В строительной практике часто встречаются случаи разрушения бетона, вызванные химическими воздействиями природных вод.
Вода-среда, вместе с растворенными в ней веществами, проникает в поры бетона. При этом протекают химические процессы, приводящие к снижению технических свойств материала. Эти процессы называются коррозией бетона, а активность воды-среды в отношении коррозии – ее агрессивностью.
Причиной недостаточной водостойкости бетона является частичная растворимость в воде продуктов гидратации портландцемента, из которых наиболее растворимым является Ca(OH)2. Поэтому гидроксид кальция в первую очередь подвергается химическому воздействию природной воды. Механизм коррозии обычно рассматривают по отношению к этому соединению, хотя природные воды разрушают не только гидроксид кальция, но и остальные продукты гидратации портландцемента.
Различают несколько видов коррозии цемента и бетона, из которых наиболее опасными считаются следующие: выщелачивающая, общекислотная, углекислая, магнезиальная, сульфатная, общесолевая).
Показателем, по которому судят о степени агрессивности воды-среды, является содержание в воде определенных ионов или молекул, вызывающих тот или иной вид коррозии. Вода может быть агрессивной по одному или сразу по несколькими показателями, то есть в бетоне могут протекать одновременно несколько видов коррозийных процессов.
Пресная вода, не содержащая никаких веществ, растворяет продукты гидратации портландцемента и прежде всего Ca(OH)2, растворимость которого наиболее высока. Растворение Ca(OH)2 протекает до тех пор, пока в растворе не будет достигнута предельная для Ca(OH)2 концентрация, равная 1,3 г CaO/л. По достижении указанной концентрации, если вода в порах не обновляется, дальнейшее растворение прекратится. Если же вода просачивается через бетон, а это имеет место в случае напорных сооружений, то происходит вымывание Ca(OH)2 вплоть до полного его исчезновения.
Гидроксид кальция в бетоне представляет собой кристаллический сросток, то есть вещество, обладающее определенной прочностью. Его вымывание ведет к потере прочности бетона. Когда Ca(OH)2 будет полностью выщелочен, начнется вымывание следующего по растворимости компонента цементного камня и т.д. Таким образом, процесс выщелачивания опасен для напорных сооружений, когда наблюдается фильтрация воды через толщу бетона. Вода не будет растворять Ca(OH)2, если уже в природном состоянии она представляет собой насыщенный по отношению к Ca(OH)2 раствор. Это возможно, когда вода имеет высокую временную жесткость. Временной жесткостью или бикарбонатной (гидрокарбонатной) щелочностью называют содержание в воде бикарбонатов кальция и магия Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Чем ниже временная жесткость, тем опаснее вода для бетона.
Процесс коррозии под действием кислоты можно проиллюстрировать следующим уравнением:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2+2H2O
в бетоне в воде-среде
Хлористый кальций CaCl2 хорошо растворим и будет вымываться из бетона. Таким образом, этот процесс, так же, как выщелачивание, ведет к исчезновению из бетона кристаллического сростка Ca(OH)2. При этом бетон теряет прочность.
Кислоты, дающие нерастворимые соли, а именно H2SO4 и H3PO4, оказывают менее агрессивное воздействие, чем HCl и HNO3.
В ионной форме этот процесс может быть представлен независимо от вида кислоты:
Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH- + 2Н+ = Ca2+ + 2H2O.
в бетоне в растворе в воде-среде
Прежде чем прореагировать с кислотой гидроксид кальция должен перейти в раствор, где происходит диссоциация его на ионы. Процесс растворения прекратиться, когда раствор достигнет насыщенной концентрации. Но если в воде содержаться катионы водорода, то они будут связывать анионы OH-, которые ограничивают растворимость гидроксида кальция, в нейтральные молекулы воды. В этом случае растворение гидроксида кальция будет продолжаться до полной нейтрализации ионов водорода.
Показателем общекислотной агрессивности является концентрация в воде катионов водорода, характеризуемая водородным показателем рН. Вода опасна для бетона при рН<7 (когда вода кислая) и, чем меньше рН, тем опаснее вода.
Природная вода, содержащая в растворе углекислый газ СО2, представляет собой угольную кислоту и может растворять карбонат кальция. Последний образуется в цементном камне из Ca(OH)2 под воздействием той же углекислоты:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O.
Углекислый кальций в воде не растворим, но в присутствии углекислоты он переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция, вымываемый из бетона:
CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(HCO3)2.
Эта реакция обратима. Равновесие устанавливается при определенном соотношении между CO2, называемой в этом случае равновесной и Ca(HCO3)2, обычно присутствующим в природной воде. Равновесная углекислота, не опасна для бетона. Опасной (агрессивной) для бетона является та часть углекислоты, которая содержится в воде-среде сверх равновесного ее количества. Концентрация агрессивной CO2 является показателем агрессивности воды. Чем больше концентрация агрессивной углекислоты, тем опаснее вода.
При содержании в воде растворимых солей магния, например, MgCl2, MgSO4 и других может происходить магнезиальная коррозия бетона по реакции:
Ca(OH)2 + MgCl2 → Mg(OH)2 + CaCl2.
в бетоне в воде-среде
Процесс этот необратим. Гидроксид магния характеризуется меньшей растворимостью, чем Ca(OH)2, но образуется в виде рыхлой массы. Замена кристаллического сростка Ca(OH)2 рыхлым продуктом Mg(OH)2 ведет к снижению прочности бетона. Как уже указывалось, CaCl2 хорошо растворим и вымывается из бетона.
Образующийся труднорастворимый Mg(OH)2 закупоривает поры бетона и затрудняет дельнейшее проникновение агрессивных ионов внутрь бетона, при этом коррозия замедляется.
Обобщая этот процесс для всех солей магния, растворимых в воде, можно записать реакцию в ионной форме:
2OH- + Mg2+ → Mg(OH)2.
Ионы OH- поступают в раствор за счет физического растворения кристаллического сростка Ca(OH)2. Растворение будет продолжаться, пока все имеющиеся в воде ионы Mg2+ не будут связаны в нерастворимый Mg(OH)2. Таким образом, здесь мы опять имеем дело с химическим растворением в полной аналогии с рассмотренным уже случаем общекислотной коррозии. Магнезиальная коррозия также как и общекислотная опасна при любых цементах, использованных для приготовления бетона.
Показателем магнезиальной агрессивности является концентрация в воде ионов магния. Чем больше эта концентрация, тем опаснее вода.
Из аионов, содержащихся в природной воде, агрессивное действие на бетон оказывает лишь анион SO42-. В процессе коррозии участвуют гидроалюминат кальция:
3CaO·
Al2O3·
6H2O + 3Ca2+ + 3SO42- + 25H2O → 3CaO·
Al2O3·
3CaSO2·
31H2O.
в бетоне в воде-среде
Катионы кальция поступают для реакции в результате растворения Ca(OH)2. Образующаяся комплексная соль, называемая гидросульфоалюминат кальция (ГСАК), имеет объем, в несколько раз больший, чем объем исходного продукта в бетоне. По-видимому это связано с большим количеством кристаллизационной воды в составе ГСАК.
При сульфатной коррозии происходит непосредственное разрушение бетона в результате того, что продукты коррозии, увеличиваясь в объеме, вызывают расширение и растресктвание бетона. Гидросульфоалюминат кальция из-за схожести вызываемых им процессов с некоей болезнью бетона образно назван “цементной бациллой”.
Очевидно, что показателем агрессивности является концентрация в воде аниона SO42-. Чем больше эта концентрация, тем опаснее вода.
Сульфатная коррозия опасна не для всех цементов. При использовании сульфатостойких видов цемента стойкость бетона против этого вида коррозии значительно возрастает.
Общесолевая коррозия происходит только в том случае, когда бетон частично погружен в воду или подвергается попеременному увлажнению и высыханию. При испарении воды из бетона в его порах остается твердый остаток, образующийся из растворенных в воде-среде солей. Постоянное поступление воды в бетон и последующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к накоплению твердого осадка и росту кристаллов соли в порах бетона. Этот процесс сопровождается расширением и растрескиванием бетона.
Щелочи, содержащиеся в воде-среде, вносят свой вклад в общесолевую коррозию. При доступе углекислоты воздуха к испаряющей поверхности бетона происходит карбонизация щелочей, с образованием Na2CO3 и K2CO3, и накопление этих солей в порах бетона.
Показателем агрессивности является концентрация в воде различных солей (соленость воды) и едких щелочей. Чем выше эта концентрация, тем опаснее вода.
Из большого числа мероприятий по борьбе с коррозией не все являются легко осуществимыми и достаточно эффективными. На практике стараются использовать по возможности наиболее простые и дешевые способы и в первую очередь повышение стойкости самого бетона путем, например, использования коррозионностойкого вида цемента или придания бетону высокой плотности и водонепроницаемости. Если эти меры не дают нужного результата, то прибегают к устройству того или иного вида гидроизоляции.
Применение коррозионностойких цементов. В ряде случаев можно избежать сульфатной коррозии бетона, применяя вместо портландцемента или шлакопортландцемента, сульфатостойкие цементы.
При уменьшении содержания в цементе C3S и C3A возрастает стойкость его в сульфат-ных водах. Сульфатостойкий портландцемент содержит C3S не белее 50 % и C3A не более 5 %.
Наряду с сульфатостойким портландцементом для работы в сульфатных водах выпуска-ются сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками (C3A ≤ 5 %), сульфатостой-кий шлакопортландцемент (C3A ≤ 8 %) и пуццолановый портландцемент (C3A ≤ 8 %).
Эти цементы содержат в своем составе активные минеральные добавки и позволяют получить бетон с повышенной стойкостью не только в сульфатных, но и в пресных водах. Это объясняется тем, что активный кремнезем добавки связывает Ca(OH)2 в труднорастворимый низкоосновный силикат кальция:
Ca(OH)2 + SiO2 → CaO·
SiO2·
Н2О.
Процесс, описываемый приведенной реакцией, называется пуццоланизацией.
Глиноземистый цемент, состоящий в основном из однокальциевого алюмината, придает бетону специфические свойства. Цементный камень глиноземистого цемента обладает повышенной стойкостью против кислотной (и, в частности, углекислой) коррозии, а также стойкостью в мягких и сульфатных водах. В растворах щелочей, однако, глиноземистый цемент подвергается коррозии, поэтому его нельзя применять в случае щелочной агрессивности воды.
Повышение плотности бетона. Повышение плотности – эффективный способ защиты бетона от всех видов коррозии. Для получения бетона повышенной плотности применяют цементы с малой водопотребностью, уменьшают водоцементное отношение, тщательно уплотняют бетонную смесь при укладке и т.п.
Водопроницаемость бетона уменьшается с повышением его плотности. При этом затрудняется проникновение агрессивной среды в поры бетона. Водостойкость бетона возрастает с увеличением его плотности в отношении всех видов коррозии.
К устройству гидроизоляции прибегают в тех случаях, когда мероприятия по повыше-нию коррозионной стойкости бетона не в состоянии исключить его коррозию. Для защиты бетона от коррозии применяют гидрофобизирующую или гидроизолирующую пропитку, поверхностную окраску (обмазку), оклейку или облицовку гидроизоляционными материалами. Гидроизоляционные покрытия имеют ограниченный срок службы и требуют периодического ремонта или замены.
Проникающая гидроизоляция
Есть два способа выполнения проникающей гидроизоляции - пропитка и инъецирование.
Пропиточная гидроизоляция. Пропитке подвергают изделия из железобетона (трубы, сваи, колонны, плиты и т.п.), керамики (кирпичи, камни, трубы), асбестоцемента (листы и трубы), природного камня, древесины и др.
Установлено, что достаточно пропитать материал на глубину 10-15 мм для эффективной его защиты. В результате поверхностный слой становится водонепроницаемым и защищает остальной объем от проникновения воды.
Способы пропитки различаются по температуре и давлению. По температуре их можно разделить на горячие и холодные.
При горячей пропитке используют нефтяные битумы, каменноугольные дегти и пеки, петролатум, озокерит, парафины, синтетические составы. Горячую пропитку выполняют главным образом в ваннах при температуре от 80 до 180 0С. Нагревание требуется для того, чтобы перевести материал в жидкое состояние или снизить его вязкость. После пропитки изделия охлаждают, в результате чего пропиточный состав закрепляется в порах.
Для холодной пропитки используют составы на основе минеральных вяжущих веществ (цемента, силиката натрия и др.), составы на основе органических низко- и высокомолекулярных веществ (стирола, метилметакрилата, полиуретана, кремнийорганических соединений).
Пропитку производят при атмосферном давлении, повышенном давлении (в автоклаве) и при вакуумировании.
Пропитка при атмосферном давлении наиболее проста. Она осуществляется в открытых ваннах или путем нанесения проникающего состава на поверхность материала. При этом давление атмосферы на проникающий состав уравновешивается таким же (атмосферным) давлением воздуха в порах. Поскольку результирующая внешнего давления равна нулю, то проникание жидкости в поры происходит только за счет капиллярного эффекта.
Вакуумирование позволяет повысить эффективность пропитки в 3-4 раза, так как из пор материала удаляется воздух и снимается противодавление, оказываемое им при пропитке. При вакуумировании ванна с изделием помещается в камеру, из которой вакуум-насосом откачивается воздух. При этом пропиточный состав поступает в поры, не встречая сопротивления воздуха.
При пропитке в автоклавах, несмотря на высокое давление порядка 0,6-1,2 МПа, достигаемое ускорение процесса составляет максимум двукратную величину по сравнению с открытой ванной. Это связано с наличием воздуха, который остается в порах материала, занимая часть объема и оказывая противодавление.
К поверхностной пропитке прибегают при защите материалов непосредственно в конструкциях. Пропитку осуществляют путем нанесения состава (кистью, валиком или распылением) на поверхность материала. После того как состав впитается в поры материала, операцию можно повторить, добиваясь необходимой глубины пропитки. Для поверхностной пропитки применяют специальные заводские составы с высокой проникающей способностью.
Инъекционная гидроизоляция. При этом методе на некоторой площади сооружения пробуривают шпуры, соблюдая определенный порядок в их расположении. С помощью специальной оснастки в шпуры нагнетают уплотняющий материал, который заполняет поры, пустоты, трещины, после чего отверждается.
Для инъекций применяют составы двух видов:
1) на основе минеральных вяжущих веществ
2) на основе органических связующих.
В первом случае применяются минеральные композиции на основе портландцемента, различных видов расширяющихся цементов, как правило, модифицированных специальными добавками. Такие материалы близки по химической природе бетону и сочетаются с ним лучше, чем органополимерные композиции, однако уступают последним в проникающей способности. В последнее время за рубежом разработаны высокопроникающие составы на основе цемента со сверхтонкими частицами, соответствующими коллойдным размерам в 1-2 мкм. Такой цемент получают по особой технологии на цементных заводах.
Широко применяются также инъекции жидких составов на основе полимеризующихся низкомолекулярных органических веществ (стирола, метилметакрилата) и отверждающихся полимеров (полиуретановых, акрилатных, эпоксидных, силиконовых и других смол). Для проникающих составов чаще всего используют олигомеры, отверждаемые при контакте с влагой. Такие материалы можно наносить на влажную поверхность.
Гидрофобизация
Эффективным видом защиты бетона от проникновения воды является гидрофобизация. Наиболее широко для этой цели применяют кремнийорганические вещества: метилсиликонаты и этилсиликонаты натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11), а также полиэтилгидросилоксан (бывш. ГКЖ-94). Кремнийорганические соединения, проникая в поры бетона и адсорбируясь на их стенках образуют тончайшую пленку, придающую поверхности водоотталкивающие свойства. В результате гидрофобизации силы поверхностного натяжения воды препятствуют проникнове-нию ее в капилляры, которые в то же время остаются открытыми для паров и воздуха.
Мастичная гидроизоляция
Наиболее перспективными для антикоррозионной защиты бетонных и железобетонных конструкций, являются высокоэластичные покрытия на основе полимерных и битумно-полимерных мастик. При отсутствии армирующего слоя такие покрытия, имея относительное удлинение до 300 %, выдерживают без разрушения значительные и многократные деформации.
Наиболее перспективными материалами для гидроизоляционных покрытий являются мастики на основе хлорсульфированного полиэтилена. Этот полимер, получаемый продувкой хлора и сернистого газа через расплавленный полиэтилен, относится к искусственным каучукам, для которых характерны высокие эластические свойства при незначительном сопротивлении деформированию.
Рулонная оклеечная гидроизоляция
Для устройства гидроизоляции широко применяют рулонные материалы на битумной (гидроизол, бризол, изол, стеклорубероид и др.), битумно-полимерной (изопласт, изоэласт, кинепласт, мостопласт, техноэласт, бикропласт, экофлекс, унифлекс и др.) и полимерной (фундалин, элон, кромэл, кровлелон, изолен, реситрикс и др.) основе. Рулонные материалы крепят к основанию приклеиванием с помощью специальных мастик или наплавным способом.
