При эксплуатации инженерных сооружений в жидких и газовых средах бетон может подвергаться химической коррозии. Коррозия в газообразной среде протекает обычно при наличии влаги и так же, как в воде.
В соответствии с классификацией, предложенной В.М. Москвиным, химическую коррозию цементного бетона разделяют на три вида. В чистом виде она встречается редко. Чаще совмещаются два вида коррозии.
Коррозия первого вида происходит в результате растворения составляющих цементного камня водами с малой временной жесткостью. Эта вода горных рек, дождевая, болотная, конденсат. Уменьшает агрессивность воды содержание в ней Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. И только вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4–0,7 мг экв/л является агрессивной. Разрушение цементного камня начинается вымыванием Са(ОН)2, растворимость которой составляет 1,2 г/л в расчете на СаО, а затем идет разрушение клинкерных минералов. Выщелачивание 15–30% СаО из цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40–50%.
Стойкость бетона можно повысить применением более плотных бетонов, пуццолановых портландцементов и шлакопортландцементов. Добавки в цементах связывают известь в нерастворимые соединения. 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.
Коррозия второго вида происходит в результате взаимодействия составляющих цементного камня с кислотами и некоторыми солями. При обменных реакциях образуются не имеющие прочности легкорастворимые соединения. К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.
Углекислотная коррозия. Углекислый газ СО2, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту H2CO3. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция СаСО, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, Н2СО3 и СаСО3 должны находиться в равновесном состоянии: СаСО3 + Н2СО3 «Са(НСО3)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 + H2CO3 = CaCO3 + 2H2O;
CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2.
Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой.
Углекислотная коррозияпроисходит в результате действия растворов неорганических и органических кислот при их рН < 7. Не входят сюда кремнефтористо-водородная и поликремниевые кислоты. Кислоты содержатся в сточных, болотных водах; в выбросах промышленных предприятий может быть сернистый газ, хлор и другие, образующие с водой кислоты. Кислоты взаимодействуют с гидроксидом кальция, в результате чего получаются бессвязные кальциевые соли, легко вымываемые водой. Например, при действии соляной кислоты НС1 на цементный камень получается растворимый хлорид кальция:
Са(ОН)2 + 2НСl = СаСl2 + 2Н2О.
Органические кислоты — азотная, уксусная, молочная, винная, олеиновая, гуминовая, фульвовая и другие — также разрушают цементный камень.
Магнезиальная коррозия. Чисто магнезиальная коррозия происходит при действии магнезиальных солей, кроме MgSO4. Например, в морской воде содержится хлорид магния MgCI2, который взаимодействует с цементным камнем по реакции:
Са(ОН)2 + MgCl2 = СаСl2 + Мg(ОН)2.
Образуется растворимый хлорид кальция и бессвязный гидроксид магния. Коррозия становится заметной при содержании в воде MgCl2 более 1,5–2%.
Для защиты от коррозии второго вида следует применять плотные бетоны, делать пропитку бетона эпоксидными, полиэфирными и другими смолами, устраивать защитные покрытия.
Коррозия третьего вида возникает при действии на цементный камень веществ, способных образовывать кристаллические соединения увеличенного объема. Они оказывают давление на стенки пор и разрушают цементный камень. Коррозия происходит при действии вод, содержащих сульфат кальция CaSO4, сульфат натрия Na2SO4 и др. Nа2SO4 вначале реагирует с Ca(OH)2 по схеме Ca(OH)2 + Na2SO4 «CaSO4 + 2NaOH, а затем CaSO4 с минералом C3A. Сульфат кальция CaSO4 сразу реагирует с минералом C3A:
3CaO хAl2O3 х6H2O + CaSO4 + (25–26)H2O = 3CaO хAl2O3 хCaSO4 х(31–32)H2O.
В результате взаимодействия образуется кристаллический трехсульфатный гидроалюминат (этрингит) с объемом в 2,8 раза большим объема исходных веществ.
Для предотвращения этого вида коррозии применяют глиноземистый цемент, сульфатостойкие портландцемента и бетоны повышенной плотности.
Сульфатно - магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень сульфата магния MgSO4. Реакция идет по схеме: Са(ОН)2 + MgSO4 + 2H2О = CaSO4 х2H2O + Мg(ОН)2. Образуется рыхлая масса Мg(ОН)2 и кристаллы CaSO4 х2H2O, которые растворяются в воде. Влияние на цемент сказывается при концентрации МgSO4 более 0,5–0,75%. Происходит совмещение двух видов коррозии — магнезиальной и сульфатной.
Свойства бетона
Качество затвердевшего бетона характеризуют следующие его свойства: прочность при сжатии, растяжении, растяжении при изгибе, срезе и смятии, усадка и набухание, водонепроницаемость, морозостойкость, тепловыделение, теплоемкость, акустические свойства, коррозионная стойкость и др.