Коррозия бетона: виды и методы устранения



Коррозийные разрушения сооружений
Коррозийные разрушения сооружений

Коррозия бетона — это процесс разрушения конструкций в результате воздействия на их структуру различных внешних агрессивных сред, или вследствие внутренних химических и физико-химических процессов. Экономические потери в результате снижения долговечности и прочности эксплуатируемых сооружений, в некоторых случаях, соизмеримы с солидными инвестициями в отдельные отрасли промышленности.

Заблаговременно выявляя факторы коррозии бетона и железобетона, изучая закономерности процессов, можно существенно сократить финансовые риски и повысить надежность объектов гражданского и промышленного строительства (см. видео в этой статье).

Общие сведения, виды и характер разрушений

Классификация вредных воздействий
Классификация вредных воздействий

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.
Пример агрессивного воздействия окружающей среды
Пример агрессивного воздействия окружающей среды

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

Для жидкой это:

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

Для газовой:

  • 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.
Процесс коррозии
Процесс коррозии

Скорость коррозии бетона зависит от следующих факторов:

  • от природы и химического состава агрессивной среды;
  • агрегатного состояния (твердое, жидкое, газообразное);
  • химической концентрации и состава агрессивных веществ;
  • температуры и значений влажности окружающей среды;
  • скорости притока к поверхности изделий агрессивных веществ и устранения продуктов коррозии;
  • особенностей проектного состава бетона (проницаемости, теплопроводности и др.);
  • характера изделий и внутренней структуры материала (толщина защитного слоя, форма, наличие трещин, густота армирования и т.д.);
  • вида физического или термического воздействия на железобетон (замораживание, нагрев, механические нагрузки и пр.).

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.

Разрушения в жидкой среде
Разрушения в жидкой среде

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:

  1. Составляющие цементного камня, под действием жидких реагентов, растворяются и выводятся из структуры бетона. Особенно активно эти процессы проистекают при фильтрации жидкости через толщу конструкции.
  2. Химические реакции обмена, протекающие между цементным камнем и агрессивной средой. В результате таких реакций происходит формирование продуктов распада со слабыми вяжущими свойствами, которые под действием жидкостей легко вымываются из структуры бетона.
  3. Третий вид разрушений вмещает в себя процессы образования кристаллических труднорастворимых соединений, под действием которых происходит расширение пористой структуры, что приводит к появлению трещин и последующему нарушению целостности всего сооружения.

Первый вид коррозии

Способность растворения продуктов процесса гидратации цемента в водной среде и вымывание их из структуры цементного камня значительно влияет на прочностные характеристики бетонных сооружений. Наиболее растворимым компонентом структуры цементного раствора, приготовленным на портландцементе, является известь. Поэтому, коррозия железобетона в этом случае определяется как процесс растворения гидроксида кальция.

Цементный раствор по своей структуре — это сложная неустойчивая система, состоящая из негидратированных зерен клинкера и продуктов гидратации цемента, находящихся в состоянии равновесия. Под действием воды это равновесие нарушается, и вся система переходит в новое устойчивое состояние, но с другими условиями взаимодействия.

Выщелачивание поверхности
Выщелачивание поверхности

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

  • в процессе выщелачивания гидроксида кальция в раствор перемещается свободный Ca(OH)2;
  • в результате снижения количества CaO, образующего соединение с цементным камнем, происходит гидролиз (разрушение) остальных гидратов, устойчивое состояние которых возможно только в соединениях гидроксида кальция обусловленной концентрации (см. фото).
Влияние CaO на прочность бетона
Влияние CaO на прочность бетона

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

  • Наиболее благоприятная температура для развития процесса растворения гидроксида кальция — 20°С. При дальнейшем повышении температуры растворимость падает.
  • При продолжительном воздействии воды на цементный камень возможно полное удаление данного компонента из структуры бетона с полным разложением других гидратных составляющих — глинозема, оксида железа и кремнезема до аморфного рыхлого состояния.
  • Интенсивность процесса выщелачивания прямо пропорциональна плотности материала и количеству минеральных заполнителей, имеющих в своем составе гидроксид кальция.
  • Признаки поражений первого вида заметны на участках конструкций в виде подсыхающих пятен после воздействия воды.

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.

Виды разрушений
Виды разрушений

Повреждения первого типа сравнительно широко распространены в подземных и гидротехнических сооружениях, подвергающихся временному или постоянному влиянию пресных вод. Снизить скорость разрушений первого вида помогают пуццолановые добавки (опоки, трасса, трепел и др.), связывающие соединения Ca(OH)2 и снижающие проницаемость бетона.

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

  • для изготовления коррозионностойких конструкций применять бетоны повышенной плотности;
  • проводить искусственную карбонизацию оснований;
  • применять пуццолановые или другие специальные цементы;
  • применять гидроизоляцию поверхностей;
  • обрабатывать готовые конструкции специальными пропитками.

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

Коррозия 2 вида
Коррозия 2 вида

Ко второму виду разрушающих процессов, происходящих в жидкой среде, относятся химические реакции обмена между составляющими раствора и цементного камня. Полученные в результате реакции вещества, либо легко растворяются в воде и вымываются из структуры бетона фильтрационным потоком, либо выпадают в осадок в виде аморфных соединений, не обладающих вяжущими свойствами.

Данный вид коррозии возможен при агрессивном воздействии на покрытия химических соединений отдельных типов солей и кислотных растворов. Чем интенсивней будет происходить реакция замещения, и чем быстрее будут растворяться образовавшиеся продукты, тем короче и глубже процесс разрушения цементного камня.

Основные типы коррозии второго вида:

  • углекислотная;
  • кислотная;
  • щелочная.

В сравнении с разрушениями первого вида, когда происходило постепенное растворение веществ, получаемых в результате гидролиза цемента, схема отрицательных воздействий второго вида несколько иная и проходит она в верхних слоях бетона, непосредственно соприкасающихся с агрессивной средой.

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

Разрушение подземных сооружений под действием агрессивных вод
Разрушение подземных сооружений под действием агрессивных вод

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.

Развитие углекислотной коррозии
Развитие углекислотной коррозии

Выделение углекислого газа связано с микробиологическими процессами, протекающими при гниении остатков растительности на разной глубине залегания. Также выделение CO2 возможно в результате соединения карбонатных осадочных пород с протекающими грунтовыми водами.

Определяющим фактором скорости происходящих разрушений, в этом случае, является концентрация углекислоты в растворе. Чем больше H2CO3, тем выше кислотные характеристики раствора и скорость углекислотной коррозии.

Характер кислотных разрушений конструкций

Кислотная деструкция
Кислотная деструкция

Агрессивное воздействие на конструкции органических или неорганических кислот также активизирует в материале процессы коррозии второго вида, которые в определенный момент могут трансформироваться в коррозию первого вида, вызывая при этом полное разрушение цементного камня в структуре изделия.

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.

  • Наиболее распространенным видом щелочных воздействий, является химическая реакция соединений калия и натрия с кремнеземом заполнителей. В модифицированных бетонах повышенное содержание щелочей объясняется присутствием в применяемых цементах оксидов калия и натрия.
  • Повышенное содержание этих элементов вызвано высокой очисткой газов, выходящих из дымовых труб цементных печей и последующим возвращением цементной пыли из пылеуловителей в структуру технологического процесса. Кроме этого, содержание щелочей может увеличиваться с применением минеральных, химических или органоминеральных модифицирующих добавок.
  • Также в реакцию с кремнеземом могут вступать хлориды калия и натрия, находящиеся в морской воде, засоленных грунтах или противогололедных реагентах.
  • Взаимодействовать со щелочами может не только кремнезем, но и отдельные разновидности кварцевых заполнителей.
Щелочные реакции
Щелочные реакции
  • 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

Повреждения 3 вида
Повреждения 3 вида

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.

  • Ее механизм действия основан на способности образования кристаллических сульфатных формирований, вызывающих увеличение объема цементного камня. Напряжения, возникающие в результате таких реакций, могут значительно превышать значение прочности бетона. Результатом таких пластических деформаций является разрушение возведенных конструкций.
  • Процессы, происходящие в структуре изделий при протекании сульфатной коррозии, представляют собой довольно сложную физико-химическую схему, которую объяснить можно только упрощенно — отметив лишь основные особенности.
  • В период взаимодействия сульфатных растворов, в порах конструкций образуется гидросульфоалюминат кальция и гипс.
  • При дальнейшем развитии процесса гипс вступает в реакцию с цементным камнем, и образует несколько сульфатных соединений. Самым опасным из них считается трехкальциевый гидросульфоалюминат — он, кристаллизуясь, способен увеличиваться в объеме в 2,5 раза.

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

Грибковые образования на поверхности сооружений
Грибковые образования на поверхности сооружений

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.

Микроорганизмы, реагируя в период своей жизнедеятельности с окружающей средой и загрязнениями, на поверхности конструкций выделяют кислоты, аммиак и другие агрессивные вещества. Вступая в реакцию с цементным камнем, они способствуют разрушению структурных связей и нарушению прочности конструкций.

Газообразные агрессивные среды

Газовая среда
Газовая среда

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

В воздухе, помимо азота и кислорода, в небольших количествах находятся аргон, водород, углекислый газ и др. Также, в зависимости от географического положения и от развития индустриализации региона, в атмосфере могут присутствовать выбросы промышленных предприятий, автотранспорта и т.д.

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

Перечисленные выше газы легко растворимы в воде, и при контакте с цементным камнем могут образовывать кислотные соединения. Особенно опасна углекислота, которая реагируя с гидроксидом кальция образует легко растворимый в воде бикарбонат кальция, который под действием грунтовых вод или осадков свободно вымывается из структуры материала.

Способы защиты бетона от коррозии

Защита сооружений
Защита сооружений

Коррозийные процессы протекают особенно интенсивно, когда агрессивные жидкости через трещины, поры и капилляры проникают в толщу бетона.

К причинам агрессивного воздействия относятся:

  • пресные и морские воды;
  • процессы попеременного увлажнения и высушивания поверхностей;
  • замерзание–оттаивание бетона.

Инструкция по предотвращению коррозийных разрушений предлагает следующие методы защиты:

  1. Первичная защита предусматривает комплекс мер реализуемых на стадии проектных разработок, изготовления элементов и начала возведения строительных конструкций: конструктивные улучшения эксплуатационных свойств изделий, применение модифицирующих добавок, влияющих на специальные характеристики бетонов.
  2. Вторичная защита конструкций обязана исключить прямые контакты агрессивных сред с поверхностью материала в период эксплуатации зданий и сооружений. Подразумевается: устройство оклеечной и обмазочной изоляции; обработка поверхностей специальными пропитками и др.

Первичная защита конструкций

Модифицирующие добавки
Модифицирующие добавки

К мерам, применяемым для первичной защиты изделий и конструкций относятся:

  • разработка и применение материалов устойчивых к влиянию агрессивной среды;
  • использование специальных модифицирующих добавок, поднимающих коррозионную стойкость конструкций и увеличивающих защитные функции по отношению к арматурному каркасу и другим металлическим элементам изделий.
  • понижение проницаемости бетонов;
  • разработка и соблюдение дополнительных конструктивных норм и требований при проектировании железобетонных конструкций.

Вторичная защита бетона

К методам вторичной защиты относятся пропитки и защитные материалы, наиболее распространенные в индивидуальном строительстве и знакомые любому застройщику, который хотя бы раз проводил ремонт бетонных поверхностей своими руками:

  1. Биоцидные пропитки искореняют и подавляют развитие грибковых образований, плесени на поверхностях конструкций. Механизм действия данных материалов заключается в проникновении химических составов в структуру бетона, заполняя микротрещины, поры и капилляры изделия.
Защита от грибка и плесени
Защита от грибка и плесени
  1. Обмазочные и оклеечные гидроизоляционные материалы применяются для защиты фундаментов зданий, или в качестве водонепроницаемого слоя в многослойных облицовочных покрытиях (полиэтиленовая пленка, резинобитумные мастики и др.).
Гидроизоляция
Гидроизоляция
  1. Уплотняющие пропитки — добавляют изделиям гидрофобные свойства, которые качественно снижают водопоглощение материала и повышают его водонепроницаемость. Применяются в местах эксплуатации конструкций в условиях повышенной влажности или с целью придания покрытиям повышенных санитарно-гигиенических свойств.

 

Гидрофобизирующая пропитка
Гидрофобизирующая пропитка
  1. Акриловые и лакокрасочные покрытия при нанесении защитного слоя образуют на поверхности конструкций прочную атмосферостойкую пленку, которая защищает поверхность от воздействия грибков, плесени и других микроорганизмов.
Пропитка акриловая
Пропитка акриловая

Внимание! – выбор антикоррозионных составов должен проводиться с учетом требований пожарной безопасности и их совместимости с огнезащитными лакокрасочными материалами.

Если осуществлен правильный выбор состава цемента, заполнителей, химических и минеральных добавок, приняты во внимание условия эксплуатации конструкций и учтены все технологические особенности приготовления и укладки смесей, то возведенные объекты будут служить долго, невзирая на любые виды коррозии бетона. И наоборот, цена допущенным просчетам в проектировании и исполнении технологической схемы — быстрое разрушение железобетонных сооружений.

загрузка...

Добавить комментарий
Подпишитесь на новости
И будьте всегда в курсе всех строительных новинок. Следите за предложениями заводов, успевайте заключить самые выгодные контракты