Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия в строительстве. Учебное пособие
.pdf
3. Коррозия третьего вида. Этот вид коррозии связан с накоплением и действием новообразований в порах и капиллярах бетона. При
заполнении таких пространств в толще бетона могут возникать внутренние напряжения, которые приводят к разрушению.
Такими новообразованиями могут быть вода, труднорастворимые
вещества, выпадающие в осадок в результате химических реакций.
Чаще всего такие процессы происходят при взаимодействии с
сульфатами.
Сульфатная коррозия. При взаимодействии растворенного гипса с
трехкальциевым гидроалюминатом образуется труднорастворимый,
обладающий большой гигроскопичностью гидросульфоалюминат
кальция. Поглощая большое количество воды, он значительно увеличивается в объеме (~ в 2,5 раза):
3СаО∙Al2О3∙6H2O + 3CaSO4 + nH2O →
→ 3СаО∙Al2О3∙3CaSO4∙31H2O.
Образующиеся кристаллы напоминают тонкие и длинные иглы.
Сначала они уплотняют цементный камень, но затем, накапливаясь,
приводят к его разрушению.
Гидросульфоалюминат кальция называют цементной «бациллой»,
так как вслед за разрушением бетона происходят коррозия стальной
арматуры и разрушение конструкции в целом.
Щелочная коррозия. В цементном клинкере всегда присутствуют
щелочные металлы, а в качестве заполнителей могут присутствовать
породы, содержащие аморфный кремнезем. В присутствии воды начинается процесс гидролиза, в результате которого образуются щелочные
растворы NaOH, КОН. Уже при обычных температурах между кремнеземом и растворами щелочей происходят химические реакции, в результате которых образуются аморфные силикаты калия и натрия. В бетоне
появляется сеть трещин, поверхность вспучивается и шелушится. Поэтому при использовании в заполнителе различных форм реакционноспособного кремнезема необходимо применять цемент с содержанием
щелочей не более 0,6 % (в пересчете на Na2O + К2О).
Рассматривая процессы коррозии, необходимо помнить о том, что
снижение прочности бетона может происходить и при многократном
попеременном замораживании и оттаивании в воде. Этот вид разрушения называется морозным разрушением. Он связан с гидравлическим
давлением воды, отжимаемой из пор и капилляров, в которых образу-
121
ется лед. В бетоне с хорошо сформированной структурой, где резервные поры распределены равномерно, морозное разрушение практически не происходит.
Термодинамика коррозии строительных материалов. Для оценки
самопроизвольности процесса необходимо знать энтальпии образования как исходных, так и образующихся веществ. Самопроизвольно будут протекать те процессы, которые сопровождаются образованием более стойких веществ (с более отрицательными значениями энтальпии
образования) по сравнению с исходными.
Таким образом, долговечность строительных материалов зависит
как от их свойств, так и от агрессивности окружающей среды. Поэтому
при оценке самопроизвольности коррозионного разрушения необходимо знать составные части бетона, химический состав окружающей среды. Для этого необходимо написать уравнения всех предполагаемых и
протекающих реакций в изучаемой термодинамической системе, рассчитать свободную энергию Гиббса и константы равновесия. В том
случае, если константа равновесия очень мала, то есть реакция не осуществляется до конца, этим процессом можно пренебречь.
Введение в цементное тесто поташа (К2СО3), который является переносчиком углекислого газа в цементном камне, понижает температуру замерзания раствора и способствует карбонизации гидроокиси кальция. Включение в строительные растворы или бетоны солей, которые
не связываются в труднорастворимые соединения, возможно только
после тщательного анализа возможных химических процессов.
Особенности коррозии стальной арматуры
Железобетонные конструкции со временем теряют свои свойства.
Прежде всего это связано с процессами, происходящими при участии
внешней среды. К таким процессам относятся карбонизация, выщелачивание, нарушение целостности бетонных и железобетонных конструкций.
Рассмотрим, какие процессы происходят в железобетонных конструкциях при карбонизации. Так как бетон представляет собой капиллярно-пористое тело с активной и гидрофильной внутренней поверхностью,
то при соприкосновении с воздухом происходит поглощение некоторых
газов, например углекислого. Этот газ проникает в поры и капилляры
бетона, растворяется в поровой жидкости, вступает во взаимодействие с
гидроксидом кальция, образуя малорастворимый карбонат кальция:
Са(ОН)2 + СO2 = CaСO3 + H2O.
122
При этом происходит понижение кислотности поровой жидкости,
что в свою очередь приводит к потере пассивности арматуры.
При карбонизации процесс коррозии может и замедляться, так как
образующийся малорастворимый карбонат кальция постепенно закрывает поры бетона.
В процессе выщелачивания кислотность поровой жидкости также
понижается, что приводит к активизации процессов коррозии стали. Но
понижение величины рН при этом связано с просачиванием воды через
поры бетона. Гидроксид кальция постепенно вымывается. В кислых
водах этот процесс идет с большей скоростью. Кроме того, воды могут
содержать растворенные химически активные вещества, разрушающие
бетон, например сульфаты кальция, натрия, магния.
Появление трещин в бетоне также приводит к снижению защитных
свойств. Трещины в бетоне могут появляться в процессах изготовления, эксплуатации. Они увеличивают проницаемость бетона, способствуя таким видам коррозии, как язвенная, питтинговая.
В общем случае влажный бетон можно рассматривать как проводник второго рода и для понимания сущности коррозионных процессов
использовать представления об электрохимическом механизме коррозии металлов. Однако при этом необходимо учитывать некоторые особенности бетона, которые не характерны для электролитов: электрохимическую гетерогенность на поверхности арматуры, различные плотность и влажность. Состав электролита в пористом теле бетона зависит
от вида и химического состава исходных компонентов и может изменяться с течением времени под действием окружающей среды. Обменные процессы у поверхности арматуры идут в основном за счет диффузии жидкости и газов в порах и капиллярах.
Процессы диффузии являются лимитирующими, и скорость коррозии стальной арматуры в бетоне будет определяться скоростью поступления кислорода к металлу, обеспечивающего катодную реакцию созданием пассивной пленки на аноде, а также систематическим восстановлением этой пленки.
Коррозия стали в плотном бетоне протекает с анодным контролем.
Анодный процесс, протекающий в порах пленки, приводит к образованию малорастворимых оксидов или гидроксидов, которые закрывают
поры, тем самым снижая скорость коррозии. Сама пленка является катодом, так как имеет более положительный потенциал.
Вещества, увеличивающие анодную поляризацию стали (нитрат
натрия, дихромат калия), будут эффективно тормозить процесс коррозии. Они способствуют образованию и сохранению защитной пленки.
123
Вещества, разрушающие защитные пленки, увеличивают скорость коррозионного процесса — например, анионы галогенов, особенно анионы
хлора. Хлорид-анион или молекулярный хлор может выступать в качестве катодного деполяризатора.
В присутствии хлора деполяризация катода происходит в основном
за счет реакции восстановления хлора, а не кислорода:
½Cl2 + e- → Cl-, υ = 1,36 В.
В воде хлор подвергается гидролизу с образованием хлороводородной и хлорноватистой кислот:
Cl2 + H2O → HCl + HClO.
Оксид серы (IV) также обладает способностью увеличивать скорость коррозии. Это связано с тем, что при взаимодействии оксида серы (IV) образуется слабая сернистая кислота, которая восстанавливается на катоде наряду с кислородом:
SO2 + H2O → H2SO3;
H2SO3 + 4H+ + 4e- → 3H2O + S↓;
υ
= +0,285 В.
(рН=3)
При взаимодействии сернистого газа с железом образуется сульфид
и гидроксид железа (II):
3Fe + 2H2O + SO2 → FeS↓ + 2Fe(ОН)2.
Железобетонные конструкции часто эксплуатируются в условиях
периодического увлажнения электролитами. При этом увеличиваются
обмен среды у поверхности арматуры и проникновение деполяризаторов через защитный слой бетона.
В результате пассивность стали нарушается и ускоряется развитие
коррозионного процесса с увеличением частоты увлажнения.
С проникновением влаги уменьшается и омическое сопротивление
бетона, что способствует более эффективному действию макрогальванических пар. Электродвижущая сила этих пар складывается из разностей потенциалов трех элементарных гальванопар:
124
1) дифференциальной аэрации (участки с меньшим доступом ки-
слорода выступают в роли анода), например при карбонизации;
2) дифференциальной щелочности. Причиной образования коррозионных пар является разность значения рН электролита между участками под нарушенным защитным слоем бетона и в зоне дефектов, например трещин. Потенциал стали зависит от рН раствора: в местах понижения щелочности потенциал становится меньше, то есть в зоне дефекта образуется анод. Интенсивность коррозии в этом случае ограничивается скоростью катодных процессов;
3) дифференциального растягивающего напряжения. Потенциал
стали в электролите с ростом растягивающего напряжения уменьшается. Например, разность потенциалов, вызванная перепадом напряжения
в стали (в зоне трещины в бетоне), достигает 0,05…0,1 В.
Биокоррозия неметаллических материалов
Коррозия строительного материала в изделии или конструкции,
вызываемая жизнедеятельностью биоорганизмов, называется биологической коррозией (биокоррозией). Биоразрушение заключается в повреждении структуры (свойства материала, его состава), кроме того,
механические характеристики могут быть изменены так, что это приводит к риску эксплуатации сооружения.
Биокоррозия бетона.
Биологическая коррозия — прямое или косвенное воздействие
низших форм живых организмов, влияющих на внешний вид или технические свойства бетона.
К таким организмам относятся бактерии, морские водоросли, грибки, лишайники, мхи и т. д. В некоторых случаях микроорганизмы могут
быть патогенными для человека.
Биоповреждения неорганических строительных материалов, к которым относится бетон, преимущественно сводятся к нарушению сцепления составляющих компонентов этих материалов в результате воздействия минеральных или органических кислот микробного происхождения. Бетонные сооружения разрушаются вследствие химических
реакций между цементным камнем и продуктами жизнедеятельности
микроорганизмов. Бетон изменяется под воздействием микроорганизмов, которые развиваются в виде биопленки. Происходит повреждение,
при котором изменяется одно или несколько свойств материала.
125
Множество строительных материалов (бетон, кирпич, дерево и т.д.)
потенциально являются благоприятной средой обитания для микроорганизмов (бактерий, грибов, лишайников и т.д.), что оказывает влияние
как на прочностные, декоративные свойства материала, так и на срок
их службы.
При благоприятных для развития микроорганизмов условиях разрушительные процессы начинаются с переноса их на поверхность изделий, адсорбции, образования и роста микроколоний за счет разрастания гифов и спор, сопровождающегося выделением продуктов метаболизма и коррозионным воздействием. Наиболее активными коррозионными агентами из бактерий являются тионовые и нитрофицирующие,
создающие кислые агрессивные среды, а также сульфаторедуцирующие, образующие коррозионно активные метаболиты (NH3, H2S, CO2,
органические кислоты).
Цементные материалы представляют собой шероховатые поверхности. Главным фактором, влияющим на биокоррозионный процесс,
является наличие пор на поверхности материала. Шероховатость благоприятствует аккумулированию питательных веществ или бактерий и
таким образом облегчает колонизацию поверхности микроорганизмами. Пористость цементных материалов не является однородной во всем
объеме изделия. Эта переходная зона между внешней средой и материалом названа пленкой, которая является первой зоной материала, находящейся в контакте с агрессивными элементами (механическими,
химическими, физическими, биологическими). Биопленка имеет переменную толщину и может достигать несколько сантиметров. Наличие сети
пор создает зону, в которой капиллярные переходы осуществляются как
на поверхности, так и в глубине строительного бетонного изделия.
При воздействии биоорганизмов (макро- и микроорганизмов) разрушение строительных материалов носит более сложный характер, чем
при воздействии чисто химических сред. Так, например, в результате
действия грибов может происходить механическое разрушение за счет
разрастающегося мицелия, изменение упруго-прочностных свойств —
за счет выделения продуктов метаболизма, агрессивных к строительному материалу, использования микроорганизмами компонентов материалов в качестве источника энергии (пищи).
Опасность и интенсивность биологических разрушений и загрязнений различных зданий и сооружений неуклонно возрастают в большей
степени для городов, в пределах которых находятся крупные промыш-
126
ленные предприятия. Опасность усугубляется пренебрежением экологическими нормами при строительстве зданий и сооружений, невыполнением норм при их эксплуатации, а также средой, в которой эксплуатируются здания и сооружения. Существуют регионы, имеющие огромные пространства с уровнем грунтовых вод, близким к уровню почвы, в силу чего фундаменты многочисленных сооружений находятся в
постоянном или периодическом контакте с грунтовыми водами. Как все
естественные среды, грунтовые воды населены большим разнообразием микроорганизмов. Грунтовые воды, как правило, не являются агрессивной средой, но они содержат микроорганизмы, способные создавать
биопленки, долгосрочное действие которых вызывает биоразрушение
бетонных строительных конструкций.
Для определения воздействия микроорганизмов на разрушение материалов существуют различные технические разработки. Однако они
не позволяют оценить локальные изменения структуры материалов.
Например, при анализе цементных образцов, погруженных в культуральную среду, благоприятную для развития сульфат-восстанавливающих и тиосульфат-восстанавливающих бактерий, отмечено,
что все марки цемента заселены бактериями, то есть сульфатвосстанавливающие бактерии показывают высокую способность колонизациии цементных материалов, когда возникают благоприятные условия для их развития.
Степень развития микроорганизмов на материалах определяется
физическими, химическими и биологическими факторами. Основным
из них, стимулирующим размножение грибов на материалах, является
влага на поверхности субстрата. Если материал имеет незначительную
влажность, то сначала появляются менее требовательные к влаге грибы, а затем заселяются более влаголюбивые виды, в том числе патогенные, для которых первые микроорганизмы являются питательной
средой. В некоторых промышленных сооружениях источниками биоповреждений служат накапливаемые на поверхности материалов органические продукты, используемые в производственных процессах (сахар, жир, белковые соединения и др.), а также загрязнения, которые
могут усваиваться микроорганизмами.
Биокоррозия древесины.
Древесина представляет собой природный полимерный композит,
возобновляемым сырьевым источником которого являются древесные
растения. Древесина является возобновляемым природным материа-
127
лом, поэтому ее применение в строительстве имеет особое значение.
Базовыми элементами структуры древесины являются растительные
клетки, которые образуют ткани разного строения и функционального
назначения. Структурный каркас древесины образуют клеточные оболочки (стенки), выполняющие преимущественно механические функции. Основным веществом, придающим устойчивость и прочность клеточной стенке, является целлюлоза. Дополнительным упрочняющим
компонентом служит лигнин. Неорганические соединения присутствуют в количестве, как правило, не превышающем 1 %. Относительное
содержание высокомолекулярных, олигомерных и низкомолекулярных
соединений в химическом составе древесины не является величиной
постоянной и зависит от многочисленных абиотических и биотических
факторов, важнейшими из которых являются такие, как порода и разновидность древесины, возраст, условия и регион климатического произрастания древесных растений. Химический состав и структура древесины определяют многие ее свойства.
Древесина до сих пор является основой значительной части зданий
и сооружений культурного назначения (памятников архитектуры, театров, музеев, концертных залов, библиотек и др.). В этом плане исключительно большое значение имеет сохранение деревянных объектов
культурного наследия, в том числе входящих в Список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО. Это, например, погост Кижи, церковь
Вознесения в Коломенском, Ферапонтов монастырь и т.д.
Наряду с применением цельной древесины в качестве материала
большим спросом в строительной промышленности пользуются различные материалы на основе древесины, такие как деревянные клееные
конструкции (ДКК), фанера, древесно-стружечные плиты (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП).
Актуальной проблемой является длительное сохранение эксплуатационных свойств, то есть увеличение долговечности древесных конструкций и материалов на используемых объектах с различным временем эксплуатации, так как древесина имеет склонность к гниению и
влаго- водопоглощению.
При благоприятных условиях дерево может очень долго сохраняться не разрушаясь, о чем говорят многочисленные исторические примеры (египетские гробницы, не изменившиеся в течение 5000 лет, стропила собора св. Стефана в Вене, сохранившиеся после 300 лет, и пр.).
128
Различная древесина, находящаяся в одинаково неблагоприятных условиях, неодинаково долго сопротивляется разрушению. Это объясняется
различной естественной стойкостью древесины. Под стойкостью подразумевается способность древесины сопротивляться разрушению от
физических, химических и биологических (грибы и бактерии) причин.
Различные породы дерева, в зависимости от различия анатомического
строения древесины и химического состава содержимого клеток и клеточных стенок, обладают различной степенью стойкости. Кроме того,
стойкость древесины одного и того же вида является различной в зависимости от того, каковы условия внешней среды.
Так, стойкость дерева при службе его на воздухе будет иная, чем
при службе в воде, на или в земле. Стойкость древесины одного и того
же вида дерева при службе его в воде есть величина более или менее
постоянная, при службе же дерева на воздухе, земле или внутри нее
стойкость сильно варьирует в зависимости от климатических, метеорологических, почвенных и других условий.
Стойкость древесины зависит от количества находящейся в ней
смолы, удельного веса и ширины годичных слоев. Количество смолы в
древесине увеличивает стойкость древесины. Это увеличение зависит
от тех побочных действий, которые оказывает смола на рост грибов.
Удельный вес есть фактор большей стойкости только в пределах
одной и той же породы; когда же рассматривается стойкость различных
пород, то больший удельный вес породы не всегда является признаком
большей ее стойкости.
Биологическое разрушение древесины — разрушение биологи-
ческими агентами (бактериями, грибами, насекомыми, моллюсками и
ракообразными). При действии грибов происходят разрушение клеточных стенок древесины и существенное изменение ее физикомеханических свойств, кроме того, может изменяться естественный
цвет древесины. Насекомые повреждают древесину растущих деревьев
и древесину при ее хранении и эксплуатации.
При разрушении древесины можно выделить период ее активного
биологического разрушения — время, в течение которого происходит
биологическое разрушение, обусловленное жизненным циклом биологических агентов.
Наиболее уязвимой для биоразрушения зоной древесины, установленной в грунт, является зона «земля—воздух».
129
3.3. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
Долговечность — один из важнейших показателей качества
строительных конструкций. Прогнозирование долговечности любого
объекта — сложный аналитический процесс. Многообразие подходов
(энергетический, механический, физический, химический, реологический, феноменологический и др.) дает возможность рассматривать проблему деградации строительных материалов во времени с разных позиций и с различной вероятностью.
Практика эксплуатации показывает, что каждый материал, изделие
имеет определенную долговечность.
Методы защиты металлов от коррозии
Для подбора наиболее оптимальных средств защиты от коррозии
проводится коррозионный мониторинг.
При его проведении на стадии проектирования необходимо иметь
сведения о климатических условиях района, результаты изысканий,
выполняемых на территории строительной площадки (состав, уровень
стояния и направление потока подземных вод, возможность повышения
уровня подземных вод, наличие в грунте и подземной воде веществ,
агрессивных к материалам строительных конструкций, наличие токов
утечки и др.), характеристики газовой агрессивной среды (газы, аэрозоли): вид и концентрация агрессивного вещества, температура и влажность среды в здании (сооружении) и снаружи с учетом преобладающего направления ветра, а также с учетом возможного изменения характеристик среды в период эксплуатации строительных конструкций, механические, термические и биологические воздействия на строительные конструкции. Результаты инженерно-геологических изысканий на
строительной площадке должны характеризовать грунты и подземные
воды на глубине, не ниже глубины заложения строительных конструкций. Результаты изысканий должны содержать информацию о прогнозируемом изменении уровня подземных вод.
Предусматриваемая проектом гидроизоляция должна, как правило,
обеспечивать и защиту от коррозии, что достигается применением гидроизоляционных материалов, стойких в агрессивной среде и не подверженных разрушению при деформации конструкции, здания и сооружения. Сборные строительные конструкции тоннелей, трубопроводов, емкостных и других сооружений должны иметь размеры с допусками, позволяющими эффективно применять уплотняющие и гидроизолирующие материалы.
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]