Химическая коррозия бетона

 

При эксплуатации инженерных сооружений в жидких и газовых средах бетон может подвергаться химической 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 вида происходит 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 вида возникает 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 С_ЗА. Сульфат кальция CaSO₄ сразу реагирует с минералом С_ЗА:

 

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).