СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТОВ И БЕТОНОВ ПРОТИВ ДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ АГРЕССИВНЫХ ФАКТОРОВ.
Стойкость бетона против действия химических агрессивных факторов
Согласно В.М. Москвину коррозионные процессы применительно к цементному бетону разделяются на 3 вида по основным признакам: (I) процессы, протекающие под действием воды с малой временной жёсткостью – растворение некоторых составляющих цементного камня при фильтрации воды сквозь бетон; (II) процессы взаимодействия с агрессивными веществами, в результате чего образуются либо легкорастворимые, либо малосвязные продукты, не обладающие вяжущими свойствами – таково действие на бетон различных кислот, магнезиальных и других солей; (III) процессы, в результате которых в порах цементного камня возникают продукты, увеличивающиеся в объёме и вызывающие тем самым его разрушение.
В.В. Кинд выделяет следующие основные виды химической коррозии бетона: 1) коррозия выщелачивания, вызываемая растворением и выносом из бетона содержащегося в нём гидроксида кальция; 2) кислотная коррозия; 3) углекислотная коррозия как особый случай кислотной коррозии; 4) сульфатная коррозия; 5) магнезиальная коррозия.
Коррозия I вида (коррозия выщелачивания), происходящая при фильтрации мягкой воды (воды с низким содержанием солей) сквозь бетон, выражается в растворении и вымывании из цементного камня вначале свободного Ca(OH)2, образовавшегося в процессе твердения цемента, в первую очередь, при гидролизе алита (C3S). Содержание Ca(OH)2 (портландита) в цементном камне после нескольких месяцев твердения достигает 10…15%, и его вымывание приводит к уменьшению прочности. Помимо этого, при снижении концентрации Ca(OH)2 в поровом растворе меньше 1,1 г/л начинается разложение гидросиликатов – основного компонента цементного камня.
Для защиты от коррозии выщелачивания применят следующие основные меры:
- снижение фильтрации сквозь бетон – применение плотных и водонепроницаемых бетонов;
- введение в цемент или бетон активных минеральных добавок (пуццолан), содержащих SiO2 и связывающих Ca(OH)2 в цементном камне по механизму пуццолановой реакции:
Ca(OH)2 + SiO2 + mH2O = CaO×SiO2×nH2O ;
- применение цементов с низким содержанием алита (C3S).
Общекислотная коррозия начинается при взаимодействии кислоты с Ca(OH)2, например:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
или
Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4×H2O
Образующиеся соли или растворимы в воде, как например, CaCl2, или, помимо этого, обладают способностью увеличиваться в объёме, как CaSO4×H2O.
Агрессивное действие кислот не ограничивается только реакцией с Ca(OH)2, но может также приводить к разрушению гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция с образованием солей или аморфных бессвязных масс, таких как SiO2×nH2O, Al2(OH)3, Fe2(OH)3.
При слабой кислотной коррозии (pH = 4…6) бетоны защищаются кислотостойкими материалами (плёночной изоляцией, окраской и др.); в случае действия на бетон сильной кислотной агрессии (pH менее 4) применяют бетон на кислотостойком цементе и кислотостойких заполнителях или бетон на полимерном связующем.
Не только минеральные, но и органические кислоты разрушают цементный камень. Они могут, например, содержаться в маслах (льняном, хлопковом и т.д.), в нефтепродуктах.
Особым случаем является углекислотная коррозия бетона. Она развивается при действии воды, содержащей свободный диоксид углерода (СО2 своб) в виде слабой угольной кислоты сверх равновесного количества. В этом случае СО2 своб реагирует с Са(ОН)2 в цементном камне с образованием СаСО3, который затем превращается в хорошо растворимый бикарбонат кальция:
СаСО3 + СО2 своб + Н2О = Са(НСО3)2.
Процесс разрушения идёт аналогично коррозии выщелачивания.
В ряде природных вод (морская, грунтовая) содержится катион Mg2+, вызывающий магнезиальную коррозию, например:
Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2
Ca(OH)2 + MgSO4 = CaSO4×H2O + Mg(OH)2
Образующийся в результате взаимодействия солей магния с Ca(OH)2 брусит (Mg(OH)2) представляет собой рыхлую несвязную массу, не обладающую прочностью. Помимо этого при магнезиальной коррозии по мере израсходования портландита возможно и разложение гидросиликатов кальция, в первую очередь высокоосновных, менее стабильных.
Вторая из приведённых реакций соответствует сульфатно-магнезиальной коррозии.
Бетон может разрушаться под действием минеральных удобрений. Особенно вредны аммиачные удобрения (аммиачная селитра, сульфат аммония). Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат.
В том случае, если бетон контактирует с водами, содержащими ион SO42-, он подвергается сульфатной коррозии, которая относится к коррозии III вида (коррозии, вызываемой образованием новых соединений с увеличением объёма). Сульфатная коррозия подразделяется на гипсовою и сульфоалюминатную.
При гипсовой коррозии SO42- взаимодействует с Са(ОН)2 с образованием CaSO4×H2O, что приводит к увеличению объёма приблизительно в 2,5 раза по сравнению с объёмом исходного портландита.
Сульфоалюминатная коррозия происходит при взаимодействии сульфатов на гидроалюминаты кальция (продукты гидратации минерала С3А) с образованием вторичного эттрингита (т.н. «цементной бациллы») с увеличением объёма приблизительно в 4,5 раза:
3СaO×Al2O3×6H2O + 3CaSO4 + 25H2O =
= 3СaO×Al2O3 ×3CaSO4×31H2O
К образованию вторичного эттрингита приводит действие на бетон растворов таких солей, как CaSO4, MgSO4, Na2SO4, (NH4)2SO4, Al2(SO4)3.
Для защиты от сульфатной коррозии следует применять сульфатостойкие цементы.
Классификация агрессивных сред и меры по защите бетона от коррозии приведены в СНиП 2.03.11-85.
В том случае, когда бетон изготавливается на реакционноспособном заполнителе, а цемент содержит повышенное количество щелочей, возникает щелочная коррозия бетона. Она заключается во взаимодействие щелочей, содержащихся в цементе (R2O), с активным кремнезёмом, содержащимся в заполнителе (SiO2×nH2O), что приводит к образованию комплексного гидратированного геля, вызывающего внутреннее давление и растрескивание бетона. К реакционноспособным заполнителям относят те, которые содержат аморфный кремнезём в количестве свыше 50 ммоль/л – в первую очередь это опал, халцедон и др. Для предотвращения щелочной коррозии следует исключить применение реакционноспособных заполнителей и ограничить содержание щелочей в цементе до безопасного уровня – не более 0,6% R2O.
Стойкость бетона во времени.
Для обеспечения основного требования, к конструкции - долговечности бетон должен обладать наравне с необходимыми прочностными и упруго-деформативными характеристиками также повышенной стойкостью по отношению к агрессивному воздействию тех или иных факторов. Под стойкостью бетона понимается его способность в течение длительного срока сохранять в условиях воздействия внешней среды необходимые структурные и физико-механические свойства, обеспечивая нормальную службу конструкции или сооружения.
В процессе эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции и сооружения подвергаются воздействию физических и химических факторов окружающей среды (природной или созданной условиями производства), которые нередко являются агрессивными по отношению к бетону в конструкции. Развивающийся под воздействием агрессивных факторов деструктивный процесс в бетоне принято называть коррозией.
Различают физические, химические и биологические причины коррозии бетона. К физическим факторам, оказывающим разрушающее воздействие на бетон, относятся: многократное попеременное замерзание и оттаивание бетона в увлажненном или насыщенном водой состоянии; частые попеременные увлажнение и высыхание бетона в условиях положительных температур, которые сопровождаются остаточными деформациями усадки и набухания; капиллярный подсос с миграцией в бетоне влаги, содержащей растворимые соли, что вызывает отложение и выкристаллизовывание солей в порах бетона с развитием значительного внутреннего давления на стенки пор или образование солевых налетов на наружных лицевых поверхностях конструкций и сооружений, наконец, постоянное или периодическое действие на бетон высоких температур. Таким образом, бетон должен обладать соответствующей морозостойкостью, атмосферостойкостью, огне- и жаростойкостью и другими физическими характеристиками, обеспечивающими его стойкость в тех или иных условиях.
Фактором, вызывающим химическую коррозию бетона в конструкции, является агрессивное воздействие химически активной по отношению к бетону водной или газовой среды. Способность бетона противостоять таким воздействиям называют химической стойкостью или просто коррозиестойкостью бетона. Биологические причины коррозия по существу сводятся к химическим.
А.) Морозостойкость бетона
Морозостойкость - одно из основных свойств бетона, предопределяющее его долговечность. Под морозостойкостью понимается способность бетона, находящегося в увлажненном или в насыщенном водой состоянии, противостоять систематическому действию знакопеременных температур окружающей среды без изменения структурных и физико-механических характеристик.
Основной причиной разрушения бетона при многократном попеременном замораживании и оттаивании, сопровождающемся водонасыщением, является увеличение объема воды в порах бетона, достигающее 9-10%. В результате превращения воды в лед создается давление изнутри на стенки пор и в бетоне возникают значительные внутренние напряжения, приводящие при многократном повторении теплосмен к постепенному расшатыванию его структуры и затем к разрушению.
Разрушение от внутренних напряжений может произойти в тех случаях, если в момент замерзания поры в бетоне заполнены водой не менее чем на 85-90% их общего объема. Однако в обычных условиях эксплуатации и при хранении па воздухе такого водонасыщения не наблюдается. При замерзании же бетона, которое происходит начиная с наружных слоев и постепенно распространяется в глубь конструкции, в нем создается градиент температуры и влага из более теплых, внутренних слоев непрерывно мигрирует к более холодным, наружным. Создаются условия для более полного насыщения пор бетона в зонах замерзания и для разрушительного действия льда в этих зонах. Вода замерзает со скоростью, зависящей от температуры наружного воздуха и размеров пор, - вначале в крупных порах, а затем в более мелких. Во время оттаивания вода перемещается в бетоне в обратном направлении, мигрируя от нагревшихся наружных слоев к более холодным внутренним. При многократно повторяющихся циклах замерзания и оттаивания способность бетона к водонасыщению возрастает, содержание воды в порах постепенно увеличивается, нарушения структуры- усиливаются и бетон начинает заметно разрушаться. Требования к бетону по морозостойкости в зависимости от назначения сооружения, конструкции, от условий их эксплуатации нормируются в виде марок бетона по морозостойкости, оцениваемой согласно стандартной методике по числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое бетон должен выдержать без снижения прочности более чем на 25% и уменьшения веса более чем на 5%.
Большое влияние на морозостойкость бетона оказывает его плотность и характер пористости. Увеличение плотности бетона достигается рядом технологических средств, в частности уменьшением начального содержания воды в бетонной смеси и водоцементного отношения; для получения бетонов с высокой морозостойкостью оно должно быть в пределах 0,45-0,55.
Температура замерзания воды в порах бетона зависит от радиуса пор: чем тоньше поры, тем ниже температура замерзания воды в них. Так, в наиболее тонких капиллярах вода переходит в лед при -25° С, а в порах гелевидной составляющей цементного камня - при температуре от -50 до -60° С. Наиболее нежелательными с точки зрения, морозостойкостиявляются сообщающиеся между собой капиллярные поры, в том числе и тонкие капилляры, обусловливающие возможность капиллярного подсоса; и те и другие способствуют значительному водонасыщению бетона. В то же время более крупные заполненные воздухом и плохо сообщающиеся между собой поры-ячейки, характерные для ячеистого бетона, почти не оказывают отрицательного влияния на морозостойкость. Для обеспечения необходимой морозостойкости таких бетонов важно, чтобы стенки пор были достаточно плотными и морозостойкими.
На морозостойкости бетона существенно отражаются свойства и характеристики примененного вяжущего вещества и заполнителей. Цементы не должны содержать тонкомолотых добавок, повышающих их водопотребность (в особенности опоки, трепела); пуццолановые портландцементы снижают морозостойкость бетонов. Повышенная морозостойкость может быть достигнута при использовании алитового портландцемента с содержанием С3А не более 6-8%. Примененный в бетоне крупный заполнитель должен обладать морозостойкостью, не ниже требуемой для бетона в целом, а содержание пылевидных, глинистых и илистых примесей в крупном и мелком заполнителях не должно превышать 1-2% (по весу).
Повышение морозостойкости может обеспечить введение в состав бетона пластифицирующих, воздухововлекающих и гидрофобизующих поверхностно-активных добавок. Образующиеся в этом случае в бетоне мелкие равномерно распределенные замкнутые поры-сфероиды играют роль буферов, смягчающих отрицательное действие внутреннего давления, развивающегося в бетоне при образовании в порах льда, а частично сообщающиеся с капиллярами поры-сфероиды являются запасными емкостями, в которые выдавливается из капилляров вода при расширении ее во время перехода в лед. Введение добавки в таком количестве, при котором объем воздухововлеченных пор составляет от 3 до 4% общего объема бетона, позволяет существенно повысить морозостойкость бетона. Кроме того, немаловажным фактором повышения морозостойкости является снижение водопотребности бетонной смеси при введении в ее состав поверхностно-активных веществ.