Коррозионная стойкость строительных конструкций
Основные понятия и определения о долговечности конструкции. Виды воздействий окружающей среды и классификация коррозионных процессов.
Основные понятия и определения.
Долговечность бетонных и железобетонных конструкций определяется стойкостью бетона, арматуры и конструкции в целом при действии химически активных компонентов внешней среды.
В России определение способов повышения долговечности конструкций определяется на основании сопоставления параметров характеризующих внешнюю среду контактирующую с конструкцией и показателями нормальной агрессивности среды по отношению к бетону и арматуре.
Долговечность – это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленном режиме обслуживания и ремонта.
Предельное состояние – принимается состояние объекта при котором его долговечность применения по назначению недопустимо или нецелесообразно или восстановление его исправного состояния невозможно или нецелесообразно.
Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения технического обслуживания, хранения, ремонта и транспортирования.
Коррозия – деструктивный процесс развивающийся в бетоне под действием агрессивных факторов.
Физическая коррозия – проявляется при попеременном увлажнении и высушивании, замораживании и оттаивании в водонасыщенном состоянии, миграции влаги в бетоне, содержащем растворимые соли.
Химическая коррозия – возникает в результате агрессивного воздействия химически активной по отношению к бетону водной, газовой или твердой среды, что вызывает разрушение цементного камня бетона и коррозию арматуры.
|
|
Биологическая коррозия бетона возникает при действии продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и в конечном итоге сводится к химическому виду коррозии.
Актуальными задачами по повышению долговечности бетона и железобетона и других материалов являются:
Придание бетону и другим материалам конструкции биостойкости и биоцидности.
Защита конструкций от воздействия электрического тока.
Учет совместного действия агрессивных веществ и низких температур.
Разработка методов защиты конструкций в химической промышленности от действия органических веществ.
Виды воздействий окружающей среды на бетон и классификация коррозионных процессов.
Виды воздействий окружающей среды на бетон и классификация коррозионных процессов
В процессе эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций они подвергаются воздействию физических и химических факторов окружающий среды. При этом деструктивный процесс развивающийся в бетоне под действием агрессивных факторов называется – коррозия.
В зависимости от причин разрушения бетона различают следующие виды коррозии:
физическую;
химическую;
биологическую.
Физическая коррозия – проявляется при попеременном увлажнении и высушивании, замораживании и оттаивании в водонасыщенном состоянии, миграции влаги в бетоне содержащем растворимые соли.
Химическая коррозия– возникает в результате агрессивного воздействия химически активной по отношению к бетону водной, газовой или твердой среды, что вызывает разрушение цементного камня бетона и коррозию арматуры.
|
|
Биологическая коррозия бетона возникает при действии продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и в конечном итоге сводится к химическому виду коррозии.
В процессе эксплуатации конструкций из бетона и железобетона на них воздействуют следующие агрессивные факторы:
Жидкие среды (грунтовые воды, речная, морская вода, промышленные стоки). Степень агрессивности жидкой среды определяется наличием и концентрацией агрессивных агентов, температурой, величиной напора или скоростью движения жидкости у поверхности конструкций.
Газовые среды. Степень агрессивности газовых сред определяется наличием и концентрацией газов в воде, влажностью среды и температурой.
Твердая среда. На конструкцию могут воздействовать аэрозоли, соли, грунты. Степень агрессивности определяется следующими факторами: дисперсностью твердых сред, растворимостью в воде, гигроскопичностью и влажностью окружающей среды.
Все эти среды в соответствии со СНиП подразделяют на следующие группы (оценка среды по степени агрессивного воздействия на конструкцию определяется по снижению прочности бетона в зоне коррозии в процентах при эксплуатации в течение года (-DR):
неагрессивные среды 
слабоагрессивные среды (
- при поверхностном незначительном разрушении)
среднеагрессивные среды (
- при повреждении углов конструкции и появлении волосяных трещин)
сильноагрессивные среды (
- при ярко выраженном разрушении бетонных конструкций)
|
|
Жидкие среды (грунтовые, речные морские воды, промышленные стоки)
Показателями агрессивности жидких сред при коррозии выщелачивания (I вида) является бикарбонатная щелочность среды, которая выражается в (мг×экв×град). Кроме того, определяется степень агрессивного воздействия жидкой среды определяется напором воды (безнапорные или напорные сооружения), зависит от степени фильтрации, скорости течения воды.
При содержании в воде кислот (коррозия II вида) в этом показатель агрессивности определяется величиной содородного показателя рН (или содержанием кислот, мг/л). Критическая величина рН – 11,5, если меньше, то начинается коррозия бетона. Снижение показателя рН препятствует коррозии.
При коррозии III вида (сульфатная или сульфоалюминатная) степень агрессивного воздействия определяется содержанием сульфатов в пересчете на ион 
Газовые агрессивные среды
Газовые агрессивные среды в зависимости от вида и их концентрации разделяются на четыре группы: А, Б, В, Г. К агрессивным газовым средам относятся: углекислый газ, сернистый ангидрид, фтористый водород, сероводород, оксиды азота, хлор и хлористый водород.
Степень агрессивности воздушных газовых сред зависит также от относительной влажности воздуха в % и группы газов. СНиП выделяет три зоны в зависимости от влажности воздуха в помещениях:
I зона (сухая) - 
II зона (нормальная) - 
III зона (влажная) - 
Твердые среды
Твердые среды. К ним относятся соли 
- хлористый кальций, 
. Степенью агрессивнго воздействия этих твердых сред, солей или аэрозолей определяется их растворимостью в воде, гигроскопичностью и относительной влажностью воздуха в помещениях.
По растворимости и гигроскопичности твердые среды подразделяются на:
малорастворимые твердые среды (растворимость < 2 г/л)
хорошорастворимые малогигроскопичные
хорошорастворимые гигроскопичные.
Физико-химические процессы коррозии бетона. Структура цементного камня и бетона. Физическая коррозия бетона.
Минералогический состав цемента
Химический состав цемента: СаО, МgО – основные и полуторные – 
, 
, 
, кроме этого входят оксиды щелочные 
, 
и др. температура обжига 
.
1) 
– трехкальциевый силикат (олит) 
– 55 – 65 % - быстро твердеет;
2) 
– двухкальцевый силикат (белит) 
– 15 – 37 % - медленно твердеет, но с течением длительного времени набирает достаточную прочность;
3) 
– трехкальциевый алюминат – 
– 5 – 15 % - быстро твердеет, но имеет не высокую конечную прочность;
4) 
– четырехкальциевый алюмоферрит – 
– 10 – 18 % - обладает высокой прочностью и твердостью.
Процессы твердения цемента в бетоне
процесс гидратации;
процесс гидролиза.
Происходит гидролиз и гидратация трехкальциевого силиката при этом образуется гидросиликат кальция (
) и образуется 
, а в самом имеется СаО.
В самом начале процесса твердения образуется минерал эттрингит (гидросульфоалюминат кальция), он образуется в результате взаимодействия между трехкальциевым алюминатом и гипсом, который вводится для регулирования процессов схватывания.
Его состав – 
– эттрингит.
На втором этапе твердения образуется гелевидные частицы гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферитов кальция.
Вначале образуются высокоосновные соединения при дальнейшем твердении образуются низкоосновные мелкозернистые силикаты кальция (
).
Формирование структуры бетона
Бетон представляют как двухкомпонентную систему, состоящую из цементного камня и заполнителя, бетон представляет собой капиллярно-пористый материал. Пористость создает цементный камень.
Образуются следующие виды пор:
1)гелевые поры – зазор между гелевыми частицами, размер их примерно равен молекуле воды, составляет 28 % общего объема;
2)контракционные поры – явление контракции – это изменение объема в процессе твердения в результате того, что объем вновь образующих соединений меньше, чем объем исходных компонентов.
3)капиллярные поры – образуются в результате испарения избыточной воды в процессе твердения.
4)макропоры – образуются в результате защемления воздуха в процессе перемешивания и в процессе уплотнения.
Факторы, влияющие на пористость бетона:
вид применяемого цемента;
на формирование пор влияет водопотребность цемента, наименьшей водопотребностью обладает чистоклинкерный ПЦ и ПЦД, ШПЦ ППЦ. ПЦ водопотребность – 24 – 25 %; ППЦ – 34 %.
водоцементное отношение (с увеличением водоцементного отношения пористость увеличивается);
температура твердения (с увеличением температуры процесс твердения ускоряется – происходит закупорка (кальматация) пор;
уход за бетоном (необходима высокая влажность и высокая температура (в течении 28 суток бетон увлажняют).
Физическая форма коррозии бетона
Попеременное увлажнение и высушивание бетона (атмосферостойкость).
Все конструкции работают на воздухе. Попеременное увлажнение и высушивание приводит к разрушению бетона в результате объемных увеличений (усадка и набухание). В результате объемных изменений постепенно происходит разрушение структуры, при этом снижается прочность. Особенно влияет усадка бетона.
Для того, чтобы уменьшить усадку, вводятся крупные заполнители. Кроме этого процесса на бетон действует углекислота воздуха, который вызывает карбонизацию бетона, т.е. возникает т.н. карбонизационная усадка. (см. газовую коррозию)
Морозостойкость – это стойкость бетона попеременному замораживанию и оттаиванию в водонасыщенном состоянии. Основная причина разрушения бетона при попеременном замораживании и оттаивании:
-увеличение объема воды при замерзании в порах бетона (процессу разрушения бетона способствует также отжимание воды от центральных слоев бетона к поверхности
-за счет различия в коэффициентах термического расширения определенных компонентов бетона (за счет твердых компонентов, воды и воздуха)
Существует два способа повышения морозостойкости:
1)Повышение плотности бетона за счет применения любых способов (применение цементов с низкой водопотребностью, снижение водоцементного отношения, улучшение процесса формования);
2)Искусственное создание в бетоне равномерно распределенных сферических пор в бетоне.
Солевая форма физической коррозии.
Этот вид коррозии проявляется в том случае, когда благодаря капиллярному подсосу солевые растворы систематически проникают в поры бетона при одновременном испарении из них воды. Концентрация в порах увеличивается, после чего начинают образовываться кристаллики солей. В результате заполнения кристаллики давят на стенки пор, вызывают сильные напряжения в стенках пор и приводят к разрушению.
Давление солей в течении 3 месяцев для:
– 4,4 МПа;
– 3,5 МПа;
NaCl – 2,7 МПа.
Основные условия:
наличие в грунте водорастворимых солей в количестве более 1% или высоки уровень грунтовых вод с минерализацией не менее 3 г/л;
теплота и сухость климата (температура в июле, августе более 
и относительной влажностью воздуха не более 30 %)
Методы защиты
Меры борьбы: повышать плотность бетона.
Мероприятия обеспечивающие требуемую долговечность бетона в условиях воздействия агрессивных веществ должны предусматривать:
- применение плотных бетонов;
- использование специальных цементов, которые обеспечивают сохранность бетона в данной агрессивной среде.
Для мягких вод, когда возможна коррозия выщелачивания целесообразно применять пуццолановые и шлаковые портландцементы. Активный кремнезем содержащийся в пуццолановых добавках и шлаках связывает 
в низкоосновные малорастворимые гидросиликаты кальция СSH (B); C–S–H(I) .
При этом надо учитывать что эти виды цементов имеют часто пониженную морозостойкость, а пуццолановый портландцемент имеет низкую атмосферостойкость.
Пуццолановый портландцемент рекомендуется для изготовления конструкций работающих под землей и под водой.
При коррозии III вида целесообразно применять сульфатостойкие пуццолановые и сульфатостойкие шлаковые портландцементы, но при условии если бетон не будет подвергаться попеременному замораживанию и оттаиванию. Если бетон будет подвергаться попеременному замораживанию и оттаиванию следует использовать чисто клинкерный сульфатостойкий портландцемент с содержанием 
менее 5 %, и умеренным содержанием (
) 
.
В тяжелых климатических условиях следует применять чистые высокоактивные портландцементы без добавок. Это позволяет получать высокоплотные бетоны.
На стойкость бетона при коррозии оказывает влияние химические добавки (пластификаторы, суперпластификаторы и эффективные пластификаторы).
При углекислой коррозии вокруг конструкции устраивают засыпки из карбонатовых пород, снижающих агрессивность воды.