Коррозия бетона и железобетона

Коррозия бетона и железобетона

Одним из больших преимуществ железобетона по сравнению с металлами и другими материалами является его высокая коррозионная стойкость [7]. Однако опыт эксплуатации железобетонных конструкций транспортных сооружений развеял миф о «вечности» железобетона как конструкционного материала, потому что в ряде случаев под воздействием агрессивной среды (атмосферы, грунтов и грунтовых вод, постоянного электрического тока), железобетонные конструкции подвергаются интенсивной коррозии и преждевременному разрушению, что снижает эффективность их применения, а иногда даже создает опасность для движения транспорта [16].

Коррозия бетона (железобетона), подобно коррозии металла, связана с воздействием агрессивной внешней среды, но имеет ряд специфических особенностей.

Стандарт СЭВ СТ4419-83 понятие «коррозия» определяет как процесс необратимого ухудшения технических характеристик строительного материала (бетона) в результате физикохимического, химического, биологического воздействия внешней среды или же химических процессов, протекающих в самом материале, изменяющих его структуру и свойства. Можно сказать, что причиной коррозии бетона является как взаимодействие цементного камня бетона с агрессивными компонентами и факторами внешней среды, так и взаимодействие между составляющими цементного камня.

Бетон – многофазная пористая система, находящаяся в равновесии с водой в порах бетона. При рН=12,5-13 все составляющие бетон фазы устойчивы. При воздействии внешней агрессивной среды равновесие системы нарушается и в бетоне начинают протекать различные процессы, приводящие к коррозии.

Коррозия бетона и железобетона в жидких средах

На мостовые конструкции и транспортные сооружения воздействуют различные жидкие агрессивные среды. Это пресные речные воды (опоры мостов), грунтовые воды, атмосферные осадки в виде дождей, туманов, промышленные водные стоки, щелочные и кислые среды и т.п.

Согласно современным представлениям, коррозию бетона и железобетона классифицируют в жидких средах на 3 вида:

вид – коррозия, связанная с воздействием водных сред с малым содержанием солей с преимущественно нейтральной реакцией (рН=6,8÷7,2);

вид – коррозия при воздействии весьма агрессивных сред, например, кислот, щелочей, некоторых солей, таких, как хлориды натрия или магния;

вид – коррозия, обусловленная проникновением в поры бетона жидких сред, содержащих компоненты, образующие с поровой жидкостью или цементным камнем нерастворимые кристаллические соединения.

Каждый вид коррозии характеризуется своими особенностями, специфическими физико-химическими процессами и реакциями, которые определяют характер коррозионного разрушения. В железобетоне, наряду с коррозией бетона, может протекать коррозия стальной арматуры. Кроме того, наблюдаются и специфические виды коррозии, связанные, например, с воздействием на бетон и железобетон бактерий, грибов, водорослей и т.п.

Коррозия бетона и железобетона в атмосферных условиях

Атмосферная коррозия – наиболее распространённый вид коррозии. При этом на бетон воздействуют такие факторы атмосферы, как температура (колебания температур), влажность, наличие в атмосфере газов, осадки в виде дождя, снега и т.п.

Сухая атмосфера (относительная влажность 0 С расширение льда значительно превосходит расширение бетона; поэтому переход от минусовых температур к положительным (т.е. оттаивание бетона) может быть более опасным, чем замерзание. Существенно ускоряют разрушение бетона при циклическом замораживании – оттаивании наличие растягивающих напряжений в бетоне, солей антиобледенителей в воде (в частности хлоридов), образование кристаллогидратов при охлаждении соединений, обладающих большим объёмом и другие факторы.

Для увеличения морозостойкости бетона необходимо уменьшить капиллярную пористость, водопроницаемость, что достигается обычно правильным подбором соотношения вода/цемент (В/Ц), которое не должно превышать 0,30-0,35. Установлено, что для снижения капиллярной пористости на 1% необходимо уменьшить количество воды затворения на 10 л/м 3 бетона; такой же эффект достигается увеличением расхода цемента на 20÷25 кг/м 3 . Повышение морозостойкости обеспечивается также пропариванием бетона по определённому тепловому режиму.

Значительного повышения морозостойкости можно добиться оптимальным подбором минералогического состава цемента. Установлено, что повышенное содержание трёхкальциевого алюмината, введение молотых минеральных добавок, пористых заполнителей снижают морозостойкость бетонов. Поэтому для повышения морозостойкости используют цементы с минимальным содержанием трёхкальциевого алюмината ( 11,8. Воздействие щелочной среды на сталь переводит её в пассивное состояние, обусловленное формированием на поверхности металла гидроксидов железа. Кроме того, слой бетона, соприкасающийся с арматурой, в той или иной степени, обладает изолирующей способностью и защищает её от коррозии. Коррозионный процесс на стали может развиться в том случае, если будут созданы условия для протекания электрохимических парциальных реакций: катодного процесса деполяризации и анодного процесса растворения. Это возможно в том случае, если нарушается пассивная плёнка, к поверхности стали проникает кислород (деполяризатор катодного процесса), создаются локальные катодные и анодные участки и возникает разность потенциалов, т.е. формируются микрогальванопары.

Нарушение пассивной плёнки, защищающей металл, возможно по следующим причинам: 1) снижение рН поровой жидкости до величин ниже 11,8; 2) проникновение к поверхности стали агрессивных хлорид-ионов и 3) ускорение анодных процессов растворения стали. Снижение рН поровой жидкости возможно при образовании растворимых веществ и вымывании их из цементного камня; это может происходить при воздействии водных растворов кислот, солей, агрессивных газов. Кроме того, в бетоне всегда достаточно влаги, необходимой для снижения рН. Учитывая, что бетон имеет достаточно высокую пористость, весьма высока вероятность проникновения к поверхности арматурной стали кислорода – деполяризатора катодного процесса. Структурная неоднородность арматурной стали, наличие различного рода включений, внутренние напряжения и т.п. создают предпосылки появления микрогальванопар, их активного функционирования, локализации коррозионных процессов, которые могут проявляться в виде питтингов, язв.

Таким образом, для стальной арматуры создаются условия для возникновения и интенсивного протекания коррозионных процессов. Эти процессы могут ускоряться и другими факторами: наличием трещин в бетоне, облегчающих проникновение агрессивных сред к стальной арматуре, собственной коррозией цементного камня, наличием блуждающих токов, недостаточной толщиной слоя бетона.

В результате протекания коррозионных процессов на стали происходит снижение механических свойств металла, появление трещин коррозионного растрескивания, особенно для напряжённой арматуры; образование продуктов коррозии большего объёма, отслоение бетона от арматуры. В конечном счёте, это приводит к разрушению железобетона. Кинетика коррозионного разрушения железобетона иллюстрируется рис. 1.

Рис. 1 Процесс коррозионного разрушения железобетона при воздействии хлоридов

Скорость коррозии арматуры зависит от изолирующей способности защитного слоя бетона, его плотности, толщины, химического состава цемента.

Внешними признаками коррозии арматуры в бетоне являются [8]:

пятна ржавчины на поверхности бетона вдоль расположения стержней;

трещины, ориентированные по направлению арматурных стержней;

отслоение защитного слоя бетона с оголением арматуры, наличие ржавчины на поверхности арматуры.

Состояние арматуры может быть оценено по следующим признакам:

глубине коррозионного поражения и площади коррозионных повреждений;

характеру коррозионных повреждений (сплошная, пятнами, точечная, язвами, налет ржавчины);

толщине и плотности продуктов коррозии.

Арматура в эксплуатационных условиях в бетоне обычно защищена от коррозии благодаря пассивации стали, определяемой уровнем щелочности бетона, который обычно превышает 12,0÷12,5. При этом на поверхности арматуры образуется пассивирующий слой гидроксида железа, который предотвращает разрушение стали. Как отмечалось выше, защитная способность пассивной пленки может быть нарушена или при воздействии углекислых сред на бетон, или в случае превышения критической концентрации хлоридов на поверхности арматуры. То есть коррозия арматуры в бетоне может быть связана с карбонизацией защитного слоя бетона [15], или проникновением и накоплением ионов хлора, или же влиянием кислорода, проникшего через поры, заполненные воздухом (рис. 2).

Рис. 2 Условия возникновения коррозии арматуры

При карбонизации происходит взаимодействие поровой жидкости, содержащей Са(ОН)2, с углекислым газом по реакции:

Са(ОН)2 + СО2 → СаСО3↓ + Н2О

Образующийся карбонат кальция насыщает поры, уменьшает рН, что приводит к изменению структуры и защитной способности бетона к арматуре.

Коррозия арматуры резко возрастает с увеличением содержания хлоридов, бикарбонатной щелочности или температуры окружающей среды.

Пассивная пленка на арматуре может быть разрушена вследствие карбонизации защитного слоя или проникновения через него ионов хлора. Также важны микроклимат на поверхности конструкции или уменьшение щелочности вследствие вымывания поровой жидкости проточной водой. Очевидно, это может иметь место в трещинах в случае бетона низкого качества или при высоком водоцементном отношении.

Защита бетона от коррозии

Коррозийным разъеданием подвергаются многие строительные материалы, в том числе и бетон. Она представляет собой разрушение металлов под воздействием физико-химических или химических факторов окружающей среды. Чтобы предотвратить разрушение в сооружениях из бетона и железобетона существуют различные методы защиты. Это могут быть покрытия поверхности с помощью специального стойкого материала или разнообразными лаками, пропитками.

Определение коррозии

Коррозия представляет собой разъедание строительных материалов под влиянием физических, химических и биологических факторов при контакте с окружающей средой. Бетон имеет в своем составе наименее прочный компонент – это цементный камень. Именно с этой части материала начинается коррозийный процесс. Разрушение случается в результате воздействия различных видов вод, а именно:

• сточных;
• вод в траншеях или трубах;
• морских;
• речных;
• грунтовых.

Наиболее опасны для бетонов грунтовые воды вблизи промышленных предприятий из-за наличия в них химических выбросов. Также при воздействии с бетоном и железобетоном наносят им весомый вред сточные воды. Коррозия бетона воздействует на гидротехнические сооружения, загрязняет воздух, однако, такая концентрация газа в окружающей среде не вредит здоровью человека, но способствует разрушению бетонных конструкций.

Разрушения строительных материалов разнообразны и могут находиться разрушающие микроорганизмы как в прямом контакте, так и внутри структур. Ускоряется разъедание в бетоне при повышенной влажности окружающей среды.

Виды и описание

Существуют разновидности бетонной коррозии:

• Радиационная, которая зависит от дозы ионизирующего облучения и количества цементного камня. Вследствие чего искажается кристаллическая решетка минералов, расширяется заполнитель, который приводит к микротрещинам, макротрещинам в материале, а в дальнейшем к полному разрушению.
• Химическая, происходящая вследствие атмосферных осадков и под воздействием углекислого газа, входящий в состав воздуха. Таким образом, в строительстве бывает газовая коррозия, которая особенно актуальна при большом количестве влаги.
• Биологическая. Разъедания, связанные с биологической коррозией, появляются в результате воздействия химических веществ, получившиеся при эксплуатации бетонных конструкций.
• Физико-химическая коррозия появляется в результате замерзания воды. В жидком состоянии вода попадает в поры материала, а в результате минусовых температур она замерзает. Образовавшийся лед расширяется и распирает постройки, в итоге образуются трещины.

Вернуться к оглавлению

Химические разъедания

Образуются под взаимодействием бетонного камня с веществами окружающей среды. Процессы химической коррозии относятся к трем категориям:

• В результате кристаллизации материалов происходит растрескивание. Трещины являются последствием расширения объема материала из-за низких температур.
• Выщелачивание мягкими водами с последующим образованием белого налета.
• Цементная бацилла, которая является последствием влаги, разрушает бетонные конструкции. На них образуются трещины и растрескивания.

Вернуться к оглавлению

Физико-химическая

В этом случае цементный камень расходится в воде. В результате чего гидроксид кальция вымывается или растворяется. Растворение железобетона из-за воздействия воды случается с различной быстротой. Так, например, плотные массивные конструкции подвластны коррозии лишь по истечении многих десятилетий. В сооружениях с тонкими оболочками, вымывание кальция случается уже через 2-3 года. В момент прохождения вод через бетон, процесс разложения ускоряется во много раз, и уменьшаются прочностные характеристики материала.

Биологические разрушения

Коррозия с образованием больших объемов биологических соединений в камне, является итогом влияния проникающих в бетон различных веществ. Это способствует появлению внутреннего напряжения и трещин в бетонной конструкции. Биологическая коррозия определяется наличием на цементном камне бактерий, мхов, грибков или лишайников.

Биологические разрушения развиваются из-за прямого контакта микроорганизмов с материалом. А также биоорганизмы, которые могут нанести вред материалу, находясь на расстоянии. Развиваются биологические коррозии в условиях техногенной среды с большим содержанием влаги в атмосфере.

Радиационная

Коррозия бетона бывает радиационной, которая возникает в результате радиационного излучения. Она способствует удалению из бетонной конструкции кристаллизованной жидкости и тем самым приводит к нарушению прочности структуры. Продолжительное воздействие радиационного облучения приводит к жидкому состоянию кристаллических веществ. Появляется напряжение в бетонном растворе, и возникают трещины.

Факторы влияния

Коррозия бетона возникает под воздействием следующих обстоятельств, от которых зависит скорость разрушения зданий и сооружений:

• умение поверхности бетонного раствора противодействовать веществам;
• пористость материала;
• вещества, находящиеся в атмосферных осадках;
• капиллярность.

Главная составляющая бетона – это его пористость, которая определяет количество пор и наличие плотности в структуре материала. От пористости бетона зависит возможность влагопоглощения конструкции при таянии снежных масс или других атмосферных осадков. Материал со значительным количеством пор подвластен большей возможности разрушения в результате физико-химической коррозии. Поэтому защита бетона от коррозии должна начинаться на начальном этапе постройки зданий и сооружений, ведь все виды коррозии бетона приводят к разрушению построек.

Антикоррозийная защита

Виды коррозийных разрушений бетона различны и многообразны. Многих строителей интересует вопрос защиты бетонных конструкций от влияния негативных внешних факторов окружающей среды.

Зачастую подвергаются разрушению верхние слои бетона, тогда защита заключается в применении бетона с небольшим количеством капилляров в его структуре. Используя препарат от возникновения трещин еще на начальном этапе строительства, это поможет уберечь сооружения от выщелачивания и вымывания.

Защита от разрушений в виде ржавчины разделяется:

• способы, изменяющие состав бетона, при этом, делая его более прочным и устойчивым к негативным воздействиям окружающей среды;
• мероприятия, связанные с покрытием поверхности материала гидравлическими препаратами;
• комбинированные мероприятия, которые включают в себя покрытие бетона антикоррозийным препаратом с дальнейшим его проникновением вглубь материала.

Применение в состав бетона белитового цемента позволит снизить количество выделяемого гидроксида кальция, что способствует испарению жидкости. Такой компонент позволит уплотнить материал и тем самым прекратит проникновение жидкости через бетонный раствор.

Еще один вид разрушения бетонного сооружения от ржавчины — сульфатная коррозия бетона. Она появляется в результате взаимосвязи сульфатов с камнем в цементе раствора. Разрушение наблюдается в виде искривлений конструкции и распирания конструктивных элементов.

Металлические части конструкции покрывают специальными защитными материалами.

Коррозию бетона, возникшую из-за воздействия вод, предотвращают разными путями. Используют разнообразные добавки, препараты на начальном этапе приготовления бетонного раствора: водоотводы или гидроизоляцию.

Защита бетона от разъеданий подразделяется на: первичную и вторичную. Также подвластны воздействию разъедания ржавчиной сооружения из железобетона. Для их спасения применяют ингибиторы металлической коррозии в момент приготовления бетонного раствора. Таким образом, на составляющих из железобетона образуется пленка, которая останавливает контакт металла с бетоном.

Первичная

Данная защита обусловлена введением дополнительных препаратов в состав бетонной смеси в процессе его приготовления. Такой способ позволит изменить состав смеси и убережет в дальнейшем здания и сооружения от разрушений.

Применяют разнообразные стабилизирующие, гидроизоляционные, пластифицирующие, биоцидные и другие препараты. При выборе вспомогательных препаратов для изготовления раствора отталкиваются от условий эксплуатации бетонного камня. Например, при изготовлении цементного раствора в водах с большим содержанием сульфата снижают количество свинца.

Что используется?

Улучшают бетонный раствор и его прочностные характеристики химические препараты. Они позволяют сократить в порах агрессивные вещества, которые замедляются при движении. А, значит, коррозия арматуры в бетоне подвергается меньшим разъеданиям. Используя химические препараты в качестве добавок в цементный раствор, увеличивают замкнутость пор. Благодаря этому образуется высокая морозостойкость бетона и железобетона. Используют химические добавки: противоморозные, воздухопоглощающие, уплотняющие, замедлители схватывания.

Применение добавок в бетонную смесь, которые повышают морозостойкость.

Применяют добавки, которые способны улучшить сразу пару показателей или, наоборот, один улучшают, другой снижают. Для защиты бетонных сооружений от разъедания его составляющих ржавчиной используют такие добавки:

• сульфатно-дрожжевую бражку;
• мылонафт;
• кремнийорганическую жидкость.

Вернуться к оглавлению

Вторичная

Вторичная защита от разрушений ржавчиной бетонных сооружений и зданий из железобетона заключается в защитном покрытии верхнего слоя цементного камня. Защита состоит из лакокрасочных покрытий и уплотняющей пропитки. Также к ней относят выдержу бетона определенное время на воздухе.

Что используется?

Вторичная защита включает в себя следующие добавки, при которых разъедание ржавчиной бетонных построек сводится к минимуму:

• пропитки с уплотнением;
• покрытия красками и акрилами, с помощью которых образуется защитная пленка;
• защита мастиками, которая актуальна при большом воздействии на бетонный раствор влаги;
• защита оклеиванием полиизобутиленовыми пластинами;
• биоцидные добавки, которые оберегают сооружения от грибков, плесени и микроорганизмов. Большего эффекта можно добиться, используя первичную и вторичную защиту в комплексе.

Вернуться к оглавлению

Заключение

Коррозийные воздействия опасны для бетонных зданий и сооружений из железобетона. Важно следить за постройками и всячески предотвращать появление разъедающей ржавчины. Иначе постройка, на которую ушло много сил и финансов, может полностью пасть. На рынке строительных материалов присутствует множество различных добавок, которые способны спасти постройку от разрушений.