Тема 2.2 Воздействие загрязняющих веществ атмосферы на строительные и конструкционные материалы, объекты недвижимости

Строительные конструкции и элементы зданий и сооружений города подвергаются воздействию:

• газообразной среды в виде загрязненной атмосферы окружающего воздуха;

• твердой среды в виде пылей, загрязняющих атмосферу воздуха (взвешенные вещества) и осаждающихся на наружных поверхностях конструкций, грунта и асфальтовых покрытий, солей - антиобледенителей, грунтов, содержащих агрессивные компоненты;

• жидкой среды в виде атмосферных осадков, особенно кислотных дождей, и в виде агрессивных природных или загрязненных поверхностных и грунтовых вод.

В естественных условиях редко встречается коррозия только одного вида, но всегда можно выделить преобладающее действие какого-либо вида, а затем проследить и учесть роль вторичных для данного случая коррозии факторов. Для каждого вида могут быть установлены общие закономерности, а в соответствии с этим и общие меры борьбы с разрушением строительных конструкций и возможность обеспечения необходимой долговечности сооружений.

В случае газовой коррозии агрессивные по отношению к цементному, силикатному или керамическому камню газы, пары, частицы пыли и аэрозолей, проникают в его толщу по открытым каналам, трещинам и другим неплотностям, взаимодействуют с водой, присутствующей в материале, и образуют агрессивную жидкость. Продукты образующейся агрессивной жидкости накапливаются в порах, приводя к уплотнению материала конструкции.

Механизм действия на бетон углекислого, сернистого газов и других кислотных компонентов состоит в химическом взаимодействии с гидроксидом кальция Са(ОН)₂ цементного камня. В зависимости от природы реагирующих веществ образуются малорастворимый СаСО₃, более растворимый CaSO₄H₂O или хорошо растворимый Ca(NO₃)₂ и др.

Реакция фаз цементного камня с двуокисью углерода (СО₂) называется карбонизацией

Карбонизация, которую можно обозначить как «химическое старение бетона», для неармированного бетона не имеет значения. Этой химической реакции следует уделять внимание только при применении стальной арматуры. Вскоре после затворения бетонной смеси водой её показатель pH повышается до значения 12,5 за счет образования раствора, насыщенного известью. Гидроксид кальция (Са(ОН)₂) высвобождается, в первую очередь, при гидратации трехкальциевого (3СаОSiO₂ (С₃S) и двухкальциевого (С₂S) силикатов.

трехкальциевый вода гидросиликат гидроксид

силикат кальция кальция

Нет изменений и при дальнейшей гидратации. Таким образом, поровая жидкость твердеющего бетона характеризуется стабильно высоким значением pH в 13,5, что соответствует насыщенным щелочесодержащему раствору гидроксида кальция.

Находящиеся в атмосфере Земли кислотообразующие газы двуокись углерода (СО₂) и двуокись серы (SО₂) стремятся в присутствии влаги нейтрализовать эту высокощелочную среду. Тем самым, ослабляя её защитное действие на сталь и при воздействии влаги воздуха и кислорода, находящегося в бетоне, сталь начинает корродировать.

На рисунке 2.1.1 приведен общий вид железобетонной балконной плиты в результате карбонизации цементного камня бетона.

Рисунок 2.1.1 - Общий вид железобетонной балконной плиты в результате карбонизации цементного камня бетона

Карбонизация – это химический процесс, причём, почти всегда этот процесс рассматривается как нежелательный процесс, который ухудшает долговечность железобетона. При этом нельзя не учитывать, что карбонизация имеет и положительное влияние, поскольку приводит к углублению процесса твердения цементного камня.

Таким образом, карбонизация оказывает на бетон как положительное, так и отрицательное влияние.

• положительное:

- увеличение плотности структуры бетона в результате увеличения объёма за счёт вновь образовавшегося карбоната кальция Са(ОН)₂  СаСО₃ ΔV=+11%;

- повышение водо- и газонепроницаемости за счёт уменьшения объема пор на 20…28 %;

- повышение прочности бетона на 20…50 % в зависимости от марки цемента.

• отрицательное:

- понижение показателя pH раствора в порах цементного камня, вследствие чего возникает опасность коррозии стальной арматуры. Образующиеся продукты коррозии стали приводят к растрескиванию бетона вокруг арматуры.

Процесс карбонизации состоит из целого ряда промежуточных этапов. При этом наиболее важны три следующих этапа:

1. Диффузия СО₂ через капиллярные поры бетона

- размер капиллярных пор  10 нм;

- размер молекул СО₂ = 0,23 нм.

Одновременно происходит растворение кристаллического Са(ОН)₂ (портлантида) в поровой жидкости и его диссоциация:

2. Реакция и растворение СО₂ в щелочной поровой жидкости

При этом Н₂СО₃ находится в равновесии с карбонатами СО₃^2-.

3. Нейтрализация Са(ОН)₂ кислотой Н₂СО₃:

(почти не растворим)

• В результате этих реакций показатель pH поровой жидкости снижаетсяот начаоьного 12,6 до значения ниже 9. При этом нарушается защитное действие на сталь. Воздействие поровой жидкости и кислорода может привести к коррозии арматурной стали, уложенной в бетоне.

• Для образования угольной кислоты Н₂СО₃^2-из СО₂ необходима вода (Н₂О). По этой причине в полностью сухом бетоне не может происходить карбонизация.

• Химическая реакция СО₂ с Са(ОН)₂ и фазами гидросиликатов кальция (С-S-H) препятствует диффузии СО₂. Этим и объясняется влияние вида цемента на скорость карбонизации, т.е. компоненты газовой среды могут вступать во взаимодействие с гидросиликатами и гидратными новообразованиями бетона. Бетоны на пуццолановом цементе более стойки, чем обычные - на портландцементе.

В воздушно-сухих условиях действие газовой среды на строительные материалы обычно бывает незначительным. Необходимые условия агрессивного действия кислотных компонентов газовой среды - повышенная влажность среды и соответствующая равновесная влажность строительной конструкции, а также образование конденсата на поверхности или в ее толще. Нижняя граница относительной влажности газовой среды, при которой взаимодействие кислых газов с материалами практически не протекает, соответствует 40-45 %.

Механизм действия на кирпичную кладку сернистого и углекислого газов состоит в химическом взаимодействии с гидратированными трехкальциевым алюминатом и гидросиликатом кальция, содержащимся в цементном камне кладочного раствора.

Кроме этого, в кирпичной кладке образуются кристаллогидраты, обладающие разрушительными свойствами по отношению к керамическому стеновому материалу и кладочному раствору.

Керамический кирпич разрушается в результате воздействия многоводных сульфатов, таких как Na₂SO₄·10Н₂О и MgSO₄·7Н₂О. Разрушение цементнопесчаного раствора протекает по механизму коррозионных процессов, характерных для цементного камня.