Коррозия цемента, виды коррозии и борьба цементной коррозией.

КОРРОЗИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Под влиянием различных агрессивных веществ, конструкция, содержащая портландцемент может разрушаться. По классификации Москвина, все виды коррозионных разрушений цемента можно разделить на три группы.

1.Вымывание Са(ОН)₂, разрушение гидросиликатов и как следствие разрушения цементного камня под действием воды (коррозия 1-ого вида)

2.Разрушение цементного камня из-за реакций обмена между Са(ОН)₂ цементного камня и агрессивными веществами с образованием лёгко растворимых солей.(коррозия 2-ого вида)

3.Разрушение цементного камня из-за кристаллизации в его порах продуктов большого объёма, чем исходные вещества (коррозия 3-его вида)

1. Коррозия 1-ого вида.

Она связана с вымыванием Са(ОН)₂-цементного камня, под действием мягких вод (дождевые, конденсат, воды оборотного теплоснабжения, болотные). Вымывание Са(ОН)₂ ведёт к резкому понижению прочности и послойному растворению цементного камня. Внешне этот вид коррозии проявляется в виде белых потёков на поверхности конструкции.

Меры борьбы с коррозией 1-ого вида.

1.Ограничение содержания С₃S

б) магнезиальная коррозия.

Она может наблюдаться при воздействии грунтовых вод насыщенных магнезиальными солями и, особенно в морской воде. Разрушение цементного камня вследствие реакции обмена протекает по следующим формулам:

Са(ОН)₂ + МgCl₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂

В результате этих химических реакций образуется растворимая соль (хлористый кальций и двуводный сульфат кальция), причём в первой реакции гидрат окиси кальция цементного камня вступает в химическую реакцию с хлористым магнием с образованием хлористого кальция и выпадением в осадок гидрата окиси магния — рыхлой смеси, которая легко смывается водой.

Меры борьбы с коррозией 2-ого вида.

1.Ограничение содержания С₃S не более 50%

2.Введение активных минеральных добавок, связывающих Са(ОН)₂ в нерастворимые соединения.

3.Устройство барьерной защиты, препятствующей прониканию агрессивных веществ, например, из рулонных материалов (полимерных, битумов). Для защиты от действия кислот устраивают футировки (толстые защитные слои из кислотостойкого кирпича или плиток на кислостойком растворе, либо пропитывают конструкции кислотостойкими материалами).

Коррозия 3-его вида.

Это сульфоалюминатная коррозия. Она имеет место при взаимодействии на конструкции грунтовых или морских вод с содержанием сульфат ионов (SO₄ 2- ) более 250мг/л. С сульфатами в цементом камне реагирует 3-х кальциевый гидроалюминат

= 3CaO × Al₂O₃ × 3CaSO₄ × 31H₂O – это соединение называется гидросульфоалюминат кальция или эттрингит.

Кристаллизуясь в порах это соединение имеет объём в 2 раза больше, чем исходные продукты и, оказывая давление на стенки пор разрушает цементный камень изнутри.

Меры борьбы с коррозией 3-его вида.

1.Ограничение в составе цемента содержание С₃А 8%

2.Применение специального сульфатостойкого портландцемента.

Коррозия цементного камня

Коррозия цементного камня проявляется при действии на него агрессивных жидкостей и газов. Наиболее уязвимыми с точки зрения коррозии продуктами гидратации портландцемента являются портландит Са(ОН)₂ и гидроалюминат кальция 3СаО·Al₂O₃·6H₂O. Коррозионные процессы в цементном камне в зависимости от причины принято разделять на 3 группы:

• Коррозия I вида – растворение составляющих цементного камня, вымывание гидроксида кальция (коррозия выщелачивания). Гидроксид кальция Са(ОН)₂ является водорастворимым соединением, а его содержание составляет 10…15% (до 20%) от всех продуктов гидратации портландцемента. Его вымывание происходит весьма интенсивно при действии на цементный камень мягких вод. После вымывания свободного гидроксида кальция начинается разложение гидросиликатов кальция 3СаО·2SiO₂·3H₂O. Выщелачивание портландита в количестве 15…30% от общего содержания приводит к снижению прочности цементного камня на 40..50% и более.

• Основным методом борьбы с коррозией выщелачивания является введение в портландцемент активных минеральных добавок, связывающих водорастворимый портландит в низкоосновные водонерастворимые гидросиликаты кальция. Повысить стойкость бетона к коррозии выщелачивания можно также путем снижения проницаемости бетона за счет использования химических добавок – пластификаторов, гидрофобизаторов и др.

• Коррозия II вида – образование легкорастворимых солей при взаимодействии составляющих цементного камня с агрессивными веществами и их вымывание. К данному виду коррозии относят:

• Кислотная коррозия проявляется при действии на цементный камень растворов кислот с pH

• В результате данной реакции образуется эттрингит, который занимает в 2…2,5 раза больший объем по сравнению с исходными компонентами реакции. Как было отмечено выше, в процессе твердения портландцемента образование эттрингита играет положительную роль, поскольку его игловидные кристаллы уплотняют структуру и упрочняют цементный камень.

• Образование эттрингита в затвердевшем цементном камне приводит к появлению внутренних растягивающих напряжений и растрескиванию цементного камня (в данном случае эттрингит называют «цементной бациллой»). В железобетонных конструкциях растрескивается, прежде всего, защитный слой бетона, после чего начинается коррозия стальной арматуры. Возможность сульфоалюминатной коррозии всегда необходимо учитывать при строительстве морских сооружений. Основным способом борьбы с сульфоалюминатной коррозией является использование сульфатостойкого портландцемента.

• К коррозии III вида относится также щелочная коррозия, которая может происходить под влиянием двух факторов. Первый фактор – непосредственное воздействие щелочи на цементный камень. В этом случае после высыхания насыщенного щелочью бетона, под влиянием углекислого газа в порах бетона образуется сода и поташ, которые, кристаллизуясь, увеличиваются в объеме и разрушают цементный камень. Второй фактор – взаимодействие щелочей цементного камня с реакционноспособными примесями, содержащимися в заполнителях, в особенности, в песке (например, опал, халцедон, вулканическое стекло). Данный вид коррозии может проявляться в появлении трещин, шелушении и вспучивании поверхности бетона.

Дата добавления: 2016-11-22 ; просмотров: 4790 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Коррозия бетона

Изначально термин «коррозия» применялся только в отношении металлов. Позже его стали употреблять касательно других материалов и изделий из них. Главный синоним коррозии – разрушение. А этому процессу подвержены практически все строительные конструкции под влиянием различных внешних факторов.

В частности коррозия бетона – это распад его структуры, потеря плотности, прочности и, как следствие, утрата эксплуатационных качеств. Разрушение бетонных элементов начинается с рассыпания или расслоения цементного камня, поскольку заполнители более стойки к агрессивным воздействиям.

Виды коррозии бетона

Вредное, разрушительное влияние на бетон могут оказывать атмосферные осадки, содержащие кислоты и даже воздух поблизости от многих промышленных предприятий (газовая коррозия). А также вода из рек, морей, грунта, дренажных систем и стоков. Когда конструкция выполнена из армированного бетона, то к внешним факторам добавляется еще и опасность возникновения коррозионных процессов в арматуре.

В зависимости от характера содержащихся во внешней среде примесей коррозия бетона и железобетона делится на три типа:

• 1 вид коррозии – разложение цементного камня в результате выщелачивания гидроксида кальция. Этот элемент может присутствовать в бетонной смеси с момента ее формовки, либо образоваться в процессе воздействия на готовую конструкцию воды с вредными примесями. Са(ОН)₂ – это компонент, который легче всего растворяется и быстрее всего вымывается из тела бетона, тем самым разрушая его.
• 2 вид – подразумевает распад цементного камня от взаимодействия с кислотами. Этот тип называют химической коррозией В этом случае в конструкции происходит вымывание легкорастворимых известковых продуктов, либо проистекает процесс, обратный этому.Под воздействием агрессивных вод в теле бетона образуются осадки, не обладающие вяжущими свойствами. В результате изделие теряет прочность и превращается в слабую рыхлую массу. В эту категорию можно включить щелочную коррозию, которую вызывает избыток противоморозных добавок при формировании бетонной смеси.
• 3 вид коррозии – это процесс, при котором под воздействием кислоты образуется соединение кальция, не растворимое в воде. СаСО₂ или CaSO₄ постепенно заполняет свободные поры в массе бетона, увеличивая его объем, что в результате приводит к разрушению конструкции. Из всех видов 3 категории на практике чаще всего встречается сульфатная коррозия.

Понятно, что такое разделение является условным, так как не всегда можно с большой точностью определить, что именно повлияло на разъедание конкретного сооружения.

Коррозионные процессы происходят обычно под влиянием совокупности различных факторов и одновременно может совершаться несколько категорий разрушений.

В том числе значительное влияние на целостность конструкции оказывает отсутствие или наличие коррозии арматуры в железобетоне.

Что приводит к ржавлению арматурного каркаса

Существует несколько причин появления ржавчины на металле внутри бетонной массы. И далеко не всегда это внешние воздействия.

• Внутреннюю коррозию может вызвать наличие большого количества агрессивных компонентов в воде, которой затворяют бетонную смесь. Кроме того, для создания армированного бетона нельзя использовать состав, содержащий более 2% (от массы цемента) хлористого кальция. Поскольку этот элемент значительно ускоряет коррозию арматуры в бетоне при эксплуатации в любой среде.
• Немаловажное значение имеет плотность укладки бетонной смеси. Дело в том, наличие большого количества пор, пустот, раковин дает возможность влаге и воздуху проникать внутрь изделия, к арматурному каркасу. В результате на различных участка металлического контура возникают разные электрические потенциалы, что приводит к электрохимической коррозии.
• Понятие физическая коррозия связано с разрушением бетона в результате его попеременного замораживания и оттаивания. Избежать этой неприятности можно, создав благоприятные условия во время набора бетоном прочности до заданной величины.

Чтобы правильно оценить ситуацию и принять меры для ее исправления, необходимо понять уровень угрозы. Для определения степени коррозии арматуры и бетона применяются физико-химические способы:

• Изучение состава компонентов, вновь образованных в бетонной массе под воздействием агрессивных веществ. Исследования выполняются в лаборатории при помощи дифференциально-термической и рентгено-структурной диагностики на специально отобранных образцах.
• Проведение визуального осмотра измененной структуры бетона в конструкции, используя увеличительную лупу. Этот способ позволяет выявить многие поверхностные дефекты.
• Мощные микроскопы помогают обнаружить характер расположения и соединения элементов цементного камня с зернами заполнителей. А также состояние контакта бетона с арматурой, габариты и направление распространения трещин.

Для определения прочностных характеристик эксплуатируемых конструкций из бетона и железобетона применяются неразрушающие методы контроля в соответствии с рекомендациями и требованиями ГОСТ 18105-86.

Как защитить бетон от коррозии

Методы защиты бетонных и железобетонных конструкций от разрушений из-за ржавчины можно разделить на такие варианты:

• Подкорректировать состав бетонной смеси таким образом, чтобы увеличить его прочностные характеристики, а также устойчивость к вредному влиянию условий эксплуатации. Достичь этого можно использованием специальных добавок или вяжущего с особыми свойствами. Например, белитового цемента, понижающего степень образования гидроксида кальция.
• Употреблять средства по защите арматуры в бетоне от коррозии в процессе формирования стального каркаса.
• Обработать внешние поверхности конструкций гидравлическими смесями.
• Использовать меры по покрытию бетона антикоррозионными препаратами, обладающими свойством глубокого проникновения в тело изделия.

Существует много причин для образования коррозии железобетона, и меры защиты также бывают разными. Их делят на первичные и вторичные. К первым относятся мероприятия, по приданию бетонной смеси улучшенных характеристик. Применяются добавки, оказывающие стабилизирующее, гидроизоляционное действие, а также пластификаторы, биоциды и многое другое. К таким относятся:

• сульфатно-дрожжевая бражка;
• кремнийорганический препарат;
• мылонафт.

В эту же категорию можно включить способы и средства, защищающие металл внутри массы железобетонных изделий. Обычно это антикоррозийные препараты.

Вторичную защиту бетона от коррозии обеспечивает внешнее покрытие бетонных конструкций лакокрасочными, мастичными материалами, либо пропитками с уплотняющими свойствами.

Хороший результат дает гидроизоляционное оклеечное покрытие. Однако наилучшего эффекта можно добиться, используя первичную и вторичную защиту в совокупности.

Коррозия в любом своем проявлении опасна для построек из бетона и железобетона. Поэтому очень важно соблюдать нормы и правила возведения зданий, сооружений. Применять необходимые защитные меры, препятствующие ржавлению конструкций.

ВИДЫ КОРРОЗИИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков может быть разделена на три вида:

Первый вид коррозии — разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Растворимость Са(ОН)₂невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15°С), но из цементного камня в бетоне под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)₂ непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность. В этом виде коррозии объединены все те процессы коррозии, которые возникают в бетоне при воздействии мягких вод, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой. Особое развитие коррозия бетона I вида получает при фильтрации воды через бетон.

Несколько предохраняет от данного вида коррозии защитная корка из углекислого кальция, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции между гидроксидом кальция и углекислотой воздуха

Второй вид коррозии — разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты, которые либо легкорастворимы, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность. С физико-химической точки зрения коррозия II вида включает в себя следующие процессы:

— проникание агрессивного вещества из раствора в пористую структуру бетона;

— химическое взаимодействие агрессивного вещества с компонентами цементного камня с образованием растворимых (или аморфных) продуктов;

— вынос растворимых продуктов реакции из бетона.

Наиболее часто встречающаяся при действии природных вод коррозия бетона – коррозия под действием углекислых вод. Углекислота Н₂СО₃ присутствует, как правило, во всех водах. Источником обогащения воды углекислотой являются биохимические процессы, протекающие в воде и в почве. Необходимо отметить, что чем больше агрессивной Н₂СО₃, тем выше кислотные свойства раствора и скорость коррозии.

К третьему виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводит к разрушению цементного камня. Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом:

При этом образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень. Отличительными признаками коррозии III вида являются накопление в порах и капиллярах бетона кристаллических продуктов взаимодействия цементного камня со средой, возникновение внутренних напряжений, вызывающих разрушение цементного камня и бетона.

Такими кристаллическими продуктами при воздействии сульфатов на бетон являются гипс и гидросульфатоалюминат кальция, встречающийся в двух модификациях:

Эти химические реакции сопровождаются увеличением объёма твёрдых фаз соответственно в 2,6 и 5,1 раза.

Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.

Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; Нарушение авторского права страницы

Коррозия цементного камня и борьба с ней

Было замечено, что сооружения, возведенные на портландцементе, в некоторых водах (мягких, минерализованных, кислых) постепенно разрушались, подвергались коррозии. Были изучены причины коррозии и предложены эффективные мероприятия по борьбе с различными видами коррозии.

Коррозия цементного камня возникает под действием какихлибо агрессивных сред, например:

• коррозии мягкими водами (щелочной средой); мягкими называют воды с жесткостью менее 4 мг экв/л, способные растворять

• коррозии водами, содержащими свободные кислоты (кислой

• коррозии магнезиальными водами, т.е. водами с содержанием катионов Мg2+ свыше 5000 мг/л;

• коррозии водами, содержащими сульфаты, ион SO42-;

• коррозии водами, содержащими свободную углекислоту СО2.

По характеру процессов, протекающих в цементном камне, находящемся в агрессивной среде, различают три основных вида коррозии.

Коррозия первого вида (выщелачивание) коррозия в пресных (мягких) водах характеризуется растворением составных частей цементного камня и в первую очередь гидроксида кальция Са(ОН)2. При напоре и фильтрации воды через бетон происходит растворение гидроксида кальция. Растворимость его сравнительно невелика 1,3 г/л, но при постоянной фильтрации воды через бетон все новые и новые порции Са(ОН)2 будут растворяться и вымываться из бетона, увеличивая пористость цементного камня. Таким образом, создаются условия для всё большей фильтрации воды сквозь толщу бетона и сопутствующего ей выщелачивания вымывания гидроксида кальция. Скорость выщелачивания зависит от быстроты просачивания и количества фильтрующейся через бетон воды, а также от ее мягкости. Чем мягче вода, тем больше она растворяет извести. Наиболее сильное растворяющее действие оказывает дистиллированная и близкая к ней по составу вода.

Все другие гидросиликаты и гидроалюминаты кальция могут существовать стабильно в цементном камне только при определенной концентрации гидроксида кальция в окружающей среде. Так, для трехкальциевого силиката она равна 1,22 г/л, для трехкальциевого алюмината 1,08 г/л, для СаО·SiO2·nH2O 0,07 г/л. Это значит, что низкоосновный гидросиликат кальция не разлагается в воде, содержащей 0,07 г/л СаО. При понижении этой предельной концентрации он будет разлагаться и отдавать в раствор СаО. При выщелачивании гидроксида кальция из бетона может наступить такой момент, когда начнут разлагаться гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

Самая низкая растворимость, как мы видели, у низкоосновного гидросиликата кальция (0,07 г/л), в несколько раз меньше, чем у гидроксида кальция (1,3 г/л). Поэтому выщелачивание можно устранить, вводя в цемент активные минеральные добавки, содержащие активный кремнезем (например, опал SiO2·nН2О), который, вступая во взаимодействие с Са(ОН)2, переводит его в малорастворимый в воде гидросиликат кальция

Са(ОН)2 + SiO2·nН2О → СаО·SiO2·mH2O.

В качестве добавок используются осадочные горные породы диатомит, трепел, опока, содержащие достаточно активный минерал опал; вулканические породы пеплы, трасы, туфы; искусственные материалы; гранулированные доменные шлаки, содержащие некристаллический кремнезем SiO2. Весьма эффективно применение модификатора МБ, микрокремнезёма аморфной модификации, получаемого при производстве сплавов ферросилиция, и его производных.

Для защиты бетона от коррозии первого вида следует применять портландцемент с активными минеральными добавками, пуццолановый портландцемент (см. стр. 70), а также портландцементы, которые при твердении выделяют минимальное количество Са(ОН)2 белитовые цементы, содержащие пониженное количество трехкальциевого силиката.

В условиях фильтрации большое значение приобретает плотность бетона, его водонепроницаемость и мероприятия по внешней защите бетона от проникания в него фильтрующейся воды: облицовка, нанесение водостойких и водонепроницаемых покрытий.

Для коррозии второго вида типичны процессы взаимодействия между составляющими цементного камня и веществами, находящимися в агрессивном растворе-среде, с образованием либо легко растворимых солей, вымываемых движущимся растворомсредой, либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущими свойствами.

Наиболее часто наблюдается коррозия бетона под действием углекислых вод. Она происходит следующим образом. Сначала гидроксид кальция, находящийся в цементном камне, при взаимодействии с углекислотой, растворенной в окружающей бетон воде,

переходит в углекислый кальций

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О.

Затем, присоединяя еще одну молекулу углекислоты, карбонат кальция СаСО3 образует бикарбонат кальция Са(НСО3)2, легко растворимый в воде, содержащей углекислоту

СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2 .

Растворимость бикарбоната кальция 3 г/л, что в 100 раз больше растворимости карбоната кальция (0,03 г/л).

Разрушающе действуют на цементный камень также хлористые и сернокислые соли

Са(ОН)2 + МgCl2 =CaСl2 +Mg(ОН)2.

Образовавшийся хлористый кальций легко растворяется в воде, гидроксид магния нерастворимое аморфное вещество, не обладающее вяжущими свойствами.

Сернокислый магний, взаимодействуя с гидроксидом кальция цементного камня, образует гипс, который обладает сравнительно высокой растворимостью (2 г/л) и вымывается водой при небольшой концентрации сульфатов в окружающей среде.

Серная и соляная кислоты вступают в реакцию с Са(ОН)2 и образуют легкорастворимые продукты в виде сернокислого и хлористого кальция

Са(ОН)2 + Н2SО4 = СаSО4 + 2Н2О ,

Са(ОН)2 + 2НСl = СаСl2 + 2Н2О .

Во всех этих случаях причиной коррозии является взаимодействие солей или кислот с Са(ОН)2, выделяющимся при твердении портландцемента (в результате гидратации трехкальциевого силиката). Чтобы избежать коррозии второго вида, следует применять активные минеральные добавки, способные связывать гидроксид кальция в труднорастворимые соединения, использовать белитовые цементы, повышать плотность бетона.

Коррозия третьего вида характеризуется тем, что продукты химических реакций между цементным камнем и агрессивным раствором накапливаются в порах и трещинах бетона и кристаллизуются в них, разрушая цементный камень.

Примером такого вида коррозии является разрушение цементного камня под влиянием сульфатов, которые встречаются в большинстве природных вод, в частности, морских.

Сернокислые соли, взаимодействуя с гидроксидом кальция, насыщают гипсом соприкасающуюся с цементным камнем воду, поры и трещины бетона:

Са(ОН)2 + МgSO4 + 2Н2О = СаSO4·2Н2О + Мg(ОН)2.

При больших концентрациях сульфатов в растворе гипс накапливается в порах цементного камня и бетона, кристаллизуется в виде двуводного гипса с увеличением в объеме и вызывает появление вредных внутренних напряжений, которые могут привести к образованию трещин и разрушению (гипсовая коррозия).

При малых концентрациях сульфатов образовавшийся гипс вступает во взаимодействие с трехкальциевым гидроалюминатом, присоединяя большое количество воды:

ЗСаО·Al2O3·6H2O + 3(СаSО4·2Н2О) + 19Н2О =

Образовавшийся гидросульфоалюминат кальция, значительно увеличиваясь в объеме по сравнению с исходными материалами (примерно в 2,5 раза), накапливается в порах бетона, образуя кристаллы в виде тонких длинных игл, и разрушает бетон. Гидросульфоалюминат кальция, образующийся в затвердевшем цементном камне, называют «цементной бациллой» из-за его сильного разрушающего действия.

В случае возможной сульфатной агрессии следует применять цементы определенного минералогического состава со значительно пониженным содержанием трехкальциевого алюмината и несколько уменьшенным содержанием трехкальциевого силиката, чтобы исключить вышеобозначенные реакции между составляющими цементного камня и сульфатами агрессивного раствора сульфатостойкие цементы (см. стр. 73).

Повышает стойкость бетона карбонизация, имеющая место при длительном выдерживании бетона на воздухе. Атмосферная углекислота вступает во взаимодействие с гидроксидом кальция, образуя на поверхности плотную пленку из углекислого кальция, которая не растворяется в пресных водах, не взаимодействует с сульфатами и препятствует прониканию внутрь бетона агрессивных солей и кислот.

Необходимо также стремиться к получению возможно более плотного бетона. Кроме того, изолируют наружные поверхности бетона малопроницаемыми для воды покрытиями гидроизоляциями, наносят цементные штукатурки, облицовывают естественным камнем и другими материалами. Мероприятия по получению более плотного бетона и изоляции его поверхности не устраняют полностью коррозии бетона, а лишь замедляют ее и повышают стойкость бетона в условиях действия агрессивных вод. Защитное действие химических факторов подбор минералогического состава цемента, введение добавок более сильное, однако и они в ряде случаев не могут полностью устранить коррозию. Тем не менее, при умелом применении тех или иных мероприятий удается значительно повысить долговечность цементных бетонов.

Материал взят из книги Минеральные вяжущие вещества (Т.Н. Акимова)

Борьба с коррозией цементного камня – применение и основные методы

Борьба с коррозией цементного камня становится первоочередной задачей при производстве цемента и его последующем использовании.

Кислотная коррозия, коррозия выщелачивания, сульфатная коррозия – основные виды коррозии цементного камня, в зависимости от которых разрабатываются и применяются различные методы борьбы с коррозией цементного камня.

Рассмотрим некоторые из них:

• кислотная коррозия – происходит в результате действия на камень цемента минерализованных вод, которые содержат химические соединения, вступающие в активную реакцию с компонентами цемента, что приводит к потере прочности цементного камня. Для защиты от кислотной коррозии применяют окраску бетонов, пленочную изоляцию и другие кислотостойкие материалы, обеспечивающие предохранение цементного камня от разрушения;
• коррозия выщелачивания – возникает при воздействии пресных проточных вод на связующий компонент цемента – гидроксид кальция, что способствует его вымыванию и растворению. Для борьбы с этим в цемент добавляют специальные, гидравлические добавки, которые помогают связать гидроксид кальция в другие, менее подверженные растворению, соединения, например гидросиликат кальция, и применяют выдерживание бетонных изделий на открытом пространстве и воздухе, в результате чего происходит процесс карбонизации и образования малорастворимой корки;
• сульфатная коррозия – проникание в камень цемента растворов солей, это влечет за собой кристаллизацию попадающих в камень веществ, увеличение в объемах, вследствие чего происходит появление трещин и, в итоге, разрушение цементного камня. Сульфатные соли находятся в большинстве грунтовых и сточных вод. Для предохранения от растрескивания и попадания сульфатных вод используются защитные облицовки и покрытия, периодическая очистка и дезинфекция поверхностей конструкций, их герметизация.

Коррозия цемента, виды коррозии и борьба цементной коррозией.

Уже давно было замечено, что сооружения, возведенные на цементе, в некоторых водах (минерализованных, мягких и кислых), постепенно разрушались, корродировались. Поэтому пришлось принять ряд мер для повышения долговечности гидротехнических сооружении. Так, начатый строительством в 1868 г. Одесский порт уже возводился инж. Августиновичем на смеси цемента с гидравлической добавкой, а не на чистом цементе, что существенно повысило прочность сооружения.

В дальнейшем широко развернулись работы по изучению коррозии цементов и методов борьбы с ней, были созданы эффективные мероприятия па борьбе с различными видами коррозии.

В. М. Москвин выделяет три основных вида коррозии бетона.

Коррозия первого вида характеризуется растворением составных частей цементного камня и в первую очередь гидрата окиси кальция.

Для коррозии второго вида типичны процессы взаимодействия между цементным камнем и агрессивным раствором с образованием либо легкорастворимых солеи, уносимых движущимся раствором, либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущими свойствами.

Коррозия третьего вида характеризуется тем, что продукты химических реакций агрессивного раствора и цементного камня накапливаются в порах, каналах и трещинах бетона и кристаллизуются в них, разрушая структурные элементы цементного камня и бетона.

В. В. Кинд классифицирует виды агрессивности природных вод (среды по отношению к бетону) в зависимости от их состава следующим образом:

1) выщелачивающая агрессивность, присущая мягким водам и определяемая величиной гидрокарбонатной жесткости;

2) общекислотная агрессивность, присущая водам, содержащим те или иные кислоты, и определяемая концентрацией свободных водородных ионов (практически величиной водородного показателя рН);

3) углекислая агрессивность, присущая водам, содержащим агрессивную углекислоту и определяемая концентрацией агрессивной или свободной CO2 (с учетом гидрокарбонатной жесткости воды);

4) сульфатная агрессивность, присущая водам, содержащим сернокислые: соли, и определяемая концентрацией ионов SO 4” (с учетом содержания ионов CI’);

5) магнезиальная агрессивность, присущая волам, содержащим соли: магния, и определяемая концентрацией ионов Mg·· (с учетом содержания ионов SO 4”).

Наряду с химическими процессами на развитие коррозии бетона влияют и физические факторы, такие как плотность и водопроницаемость бетона, попеременное замораживание и оттаивание, истирающее действие потока воды, несущего частицы горных пород, и т. д.

3. Виды коррозии бетона и цементного камня Коррозия I вида (коррозия выщелачивания)

Растворимость продуктов гидратации цемента в воде обусловливает возможность коррозии цементного камня в бетонах и растворах за счет растворения и вымывания соединений, определяющих прочность кристаллизационных контактов в цементном камне. Так как наиболее растворимым компонентом цементного камня на основе портландцемента является гидроокись кальция, то коррозионный процесс определяется обычно как процесс “выщелачивания” извести. Существует прямая зависимость интенсивности процесса выщелачивания от проницаемости (плотности) бетона и от минералогического состава цементного камня — количества свободного гидроксида кальция в нем.

Серьезные повреждения обычного бетона могут иметь место при действии на него мягких вод, содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся конденсат, воды оборотного водоснабжения, дождевые, болотные, воды горных и равнинных рек в половодье.

При действии на бетон мягких вод вначале выщелачивается свободная гидроокись кальция, образовавшаяся при гидролизе трехкальциевого силиката. Когда концентрация Ca(OH)₂ становится менее 1,1 г/л, начинается разложение гидросиликатов кальция и происходит вымывание получившейся гидроокиси. Выщелачивание Ca(OH)₂ в количестве 15-30% общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40-50% и более.

Признаки коррозии I вида можно наблюдать в бетоне различных сооружений. Особенно заметной она становится на участках высыхания воды, соприкасающейся с цементным камнем в бетоне. В этом случае растворенные в воде соединения, в первую очередь гидроокись кальция, карбонизируясь и выпадая в осадок в виде карбоната кальция, образуют на поверхности белый налет (“белая смерть бетона”). Под влиянием углекислого газа воздуха гидроксид кальция постепенно превращается в карбонат, что закрепляет этот налет и не дает ему вновь раствориться при последующих увлажнениях поверхности.

В стойкости бетона против коррозии I вида большую роль играет его плотность. Чем меньше площадь поверхности соприкосновения бетона с водой — средой и фильтрация воды через бетон, тем меньше и скорость развития коррозии. Таким образом, в число основных мероприятий, в результате которых могут быть повышены стойкость и долговечность бетона при коррозии I вида, входят все, способствующие увеличению плотности бетона, а также использование цементов, наиболее стойких к растворяющему действию воды и, в первую очередь, пуццолановых и шлакопортландцементов, которые можно применять, если конструкции не находятся в условиях частой смены замораживания и оттаивания.

Процесс выщелачивания гидрата окиси кальция замедляется также когда в поверхностном слое бетона под воздействием углекислого газа воздуха, вследствие карбонизации, образуется малорастворимый CaCO₃. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай для карбонизации поверхностного слоя бетона повышает их стойкость против выщелачивания.

Коррозия II вида (кислотная и магнезиальная коррозия)

Коррозия II вида связана с развитием обменных реакций между кислотами или солями окружающей среды, с одной стороны, и составляющими цементного камня — с другой. Чем энергичнее протекает реакция взаимодействия и чем более растворимы новообразования, тем скорее и полнее разрушается бетон.

При действии кислоты цементный камень полностью разрушается, причем продукты разрушения частично растворяются, а частично остаются на месте реакции. Разрушение цементного камня идет в поверхностных слоях бетона, соприкасающихся с агрессивной средой, и процесс разрушения этих слоев может достичь полного развития при сохранении в прилегающих слоях бетона почти без изменения всех элементов цементного камня.

Так как кислоты взаимодействуют прежде всего с гидроксидом кальция, а затем с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция с образованием кальциевых солей, то от их растворимости и структуры слоя продуктов коррозии в значительной степени и зависит скорость разрушения бетона. Если новообразования, не обладающие вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать дальнейшему прониканию агрессивной среды, растворяются или смываются механически, то обнажаются более глубокие слои бетона. Последние также разрушаются и процесс коррозии протекает до полного разрушения всего бетона, однако скорость этого процесса может быть различной. В данном случае ограничивающими скорость коррозии факторами являются реакционная емкость агрессивной среды и скорость ее обмена у поверхности бетона.

Если новообразования нерастворимы или после удаления растворимых продуктов реакции остается достаточно плотный слой продуктов реакции, который в конкретных условиях контакта агрессивной среды и бетона не удаляется, то они замедляют доступ агрессивной среды к внутренним, еще не поврежденным, частям цементного камня. В этом случае скорость коррозии зависит от толщины и диффузионной проницаемости слоя, образовавшегося на поверхности цементного камня.

Наиболее часто встречающаяся в природных условиях коррозия II вида — это коррозия при действии углекислых вод. Углекислота в большем или меньшем количестве присутствует в большинстве природных вод. При действии углекислоты на цементный камень бетона, еще не имеющего карбонизированного поверхностного слоя, идут два процесса. Вначале при избытке в поверхностном слое бетона ионов OH — образуется карбонат кальция. После того, как ионы OH — в поверхностном слое бетона будут израсходованы, начнется образование бикарбоната кальция, растворяющегося в водной среде и уносимого ею. При наличии же карбонатного слоя будет идти лишь образование бикарбоната. При одном и том же содержании агрессивной CO₂ в растворе наличие карбонатного слоя приводит к образованию в 2 раза большего количества бикарбоната. Следовательно, наличие карбонизированного слоя бетона при действии на него углекислых вод ускоряет коррозию и, соответственно, снижает стойкость бетона.

Соли магния, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и всегда содержатся в большом количестве в морской воде, также могут вызвать разрушение цементного камня в бетоне в результате обменных реакций с кристаллами гидроокиси кальция. Вода является агрессивной при содержании ионов магния более 0,5%. Наблюдения за состоянием и характером разрушения бетона, подвергающегося в течение длительного времени действию растворов магнезиальных солей, показывают, что сначала на поверхности бетона и в его порах образуется белый налет, а затем и скопление белого аморфного вещества — гидроксида магния. Чем более проницаем для морской воды бетон и чем выше относительное содержание CaO в цементе, тем в большем количестве образуется эта белая аморфная масса и тем в большей степени теряет бетон механическую прочность.

Для защиты бетона от разрушения при действии растворов кислот необходимо либо заменять обычные цементы кислотоупорными и применять кислотоупорные бетоны или полимербетоны, либо устраивать надежную изоляцию поверхности бетонов покраской или облицовкой.

Для снижения скорости коррозии бетона в растворах магнезиальных солей могут быть приняты следующие меры:

1) повышена плотность бетона; 2) в случае сильно агрессивной среды использованы покраски или облицовки, защищающие поверхность бетона от соприкосновения с агрессивной средой.

Коррозия III вида (сульфатная и солевая коррозия)

Основным признаком коррозии III вида является накопление в порах и капиллярах бетона солей и последующая их кристаллизация, связанная с увеличением объема твердой фазы. Соли либо образуются вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды с составными частями цементного камня, либо привносятся извне и выделяются из раствора вследствие постепенного испарения из него воды.

Выделение твердой фазы и рост кристаллообразований могут вызвать на определенной ступени развития значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров и разрушение структурных элементов бетона. При коррозии III вида на начальной стадии за счет накопления солей в порах бетона он уплотняется. Если этот процесс развивается медленно, заполнение пор и пустот в бетоне кристаллическими новообразованиями и связанное с ним уплотнение бетона создает картину ложного благополучия. Прочность бетона при этом на какой-то период увеличивается и превышает плотность бетона, не подвергавшегося действию агрессивной среды. Лишь после возникновения значительных растягивающих усилий в стенках пор и капилляров, вызванных продолжающимся ростом кристаллообразований, происходит разрушение структурных элементов цементного камня бетона и наблюдается быстрое снижение (сброс) прочности. Чем медленнее протекает коррозия, тем позднее наступает сброс прочности.

Наиболее распространенная разновидность коррозии III вида — коррозия бетона при действии сульфатов. Сульфаты встречаются в большинстве природных вод. В пресных озерах и реках содержание ионов SO₄ 2- обычно не превышает 60 мг/л. В минерализованных грунтовых водах оно значительно выше. В морской воде при солености 33-35 г/л количество SO₄ 2- составляет 2500-2700 мг/л. Сульфатные ионы при определенной концентрации могут образовывать с ионами кальция двуводный гипс, а затем вместе с высокоосновными алюминатами — гидросульфоалюминат кальция.

Особенностью этих реакций является то, что и гипс, и гидросульфоалюминат кристаллизуются с большим количеством воды при значительном увеличении объема. Если такое образование происходит в порах уже сложившейся структуры цементного камня, то возникают большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев. Гидросульфоалюминат кристаллизуется в виде характерных игл, поэтому обычно называется “цементной бациллой”.

Если образование гидросульфоалюмината протекает еще до формирования структуры бетона в жидкой фазе или в растворе присутствуют в значительном количестве ионы хлора, усиливающие растворимость алюминатов и сульфоалюмината, опасных напряжений может не возникать. Этим объясняется относительно невысокая агрессивность к цементному бетону морской воды, в которой содержится большое количество сульфатов, но еще большее количество хлоридов.

При сульфатной коррозии интенсивность коррозионного процесса определяется количеством агрессивного вещества, проникающего в структуру цементного камня, и химической активностью внутренней поверхности этого камня. При этом имеются в виду условия, в которых бетон постоянно погружен в агрессивный раствор и перемещение агрессивного компонента в порах бетона может происходить только в результате диффузии. В случае же постоянного частичного, периодического полного или частичного погружения бетона при контакте агрессивной среды с цементным камнем протекают процессы, которые не происходят в условиях полного погружения материала.

Основное отличие процессов солевой коррозии бетона при постоянном частичном или периодическом (полном и частичном) погружении, когда протекают коррозионные процессы, в которых химическое действие агрессивного раствора не играет существенной роли, состоит в том, что в этом случае на движение растворов в поровой структуре бетона оказывают решающее влияние процессы, происходящие на поверхности бетона, оказавшейся в период воздействия на воздухе.

В условиях, когда бетонная или железобетонная конструкция частично погружена в жидкость, содержащую растворенные соли, интенсивность коррозии будет зависеть от кинетики проникновения агрессивных компонентов в бетон, которая будет определяться при частичном погружении интенсивностью испарения воды и капиллярной проницаемостью бетона. Площадь открытой поверхности бетона, находящейся на воздухе, расстояние от уровня агрессивного раствора до открытой поверхности, а также внешние условия играют важную роль в переносе раствора в теле бетона и определяют интенсивность коррозионного процесса. Когда в порах бетона в результате испарения воды повышается концентрация агрессивного раствора и происходит кристаллизация солей, то при накоплении солей в порах появляется кристаллизационное давление, которое при определенных условиях может превысить прочность материала пор на растяжение и вызвать возникновение трещин и разрушение бетона.

Главным условием стойкости бетона при коррозии III вида является устойчивость цементного камня к химическому действию среды, в частности, при сульфатной коррозии цементный камень сам по себе должен обладать сульфатостойкостью, т.е. при данном содержании сульфатов иметь наименьшую реакционную способность по отношению к ним. Это может быть достигнуто, в первую очередь, ограниченным содержанием в цементе трехкальциевого алюмината.

Коррозия III вида в значительной степени зависит и от плотности бетона, поскольку степень повреждения определяется количеством агрессивного компонента, проникающего из окружающей среды в бетон, а оно прямо пропорционально свободному сечению пор в бетоне. Следовательно, все технологические приемы, используемые при изготовлении бетона с целью повышения его плотности (непроницаемости), будут способствовать повышению стойкости бетона к сульфатной коррозии и коррозии III вида вообще.

В специфических условиях развития коррозии III вида вследствие частичного или периодического высыхания бетона хорошим средством повышения его стойкости является объемная гидрофобизация. Гидрофобизация прерывает пути капиллярного движения растворов в бетоне, что исключает перемещение растворимых солей в нем и накопление их в отдельных зонах. В подземных сооружениях гарантировать от развития коррозии III вида в случае действия напорных вод на бетон может только надежная гидроизоляция.

Коррозия цементного камня

Цементный камень состоит из гелиевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований при взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в приемущественно из субмикрокристаллических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами гидроксида кальция. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств других материалов – металлов, стекла, гранита и т.п. Например, с наличием гелиевой составляющей связана усадка при твердении на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.

Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредным. Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три вида: разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция; образование легкорастворимых солей в следствии взаимодействия гидроксида кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия); образование в порах новых соединений, занимающих большой объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия).

Коррозия первого вида

Коррозия первого вида. Выщелачивание гидроксида кальция происходит интенсивно при действии мягких вод. Содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся воды оборотного водоснабжения, конденсат, дождевые воды, воды горных рек и равнинных рек в половодье, болотная вода. Содержание гидроксида кальция в цементном камне через 3 мес твердения составляет 10-15% (считая на СаО). После его вымывания и в результате уменьшения концентрации СаО (менее 1,1 г/л) начинается разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Выщелачивание в количестве 15-30% от общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40-50% и более. Выщелачивание можно заменить по появлению белых подтеков на поверхности бетона.

Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание трехкальциевого силиката в клинкера до 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием гидроксида кальция является введение активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай применяемых для сооружения оснований, а также портовых и других гидротехнических сооружений повышает их стойкость.

Коррозия второго вида

Коррозия второго вида. Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный двуоксид углерода в виде слабой угольной кислоты. Избыточный (сверх равновесного количества) двуоксида углерода разрушает карбонатную пленку бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция.

Общекислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющих значения водородного показателя рН — подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе обследования, можно в разделе: «Обследование конструкций, помещений, зданий, сооружений, инженерных сетей и оборудования.»

В процессе магнезиальной коррозии образуется растворимая соль (хлористый кальций или двуводный сульфат кальция), вымываемая из бетона. Гидроксид магния представляет бессвязную массу, не растворимую в воде, в следствии чего реакция происходит до полного израсходования гидроксид кальция.

Коррозия под действием минеральных удобрений

Коррозия под действием минеральных удобрений. Особенно вредны для бетона аммиачные удобрения – аммиачная селитра и сульфат аммония. Аммиачная селитра, состоящая в основном из нитрата аммония, подвергается гидролизу и поэтому дает в воде кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидроксид кальция.

Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и вымывается из бетона. Хлористый калий КСI повышает растворимость Са(ОН)2 и ускоряет коррозию. Из числа фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, состоящий в основном из монокальциевого фосфата и гипса, но содержащий еще и некоторое количество свободной фосфорной кислоты.

Коррозия под влияние органических веществ

Коррозия под влияние органических веществ. Органические кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) разрушают цементный камень, так как при воздействии гидроксида кальция они омыляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не представляют опасности для бетона, если они не содержат нефтяных кислот или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.

Коррозия третьего вида

Коррозия третьего вида. Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатные ионы. Образование в порах цементного камня малорастворимого трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, увеличение растрескивания бетона и разрушение конструкции. С сульфоалюминатной коррозией необъходимо считаться при строительстве морских сооружений. Вместе с тем могут оказаться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, а также грунтовые воды. Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реагирует гидроксид кальция.

В последующем идет образование гидросульфоалюмината кальция вследствие взаимодействия получающегося сульфата кальция и гидроалюмината. Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент.

Щелочная коррозия

Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (едкого натрия или калия), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в порах бетона образуется сода и поташ, которые, кристаллизуясь, расширяются в объеме, повреждают и разрушают цементный камень. Сильнее разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция.

Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений. В составе заполнителей бетона, в особенности в песке, встречаются реакционно способные модификации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они вступают при обычной температуре в разрушительное для бетона реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен реакционно-способного заполнителя, появляется сеть трещин, поверхность бетона местами вспучивается и шелушится. Разрушение бетона может происходить через 10-15 лет после окончания строительства.

Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы