны на таких цементах обладают большей плотностью, а также более высокой степенью гидратации минералов цемента.

Химические добавки в бетонную смесь. К ним относятся:

1. Пластифицирующие добавки. Например, суперпластификаторы типа С-3. Введение таких добавок в бетонную смесь резко увеличивает ее подвижность. В результате применения добавок можно получить, по крайней мере три положительных эффекта:

б) сохраняя первоначальную подвижность смеси, можно уменьшить количество воды в смеси, т.е. понизить показатель В/Ц. Вследствие этого получают бетоны большей прочности и морозостойкости;

Таким образом, химические добавки являются эффективным средством для увеличения морозостойкости бетона, особенно в дорожном строительстве.

Далее рассмотрим некоторые вопросы механизма и кинетики коррозионных процессов при протекании химических реакций между средой и компонентами цементного камня.

2.4.2. Коррозия I вида

Наиболее растворимым компонентом цементного камня является гидроксид кальция, содержание которого в портландцементном камне достигает

При омывании или фильтрации воды через бетон происходит уменьшение концентрации Са(ОН)2 в поровой жидкости. Это сопровождается перекристаллизацией других продуктов гидратации цемента примерно в следующей последовательности (для гидросиликатов кальция)

2 C2S → C3Saq →2 CSaq →2 SiO2·h3O

Рисунок 4. Снижение прочности цементного раствора при выщелачивании извести

Особенное внимание следует уделить долговечности сооружений, если имеется возможность фильтрации воды по трещинам, рабочим швам бетонирования и другим дефектам, возникающим в бетоне гидротехнических сооружений.

2.4.3. Коррозия II вида

КОРРОЗИЯ БЕТОНА. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ БЕТОНОВ К ПРОЦЕССАМ КОРРОЗИИ

Жунина Надежда Сергеевна – Инженер отдела технического диагностирования управления технической экспертизы ООО «ВЕЛД»,

г.Магнитогорск, Челябинская область

Рис. 1. Коррозия бетона

Воздействия агрессивных сред на бетон весьма разнообразны. Не менее разнообразны и коррозионные процессы, поражающие бетон. Существуют следующие виды коррозии бетона:

— электрохимическая коррозия железобетона (коррозия, происходящая вследствие того, что арматурная сталь при погружении в раствор электролита начинает корродировать).

Несмотря на разнообразие агрессивных факторов, основные причины коррозии можно разделить на три вида, по каждому из которых процессы коррозии объединяются основными признаками.

Рис.2. Коррозия бетона поперечной балки с оголением и коррозией рабочей арматуры (5%) здания производственного корпуса цеха Н-5 ОАО «Стерлитамаксикй нефтехимический завод» г. Стерлитамак (Sобщ=1,2 м2)

Рис. 3. Коррозия бетона мелкозернистых плит с оголением рабочей арматуры здания производственного корпуса цеха Н-5 ОАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», г.Стерлитамак (S=0,5 м2)

Рис. 4. Коррозия бетона плиты покрытия производственного здания ООО «Сарби», г. Сарапул (S=1 м2)

В условиях воздействия агрессивной среды при выборе цемента для бетонов следует руководствоваться следующими положениями:

— сульфатостойкий портландцемент можно заменить сульфатостойким пуццолановым портландцементом;

— хорошую стойкость в сульфатных водах имеют глиноземистые сульфатированные и глиноземистые шлаковые цементы.

К методам вторичной защиты относится нанесение различных защитных покрытий: применение биоцидных материалов, цементизация, силикатизация, смолизация, применение оклеечных материалов, применение уплотняющих пропиток и лакокрасочных мастичных покрытий.

Лакокрасочные мастичные покрытия используются при воздействии жидких сред, а также при непосредственном контакте бетона с твердой агрессивной средой.

Антикоррозионные покрытия можно применять везде, где существует подобная необходимость для бетона. При выборе защитных средств следует учитывать особенности воздействия среды, возможные физические и химические воздействия.

Виды и описание

Существуют разновидности бетонной коррозии:

Химические разъедания

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

Физико-химическая

Биологические разрушения

Радиационная

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.

Заключение

Главное, принять меры как во время работы и в момент приготовления раствора, так и поддерживать сооружения в дальнейшем, чтобы коррозия бетона не разрушила все труды.

Что представляет собой коррозия бетона?

Схема коррозии бетона.

Зависимость скорости разрушения бетона от времени воздействия неблагоприятных факторов.

В любой жидкой и газообразной среде для коррозии бетона и железобетона не требуется дополнительных факторов. Если в газообразной среде высокая влажность, этот фактор ускоряет коррозионные процессы.

Вернуться к оглавлению

Как может производится защита от коррозии бетона и железобетона?

Методы защиты бетона от коррозии.

Капитальный ремонт, гидроизоляция и защита бетонных конструкций от коррозии.

Вернуться к оглавлению

Общие сведения, виды и характер разрушений

Долговечность конструкций зависит от структуры бетона и свойств окружающей среды, в которой они эксплуатируются.

По степени своего влияния агрессивные среды делятся на:

• сильноагрессивные;
• средней агрессивности;
• слабоагрессивные;
• неагрессивные.

По агрегатному состоянию реагенты можно разделить на:

• жидкие;
• газообразные;
• твердые.

Величина агрессивного воздействия на железобетонные конструкции вычисляется для каждой среды индивидуально, в зависимости от того, в каких условиях эксплуатируются сооружение.

• наличие и концентрация агрессивных реагентов;
• температура, при которой происходит химическая реакция;
• скорость движения жидкостей у поверхности.

• виды газообразных веществ и их концентрация;
• растворимость компонентов в воде;
• влажность и температура воздуха.

Для твердых агрессивных веществ (аэрозоли, пыль, соли):

• дисперсность;
• возможность растворения в воде;
• влажность среды.

Скорость коррозии бетона зависит от следующих факторов:

Классификация процессов коррозии в жидкой среде

В химических реакциях, приводящих к разрушению, участвует вода, цементный камень и заполнитель. Долговечность сооружений определяется периодом от начала эксплуатации объекта до ухудшения его эксплуатационных характеристик и началом разрушения.

Виды коррозии бетона и агрессивность воздействия жидкой среды подлежат классификации по общим признакам воздействия на конкретные конструкции.

Проведенные исследования и анализ поврежденных сооружений позволяют сделать заключение, что все действующие причины можно разделить на 3 вида:

Первый вид коррозии

Протекание процесса растворения (выщелачивания) компонентов можно разделить на два периода:

Способность гидроксида кальция растворяться даже в дистиллированной воде, отрицательно влияет на деструктивные процессы способствующие коррозии.

Примечание: Растворенный в воде гидроксид кальция, в результате химических реакций, происходящих в структуре материала, карбонизируется и выделяется на поверхности конструкций в виде белого налета карбоната кальция.

Помимо этого, для повышения устойчивости материалов к влиянию коррозии первого вида, необходимо проводить следующие мероприятия:

Сопротивление материалов выщелачиванию позитивно сказывается и на способности изделий сопротивляться обменным реакциям, протекающим в структуре конструкций, в процессе коррозийного воздействия второго вида.

Второй тип коррозии

Основные типы коррозии второго вида:

• углекислотная;
• кислотная;
• щелочная.

Новообразования на поверхности, полученные в результате реакций обмена и не обладающие достаточной плотностью и вяжущими свойствами смываются водой, обнажая тем самым следующий слой бетона и уже в этом слое начинают происходить реакции разрушения.

Этот слой также растворяется и удаляется. По этой схеме, и в такой последовательности протекают последующие этапы коррозии второго вида вплоть до полного разрушения конструкции.

Разрушение сооружений под действием углекислотных соединений

Что такое углекислотная коррозия, и какой механизм действия данного вида разрушений рассмотрим в этой главе.

Одним из наиболее часто встречающихся деструкций второго вида — это дефекты бетона, возникающие в результате действия углекислых вод. Углекислота в той или иной степени присутствует в составе любых природных жидкостей.

Причиной присутствия CO₂ в природных водах являются биохимические процессы, происходящие как в самой жидкости, так и в грунте, с которым вода постоянно контактирует.

Определяющим фактором скорости происходящих разрушений, в этом случае, является концентрация углекислоты в растворе. Чем больше H₂CO_3, тем выше кислотные характеристики раствора и скорость углекислотной коррозии.

Характер кислотных разрушений конструкций

Из состава неорганических кислот, вызывающих коррозию бетона, помимо углекислоты, наиболее чаще приходится сталкиваться с реакциями:

• соляной;
• серной;
• азотной.

А из органических — это молочная, уксусная и др.

Под действием кислоты цементный камень почти полностью разрушается. Причем химические продукты разрушения отчасти растворяются, а в некоторой своей части сохраняются в месте прохождения реакций.

Степень активности кислотной коррозии определяется силой действующей кислоты и концентрацией ионов водорода. В результате кислотной реакции на поверхности цементного камня формируются соли кальция и рыхлая аморфная масса.

Соли кальция, растворимые в воде, вымываются из структуры, а рыхлая масса остается. Все эти процессы снижают прочность сооружения, а с течением времени разрушают его полностью.

Важную роль в развитии процесса кислотных агрессивных воздействий играет скорость обменных реакций у поверхности пораженной конструкции.

Щелочные реакции разрушения

Этот тип коррозии может возникать при высоком содержании щелочей в вяжущих и заполнителях, используемых для приготовления бетона.

• В результате взаимодействия заполнителей с цементным камнем, на его поверхности образуются гидратированные соединения, расширяющиеся во влажной среде.
• В момент набухания в структуре изделий возникают напряжения, вызывающие деформацию конструкций и разрушение бетона.
• В результате таких реакций на поверхности образуются мелкие трещины, из которых в отдельных случаях просачивается силикат натрия.

Обратите внимание: Наиболее эффективным способом защиты от щелочной деструкции, является включение в состав цемента 10–20% активных тонкомолотых минеральных добавок, которые замедляют реакции гидратации и устраняют причины напряжений, вызывающих разрушения.

На прекращение процесса щелочного воздействия положительно влияет автоклавная обработка, в результате которой на частицах заполнителя образуются защитные микропленки гидросиликата кальция.

Третий тип коррозии

Наиболее известными жидкими агрессивными средами третьего вида выступают подземные и промышленные воды, содержащие в своем составе сульфатные соединения. Сульфатная коррозия бетонов — это результат воздействия на конструкции жидких сульфатных растворов.

Применение хлоридов в качестве добавок способно оказывать замедляющее действие на развитие сульфатной коррозии, а присутствие бикарбонатов, образующих труднорастворимые компоненты, препятствует проникновению сульфатов вглубь конструкций.

Биокоррозия бетонов

Биологическая коррозия бетонов — это прямое или косвенное влияние микроорганизмов, бактерий на технические характеристики материалов. К такому виду организмов относятся различные грибковые образования, морские водоросли, лишайники, плесень и др.

Биоповреждения бетонных конструкций заключаются в нарушении плотности бетона под действием различных кислот микробного происхождения.

Газообразные агрессивные среды

На развитие химических коррозионных реакций в бетоне, большое воздействие оказывает газовая среда, в которой эксплуатируются изделия.

В сочетании с достаточной температурой и влажностью этой воздушной среды, создаются прекрасные условия для протекания газовой коррозии.

Классификация видов коррозии бетона

Существует несколько видов коррозии и вариантов ее протекания.

Растворение компонентов бетонного камня

Параметры, влияющие на скорость растворения и вымывания гидроксида кальция:

Способы значительного замедления разрушающих процессов:

Химическая коррозия

В случае протекания реакции между гидратом оксида кальция (гашеной известью) и углекислым газом, содержащимся практически во всех природных водах, образуется водонерастворимый CaCO₃ и вода.

При взаимодействии гашеной извести с кислотосодержащими водами в искусственном камне происходит химкоррозия бетона с образованием хлористого кальция, легко удаляемого водой.

Биокоррозия

Для борьбы с разрушением бетонных конструкций из-за агрессивных биофакторов используют биоцидные добавки, глубоко проникающие в поры материала и уничтожающие микроорганизмы.

Физическая

К быстрому разрушению бетонных элементов приводят попеременные циклы замерзания-оттаивания во время набора марочной прочности. Избавиться от этой проблемы можно путем создания нормальных условий для схватывания и твердения бетонной смеси.

Радиационная

Этому виду коррозионного разрушения подвергаются бетоны в результате радиационного облучения, из-за которого из материала удаляется кристаллизованная вода. Удаление жидкости нарушает структуру бетона, снижает его прочность, провоцирует появление трещин.

Коррозия стальной арматуры в железобетонных конструкциях

Способы защиты стальной арматуры в бетоне от коррозии:

Во избежание преждевременного разрушения железобетонной конструкции необходимо контролировать ее состояние с помощью технологий неразрушающего контроля, предусмотренных ГОСТом 18105-86.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

Коррозия бетона (железобетонных конструкций) в экстремальных условиях эксплуатации

Экстремальными условиями можно назвать воздействие на бетонный камень очень низких температур и различных веществ, обладающих повышенной агрессивностью.

При взаимодействии гидроксида кальция с сульфатами образуется CaSO₄•2H₂O. Со временем вещество скапливается в поровом пространстве бетона, постепенно его разрушая.

Устойчивость к воздействию сульфатсодержащих сред очень сильно зависит от минералогического состава бетона. Если в цементе содержание минералов на основе алюминия и трехкальциевого силиката ограничено, то он в данной среде более стоек.

Защита бетона от коррозии

Для защиты бетона от коррозии и продления его срока службы не достаточно применения только одного вида защиты. Чтоб бетон не поддавался вредному влиянию окружающей среды уже на стадии проектирования проводят профилактические мероприятия по его защите.

Эксплуатационно-профилактические мероприятия предусматривают нейтрализацию агрессивных сред, герметизацию, интенсивную вентиляцию при эксплуатации цементного камня в помещении (для осушки воздуха).

Защиту бетона от коррозии можно разделить на первичную и вторичную.

Первичная защита бетона от коррозии предусматривает при его изготовлении и формировании вводить в состав бетона специальные добавки, изменяя при этом его минералогический состав. Этот способ считается наиболее эффективным.

В качестве добавок могут служить различные водоудерживающие, пластифицирующие, стабилизирующие, химические модификаторы, аморфный кремнезем и др.

Кроме того, ориентируясь на условия эксплуатации цементного камня, при его формировании подбирают оптимальный для данных условий состав. Например, для цементов, эксплуатирующихся в сульфатсодержащих водах уменьшают содержание С₃S.

Часто применяют пуццоланизацию. К портландцементу добавляют кислые гидравлические добавки, которые содержат активный кремнезем.

Образовавшийся гидросиликат кальция устойчивее чем Са(ОН)₂.

Также при помощи химических добавок можно значительно увеличить количество условно замкнутых пор. В результате морозостойкость цементного камня возрастает в разы.

Некоторые добавки оказывают двойное действие, т.е. улучшают сразу несколько показателей. Другие же, могут улучшать один, и понижать второй.

Самыми перспективными и распространенными являются следующие добавки.

Мылонафт повышает водонепроницаемость бетонного камня на две марки, морозостойкость – в два раза, устойчивость к воздействию растворов минеральных солей, трещиноустойчивость.

Сульфитно-дрожжевая бражка оказывает наилучший эффект при введении ее в бетонный камень на основе высокоалюминатных и быстротвердеющих портландцементов.

Вторичная защита бетона от коррозии предусматривает нанесение на цементный камень различных лакокрасочных материалов, защитных смесей, покрытий и облицовку различными плитами. Т.е. гидроизоляцию бетона.

К вторичной защите также можно отнести карбонизацию (выдержку бетона на воздухе).

Защита бетона от коррозии мастиками применяется при воздействии на него влаги, контакте с твердыми средами. Часто применяются мастики на основе различных смол (смолизация).

Биоцидные материалы применяются для защиты бетона от воздействия различных видов грибков, плесени, бактерий, микроорганизмов. Химически активные вещества биоцидных добавок заполняют поры бетона и уничтожают бактерии.

Как оклеечные покрытия могут быть использованы полиэтиленовая пленка, полиизобутиленовые пластины, рулоны нефтебитума. Они могут также выполнять роль непроницаемого подслоя в облицовочных покрытиях.

Наиболее эффективна комплексная защита бетона от коррозии, т.е. как первичная, так и вторичная.