Предотвращение и снижение химической коррозии бетона

Предотвращение коррозии цементного камня, бетонных и железобетонных конструкций обеспечивается различными способами: изменением минералогического состава клинкера, регулированием тонкости помола цемента, введением в его состав гидравлически активных материалов, автоклавной обработкой изделий из бетона и гидроизоляцией бетонных сооружений.

Рассмотрим различные факторы, влияющие на стойкость бетона к коррозии.

Минералогический состав клинкера. Стойкость портландцемента в пресных водах можно повысить, уменьшив в нем содержание трехкальциевого силиката - минерала, твердеющего с выделением большого количества свободной извести. Для повышения стойкости в сульфатных водах надо уменьшить содержание трехкальциевого алюмината и повысить количество алюмоферритов кальция. Поэтому клинкерный минерал C₄AF (4CaOAl₂0₃-Fe₂0₃) более устойчив к сульфатной коррозии, хотя он в состоянии образовывать гидросуль- фоалюминат и аналогичный ему гидросульфоферрит кальция, вызывающие деформацию цементного камня. По скорости связывания гипса клинкерные минералы могут быть расположены в следующий ряд: С₃А > CgA₂F >

> C₄AF > C0AF₂ > c₂f.

По мере повышения содержания алюмоферритов кальция за счет снижения содержания С₃А (ЗСаОА1₂0₃) при постоянном содержании C₃S (3CaOSi0₂) и C₂S (2CaOSi0₂) сульфатостойкость цементов значительно повышается. Стандарт на сульфатостойкий цемент предусматривает следующие требования: С₃А - не более 5% (мае.), сумма C₃A+C₄AF - не более 22, C₃S - не более 50% (мае.). Однако в ряде случаев наблюдаются отклонения от этого общего положения. Цемент, содержащий С₃А и C₃S менее 5% (мае.) и 50% (мае.) соответственно, оказывается менее сульфатостойким. Причиной этого могут быть низкая плотность цементного камня, присутствие в сульфатных водах ионов хлора, повышенная концентрации ионов S0₄ в агрессивной среде. Так, в морской воде присутствие хлоридов замедляет или прекращает расширение бетона под воздействием сульфатных растворов. Это связано с повышением растворимости гипса и гидросульфо- алюмината кальция в растворах хлоридов.

Скорость действия сульфатных растворов на цементный камень зависит от концентрации растворов, поэтому разработаны СНиП П-28-73 «Защита строительных конструкций от коррозии», согласно которым в зависимости от концентрации S0₄^- в воде агрессивная среда может быть отнесена к малой, средней и высокой агрессивности. С учетом этого для сред малой и средней агрессивности разработан низкоалюминатный сульфатостойкий портландцемент, в котором допускается содержание C₃S до 60% (мае.) и С₃А до 8% (мае.) при обязательном содержании в цементе до 10% (мае.) активных минеральных добавок.

Скорость действия сульфатных растворов зависит от вида катиона в растворе. Так, в 0,5%-м растворе MgS0₄ цементный камень разрушается быстрее, чем в 1%-м растворе Na₂S0₄. Различие в действии MgS0₄ и Na₂S0₄ зависит также от состава цемента. Сульфат магния оказывает более сильное воздействие на низкоалюминатные цементы, а сульфат натрия - на высокоалюминатные. Это объясняется различным химизмом их действия: C₃S разрушается быстрее в растворе MgS0₄, чем в растворе Na₂S0₄; C₂S разрушается под действием MgS0₄, а в растворах других сульфатов устойчив; С₃А и C₄AF неустойчивы в сульфатных средах.

Тонкость помола. Увеличение тонкости помола цементного камня способствует повышению его сульфа- тостойкости. При этом для белитовых цементов увеличение сульфатостойкости весьма заметно, а для цементов, содержащих повышенное количество алита, эта закономерность неоднозначна и зависит от соотношения С₃А : C₄AF. В целом же увеличение тонкости помола сопровождается формированием плотного цементного камня с высокой водонепроницаемостью, исключающей возможность миграции агрессивной среды, что обусловливает высокую коррозионную стойкость цемента и бетона.

Тепловлажностная обработка цементного камня. Обычное пропаривание цементного камня при температуре менее 100 °С мало влияет на его стойкость к агрессивным средам. Однако увеличение времени обработки сопровождается снижением количества макропор в камне, что является причиной увеличения его стойкости.

Обработка цементного камня при температуре выше 100 °С обеспечивает хорошие результаты. При автоклавной обработке под высоким давлением Са(ОН)₂ реагирует с Si0₂ с образованием низкоосновных гидросиликатов, что повышает сульфатостойкость цемента, поскольку реакция

прекращается.

Гидросиликаты кальция, образующиеся при автоклавной обработке, устойчивы к воздействию агрессивных сред. В процессе обработки образуются СзАН_б и гидрогранаты кальция 3Ca0(Al,Fe)203*3(H₂0)2^,Si0₂, обладающие высокой устойчивостью к действию сульфатов натрия.

Введение добавок. Введение добавок оксида кремния в цемент способствует повышению его коррозионной стойкости. В этом случае протекает реакция

Образующиеся гидросиликаты кальция менее растворимы в воде и практически не вступают в обменные реакции с сульфатами.

В табл. 8.1 приведены результаты исследований стойкости цементов в различных средах.

Таблица 8.1

Как видно из представленных в таблице данных, введение в состав цемента золы ТЭЦ и гравия снижает стойкость цементов, а ввод гранулированного шлака и горелой породы оказывает положительное действие. В первом случае реакция связывания Са(ОН)₂ протекает медленно, формируется структура с большой пористостью, что обусловливает меньшую стойкость цементного камня.

Гидроизоляция. Гидроизоляция бетонного сооружения является эффективным способом, предотвращающим попадание воды в бетон. С этой целью сооружение покрывают различными непроницаемыми покрытиями. Однако данный способ очень трудоемкий и дорогой.

В последние годы для повышения водонепроницаемости бетонов используют расширяющиеся цементы и полимерные композиции на их основе.

В качестве полимерных добавок применяют диви- нилстирольный латекс СКС-65ГП, водно-спиртовые растворы кремнийорганических жидкостей ГКЖ-10 или ГКЖ-П (жидкие силикаты или алюмосиликаты натрия), фуриловый спирт, водорастворимые алифатические смолы.

Цементный камень на расширяющемся цементе имеет более плотную структуру, чем цементный камень на портландцементе. Введение в цементный камень водорастворимых полимерных добавок значительно снижает микропористость, что вызывает уменьшение пор (появляются поры радиусом ЮО-Ю^-10 м).

Применение расширяющегося цемента с малой энергией расширения позволяет обеспечить значительное снижение газо-, водо- и рассолопроницаемости цементного камня и раствора по сравнению с соответствующими составами на портландцементе.

Испытания коррозионной стойкости образцов с полимерными добавками в изучаемых агрессивных средах показали, что коэффициент стойкости образцов после 12 месяцев испытаний близок к единице (от 0,9 до 1,05), что свидетельствует о высокой стойкости цементного камня.

Заметное отрицательное влияние на коррозионную стойкость образцов оказывает среда с содержанием ионов Mg²⁺ 4000 мг/л. На ранней стадии воздействия среды наблюдается упрочнение цементного камня с последующим его разупрочнением.

Коэффициент стойкости образцов из напрягающего цемента с добавкой латекса равен 0,98, образцов из НЦ без добавки - 1,18, образцов на портландцементе - 0,58.

Цементный камень на основе расширяющегося вяжущего обладает достаточно высокой стойкостью в хлорид- ной и хлоридно-магнезиальной среде. Испытание образцов из расширяющихся полимерцементных растворов в промышленных средах показывает отсутствие сбросов прочности в течение пяти лет. В то же время предел прочности при сжатии образцов из цементно-песчаного раствора на портландцементе без добавок после пяти лет хранения в агрессивных средах уменьшился на 17% по сравнению с образцами в возрасте одного года.