Проблеми довговічності та захист бетонів від корозії

beton korozjaБетонні споруди можна поділити на дві основні групи: для першої – термін експлуатації необмежений і визначається сотнями років, а для другої – термін експлуатації обмежений і може бути встановлений з точністю 10…20 років. До першої групи відносяться споруди, які коригують, підправляють природні ландшафти, тобто морські берегозахисні об’єкти, споруди, що захищають від лавин та зсувів, деякі категорії мостів, для яких можна прогнозувати стабільність навантаження у часі, більшість

наземних споруд, що не передбачають ніяких реконструкцій, греблі, іригаційні та унікальні споруди спеціального призначення (телевізійні башти, меморіальні комплекси). До другої групи відносять промислові споруди, термін експлуатації яких визначається терміном корінних перетворень у техніці та науці, житлові та монументальні (загальносуспільні) будинки, вимоги до яких визначаються рівнем цивілізації та добробутом суспільства.

Надання конструкціям стійкості до дії зовнішнього середовища – це складна екологічно-технічна проблема, яка виникла внаслідок проникнення людини зі своїми спорудами у природне середовище.

Розглядання проблеми підвищення довговічності має здійснюватися у двох аспектах: вивчення характеристик оточуючого середовища і визначення домінуючих факторів, дія яких є небезпечною; вивчення механізму та кінетики корозійних процесів з метою розробки на цій основі способів підвищення довговічності штучного каменю.

Є різні трактування та визначення терміну “довговічність” для будівельних матеріалів, конструкцій та споруд. “Довговічність” для будівельних матеріалів та конструкцій може бути визначена як здатність зберігати експлуатаційну придатність на протязі визначеного проектом терміном служби.

Для оцінки довговічності необхідно ввести одиниці вимірювання, і тоді вона може визначатися як “міра” опору матеріалу зношенню та фізико-хімічним змінам у конкретних умовах використання. Таке трактування дає змогу обґрунтувати методи випробування довговічності, прийнявши як критерій стійкість до впливів, характерних для умов експлуатації даного матеріалу або конструкції. Наприклад, може мати місце:

• ерозія (стирання та зношення поверхні), характерна для дорожніх, аеродромних покриттів, морських берегозахисних споруд;
• заморожування та відтавання як результат зміни температури та вологості;
• вплив газоповітряного середовища (зміна температури, вологості, дія вуглекислого газу);
• вилуговування (корозія I виду), тобто розчинення та винесення компонентів цементного каменю;
• хімічний вплив речовин, розчинених у воді або контактуючих із бетоном (корозія II та III видів), дія солей, неорганічних та органічних кислот;
• внутрішня корозія (взаємодія лугів цементу та реакційноздатного заповнювача).

Взаємодія цих факторів і визначає термін служби бетонних конструкцій у конкретних умовах експлуатації.

Найуразливішим об’єктом корозії бетонних споруд є цементний камінь.

Заповнювачі також можуть провокувати розвиток корозії бетону внаслідок взаємодії з цементним каменем. Обов’язковою умовою здійснення хімічних реакцій є наявність рідкої фази або водного розчину, що заповнює пори бетону.

Основним компонентом розчину (рідкої фази) є гідроксид кальцію та сполуки лужних металів (натрію та калію), які значною мірою визначають особливості протікання процесів внутрішньої корозії бетону.

Найбільш розповсюдженою та небезпечною є взаємодія між сполуками лужних металів та кремнеземом деяких видів заповнювачів (опал, халцедон, тридиміт, кристобаліт, деякі вулканічні склоподібні породи та сланці).

Внутрішня корозія бетону проявляється у вигляді тріщин та прошарків гелеподібних речовин, що утворюються в місці контакту заповнювача із цементним каменем. Процеси внутрішньої корозії розвиваються повільно протягом місяців або років.

Також можливою є реакція між рідкою фазою та заповнювачем у вигляді доломітизованих вапняків, яка має назву “роздоломічування”. Внаслідок хімічної корозії

CaCO3 * MgCO3 + 2NaOH = CaCO3 + Mg(OH)2 + Na2CO3

Відбувається розширення твердої фази та послаблення структури цементного каменю. Причиною внутрішньої корозії може бути також вміст у заповнювачах домішок, що віднесені до категорії “шкідливих”, у вигляді сполук сірки – сульфатів та сульфідів.

Другий клас процесів внутрішньої корозії визначається нестабільністю новоутворень, що виникають у процесі гідратації, та процесами фазових перетворень гідратованих сполук цементного каменю, наприклад в камені на основі глиноземистого цементу. Ці процеси обумовлені переходом нестабільних форм гідроалюмінатів кальцію C2Aaq в стабільну C3AH6 при відповідних температурних умовах.

До цього виду корозії також відносять процеси перекристалізації, що пов’язані з укрупненням кристалів внаслідок відомої тенденції до зменшення поверхневої енергії тонкодисперсних матеріалів відповідно до законів термодинаміки.

Внутрішня корозія може бути обумовлена хімічними добавками, особливо протиморозними добавками, що використовують у великій кількості і які містять, як правило, розчинні солі лужних металів.

Розглянемо найбільш розповсюджений вид внутрішньої корозії, розвиток якої обумовлений реакціями між сполуками лужних металів та аморфних кремнеземом заповнювачів.

Заповнювачі такого типу можуть бути отримані з метаморфічних та вивержених гірських порід, що містять аморфні та склоподібні різновиди кремнезему: опал, халцедон, тридиміт, кристалобаліт, причому перші два властиві осадовим та метаморфічним породам, другі – виверженим. В останніх кремнезем може бути й у вигляді скла. З цими видами кремнезему гідрати оксидів лужних металів вступають у хімічну реакцію з утворенням гелевидної фази. В результаті цієї реакції кремнезем переходить у розчинений стан, і це є початком процесу корозії заповнювача, а відповідно, й корозії бетону, розвиток якої обумовлений явищами фізичного характеру.

Швидкість росту деформацій розширення та їхнє максимальне значення залежить від величини співвідношення R2O(цем)/SiO2(заповн), де R2O(цем) – вміст лугів у цементі (в перерахунку на Na2O), SiO2(заповн) – кількість реакційноздатного кремнезему в заповнювачі.

Найбільше розширення бетону зафіксовано при використанні як заповнювача опалу при співвідношенні оксидів R2O(цем)/SiO2(заповн) у межах 0,05…0,5. Слід зазначити, що здатність бетону до розширення пов’язана зі ступенем дисперсності реакційноздтної породи: при використанні як заповнювача відносно крупних фракцій породи розширення зростає, але при введенні породи, ступінь дисперсності якої дорівнює або перевищує ступінь дисперсності цементу, розширення починає зменшуватись.

До недавнього часу випадки внутрішньої корозії зустрічались досить рідко, але нині, внаслідок погіршення якості сировини, інтенсивного вилучення лугів при випалюванні цементного клінкеру, а також введення на цементних заводах більш якісної системи затримання пилу, кількість лугів у цементах збільшилася. Небезпека виникнення внутрішньої корозії бетону підвищується при використанні цементів із вмістом оксиду Na2O 1…2%.

Враховуючи зазначене, виникає питання про можливість введення у бетон добавок, що здатні були б запобігати розвитку реакції “луги - кремнезем”. Виходячи з уявлень про механізм корозії, такими добавками можуть бути речовини, що зв’язують Ca(OH)2, та зменшують можливість проявлення ефекту напівпроникності плівок, що утворюються, наприклад, шлаки та пуцолани різного виду, в тому числі тонкодисперсний кремнезем (silica fume).

Відомі ще й інші методи запобігання розвитку корозії, наприклад, у випадку, коли процес розвитку корозії вже почався: це може бути обробка поверхні бетону розчинами Ba(OH)2, LiCl, Na2O*mSiO2*nH2O.

Таким чином, довговічність будівельних матеріалів визначається як об’єктивними факторами (умови експлуатації, кліматичною зоною, особливостями конструктивних рішень), так і суб’єктивними, що пов’язані з характером мікро-, мезо- та макроструктури штучного каменю. Наприклад, формування міцності цементного бетону обумовлюється властивостями мікро- та макроструктури (на 40%); адгезійною взаємодією розчинової складової з крупним заповнювачем (на 40%) та механічним зчепленням цементного каменю з нерівностями поверхні заповнювача (20%). Спеціальні властивості бетону, в тому числі підвищена корозійна стійкість, обумовлюється не тільки складом та характером мікроструктури (50%), але й видом макроструктури, в тому числі видом крупного заповнювача та можливістю його взаємодії з елементами мікроструктури (50%).

Аналіз вищенаведеної інформації свідчить про те, що вивчення та встановлення взаємозв’язку “склад – структура – технологія - властивості” і є тим ключем, що відкриває можливості створення довговічних будівельних матеріалів з потрібними характеристиками.