Лекция 4. Коррозия цементного камня и меры борьбы с ней
Бетон в инженерных сооружениях в процессе эксплуатации может быть подвержен агрессивному воздействию внешней среды: пресных и минерализованных вод, совместному действию воды и мороза, попеременному увлажнению и высушиванию. Среди компонентов бетона цементный камень наиболее подвержен развитию коррозионных процессов. Для того чтобы бетон стойко сопротивлялся агрессивному воздействию внешней среды, цементный камень должен быть коррозие-, морозо- и атмосферостойким.
Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков может быть разделена на три вида:
I вид коррозии — разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Растворимость Са(ОН)2 невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15°С), но из цементного камня в бетоне под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)2 непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность.
Существенное повышение стойкости цементного камня в пресных водах достигается введением в цемент гидравлических добавок. Они связывают Са(ОН)2 в малорастворимое соединение — гидросиликат кальция:
Следующей мерой защиты бетона от I вида коррозии является применение цемента, выделяющего при своем твердении минимальное количество свободной Са(ОН)2. Таким цементом является белитовый, содержащий небольшое количество трехкальциевого силиката.
II вид коррозии — разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты которые либо легкорастворимы и уносятся фильтрующей через бетон водой, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность.
Наиболее характерны среди упомянутых обменных реакций те, которые протекают под действием хлористых и сернокислых солей. Сернокислый магний, взаимодействуя с Са(ОН)2 цементного камня, образует гипс и гидроксид магния — аморфное вещество, не обладающее связностью и легко вымывающееся из бетона:
Между MgCl2 и Са(ОН)2 протекает реакция
Образовавшийся хлористый кальций хорошо растворяется в воде и уносится фильтрующей водой.
Коррозия цементного камня водами, содержащими свободные углекислоту и ее соли, происходит в такой последовательности. Вначале растворенная углекислота взаимодействует с Са(ОН)2
и образуется труднорастворимый углекислый кальций, что положительно сказывается на сохранности бетона. Однако при высоком содержании в воде СO2 углекислота действует разрушающе на цементный камень вследствие образования легкорастворимого бикарбоната кальция:
Приведенные реакции, схематически характеризующие разрушение цементного камня под действием воды, содержащей растворенные соли, показывают, что основной причиной этого разрушения является содержание в цементном камне (бетоне) свободного гидроксида кальция Са(ОН)2. Если же ее связать в другое труднорастворимое соединение, сопротивление бетона коррозии II вида должно возрасти. Это и имеет место при использовании активных минеральных добавок.
К III виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводят к разрушению цементного камня.
Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом:
При этом образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень.
В результате реакции образуются кристаллы в виде длинных тонких игл, напоминающих под микроскопом некоторые бациллы. Имея такое внешнее сходство и разрушающее действие на цементный камень, гидросульфоалюминат кальция получил название «цементная бацилла». Цемент с низким содержанием трехкальциевого алюмината должен обладать повышенной сульфатостойкостью.
Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.
Используя конструктивные меры, предотвратить действие воды на бетонную конструкцию возможно путем устройства гидроизоляции, водоотводов и дренажей. Повышение водостойкости бетона технологическими средствами достигается интенсивным уплотнением бетона при укладке или формовании, использованием бетонных смесей с минимальным водоцементным отношением, с тщательно подобранным зерновым составом заполнителей.
Роль активных минеральных добавок (трепела, опоки, диатомита, доменных гранулированных шлаков) в повышении водостойкости портландцемента рассмотрена ранее.
Источник
2.3.4 Коррозия цементного камня. Ее виды и методы защиты
Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков может быть разделена на три вида:
Первый вид коррозии — разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей.
Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Растворимость Са(ОН)2 невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15°С), но из цементного камня в бетоне под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)2 непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность.
Несколько предохраняет от данного вида коррозии защитная корка из углекислого кальция, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции между гидроксидом кальция и углекислотой воздуха
Второй вид коррозии — разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты, которые либо легкорастворимы, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность.
К третьему виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводит к разрушению цементного камня. Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом:
При этом образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень.
Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.
Источник
Коррозия цементного камня
Цементный камень состоит из гелиевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований при взаимодействии цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в приемущественно из субмикрокристаллических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами гидроксида кальция. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств других материалов – металлов, стекла, гранита и т.п. Например, с наличием гелиевой составляющей связана усадка при твердении на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.
Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредным. Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три вида: разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция; образование легкорастворимых солей в следствии взаимодействия гидроксида кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия); образование в порах новых соединений, занимающих большой объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия).
Коррозия первого вида
Коррозия первого вида. Выщелачивание гидроксида кальция происходит интенсивно при действии мягких вод. Содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся воды оборотного водоснабжения, конденсат, дождевые воды, воды горных рек и равнинных рек в половодье, болотная вода. Содержание гидроксида кальция в цементном камне через 3 мес твердения составляет 10-15% (считая на СаО). После его вымывания и в результате уменьшения концентрации СаО (менее 1,1 г/л) начинается разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Выщелачивание в количестве 15-30% от общего содержания в цементном камне вызывает понижение его прочности на 40-50% и более. Выщелачивание можно заменить по появлению белых подтеков на поверхности бетона.
Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание трехкальциевого силиката в клинкера до 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием гидроксида кальция является введение активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай применяемых для сооружения оснований, а также портовых и других гидротехнических сооружений повышает их стойкость.
Коррозия второго вида
Коррозия второго вида. Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный двуоксид углерода в виде слабой угольной кислоты. Избыточный (сверх равновесного количества) двуоксида углерода разрушает карбонатную пленку бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция.
Общекислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющих значения водородного показателя рН — подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе обследования, можно в разделе: «Обследование конструкций, помещений, зданий, сооружений, инженерных сетей и оборудования.»
В процессе магнезиальной коррозии образуется растворимая соль (хлористый кальций или двуводный сульфат кальция), вымываемая из бетона. Гидроксид магния представляет бессвязную массу, не растворимую в воде, в следствии чего реакция происходит до полного израсходования гидроксид кальция.
Коррозия под действием минеральных удобрений
Коррозия под действием минеральных удобрений. Особенно вредны для бетона аммиачные удобрения – аммиачная селитра и сульфат аммония. Аммиачная селитра, состоящая в основном из нитрата аммония, подвергается гидролизу и поэтому дает в воде кислую реакцию. Нитрат аммония действует на гидроксид кальция.
Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и вымывается из бетона. Хлористый калий КСI повышает растворимость Са(ОН)2 и ускоряет коррозию. Из числа фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, состоящий в основном из монокальциевого фосфата и гипса, но содержащий еще и некоторое количество свободной фосфорной кислоты.
Коррозия под влияние органических веществ
Коррозия под влияние органических веществ. Органические кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) разрушают цементный камень, так как при воздействии гидроксида кальция они омыляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не представляют опасности для бетона, если они не содержат нефтяных кислот или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.
Коррозия третьего вида
Коррозия третьего вида. Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатные ионы. Образование в порах цементного камня малорастворимого трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, увеличение растрескивания бетона и разрушение конструкции. С сульфоалюминатной коррозией необъходимо считаться при строительстве морских сооружений. Вместе с тем могут оказаться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, а также грунтовые воды. Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реагирует гидроксид кальция.
В последующем идет образование гидросульфоалюмината кальция вследствие взаимодействия получающегося сульфата кальция и гидроалюмината. Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент.
Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (едкого натрия или калия), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в порах бетона образуется сода и поташ, которые, кристаллизуясь, расширяются в объеме, повреждают и разрушают цементный камень. Сильнее разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция.
Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений. В составе заполнителей бетона, в особенности в песке, встречаются реакционно способные модификации кремнезема: опал, халцедон, вулканическое стекло. Они вступают при обычной температуре в разрушительное для бетона реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен реакционно-способного заполнителя, появляется сеть трещин, поверхность бетона местами вспучивается и шелушится. Разрушение бетона может происходить через 10-15 лет после окончания строительства.
Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы
Источник
