Коррозия цементного камня и бетона

Изделия из цемента или бетона, как и из всякого другого материала, со временем в условиях своей службы подвергаются коррозии (разрушению). В условиях службы на бетон действуют природные воды (речные и морские) под давлением и просто омывающие; промышленные и бытовые воды (стоки); периодически и многократно повторяющиеся теплосмены (сезонные и дневные колебания температур); процессы увлажнения и высыхания (колебания атмосферной влажности, специфические условия службы). Кроме того, на бетоны влияют механические воздействия – удары волн, выветривание, истирание и биологически вредные воздействия бактерий. Все названное составляет внешние причины коррозии и разрушения бетона.

К разрушению бетонного тела приводят и внутренние причины – высокая его водопроницаемость, взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителя, изменение объема из-за различия температурного расширения цемента и заполнителя [3].

Физические факторы коррозии охватывают температурные (попеременное замораживание и оттаивание, нагревание и охлаждение) и влажностные колебания среды, ведущие к появлению деформаций материала и его разрушению. Сюда же следует отнести и разрушение изделия за счет подсоса и кристаллизации солей в порах и капиллярах бетонного тела – солевая форма коррозии.

Химические факторы коррозии включают воздействие водной и газовой сред на бетонное тело (водные растворы кислот, щелочей, солей), а также разнообразных органических веществ.

Физическая коррозия. Влиянию пониженных температур – попеременному замораживанию и оттаиванию – подвергаются практически все открытые сооружения, служащие в условиях атмосферного воздействия. Особо опасная ситуация возникает когда воздействуют одновременно низкая температура и растворы солей, например, при работе бетона в морских сооружениях. Суть действия пониженной температуры в бетоне заключается в возникновении деформаций расширения замерзающей воды в опасных порах, которая может привести к разрушению. Возникают по меньшей мере два источника разрушающих сил: первый – увеличение объема воды при замерзании, что ведет к возникновению большого гидравлического давления на стенки пор и капилляров; второй – осмотическое давление, возникающее благодаря локальному увеличению концентрации раствора из-за отделения замерзающей воды от раствора. Многократные теплосмены постепенно расшатывают структуру цементного камня и бетона, снижают его прочность и в момент, когда давление расширения превышает прочность при растяжении, бетон разрушается. Основную роль в разрушении при действии низких температур играют как общая пористость, так и характер капиллярно-пористой структуры материала – в искусственном камне имеются поры, наиболее опасные и ответственные за развитие разрушения материала. Поскольку морозостойкость искусственного камня зависит от характера и величины общей пористости, то ее снижением можно добиться существенного повышения морозостойкости. Общую пористость можно уменьшить снижением В/Ц, использованием цемента с пониженной водопотребностью, а также введением разного типа добавок – пластифицирующих, гидрофобизирующих, воздухововлекающих.

Условия работы цементных и бетонных конструкций могут быть таковыми, что они будут находиться в сфере воздействия повышенных температур. Вредное воздействие температуры на затвердевшие бетоны начинается при 150…200°С, усиливается при 500°С и выше и состоит в разложении вначале гидратных образований, а затем и других составляющих цементного камня. Поэтому не рекомендуется применять бетоны на обычных цементах при температурах выше 250°С.

Попеременное увлажнение и высыхание цементного камня и бетона вследствие, например, климатических особенностей атмосферы или специфических условий работы конструкции вызывает соответственно деформации – набухание и усадку.

К физическим видам коррозии относится также разрушение бетона вследствие кристаллизации солей. Особенно это часто происходит в условиях сухого и жаркого климата. Солевые растворы в таком случае регулярно поступают в поры бетона, одновременно происходит и испарение воды. Выделяющиеся из раствора соединения при кристаллизации оказывают давление на стенки пор и капилляров, что может вызвать деформации бетона, а иногда и полное его разрушение. Особенно сильным оказывается давление кристаллизации, когда образующиеся соли вначале безводны, а затем переходят в кристаллогидраты. Такой вид коррозии можно предотвратить, используя бетоны с малой открытой пористостью или защищая их гидроизоляцией.

Химическая коррозия. Действие воды и водных растворов (неорганических и органических веществ – кислот, щелочей, солей) в условиях службы бетонных и железобетонных конструкций, а также некоторых газов приводит к разрушению бетонного и цементного камня. Причины разрушения заключаются в химическом взаимодействии агрессивной среды и составляющих бетона. Химическая коррозия является наиболее опасным видом коррозии, и она имеет несколько разновидностей.

Коррозия выщелачивания представляет собой постепенное растворение и вымывание извести из бетона. Это сопровождается нарушением структуры бетона и снижением плотности и прочности. Процесс выщелачивания сопровождается белым налетом и потеками на поверхности бетонных сооружений, поэтому его еще называют «белой смертью» бетона.

Наблюдается такой вид коррозии при службе бетона в условиях фильтрации воды под давлением или просто омывания водой. На процессе разрушения бетона при выщелачивании сказываются: скорость растворения составляющих цемента, скорость движения воды, ее обновление у поверхности, химический и минеральный составы цементного камня и плотность бетона, характер конструкции, а также химический состав действующих вод. В условиях действия агрессивных выщелачивающих вод следует выбирать цемент с гидравлическими добавками, с одной стороны, и стремиться к получению бетонов с наиболее плотной структурой – с другой. Так, следует отметить, что водонепроницаемость бетонов из пуццолановых цементов по сравнению с обычным связана с тем, что активный кремнезем связывает Са(ОН)₂ в нерастворимый гидросиликат, препятствуя таким путем ее вымыванию.

Сульфатная коррозия. Грунтовые воды зачастую содержат в себе сульфаты кальция и магния. Сульфаты вступают в реакцию с составляющими бетона – гидроксидом кальция и гидроалюминатами кальция. Продукты взаимодействия имеют значительно больший объем, чем исходные компоненты и поэтому вызывают разбухание и искривление конструктивных элементов и разрушение бетона.

Сульфатостойкость можно повысить, уменьшая содержание в цементе алюминатов, а также снижением осмотического давления поровой жидкости путем связывания максимально большого количества извести в период ранней гидратации.

Магнезиальная коррозия. Всякая растворимая соль магния, содержащаяся в воде, взаимодействует с Са(ОН)₂ с образованием нерастворимой Mg(OH)₂, не обладающей вяжущими свойствами, а также растворимой соли кальция. Это взаимодействие приводит к разрушению бетона.

Верный путь повышения стойкости бетона к сульфатной и магнезиальной агрессии состоит в уменьшении содержания в цементном камне составляющих, способных к взаимодействию с тем или иным компонентом разрушающей среды. Например, снижением содержания С₃А до 5 % удается получить сульфатостойкий цемент. Определенным должно быть также и количество C₃S, поставляющего при гидратации свободный Са(ОН)₂. Важным фактором является повышение плотности бетона, его непроницаемости; хорошее уплотнение бетона, в том числе в конструкции стыков, имеющих важное значение.

Кислотная коррозия бетонов обусловливается действием кислых неорганических и органических сред. Суть действия кислоты заключается в реакции с составляющими цементного камня, в результате которого образуются легко растворимые соли, которые вымываются из бетона. Образующиеся же нерастворимые соединения, например, Si(OH)₄ или Al(OH)₃, остаются в виде рыхлых масс. Скорость разрушения бетонов при этом виде коррозии зависит во многом от растворимости продуктов реакции. Агрессивность среды при кислотной коррозии оценивается водородным показателем (рН); при рН от 6 и ниже становится заметным отрицательное воздействие кислой воды на бетон. Следует отметить, что все виды портландцемента не кислотостойки.

К кислотному типу коррозии относится углекислотная коррозия бетона. Такой вид разрушения зависит от концентрации растворенной углекислоты в воде, а также содержания ионов кальция, гидрокарбонатов и характера бетона. Проявляется углекислотная коррозия в растворении поверхностной карбонатной пленки или образовавшегося на поверхности бетона СаСО₃, ускоряя тем самым выщелачивание. Наиболее стойки в углекислотных водах глиноземистый и пуццолановый цементы; снижает углекислую агрессию также введение в бетон до 25 % тонкомолотого известняка.

Среди органических кислот наиболее агрессивными оказываются молочная и уксусная кислоты.

Нефть и горючие масла не оказывают заметного воздействия на бетон, так как эти вещества химически не взаимодействуют с составляющими цементного камня. Растительные же и животные жиры вредны для бетона, поскольку содержат свободные органические кислоты.

Долговечность бетонных изделий в большей степени зависит от плотности, водонепроницаемости и вида применяемого цемента, а также специальных мер, связанных с изоляцией бетона от агрессивной среды (окраски, оклейки, оштукатуривания, различных способов гидроизоляции). Меры защиты от коррозии принимаются в каждом конкретном случае в зависимости от ее причины и условий эксплуатации.

Основные пути защиты цементных материалов от коррозии:

– правильный выбор типа цемента;

– снижение капиллярной пористости цементного камня, например, за счет уменьшения количества воды затворения (снижения В/Ц);

– надежная гидроизоляция, не допускающая фильтрации воды сквозь материал.

Для защиты бетона от коррозии его поверхность гидроизолируют полимерными пленками, битумом, керамической плиткой, иногда применяют поверхностную пропитку водоотталкивающими составами. Решающий фактор повышения коррозионной стойкости бетона – увеличение его плотности путем подбора рационального состава и тщательного уплотнения бетонной смеси. Чем плотнее бетон, тем меньше возможность проникновения в него воды, а следовательно, и ее коррозирующее действие. Учитывая, что Са(ОН)₂ наиболее уязвимая составляющая цементного камня при коррозии, ограничивают ее количество, снижая соответственно в клинкере содержание C₃S, либо связывая Са(ОН)₂ в нерастворимое соединение введением в цемент активных минеральных добавок.

С коррозией бетона тесно связана и коррозия арматуры, которая также может служить причиной разрушения железобетонных конструкций. Продукты коррозии (ржавчина) накапливаются на арматуре, оказывая давление на бетон, вызывают трещинообразование и отслоение защитного слоя. Особого внимания требуют высокопрочные арматурные стали, подверженные коррозионному растрескиванию, вызывающему обрыв напряженной арматуры. Предусматриваемые меры защиты от коррозии одновременно обеспечивают и сохранность арматуры, поскольку цементный камень защищает ее от проникновения агрессивных вод и пассивирует сталь.

При проектировании следует руководствоваться «Указаниями по антикоррозионной защите строительных конструкций», которые учитывают условия взаимодействия внешней среды и бетона (СНиП 2.0311).