Физико-химические процессы коррозии бетона

Газовая коррозия бетона

1.Механизм действия на бетон различных кислых газов

Газовая коррозия представляет собой процесс химической реакции между кислыми газами и минералами цементного камня, которые протекают в пленках влаги.

Все минералы цементного камня термодинамически не устойчивы в атмосфере кислых газов. В зависимости от механизма действия, от характера химических процессов протекающих при действии газов на цементный камень все газы условно подразделяют на три группы.

К газам I группы относят углекислый газ, фтористый водород (HF), фтористый кремний (), фосфорный ангидрид (), пары щавелевой кислоты. При взаимодействии с минералами цементного камня образуются нерастворимые или малорастворимые соли кальция.

К газам II группы относят сернистый и серный ангидрид, сероводород. Взаимодействуя с минералами цементного камня образуют слаборастворимые соли, содержащие значительное количество кристаллической влаги.

К газам III группы относят хлористый водород, хлор, двуокись хлора, пары бром, окислы азота и пары азотной кислоты. Взаимодействуя с минералами цементного камня образуются хорошо растворимые гигроскопические соли, и даже в малых количества вызывают коррозию арматуры.

При взаимодействии газов I группы с составляющими цементного камня образуются нерастворимые и растворимые соли кальция, при этом происходит нейтрализация защитного слоя бетона и повреждение железобетонных конструкций наступает в следствии коррозии арматуры после нейтрализации защитного слоя бетона.

При карбонизации бетона сначала образуется аморфный карбонат кальция который затем кристаллизуется и переходит в кальцит. В процессе карбонизации возможно упрочнение бетона. С позиции долговечности железобетонных конструкций наиболее существенно изменение рН среды, жидкой фазы и проницаемости. В карбонизованном бетоне коррозия стали протекает с незначительным анодным торможением и ее скорость зависит главным образом от электрического сопротивления бетона которое в свою очередь определяется его влажностным состоянием. Другим существенным следствием карбонизации бетона является изменение его пористости и проницаемости. Количество микропор размером меньше 0,1 мкм, при карбонизации существенно уменьшается. Действие других кислых газов этой группы фтористого водорода, фтористого кальция на бетон изучено значительно меньше. При действии на бетон HF низких концентраций нейтрализованный слой имеет повышенную прочность, однако его проницаемось увеличивается вследствие образования твердых продуктов имеющих меньший объем чем исходные продукты.

Ввиду различной степени уплотнения бетона скорость его взаимодействия с различными газами I группы будет значительно различаться, в общем для них является образование нейтрализующего нейтрализованного слоя бетона и скорость взаимодействия газа с составляющими цементного камня будет замедляться вследствие увеличения пути диффузии через постоянно уплотняющийся нейтрализованный слой.

Газы II группы образуют слаборастворимые соли которые содержат более или менее значительное количество кристаллической воды, это сопровождается большим увеличением объема твердых фаз и уплотнением бетона; железобетонные конструкции повреждаются в этом случае в следствии коррозии стальной арматуры после нейтрализации защитного слоя, а в средах с высокой влажностью также из-за уменьшения прочности и послойного разрушения бетона. Взаимодействие с бетоном аналогично карбонизации и идет по следующей схеме: углекислый газ диффундирует через наружний сульфанированный слой вглубь бетона при наличии жидкой фазы образует сернистую кислоту , образуется сульфит кальция с окислением его до сульфата. Кристаллы сульфата кальция заполняют поры, уплотняют бетон резко замедляя диффузию газа, при этом коррозия происходит в зонах значительной концентрации сернистого газа и при высокой влажности воздуха. Коррозия арматуры в этих условиях является вторичным процессом при малых концентрациях . Другие представители газов II группы сероводород и сероуглерод реагируя с гидратом окиси кальция могут образовывать ряд нестабильных соединений, которые затем переходят в сульфат.

По действию на бетон сероводород и сероуглерод по видимому можно приравнять их к действию сернистого газа, однако необходимо иметь ввиду специфичность коррозии стали. Сущность которого заключается в хрупком характере их разрушения. При коррозии по напряжением (происходит так называемое коррозионное растрескивание). Поведение бетона в средах с газами I и II групп различаются тем, что последние вызывает большее уплотнение структуры в нейтрализованном слое по этой причине диффузионное ограничение сильно возрастает и нейтрализация замедляется.

В агрессивной воздушной среде промышленных зданий количественно преобладает и его концентрация в 100-1000 раз превышает концентрацию других кислых газов т.е. карбонизация – ведущий процесс нейтрализации.

В бетоне который находится в атмосфере , а затем уже подвергался действию какого-либо кислого газа, можно обычно выделить три основных слоя, отличающихся по химическому составу и проницаемости внешний, средний и внутренний. Внешний нейтрализованный газом образующим более сильную кислоту, чем угольная. Средний – как правило карбонизированный. Внутренний слой – слой не подвергшийся воздействию газов.

Различие в механизмах коррозии стали при действии различных групп газов диктует дифференцированный подход к решению защиты железобетонных конструкций при действии газов I и II групп можно обеспечить расчетную плотность бетона и толщину защитного слоя не прибегать к защите его поверхности.

Газы III группы образуют хорошие гигроскопичные соли которые способны уже в малой концентрации вызывать коррозию стали в жидкой фазе бетона имеющий щелочную реакцию т.е. до нейтрализации защитного слоя. Газы III группы взаимодействующие с и с образованием хорошо растворимых гигроскопичных солей это наиболее характерно для хлороводорода и хлора. Образующиеся хлориды кальция в больших количествах способен получить больший объем влаги, кроме того хлорид кальция может ускоренно перемещаться в теле бетона путем капиллярного подсоса раствора. В результате перехода значительной части твердой фазы цементного камня в жидкость, поверхностный слой бетона становится более пористым. В этом слое остаются кремний кислоты и гидроксиды алюминия и железа не обладающие вяжущими своийствами. Обычно наиболее серьезными повреждениями железобетонных конструкций связаны с коррозией арматуры под действием хлорида кальция.

2. Кинетика газовой коррозии

При высокой степени агрессивности газовой среды которая встречается в атмосфере промышленных предприятий коррозии подвергается внешний слой бетона толщина поврежденного постепенно растет за счет распространения процесс от поверхности бетона. Но при известных условиях может весьма длительно оставаться в пределах номинальной толщины защитного слоя бетона у арматуры.

Очевидно, что для не слишком толстостенных конструкций уменьшение сечения бетона за этот счет принимая во внимание его упрочнение в незатронутой коррозией части не отразится на несущей способности конструкции, поэтому можно допустить ее работу в агрессивной воздушной среде без защитных покрытий. Если глубина поражения бетона за расчетный срок эксплуатации будет заведомо меньше толщины защитного слоя бетона.

Взаимодействие углекислого газа с бетоном является гетерогенным физико-химическим процессом между газом и пористым телом с образованием отработанного слоя. При этом различают следующие элементарные процессы:

Диффузия углекислого газа в заполненных воздухом порах и капиллярах бетона

Растворение газа в жидкой фазе бетона с образованием угольной кислоты которая дисоциирует на ионы водорода, бикарбонат и карбонат ионы

Растворение гидроксида кальция диссоциирующего на ионы кальция и гидроксида

Происходят процессы диффузии в жидкой фазе образовавшихся ионов

Происходит взаимодействие ионов кальция с бикарбонат карбонат ионами с образованием карбоната и бикарбоната кальция

Происходит кристаллизация

Процесс карбонизации ограничивается диффузией углекислого газа в газовой фазе бетона для такого ограничения характерно полное поглощение газа в тонком реакционно способом слое образующем фронт который перемещается от поверхности вглубь бетона, оставляя за собой отработанный слой, оказывающий по мере роста его толщины все возарстающее сопротивление диффузии углекислого газа и тем самым обеспечивающий постепенное замедление продвижению фронта нейтрализации. Происходит так называемое самоторможение процесса.

3.Влияние характеристик бетона на скорость карбонизации

Решающее влияние на скорость карбонизации оказывают количество и качество цементного камня в растворе. Глубина карбонизации в естественных условиях пропорциональна водоцементному отношению при постоянном составе раствора и обратно пропорциональна расходу цемента в бетоне, на скорость карбонизации существенно влияет вид цемента.

Существует относительная оценка влияния вида цемента на скорость карбонизации бетона. Если для портландцемента скорость карбонизации принята за относительную единицу, то для других видов цемента эта величина будет следующей, например, для быстротвердеющего цемента – 0,6; для шлакопортландцемента с содержанием шлака до 30-40% - 1,4 но шлака по ГОСТу 60% тогда скорость карбонизации равна 2,2; для пуццоланового портландцемента – 0,7 (в зависимости от количества вводимой пуццолановой добавки эта величина может изменяться до 1,14).

Пластифицирующие добавки как правило замедляют карбонизацию бетона например бетон в водоцементным отношением – 0,3-0,35 при введении пластифицирующих добавок (ЛСТ, ЛСТ-М, С-3) практически на карбонизируются.

Существенное влияние на скорость карбонизации оказывает условия твердения бетона, так пропаренные бетоны карбонизируются значительно быстрее, чем твердеющие 28 суток в нормальных влажных условиях. Ввиду многообразия влияющих факторов на скорость карбонизации бетона прогноз развития карбонизации может быть сделан лишь по результатам длительных испытаний бетона.

4 Влияние внешней среды на скорость карбонизации бетона

Разница в скорости диффузии , в воздушно сухом и насыщенном водой бетоне будет составлять примерно 4 порядка.

Тяжелые бетоны наиболее интенсивно карбонизируются при относительной влажности 50-80%. Диапазон влажности воздуха при которой скорость карбонизации практически одинакова для данного материала довольно широк.

В более пористых материалах торможение процесса начинается при большой влажности. Материал с мелко пористой структурой значительно повышает сопротивление диффузи углекислого газа при концентрации влаги в микропорах, т.е. медленнее карбонизируются с повышением влажности воздуха. Чем плотнее бетон, тем в большей степени замедляется его карбонизация с повышением влажности воздуха.

Биоповреждения бетонных и железобетонных конструкций животными

и растительными организмами.

1.Механизм процесса разрушения.

Биокоррозия – коррозия бетона связанная с процессом взаимодействия микроорганизмов и растений, метаболизма микроорганизмов и растений. В строительной практике встречаются 2 случая воздействия:

1. Связан с тем, что микроорганизмы поселяются на поверхности конструкции или в порах бетона. Имеется непосредственный контакт с газовой средой, воздействие водной среды. Питательной средой служат органические соединения, которые накапливаются на поверхности (сероводород). В результате метаболизма (жизнедеятельности) выделяются минеральные (органические) или неорганические кислоты.

В результате взаимодействия в особенности органических кислот на продукты твердения цемента () образуются легкорастворимые кальциевые соли. Процесс разрушения происходит по 2 виду коррозии. При наличии сероводорода тионовые бактерии действуют и выделяется серная кислота.

2. Связана с тем, что продукты взаимодействия микроорганизмов во времени не совпадают с процессом коррозии бетона.

В конечном итоге механизм взаимодействия проходит по механизму коррозии бетона в соответствии с коррозией 2-го вида.

2.Методы защиты от биокоррозии

1.Обработка бетона полимерами или кремнийорганическими соединениями, обработка солями меди, фтора, производными фенола, соединениями хлора. Происходит процесс подавления жизнедеятельности.

2.Придание бетону бактерицидности или фунгицидности (стойкости бетона к действию бактерий).