Коррозия каменных, бетонных и железобетонных конструкций

По механизму протекания различают физическую, химическую и биологическую коррозию материала каменных конструкций. Вид коррозийных процессов зависит от местоположения конструктивного элемента и характера среды. Так, подземные конструкции могут подвергаться всем видам коррозии, надземные конструкции — преимущественно физической, реже — химической.

Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты, стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены из искусственных каменных материалов с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.

В зависимости от вида связи с материалом различают химически связанную, адсорбционно связанную, капиллярную и свободную влагу. Свободная влага заполняет крупные пустоты и поры материала и удерживается в них гидростатическими силами. Эта влага легко удаляется из материала конструкции при высушивании.

В крупных порах и пустотах вода превращается в лед при температуре ниже 0°С, так как в ней растворены вещества, понижающие температуру замерзания. В капиллярах диаметром 10“⁵ см и менее вода замерзает при температуре ниже -25°С.

Влияние влаги на процесс разрушения конструкций неодинаково. В одних случаях она как поверхностно-активное вещество ускоряет разрушение, в других, являясь хорошим растворителем, действует в качестве химически активной агрессивной среды.

Наличие на поверхности и в теле каменных материалов пор, пустот, капилляров и микротрещин приводит к увеличению площади их удельной поверхности, что повышает возможность контакта конструкции со всеми видами влаги.

Молекулы воды обладают дипольными моментами. Они ориентируются в зоне действия силовых полей, образование которых связано с развитием микротрещин или дефектов кристаллических структур. Дипольная ориентация воды в адсорбционном слое повышает ее плотность и вязкость. В результате этого вода приобретает упругость, близкую к упругости материала конструкции. По мере сужения микротрещин упругость воды повышается, вследствие чего усиливается ее расклинивающее действие. Возрастание внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действием влаги, приводит к значительному снижению прочности материала. Толщина слоя адсорбционно-связанной воды примерно 1,5 • 10“⁵ см; расклинивающее действие влаги возникает при толщине полимолекулярных пленок около 3 • 10~⁵ см.

Силы капиллярного давления воды при заполнении пор и капилляров вызывают сложные напряжения в материале каменной конструкции. Растягивающие напряжения зависят от поверхностного натяжения

Р_а = (2а/г) со50,

где а — поверхностное натяжение воды, Па; г — радиус капилляра, м;

0 — угол смачивания, град.

Эти напряжения вызывают снижение давления жидкости в капиллярах и возникновение напряжений сжатия и изгиба в материале стенок капилляра. В условиях эксплуатации указанное взаимодействие имеет более сложный характер, так как капилляры связаны между собой, однако принятое упрощение дает вполне удовлетворительное представление о влиянии капиллярных сил на напряжения в материале, возникающие при его увлажнении. Например, пользуясь приведенной формулой, можно определить капиллярное давление при полном смачивании материала, имеющего капилляры со средним радиусом г= 10^-5 см, Р_а = 4,9 • 10⁶ Па.

Разрушение каменных материалов связано с одновременным воздействием отрицательных температур и влаги. Замерзающая в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения в материале конструкции. При естественном увлажнении в условиях эксплуатации вода в крупных порах и капиллярах поднимается на меньшую высоту, чем в мелких. Кроме того, вода из крупных пор перемещается в смежные мелкие, так как сила капиллярного отсоса в них большая. При замерзании влаги свободные крупные поры служат резервным объемом для компенсации расширения влаги в мелких порах и капиллярах. В связи с этим крупнопористые материалы более морозостойки. При замораживании материала, поры которого полностью заполнены водой, могут возникнуть значительные напряжения, во много раз превосходящие прочность наиболее стойких материалов. Давление в порах при замерзании

(ОЛ)/Т- У/Р_п - У_ЯС1Р_Л,

где 0 — скрытая теплота плавления льда, 3,35 • 10⁵ Дж/кг; Т — абсолютная температура замерзания воды, 273°С; У_в, У_л — удельный объем соответственно воды и льда, м³; с1Р_в, с1Р_п — давление соответственно воды и льда, Па.

Когда изменение давления воды и льда одинаковое, т.е. с1Р_в = с1Р_л, приведенная выше формула может быть записана в следующем виде

° = (У.-К )с1Р.

Если задать определенные значения температуры, можно вычислить то давление, которое оказывает замершая вода на материал конструкции. Подставив численные значения в формулу, получим

(3,35 • 10⁵) /273 = (1 - 0,091)10Л//>,

где 1 • 10^-5 и 1,091 • 10^-3 — объем 1 кг воды и льда соответственно, м³.

По приведенной формуле можно определить, что при понижении температуры на 1 °С давление в порах материала каменной конструкции увеличится на с1Р= 1,347 • 10⁷ Па (135 кг/см²). Следовательно, при понижении температуры до -20°С в материале, поры которого полностью заполнены водой, напряжения, вызванные давлением льда, достигнут 2,7 • 10⁸ Па (2700 кг/см²). Когда вода свободно вытекает из пор, в которых образуется лед, ее давление равно нулю. Давление льда увеличивается с понижением температуры. Для этого случая расчетная формула примет вид

(0с1Т)/Т= -У_лёР.

При изменении температуры на с1Т = ГС давление увеличивается на с1Р/с1Т = 1,13 • 10⁶ Па (11,3 кг/см²).

Таким образом, при понижении температуры до -20°С давление достигнет 2,26 • 10⁷ Па (226 кг/см²). По-видимому, в реальных условиях механизм разрушения увлажненных материалов каменных конструкций при знакопеременных температурах отличен от описанного выше, однако усилия, возникающие при протекании этих процессов, соизмеримы с приведенными в расчетах.

На долговечность каменных конструкций, кроме упомянутых факторов, влияет также попеременное увлажнение и высыхание материала даже при отсутствии отрицательных температур. При высыхании влага из конструкции испаряется сначала из крупных пор, а затем из более мелких пор капилляров. В абсолютно сухом воздухе свободная, капиллярная и адсорбиционно связанная вода в течение некоторого времени может полностью испариться из тела конструкции. При этом на конструкцию перестают действовать расклинивающие силы и как следствие в материале возникают значительные напряжения усадки.

При увеличении относительной влажности окружающей воздушной среды материал вновь увлажняется, трещины раскрываются. Скорость разрушения каменных конструкций под действием напряжений, усадки и набухания зависит от интенсивности увлажнения и высыхания.

Одной из причин разрушения увлажненного каменного материала является осмотическое давление в порах конструкций. В порах и капиллярах вода образует растворы неодинаковой концентрации. В материалах каменных конструкций всегда имеются расположенные рядом поры с растворами разной концентрации, разделенные проницаемыми для воды стенками и непроницаемыми для растворенного в ней вещества. Стремясь выровнять концентрацию, влага проходит через материал, разделяющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. Если раствор, имеющий большую концентрацию, находится в замкнутом объеме, то в нем может возникнуть осмотическое давление, достигающее 1,5 * 10⁷ Па (150 кг/см²).

Причиной физической коррозии каменных, бетонных и железобетонных конструкций может быть отложение продуктов коррозии закладных металлических деталей, а также арматуры.

В воде, находящейся в порах и капиллярах каменных конструкций, находятся в растворенном состоянии вещества, составляющие материал конструкции. Наличие в воде гидроксидов кальция, натрия, калия и других металлов обусловливает ее высокую щелочность (pH = 12—13). Стальная арматура и металлические детали подвергаются коррозии при pH < 10, особенно интенсивно она протекает при pH < 5, а при pH = 14 практически прекращается, что связано с образованием на поверхности стали защитной пленки из нерастворимого гидроксида железа Ре(ОН)₃ и других соединений.

Щелочность среды может уменьшиться вследствие карбонизации бетона. В карбонизованном бетоне pH = 9, что приводит к разрушению защитных пленок на металлических деталях железобетона и активизирует коррозию. Поэтому обязательным условием защиты закладных стальных деталей и арматуры железобетона является плотность защитного слоя бетона.

Таким образом, интенсивность коррозии каменных конструкций зависит от структуры материала, степени и вида его увлажнения, а также от химического состава водной среды. Так, дождевая вода смывает со стен адсорбированные частицы и различные агрессивные вещества; влага-конденсат вступает с такими веществами во взаимодействие, образуя растворы кислот и щелочей, которые вызывают разрушение материала каменных конструкций. Повышенный конденсат возникает весной или осенью, когда температура наружного воздуха имеет знакопеременные значения. В этот период температура каменных наружных конструкций изменяется с некоторым отставанием от суточной температуры наружного воздуха (температурный гистерезис). Контакт воздушной среды с участками конструкций, имеющих более низкую температуру по сравнению с температурой наружного воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих участках, особенно в углах зданий.

Скорость и характер разрушений каменных конструкций, как уже отмечалось, зависят от структуры пор материала. Долговечность кирпичных стен в значительной степени определяется технологией изготовления кирпича. Например, кирпич сухого прессования имеет сеть капилляров и пор, сообщающихся между собой и открытых на поверхности. Такой материал быстро насыщается влагой, ускоряющей его физическую коррозию. Кирпич пластического прессования имеет закрытые поры, поэтому медленнее насыщается влагой. Насыщение влагой каменных материалов в естественных условиях происходит значительно быстрее, чем высыхание.

При эксплуатации зданий следует обращать внимание на состояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из материалов, имеющих разную плотность. Так, в конструкциях из песчаника и известняка в месте их контакта наблюдается ускоренное разрушение песчаника. Объясняется это тем, что известняк, как материал с более крупными порами, быстрее впитывает и отдает влагу плотному песчанику, имеющему мелкие поры. При этом количества влаги на границе контакта этих двух материалов достаточно для того, чтобы все поры песчаника были полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор известняка, содержит растворенные соли, которые при испарении влаги кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Значительно большие напряжения возникают в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми при замерзании в них влаги.

Аналогичные явления происходят в швах каменной кладки, если использован раствор более плотного состава, чем материал кладки. В этом случае раствор в швах кладки быстро разрушается и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич по кромкам в месте примыкания к раствору, так как на нем скапливается влага, не успевающая мигрировать в раствор.

Причиной разрушения каменных конструкций является также устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок. Кирпичные стены, например, при нормальном режиме эксплуатации содержат 0,055—0,53% влаги (по массе). Миграция происходит тем интенсивнее, чем больше перепад температур, при этом влага перемещается в сторону низких температур. Наличие плотной штукатурки приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При отрицательных температурах влага замерзает, возникают напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения из-за разности линейных температурных расширений: линейные расширения кирпичной кладки примерно в два раза меньше линейных расширений цементного раствора; для кладки из шлакобетонных камней эта разница еще больше. При этом надо иметь в виду, что температура штукатурного слоя фасада всегда выше температуры слоя кладки, находящейся под штукатуркой.

Одним из видов физической коррозии каменных, бетонных и железобетонных конструкций является также растворение влагой и унос некоторых веществ из тела конструкций. К этому виду относится коррозия выщелачивания. Фильтрующиеся через конструкцию воды могут растворять и уносить находящийся в ее материале гидрооксид кальция, снижая прочность материала.

Следует отметить, что если наружные стены покрыты плотной штукатуркой из цементного раствора, то их воздухопроницаемость снижается в 20 раз. Коэффициент линейной усадки (набухания) материала штукатурки в 35 раз больше, чем кирпича. Кроме того, в этом случае создаются условия для интенсивного накопления влаги на границе кирпичная кладка — цементная штукатурка. Эти явления сопровождаются разрушением каменных и кирпичных кладок, при этом термическое сопротивление стен снижается.

Лучшими эксплуатационными параметрами обладают известково-песчаные растворы, штукатурки из которых имеют коэффициент воздухопроницаемости, почти совпадающий с коэффициентом воздухопроницаемости каменных кладок, а в некоторых случаях даже больше. Это создает благоприятные условия для беспрепятственного удаления мигрирующей влаги из материала кладки. Известковый раствор устойчив при знакопеременных температурах, так как коэффициенты его линейного температурного расширения и кирпичной кладки почти совпадают. Физические характеристики материалов наиболее распространенных конструкций каменных стен приведены в табл. 3.5.

Химическая коррозия. Рассмотренные выше явления, вызывающие износ каменных конструкций, представляют опасность при воздействии на конструкции знакопеременных температур и интенсивной фильтрации пресной влаги через тело материала конструктивных элементов. Если скорость фильтрации соизмерима со скоростью испарения влаги, на поверхности конструкции может образоваться карбонатный слой в виде плотной оболочки. Накопление малорастворимых веществ у наружной поверхности происходит в результате растворения и уменьшения их во внутренних слоях. Первые два наружных слоя образуются вследствие адсорбции солей и их диффузии.

На начало разрушения каменных конструкций указывают появляющиеся на поверхности конструктивного элемента белые высолы, которые свидетельствуют о том, что в материале протекают растворение солей материала и вынос их наружу в сторону более низких температур.

Таблица 3.5

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ СТЕН

Во многих случаях при отсутствии постоянного увлажнения карбонатная оболочка СаС0₃ является своего рода самозащитой каменных конструкций. В связи с этим не следует применять механическую очистку каменных конструкций без изучения их состояния и мер защиты. Такая очистка может ускорить процесс разрушения, так как вновь образовавшиеся (обнаженные после чистки) участки обладают значительной свободной поверхностной энергией, которая способствует активной сорбции веществ окружающей среды сначала наружным слоем, а затем и объемом материала. Если в окружающей среде находятся агрессивно-активные компоненты, они вступают в химическое взаимодействие с веществами материала конструктивного элемента.

Опасны для каменных и бетонных конструкций воды, содержащие химически активные вещества. Наиболее распространенной коррозией бетонных и железобетонных конструкций является кислотная коррозия. На бетон разрушительно действует угольная кислота. Она в начальный период, взаимодействуя с гидроксидом кальция, образует нерастворимую соль СаС0₃ и воду, в которой ионы Н⁺, НС0₃^_, С0₃^- находятся в равновесии. При увеличении диоксида углерода сверх равновесного происходит реакция

СаС0₃ + С0₂ + Н₂0 -» Са(НС0₃)₂.

Карбонатная оболочка СаС0₃ растворяется, а образующийся дикарбонат кальция легко вымывается водой.

Бетонные конструкции активно взаимодействуют с органическими кислотами: уксусной, олеиновой, молочной и др. Действие олеиновой кислоты, например, сопровождается разрушением бетона вследствие интенсивного взаимодействия кислоты с гидроксидом кальция. Аналогично разрушают бетонные и железобетонные конструкции стеариновая, пальмитиновая и другие кислоты жирного ряда, а также растворы глицерина.

Бетонные конструкции интенсивно разрушаются под действием некоторых солей, например А1-,(80)₄, ]ЧН₂8С)₄, БеС1₃, которые, взаимодействуя с водой, образуют сильные кислоты, разлагающие материал на кальциевую соль и аморфные массы:

2СаО • 28Ю₂ • ЗН₂0 + /яНС1 —> ЗСаС1₇ + 2810, ад.

Сульфоалюминатная коррозия бетона и железобетона опасна при наличии в водном растворе, контактирующем с материалом конструкций, 250—1000 мг/л сульфатных ионов 804“. При большем их содержании коррозия переходит в сульфатно-гипсовую. Сульфоалюминатная коррозия протекает при наличии в воде сульфатов кальция, натрия, магния, которые вступают во взаимодействие с составляющими цементного камня. Полученное в результате этой реакции вещество увеличивает объем твердой фазы в 2,5 раза, что вызывает разрушение материала. Если в воде содержатся сульфаты натрия, то сначала они взаимодействуют с гидроксидом кальция по схеме

Са(ОН)₂ + Ыа₂80₄ -> Са80₄ + 2№ОН,

а затем реакция протекает по механизму сульфоалюминатной коррозии.

Чисто магнезиальная коррозия бетонных и железобетонных конструкций происходит при действии на материал конструкций растворимых солей магния

Са(ОН)₂ + МеС1₂ -> СаС1₂ + М8(ОН)₂.

Гидроксид магния малорастворим в воде, поэтому такая реакция идет, пока полностью не израсходуется гидроксид кальция. Под действием солей магния возможно также разложение гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

Сульфат магния М^80₄ вызывает сульфатно-магнезиальную коррозию

Са(ОН)₂ + Ме80₄ + Н₂0 -> Са80₄- 2Н₂0 + Ме(ОН)₂.

Образование рыхлого гидроксида магния и кристаллов гипса приводит к разрушению материала под действием значительных пороговых напряжений, вызванных вновь образованными веществами, объем которых больше размера пор.

На бетон агрессивно действуют растворы хлорида кальция. Все хлориды, накапливающиеся в железобетонных конструкциях, ускоряют коррозию арматуры и закладных деталей.

При применении щебня из горных пород, содержащих аморфный кремнезем, в качестве заполнителя для бетонов они могут разрушаться, если в материале бетона имеются повышенные концентрации соединений щелочных металлов — натрия и калия.

При гидратации цемента щелочные соединения подвергаются гидролизу, образуя в водном растворе гидроксиды натрия и калия. При контакте этих растворов с аморфным кремнеземом образуются гидросиликаты натрия типа пТ^а₂0 • т$Ю₂ад. В дальнейшем из-за процессов осмоса в микрообъемах цементного камня бетона возникают внутренние давления, разрушающие скелет бетона. Интенсивность коррозионного процесса зависит от количества аморфного кремнезема и размера зерен заполнителя, в котором он содержится.