Главная  Свойства 

 

Коррозия строительных конгломератов в эксплуатационных условиях

 

Город является сосредоточением экономической, политической и социальной деятельности общества. Управление градостроительным процессом основывается на интеграции экономико-географических, социологических и градостроительных разработок и исследований.

 

Специалисты первого направления изучают процессы с позиций целесообразности размещения производства и расселения жителей на территории. Социологи рассматривают проблемы города как специфическую социально-демографическую систему, вписанную в окружающую природу. В последние годы экономическая составляющая в управлении городским развитием выходит на первое место. При этом рассматриваются не только вопросы охраны окружающей среды, но и оптимальное соотношение элементов искусственной и естественной среды, необходимое для создания благоприятных условий жизнедеятельности горожан.

 

Градостроительный аспект представляет собой пространственно-планировочную организацию жилых, рекреационных и промышленных образований, дорожно-транспортных сетей, систем социально-бытового обслуживания, структур инженерного жизнеобеспечения и утилизации отходов.

 

Градостроители традиционно решали эти проблемы в рамках централизованного планирования развития страны. Однако теперь кардинальное изменение социально-экономических условий вызывает необходимость поиска новых подходов к разработке долгосрочных программ развития регионов и городов. Требуется взаимоувязка градостроительных компонентов на новой основе. Ее поиск является предметом исследований ведущих специалистов отрасли, научно-исследовательских и проектных институтов.

 

Бетоны и цементный камень, как его матричная часть, в эксплуатационных условиях подвержены коррозионному воздействию различных сред, особенно минерализованной воды в морских сооружениях (молы, причалы, эстакады со свайным основанием и железобетонным верхним строением, портовые конструкции и др.), минеральной кислоты при эксплуатации резервуаров, башен и других сооружений химической промышленности. На бетон оказывают коррозионное воздействие органические кислоты и биосфера, особенно при работе сооружений в торфяных грунтах, на предприятиях пищевой промышленности. Негативное влияние могут оказывать на состав и структуру цементного камня в бетонах щелочная среда, пресная вода, особенно водные растворы электролитов. В индустриальных районах коррозионное влияние на бетонные конструкции оказывают газы, например сернистые, сероводород, хлористый водород, аэрозоли солей, например морской воды и др. Агрессивное воздействие оказывают также твердые, в основном высокодисперсные вещества, способные образовывать во влажных условиях прослойки из истинных и коллоидных растворов. Кроме химических реакций при контакте со средой возможны физические сорбционные процессы с поглощением из среды поверхностно-активных веществ (ПАВ), например серосодержащих полярных смол из нефтепродуктов, с физическим нарушением сплошности контактов в структуре и ускорением развития дефектов.

 

При прогнозировании долговечности обычно исходят из данных определения параметров процесса коррозии, экспериментально получаемых в условиях, тождественных или близких к эксплуатационным. Среди параметров коррозии бетона: скорость продвижения в глубь агрессивного фронта; глубина поражения коррозией бетона; толщина слоя бетона, потерявшего прочность на сжатие или растяжение (что может быть определено с помощью формулы); коэффициент агрессивности или критерий коррозионного повреждения, выражаемый по допустимому снижению прочности; изменение концентрации одного из компонентов, например кальциевых солей, возникающих как продукт взаимодействия минералов цементного камня и кислот — внешней агрессивной среды, и другие возможные параметры эксперимента.

 

Выше были рассмотрены многие разновидности материалов и изделий, получаемые на основе неорганических вяжущих веществ. Наибольшее применение в строительстве находят цементный бетон и железобетон. Изделия и конструкции из них, находясь в эксплуатационных условиях, в основном следуют трем этапам долговечности — упрочнению, стабилизации и деетрукции (см. 4. . Деструкция чаще всего носит характер коррозии, поскольку соответствующие процессы ее в значительной мере протека-, ют под влиянием химических реакций и физико-химических воздействий.

 

При воздействии на бетон пресной безнапорной воды происходит ее диффузия в тело бетона и цементного камня. Объемная и поверхностная диффузия воды сопровождается растворением кристаллического гидроксида кальция при некоторой потере прочности цементного камня.

 

Сущность коррозионного воздействия различных агрессивных факторов выражается либо в растворении структурных компонентов цементного камня и последующего процесса вымывания растворов силой напора или под влиянием диффузии, либо в образовании новых химических соединений в цементном камне, способных растворяться в жидкой омывающей среде, например в воде, или образовывать тончайшие суспензии и выноситься под влиянием диффузии или фильтрации, либо в кристаллизации или набухании новообразований с явлениями последующего механического напряжения внутри цементного камня и микротрещинообра-зования. Отметим, например, что наиболее распространенным видом разрушения железобетонных свай в морских причалах является постепенное появление продольных трещин и шелушение поверхности.

 

Если пресная вода действует на бетонное сооружение, например плотину, перемычку и т. п., под напором, то протекает не столько диффузионный, сколько фильтрационный процесс. После растворения части кристаллического гидроксида кальция равновесие не устанавливается, как в случае безнапорного действия воды. Процесс вымывания раствора Са(ОН)г (выщелачивание) ускоряется по мере увеличения размера и количества пор после выщелачивания, а также при снижении жесткости напорной воды. Здесь можно отметить, кстати, что наиболее сильно известь в бетоне растворяет дистиллированная вода. В целом при воздействии напорной воды этапы упрочнения и стабилизации структуры очень малы, но их можно несколько увеличить введением активных кремнеземистых добавок с образованием в теле цементного камня и бетона водонерастворимых гидросиликатов кальция (СаО • Si02 • Н2О). Этому же в некоторой степени способствует повышение плотности структуры за счет оптимизации состава бетона и применяемого цемента. Таким образом, в этом случае коррозия не только явно выражена, но она и прогрессирует, удаляя из бетона кристаллы Са(ОН)2.

 

Процессы коррозии бетона и железобетона детально изучались в научно-исследовательских институтах (например, работы В.М. Москвина в НИИЖБе и др.).

 

Растворы солей соляной кислоты, так же как и серной, либо косвенно (например, NaCl способствует растворению Са(ОН)г), либо непосредственно способствуют коррозии бетона. Так, например, хлористый магний приводит от взаимодействия и реакции с известью к образованию легко растворимого и вымываемого хлористого кальция и тончайшей суспензии гидроксила магния: MgCb*+ Са(ОН)2 = СаСЬ + Mg(OH) В результате кристаллический и прочный Са(ОН)г разрушается в теле бетона. Деструкции благоприятствуют атмосферные условия — циклическое увлажнение и высыхание, замораживание и оттаивание бетона, а также напряженное состояние конструкций.

 

Вместе с тем вода благоприятствует интенсификации дополнительной гидратации цемента, ранее не вступившего в реакцию с в°Дой затворения в бетоне. Если пресная вода была жесткой (с высоким содержанием бикарбоната кальция), то возникает упрочнение структуры в связи с кристаллизацией в порах средней соли углекислого кальция (карбоната): Са(ОН)г + Са(НСОз)2 = 2СаСОз + + 2НгО. Эффект упрочнения в первый период эксплуатации конструкции может оказаться эффективнее снижения прочности от растворения кристаллического гидроксида кальция. Очевидно, что первый период (первый временной элемент долговечности) окажется с тем большим эффектом упрочнения, чем больше в теле бетона осталось негидратированного цемента. Первый период сменяется относительной стабилизацией структуры и свойств цементного камня, поскольку процесс диффузии воды и деструкции тормозится уплотнившейся структурой цементного камня, особенно если в смесь были введены активные кремнеземистые добавки. Таким образом, хотя коррозия явно выражена (растворение гидроксида кальция), но она завуалирована (может регрессировать до равновесного минимума).

 

Однако среди минеральных кислот имеются и исключения, например кремниевая или кремнефтористо-водородная кислоты. Соли кремниевой кислоты, называемые силикатами (например, СаБЮг), нерастворимы в воде, за исключением солей натрия и калия (Na2Si03, foSiOs), которые, однако, практически не возникают в теле цементного камня. Чаще под влиянием растворения кремниевой кислоты могут возникать коллоиды и студни (гели), особенно в присутствии гидрокремнезема, например опала, способные либо набухать и создавать опасные внутренние давления, либо высыхать и увеличивать прочность за счет дополнительного эффекта склеивания частиц. Из органических кислот опасности не представляет щавелевая кислота, так как ее кальциевые соли нерастворимы в воде и уплотняют поры. «Ядом» для цемента и цементного камня являются сахар и другие более сложные углеводы, т. е. органические вещества, молекулы которых содержат альдегидную (R • СНО) или кетонную (R.2 • СО) группу и гидроксильные группы. С ними протекают реакции с образованием либо труднорастворимых комплексных веществ типа Саз(СбН50 4КЬО и др., либо легкорастворимые в воде сахарат и глюказат кальция, алюминия или железа. Они вымываются из тела бетона, оставляя каверны и поры вместо прочного кристаллического Са(ОН) Органическая коррозия, возникающая под влиянием растительных масел, фруктовых и овощных соков, животных жиров или других органических веществ биогенного и небиогенного происхождения (например, при производстве синтетических каучуков), наносит чувствительный вред бетонным и железобетонным конструкциям. Каждый раз в результате соответствующих реакций образуются легко растворимые соли кальция, снижается водородный показатель (рН) жидкой фазы, что само по себе уже способствует разложению гидратированных минералов цементного камня, нарушению общего равновесия в теле бетона.

 

При воздействии на бетон минерализованной воды, например морской, возможны разные виды коррозии, когда анион S042- взаимодействует с катионом кальция Са2+, образуя в присутствии воды CaS04 • 2Н2О, т. е. кристаллический двуводный гипс, слабо растворимый в воде, но вследствие роста кристаллов создающий в порах механическое напряжение и трещины. Если в воде мало анионов SO42-, то возможно ожидать другую реакцию ЗСаО • АЬОз • 6ШО + + 3(CaS04 • 2Н2 + 19Н20 = ЗСаО • АЬОз • 3CaS04 • 31Н2 Новое кристаллическое вещество именуется эттрингитом и отличается в 3 раза большим объемом, чем кристаллы исходного гидроалюмината кальция (ЗСаО • АЬОз • 6ШО), что приводит к еще более интенсивному росту напряжений внутри цементного камня и микротре-щинообразованию. Кристаллы эттрингита образуются в цементном камне и при проникновении в поры и капилляры раствора сернокислого натрия, или мирабилита (Na2SC4 • ЮШО). Чтобы уменьшить сульфатную коррозию бетона, используют цементы с пониженным содержанием в нем ЗСаО • АЬОз, добавляют активные кремнеземистые вещества.

 

Из газовых агрессивных сред особого внимания заслуживает газообразный сероводород. Цементный бетон в этой газовой среде подвержен коррозии с увеличением в составе сульфатов, появлением реактивной серной кислоты.

 

Несравненно большую опасность, чем минерализованная вода, на бетон оказывают кислоты. Практически все кислоты приводят к коррозии цементного камня, поскольку в нем содержится большое количество кристаллического Са(ОН)г. Так, например, серная кислота приводит в конечном счете к «гипсовой» коррозии, так как H2SO4 + Са(ОН)г = CaS04 • 2Н2О. Азотная кислота, растворяясь в воде, диссоциирует на ионы Н+ и NO3- и поэтому взаимодействует с основаниями, основными окислами и солями подобно другим кислотам: 2HN03 + СаО = Ca(N0 2 + H20; 2HN03 + Ca(OH)2 = = Ca(N0 2 + 2H20; 2HNO3 + СаСОз = Ca(N0 2 + CO2 + Н2О. Образующаяся кальциевая селитра растворима в воде, и таким образом постепенно происходит выщелачивание извести с потерей плотности и прочности цементного камня. Разрушают кристаллический Са(ОН)г, именуемый часто как портландит в цементном камне, все неорганические кислоты, в том числе и угольная; последняя — через стадию растворимого бикарбоната кальция.

 

Процесс коррозии прослеживается не только прямыми, но и косвенными методами, например по увеличению проницаемости среды за счет интенсификации диффузии, фильтрации, по изменению механических показателей цементного камня или бетона, особенно прочности, ползучести, снижению морозостойкости и т. п. Анализ кинетики коррозионного процесса показывает, что интенсивность взаимодействия структурных элементов цементного камня с химически активными (агрессивными) компонентами внешней среды зависит от величин его внешней и внутренней (особенно поровой) поверхности, структуры порового пространства. В ходе диффузии активных ионов они относятся к основным поглотителям с соответствующим химическим перерождением микроструктуры цементного камня. Зная предельно допустимое количество агрессивного компонента, при котором химическое перерождение достигает критического уровня для целостности структуры, и скорость диффузии агрессивного компонента (хотя и меняющуюся во времени), можно с известным приближением определить долговечность цементного камня (и бетона) в строительной конструкции, подверженной влиянию внешней агрессии.

 

Щелочи менее агрессивны, чем кислоты и минерализованные воды, но и они способствуют деструкции цементного камня вследствие их кристаллизации с образованием кристаллизационного давления в порах.

 

В легких бетонах с содержанием органических заполнителей (типа арболитов) действуют внутренние факторы, которые вместе с внешними могут приводить к значительной деструкции, если в технологический период не были предусмотрены необходимые меры по стабилизации структуры. Качество древесных заполнителей главным образом оценивают по содержанию в них вредных для цемента экстрактивных веществ, гемицеллюлозы и крахмала, нередко называемых «цементными ядами», поскольку они способны переводить часть прочной кристаллической фазы цементного камня в водорастворимые кальциевые сахараты.

 

Не возникает коррозии бетона в среде минеральных масел и других нефтепродуктов, если они не содержат полярных групп в молекулах или не попадают с водой затворения.

 

Повысить стойкость бетонов к процессам коррозии и затормозить деструктивные процессы в цементном камне и бетоне можно рядом технологических мероприятий. Наиболее существенными мерами являются: ограничение содержания C3S (например, до 50%), чтобы уменьшить содержание в цементном камне Са(ОН)г; введение аморфных кремнеземистых добавок в цемент для химического связывания гидроксида кальция; повышение плотности с помощью ПАВ; использование по возможности жестких бетонных смесей и придание бетону оптимальной структуры; снижение концентрации в бетоне дефектов усадочного характера (например, с помощью микронаполнителей); применение гидрофобизаторов в смесях и др.

 

Коррозии подвержены не только плотные, но и пористые, в том числе ячеистые, бетоны, получаемые с помощью автоклавного твердения. Одним из агрессивных факторов, которые воздействуют на газобетон в ограждающих конструкциях, является углекислый газ в атмосфере. Под влиянием его адсорбции гидросиликатный кристаллический каркас в стенках ячеек газобетона существенно изменяется, поскольку образуется карбонат кальция и выделяется гель крем-некислоты. Содержание кристаллической части уменьшается по объему, количество химически связанной воды в гидратах снижается, прочность падает, деформации становятся в большей мере необратимыми, постепенно переходя в деформации ползучести, модуль упругости также уменьшается. В результате газобетон, особенно в промышленных зданиях, где концентрация углекислоты значительно больше, чем в обычной атмосфере, претерпевает деструкцию, тем более если под влиянием механических нагрузок он находится в напряженном состоянии.

 

Специальные сульфатостойкие портландцементы весьма необходимы при приготовлении бетонов, работающих в условиях воздействия растворов сульфатов и растворимых в воде оснований (щелочей). В предэксплуатационный период приносят пользу пропитка поверхностного слоя бетонов растворами уплотняющих веществ, например флюатов, полимерами и мономерами, а также оклеивание изоляцией. В период эксплуатации конструкций окажутся эффективными периодическая обработка поверхности с помощью пескоструйных аппаратов, придание изделиям и конструкциям форм, исключающих скопление агрессивной среды; устранение щелей, пазух и других полостей; их надежная герметизация. Комплекс такого рода мероприятий благоприятствует увеличению долговечности бетона в конструкциях.

 

Своеобразной, спонтанно развивающейся коррозии подвержены бетоны на основе глиноземистого цемента. Этот быстротверде-кщий цемент незаменим при строительстве конструкций ограниченной долговечности и временных сооружений, а также при химической защите, но, главное, при получении огнеупорных бетонов. Однако он способен снижать прочность бетона в связи с превращением одних новообразований (минералов) цементного камня в другие, что весьма ограничивает возможность его применения в капитальном строительстве. Механизм снижения прочности происходит под влиянием конверсии (изменения) условий, в которых находится бетон. При обычных температурах в нем Длительно сохраняются метастабильные монокальциевый гидро-^юминат САН ю и двухкальциевый гидроалюминат CIAHB В виде кристаллов гексагональной формы. Однако как только температура окружающей среды повысится (например, от 20 до 40°С), мета-стабильные соединения переходят в стабильные в виде кубических кристаллов трехкальциевого гидроалюмината СзАШ, а также в гель глинозема АНз (гиббсит). Очень медленный процесс такого перехода возможен и при обычных температурах. В обоих случаях увеличивается пористость цементного камня и бетона, так как плотность метастабильных образований находится в пределах 1,75—1,95 г/см3, тогда как плотность кубического гидроалюмината и геля равна соответственно 2,53 и 2,40 г/см Пористость снижает прочность бетона. С повышением водоцементного отношения быстро растут скорость конверсии соединений, пористость и снижается прочность бетона.

 

При воздействии на бетон кислотосодержащих сред его защищают слоями из кислотоупорного цемента (оштукатуривание, торкретирование и др.).

 



Фундаменты на проса дочных грунтах. Кровли из асбестоцементаых плоских и волнистых листов. Кровли из мягких материалов. Крыши бань и саун. Легированные стали и твердые сплавы. Малярные работы. Материалы и изделия из горных пород.

 

Главная  Свойства 



0.0082