Корозія бетону напрями досліджень та перспективи
Корозія бетону: напрями досліджень та перспективи
Автори присвятили цю публікацію розгляду процесів корозії бетонних конструкцій. При експлуатації готових виробів вплив навколишнього середовища здатний надати певний, найчастіше негативний вплив на характеристики бетону. Тому властивості матеріалу, і головним чином міцність як визначальний показник якості, змінюються протягом тривалого терміну служби конструкції. Ці зміни здатні створити загрозу руйнування як окремих елементів, а й споруди загалом. Тому необхідно всебічне вивчення механізмів корозійного руйнування, яке дозволить встановити, що відбувається з показниками якості будівельних матеріалів у процесі їх експлуатації під впливом тих чи інших факторів довкілля, сприятиме поліпшенню властивостей та обґрунтуванню способів захисту.
Фізико-хімічні процеси, що відбуваються при твердінні цементних систем, характеризуються взаємодією компонентів в'яжучого і води, в результаті чого утворюється штучний кам'яний матеріал із заданими властивостями. Інженери та фахівці, спрямовано регулюючи рецептуру сировинної суміші, вибираючи параметри формування та твердіння, одержують вироби з необхідними експлуатаційними параметрами. Проте певний набір властивостей отриманого у своїй матеріалу залишається завжди незмінним. Основною характеристикою бетону, як і багатьох інших будівельних матеріалів є міцність, але цей показник величина непостійна. При експлуатації готових виробів вплив навколишнього середовища здатний надати певний, найчастіше негативний вплив на характеристики бетону. Тому властивості матеріалу, і головним чином міцність, як визначальний показник якості,змінюються протягом тривалого терміну служби конструкції. Ці зміни здатні створити загрозу руйнування як окремих елементів, а й споруди загалом.
Розглянемо історію виникнення та розвитку питання вивчення стійкості будівельних матеріалів під впливом зовнішніх експлуатаційних чинників. Ми не можемо дати повний історичний нарис досліджень у галузі корозії в'яжучих матеріалів, тому обмежимося лише основними моментами.
У стародавні часи будівельні розчини, а потім і бетони, використовувалися при створенні культових споруд, палаців і житлових будівель. Особливо цікаві (з технічної точки зору та для оцінки стійкості) бетонні споруди, які під час експлуатації піддавалися впливу агресивних рідин. Йдеться про водопровідні споруди: акведуки, римські лазні-терми, рибозасолювальні чани та багато інших споруд, відкритих при археологічних розкопках поселень часів Римської імперії.
Перший вид корозії включає процеси, що виникають у бетоні при дії рідких середовищ, здатних розчиняти компоненти цементного каменю. Складові частини цементного каменю розчиняються та виносяться зі структури бетону. Особливо інтенсивно ці процеси відбуваються при фільтрації води через товщу бетону. Другий вид корозії включає процеси, при яких відбуваються хімічні взаємодії - обмінні реакції - між компонентами цементного каменю і агресивного середовища, продукти реакції, що утворюються, або легко розчиняються і виносяться зі структури в результаті дифузії вологи, або відкладаються у вигляді аморфної маси. Одним із найскладніших типів корозії, характер руйнування матеріалу при якому визначається багатьма факторами, є корозія третього виду. Цей вид корозії включає процеси, при розвитку яких відбуваєтьсянакопичення та кристалізація малорозчинних продуктів реакції зі збільшенням об'єму твердої фази в порах бетону, що створює внутрішні напруги, які призводять до пошкодження структури матеріалу [див.Москвін В.М. Довговічність бетону та теорія корозії // Гідротехнічне будівництво.1985. №8. С.10].
В останні десятиліття широку популярність здобули розробки, присвячені вирішенню проблем корозії бетону, проведені в таких наукових центрах як Американський інститут бетону, Лабораторія мостів та доріг у Франції, Німецький комітет із залізобетону, Японський інститут бетону. Проблеми корозії та захисту бетону розглядаються рядом міжнародних організацій: RILEM – Reunion internationale des Laboratories d'Essai та Recherche sur les Materiaux es les Construction (Міжнародний союз лабораторій з випробування матеріалів та конструкцій); ISO – International organization for Standardization (Міжнародна організація зі стандартизації); CEB – Committee Euro International du Beton (Європейський комітет з бетону); FIP – Federation Internationale de la Precontrainte (Міжнародна організація з попередньо напруженого залізобетону); CEN – Committee European de Normalisation (Європейський комітет зі стандартизації).
Дослідження, проведені переліченими вище організаціями, встановили такі підходи до визначення класифікації корозійних процесів. Класифікація будується трьома способами. Перший спосіб - в основу назви закладається найменування агресивної речовини, що впливає, наприклад, Chloride Attack - корозія при впливі хлоридів. Другий – назва визначає сам процес, що зумовлює корозійне руйнування, або речовина, що утворюється внаслідок цієї корозії, наприклад, Alkali Silica Reaction – реакції взаємодії лугівта кремнезему. Третій – класифікація корозійних процесів, у назві яких враховується і характеристика агресивного середовища та процес, що вивчається, наприклад Ettringite Sulfate Attack – сульфатна корозія бетону при утворенні еттрингіту.
Рис.1. Класифікація процесів корозії:
1 – вилуговування гідроксиду кальцію; 2 – лужна; 3 – кислотна;
4 – магнезіальна; 5 – кристалізація солей у порах бетону; 6 – хлоридна;
7 - сульфатна: 7а - освіта еттрингіту, 7б - освіта таумасіту;
8 – реакції між заповнювачем та складовими цементного каменю:
8а – взаємодія лугів із кремнеземом заповнювача,
8б – взаємодія лугів із карбонатом заповнювача.
Розглянемо розвиток процесів корозії бетону відповідно до наведеної класифікації (рис.1). Перший вид корозії, при якому відбувається розчинення компонентів цементного каменю під дією води, може бути описаний так: спочатку розчиняється і виноситься водою гідроксид кальцію, це викликає гідроліз гідросилікатів і гідроалюмінатів кальцію, руйнування структури матеріалу і зменшення щільності і міцності. Відмінна риса Са(ОН)2 – здатність розчинятися навіть у дистильованій воді за температури 20°С. Підвищення його розчинності сприяє присутність іонів SO42-, Cl-, Na+, K+. Такі процеси характерні переважно для річкових гідротехнічних споруд, наприклад, гребель. Ознаки корозії першого виду можна спостерігати на ділянках висихання води, що стикається з бетоном: це білі плями, що згодом перетворюються на великі нарости розміром до 15 см (рис.2).
Рис.2. Зовнішній вигляд зразків при випробуванні на вилуговування гідроксиду кальцію:
а – на початку випробування, б – наприкінці випробування
Для визначеннялужності середовища застосовують фенолфталеїн, що має точку переходу при водневому показнику рН близько 7. У розчині Са(ОН)2 фенолфталеїн буває забарвлений у яскраво-фіолетовий колір, а в нейтральному та кислому середовищі він безбарвний. Якщо зробити скол бетону і змочити декількома краплями розчину фенолфталеїну, то ділянки цементного каменю, що містять вільний гідроксид кальцію, забарвляться яскравим фіолетовим (малиновим) кольором, а ділянки, на яких пройшла карбонізація, залишаться безбарвними.
Однак зазначений вище процес вилуговування гідроксиду кальцію з бетону спостерігається тільки при фільтрації м'яких вод через споруди. Значно небезпечніші для бетону води, що містять хімічно активні речовини. Процеси подібного роду відносяться до другого виду корозії: лужний, кислотний та магнезіальний вплив зовнішнього середовища. Лужна корозія, як випливає з назви, виникає при дії на бетон розчинів лугів, переважно NaOH та КOH. На практиці корозія цього виду спостерігається у цехах з виробництва каустичної та кальцинованої соди. Такі деструктивні процеси в бетоні часто розвиваються внаслідок інтенсивної карбонізації лугу за наявності СО2 повітря. Крім того, луги агресивно діють на алюмінатну складову цементу, зумовлюючи утворення розчинних алюмінатів натрію та калію.
Характер процесу корозії під впливом кислот істотно залежить від природи агресивної речовини. Однією з найчастіше які у природних умовах є вуглекисла корозія. Джерела появи СО2 у природних водах – це переважно біохімічні процеси, які у ній і грунтах. Концентрація вуглекислоти значною мірою залежить від сезонності, оскільки визначається температурними умовами. При 150С показник pH ґрунтових водсередньому коливається від 4,6 до 5,7. Крім вуглекислоти слід зазначити, що на бетон можуть впливати соляна, сірчана, азотна, оцтова, гумінова кислоти. Наприклад, гумінова, хоч і справляє деяку дію на бетон, значно менш агресивна, ніж чиста або містить СО2 вода. В результаті такої взаємодії утворюється кальцієва сіль та аморфні маси. Розчинні продукти виносяться із структури, нерозчинні осідають у порах. Останні уповільнюють доступ агресивного середовища до ще неушкоджених ділянок конструкції, регулюючи швидкість дифузії іонів у поверхневих шарах бетону. Ми не будемо зупинятись на описі самого процесу, оскільки він досить широко розглянутий у літературі [див.Алексєєв С.М., Розенталь Н.К. Корозійна стійкість залізобетонних конструкцій в агресивному промисловому середовищі. М.: Стройиздат, 1976], на додаток лише скажімо, цей вид корозії уражає підземних споруд: фундаментів, колекторів, каналізаційних труб. Руйнування конструкцій промислових будівель у целюлозній або металообробній промисловості від дії кислот зазвичай починається з підлог, потім руйнуються і елементи, що стикаються з ним (стіни, сходи і т.д.).
У підземних водах часто є солі магнію, наприклад MgSO4, MgCl2, що сприяють розвитку магнезіальної корозії. Під впливом цих солей можливе розкладання гідросилікатів, а також гідроалюмінату кальцію, що супроводжується утворенням гіпсу та деструкцією матеріалу. Основна реакція, що протікає між сульфатом або хлоридом магнію, може бути записана наступним чином:
Ca(OH)2+MgSO4(MgCl2)?CaSO4(CaCl2)+Mg(OH)2
Сульфат магнію утворює тверду щільну оболонку в результаті відкладення магнію гідроксиду в поверхневих порах. Цементний розчин,підданий впливу сульфату магнію врешті-решт стає м'яким і розпадається, утворюючи тверді зернисті частинки.
Процеси кристалізації солей у порах бетону, хлоридну корозію, кристалізацію пізнього еттрингіту та утворення таумаситу, а також реакції лугів цементного каменю із складовими заповнювача відносяться до процесів корозії третього виду.
При кристалізації в порах бетону солей, що містяться в агресивному середовищі, при поперемінному зволоженні та висушуванні конструкції можуть виникати внутрішні напруження. Найбільш небезпечна для стійкості бетону не просто кристалізація солі, а кристалізація при температурі вище температури точки фазового переходу (див. таблицю), потім зволоження при зниженні температури та утворення кристалогідрату зі збільшенням обсягу твердої фази. Так, якщо пори бетону, заповнені безводним сірчанокислим натрієм при температурі вище 32,3°С, зволожуватимуться при нижчій температурі, то утворюється стабільний за цих умов десятиводний кристалогідрат Na2SO4·10Н2О (рис.3). Обсяг, який займає цей кристалогідрат, більш ніж у чотири рази перевищить обсяг вихідної безводної солі. В результаті розвивається значний кристалізаційний тиск, що викликає руйнування виробу.
Збільшення обсягу при утворенні кристалогідратів