51

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Долговечность СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конспект лекций

для студентов специальности 290600 (270106.65)

«Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Саратов - 2010.

содержание

1. Основные среды, действующие на строительные материалы

2. Выветривание природных каменных материалов

3. Портландцемент, состав и химическая стойкость цементного камня

4. Цементы повышенной водо- и сульфатостойкости

Сульфатостойкий портландцемент

Пуццолановый портландцемент

Шлакопортландцемент

5. Химическая стойкость и виды коррозии бетона

Коррозия 1 вида (коррозия выщелачивания)

Коррозия 2 вида (кислотная и магнезиальная коррозия)

Коррозия 3 вида (сульфатная и солевая коррозия)

6. Механизм электрохимической коррозии металлов

7. Коррозия стальной арматуры в бетоне

8. Способы защиты от коррозии и повышения долговечности металлических и железобетонных конструкций

Защита от коррозии металлических пролетных строений мостов

Защита железобетона от коррозии

Бетонополимеры

Полимербетоны

9. Долговечность асфальтобетона

10. Долговечность древесины и способы защиты ее от гниения и возгорания

11. Химическая стойкость полимерных материалов

Виды, основные свойства и химическая стойкость термопластов

Виды, основные свойства и химическая стойкость реактопластов

Строение и коррозия полимеров

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ. Вопросы к контрольным заданиям по вариантам

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение долговечности строительных материалов и конструкций является одной из основных проблем повышения эффективности строительства. Многообразие номенклатуры материалов и условий их эксплуатации в промышленных зданиях, транспортных сооружениях и других объектах, в том числе и специального строительства, требует детального и глубокого изучения химической стойкости этих материалов под воздействием твёрдых, газообразных или жидких агрессивных сред. Знание причин и механизма разрушения различных материалов при эксплуатации их в агрессивных средах даёт возможность грамотно и эффективно осуществлять меры защиты и повышения долговечности строительных конструкций и изделий.

1. ОСНОВНЫЕ СРЕДЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основными средами, действующими на строительные материалы, являются воздух и вода. Содержащийся в воздухе углекислый газ часто агрессивно воздействует на материалы, а водяные пары воздуха участвуют во всех коррозионных процессах, конденсируясь на поверхности материала в виде капельно-жидкой влаги.

Особо агрессивным является воздух в некоторых промышленных районах, так как содержит многочисленные газы и пары, выделяемые в процессе производства.

Наиболее распространенными и в то же время наиболее агрессивными являются хлор и хлористый водород, окислы азота, сернистый газ, сероводород, аммиак. Все газы, за исключением аммиака и кислорода, являются кислыми или кислотообразующими. Образование из них кислот происходит только при наличии в воздухе или на поверхности конструкций капельно-жидкой влаги (тумана или конденсата). Поэтому повышенная влажность воздуха, особенно в сочетании с высокой загазованностью среды, является фактором, усиливающим протекание коррозионных процессов на поверхности строительных материалов.

Степень влагонасыщения материала весьма серьезно влияет на интенсивность и скорость развития коррозии. При относительно низкой влажности (до 60%) кислые газы практически не действуют разрушающе на бетон, а в отдельных случаях даже уплотняют его в поверхностном слое. Металл в сухом воздухе также практически не коррозирует. Увеличение влажности воздуха до 69-75% увеличивает агрессивность газовых сред, а при относительной влажности воздуха от 75 до 95% скорость коррозии строительных материалов под воздействием различных газов резко возрастает.

При наличии в воздухе гигроскопической пыли величина опасной, с точки зрения процессов коррозии, влажности снижается на 10-20%. Адсорбируя влагу из воздуха и осаждаясь на поверхности конструкций, такая пыль создает у поверхности зону повышенной влажности, а при наличии кислых газов - и зону повышенного кислотосодержания.

Действие газа на пористые материалы (бетон, кирпич, древесину и т.п.) отмечается не только на поверхности, что характерно для металла и плотных камней, но и в более глубоких слоях. В пористых материалах газы могут поглощаться не только химическим, но и адсорбционным путем. При увеличении влажности материала поглощенный адсорбционным путем газ образует раствор кислоты, который, взаимодействуя с составляющими цементного камня или кирпича, приводит увлажненный материал к быстрому разрушению.

Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах не превышает 0,3-0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды обычно содержат минеральные соли и другие примеси.

Промышленные стоки или воды могут содержать самые различные примеси, в том числе кислоты и щелочи. Следует отметить, что и совершенно чистая, неминерализованная или мягкая вода может быть агрессивной в отношении пористых цементных бетонов, вызывая выщелачивание извести и других растворимых солей.

Кроме химического взаимодействия, вода разрушающе действует на пористые камни, бетоны и древесину, попадая в микрополости и растрескивая структурные составляющие материалов.

Разрушения, вызываемые действием растворенных в воде кислот, щелочей или солей, весьма интенсивны и разнообразны. Характер и причины этих разрушений применительно к отдельным строительным материалам будут рассмотрены далее.

Кислоты являются наиболее агрессивными по отношению к металлам, обычным бетонам на щелочной основе, силикатному кирпичу и осадочным горным породам (известнякам, доломитам и т.п.). Керамические изделия, кирпич и бетоны на жидком стекле хорошо сопротивляются действию кислот, но быстро разрушаются щелочами.

Агрессивность кислот определяется их природой, концентрацией, рН водных растворов, наличием окислительных свойств и температурой среды. Разрушительное действие кислот и кислых газов определяется также растворимостью образуемых продуктов коррозии при взаимодействии кислот с металлами или бетонами.

Концентрированные растворы щелочей, особенно при нагреве, разрушающе действуют на некоторые металлы, камни и бетоны. Причина разрушения объясняется тем, что в их состав входят кислые включения в виде кремнезема, а разложение их щелочами приводит к образованию трещин и потере прочности.

Действие на металлы, бетоны, керамику и пластмассы различных солей менее агрессивно, чем кислот. Разрушающее действие растворов солей чаще всего определяется их способностью взаимодействовать с водой (подвергаться гидролизу) и образовывать водородные (кислые) или гидроксильные (щелочные) ионы. В дальнейшем разрушение материала идет так же, как при действии кислот или щелочей.

Действие органических веществ -- сахаров, масел и растворителей -- на отдельные материалы своеобразно. Для цементных бетонов агрессивными считаются растворы сахара, фруктовые соки и т.п. При взаимодействии их с известью цементного камня могут образовываться растворимые сахариты кальция. По отношению к цементному бетону весьма агрессивными являются также многие смазочные и растительные окисляющиеся масла. При этом степень разрушения тем больше, чем меньше плотность бетона.

2. ВЫВЕТРИВАНИЕ ПРИРОДНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Каменные материалы в условиях службы в конструкциях и сооружениях, подвергаясь длительному воздействию климатических и других природных факторов среды, постепенно разрушаются. Этот процесс, по аналогии с разрушением горных пород на земной поверхности, называют выветриванием. Основные причины разрушения каменных материалов: растворяющее действие воды, усиливающееся растворенными в ней газами (SO₃, СО₂ и др.); замерзание воды в порах и трещинах, сопровождающееся появлением в материале больших внутренних напряжений, резкое изменение температур, вызывающее появление на поверхности материалов микротрещин. Чем больше внешняя и внутренняя (поры, микротрещины, каверны) поверхность материала, чем больше содержание погодонеустойчивых минералов, чем более шероховатая поверхность, тем интенсивнее протекает процесс коррозии.

Исходя из поведения при действии щелочных или кислых сред каменные материалы обычно делят на две подгруппы.

К первой подгруппе относятся природные известняки, доломиты, мрамор. Общим для этих материалов является преобладание оксидов кальция или магния. Все они обладают высокой щелочестойкостью и низкой кислотостойкостью.

Ко второй подгруппе относятся каменные материалы, состоящие преимущественно из чистого кремнезема, различных солей кремниевых и поликремниевых кислот, алюмосиликатов, так называемые “кислые” горные породы. Эти породы имеют высокую кислотоустойчивость и низкую щелочестойкость. Плотные и прочные “кислые” изверженные горные породы -- кварц, гранит, диабаз, базальт и т.п. -- характеризуются весьма высокой стойкостью не только к кислотам при высокой температуре и при любых концентрациях, но и к щелочам низких и средних концентраций при невысоких температурах.

Механизм разрушения каменных материалов при циклическом замораживании заключается в том, что заполняющая поры камня вода при замораживании увеличивается в объеме приблизительно на 9% и возникающие при этом внутренние напряжения разрывают материал. Так как давление льда во внутренних частях камня компенсируется таким же в соседних участках, то разрушение от мороза обычно протекает с поверхности и начинается с углов и ребер.

Морозостойкость породы зависит от минералогического состава, однородности и крупности кристаллов, так как вследствие изменения объема при перепадах температуры от +18 до -20С могут быть нарушены кристаллизационные связи.

Весьма важным оказывается и то, насколько заполнены водой поры камня. Если они заполнены только на 80-85%, вода имеет возможность расширяться внутри пор, при этом сильного разрушения не происходит, то есть порода является морозостойкой. Наиболее легко разрушаются морозом относительно малопрочные, сильнопористые и одновременно сильно насыщаемые водой камни.

Все мероприятия по защите каменных материалов от выветривания направлены на повышение их поверхностной плотности и на предохранение от воздействия влаги.

Стойкость материалов против выветривания можно повысить конструктивными мерами, к числу которых относятся обеспечение хорошего стока воды, устранение в конструктивном элементе выступов, придание камням плотной и гладкой поверхности. Стойкость против выветривания пористых материалов существенно повышается при создании на их лицевой поверхности плотного водонепроницаемого слоя или гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности камня является флюатирование, при котором пористые известняки пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты, например, флюатом магния. В результате реакции

MgSiF₆ + 2CaCO₃ = 2CaF₂ +SiO₂ +MgF₂ + 2CO₂

в поверхностных порах камня отлагаются труднорастворимые в воде фториды кальция и магния, а также кремнезем. Некарбонатные пористые породы перед пропиткой флюатами предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например, хлористым кальцием CaCl₂.

Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными (водоотталкивающими) составами, резко понижающими проникание влаги в материал, в частности путем капиллярного подсоса, также повышает стойкость материалов против выветривания.

3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ, СОСТАВ И ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением клинкера с гипсом (3-5%), а иногда и с активными минеральными добавками (до 10%).

Минералогический состав цемента в процентах может колебаться в следующих пределах:

трехкальциевый силикат (алит) 3CaO·SiO₂(C₃S) -- 45-60;

двухкальциевый силикат (белит) 2CaO·SiO₂(C₂S) -- 20-30;

трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃(C₃A) -- 4 -15;

четырехкальциевый алюмоферит 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃(C₄AF) -- 10 - 20.

В настоящее время выпускаются следующие основные разновидности портландцемента:

быстротвердеющий портландцемент;

пластифицированный и гидрофобный портландцементы;

сульфатостойкий портландцемент, содержащий C₃S не более 50% и C₃A не более 5%;

шлаковый портландцемент с 21-60% доменного гранулированного шлака;

пуццолановый портландцемент, содержащий до 20-40% пуццолановых добавок;

белый и цветные портландцементы.

Различные виды цементов характеризуются различной стойкостью против действия тех или иных агрессивных факторов. Например, цементы с низким содержанием алюминатов кальция характеризуются повышенной стойкостью против действия гипса и других сульфатов и называются поэтому сульфатостойкими. Пуццолановые портландцементы отличаются повышенной водостойкостью и т.д. Поэтому выбирать цементы для бетонов различного назначения следует не только с учетом их прочностных показателей, но и стойкости против действия тех агрессивных сред, в которых должны работать бетонные конструкции.

По агрессивному действию на цементный камень природные воды подразделяются на мягкие; содержащие агрессивную углекислоту; содержащие сульфаты; содержащие повышенное количество солей магния и содержащие свободные кислоты.

Мягкими называют воды с жесткостью менее 4 мг.экв/л. В мягких водах соли кальция и магния присутствуют в незначительном количестве, поэтому мягкие воды способны растворять Ca(OH)₂, образующий кристаллический сросток цементного камня, что и приводит к его разрушению.

При наличии в природных водах агрессивной углекислоты, способной реагировать с CaCO₃, гидрат окиси кальция также растворяется (выщелачивается) по реакциям:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ +H₂O

и затем

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂.

Образовавшийся бикарбонат кальция хорошо растворяется в воде, причем растворяющее действие воды тем больше, чем выше содержание в ней агрессивной углекислоты и чем меньше временная жесткость воды.

Разрушение портландцемента водами, содержащими сульфаты, вызывается следующими причинами.

1. Гидрат окиси кальция Ca(OH)₂ вступает с сульфатами в обменную реакцию:

Ca(OH) ₂ + MgSO₄ +2H₂O = CaSO₄·2H₂O +Mg(OH)₂.

Образующийся гипс реагирует с гидроалюминатом кальция, находящимся в цементном камне, по уравнению

3CaSO₄·2H₂O + 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 19H₂O =

= 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄ ·31H₂O.

Образование нового соединения -- гидросульфоалюмината кальция -- сопровождается значительным увеличением объема твердой фазы цементного камня, что приводит к возникновению в нем внутренних напряжений и в дальнейшем к разрушению. При наличии в воде значительного количества хлоридов гидросульфоалюминат кальция не образуется, поэтому агрессивность воды определяется по содержанию в ней ионов SO₄^2- с учетом количества ионов хлора.

2. При достаточно высокой концентрации сульфатов в агрессивных водах в порах цементного камня в результате обменных реакций образуется гипс CaSO₄·2H₂O. Разрушение цементного камня в этом случае вызывается кристаллизационным давлением растущих кристаллов двуводного гипса.

Магнезиальная коррозия портландцемента может развиваться под действием природных вод с содержанием катионов Mg²⁺ свыше 5000 мг/л. Соли магния, проникая в цементный камень, взаимодействуют с Ca(OH) ₂ по реакции

MgCl₂ + Ca(OH) ₂ = Mg(OH) ₂ + CaCl₂

или

MgSO₄ + Ca(OH) ₂ + 2H₂O = CaSO₄·2H₂O + Mg(OH) ₂.

При этом труднорастворимый гидрат окиси магния осаждается в порах в виде рыхлой массы, а CaCl₂ вымывается, что приводит к разрушению цементного камня. Двуводный сульфат кальция возникает в порах с увеличением объема, что также ускоряет растрескивание цемента.Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот с рН менее 7; исключение составляют поликремниевая и кремнефтористоводородная кислоты. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и т.д. Кислота образуется также из сернистого газа, выходящего из топок. В атмосфере промышленных предприятий, кроме SO₂, могут содержаться ангидриды других кислот, а также хлористый водород. При растворении его во влаге, адсорбированной на поверхности конструкций, образуется соляная кислота. Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидратом окиси кальция, при этом образуются растворимые соли (CaCl₂) и соли, увеличивающиеся в объеме (CaSO₄·2H₂O):

Ca(OH) ₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O;

Ca(OH) ₂ + H₂SO₄ = CaSO₄·2H₂O.

Кроме того, кислоты могут разрушать и силикаты кальция.

Органические кислоты, как и неорганические, быстро разрушают затвердевший портландцемент. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная, масляная и винная кислоты. Жирные кислоты (олеиновая, стеариновая и др.) разрушают цементный камень, так как при действии гидрата окиси кальция они омыляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: льняное, хлопковое. Нефть и нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут) не представляют опасности для цемента, если они не содержат большого количества нафтеновых кислот или соединений серы.

4. ЦЕМЕНТЫ ПОВЫШЕННОЙ ВОДО - И СУЛЬФАТОСТОЙКОСТИ

СУЛЬФАТОСТОЙКИЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Сульфатостойким называют портландцемент, изготовляемый из клинкера, минералогический состав которого нормирован по содержанию C₃A и C₃S. Он отличается пониженной экзотермией при твердении и высокой стойкостью при действии сульфатных вод.

Высокая стойкость этого цемента в сульфатных водах обусловлена тем, что в затвердевшем состоянии он содержит пониженное количество высокоосновных гидроалюминатов кальция. Этим устраняется возможность образования значительного количества гидросульфоалюмината кальция, вызывающего коррозию портландцементного камня. Развитие коррозионных процессов в затвердевшем сульфатостойком портландцементе замедляется также вследствие ограниченного содержания в клинкере C₃S.

Такой портландцемент значительно превосходит по сульфатостойкости рядовые портландцементы, но уступает в этом отношении пуццолановым и шлаковым портландцементам, изготовляемым на основе клинкера того же нормированного состава. Однако эти цементы менее морозостойки. Поэтому сульфатостойкий цемент целесообразнее всего применять в тех случаях, когда одновременно требуется высокая стойкость против воздействия сульфатных вод и попеременного замораживания и оттаивания, высыхания и увлажнения.

ПУЦЦОЛАНОВЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Пуццолановым портландцементом называют гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, кислой активной минеральной добавки и гипса. В пуццолановом портландцементе допускается следующее содержание активных минеральных добавок: осадочного происхождения -- не менее 20 и не более 30%; вулканического происхождения, обожженной или топливной золы -- не менее 25 и не более 40 %.

Реакция между продуктами гидратации клинкера и активными компонентами гидравлической добавки заключается во взаимодействии Ca(OH)₂ с активным кремнеземом добавки и образовании гидросиликатов по схеме

m Ca(OH)₂ + SiO₂ + n H₂O = m CaO·SiO₂·(n+1)H₂O

Для бетонов на пуццолановом портландцементе показательна более высокая водостойкость, чем для бетонов на портландцементе, что объясняется более высокой их водонепроницаемостью и связыванием добавками легко вымываемого гидрата окиси кальция.

Пуццолановый цемент более стоек в сульфатных водах вследствие того, что в его цементном камне почти полностью отсутствуют гидроокись кальция и высокоосновные гидроалюминаты кальция, на базе которых в присутствии сульфатных солей возможно образование гидросульфоалюмината кальция, разрушающего цементный камень.

В кислых и, в частности, в углекислых водах пуццолановые портландцементы, как и обычные цементы, недостаточно стойки. Это обусловлено тем, что свободные органические и минеральные кислоты интенсивно взаимодействуют не только с гидратом окиси кальция, но и с гидросиликатами и гидроалюминатами кальция, полностью разрушая цементный камень.

Щелочестойкость пуццолановых цементов ниже, чем портландцементов.

ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака с добавлением небольшого количества гипса (до 3,5% от массы всей смеси).

Шлака в портландцементе должно быть не менее 21% и не более 60% по массе.

В затвердевшем шлакопортландцементе преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, а свободный гидрат окиси кальция отсутствует или содержится в незначительном количестве.

Стойкость шлакопортландцементов при воздействии мягких и сульфатных вод выше, чем портландцементов. Повышенная стойкость шлакопортландцемента в мягких водах объясняется образованием при его твердении цементирующих новообразований пониженной основности и незначительным содержанием в цементном камне гидрата окиси кальция. Поэтому для частей сооружений, постоянно находящихся в речной воде, предпочтительнее шлаковые портландцементы, а не обычный портландцемент.

Значительное снижение концентрации гидрата окиси кальция в жидкой фазе твердеющего шлакопортландцемента уменьшает возможность образования гидросульфоалюмината кальция при проникании сульфатных вод. Поэтому в затвердевшем цементном камне не возникают вредные объемные деформации, нарушающие его структуру. Этим объясняется более высокая стойкость шлакопортландцемента в минерализованных сульфатных водах по сравнению с портландцементом.

В кислых и углекислых водах, в которых степень разрушения цементного камня мало зависит от содержания в нем Ca(OH)₂, стойкость шлакопортландцемента такая же, как у портландцемента. Однако в отличие от портландцемента он не эффективен в частях сооружений, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

агрессивный коррозия долговечность

5. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ И ВИДЫ КОРРОЗИИ БЕТОНА

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.

6. МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Коррозия металлов, применительно к условиям эксплуатации строительных конструкций и сооружений, носит преимущественно электрохимический характер (коррозия во влажной атмосфере, в воде, солевых растворах и т.п.).

Электрохимическая коррозия является результатом работы множества микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих на поверхности металла при контакте с электролитом вследствие неоднородности металла или окружающей среды.

Так как применяемые в строительстве металлы и сплавы неоднородны (наличие примесей) и контактирующая с ними среда также неоднородна (почвенные условия, загрязненная промышленная атмосфера и т.д.), то создаются все условия для протекания процессов электрохимической коррозии.

Известно, что при погружении в электролит двух электродов из разных металлов они приобретают различные по величине электрические потенциалы. При замыкании электродов между ними возникает ток. Прохождение тока сопровождается растворением электрода с более электроотрицательным потенциалом -- анода.

Короткозамкнутые гальванические элементы могут возникать и на одном металле вследствие наличия участков поверхности с различными потенциалами. Разность потенциалов наблюдается между различными обработанными поверхностями, разными структурными составляющими сплава, примесями и основным металлом, а также между участками поверхности с различным состоянием пленки окислов.

На величину потенциала металла влияют и многие другие факторы, например, состав электролита, скорость его движения, концентрация газов. Поэтому практически всегда при соприкосновении с электролитом на поверхности металла возникают короткозамкнутые гальванические элементы, которые называют коррозийными микро- и макроэлементами.

Процесс электрохимической коррозии, то есть деятельности коррозийных гальванических пар, довольно сложен и может быть разбит на ряд элементарных процессов.

На анодных участках имеет место анодный процесс - переход в раствор ионов металла и их гидратация с освобождением избыточного электрона, который, оставаясь в металле, движется к катодному участку. Обычно этот процесс схематически изображается так:

e [Me⁺ Є] ^nH₂^O Me₄⁺ n H₂O.

На катодных участках поверхности металла происходит ассимиляция избыточных электронов каким-либо деполяризатором (атомом или ионом раствора, способным восстанавливаться, то есть поглощать электрон):

e + D [De]

Наиболее практически важными разновидностями катодного процесса являются: катодная реакция восстановления иона водорода в газообразный водород (водородная деполяризация):

H⁺ + e H и затем H + H = H₂,

и катодная реакция восстановления кислорода с превращением его в ион гидроксида (кислородная деполяризация):

O₂ + 2H₂O + 4e 4OH--

Огромное число происходящих в природе и технике коррозийных процессов связано с поглощением кислорода. Такому виду разрушения металлы подвергаются при коррозии в воде, атмосфере, почве. Коррозия стали в бетоне также идет с кислородной деполяризацией.

Катодный и анодный процессы идут на разных участках поверхности металла, и электроны, избыточные у анодов, передвигаются в металле к катодам, соответственно, в растворе происходит направленное перемещение ионов. Возникает электрический ток, называемый током коррозии. При таком механизме коррозии разрушению подвергаются лишь анодные участки поверхности металла.

Перечисленные процессы взаимозависимы и эквивалентны, то есть скорость процесса коррозии, в целом, будет определяться скоростью того процесса, который в данных условиях протекает медленнее. При коррозии металла в нейтральных и щелочных средах таким контролирующим фактором чаще всего является поступление кислорода к коррозирующей поверхности.

Скорость коррозии, выраженная в весовых потерях металла на единицу поверхности в единицу времени, зависит от величины тока коррозии, то есть от разности потенциалов анодных и катодных участков и омического сопротивления внутренней цепи коррозионного элемента.

Однако начальные значения электродных потенциалов катодных и анодных участков микропар не определяют величину коррозийного тока и скорость коррозии. Вследствие целого ряда причин значения этих потенциалов с самого начала работы коррозионного элемента начинают изменяться в сторону уменьшения первоначальной разности потенциалов. Это явление, то есть изменение потенциалов электродов в результате протекания тока, называют поляризацией.

Различают анодную и катодную поляризацию. Анодная поляризация вызывается, главным образом, увеличением концентрации ионов растворяющегося металла в прилегающем слое электролита, что приводит к сдвигу потенциала анода в сторону катодного потенциала. Движение электролита, уносящего от поверхности анода ионы металла, уменьшает анодную поляризацию. Другой причиной анодной поляризации является образование на аноде нерастворимых соединений - пассивирование.

Катодная поляризация вызывается недостаточно быстрым связыванием электронов, поступающих с анодных участков, то есть накоплением электронов.

Факторы разного рода, уменьшающие поляризацию электродов, называются деполяризующими факторами.

Вещества, повышающие скорость коррозии, обычно называют стимуляторами; вещества, которые снижают скорость коррозии, называют ингибиторами. Кислород, например, является одновременно и стимулятором, и ингибитором. Он способствует улучшению защитно-окисной пленки, то есть действует как ингибитор, уменьшает вероятность коррозии, сокращает число очагов, в которых может возникнуть коррозийный процесс. Вместе с тем кислород повышает скорость коррозии в начавших корродировать точках, действует стимулирующе, поскольку является сильным катодным деполяризатором.

Существует целый ряд веществ, присутствие которых в окружающей среде влияет на скорость коррозийного процесса. Ионы хлора, SO₄ и некоторые другие разрушающе действуют на защитные окисные пленки и всегда стимулируют коррозию. Успешно тормозят коррозийный процесс в нейтральных и щелочных средах сильные окислители - соли щелочных металлов - хроматы, нитриты и т.д.

По характеру разрушения поверхности металла различают следующие основные виды коррозии:

1) равномерная, или общая коррозия, равномерно распределенная по поверхности металла;

2) местная, или локальная коррозия, сосредоточенная на отдельных участках поверхности;

3) точечная коррозия, или питтинг, сосредоточенная на очень малых участках поверхности, но отличающаяся глубоким проникновением;

4) межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия, когда разрушение сосредоточивается на границах кристаллов.

7. КОРРОЗИЯ СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ В БЕТОНЕ

Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях ограждает арматуру от внешней среды, но не изолирует ее полностью. Внешняя по отношению к железобетонным конструкциям среда воздействует прежде всего на бетон и лишь через него - на арматуру. По существу, средой, в которой находится арматура, является бетон.

Коррозия стальной арматуры происходит по электрохимическому механизму, для действия которого необходимы следующие условия:

наличие разности потенциалов между отдельными участками поверхности металла, т.е. электрохимическая неоднородность ее;

наличие электролитической связи между этими участками;

активное состояние поверхности на анодных участках, где металл растворяется;

наличие достаточного количества деполяризатора, в частности кислорода, необходимого для поглощения на катодных участках поверхности металла избыточных электронов.

Поскольку структура стали и контактного слоя бетона у ее поверхности неоднородны, то первое условие для арматуры в бетоне выполняется всегда. Так как бетон представляет собой капиллярно-пористое тело с активной и гидрофильной внутренней поверхностью, то второе и четвертое условия протекания коррозионного процесса в бетоне также выполняются. Следовательно, отсутствие коррозии стали в плотном бетоне связано с тем, что не выполняется третье условие.

Защита бетоном стальной арматуры основывается на пассивирующем действии щелочных сред. В щелочных растворах коррозия железа уменьшается, что объясняется образованием защитной пленки из гидрата окиси железа. С увеличением рН уменьшается растворимость гидроокиси и защитные свойства пленки повышаются.

При гидратации зерен портландцементного клинкера в значительном количестве образуется гидрат окиси кальция. Влага, содержащаяся в пористом теле цементного камня, твердевшего в нормальных условиях и не претерпевшего изменений по влиянием агрессивной среды, насыщена гидратом окиси кальция и имеет щелочную реакцию. Величина рН жидкой фазы такого бетона находится в пределах 12,2-13,0. В водном растворе с таким рН наступает практически полная пассивация поверхности стали.

Однако бетон представляет собой капиллярно-пористое тело. Основную массу пор и капилляров в бетоне составляют поры и капилляры цементного камня, образовавшиеся в результате испарения избыточной воды затворения. В процессе длительного твердения при полной гидратации зерен клинкера химически связанная вода составляет до 20-25% от массы цемента (в/ц = 0,2-0,25). Практически для получения удобоукладываемых смесей применяют в/ц не менее 0,4. Избыточная вода затворения образует, испаряясь, разветвленную сеть пор и капилляров - мелких в цементном камне, более крупных - на контакте цементного камня с зернами заполнителя. Капиллярно-пористое тело бетона в зависимости от плотности структуры обладает различной проницаемостью для газов, паров и жидкостей. Кроме того, в зависимости от влажностных условий окружающей среды бетон может иметь разную степень насыщения влагой.

При непосредственном длительном увлажнении бетона заполняются все поры, включая крупные, и арматура находится в условиях полного погружения в электролит. Аэрация поверхности стали в этом случае затруднена, т.к. поры закрыты влагой и в таких условиях арматура в обычном плотном бетоне не корродирует. Низкой относительной влажности окружающей среды соответствует малая степень заполнения влагой пор бетона. Несмотря на сравнительно легкий доступ кислорода воздуха к поверхности арматуры, на ней оказывается мало влаги для протекания процесса электрохимической коррозии стали. Поэтому при относительной влажности воздуха ниже 60% в обычном тяжелом бетоне коррозии арматуры не наблюдается. Коррозия арматуры в плотном бетоне обычно происходит при значениях относительной влажности воздуха 70-80%, либо при периодических увлажнениях конструкций. В этих условиях влажностное состояние бетона таково, что наряду с наличием достаточного количества влаги для работы коррозийных гальванических пар на поверхности арматуры имеется более или менее свободный доступ кислорода воздуха к ней через частично открытые поры и капилляры.

Чем больше пор в бетоне и чем они крупнее, тем более неоднородны условия на поверхности арматуры как из-за несплошного обволакивания арматуры цементным камнем и пленками щелочной влаги, так и вследствие разной степени аэрации ее поверхности. Чем больше пористость и неоднородность структуры бетона, тем выше опасность возникновения коррозии арматуры и скорость ее развития.

Другой особенностью бетона как среды для арматуры является то, что его свойства изменяются во времени. Пористый цементный камень, проницаемый для паров и газов, соприкасаясь с воздушной средой, может подвергаться интенсивной карбонизации. В процессе карбонизации углекислый газ воздуха проникает в поры и капилляры бетона, растворяется в поровой жидкости и реагирует с гидроокисью кальция, образуя слаборастворимый карбонат кальция. Карбонизация снижает щелочность содержащейся в бетоне влаги. Скорость распространения процесса карбонизации вглубь бетона зависит от его проницаемости и концентрации углекислоты воздуха.

Присутствующие в промышленной атмосфере кислые газы - сернистый газ, хлор, хлористый водород - также поглощаются бетоном и реагируют с гидратом окиси кальция, резко понижая щелочность бетона. Бетон, лишенный естественной щелочности, перестает оказывать защитное действие на стальную арматуру, и при определенном влажностном состоянии бетона арматура начинает корродировать, причем скорость коррозии будет зависеть от воздухопроницаемости бетона.

Другими факторами, влияющими на состояние арматуры в бетоне, кроме состава и влажности окружающей среды, являются: состояние поверхности и степень напряжения арматуры; структура, состав бетона и толщина защитного слоя; вид вяжущего и режим твердения бетона; различные добавки, вводимые в бетон в качестве пластификаторов и ускорителей твердения; наличие трещин в бетоне защитного слоя.

В трещинах с малым раскрытием скорость коррозии арматуры становится меньше скорости коррозии незащищенной стали. Это объясняется тем, что растущий в стесненных условиях слой ржавчины сильно уплотняется и начинает существенно ограничивать как анодный, так и катодный процессы на поверхности арматуры в зоне трещин. Этого не происходит при коррозии незащищенной арматуры, когда образуется рыхлая ржавчина. В широких трещинах и при специфической агрессивности среды это затухание коррозии может носить временный характер, так как прочность бетона на растяжение в защитном слое может оказаться недостаточной для восприятия растущего давления со стороны слоя ржавчины, произойдет раскалывание и отпадение защитного слоя бетона с последующим ускорением коррозии арматуры и распространением ее вдоль стержня. Практически такая опасность тем меньше, чем выше прочность бетона и толще защитный слой у арматуры.

8. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ И ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ конструкций

Наиболее распространенными видами коррозионных повреждений в металлических конструкциях являются: равномерное разъедание металла; местные коррозионные поражения в виде каверн; щелевая и контактная коррозии; коррозия в местах концентрации напряжений. Оптимальными способами защиты металлических конструкций являются покрытия: металлизационные, металлизационные с последующей их окраской и полимерные лакокрасочные - эпоксидные, полиуретановые, поливинил-хлоридные, хлоркаучуковые и др.