Агрессивное воздействие сред на материалы строительных конструкций

 

Как показывает практика, частичный или полный отказ строительных конструкций зданий и сооружений в ряде случаев происходит задолго до окончания проектного срока службы. Одна из основных причин – разрушение материала строительных конструкций в результате коррозии под воздействием внешней агрессивной среды.

Коррозия материалов строительных конструкций (бетонных и железобетонных, каменных, металлических и др.) зависит от многих факторов: вида, химического состава, концентрации, растворимости в воде, влажности, температуры окружающей среды и условий контакта с ней, а также от параметров самой конструкции (например, для железобетонной конструкции – от конструктивной формы поперечного сечения, вида и плотности бетона, вида, количества и расположения арматуры, типа и уровня напряженного состояния, наличия и ширины раскрытия трещин).

Агрессивные среды по степени воздействия на строительные конструкции (относительное снижение прочности материала в течение 1 года) разделяют на неагрессивные (снижения прочности нет), слабоагрессивные (снижение прочности менее 5 %), среднеагрессивные (снижение прочности 5…20 %) и сильноагрессивные (снижение прочности более 20 %).

По физическому состоянию агрессивные среды могут быть газовоздушные, жидкие и твердые.

Наиболее распространенные агрессивные газы: углекислый газ, кислород, водяной пар, сернистый и серный ангидрид, сероводород, аммиак, хлор, хлористый водород, двуокись хлора, фтористый водород, фосфорный ангидрид, пары брома, иода и т.д. Степень агрессивности газовоздушных сред зависит от растворимости в воде самих газов, температуры и влажности среды.

Газовоздушные среды по характеру взаимодействия с цементным камнем подразделяются на три группы.

1 группа – углекислый газ, фтористый водород, фтористый кремний, фосфорный ангидрид – проникают в поровое пространство бетона, образуют с Са(ОН)_{2 (гидроксид кальция)} нерастворимые и малорастворимые соли кальция при незначительном увеличении в объеме. Основная схема агрессивного воздействия – нейтрализация щелочности цементного камня:

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О; СаСО₃ – нерастворимое соединение.

2 группа – сернистый и серный ангидрид, сероводород – образуют в поровом пространстве малорастворимые соли, способные увеличиваться в объеме более чем в 2 раза и разрушать бетон. Визуально это проявляется в виде послойного шелушения.

3 группа – хлор, хлористый водород, двуокись хлора, пары брома, иода – образуют хорошо растворимые соли кальция, засасываемые в капилляры и транспортирующие ионы хлора к арматуре, практически не нарушая щелочность защитного слоя бетона.

Са(ОН)₂ + 2НСl → СаСl₂ + Н₂О; СаСl₂ – легкорастворимый продукт.

Жидкие агрессивные среды: атмосферные осадки и грунтовые воды (мягкие, талые снеговые), минерализованные воды с содержанием солей Cl^–, Mg²⁺, SO₄^2–, Са, Na, K, нефтепродукты и растворители, растительные и животные масла и др. Степень их агрессивного воздействия зависит от концентрации агрессивных веществ, температуры, скорости движения при соприкосновении с поверхностью конструкции, напора.

Из большого числа «механизмов» разрушения бетона выделяются три основных вида:

I вид – процессы растворения составных частей цементного камня и выноса продуктов гидрата окиси кальция Са(ОН)₂протекающей водой (выщелачивание) – физический вид коррозии. Признаком коррозии бетона I вида является наличие высолов на поверхности, которые приводят к увеличению пористости цементного камня и снижению его прочности. При выщелачивании 10 % СаО происходит снижение прочности до 10 %, при потере 20 % СаО – до 25 % и при потере около 33 % СаО наступает полное разрушение цементного камня.

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂

II вид – результат взаимодействия составных частей цементного камня с кислотами или солями, приводящий к образованию легкорастворимых или аморфных размываемых водой веществ(продукты растворимы).

Са(ОН)₂ + Н₂СО₃ → СаСО₃ + 2Н₂О,затем

СаСО₃ + Н₂СО₃ → Са(НСО₃)₂; Са(НСО₃)₂ – легкорастворимый продукт.

Бетон разрушается послойно. При реконструкции поврежденный коррозией бетон удаляют.

III вид характеризуется накоплением в порах и капиллярах цементного камня малорастворимых солей с увеличением их объема. Давление приводит к разрушению цементного камня. На начальной стадии плотность и прочность бетона увеличивается. Если в этот период обеспечить антикоррозионную защиту, бетон может быть сохранен, в противном случае, в дальнейшем происходит его разупрочнение (разрыхление).

Са(ОН)₂ + Na₂SO₄ + 2H₂O → СаSO₄·2Н₂О + 2NaOH,

В реальных условиях коррозия каждого вида в отдельности встречается редко, как правило, они сочетаются. Степень коррозионного воздействия увеличивается с увеличением температуры среды. Опасно сочетание попеременного замораживания-оттаивания с процессами коррозии III вида.

Агрессивное воздействие нефтепродуктов на железобетонные конструкции объясняется содержанием в них высокомолекулярных смол и присадок. В наибольшей степени снижают прочность бетона и его сцепление с арматурой минеральные масла и мазуты.

Отработанные минеральные, окисленные растительные и животные масла не только агрессивны к бетону, но и вызывают коррозию арматуры и закладных деталей. Дизельное топливо и масляные эмульсии менее агрессивны. Бензины, керосины и растворители практически не влияют на прочность бетона.

Твердые агрессивные среды: минерализованные грунты, содержащие соли Cl^–, Mg²⁺, SO₄^2–, Са, Na, K, и минеральные удобрения. Агрессивность твердых веществ определяется их растворимостью в воде и гигроскопичностью.

В основном строительные металлические конструкции подвергаются атмосферной коррозии (на открытом воздухе, внутри промышленных зданий и под навесами). Различают три вида коррозии: равномерную сплошную, неравномерную сплошную и местную.

Равномерная сплошная коррозия характерна для сплавов металлов, не имеющих защитных окисных пленок или имеющих рыхлые пленки.

Неравномерная сплошная коррозия имеет место в многофазных сплавах металлов и наличии дефектов на поверхности.

Местная коррозия наблюдается при местном нарушении защитных покрытий, может распространяться в глубину металла, вызывая его вспучивание, или повреждает один из материалов, составляющих сплав.

Скорость коррозии зависит от вида агрессивных воздействий и условий среды. Повышение температуры ускоряет процесс коррозии. При нагреве до температуры 200…250 °С на поверхности стальных элементов образуется тонкая пленка окислов, пассивирующая поверхностный слой стали, при температуре 500…600°С происходит коробление и растрескивание поверхностной защитной пленки, а при отрицательной температуре (ниже минус 30…минус 40 °С) коррозия стали практически прекращается.

В зависимости от механизма разрушения металла различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия происходит под воздействием газов или жидкостей (не электролитов) органического происхождения. В результате их взаимодействия на поверхности металла образуется пленка в виде окислов.

Электрохимическая коррозия наблюдается во влажном воздухе и водных растворах, проводящих ток. Атомы металла в результате переходят в раствор электролита в виде ионов, а эквивалентное число электронов остается в металле.

На коррозионную стойкость стальных элементов влияет также и конструктивная форма сечения: круглое сечение – самое устойчивое, затем квадратное, коробчатое, одиночный уголок.

Продукт коррозии – ржавчина имеет значительно больший объем, чем исходный металл. В различного рода щелях опасно скопление продуктов коррозии, приводящих к расслоению элементов.

Древесина как строительный материал отличается повышенной сопротивляемостью к химическим воздействиям и имеет преимущество перед металлом. Однако все породы древесины весьма подвержены разрушительному действию огня, грибов, насекомых и грызунов.

Древоразрушающий гриб питается органическими веществами древесины и развивается при определенных условиях среды (температуре 5…25 °С, влажности 50…70 % и отсутствии вентиляции). Грибы быстро размножаются посредством спор и переносятся на здоровую древесину. Под воздействием грибов в древесине образуются поперечные и продольные трещины, она становится рыхлой и трухлявой. К наиболее распространенным видам грибов, поражающих древесину, относятся настоящий домовой гриб, белый домовой гриб, гриб домовой пленчатый, трутовик. Они поселяются в сухой древесине, их появление возможно спустя многие годы от момента окончания сушки. Мицелий этих грибов может пробивать себе дорогу даже через каменные стены и грунт. Древесина под действием грибов превращается в ватообразную коричневую рыхлую ткань с серыми (у настоящего домового гриба) и белыми жгутами (у белого домового гриба) и в виде пленки (у гриба домового пленчатого).

Насекомые (короеды, дровосеки), поражающие растущую и свежесрубленную древесину, не поражают и не размножаются в древесине строительных конструкций. Для строительных конструкций опасность представляют насекомые, питающиеся сухой древесиной: жучки-точильщики, долгоносики домовые, древесинники, термиты и др. В древесине они протачивают круглые или овальные отверстия и разрушают ее.

Вопросы для самоконтроля

 

1. Роль реконструкции в промышленном и гражданском строительстве.

2. Назовите основные причины аварий строительных конструкций и мероприятия по их предотвращению.

3. Назовите факторы, влияющие на коррозию материалов строительных конструкций.

4. Классифицируйте агрессивные среды по состоянию и степени воздействия на материалы строительных конструкций.

5. Расскажите о характере взаимодействия цементного камня с агрессивными газами I группы, II группы, III группы.

6. Опишите «механизм» разрушения бетона при коррозии I вида, II вида, III вида.

7. Каково агрессивное воздействие нефтепродуктов (минеральное масло, мазут, дизельное топливо, бензин и др.) на железобетонные конструкции?

8. Назовите виды коррозии стальных конструкций.

9. Расскажите о воздействиях, разрушающих древесину строительных конструкций.