Коррозия бетона и меры борьбы с ней

Коррозией бетона называется понижение прочности, повреждение и разрушение бетона под влиянием окружающей среды.

Большой вклад в изучение коррозии бетона и мер борьбы с ней внесли русские ученые А.А.Байков, В.М.Москвин, С.Н.Алексеев, В.В,Тимашев и др. Различают коррозию бетона трех видов.

3.1. Виды коррозии бетона

3.1.1. Коррозия бетона первого вида

Этот вид коррозии сопровождается растворением составных частей цементного камня, в первую очередь гидроксида кальция под действием проточной воды. Хотя растворимость Ca(OH)₂ в воде невелика (1,7 г/л при 15°С), но под действием проточной воды из цементного камня может вымыться большое количество Ca(OH)₂. в связи с этим цементный камень становится пористым, теряет связанность и часть прочности. Если бетон плотный и не имеет пустот и трещин, то коррозия его может протекать только с поверхности; если же бетон пористый и вода проходит сквозь него под напором, то процесс протекает очень интенсивно. Наиболее сильное растворяющее действие на гидроксид кальция оказывает чистая дистиллированная вода (на заводах) и мягкая природная (дождевая) вода. Однако растворению Ca(OH)₂ препятствует защитный верхний слой из карбоната кальция, образующегося на поверхности твердеющего бетона по реакции:

Ca(OH)₂ + СО₂ = Ca(OH)₃ +Н₂О. (1)

Эта реакция называется реакцией карбонизации. Растворимость карбоната кальция в чистой воде приблизительно в 100 раз меньше, чем гидроксида кальция. Поэтому верхний слой из карбоната кальция, хотя и очень тонкий – несколько микрометров, защищает цементный камень от вымывания Ca(OH)₂ из бетона. Поэтому при строительстве морских сооружений из бетонных блоков последние обязательно выдерживают 2-3 месяца на берегу перед опусканием их в водоем.

3.1.2. Коррозия бетона второго вида

Этот вид коррозии происходит в результате реакций обмена между кислотами или солями, растворенными в воде, и составными частями цементного камня. В результате такого взаимодействия образуются вещества, которые легко растворяются в воде и вымываются ею из бетона. Это также способствует понижению прочности и коррозии бетона.

По вышеприведенной схеме протекает коррозия бетона при контакте его с природными водами, содержащими свободную углекислоту в количестве более 15-20 мг/л. Такая углекислота называется агрессивной по отношению к бетону, т.е. она разрушающе действует на бетон. Процесс коррозии бетона при действии агрессивной углекислоты начинается с растворения карбонатного слоя бетона:

CaСO₃ + СО₂ ↔ Ca(НСO₃)₂. (2)

Гидрокарбонат кальция Ca(НСO₃)₂ обладает значительной растворимостью в воде и вымывается из бетона. Лишенный защитного карбонатного слоя бетон быстро разрушается.

Сточные воды могут содержать различные неорганические кислоты, разрушающе действующие на бетон, например:

CaСO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CО₂↑ + Н₂О; (3)

Ca(OН)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2 Н₂О. (4)

Образующийся хлорид кальция CaCl₂ легко растворим в воде и ею вымывается из бетона. Аналогично разрушают бетон и аммонийные соли, входящие в состав многих удобрений. Например, нитрат аммония, подвергаясь во влажной среде гидролизу по схеме

NH₄NO₃ + H₂O ↔ NH₄OH + HNO₃, (5)

образует кислоту HNO₃ . Азотная кислота, так же как и соляная, растворяет СаСО₃ и, взаимодействуя с Ca(OН)₂ бетона, вымывает его.

Особенно опасны для бетонов растворы солей магния, т.к. они реагируют не только с карбонатом и гидроксидом кальция, но и с основной составляющей затвердевшего цемента в бетоне – двухкальциевым гидросиликатом 2СаО · SiO₂ · nH₂O.

Вышеназванные процессы протекают по следущим реакциям:

MgCl₂ + H₂O ↔ MgOHCl + HCl; (6)

CaСO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CО₂↑ + Н₂О (7)

Ca(OН)₂ + MgSO₄ + 2Н₂О = Mg(OН)₂↓ + Ca SO₄ · 2Н₂О (8)

2CaO · SiO2 · nH₂O + 2MgSO₄ + yH₂O = 2Mg(OH)₂ + 2[Ca SO₄ · 2Н₂О]↓ +

+ SiO₂ ·mH₂O↓, (9)

где n + y = m + 6.

Образующийся в реакциях (8) и (9) гидроксид магния Mg(OH)₂ хотя и труднорастворим, но связанностью не обладает, поэтому тоже вымывается из бетона водой. Все эти процессы способствуют понижению прочности и разрушению бетона. Соли магния содержатся в морской воде, поэтому она особенно агрессивна по отношению к бетону.

3.1.3 Коррозия бетона третьего вида

Этот вид коррозии происходит при взаимодействии реагентов с компонентами затвердевающего бетона и сопровождается образованием веществ, кристаллизирующихся в порывах бетона с увеличением объема по сравнению с исходными компонентами бетона. Вследствие этого в бетоне возникают расклинивающие напряжения и происходит его растрескивание. Таким образом на бетон действуют серная кислота, сульфаты, гипсовые воды. При этом протекают следущие реакции:

CaСO₃ + Н₂SO₄ + Н₂О = CaSO₄ · 2Н₂О + СO₂↑ (10)

1) CaSO₄ · 2Н₂О – гипс при кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с исходным компонентом бетона (CaСO₃) на 10%;

2) гипсовые воды,содержащие в растворе сульфат кальция, реагируют с трехкальциевым гидроалюминатом, входящим в состав бетона, по схеме:

3СаО · Al₂O₃ · 6H₂O + 3CaSO₄ + 25H₂O =

= 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 31H₂O (11)

Образующийся трехкальциевый гидросульфоалюминат при кристаллизации увеличивается в объеме по сравнению с компонентом бетона 3СаО · Al₂O₃ · 6H₂O в 2,5 раза. Коррозия бетона 3 вида происходит особенно быстро, если бетон находится под нагрузкой.

Разбавленные растворы щелочей не разрушают бетон, если они постоянно его омывают. Если же щелочные растворы попеременно контактируют с бетоном, то в этом случае происходит коррозия бетона третьего вида вследствие действия углекислоты воздуха на щелочь, остающуюся в порах влажного бетона. Например, при контакте цемента с раствором гидроксида натрия идет следущая реакция:

2NaOH + CO₂↑ + 9H₂O = Na₂CO₃ · 10H₂O. (12)

Образующаяся сода Na₂CO₃ · 10H₂O также кристаллизируется с увеличением объема в порах высыхающего бетона.