Тема 4.2 Вода в почвах. Гравитационная и гигроскопическая влага. Оценка степени агрессивного воздействия грунтов на бетонные и железобетонные конструкции
Источники воды в почвах могут быть различными, основные из них представлены на рисунке 4.2.1.
Рисунок 4.2.1 – Источники различного водопоглощения наружных конструкций зданий: 1 – спрысковая вода (при поливе); 2 – дождевая вода; 3 – поверхностная вода; 4 – просачивающаяся (гравитационная, фильтрующаяся) вода; 5 – пластовая (грунтовая) вода; 6 – поднимающаяся вода; 7 – конденсация; 8 – гигроскопическая вода.
В фундамент здания попадают дождевые осадки или талые (поверхностные) воды. Атмосферная вода разрушающе действует на сооружение как выше, так и ниже поверхности грунта. Вода в виде капель, попадающая сверху, независимо от источника, называется осадками (гравитационная вода), а проникающая снизу – просачивающаяся, грунтовая или пластовая – обозначается как почвенная.
Имеющаяся на земле вода встречается в тонко распределенном состоянии (почвенная влага), или в жидко-капельной форме – инфильтрационная вода, застойная грунтовая или пластовая вода. Почвенная влага – это то, что остается во влажных слоях земли после проникновения осадков до уровня грунтовых вод. В противоположность жидко-капельной форме эта почвенная влага присутствует всегда и мигрирует под действием капиллярных сил даже против направления силы тяжести. Она приводит к увлажнению строительных материалов, повреждая штукатурки и краски в цокольной области, вызывая коррозию арматуры в железобетоне и образование плесневых грибов внутри помещений.
Просачивающаяся (гравитационная, фильтрующаяся) вода – это поступающие в землю осадки. Она может причинять такой же ущерб, как и почвенная влага.
Грунтовая вода создает поднимающийся до определенного уровня земли водораздел. Ущерб, наносимый зданиям грунтовыми или пластовыми водами, связан с подтоплением помещений до высоты естественного уровня воды.
Выше по курсу уже говорилось, что минеральные пористые строительные материалы стремятся в своей среде к гигроскопическому равновесию. В зависимости от величины относительной влажности воздуха молекулы воды или сорбируются на стенках пор, или испаряются. Этот процесс не зависит от наличия солей, а определяется только степенью сорбции. Если одновременно в воде присутствуют соли, они воспринимают влагу из окружающей среды соответственно степени своей гигроскопичности. При этом соотношение сорбции к поглощению гигроскопической воды составляет 1:10 в зависимости от природы материала и солей, а также от относительной влажности воздуха и степени засоленности материала.
Нагрузка гигроскопической влагой наступает, если в конструкции или на её поверхности имеются большие количества солей, преимущественно сульфатов, хлоридов или нитратов. Эти соли влияют на гигроскопичность строительных материалов, т.е. на их способность воспринимать влагу в большей степени, чем это обусловлено давлением водяного пара (вопросы солевой нагрузки на строительные конструкции рассмотрены выше в разделе 2, темы 2.4, 2.5).
Агрессивность твердых сред по отношению к строительным конструкциям здания обусловлена:
- сернистыми соединениями, содержащимися в пыли, загрязняющей атмосферу воздуха;
- хлорсодержащими солями - антиобледенителями, попадающими в виде пыли, брызг и аэрозоля на поверхности цокольных частей зданий, расположенных вблизи дорожных магистралей или на поверхности грунта;
- сульфатами и хлоридами, содержащимися в грунтах.
Оценка агрессивного воздействия газообразных, жидких и твердых сред (грунтов) по отношению к бетону и железобетону приведена выше в таблице 2.3.1 (раздел 2, тема 2.3). Степень агрессивного воздействия среды для 3 категории условий эксплуатации принята с учетом воздействия растворов агрессивных компонентов и циклического замораживания и оттаивания.
При применении в конструкциях, относящихся к 1 и 2 категориям условий эксплуатации, бетонов марок по водонепроницаемости по ГОСТ12730.5 W10 и выше агрессивность воздействия среды можно принимать на одну ступень ниже указанной в таблице 2.3.1.
В таблице 2.3.2 приведена ориентировочная оценка результатов воздействия агрессивных сред на незащищенные бетонные и железобетонные конструкции.
Подземная коррозия металлических конструкций. Подземная коррозия вызывается неоднородностью окружающей среды и неравномерным доступом кислорода к различным участкам подземных конструкций. В большинстве случаев такая коррозия приводит к разрушению отдельных участков конструкции в виде глубоких язв. Причинами, обусловливающими неравномерный доступ кислорода к сравнительно малым участкам, могут быть разная плотность грунтов, нарушение на небольших участках сплошности изоляционного покрытия, неодинаковая влажность грунтов.
Во влажных грунтах коррозия может возникнуть из-за различных условий аэрации. Поверхность конструкций, находящихся в сильноувлажненных грунтах, значительно хуже омывается кислородом, диффундирующим через грунтовый скелет, и этот участок становится анодом.
Вследствие неоднородности грунтовой среды создается разность потенциалов (0,3—0,9 В) между различными участками подземных металлоконструкций. На развитие коррозии подземных конструкций также оказывает влияние образование на их поверхности окалины или продуктов коррозии. В этих случаях разность потенциалов между участками, имеющими окалину или покрытыми продуктами коррозии, и без дефектов, может достигать 0,5 В. Характер и количество водорастворимой части грунта определяют его коррозионную активность. Чем больше растворимых солей, тем выше электропроводность грунта и интенсивнее протекают коррозионные процессы.
Большое значение для определения коррозионной активности грунта имеет его кислотность. Кислые грунты (pH < 3) вызывают сильную коррозию подземных металлоконструкций. Электрохимический коррозионный процесс возможен только в том случае, если грунт имеет определенную влажность. При влажности грунтов 15 - 25% отмечается максимальная скорость коррозионных процессов. При дальнейшем повышении влажности скорость коррозии замедляется. Наступает такое насыщение грунта водой, при котором она образует сплошной слой, затрудняющий доступ кислорода к металлу.
Процессы подземной коррозии металлов активизируются жизнедеятельностью микроорганизмов. Коррозия, вызываемая микроорганизмами, может проникать в аэробных и анаэробных условиях. Микроорганизмы влияют на катодные или анодные процессы, изменяют физико-химические свойства грунта, усиливая его агрессивность. При восстановлении сульфатов в сульфиды, связанном с жизнедеятельностью сульфатовосстанавливающих бактерий, выделяется свободный кислород, который является катодным деполяризатором коррозии стальных подземных конструкций. В анаэробных условиях бактерии могут образовывать метан.
Меньшую роль в биокоррозии металлов играют аэробные бактерии. Например, серобактерии развиваются только в присутствии в грунте сероводорода. В процессе жизнедеятельности они окисляют сероводород сначала в серу, а затем в серную кислоту. Трубопроводы, уплотненные в местах соединений вяжущими материалами, в состав которых входит сера (серные цементы), подвергаются коррозии вследствие микробиологического окисления. Кроме того, возникновение макрокоррозионных пар на подземных конструкциях может происходить из-за разрушения оберточных материалов, применяемых для гидроизоляционных покрытий конструкций. Некоторые гидроизоляционные материалы на текстильной или полимерной основе разрушаются вследствие жизнедеятельности гнилостных и других бактерий.