Коррозия бетона и железобетона

Бетоном является вновь образовавшаяся каменная порода, созданная человеком. Эта порода будет называться железобетоном в том случае, если в её тело будет встроена металлическая арматура. Подвергаясь воздействиям различных агрессивных сред — жидких, газообразных и твёрдых, и бетон и железобетон могут обретать заболевания, которые называются коррозией. В этой статье речь пойдет о их видах, материалах влияющих на стойкость и способах защиты.

Коррозия бетона и железобетона – несиловое воздействие на бетон в конструкции или сооружении, вызванное физическими, химическими, физико-химическими, биологическими или иными проявлениями, приводящими к изменению свойств бетона или состояния арматуры (ГОСТ 31384-2017).

Самыми ответственными сооружениями, на которых впервые применили бетон на портландцементе в начале 19 века, были морские молы, набережные, пирсы, маяки. Эти конструкции постоянно подвергаются агрессивному воздействию внешней среды. Эта агрессия бывает, как физическая (удары волн, истирание наносами, льдами), так и химическая (действие солей морской воды). Поэтому первые исследования коррозионной стойкости бетона были посвящены его поведению в морских сооружениях.

Эти работы провели в различных портах крупные инженеры-строители А. Р. Шуляченко и В. И. Чарномский в 1902 г. В результате была признана возможность использовать портландцемент для морских гидротехнических сооружений.

Разрушение бетона коррозией

Виды коррозии и причины возникновения

Надёжность и долговечность бетонных и железобетонных конструкций и сооружений зависит от его непосредственных характеристик и среды, с которой они контактируют. Эти среды могут быть агрессивными, средне-агрессивными, слабоагрессивными, неагрессивными. Точно от этих же составляющих зависит коррозия бетона и арматуры в нём. Коррозию можно подразделить на:

  • биологическая — возникает при взаимодействии непосредственно бетонного камня с растениями (мох, плесень), бактериями и другими микроорганизмами. Пористость материала позволяет растениям и микроорганизмам проникать в тело бетонного камня и разрушать;
  • химическая – когда на бетон и арматуру воздействуют агрессивные среды, такие как магнезиальная, кислотная, щелочная, сульфатная, причём именно сульфатная и является самой опасной и вредоносной;
  • физическая – воздействие на бетон попеременных процессов намокания с последующей потерей влаги, замерзания и оттаивания, нагревания и охлаждения, истирания и др.;

Материалы для бетонов и железобетонов и их влияние на его стойкость в агрессивных средах

Стойкость бетона, т. е. его способность взаимодействовать с окружающей средой, а также его способность защищать арматуру, определяется составом бетона и свойствами материалов из которых он приготовлен. Определяющее значение имеют свойства цемента, образующего в процессе гидратации цементный камень с высокой степенью активности. Посмотрим на них пристальнее.

Цементы

Цементный камень – наиболее уязвимый к воздействию внешней среды компонент бетона. В строительстве больше всего применяются портландцемент и его производные: пуццолановые портландцементы и шлакопортландцементы.

Под общим названием «портландцемент» подразумевается заводской продукт, имеющий в своём составе различное соотношение минералов, составляющих портландцементный клинкер. Он на 75% состоит из силикатов кальция – трёх- и двухкальциевого силиката – и на 25% из минералов, которые условно называют минералами-плавнями.

Основное влияние на свойства цементного камня, а следовательно, и бетона, с точки зрения стойкости в агрессивных средах имеют содержание в клинкере С3А, соотношение между С3А (трёхкальциевый алюминат) и С4АF (четырёхкальциевый алюмоферрит) и соотношение между С3S и С2S, т. е. содержание между алитом (трёхкальциевым силикатом) и белитом (двухкальциевым силикатом). Эти четыре минерала и образуют основную гамму компонентов клинкера.

В стандартах на цементы по минеральному составу выделяют сульфатостойкий портландцемент, содержащий пониженные количества минералов-плавней, который противостоит коррозии.

Заполнители

Заполнители по объёму составляют основную (до 80%) часть бетона, поэтому их коррозионная стойкость и свойства поверхности имеют первостепенное значение для коррозионной стойкости бетона. Если вопрос о химической стойкости изверженных пород не возникает (гранит), то химическая стойкость известняков и доломитов должна быть учтена при общей оценке коррозионной стойкости бетона.

Вода для бетонов

В самом начале бетонной эры вода для бетонов считалась пригодной если она была питьевой и таковой показатель был достаточен. Все остальные воды подвергались сравнительному анализу методом испытания кубиков на прочность на сжатие с питьевой водой. Вода считалась пригодной если прочностные показатели различались не более чем на 10%.

В наше время таких испытаний недостаточно. Необходимо контролировать количество примесей хлоридов в воде затворения бетонов, так как они способствуют коррозии арматуры. Сульфатов в природных водах будет меньше, чем хлоридов, хотя они и будут подвергаться ограничениям на применение по ГОСТу.

Коррозия и разрушение бетонных конструкций

Арматура

Во всех средах углеродистые и низколегированные стали, используемые для изготовления арматурных каркасов, не будут максимально надёжны, поэтому их дополнительно защищают от коррозии. Бетон самый надёжный защитник арматуры. Для изготовления арматуры используют углеродистые и низколегированные стали различных металлургических комбинатов. Из всех металлов, используемых в промышленности, железо больше всего страдает от коррозии при погодных условиях и от воздействия агрессивных сред. Поэтому вопрос коррозионных процессов арматуры имеет важное прикладное значение.

Коррозия арматуры в бетоне

Коррозии способствуют электрохимические процессы, происходящие на соприкасающихся поверхностях металл – жидкостный раствор. Возникающая реакция карбонизации бетона действует по следующей схеме:

Сa(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Здесь можно видеть, что гидроксид кальция взаимодействует с углекислым газом атмосферы и приводит к образованию карбоната кальция и воды. Такая карбонизация проходит постепенно с проникновением вглубь в тело бетона и, проникая сквозь защитный слой, доходит до арматуры. Сопротивление этому процессу во многом зависит от свойств бетонного камня, его плотности, температуры. Воздушные пары с кислородом действуют как окислитель, а вода, как электролит. И получается обычная электрохимическая реакция  с коррозией арматуры.

Довольно опасным фактором, активно способствующим коррозионным процессам в арматурном каркасе, является наличие в бетонной смеси хлоридов, или ионов хлора. Хлор в виде хлорида кальция образует, взаимодействуя с цементным камнем, оксихлорид гидрата кальция и разрушение арматурной стали от таких соединений неизбежно.

Третьим фактором коррозии арматуры служит разрушение защитного слоя бетона или можно сказать появление трещин в теле бетонного камня. Воздух и вода добираются до арматуры и окислительные процессы начинаются с дополнительной активностью.

Коррозия окрашенного бетона

Коррозия бетона I вида

Под этим видом теоретики подразумевают так называемое «выщелачивание» извести. Цементный камень обладает определённой кристаллической структурой, но так как гидроксид кальция Са (OH)2 или в народе гашёная известь при взаимодействии с водой растворяется в ней и выносится из тела бетона, это и называется коррозией бетона первого вида. Этот процесс начинается сразу после погружения бетонной конструкции, изготовленной на портландцементе, в жидкую среду и продолжается всё время существования до полного его разрушения.

Очень заметно такая картина видна на поверхности бетонных конструкций, соприкасающихся с водой, по границе будет проходить белый налёт. Так гидроксид калия карбонизируется и выпадает в осадок в виде Са(OH)2. Это и будет «выщелаченный» гидроксид кальция. Такую картину можно часто наблюдать, например, на швах тротуарной плитки, если она выложена вертикально и швы заделаны цементным раствором. Такие натёки могут проступать и на штукатурке, если она обильно попадает под воздействие воды.

Коррозия бетона II вида

Учёные описывают разрушение бетонов этого вида от воздействия солей и кислот из окружающей среды на поверхностные слои бетонных сооружений, когда они вступают в сложные химические реакции. Разрушая верхний слой цементного камня, агрессивная среда смывает его и обнажается свежий слой, который также подвергается агрессии и механически смывается. Так слой за слоем происходит коррозия бетона II вида вплоть до полного его разрушения. Скорость этого процесса может быть различной и зависит от того, насколько долго будет удерживаться разрушающийся слой и защищать внутренние слои от агрессивной среды.

Надо в этом процессе отметить действие углекислоты (H2CO3). В зависимости от количества содержания её в природных водоёмах это действие будет отличаться при различных  pH окружающей среды. Кислотность среды будет опасна для бетонов со значением показателя более 5.7. Вступая во взаимодействие с компонентами цементного камня, углекислота создаёт новообразования, которые теряют вяжущие свойства и вымываются водами, нанося повреждения бетонному камню. Более подробно на других солях и кислотах останавливаться не будем, главное понимать, что они действуют по такому же принципу.

Коррозия бетона III вида

Под этими признаками понимается образование в капиллярах и порах бетонного камня различных солей из попавших с водой и вновь образовавшихся от взаимодействия с частями гидратации цементного камня. Эти соли кристаллизуются и твердеют, набирая прочность они действуют разрушающе на тело бетона. Такое затвердевание и кристаллизация солей в порах вызывает растягивающие напряжения. Эти возникающие нагрузки ведут к разрушению бетонного камня.

Причём сначала у бетона происходит набор прочности, но рано или поздно наступает её сброс, что было выявлено в ходе проведения испытаний. Первоначальный набор прочности может растянуться и на несколько лет, но результатом будет её резкая потеря. У неплотных бетонов, с легко проницаемой поверхностью этот процесс может наступить через несколько месяцев, а плотные бетоны могут войти в прочностные изменения и через годы.

Защита бетона от коррозии

Способы защиты бетона от коррозии

Подразумевают два вида защиты – защита арматуры и закладных деталей и защита непосредственно бетонного камня.

Эта защита подразделяется по ГОСТу ещё на первичную и вторичную.

Первичная защита предполагает подготовительные и изыскательные работы на стадии проектирования с учётом агрессивности тех сред, в которых будут эксплуатироваться железобетонные конструкции. Эта подготовка предусматривает подбор составов бетонных смесей с необходимой пластичностью, удобоукладываемостью и ряд других технических мероприятий.

Вторичная защита проводится тогда, когда в процессе эксплуатации выявились недостатки первичной или они оказались недостаточными.

Защита арматурных каркасов железобетона от коррозии подразумевает основной метод – достаточная толщина защитного слоя бетона и сохранение его в рабочем состоянии на весь период эксплуатации конструкции.

Ещё можно дополнительно отнести к мерам защиты применение пластифицирующих добавок, которые участвуют опосредованно в создании плотного защитного слоя и тем самым снижают водоцементное соотношение.

Так же полезно использование бетонов с низким содержанием веществ, способствующий коррозии, таких как хлориды. Ингибиторы коррозии тоже служат достаточным препятствием в вопросе сдерживания коррозионных процессов арматурной стали.

Добавлением их в бетон изменяется электрохимическая реакционность стали, например, катодные ингибиторы. Ряд химических составов позволяет создать защитный слой уже на поверхности арматуры, например, соль бикарбоната кальция.

Применение защитных мероприятий по бетонам носит широкий характер. Рассмотрим по порядку:

  1. Гидрофобизация.

Это применение в бетонах специальных добавок, которые не позволяют поверхностям конструкций смачиваться водой и тем самым проникать в нижние слои бетона агрессивным жидким средам. В основном к ним относятся составы с кремнийорганическим содержанием. Эти вещества образуют водоотталкивающий эффект за счёт образования на поверхности бетона тонкой плёнки на основе силоксиновой связи кремний – кислород. Их готовят при растворении в растворителях или водных эмульсиях. Такой состав по причине низкой вязкости проникает глубоко в тело бетонного камня на глубину до 10 мм. Применяются такие составы как – метилсиликаты и этилсиликаты натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11). Также используется гидрофобизирующий полиэтилгидросилоксан (ГКЖ-94).

  1. Лакокрасочные покрытия.

Для защиты бетона и ж/б от агрессивных сред (газы и жидкости) их поверхности подвергают обработке и окраске. Эта процедура во многом зависит от пористости поверхности. Если она значительна, то приходится проводить дополнительные работы – грунтовка поверхности и даже шпатлевание. Бетонная поверхность должна быть без жировых пятен, пыли. При необходимости обработать растворителем. К достоинствам таких процедур можно отнести стойкость красок, доступность для сложных конфигураций, ремонтоспособность. Недостатком будет небольшой срок службы.

  1. Рулонная оклеечная изоляция.

Это очень распространённый вид защиты бетонных поверхностей. Тут и полиэтиленовые плёнки и гидроизолы, бризолы, рубероиды. Рулонные материалы наклеиваются на поверхности ж/б конструкций при помощи эпоксидно-каучуковых клеев. Такая гидроизоляция надёжно защищает от коррозии бетон. Их выбор очень широк в современном строительстве.

  1. Биоцидные добавки.

При возведении животноводческих зданий, пищевых или сооружений, где могут развиваться микроорганизмы, грибок, плесень, то в бетонные смеси необходимо вводить биоцидные добавки. Эти добавки не позволят развиваться на поверхности микроорганизмам и плесени. Для защиты на стадии приготовления бетонных смесей замешивают: бактерицидные – от бактерий, фунгицидные – от грибков, альгицидные – от водорослей. Они бывают твёрдые, жидкие и газообразные (фумиганты).

Видео

В завершение обзора дам ссылочку из youtube, где показано как может разрушиться бетон за год и какой гидрофобизатор надо было применять при приготовлении смеси.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Анатолий Иванов/ автор статьи
Закончил Рижский политехнический институт в 1979 году по специальности инженер-строитель-технолог (железобетонщик). Работал на заводах Латвии мастером, технологом, начальником ОТК, заместителем директора и т.д. Также несколько лет проработал на стройке в качестве прораба по выполнению отделочных и фасадных работ.
Добавить комментарий

Ваш комментарий появится тут через некоторое время. Мы должны убедиться, что это не спам.

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю пользовательское соглашение.