Коррозия строительных конструкций из минеральных строительных материалов.

Все минеральные материалы отличаются от металлов строением составляющих их веществ. Они имеют молекулярную структуру преимущественно с ионными связями. Это обусловливает их относительно легкую реакцию с водой, вследствие чего образуются ионные растворы. Химические свойства материалов характеризуются их способностью к химическим превращениям под влиянием вещества, с которым данный материал находится в контакте.

Важной особенностью большинства минеральных материалов является их незначительная пористость, которая способствует капиллярному подсосу и фильтрации влаги, увлажнению материала конструкции вследствие конденсации водяных паров, а также интенсивному взаимодействию с жидкой агрессивной средой.

Минеральные материалы можно условно подразделить на три группы в зависимости от поведения в агрессивных средах.

К первой группе относятся бетон и железобетон на портландцементе и его производных, растворы для кладки и штукатурки, асбестоцементные изделия, силикатный кирпич и блоки, а также природный известняк и доломит. Эти материалы содержат гидраты или карбонаты кальция и магния, имеют модуль основности больше единицы, а поэтому обладают высокой щелочестойкостыо и низкой кислотостойкостью.

Ко второй группе относятся бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием, а также кислые природные каменные материалы, состоящие преимущественно из кремнезема, различных солей кремниевых и поликремневых кислот, алюмосиликатов и др. Модуль основности этих материалов меньше единицы, и они имеют высокую кислотостойкость и низкую щелочестойкость. Плотные и прочные кислые изверженные породы (кварц, гранит, диабаз, базальт и др.) имеют высокую стойкость не только к кислотам, но устойчивы и к щелочным агрессивным средам (за счет высокой плотности материала) при нормальной температуре.

К третьей группе относятся изделия из обожженной глины (кирпич, керамические плитки, трубы и т. п.), которые имеют очень высокую кислотостойкость.

Коррозия бетонных и железобетонных конструкций. К факторам, вызывающим физическую коррозию бетонных и железобетонных конструкций, относятся:

- попеременное увлажнение и высыхание материала, которое сопровождается деформациями усадки и набухания;

- отложение растворимых солей в порах цементного камня;

- попеременное замерзание и оттаивание бетона и другие температурные воздействия.

Между температурными, химическими и механическими процессами в материале конструкции существует взаимосвязь. Например, результатом термического воздействия является расширение или сжатие всех структурных составляющих бетона, включая поровую жидкость. Если температура среды выше температуры бетона, то повышение температуры бетона вызовет увеличение упругости водяных паров в порах и капиллярах бетона по сравнению с упругостью их в окружающей среде. Разница упругостей водяного пара в среде и теле конструкции приведет к испарению влаги из материала бетона.

Помимо чисто физических процессов, вызываемых перечисленными факторами, в материале одновременно могут происходить и химические взаимодействия составных частей бетона и среды. Для конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях, наиболее распространенным химическим процессом является карбонизация бетона с изменением количества твердой фазы бетона.

Разрушение строительных бетонных и железобетонных конструкций происходит также вследствие попеременного замораживания и оттаивания влаги, на­ходящейся в порах и капиллярах материала.

Как известно, объем воды при переходе в лед увеличивается примерно на 9%. Многократные изменения температуры конструкций, переходящие через нуль, вызывают постепенное разрушение структурных связей, появление трещин и значительное снижение прочности.

К физической коррозии относится также разрушение бетона из-за кристаллизации солей в результате капиллярного подсоса и испарения минерализованных вод из бетона при положительных температурах. Физическую коррозию конструкций может вызвать или способствовать другим видам коррозии воздействие на конструкции всех видов механических нагрузок, особенно вибрационных и циклических знакопеременных.

Физико-химическая коррозия бетонных и железобетонных конструкций сопровождается выщелачиванием, а также осмотическими и капиллярными явлениями, происходящими в материале конструкций в результате увлажнения. При выщелачивании в материале бетона происходит растворение и вынос гидроксида кальция Са(ОН)₂, а после значительного снижения его концентрации начинается разложение алитов (высокоосновных гидросиликатов кальция) ЗCаО•2SiO₂•ЗН₂О с выделением гидроксида кальция. Длительное воздействие на бетон мягких вод может привести к полному вымыванию гидроксида кальция с последующим разложением остальных гидратных соединений до аморфных рыхлых гидратов кремнезема, глинозема и оксида железа. Вместе с тем частичное вымывание гидроксида кальция из бетона или железобетона может привести к значительному снижению прочности конструкций.

Выщелачивающее воздействие воды зависит от ви­да растворенного в ней вещества. Мягкая вода наиболее интенсивно растворяет гидроксид кальция. Если вода содержит хлориды (которые широко применяют при зимней уборке заснеженных улиц) и сульфаты натрия, то растворимость гидроксида кальция значи­тельно повышается, а в присутствии гидрокарбонатов кальция и магния снижается.

При высокой временной жесткости воды в бетоне может образоваться малорастворимый карбонат кальция:

Са (ОН)₂ + Са (НСО₃)₂ → 2СаСО₃ + 2H₂O,

который способствует повышению плотности и корро­зионной стойкости поверхностных слоев бетона.

Химическая коррозия бетонных и железобетонных конструкций вызывается контактом материала с кислотами, щелочами, растворами солей, различными органическими соединениями, всеми видами агрессивных газов, а также различными микроорганизмами, развивающимися на поверхности конструкций.

Основными показателями агрессивности кислот но отношению к бетонным конструкциям являются водородный показатель, а также их окислительные свойства и температура. Интенсивность разрушения кислотами зависит также от растворимости продуктов коррозии при их взаимодействии с материалом бетонных конструкций.

Наиболее часто кислотная коррозия бетонных и железобетонных конструкций сопровождается действием на бетон растворов диоксида углерода:

Са (ОН)₂ + CO₂ + Н₂О → СаСО₃ + 2H₂O.

СаСО₃ + СО₂ + Н₂O → Са (НСО₃)₂.

Чтобы предотвратить разложение гидрокарбоната кальция, необходимо, чтобы в растворе содержалось строго определенное количество равновесного неагрессивного диоксида углерода. Избыточное его количество ведет к растворению новых порций карбоната кальция и образованию растворимого и легко вымываемого гидрокарбоната кальция.

Сильной коррозионной активностью обладают сер­ная, соляная, азотная и другие неорганические кислоты. Под действием кислот цементный камень разлагается, образуя кальциевую соль и аморфные массы.

В качестве примера приведены реакции взаимодей­ствия с бетоном соляной и серной кислот:

Са(ОН)₂ + 2НСl → СаСl₂ + 2Н₂O;

Са(ОН)₂ + Н₂SО₄ → СаSО₄ + 2H₂O.

Основной гидросиликат кальция взаимодействует с кислотами по следующей реакции:

3CаО•2SiO₂•3Н₂О + 6НСl → 3СаС1₂ + 2SiO₂Аg + Н₂О;

3CаО • 2SiO₂ • 3Н₂О + 3Н₂SО₄ → 3СаSO₄ + 2SiO₂Аg + Н₂О.

Аналогично разрушают бетон азотная и другие не­органические кислоты.

Среди органических кислот наиболее агрессивны по отношению к бетонам уксусная, молочная и масляная. Разрушают цементный камень и бетон льняное, хлопковое и тунговое масло, а также рыбий жир, которые содержат высокомокулярные кислоты жирного ряда.

Растворы щелочей вызывают интенсивную коррозию бетонных и железобетонных конструкций, если их растворы имеют концентрацию более 5000 мг/л. Их взаимодействие с бетоном сопровождается уменьшением растворимости гидроксида кальция, но в этом случае резко возрастает растворимость кремнезема и других оксидов, составляющих скелет бетона. Наиболее агрессивны по отношению к бетону растворы едкого натра, едкого кали, аммиака и карбонаты натрия.

При действии на бетон сульфата кальция протекает сульфоалюминатная коррозия, продуктами которой являются нерастворимые соли со значительно большим объемом (в 4,5 раза) по сравнению с суммарным объемом вступивших в реакцию веществ бетона. Это вызывает значительные напряжения в теле бетона, которые при определенных условиях приводят к разрушению конструкции. Схема реакции сульфоалюминатной коррозии:

3СаО • Аl₂O₃ • Н₂О + 3СаSO₄ + 25Н₂О → 3СаО • А1₂O₃ • 3СаSO₄ + 31Н₂О.

Если в водной среде содержится сульфат натрия, то сначала с ним реагирует гидроксид кальция:

Са(ОН)₂ + NаSO₄ → СаSO₄ + 2NаОН.

Образовавшийся сульфат кальция может вызвать сульфоалюминатную коррозию по ранее приведенной реакции.

Микробиологическая коррозия бетонных и железобетонных конструкций чаще всего вызывается жизнедеятельностью динитрифицирующих бактерий, которые, окисляя сферу, образуют серную кислоту. Значительно снижают прочность бетонных и железобетонных конструкций анаэробные азотно-фиксирующие бактерии, образующие масляную кислоту.

Уролитические бактерии действуют на мочевину, содержащуюся в сточных водах, гидролизуя ее в аммиак и диоксид углерода, агрессивно действующие на бетон.

Коррозия природных каменных материалов. Изверженные породы отличаются хорошей кислотостойкостью и достаточной щелочестойкостью. Важнейшие из них используют в строительных конструкциях: гранит, сиенит, диорит, габбро, порфиры, диабаз, базальт, андезит. Эти материалы применяют в основном в виде блоков для ответственных сооружений и уникальных зданий, а также в качестве щебня для бетона, при устройстве фундаментов, стен, перекрытий и других конструкций.

Осадочные породы отличаются высокой коррозионной стойкостью, кроме обломочных пород. Среди важнейших осадочных пород можно назвать следующие:

- песчаники, состоящие из зерен кварцевого песка, сцементированного карбонатом кальция, кремнеземом, гипсом, оксидами железа, глинистыми материалами;

- известняки, состоящие из кальцита.

Конструкции из известняков менее кислотостойки, если в качестве материала в них применен обычный известняк СаСО₃ или магнезит МgСО₃. Несколько более кислотостойки конструкции из доломитов и плотных кремнистых известняков. Гипсовый камень СаSO₄ • 2Н₂O и ангидрид СаSO₄ легко поддаются кор­розионному разрушению под действием кислот; эти материалы растворимы в воде, поэтому их используют в элементах, эксплуатируемых только внутри помещений.

Из метаморфических горных пород наиболее распространены в строительных конструкциях известняковые песчаники, гнейс, кварциты и мрамор. Известняковые песчаники, сцементированные оксидом кремния, SiO₂ или SiO₂• n Н₂О, весьма кислотостойки и достаточно щелочестойки. Железистые песчаники, скрепленные гидратированными оксидами железа, не коррозионно-стойки.

Мрамор применяют в качестве облицовочного материала. Он коррозируется сернистыми газами и влагой. Сначала на поверхности мрамора образуется сернистая, а затем серная кислота, превращающая мрамор (карбонат кальция) в растворимый гипсовый камень:

СаСО₃ + Н₂SО₄ + Н₂О → CaSО₄ • 2Н₂О + СО₂.

Коррозия силикатного кирпича и силикатных изделий. Силикатный кирпич и изделия из силиката представляют собой гидросиликат кальция, который является продуктом автоклавной обработки материала, получаемого в результате взаимодействия извести и кремнезема:

Са(ОН)₂ + SiO₂ → СаO • SiO₂ •Н₂O.

При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидросиликата кальция под воздействием воздуха (диоксида углерода) карбонизируются. Присутствие в силикатных изделиях извести и углекислого кальция делает конструкции, изготовленные из силикатного кирпича и блоков, нестойкими даже против слабых водных растворов минеральных и органических кислот. Силикатные конструкции стойки по отношению к щелочным агрессивным средам. Благодаря наличию в воздухе и грунтовой воде веществ (оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной среде сили­катные изделия быстро разрушаются.

Коррозия конструкций из глиняного кирпича и керамических изделий. Керамические изделия и глиняный кирпич устойчивы к кислотам, вместе с тем обыкновенный глиняный кирпич нестоек против действия водных растворов щелочей. Кирпичные стены часто разрушаются под действием кристаллогидратов, образующихся в материале стен из растворов солей, особенно сульфатов натрия и магния.

Керамическая плитка, содержащая алюмосиликаты, стойка против действия органических и минеральных кислот (кроме плавиковой). Хорошей щелочестойкостью отличаются плитки с плотным, хорошо обожженным черепком.

Защита каменных конструкций от коррозии. Из мероприятий по защите бетонных и железобетонных конструкций наиболее важны:

- обработка среды для уменьшения степени ее агрессивности;

- применение для бетонных и железобетонных конструкций бетонов повышенной плотности (в условиях эксплуатации – уплотнение бетонных конструкций путем инъецирования или торкретирования);

- изготовление бетонов для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, на специальных цементах, стойких по отношению к данной агрессивной среде;

- выполнение конструктивных мероприятий по максимальной защите конструкций от воздействия агрессивной среды.

Как видно из перечисленных мероприятий, большинство из них должно выполняться в процессе строительства. Поэтому очень важно строго контролировать качество и полноту их выполнения при приемке зданий в эксплуатацию.

В процессе эксплуатации необходимо обеспечивать достаточную вентиляцию помещений, чтобы максимально удалять агрессивные газы, защищать элементы зданий от увлажнения атмосферными осадками и грунтовыми водами.

В процессе эксплуатации повысить коррозионную стойкость бетонных и железобетонных конструкций можно путем поверхностной или объемной обработки поверхностно-активными веществами: сульфитно-спиртовой бардой, абиетатом натрия, кремнийорганическими жидкостями ГКЖ-94, ГКЖ-10, ГКЖ-11.

Основной мерой, которую необходимо осуществлять в процессе эксплуатации по защите бетонных и железобетонных конструкций от коррозии, является устройство антикоррозионных покрытий. С этой целью применяют лакокрасочные покрытия, обмазочную изоляцию и штукатурки, оклеечную изо­ляцию, облицовку химически стойкими материалами.

Защита конструкций из природных каменных материалов от коррозии.

Защитные меры выбирают в зависимости от особенностей материала конструкции и условий его работы. На интенсивность разрушения каменных конструкций прежде всего влияет пористость материала; чем больше площадь поверхности, контактирующей с агрессивной средой, тем больше степень коррозионного поражения.

Поверхности конструкций из мрамора и известняка следует предохранять от контакта со средой, содержащей сернистый газ. Особенно большие его количества содержатся в промышленных выбросах, выхлопных газах работающего автотранспорта, дымовых газах отопительных котельных и др.

Каменные конструкции могут разрушаться в местах, недостаточно проветриваемых и постоянно увлажняемых. Лишайники и мхи, произрастающие на камне, извлекают щелочные соли и выделяют органические кислоты, вызывающие биологическое разрушение материала.

К конструктивным мерам защиты элементов зданий от увлажнения относятся применение материалов с полированной поверхностью, по которой быстро стекает вода, а также устройство деталей, предотвращающих попадание больших количеств атмосферной, грунтовой или конденсационной влаги на поверхность конструкции.

К химическим мерам защиты относятся:

- гидрофобизация – пропитка поверхности материала гидрофобными (водоотталкивающими) жидкостями, создающими на поверхности водонепроницаемый слой;

- флюатирование - пропитка карбонатных пород солями кремнефтористоводородной кислоты (флюатами).

Часто в качестве флюата применяют магниевую соль. Образование уплотняющих веществ в поверхностном слое материала конструкции протекает по реакции

2СаСО₃ + МgSiF₆ → 2СаF₂ + МgF₂ + SiO₂ + 2СО₂.

В результате реакции в порах камня выделяются нерастворимые вещества – фториды кальция и магния, диоксид кремния (СaF₂, МgF₂, SiO₂), повышающие плотность материала конструкции и его стойкость по отношению к действию агрессивной среды. Кроме флюата магниевой соли применяют также алюминиевый флюат.

Лекция 7