1882

арматуры, скорость которых зависит от влажности и температуры среды и от скорости поступления кислорода к корродирующей поверхности.

Такое же действие, как углекислый таз, может оказать и любой другой газ, вступающий в реакцию с гидратом окиси кальция цементного камня. Но все же в первую очередь нужно учитывать действие именно углекислого газа, всегда присутствующего в атмосфере [61].

Глубина карбонизации на воздухе в естественных условиях целиком зависит от проницаемости бетона и времени. Она колеблется обычно от нескольких миллиметров до 1-2 см за 10-20 лет, а в некоторых случаях и больше, если бетон не достаточно плотен и хорошо воздухопроницаем. Развитие карбонизации вглубь бетона носит постепенно затухающий характер вследствие уплотнения бетона карбонатом кальция, образовавшимся на путях движения углекислого газа.

1.1.1. Факторы, влияющие на карбонизацию

Карбонизация бетона и цементного камня зависит от ряда факторов:

–технологические факторы (состав бетона, водоцементное отношение, вид и содержание вяжущего, заполнители, добавки, плотность и проницаемость защитного слоя, его поровая структура, условия твердения);

–условия эксплуатации (агрессивность среды, содержание углекислого газа, влажность, солнечная радиация, наличие трещин, температура, направление ветра, давление).

Большой вклад в изучение влияния различных факторов на карбонизацию бетона внесли С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев, В.М. Москвин, Н.К. Ро-

зенталь, В.Ф. Степанова, M.N. Fardis, T. Ishida, K. Kishitani, K. Maekawa, K. Nesche, V.G. Papadakis и др [2, 4, 60, 93, 114, 120, 146, 148].

Влияние водоцементного отношения на карбонизацию

В работах [28, 41] сделан вывод о том, решающее влияние на карбонизацию бетона оказывают количество и качество цементного камня в растворе. В статье [45] приводятся данные по карбонизации бетона при различном водоцементном отношении (табл. 1.1).

По [41] глубина карбонизации в естественных условиях пропорциональна водоцементному отношению при постоянном составе раствора (рис. 1.1, а) и близка к линейной зависимости при переменном составе и постоянной пластичности (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Глубина карбонизации цементного раствора в образцах постоянного 1:3 (а) и переменного (б) состава, хранившихся под навесом (по данным [60]):

1 – 14 мес; 2 – 27 мес; 3 – 38 мес

В книге С.Н. Алексеева и др. [41 также сделан вывод, что глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного отношения. На рис.1.2 показаны данные для образцов из бетона в возрасте 8 лет, хранившихся при температуре 20 °С и относительной влажности 65 %. Эта зависимость объясняется тем, что вместе с увеличением водоцементного отношения растет капиллярная пористость, т.е. доля наиболее крупных пор в бетоне, которые образуются потому, что в бетонную смесь вводят, как правило, и больше воды, чем требуется для реакции с цементом. С увеличением пористости возрастает также коэффициент диффузии кислорода.

12

Рис. 1.2. Влияние водоцементного отношения на глубину карбонизации бетона на различных вяжущих:

1 – бетоны на шлакопортландцементах;

2 – бетоны на портландцементах и железистом цементе

В работе [46] проводился анализ ускоренных испытаний бетонных образцов. Концентрация CO2 составляла 1 и 10 %, температура окружающей среды 20 °С, относительная влажность 55 %. Образцы имели водоцементное соотношение 50 %, 60 % и 70 %. Результаты показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Зависимость карбонизации от водоцементного соотношения и концентрации углекислого газа:

1 – В/Ц=50 %; 2 – В/Ц=60 %; 3 – В/Ц=70 %;

Японскими учеными [47] было проведено сравнение результатов ускоренных испытаний бетона на карбонизацию и реальных условий.

На рис. 1.4 показаны процессы карбонизации бетона, при концентрации CO2 10 % (рис. 1.4, а) и 0,07 % (рис. 1.4, б) при постоянной температуре и относительной влажности (20 °C, относительная влажность 55 %).

13

Анализировались три различных водоцементных отношения, В/Ц = 40 %, 60 %, и 80 %. В качестве связующего компонента использовался обыкновенный портландцемент. Независимо от окружающих концентраций, глубина карбонизации увеличивается при более высоком водоцементным отношением. В итоге можно сделать такой вывод о влиянии водоцементного отношения на карбонизацию. Глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного отношения. С увеличением В/Ц глубина карбонизации увеличивается. При жестких бетонах (В/Ц = 0,3) карбонизация практически может быть исключена. Вид и содержание цемента в бетоне влияют как на способность связывать, так и на диффузионное сопротивление углекислого газа. Глубина карбонизации обратно пропорционально расходу цемента.

Влияние вида и состава цемента на карбонизацию

Авторы статьи [48] приводят данные по глубине карбонизации для различных типов цементов (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Прогноз карбонизации для различного В/Ц:

а – ускоренные испытания CO2 = 10 %; б – реальные условия CO2 = 0,07 %

На рис. 1.6 представлены данные по кинетике нейтрализации (карбонизции) различных составов бетона в зависимости от крупности заполнителя, полученные В.Ф. Степановой [49]. На основании рис. 1.6 в [49] делается вывод, что глубина карбонизации обычного тяжелого бетона с уменьшением максимальной крупности гранитного щебня убывает незначительно. Исключение же из бетонной смеси пористого заполнителя фракции 10-20 мм заметно снижает скорость нейтрализации легких бетонов. Эффективный коэффициент диффузии СО2 уменьшается в этих бетонах в 1,5-7 раз в зависимости от состава бетона.

14

Рис. 1.6. Кинетика карбонизации бетонов на крупном заполнителе фракции:

а – 5-10 мм; б – 5-20 мм; 1 – керамзитобетон класса В15 на пористом песке; 2 – то же, на кварцевом песке;

3 – керамзитобетон класса В22,5 на пористом песке; 4 – то же, на кварцевом песке; 5 – шлакопемзобетон класса В15 на кварцевом песке;

6 – бетон на вулканическом туфе класса В15; 7 – тяжелый бетон класса В22,5

В работе [46] проводилось исследование влияния доменного шлака на процесс карбонизации. Шлак присутствовал в бетоне в шести различных отношениях к полной массе цемента (0 %, 10 %, 20 %, 40 % и 50 %). Водоцементное отношение образцов было определено как 30 % и 40 %. Результаты исследование приведены на рис. 1.7.

16

Рис. 1.7. Влияние наличия шлака на процесс карбонизации:

– содержание шлака 0 % от массы цемента; □ – то же, 10 %; – то же, 20 %;

■ – то же, 40 %; * – то же, 50 %

В случае В/Ц 30 %, при увеличении доли шлака, карбонизация уменьшается, потому что достигнута плотная структура микропор. Однако, если шлака в бетоне 50 %, то сопротивляемость к карбонизации немного снижается, расход Ca(OH)2 вследствие пуццолановой реакции становится значительным. С другой стороны, в случае В/Ц 40 %, отношение шлака в пределах 0 %-40 %, не оказывает влияния на скорость карбонизации. Это является результатом влияния двух факторов: увеличение расхода Ca(OH)2 и уплотнение микропоровой структуры при наличии шлака.

Влияние трещин в бетоне на карбонизацию

При образовании трещин, поверхность контакта с внешней агрессивной средой будет увеличена, а значит, и количество проникающего углекислого газа будет увеличиваться, процесс насыщения пойдет быстрее.

Исследования этого эффекта были сделаны в работах [28, 50]. Но пока информация, в основном носит качественный характер.

В бетоне с трещинами карбонизация происходит намного быстрее, чем без трещин. Это происходит в результате того, что проницаемость бетона с трещинами для кислых газов и агрессивных ионов намного выше, чем бетона без трещин. Так, по данным [28], эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в трещине бетона шириной 0,2 мм равен коэффициенту диффузии его в воздухе, т.е. 0,14 см /с, что примерно на три порядка выше, чем в бетонах средней плотности.

Глубина карбонизации бетона в трещине, согласно [28], пропорциональна квадратному корню из ширины трещины и времени карбонизации. С увеличением прочности бетона глубина карбонизации его вдоль трещин возрастает, что связано с уменьшением поглощающей способности стенок трещин.

17

Поэтому, в дополнение к процессу диффузии углекислого газа сквозь защитный слой бетона, должна учитываться диффузия углекислого газа в пределах трещины. Схематичное представление этих процессов показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схематичное представление карбонизации в районе трещин:

1 – диффузия CO2 в трещину; 2 – диффузия CO2 в бетон; 3 – химическая реакция;

4 – диффузия гидроксил-ионов OH– из толщи бетона

Диффузия углекислого газа сквозь трещину внутрь бетонной конструкции зависит от следующих параметров [50]:

1.Ширины раскрытия трещины. С увеличением ширины раскрытия,

увеличивается количество проникающего CO2. Следовательно, увеличивается скорость карбонизации в пределах трещины.

2.Проницаемости самой трещины. На проницаемость, главным образом, влияют тип и количество отложений внутри трещины. Отложения могут проникать как из окружающей среды (грязь), так и непосредственно из бетона. В последнем случае, отложения могут быть результатом эффузии и карбонизации щелочи (так называемое, самозаживление трещин) или продукты коррозии арматуры.

3.Диффузии щелочи (процесс 4, рис. 1.8), которая, главным образом, зависит от условий окружающей среды. В случае переменной влажности, может ожидаться высокая скорость прохождения воды через трещину. И во время высушивания, из бетона выносится и растворенная щелочь.

Влияние внешней среды на скорость карбонизации

Наибольшее влияние на процесс карбонизации оказывают такие факторы окружающей среды, как влажность и температура воздуха.

Влияние влажности на карбонизацию бетона

По многочисленным данным о влиянии влажности воздуха на карбонизацию различных видов бетона [51–55] диапазон влажности, при которой скорость карбонизации практически одинакова для данного материала,

18

довольно широк. В более пористых материалах торможение процесса начинается при большей влажности. Тяжелые бетоны наиболее интенсивно карбонизируются при относительной влажности 50-80 %. В структуре с крупными порами, где заполнение водой микрокапилляров не может заметно повысить диффузионное сопротивление, интенсивность карбонизации мало зависит от влажности воздуха. Материал с мелкопористой структурой значительно повышает сопротивление диффузии СО2 при конденсации влаги в микрокапиллярах, т. е. медленнее карбонизируется с повышением влажности воздуха.

В работе [53] приводится анализ экспериментальных данных по влиянию относительной влажности воздуха на карбонизацию железобетонных образцов. Образцы изготавливались из бетона с водоцементным соотношением 55 % и 65 %, в течение 28 суток твердели при стандартных условиях, а затем в течение 10 суток хранились при относительной влажности 50 % и температуре 20 °С. После этого три группы образцов подвергались воздействию СО2 с концентрацией 10 % при постоянной температуре 25 °С и влажностями 50 %, 65 % и 80 %. Результаты эксперимента показаны на рис. 1.9. Также, в [53] и [55] приводится зависимость снижения коэффициента диффузии СО2 при увеличении относительной влажности (рис 1.10).

Рис. 1.9. Величина карбонизации при различной влажности

19

Рис. 1.10. Соотношение между коэффициентом диффузии СО2 и относительной влажностью

Многими исследователями установлено [51, 52], что с наибольшей скоростью бетон карбонизируется при относительной влажности 50-70 %; сухой (влажность до 25 %) и насыщенный водой бетон не карбонизируется. Это подтверждает зависимость величины карбонизации от относительной влажности воздуха (рис. 1.11), представленная в работе [54].

Рис. 1.11. Степень карбонизации как функция относительной влажности воздуха

20