24.01.2021

Коррозионная стойкость бетона


Коррозия бетона представляет собой процесс его разрушения вследствие химического или физико-химического взаимодействия с агресивной средой (здесь не рассматривается коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителей, так как разрушение для данного вида коррозии вызывается не внешними воздействиями, а процессами, возникающими внутри бетона). Степень воздействия различных агрессивных сред на бетон нормируется СНиП И-27-73 и определяется:

- для газовых сред — видом и концентрацией газов, их растворимостью в воде, влажностью и температурой;

- для жидких сред — наличием и концентрацией агрессивных агентов, температурой, значением напора или скоростью движения жидкости у поверхности конструкции;

- для твердых сред (соли, аэрозоли, пыль, грунты) — дисперсностью, растворимостью в воде, гигроскопичностью, влажностью окружающей среды.

Многочисленные разновидности коррозии бетона, зависящие от совокупности факторов, характеризующих внешнюю среду и бетон, по классификации В.М. Москвина, которая является общепризнанной, могут быть разделены на три основных вида.

Коррозия первого вида объединяет все процессы взаимодействия бетона и внешней водной среды с малой временной жесткостью и сопровождается растворением и выносом растворимых компонентов цементного камня. Наличие в жидкой среде солей (но не солей кальция), не реагирующих непосредственно с составными частями цементного камня, но повышающих ионную силу раствора, увеличивает, растворимость Ca(OH)2 и тем самым усиливает и ускоряет процессы коррозии этого вида. К этому виду относят, например, взаимодействие бетона с дождевой водой.

Коррозия второго вида объединяет все процессы взаимодействия бетона с внешней средой, содержащей химические вещества, которые, вступая в обменные реакции с составными частями цементного камня, образуют не обладающие вяжущими свойствами легкорастворимые соли или аморфную массу. К этому виду относят коррозию бетона при его взаимодействии с растворами кислот, в том числе углекислоты, магнезиальных солей, солей аммония и др.

Коррозия третьего вида объединяет все процессы взаимодействия бетона с внешней средой, которые связаны с образованием и накоплением в бетоне малорастворимых солей, характеризующихся увеличением объема при переходе в твердую фазу, образованием кристаллов, что в свою очередь вызывает внутренние напряжения и деструктивные явления в бетоне. Подобные явления могут возникать вследствие кристаллизации не только продуктов реакции, но и солей в порах бетона, поступающих извне в виде раствора. К этому виду относят коррозию при действии сульфатов за счет роста кристаллов гидросульфоалюмината кальция, гипса и др.

Хотя в практике встречаются одновременно процессы, относящиеся к разным видам коррозии, но практически всегда можно выделить преобладающий вид коррозии.

Методы исследования коррозионной стойкости бетона во многом зависят от вида агрессивной среды, ее химического состава, температуры и ряда сопутствующих факторов. Некоторые рекомендации по методике определения коррозионной стойкости бетона, составленные с учетом указанных работ, приводятся ниже. Действующие стандарты не предусматривают методов определения коррозионной стойкости бетона.

Определение стойкости при воздействии эксплуатационной агрессивной среды. Этот метод состоит в том, что бетонные образцы (лучше призмы размером 7х7х21(30) или 10х10х40 см) помещают в ванну, в которую заливают естественный или искусственно приготовленный раствор того же состава, какой контактирует с бетоном в процессе его эксплуатации.

Образцы помещают на решетчатом поддоне таким образом, чтобы они со всех сторон контактировали с раствором. Расстояние между образцами не менее 5 см. Агрессивную жидкость обычно сменяют 1 раз в 2—4 недели. Более обоснованно заменять ее в зависимости от уменьшения концентрации агрессивных веществ, например более чем на 20% (по предложению А. И. Минаса), а для растворов кислот — при повышении pH на 1.

Недостатком этого метода испытаний является то, что в этом случае не воспроизводятся возможный напор или движение жидкости, поэтому если представляется возможным, образцы следует поместить в натурных условиях в ту среду (в море, в грунт и т. п.), в какой будет эксплуатироваться будущее сооружение. Такого рода испытания позволяют довольно точно оценить стойкость бетона в условиях воздействия конкретной агрессивной среды. Вместе с тем существенным недостатком подобных испытаний является их длительность, поэтому естественно стремление ускорить коррозионные процессы.

В работах отмечаются трудности достижения такого ускорения и даются определенные предостережения и рекомендации по этому вопросу.

Прежде всего следует учесть, что при ускорении процессов практически всегда возникают определенные погрешности по сравнению с реальными условиями. Это наблюдается не только при ускоренных методах определения коррозионной стойкости, но практически при всех ускоренных испытаниях бетона.

Однако ускорение коррозии должно достигаться без искажения химических и физико-химических процессов, ее определяющих.

Для ускорения коррозии первого вида следует применить воду, не содержащую солей кальция. Возможно увеличение ионной силы раствора, но не за счет иона Ca". Еще большее ускорение может быть достигнуто за счет фильтрации жидкости через образец.

Уменьшение размеров образца или, если это допустимо, увеличение его пористости также ускоряет процесс коррозии.

Для ускорения коррозии второго вида можно повысить концентрацию раствора, Однако при вторичных процессах могут образовываться малорастворимые соединения, поэтому не следует применять кислоты весьма высоких концентраций. Агрессивные среды более высокой концентрации рекомендуется применять только в тех случаях, если при этом не меняются фазовый состав и структура продуктов коррозии и устанавливается прямолинейная зависимость скорости коррозии от корня квадратного из концентрации агрессивного раствора.

Также ускоряется коррозия за счет увеличения удельной поверхности взаимодействия (за счет уменьшения размеров образцов или, если это возможно, увеличения пористости бетона). Рекомендуются полное погружение образцов в раствор, искусственное перемешивание, а при соответствующем обосновании — фильтрация раствора через бетон.

Для ускорения коррозии третьего вида применяют более концентрированные растворы солей: обычно используют насыщенный раствор сульфата кальция или 6%-ный раствор сульфата натрия. При исследовании коррозии в морской воде применяют естественную выпаренную или искусственную морскую воду с концентрацией солей до 100 г/л. Это соответствует примерно трехкратной концентрации океанской и 6—7-кратной концентрации воды Черного и Каспийского морей. При определении стойкости бетона к коррозии этого вида прочность применяемых образцов должна быть меньше, чем в случае коррозии первого и второго видов — это будет способствовать более быстрому разрушению бетона. He следует ускорять процесс сульфатной коррозии за за счет создания интенсивной фильтрации, так как в этом случае сульфатная коррозия уменьшится за счет появления явления выщелачивания.

Возможно ускорение процессов за счет проведения комплексных испытаний, сочетая циклы насыщения в агрессивном растворе и высушивания.

Рассматривая ускоренные методы определения коррозионной стойкости бетона, нужно отметить, что во многих исследованиях используются образцы из цементное песчаного раствора или даже цементного камня. Поскольку во многих случаях коррозионная стойкость бетона прежде всего зависит от вида и свойств цемента и полученного из него цементного камня, такой метод, основываясь на испытании образцов малых размеров, в ряде случаев, например при выборе вида цемента, целесообразен.

Однако следует учитывать его ограниченность и Определенную условность. Коррозионная стойкость бетона зависит не только от свойств вяжущего, но и от структуры бетона, его прочностных и деформативных свойств и т. д. Определенную роль могут сыграть некоторые виды заполнителя, поэтому стойкость бетона с учетом не только свойств вяжущего, но и состава, методов формования, твердения и других технологических особенностей должна определяться в основном путем испытания бетонных образцов.

Свои особенности имеет и оценка коррозии бетона, выбор критериев его стойкости при воздействии агрессивной среды.

Прежде всего это изменение прочности бетона. Прочность является основной характеристикой бетона, поэтому весьма важно проследить как агрессивная среда ее изменяет. В. В. Кинд предложил оценивать коррозионную стойкость бетона двумя коэффициентами стойкости: KC1 и KC2. KC1 представляет собой отношение Rсж образцов после 6 месяцев выдерживания в агрессивном растворе к Rсж образцов-близнецов после 6 месяцев твердения в воде; KC2 представляет собой отношение Rсж образцов после 6 месяцев выдерживания в агрессивном растворе к Rсж образцов-близнецов после 6 месяцев твердения в воде; KC2 представляет собой отношение Rcж образцов после 6 месяцев выдерживания в агрессивном растворе к Rсж образцов-близнецов, испытанных в момент погружения основных образцов в раствор.

Однако оценка коррозионной стойкости бетона по изменению Rсж, будучи пригодной при исследовании коррозии первого и второго вида, не должна использоваться как основной критерий при коррозии третьего вида. Это связано с тем, что в первой стадии этой коррозии Rсж может даже несколько возрасти за счет уплотнения бетона продуктами коррозии.

В.М. Москвин считает целесообразным для оценки изменения прочности бетона при всех видах коррозии использовать определение Rр (можно Rр.и и Rp.p). Эта характеристика бетона используется в ускоренной методике НИИЦемента. Степень коррозионной стойкости здесь оценивают коэффициентом стойкости КС который представляет собой отношение Rр.и образцов после каждого срока их выдерживания в агрессивном растворе к Rр.и образцов, твердевших в воде 14 сут.

Внешний вид образцов или бетонных конструкций, подвергавшихся воздействию агрессивной среды, также должен служить одним из критериев стойкости. В работах приведены многочисленные фотографии характерных повреждений и разрушений бетона вследствие его коррозии. Вместе с тем следует иметь в виду, что некоторые формы коррозии, например третьего вида, могут сразу внешне не проявляться. В.В. Кинд приводит пример, когда вследствие сульфатной коррозии прочность образца была практически равна нулю при отсутствии на поверхности бетона внешних признаков коррозии, поэтому оценка по внешним признакам может использоваться лишь как дополнительный критерий стойкости бетона.

Внешние признаки коррозии и изменение прочности по СНиП Н-28-73 используются для определения степени агрессивного воздействия среды (табл. VI.7).

Для сокращения числа образцов, более детального изучения кинетики взаимодействия бетона с агрессивной средой, а также оценки изменения прочности бетона вследствие коррозии может использоваться ультразвуковой импульсный метод. Он применяется для оценки коррозионных повреждений, однако с ограничениями в случае коррозии третьего вида. Экспериментально установлено, что при таком сильноагрессивном воздействии, как замораживание в соленой воде, параллельно с уменьшением прочности отмечалось увеличение скорости ультразвука вследствие кристаллизации солей в порах бетона. Весьма эффективным критерием коррозионной стойкости бетона является его Eд. Испытания производятся на образцах-балочках резонансным методом. Для оценки стойкости бетона В.В. Стольников предложил коэффициент Ск, вычисляемый по формуле

где Ед0 и Eдn — динамические модули упругости соответственно в начале испытания и после n месяцев выдерживания образцов в агрессивной среде; а — допустимое относительное снижение Eд после N месяцев; N — число месяцев, принятое за базу испытания.

Если Ск=1, сохранность бетонных образцов в данной агрессивной среде соответствует заданной, если Ск > 1, то образцы более стойки, чем задано, и если Ск < 1, стойкость бетона не соответствует заданной. Для испытания в сульфатной среде В.В. Стольников принимает а=0,25 и N = 5 годам = 60 месяцам.

В качестве критерия стойкости бетона в условиях коррозии третьего вида во многих случаях можно использовать остаточные деформации. Их накопление характеризует деструктивные процессы в бетоне.

Оценка стойкости бетону по скорости коррозионных процессов может использоваться в случае коррозии первого и второго видов, при этом контролируется изменение концентрации агрессивных жидкостей. Методика определения скорости коррозии описана ниже. В случае коррозии первого и второго видов следует также контролировать изменение массы образцов.

Имеется также ряд способов оценки по определению состава и количества новообразований, изменения структуры и состава бетона и т. д., но основанные на них критерии имеют ограниченное применение.

Из приведенного обзора следует сделать следующие выводы:

- выбор критерия оценки зависит от вида коррозии бетона и особенностей агрессивной среды;

- целесообразно оценивать стойкость бетона по нескольким параметрам;

- рекомендуется контролировать изменение Ед бетона с целью оценки не только конечного состояния, но и кинетики коррозионных процессов;

- при возможности определять прочность бетона желательно Rр, Rр.и, Rp.p и описывать внешние признаки коррозии.

Выше отмечалось, что при решении вопросов выбора стойких цементов для бетона целесообразно испытания проводить на образцах из раствора. Для этих целей может быть рекомендована методика НИИЦемента.

Ускоренная методика определения коррозионной стойкости. Из состава 1:3 (цемент:стандартный Вольский песок) изготовляют при В/Ц=0,4 балочки размером 4х4х16 см. Образцы выдерживают 24 ч в нормальных условиях, затем распалубливают и помещают в воду. После 14 сут хранения часть образцов погружают в 5%-ный раствор Na2SO4, часть в 1%-ный раствор MgSO4, а часть испытывают для определения Rр.и.

Испытания образцов, находящихся в агрессивных растворах, проводят через 14, 70 и 126 сут, определяя коэффициент стойкости Kc. Образцы считаются выдержавшими испытания, если в возрасте 126 сут Кс больше 0,8. По описанному методу можно оценивать стойкость ячеистых и мелкозернистых бетонов dмакс <15 мм. Для бетонов с более крупным заполнителем можно применить образцы размером 7х7х21 (30) см, увеличив время выдерживания образцов в агрессивной среде до года.

Метод определения скорости коррозии бетона применяется при исследовании коррозии первого и второго видов. Особенностью этого метода является исследование процесса коррозии при постоянной концентрации агрессивной среды, что дает возможность определить скорость коррозии v. Последнюю рассчитывают по количеству цементного камня в пересчете на CaO, вошедшего в реакцию с растворами кислот (коррозия второго вида) или растворенного водой (коррозия первого вида). При исследовании коррозии третьего вида необходимы дополнительные исследования прочности и деформативности бетона.

Схема установки для испытания приведена на рис. VI.6. В сосуд 1 заливают 15—20 л титрованного раствора кислоты или другой агрессивной жидкости. С помощью зажимов регулируют и выравнивают скорости истечения жидкости из сосудов 1 и 2. В системе не должно быть утечки раствора, т. е. объем исходного раствора должен быть равен объему раствора после испытания. Скорость обновления раствора в сосуде 2 устанавливают опытным путем исходя из условия — изменение исходной концентрации жидкой среды при ее взаимодействии с образцом должно быть в пределах 4—8%. Для Того чтобы обеспечить постоянство площади поверхности бетона S, находящейся во взаимодействии со средой, рекомендуется применять образцы-цилиндры с D=H=5 см с изолированной боковой поверхностью. Изоляцию выполняют эпоксидными составами (грунтовка, шпатлевка и два покрывочных слоя). Покрытие наносят на воздушно-сухую поверхность бетона с интервалом 1 сут. Через 10 сут после нанесения последнего слоя образцы в течение 3 сут насыщают в воде путем постепенного погружения. Если исследуются свойства защитных покрытий, насыщение водой не проводят.

В процессе испытания измеряют концентрацию растворов; при этом объем отбираемого для титрования раствора должен быть постоянным.

Скорость коррозии V первого и второго видов выражают в мг/(см2*сут) по CaO, а для коррозии третьего вида при сульфатной агрессивности — в мг/(см2*сут) по SO2-. Определение проводят раздельно на трех образцах-близнецах. При объемных методах анализа катионов или анионов расчет критерия скорости ведут по формуле

где g1 и g2 — объемы стандартного титрованного раствора, пошедшего на титрование соответственно исходного раствора-среды и раствора-среды после взаимодействия с бетоном, мл; g3 — объем раствора-среды, отобранного на титрование; N — нормальность титрованного раствора; Q — объем раствора, участвовавшего во взаимодействии с бетоном, мл; 28,04 — мг CaO связывается 1 мл 1 н. раствора (если расчет P ведется по SO42-, то применяют соответствующий эквивалент исследуемого агрессивного компонента).

Если применяют метод анализа по массе, PSO42- рассчитывают по формуле

где C1 и С2 концентрации по SO42- раствор соответственного исходного и после взаимодействия с бетоном, мг/л.

Скорость коррозии определяют по формуле

где т1 — время проведения испытания.

Глубину разрушения бетона Гр можно рассчитать по формуле

где ЕPСаО — сумма PСаО за каждый период испытания; Ц — количество цемента, г в 1 см3 образца; в — содержание CaO в цементе, %.

Возможно прогнозирование глубины разрушения. Скорость по этому методу определяют для случая диффузионного переноса агрессивных веществ, что соответствует условиям эксплуатации ненапорных подземных и подводных конструкций.

При определении коррозии первого вида рекомендуется для обеспечения максимальной скорости не допускать превышения концентрации CaO в воде-среде более 30 мг/л.

Возможно проведение испытаний в стационарных условиях периодической сменой раствора. При этом в процессе исследования не разрешается поддерживать концентрацию раствора-среды путем добавления концентрированных растворов.

Определение стойкости при действии газообразного фтористого и хлористого водорода. На бетон может воздействовать агрессивная среда в газообразном состоянии. Обычно существующие концентрации агрессивных агентов в воздухе рабочей зоны ограничиваются санитарными нормами (CП 245-71) и составляют для HCl—5 мг/м3 и для HF—0,5 мг/мэ.

С целью увеличения агрессивности газов испытания бетона проводят при концентрациях, значительно превышающих допустимые по CH 245-71. Методика проведения испытания такова. В эксикатор наливают соответствующую кислоту определенной концентрации, которую подбирают по табл. VI.8. Затем бетонные образцы устанавливают на фарфоровой сетке над раствором кислоты и эксикатор закрывают. Раствор кислоты меняют один раз в месяц.

Осматривают и испытывают образцы каждые три месяца. Продолжительность испытания — один год. Следует учесть, что в начальный период испытания возможно некоторое упрочнение образцов. В дальнейшем этот эффект исчезает и прочность образцов уменьшается.

Агрессивное воздействие на бетон, его прочностные свойства, сцепление с арматурой оказывают различного рода масла, растворители и другие среды. Их влияние проявляется зачастую не только в химическом, но и физико-химическом взаимодействии с бетоном. Оценка их агрессивного действия и стойкости бетона состоит в выдерживании образцов в условиях, аналогичных условиям эксплуатации конструкции. Надежных методов ускоренной оценки нет. При применении бетона в железобетонных конструкциях обязательно следует контролировать Rсц с арматурой в образцах, находившихся в агрессивной среде, поскольку при относительно небольшом изменении Rсж возможно значительное падение Rcц.





Яндекс.Метрика