Химическая коррозия бетона
При эксплуатации инженерных сооружений в жидких и газовых средах бетон может подвергатьсяхимической коррозии. Коррозия в газообразной среде протекает обычно при наличии влаги так же, как в воде.
Среди составляющих бетона наиболее подвержен разрушению цементный камень.
В соответствии с классификацией, предложенной В.М. Москвиным, химическую коррозию цементного бетона разделяют на три вида. В чистом виде она встречается редко. Чаще совмещаются два вида коррозии.
Коррозия первого вида происходит в результате растворения составляющих цементного камня водами с малой временной жесткостью. Эта вода горных рек, дождевая, болотная, конденсат. Уменьшает агрессивность воды содержание в ней бикарбонатов Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. И только вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4–0,7 мг∙экв/л является агрессивной. Разрушение цементного камня начинается вымыванием Ca(OH)2, растворимость которой составляет 1,2 г/л в расчете на CaO, а затем идет разрушение клинкерных минералов, выщелачивание 15–30 СаО % из цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40–50 %.
Стойкость бетона можно повысить применением более плотных бетонов, пуццолановых портландцементов и шлакопортландцементов. Добавки в цементах связывают известь в нерастворимые соединения. При выдерживании изделий на воздухе в результате взаимодействия Ca(OH)2 с CO2, на поверхности бетона образуется малорастворимый карбонат кальция CaCO3, который не выщелачивается водой.
Коррозия второго видапроисходит в результате взаимодействия составляющих цементного камня с кислотами и некоторыми солями. При обменных реакциях образуются не имеющие прочности легкорастворимые соединения. К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.
Углекислотная коррозия. Углекислый газ CO2, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту, H2CO3. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция CaCO3, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, H2CO3 и CaCO3 находятся в равновесном состоянии: H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2. Эта угольная кислота не является агрессивной по отношению к цементному камню. Если количество углекислоты больше, чем равновесное, она становится агрессивной и способна разрушить цементный камень по реакциям:
Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + 2H2O; CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2.
Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой.
Кислотная коррозия происходит в результате действия растворов неорганических и органических кислот при их pH < 7. Не входят сюда кремнефтористоводородная и поликремниевые кислоты. Кислоты содержатся в сточных, болотных водах; в выбросах промышленных предприятий может быть сернистый газ, хлор и другие, образующие с водой кислоты. Кислоты взаимодействуют с гидроксидом кальция, в результате чего получаются бессвязные кальциевые соли, легко вымываемые водой. Например, при действии соляной кислоты HCl на цементный камень получается растворимый хлорид кальция:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O.
Органические кислоты – азотная, уксусная, молочная, винная, олеиновая, гуминовая, фульвовая и другие – также разрушают цементный камень.
Магнезиальная коррозия. Чисто магнезиальная коррозия происходит при действии магнезиальных солей, кроме MgSO4. Например, в морской воде содержится хлорид магния MgCl2, который взаимодействует с цементным камнем по реакции: Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2. Образуется растворимый хлорид кальция и бессвязный гидроксид магния. Коррозия становится заметной при содержании в воде MgCl2 более 1,5–2 %.
Для защиты от коррозии второго вида следует применять плотные бетоны, делать пропитку бетона эпоксидными, полиэфирными и другими смолами, устраивать защитные покрытия.
Коррозия третьего видавозникает при действии на цементный камень веществ, способных образовывать кристаллические соединения увеличенного объема. Они оказывают давление на стенки пор и разрушают цементный камень. Коррозия происходит при действии вод, содержащих сульфат кальция CaSO4, сульфат натрия Na2SO4 и д.р. Na2SO4 вначале реагирует с Ca(OH)2 по схеме
Ca(OH)2 + Na2SO4 « CaSO4 + 2NaOH,
а затем CaSO4 – с минералом СЗА. Сульфат кальция CaSO4 сразу реагирует с минералом СЗА:
3CaO×Al2O3×6H2O + 3CaSO4 + (25 – 26)H2O = 3CaO×Al2O3×3CaSO4×(3I – 32)H2O.
В результате взаимодействия образуется трехсульфатная форма гидросульфоалюмината кальция (этрингит) с объемом в 2,8 раза большим объема исходного вещества.
Для предотвращения этого вида коррозии применяют глиноземистый цемент, сульфатостойкие портландцементы и бетоны повышенной плотности.
Сульфатно-магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень сульфата магния MgSO4. Реакция идет по схеме
Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O = CaSO4×2H2O + Mg(OH)2.
Образуются рыхлая масса Mg(OH)2 и кристаллы CaSO4×2H2O, которые растворяются водой. Кроме того гипс взаимодействует с С3АН6 и образует эттрингит. Эттрингит и частично гипс вызывает расширение.
Влияние на цемент сказывается при концетрации MgSO4 более 0,5–0,75 %. Происходит совмещение двух видов коррозии – магнезиальной и сульфатной.
В качестве примера совмещения двух видов коррозии приведем разрушение бетона в болотных водах верховых торфяников. Оно происходит в результате растворяющего действия болотной воды, имеющей малую временную жесткость (1-й вид); воздействия угольной кислоты, образующейся при растворении в воде углекислого газа воздуха и выделяющегося в результате биохимических процессов при торфообразовании, от действия почвенных гуминовой и фульвовой кислот (2-й вид). При применении известняковых и доломитовых заполнителей они также подвергаются разрушению.
Легкие бетоны
Легкими называют бетоны со средней плотностью от 200 до 2000 кг/м3. К ним относят бетоны на пористых заполнителях, ячеистые, на органических заполнителях (арболиты).