Коррозионная стойкость модифицированных бетонов. Часть 1

В НИИЖБ накоплен определённый опыт исследований причин коррозионного повреждения зданий и сооружений различного назначения [1-4] Результаты позволяют сделать вывод, что при правильном назначении мер защиты от коррозии, в первую очередь мер первичной защиты, бетонные и железобетонные конструкции в основной своей массе сохраняют свои эксплуатационные свойства в течение проектных сроков эксплуатации. Практика исследований показывает, что раннее коррозионное повреждение конструкций из бетона и железобетона наблюдается в том случае, если при их проектировании и возведении нарушаются существующие нормативные требования по защите от коррозии. Развитие технологии бетона позволяет всё в большей степени использовать меры первичной защиты, то есть те мероприятия, которые реализуются при изготовлении и возведении конструкций при этом сужается область вторичной защиты, связанная с применением различного рода защитных покрытий. Одним из современных средств повышения коррозионной стойкости бетонных и железобетонных конструкций является применение модифицированных бетонов.

Модифицированными бетонами называются бетоны, приготовленные с современными химическими добавками (модификаторами), обладающие рядом новых полезных технических свойств [5]. Используя названные добавки, можно улучшить многие технические характеристики бетона: повысить прочность, понизить проницаемость бетона для газов и растворов солей, улучшить защитное действие по отношению к стальной арматуре, повысить морозостойкость, коррозионную стойкость [6], в том числе сульфатостойкость, стойкость к внутренней коррозии, вызываемой взаимодействием щелочей цемента и добавок с диоксидом кремния заполнителя, стойкость в биологически активных средах и другие характеристики.

Выполненные исследования коррозионных процессов модифицированных бетонов в жидких, твердых и газообразных агрессивных средах, с прогнозированием сроков службы материалов позволяют существенно расширить область их применения в агрессивных средах.

Исследования показывают, что скорость коррозийных процессов в основном зависит от проницаемости бетона для агрессивной среды и реакционной емкости бетона по отношению к агрессивным компонентам среды. Применение добавок позволяет существенно снизить проницаемость и в ряде случаев уменьшить реакционную способность цементного камня по отношению к агрессивным веществам. Такой подход к защите от коррозии отражен в СНиП 2.03 11-85, где указана максимальная допустимая проницаемость бетона, регламентируемая марками бетона по водонепроницаемости.

Оценку степени агрессивного воздействия сред по отношению к бетону до марки по водонепроницаемости W8 выполняют по СНиП 2.03.11-85. Однако в настоящее время завершается разработка межнационального ГОСТ «3ащита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Технические требования», в котором даётся оценка агрессивности сред для бетонов марок до W20. С 2008 г. введен в действие ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний», в котором приведены методы испытаний в кислотах, углекислом газе, хлоридах, методы определения защитного действия бетона по отношению к стальной арматуре и др. [7]. Кроме того, разработаны московские городские строительные нормы по защите от коррозии кон­струкций жилых, общественных зданий и транспортных сооружений

Рассмотрим возможность повышения коррозионной стойкости бетонов путем применения химических добавок в условиях коррозии различных видов.

Коррозия I вида. Характерной особенностью коррозии I вида является растворение и вынос гидроксида кальция. С понижением концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе бетона до критических значений начинается последовательное разложение силикатов и алюминатов кальция со снижением прочности бетона. Лабораторные исследования НИИЖБ показали, что в условиях коррозии I вида при свободном омывании поверхности бетона чистой водой глубина повреждения бетона за 50 лет составляет несколько миллиметров.

Натурными исследованиями железобетонных конструкций различных сооружений установлены следующие величины глубины повреждения бетона (таблица 1).

Исследования показали, что повреждение бетона в указанных условиях для массивных конструкций из бетона малозначимо и представляет опасность лишь для тонкостенных конструкций, имеющих малую толщину защитного слоя.

Напротив, при сквозной фильтрации воды через трещины и дефекты структуры бетона наблюдается растворение цементного камня чистой водой, измеряемое сотнями и тысячами килограммов, с отложениями карбонизированной извести на стенах в виде наплывов Особенно опасна фильтрация воды для стальной арматуры. В фильтрующих трещинах нередки обрывы стальной арматуры, в то время как рядом находящаяся в плотном бетоне арматура не имеет следов коррозии. Объясняется это образованием гальванических пар, у которых анодная зона (зона растворения металла) находится в трещине.

Таблица 1

Глубина разрушения бетона по механизму коррозии I вида

Сооружения

Срок эксплуатации, по

Глубина разрушения бетона, мм

Резервуары чистой воды водопроводных станций

20
40
60

3
3-5
до 10

Железобетонные опоры автомобильных мостов (чистая вода горных рек)

10-20

Практически без повреждений

Бетон плотины ГЭС на Ангаре в отсутствие морозного воздействия

40

1-3 мм

Коррозия II вида. Распространенным случаем коррозии II вида является коррозия бетона в растворах кислот. Такие среды характерны для различных промышленных предприятий. В инфраструктуре городов сильному кислотному поражению подвергается бетон коллекторов сточных вод. В этих сооружениях сероводородная газовая среда является благоприятной для развития аэробных тионовых бактерий. Используя в жизненном цикле сероводород, эти бактерии выделяют серную кислоту, концентрация которой достигает 5-20 %. Величина рН на поверхности бетона коллекторов снижается до 1 и менее, а скорость коррозии бетона может достигать 1 см в год. При концентрации сероводорода в газовой среде коллекторов 5 мг/м3 и более толщина стенок железобетонных труб уменьшается до тех пор, пока не произойдет разрушение трубы от давления лежащего выше грунта и от нагрузки движущегося по поверхности транспорта.

Щелочной по химической природе бетон на портландцементе не стоек в растворах кислот, однако при малой концентрации кислоты скорость разрушения бетона может быть небольшой. В определенной степени скорость указанного процесса зависит от проницаемости бетона и особенностей образующегося на поверхности отработанного слоя, Полученные экспериментально расчетные данные о глубине коррозии бетона в серной кислоте приведены в таблице 2.

Чем больше растворимость кальциевой соли, образующейся при воздействии кислоты на бетон, тем более проницаем образующийся на поверхности слой разрушенного бетона и тем больше скорость коррозии. В связи с этим скорость разрушения бетона при воздействии соляной и молочной кислот, образующих хорошо растворимые хлорид и лактат кальция, значительно выше, чем при действии серной кислоты, образующей сравнительно малорастворимый гипс. Степень агрессивного воздействия кислот на бетоны высоких марок по водонепроницаемости заметно ниже, чем на обычные плотные бетоны (таблица 3).

Таблица 2

Глубина разрушения бетона в растворах серной кислоты

Марка бетона по водонепроницаемости

рН

Глубина разрушения (см), за период, лет

10

20

30

40

50

W4

2,0

-

-

-

-

7,6

W8

2,0

1,52

2,14

2,63

3,03

3.40

W20

2,0

0,84

1.19

1,37

1,69

1,90

Таблица 3

Степень агрессивного воздействия на бетон серной кислоты

рН

Степень агрессивного воздействия на бетоны марок по водонепроницаемости

W8

W20

ниже 4,0 до 3,5

слабая

неагрессивная

ниже 3,5 до 3,0

средняя

неагрессивная

ниже 3,0 до 2,0

сильная

средняя

ниже 2,0 до 0,0

сильная

сильная

Таблица 4

Степень агрессивного воздействия сульфатных растворов на бетоны марок по водонепроницаемости до W16-W20

Цемент

Показатель агрессивности жидкой среды с содержанием сульфатов, мг SО4-2, для бетонов марок по водонепроницаемости

Степень агрессивного воздействия на бетон

W8

W10-W14

W16-W20

Группа 1 Портландцемент
По ГОСТ 10178-85

425 850

850-1250

1250-2500

Слабая

850
1250

1250-2500

2500-5000

Средняя

Более 1250

Более 2500

Более 5000

Сильная

Группа 2. Портландцемент по ГОСТ 1017 8-75 с содержанием в клинкере С3S не более 65 %, С3А не более 7 %, C3A+C4AF не более 22 %

2550-5100

5100-6000

6000-7500

Слабая

5100-6000

6000-7500

7500-10000

Средняя

Более 6000

Более 7500

Более 10000

Сильная

Группа 3. Сульфатостойкие
цементы по ГОСТ 22266-94;
портландцементы группы 2
с модификаторами МК+СП

5100-10200

10200-12000

12000-15000

Слабая

10200-12000

12000-15000

15000-20000

Средняя

Более 12000

Более 15000

Более 20000

Сильная

Коррозия III вида Причиной разрушения бетона в условиях коррозии III вида является кристаллизация в порах бетона различных соединений, протекающая с существенным увеличением объема твердых фаз, Типичной коррозией III вида является сульфатная коррозия. В этом случае образуются гидросульфоалюминаты 3СаО Аl2О3 3СаSО4 (30-32) Н2О и 3СаО Аl2О3 CaSO4•(8-12) H2О и гипс CaS04•2H20. Для образования гидросульфоалюминатов необходимо наличие SO4-2, С3А, Са(ОН)2, а также воды для образования гипса необходимы ионы SO4-2, Са(ОН)2 и вода. Для остановки процесса достаточно исключить из системы хотя бы один из названных компонентов. С технической точки зрения это означает высушивание бетона (удаление воды), связывание гидроксида кальция в низкоосновные силикаты кальция путем введения в состав бетона активных минеральных добавок, снижение содержания алюминатов (применение сульфатостойких и низкоалюминатных цементов), предотвращение проникания в бетон ионов сульфатов, например снижением проницаемости бетона.

Снизить проницаемость бетона позволяют современные водоредуцирующие добавки, например суперпластификаторы. Связать избыточный гидроксид кальция в цементном камне можно с помощью таких продуктов, как пуццолана, зола-унос, микрокремнезем. Значительный эффект наблюдается при использовании модификаторов бетона, содержащих микрокремнезем и суперпластификатор, Стойкость бетонов на среднеалюминатном портландцементе с таким модификатором превышает стойкость бетона на сульфатостойком портландцементе.

Один из экспериментов был построен на испытании образцов из мелкозернистого бетона на среднеалюминатном портландцементе модифицированным методом Анштедта. В бетон добавляли 10 и 15 % гипса от массы цемента. Затвердевшие образцы в течение 7 лет выдерживали в сульфатном растворе. В образцы второй серии, помимо гипса, вводили 10 % органоминерального модификатора, остальные условия испытаний были те же. За время испытаний образцы первой серии разрушились, рассыпавшись в порошок. Образцы второй серии не изменили прочности и внешнего вида. Высокую коррозионную стойкость показал бетон, модифицированный суперпластификатором и гидрофобизатором, при испытании в условиях капиллярного всасывания сульфатного раствора и испарения.

На основании результатов исследований предложена следующая оценка степени агрессивного воздействия сульфатных растворов на бетоны высоких марок по во­донепроницаемости (таблица 4). Снижение проницаемости 6етонадо марок W16-W20 повышает сульфатостойкость бетона на среднеалюминатных портландцементах до уровня стойкости бетона на сульфатостойком портландцементе. Это означает, что получить сульфатостойкий бетон можно без использования сульфатостойкого цемента, а лишь применяя модификатор бетона. При необходимости изготовить малую партию конструкций для применения в условиях сульфатной агрессии бетонный завод может не заказывать малую партию сульфатостойкого цемента, не освобождать для приёмки этой партии цементный силос, а воспользоваться небольшим количеством модификатора.

Таблица 5

Глубина карбонизации бетона за 50 лет

Условия службы бетона

Глубина карбонизации бетона с различным В/Ц, мм

В/Ц=0,4

В/Ц=0,45

В/Ц=0,5

В/Ц=0,55

В/Ц=0,6

В отапливаемом влажном помещении

8

10

12

15

20

На улице под навесом

4

5

6

8

10

Под открытым небом

1,5

2

2,5

3

4

Коррозия стальной арматуры вслед­ствие карбонизации защитного слоя бетона, причиной коррозии стальной арматуры в железобетонных конструкциях может быть карбонизация защитного слоя бетона углекислым газом воздуха [8]. В этом случае щёлочность бетона рН понижается с 12,5-1 3,1 до 8-9. Бетон утрачивает пассивирующее действие на сталь, развивается коррозия арматуры. Скорость карбонизации зависит, в первую очередь, от проницаемости бетона, которая, в свою очередь, зависит от водоцементного отношения. Существенное влияние на скорость карбонизации оказывает влажность бетона. При высокой влажности капилляры бетона заполняются водой, существенно снижаются проницаемость бетона для углекислого газа и, соответственно, скорость карбонизации, Однако после карбонизации защитного слоя скорость коррозии стальной арматуры многократно выше при высокой влажности бетона, нежели при малой Ориентировочная глубина карбонизации бетона с различным водоцементным отношением приведена в таблице 5.

Защита арматуры достигается назначением по СНиП 2.03. 11-85 требуемой проницаемости и толщины защитного слоя бетона.

Библиографический список

  1. Москвин В.М., Коррозия бетона. М.: Госстройиздат, 1952. 344 с.
  2. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М,: Стройиздат, 1980. 533 с.
  3. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М,: Стройиздат, 1980
  4. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М., Стройиздат. 1990.
  5. Батраков В.Г. Модифицированные бетона. Теория и практика. М.: Технопроект. 1998. 768 с.
  6. Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и особо низкой проницаемости. М.: ФГУП ЦПП, 2006. 520 с.
  7. Розенталь Н.К. Методы коррозионных испытаний бетона//Экспозиция. Бетоны и сухие смеси. 2008. №4. С. 11-14.
  8. Алексеев С.Н., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат, 1975, 205 с.
  9. Рояк Г.С. Внутренняя коррозия бетона//Тр. ЦНИИС. М., 2002.

По материалам II научно-практической конференции «Мосты и тоннели. Обеспечение долговечности», организованной Центром Бетонных технологий (Санкт-Петербург, 16-17 октября 2008 г.),

Н.К. РОЗЕНТАЛЬ, доктор техн. наук, НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Журнал "Технологии бетонов" №1, 2009   16.04.2009
Copyright 2006 ЗЖБИ-500     Карта сайта
Реклама на сайте
|