Л. Ю. МАТВЕЕВА
КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Часть 1
КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, КАМЕННЫХ
И БЕТОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
Санкт-Петербург
2017
УДК: 691.2 (075.8)
Рецензенты: Харитонов Алексей Михайлович, д-р техн. наук, профессор СПбГАСУ;
Возняковский Александр Петрович, д-р хим. наук, зав. сектором ФГУП «НИИСК» им. С.В. Лебедева, Санкт-Петербург.
Матвеева, Л. Ю.
Коррозия и защита строительных материалов / учеб. пособие. Коррозия и защита металлических, каменных и бетонных материалов и конструкций: Ч. 1. / Л. Ю. Матвеева; СПбГАСУ. – СПб., 2017. – 99 с.
Приведены сведения об основных коррозионных процессах в строительстве, дана их классификация по видам и механизмам разрушения, приведены основные методы защиты. Материал пособия (Ч. 1) содержит сведения об основных коррозионных процессах и практических мероприятиях по антикоррозионной защите металлических, каменных и бетонных строительных конструкций. Учебное пособие содержит также научную информацию о природе и механизмах коррозионных процессов, происходящих в металлах и сплавах, в природных и искусственных камнях, в бетоне и железобетоне. Эти сведения помогут специалистам понять сущность происходящих разрушительных явлений и окажут помощь в принятии технически грамотных решений по защите строительных конструкций в каждом конкретном случае.
Предназначено для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» всех форм обучения, магистрантов и аспирантов. Также, пособие может быть полезно специалистам, интересующимся коррозионными явлениями в строительстве и методами антикоррозионной защиты материалов и конструкций.
Табл. 7. Ил. 6.
© Л. Ю. Матвеева, 2017
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение 5
1. Коррозия: основные термины и определения 6
1.1. Определение коррозии 6
1.2. Классификация коррозионных процессов. Виды коррозии 7
1.3. Качественные и количественные показатели коррозии 11
2. Коррозия и защита металлических конструкций 13
2.1. Характеристики и сущность коррозионных процессов
металлов 13
2.2. Механизмы коррозии металлов 16
2.3. Влияние параметров среды на коррозию металлических
конструкций 20
2.3.1. Влияние свойств грунтов на коррозионную стойкость
металлов 20
2.3.2. Влияние атмосферных факторов на коррозионную
стойкость металлов 22
2.4. Защита металлических изделий и конструкций от коррозии 24
2.4.1. Методы защиты металлических конструкций от
атмосферной коррозии 25
2.4.2. Методы защиты конструкций от почвенной коррозии 31
2.4.3. Электрохимическая защита металлических конструкций 33
2.4.4. Легирование 35
3. Коррозия каменных и бетонных строительных материалов
и конструкций 37
3.1. Определение коррозии каменных строительных материалов 37
3.2. Виды коррозии каменных строительных материалов 37
3.3. Классификация коррозионных процессов цементных
растворов и бетонов 39
3.3.1. Коррозия первого вида 41
3.3.2. Коррозия второго вида 45
3.3.3. Коррозия третьего вида 51
3.4. Коррозия бетона в речной, морской и грунтовой водах 63
3.5. Коррозия бетона при воздействии электрического тока 65
3.6. Взаимодействие силикатных материалов с газами 66
3.7. Кислото- и щелочестойкость силикатных материалов 71
4. Методы защиты каменных, бетонных и железобетонных
конструкций от коррозии 73
4.1. Повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя
конструкции 74
4.1.1. Торкретирование 74
4.1.2. Гидрофобизация 75
4.1.3. Флюатирование и аванфлюатирование 75
4.1.4. Силикатизация и карбонизация 77
4.1.5. Пуццоланизация и другие методы защиты поверхности каменных материалов 78
4.2. Применение коррозионно-устойчивых цементов 79
4.2.1. Сульфатостойкие цементы 79
4.2.2. Глиноземистый цемент 81
4.2.3. Другие виды коррозионностойких цементов 83
4.3. Использование добавок и ингибиторов коррозии 85
4.3.1. Применение добавок для повышения коррозионной
стойкости бетонов 85
4.3.2. Химические модификаторы бетонов 91
4.3.3. Органические добавки и карбамид 95
4.4. Устройство защитных покрытий 97
Заключение 99
ВВЕДЕНИЕ
В процессе эксплуатации строительные изделия и конструкции непрерывно подвергаются воздействию окружающей среды: действию атмосферных осадков, газов, пыли, перепадов температуры, заморозке и оттаиванию, попеременному увлажнению и высыханию, выветриванию, солнечной радиации и др. Все эти факторы сокращают сроки службы строительных материалов конструкций, ухудшают их эстетический вид, нарушают эксплуатационные свойства. При этом в материалах строительных конструкций протекают различные нежелательные процессы, которые принято называть – коррозией.
Коррозионные процессы в строительстве и поиски эффективных путей защиты от них – одна из самых важных и актуальных проблем современного строительства. Опыт эксплуатации, технического обслуживания и ремонта зданий и сооружений показал, что современным специалистам строительной отрасли необходимы глубокие знания, связанные с грамотным выбором и качественным использованием различных строительных материалов.
Для понимания природы коррозионных процессов, принятия квалифицированных решений по предупреждению разрушений и поиску путей защиты строительных сооружений от коррозии необходимы знания, которые могут быть получены при изучении дисциплины «Коррозия и защита строительных материалов». Изучение дисциплины неразрывно связано с подготовкой высококвалифицированных специалистов, способных успешно решать задачи качественного строительства и дальнейшего содержания объектов строительной индустрии в исправном техническом состоянии.
Данное учебное пособие включает сведения о теоретических основах и природе различных коррозионных процессов и явлений, происходящих в строительных материалах, приведены сведения о возможных причинах возникновения коррозии, коррозионных свойствах основных строительных материалов, методах предупреждения и защиты их от коррозионного разрушения.
Учебное пособие рекомендуется студентам строительных специальностей, а также специалистам строительной индустрии, заинтересованным в качественном строительстве и содержании строительных сооружений в исправном техническом состоянии.
1. КОРРОЗИЯ: ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Определение коррозии
Термин «коррозия» происходит от латинского «corrosio», что означает разъедать, разрушать. Под термином «коррозия» следует подразумевать как процесс разрушения материала или конструкции, так и результат этого процесса.
Говоря о коррозии строительных материалов, как правило, имеют в виду нежелательный процесс их взаимодействия с окружающей средой. При этом среда, в которой материал подвергается коррозии (т. е. корродирует), называется коррозионной или агрессивной средой.
Любой коррозионный процесс является многостадийным, но обычно для удобства и упрощения понимания явления выделяют три основные стадии.
I. Подвод коррозионной среды или отдельных ее компонентов к поверхности строительных материалов, изделий, конструкций.
II. Взаимодействие коррозионной (агрессивной) среды с материалом конструкции.
III. Полный либо частичный отвод продуктов коррозии от поверхности материала, изделия.
Важно понимать, что всякий коррозионный процесс является самопроизвольным. Первопричиной коррозии является термодинамическая неустойчивость материалов в эксплуатационной среде, т. е.,коррозия вызывается неустойчивостью большинства искусственных материалов, их стремлением перейти в новое энергетически выгодное состояние.
В результате коррозионного процесса происходит уменьшение изобарно-изотермического потенциала D G:
D G = D G к – D G н,
D G к и D G н относятся к конечному и начальному термодинамическому состоянию материала.
Если D G к < D G н, то D G < 0, а это означает, что коррозионный процесс возможен и самопроизволен.
При D G > 0 коррозионный процесс невозможен.
При D G = 0 – система (материал – окружающая среда) находится в термодинамическом равновесии.
Внутреннее энергетическое состояние вещества характеризуется его энтропией. Энтропию также называют мерой беспорядка вещества: чем выше беспорядок, тем больше энтропия. Если объем и энергия системы постоянны, то любое изменение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Все материалы, которые когда-либо были созданы или изготовлены человеком, и на изготовление которых была затрачена энергия, имеют бóльшую внутреннюю упорядоченность, чем исходное сырье, их энтропия понижается. К примеру, упорядоченность глины в составе строительных растворов в стенах зданий значительно больше, чем в рядом лежащей куче, откуда ее извлекли. энтропия в неупорядоченной куче – высокая, в упорядоченной структуре композиционного материала – низкая. Со временем глина стремится занять свое привычное природное состояние, менее упорядоченное, т. е. с более высокой энтропией, чем в составе строительного материала. При этом энергия, вложенная человеком в процесс данного упорядочивания, постепенно выходит наружу и рассеивается в окружающей среде в результате взаимодействия с нею.
Таким образом, с точки зрения термодинамической науки, в прямом соответствии со II законом термодинамики, становится очевидной неизбежность всех коррозионных процессов и явлений.
Классификация коррозионных процессов. Виды коррозии
Коррозионные процессы трудно отнести к одному какому-либо определенному типу, так как довольно часто происходят одновременно несколько коррозионных процессы различного вида. Тем не менее, коррозионные процессы можно классифицировать.
По природе и механизму взаимодействия строительных материалов с окружающей средой коррозионные процессы можно разделить следующим образом: химические, электрохимические, физические, биологические, смешанные (совмещенные).
А. Химическая коррозия – взаимодействие материала с коррозионной средой, при котором в нем происходят химические реакции (окисление, восстановление и др.), как правило, в одном акте. Например, окисление металлов в газовой атмосфере, в воздухе при повышенной температуре:
4AI + 3O2 ® 2AI2O3
Химическая коррозия развивается в металлических материалах в отсутствие электролитов. В металлах она протекает при температурах, исключающих возможность образования насыщенного пара воды, – высокотемпературная, или газовая, коррозия. Этот же вид коррозии может возникать и в неводных органических средах. В неметаллических строительных материалах это один из распространенных видов коррозии.
Б. Электрохимическая коррозия – разрушение материалов под влиянием растворов или расплавов электролитов. Электрохимическая коррозия происходит в электролитной среде под действием внутренних микро- или макрогальванических пар или внешней разности потенциалов. При этом взаимодействие материала (металла) с коррозионной средой осуществляется таким образом, что ионизация атомов металлов и восстановление среды происходят не в одном акте, и их скорости зависят от электродного потенциала металла. Электрохимическая коррозия металлов наиболее распространена, она наблюдается во влажной атмосфере, речной, морской воде, рассолах. Примером такого процесса является взаимодействие металлов с кислотами и растворами солей:
Zn + 2HCI ® ZnCI2 + H2
Zn – 2 
® Zn2+
2H+ + 2 ® H2
Окисление металлов происходит за счет восстановления окислителей.
В. Физическая коррозия – разрушение целостности строительного изделия или конструкции без протекания химических реакций в самом материале. Существенно влияет на коррозионные процессы этого вида величина внешних или внутренних остаточных напряжений и их распределение в материале изделия или конструкции.
Физическая коррозия протекает с изменениями физических параметров материала, изделия, конструкции. Например, возникновение трещин в результате внутренних напряжений, раскрашивание материала конструкции под действием ветровой нагрузки или внешних механических нагрузок и динамических напряжений.
Г. Биологическая коррозия – разрушение материала изделия или конструкции под воздействием биологических организмов (бактерий, плесневых грибов, водорослей, растений, насекомых и их личинок и др.).
На биологическую коррозию строительных материалов, особенно в контакте с грунтом (землей), могут влиять продукты жизнедеятельности микроорганизмов, значительно ускоряющие процессы коррозии. Строительные материалы могут подвергаться и непосредственному разрушительному воздействию микроорганизмами и биологическими агентами.
Биологическая коррозия является сложным видом коррозии и включает в себя, как правило, физическую, химическую и в некоторых случаях и электрохимическую коррозию.
Д. При смешанном типе коррозии происходит одновременное наложение, а также, взаимное усиление различных коррозионных процессов. Поэтому это часто трудно распознаваемый вид коррозии.
Коррозионные процессы могут классифицироваться по условиямпротекания.
А. Газовая коррозия – протекает в среде агрессивных газов. Например, коррозия железа при высоких температурах.
Б. Атмосферная коррозия – коррозия в воздушной атмосфере, обычно протекает и усиливается во влажной среде или в среде другого влажного газа. В отсутствие влаги атмосферная коррозия металлов переходит в газовую коррозию.
В. Жидкостная коррозия – протекает в жидких средах, электролитах (растворы кислот, щелочей, солей, морская и речная вода, расплавы солей и т. д.). Условия протекания жидкостной коррозии могут быть разнообразными.
Г. Почвенная коррозия – коррозия материалов в почвах и грунтах.
Д. Коррозия под влиянием внешних и блуждающих токов – техногенный вид коррозии вблизи источников электроэнергии.
Е. Коррозия при трении или под напряжением – разрушение материала при каких-либо механических напряжений: трения, вибрации и др. или при их совместном воздействии с коррозионной средой.
Ж. Структурная коррозия – коррозия в результате структурной неоднородности материалов.
З. Контактная коррозия – протекает при сопряжении электрохимически неоднородных материалов (металлов) в электропроводящей среде.
Примером контактной коррозии может служить ускоренное разрушение металла при его контакте с другим металлом, имеющим бóльший электрический потенциал.
Также могут быть выделены и другие виды коррозии по условиям их возникновения и протекания.
По характеру коррозионного разрушения коррозия бывает сплошная (общая) и местная.
При сплошной коррозии коррозионному разрушению подвергается вся поверхность материала. Эта коррозия делится на равномерную, неравномерную, избирательную (когда коррозионный процесс распространяется преимущественно по какой-либо особой составляющей).
Местная коррозия подразделяется на: сквозную, язвами, пятнами, щелевую, нитевидную, точечную (питтинг-коррозию), ножевую, межкристаллитную и др. Местная коррозия является наиболее опасным видом коррозии металлических конструкций. Будучи трудно обнаруживаемой, она довольно часто является причиной опасных разрушений.
Специфическим видом коррозионного разрушения строительных материалов является коррозионная хрупкость – разрушение материала конструкции без заметного поглощения механической энергии. При этом внешне этот вид коррозии может себя не обнаруживать.
Примером коррозионной хрупкости служит такое явление, как охрупчивания высокопрочных сталей в результате насыщения их водородом при работе стальных металлических конструкций в нефтяных скважинах.
Охрупчиванию могут подвергаться пластмассовые изделия и конструкции при их эксплуатации в атмосферных условиях под открытым небом.
