На водонепроницаемость оказывают влияние следующие факторы.
1. Вид цемента. Пуццолановый портландцемент дает более водонепроницаемый бетон, чем шлакопортландцемент и портландцемент.
2. Вид добавок. Поверхностно-активные добавки повышают водонепроницаемость бетона, так как создают в основном замкнутые поры.
3. Водоцементное отношение. Чем выше В/Ц, тем ниже водонепроницаемость (рис. 2.10). Зависимость W=f(В/Ц) используется при проектировании состава бетона для определения В/Ц по заданной водонепроницаемости бетона (Wзад).
4
. Степень
уплотнения. Чем сильнее уплотнена
бетонная смесь в процессе укладки, тем
выше водонепроницаемость бетона.
5. Режим твердения. Оптимальный тепловлажностный режим твердения благоприятно отражается на водонепроницаемости бетона.
2.6. Коррозия бетона
Коррозией бетона называются химические процессы, приводящие к снижению его технических свойств. Слово «коррозия» происходит от лат. «corrodo – грызу» или «corrosio – разъедание». В химическое взаимодействие с природной водой вступают в основном продукты гидратации портландцемента.
Причиной коррозии бетона является, сравнительно высокая растворимость в воде Ca(OH)2 – до 1,3 г CaO в л. Пока в растворе поддерживается такая концентрация извести (CaO), остальные продукты гидратации портландцемента не могут переходить в раствор, т. к. для них он является пересыщенным. Только когда концентрация извести понизится, начнется растворение гидросиликата (2CaO·SiO2·2H2O) и гидроалюмината кальция (3CaО·Al2O3·6H2O), которое сопровождается разложением их на: SiO2·nH2O, Al(OH)3 и Ca(OH)2. При этом известь переходит в раствор, а кремнекислота и Al(OH)3 получаются в виде бессвязной массы.
2.6.1. Выщелачивающая коррозия. Если сооружения безнапорные, и вода, заполняющая поры, не имеет возможности выхода из бетона, то вынос (выщелачивание) растворенного Ca(OH)2 происходит в результате диффузии. В случае напорных сооружений вода, просачиваясь через бетон, вымывает кристаллический сросток Ca(OH)2. Когда последний полностью исчезнит, концентрация извести упадет ниже 1,3 (г СаО)/л и начнется гидролиз гидросиликата и гидроалюмината кальция.
Выщелачивающая агрессивность воды-среды существенно снижается в случае ее высокой временной жесткости (гидрокарбонатной щелочности), обусловленной содержанием в растворе гидрокарбонатов кальция и магния – Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Чем выше временная жесткость (показатель агрессивности), тем менее опасна вода для бетона. Это объясняется взаимодействием бикарбонатов со свободной известью с образованием нерастворимых карбонатов кальция и магния:
Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3↓+2H2O;
Ca(OH)2+Mg(HCO3)2=CaCO3↓+MgCO3↓+2H2O.
Отлагаясь в порах бетона, CaCO3 и MgCO3 образуют защитный слой и препятствуют растворению гидроксида кальция.
2.6.2. Общекислотная коррозия. Процесс коррозии описывается уравнением: Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O. Хлористый кальций хорошо растворим, и легко вымывается из бетона. Это ведет к исчезновению из бетона кристаллического сростка Ca(OH)2. Показателем агрессивности является концентрация в воде катионов водорода, выражаемая водородным показателем рН. Вода опасна для бетона при рН<7 (когда вода кислая) и, чем меньше рН, тем опаснее вода.
2.6.3. Углекислая коррозия. Под воздействием углекислоты, растворенной в природной воде Ca(OH)2 превращается в карбонат кальция: Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O. Углекислый кальций в воде не растворим, но в присутствии углекислоты он переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция, вымываемый из бетона: CaCO3+CO2+H2O↔Ca(HCO3)2. Эта реакция обратима. Равновесие устанавливается, когда в левой части реакции (т. е. в воде-среде) имеется углекислота в количестве, необходимом для поддержания в растворенном состоянии Ca(HCO3)2. Реакция течет влево, если углекислоты в растворе меньше равновесного количества и – вправо, в сторону растворения CaCO3, если имеет место превышение равновесного количества CO2. Опасной (агрессивной) для бетона является та углекислота, которая содержится в воде-среде сверх равновесного количества. Чем больше концентрация агрессивной углекислоты (показатель агрессивности), тем опаснее вода.
2.6.4. Магнезиальная коррозия. При содержании в воде растворимых солей магния, например, MgCl2, MgSO4 и других может происходить магнезиальная коррозия бетона по реакции: Ca(OH)2+MgCl2→Mg(OH)2+CaCl2. Процесс этот необратим. Гидроксид магния характеризуется меньшей растворимостью, чем Ca(OH)2, но образуется в виде рыхлой массы. Замена кристаллического сростка Ca(OH)2 рыхлым продуктом Mg(OH)2 ведет к снижению прочности бетона. Как уже указывалось, CaCl2 хорошо растворим, и вымывается из бетона. Показателем магнезиальной агрессивности является концентрация в воде ионов магния. Чем больше эта концентрация, тем опаснее вода.
2.6.5. Аммонийная коррозия. Почти все соли аммония хорошо растворимы и полностью диссоциируют в воде. В растворе ионы NН4+ и OH- связываются в почти недиссоциирующий гидрат аммиака1, в результате чего возникает кислая среда: NН4++H2O=NН4OH+Н+. В результате аммонийная коррозия протекает так же, как и общекислотная, с образованием вместо Ca(OH)2 растворимых солей кальция, вымываемых из бетона: Ca(OH)2+2NН4+=Ca2++2NН4OH. Концентрация NH4+ является показателем агрессивности. С ее увеличением возрастает опасность воды.
2.6.6. Щелочная коррозия. Растворимость Ca(OH)2 в воде, содержащей щелочи KOH и NaOH, значительно снижается из-за присутствия одноименных ионов OH-. Снижение концентрации извести в поровом растворе приводит к гидролизу гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с образованием аморфных кремнекислоты SiO2·nH2O и гидроксида алюминия Al(OH)3 и выделением в раствор извести Ca(OH)2. При малом содержании щелочей процесс не опасен для бетона, так как малорастворимый Al(OH)3 экранирует поверхность цементного камня и тормозит реакцию. При большом содержании щелочей образуются хорошо растворимые щелочные алюминаты и силикаты: 2Al(OH)3+NaOH=Na2O·Al2O3·4H2O и SiO2·nH2O+2NaOH+(7-n)H2O= Na2O·SiO2·9H2O. Таким образом, происходит растворение гидросиликатов и гидроалюмиинатов кальция и вымывание их из бетона. Чем больше концентрация в воде катионов K+ и Na+ (показатель агрессивности), тем опаснее вода.
2.6.7. Сульфатная коррозия. Из анионов, содержащихся в природной воде, агрессивное действие на бетон оказывает лишь анион SO42-. В процессе коррозии участвует гидроалюминат кальция: 3CaO·Al2O3·6H2O+3Ca2++3SO42-+25H2O→ 3CaO·Al2O3·3CaSO2·31H2O. Катионы кальция поступают для реакции в результате растворения Ca(OH)2. Образующаяся комплексная соль, называемая гидросульфоалюминат кальция (ГСАК), имеет объем, в несколько раз больший, чем объем исходных продуктов в бетоне. Это является причиной растрескивания бетона. Показателем агрессивности является концентрация в воде аниона SO42-. Чем она больше, тем опаснее вода.
2.6.8. Общесолевая коррозия. При испарении воды из бетона в его порах остается твердый остаток, образующийся из растворенных в воде-среде солей. Постоянное поступление воды в бетон и последующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к накоплению твердого осадка и росту кристаллов соли в порах бетона. Этот процесс сопровождается расширением и растрескиванием бетона. Щелочи, содержащиеся в воде-среде, вносят свой вклад в общесолевую коррозию. При доступе углекислоты воздуха к испаряющей поверхности бетона происходит карбонизация щелочей, с образованием Na2CO3 и K2CO3, и накопление этих солей в порах бетона. Показателем агрессивности является концентрация в воде солей (соленость воды) и едких щелочей. Чем выше эта концентрация, тем опаснее вода.