За 50 лет эксплуатации конструкции

В зависимости от механизма разрушающего действия на бетон
В.М. Москвин выделил три основных вида коррозии.

Первый вид – выщелачивание наблюдается в результате фильтрации воды через бетон. Этот вид коррозии наиболее опасен для тонкостенных конструкций и конструкций, работающих под напором воды: плотины, дамбы, молы (гидротехнические). Интенсивность этого вида коррозии прямо пропорциональна проницаемости бетона, давлению потока воды и содержанию свободного гидроксида кальция в цементном камне. Следовательно, повысить стойкость бетона можно или за счет перевода гидроксида кальция в более устойчивые и менее растворимые соединения, или путем целенаправленного повышения плотности бетона. Первое достигается применением пуццоланового и шлакового портландцементов, в которых гидроксид кальция связывается опокой, трепелом, золой или шлаком в малорастворимые соединения; второе – путем рационального подбора зернового состава заполнителей, уменьшением водоцементного отношения в сочетании с введением пластифицирующих и гидрофобных добавок, пропиткой и защитой поверхности бетона полимерными составами.

Ко второму виду коррозии относится снижение прочности бетона под действием кислотосодержащих сред. Разрушение и вымывание цементного камня, сопровождаемое обсыпанием несвязанного заполнителя, происходит в поверхностных слоях, постепенно распространяясь в глубь бетона. Как показали исследования ученых, ни один из видов портландцемента не обладает достаточной кислотостойкостью. Поэтому при проектировании бетонных конструкций, эксплуатация которых связана с действием растворов кислот и солей с кислой реакцией (NH₄Cl), предусматривают в качестве вяжущего использование специального кислотостойкого цемента на основе жидкого стекла, заполнителей из кислотостойких горных пород (андезита, диабаза, базальта, кварцита) и кислотостойкой стеклопластиковой арматуры. При действии концентрированных горячих кислот применяют защиту бетонной поверхности, выполняемую с использованием полимерных кислотостойких красочных составов, рулонных материалов, а также путем облицовки плитами и плитками из ситаллов, шлакоситаллов, каменного литья и кислотостойкой керамики. Кислотосодержащие среды встречаются в природных грунтовых водах, содержащих продукты жизнедеятельности микроорганизмов, и в этом случае особое внимание необходимо обратить на защиту фундаментов. Однако в большей степени этот характер разрушения бетонных конструкций – полов, стен, плит перекрытий наблюдается на предприятиях химической и пищевой промышленности.

Коррозия третьего вида происходит в результате заполнения пор и пустот кристаллами солей, вызывающих перенапряжение материала, рост остаточных деформаций и разрушение бетонной конструкции (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Изменение во времени предела прочности при сжатии (б) и остаточных деформаций (а) различных бетонов в растворе 5 %-ного сульфата натрия:

1 – бетон на портландцементе; 2 – бетон на сульфатостойком портландцементе [15]

Вследствие того, что изначально причины разрушения несколько различны, то и способы повышения коррозионной стойкости в каждом конкретном случае будут отличаться. Так, при действиисульфатныхсред основным способом защиты является применение цементов, при гидратации которых получается наименьшее количество свободного гидроксида кальция, участвующего в образовании крупных сульфатосодержащих кристаллов, вызывающих растягивающие напряжения в бетоне. К этим вяжущим относятся пуццолановый и шлаковый портландцементы, которые используют при слабой и средней степени агрессивности среды. Увеличение концентрации сульфатов требует применения более стойких, надежных минеральных вяжущих, которыми являются глиноземистый цемент, сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент. В связи с тем, что при действии солей типа хлорида и карбоната натрия, не взаимодействующих с цементным камнем, разрушение происходит только при капиллярном подсосе агрессивного раствора и наличия испаряющей поверхности, повысить стойкость бетона можно за счет снижения его проницаемости. Способы повышения плотности и снижения проницаемости аналогичны рассмотренным выше.

Щелочную коррозию в зависимости от факторов, ее вызывающих, можно разделить на внутреннюю и внешнюю. При внутренней разрушение бетона происходит из-за наличия активного кремнезема в заполнителе (опал, халцедон) и повышенной щелочности жидкой фазы бетона. Находясь в активном состоянии, кремнезем вступает в реакцию со щелочами бетона, образуя аморфные гелеобразные продукты в уже затвердевшем материале, объем которых значительно превышает суммарный объем участвующих в реакции соединений. Именно это и вызывает перенапряжение, рост деформаций и разрушение бетона. Основными мерами, обеспечивающими стойкость бетона, является соблюдение требований ГОСТа в части ограничения содержания активного кремнезема в заполнителе. Кроме того, в случае его наличия при изготовлении бетона нельзя вводить щелочные добавки, а применяемый цемент должен содержать ограниченное количество растворимых щелочей. Внешнее действиещелочесодержащих агрессивных сред низкой концентрации опасно для бетона только при условии испаряющей поверхности, так как
в этом случае при взаимодействии с углекислым газом воздуха продуктами реакции являются карбонаты натрия и калия, накопление которых в порах поверхностного слоя бетона вызывает его шелушение и отслоение по типу солевой коррозии. При действии на бетон растворов щелочей высокой концентрации и температуры разрушаются основные гидратные соединения цементного камня. Чем выше концентрация и температура раствора, тем больше скорость коррозии. Повысить стойкость бетона можно в первом случае увеличением плотности, во втором – защитой конструкции щелочестойкими материалами.

Газовая коррозия бетона возможна только при повышенной влажности воздуха. В этих условиях газообразные продукты (С0₂, SO₃), растворяясь в адсорбированной на поверхности бетона влаге, образуют концентрированные кислоты, которые и вызывают разрушение бетона по механизму, характерному для второго вида коррозии.

Твердые агрессивные среды (пыль, порошки, гранулы минеральных и органических веществ) представляют опасность для железобетонных конструкций, только когда они образуют водные растворы. Увлажнение твердых веществ на поверхности строительных конструкций может происходить или за счет прямого воздействия воды, или в результате поглощения влаги из воздуха (их гигроскопичности). Как в том, так и в другом случае на бетон действует водный раствор определенной агрессивности, зависящей от химического состава вещества и его концентрации. Наиболее часто с этим видом коррозии встречаются при эксплуатации складов минеральных удобрений.

Биокоррозия бетонных и железобетонных конструкций, приводящая к их разрушению, происходит как под действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так и самими бактериями, дрожжами, водорослями, способными разлагать входящие в состав цементного камня силикаты кальция. Биоповреждения бетона начинаются с поверхности и идут вглубь, так же как и при погружении бетона в жидкую агрессивную среду. Для повышения стойкости конструкций увеличивают плотность бетона, применяют лакокрасочные и плитные материалы, которые имеют определенные недостатки и надежной защиты не обеспечивают. В плиточных покрытиях слабое место – швы, лакокрасочные сами повреждаются плесневыми грибами. Наиболее надежная защита от биокоррозии может быть осуществлена введением в бетон биоцидных добавок, защищающих поверхность конструкции от развития микроорганизмов. Этот вид коррозии характерен для предприятий пищевой промышленности, животноводческих помещений и прачечных.

Радиационная стойкость бетона зависит от свойств отдельных его составляющих, которые по-разному воспринимают действие ионизирующего излучения. В работах белорусских ученых отмечено, что облучение потоком нейтронов до 3×10²⁴ на м² не приводит к заметному изменению свойств большинства горных пород, применяемых в качестве заполнителей для бетонов. При превышении дозы наблюдается расширение кристаллической решетки, постепенный переход минерала в аморфное состояние, сопровождаемый ростом деформаций, снижением плотности на
3 – 15% и прочности горной породы до 30%. Наиболее стойки базальты, баритовые, железистые руды, магнитный железняк, бурый железняк, гематит, которые, обладая высокой плотностью, обеспечивают частичное поглощение нейтронов. Это свойство перечисленных горных пород используют при получении на их основе специальных радиационных бетонов, применяемых для защиты конструкций от ионизирующих излучений. Облучение цементного камня вызывает его разогрев до 350°С и усадку до 2,2%, увеличивающиеся при повышении дозы радиации.

В железобетонных конструкциях, условия эксплуатации которых связаны с прохождением электрического тока большой мощности и напряжения (электростанции и подстанции, линии электропередач), возможны проявления электрокоррозии. Анализ причин потери несущей способности железобетонных конструкций позволил выделить два основных разрушающих фактора: первый – накопление большого количества энергии в малом объеме бетона в силу его неоднородности по составу и структуре, что приводит к появлению дугового разряда, вызывающего пережог арматуры, оплавление и растрескивание бетона; второй – электрокоррозия стали, наблюдаемая при прохождении электрического тока в условиях повышенной влажности по арматуре, приводящая к образованию и накоплению продуктов коррозии (ржавчины) на стальной поверхности. В связи с тем, что объем образованных соединений превышает в 2 – 2,5 раза объем прокорродировавшего металла, накопление их в порах и капиллярах контактного слоя вызывает растягивающие напряжения, которые приводят к отслаиванию защитного слоя бетона и разрушению конструкции. Процесс этот усиливается при повышении влажности бетона и увеличении его пористости. Обеспечить стойкость конструкции в этих условиях эксплуатации возможно за счет снижения электропроводности бетона, т.е. повышения его диэлектрических свойств. С этой целью вводят органические гидрофобные или уплотняющие добавки, снижающие гигроскопичность и водопоглощение бетона; применяют защитные мастичные и лакокрасочные покрытия на основе высокомолекулярных смол; используют объемную пропитку конструкций полимерными составами. В качестве минеральных вяжущих предпочтительно использовать портландцемент с повышенным содержанием тонкомолотого песка и шлакопортландцемент.