Цемент защита от коррозии

Коррозия бетона и защита от коррозии бетона

Бетон и железобетон при их правильном изготовлении и применении долговечны и могут служить на протяжении многих десятилетий.

Смотрите раздел лакокрасочные материалы для защиты бетона и железобетона

Коррозия бетона почти всегда начинается с цементного камня (затвердевшего цемента), стойкость которого обычно меньше, чем каменных заполнителей. Цементный камень состоит из соединений, образовавшихся в процессе его трердения. Также, в нем имеются открытые и закрытые капиллярные ходы, заполненные воздухом или водой. Таким образом, затвердевший цемент представляет собой микроскопически неоднородную систему.

Агрессивными по отношению к цементному камню могут быть речные, морские, грунтовые, дренажные, сточные воды, а также находящиеся в воздухе кислые газы.

Грунтовые воды, особенно в районах промышленных предприятий, отличаются исключительным разнообразием по содержанию примесей, вредных для цементного камня. Так, на территории химических заводов грунтовые воды загрязнены минеральными и органическими кислотами, хлоридами, нитратами, сульфатами, солями аммония, железа, меди, цинка, никеля, а также щелочами. Грунтовые воды вблизи металлообрабатывающих предприятий нередко содержат сульфат железа и иные продукты травильных процессов.

Сточные воды заводов и фабрик еще в большей степени, чем грунтовые, обогащены веществами, вызывающими разрушения цементного камня. При спуске неочищенных сточных вод в реки и другие водоемы вода в них может стать агрессивной по отношению к бетону гидротехнических сооружений.
В воздухе вблизи некоторых промышленных предприятий часто могут содержаться загрязнения, например: сернистый газ, хлористый водород, оксиды азота и др. Их концентрация обычно находится в пределах санитарных норм, т.е. не вредна для здоровья человека, но часто бывает достаточной, чтобы с течением времени привести к разрушению бетона.

Коррозионные воздействия многообразны. Насчитываются сотни веществ, которые могут могут входить в соприкосновение с цементным камнем и отрицательно влиять на него.

Возникновение и развитие кристаллизации

Проникая в тело бетона, соли, щелочи и сульфаты вступают в активную химическую реакцию с цементным камнем. Продукты коррозии откладываются в каменных порах и приводят к разрыву и повреждению полотна. Корродирующий бетон разбухает и деформируется, т.к. объем твердой фазы в нем увеличивается.

Данный вид коррозии называется кристаллизацией. В зависимости от типа активного вещества она может быть сульфатной, щелочной или соляной. Определить вид кристаллизации помогают лакмусовые бумажки и внешний вид бетона:

• при сульфатной коррозии материал покрывается глубокими трещинами;
• при соляной – пузырьками, которые откалываются от бетона плоскими круглыми осколками;
• при щелочной – сеткой мелких трещин и белесыми пятнами.
• Причинами развития кристаллизации считаются:
• неправильный выбор проектной марки бетона;
• типовые нарушения при изготовлении товарной смеси;
• конденсат на стенах и перекрытиях.

Прямой контакт бетона с грунтовыми водами также провоцирует развитие кристаллизации.

Опытные строители могут определить вид коррозии бетона по характеру разрушения конструкции. Наиболее уязвимым компонентом в составе бетона считается цементный камень . Причиной является повышенная капиллярная пористость материала, и способность вступать в химическую реакцию с другими реагентами.

Коррозия бетона, которую мы опишем в этой статье, относится к бетону на основе портландцемента.

Химическая коррозия бетона

Разрушение компонентов цементного камня и вымывание гидроксида кальция по причине воздействия солей в воде. Гипс входящий в состав цемента кристаллизуется, и увеличивается в объемах. Это приводит к отслоениям в толще бетона. Такой вид коррозии проявляется через большой промежуток времени. Иногда этот процесс занимает несколько десятков лет.

Когда «результат на лицо», устранить эту проблему достаточно сложно. Этому виду коррозии, как правило, подвергаются сооружения в условиях постоянного воздействия воды: мосты, плотины, причалы, и т.д. Грунтовые воды также могут разрушать бетон. А значит, следует учитывать состав бетона для заглубленных и полузаглубленных сооружений.

Для предотвращения коррозии необходимо учесть уровень содержания сульфат-ионов в различного вида водах:

Пресная вода – 60 мг/л ;

Минерализованные грунтовые воды – 200-400 мг/л ;

Морская вода – 2500-2700 мг/л .

Повышенное содержание щелочи в составе бетонной смеси, за счет морозостойких добавок, также может стать причиной химической коррозии. Кислоты также разрушают структуру бетона при взаимодействии с его компонентами. Образуются соли кальция, которые разрушают бетонную конструкцию послойно. При коррозии под влиянием кислот, следует учесть тот факт, что удаление поврежденных участков приведет к постоянному образованию нового коррозионного слоя. Проблему решает повышения уровня плотности бетона.

Газовая коррозия бетона

Большинство сооружений находятся на открытом воздухе. Кальций в бетоне вступает в химическую реакцию с углекислым газом, и образует кальцит. Окись кальция быстро растворяется, что нарушает структуру бетонной конструкции. Снижение паропроницаемости бетона повышает его плотность, тем самым, не допускает коррозию.

Физическая коррозия бетона

Разрушение бетонной конструкции под влиянием множественных циклов замораживания-оттаивания в период набора прочности. Жидкость попадает в поры бетона, а в процессе замораживания кристаллизуется, и вызывает разрушение конструкции внутри толщи бетона. Со временем образуются трещины. Решением этой проблемы является создание стабильных условий в период набора прочности бетона.

Способы защиты бетона

Выбирать антикоррозионную защиту бетона нужно в зависимости от химической реакции, которая приводит к разрушению. Среди способов защиты выделяют первичные методы, вторичные и специальные.

Первичная защита заключается в выборе компонентов раствора, конструктивных решений бетонных сооружений. Комплекс мероприятий включает:

• корректировку состава для создания материала высокой плотности, прочности и водонепроницаемости;
• использование специальных добавок, которые обладают вяжущими, водоудерживающими, пластифицирующими и стабилизирующими свойствами;
• выбор арматуры, которая соответствует по коррозионным характеристикам условиям использования, а также ее защита при изготовлении и монтаже сборных ЖБИ конструкций.

При выборе добавок нужно отталкиваться от условий использования сооружений из бетона. Например, при изготовлении раствора с ПРС-заполнителями и портландцементом с содержанием щелочей более 0,6%, рекомендуется использовать минимум 10% активных добавок — опоку, диатомит, трепел. Добавки, которые понижают проницаемость бетона, предотвращают биологическую коррозию бетона, которая может начаться из-за жизнедеятельности микроорганизмов.

Вторичная защита заключается в предотвращении контактирования поверхностей бетонных конструкций с агрессивными веществами. Она включает:

• обработку поверхностей пропитывающими лакокрасочными составами, которые повышают водонепроницаемость поверхности, обмазочными гидроизоляционными материалами на базе различных смол;
• создание изоляции из листовых и пленочных материалов;
• облицовку штучными или блочными изделиями из керамики, шлакоситала, стекла, каменного литья, природного камня;
• использование биоцидных присадок для защиты от микроорганизмов на основе карбоновых соединений, фенолов, солей и окислов меди, хрома, мышьяка.

Специальная защита включает комплекс методов, которые снижают конденсацию влаги и концентрацию агрессивных веществ. Методы направлены на организацию стоков и дренажей, вынос производств с выделениями агрессивных веществ в изолированные помещения.

В соответствии с ГОСТом 31384-2017 выбирать наиболее подходящие способы защиты от коррозии нужно после сравнения разных вариантов с учетом прогнозируемого срока службы и материальных затрат на обновление защиты и ремонт конструкций.

Защита бетона

Фундамент дома из бетона или железобетона долговечен и должен функционировать на протяжении многих десятилетий. Однако бетон не является химически стойким материалом. Он подвержен коррозии, потому требует не только надлежащего ухода при твердении, но и нуждается в защите.

Под коррозией понимают процесс разрушения первоначальной структуры – бетон становится хрупким. В состав бетона входят цементный камень и заполнители. Наименее стойким является цементный камень и именно с него начинается коррозия. Агрессивное воздействие могут оказывать сотни веществ, контактирующие с бетоном: грунтовые и сточные воды, кислые газы в атмосфере и т.д.

Так, грунтовые воды на территории химических и металлообрабатывающих заводов загрязняются органическими и минеральными кислотами; нитратами, хлоридами, сульфатами; солями железа, аммония, меди, никеля, цинка; щелочами. В воздухе вокруг промышленных предприятий могут содержаться загрязнения сернистым газом, хлористым водородом, оксидами азота и др. Несмотря на то, что их концентрация, возможно, соответствует санитарным норма, и не вредна для здоровья человека, её бывает достаточно для разрушения бетона с течением времени.

Коррозия бетона

Различают следующие виды коррозии бетона:

• растворение составляющих цементного камня – наиболее распространенный вид коррозии бетона. В состав бетона входит гидроксид кальция (гашеная известь) – Ca(OH)₂, которыйрастворяется со временем и вымывается (выщелачивается), структура бетона нарушается;
• цементный камень вступает в реакцию с кислотами, находящимися в окружающей среде — в результате возможны: увеличение объема бетона либо вымывание легкорастворимых известковых соединений. В первом случае образуется нерастворимый в воде карбонат кальция (CaCO₃), который откладывается в порах бетона, за счет чего увеличивается его объем, в дальнейшем растрескивание и разрушение. Во втором случае, образуются легкорастворимые соединения кальция (гидрокарбонат кальция (Ca(HCO₃)₂), хлористый кальций(CaCl₂)), которые постепенно вымываются из бетона и он становится ноздреватой массой малой прочности;
• образование и кристаллизация труднорастворимых веществ в порах бетона – в результате в стенках пор и капилляров возникают значительные напряжения, что разрушает структуру бетона;
• биокоррозия – в поры бетона проникают бактерии и грибки, продукты метаболизма которых разрушительно действуют на структуру бетона.

Часто разрушение бетона связано с коррозией нескольких видов одновременно.

Коррозия арматуры в бетоне

Железная арматура, применяемая для армирования бетона, также подвержена коррозии, что может быть вызвано водой, сероводородом, хлором, сернистыми газами, содержащимися в окружающей среде. Под их воздействием арматура ржавеет, а продукты коррозии железа вызывают внутренние напряжения и растрескивание бетона.

Через поры в бетоне воздух и влага проникают к арматуре. Процесс этот неравномерный, поэтому на разных участках возникают разные потенциалы, начинается электрохимическая коррозия. Чем выше влагопроницаемость и пористость бетона, тем выше скорость электрохимической коррозии арматуры. Растворенные в воде вещества также могут усиливать коррозию арматуры, так как повышают концентрацию электролита.

Если бетон в течение длительного периода времени выдерживают на воздухе, то на его поверхности под воздействием углекислоты, содержащейся в воздухе, образуется тонкая защитная пленка (процесс карбонизации), нерастворимая в воде и не взаимодействующая с сульфатам. Карбонизация защищает бетон от коррозии, но увеличивает коррозию арматуры.

Также коррозию арматуры (и на воздухе, и в воде) ускоряет хлористый кальций (CaCl₂), поэтому бетон, в состав которого он входит, армировать нельзя.

Защита арматуры от коррозии

Защитный слой бетона вокруг арматуры способен защитить её от коррозии. Защитное действие основано на способности цементного камня пассировать сталь: поровая жидкость бетона имеет высокую щелочность, а сталь пассивна в щелочной среде. В обычном бетоне на портландцементе достаточно гидроксида кальция для обеспечения щелочной среды.

В том случае, если в цемент добавляют активные гидравлические добавки, то последние связывают значительную часть гидроксида кальция. Тепловая обработка бетона (например, при получении ячеистого бетона) увеличивает такое связывание, что влечет значительное снижение щелочности поровой жидкости.

Защиту арматуры обеспечивают:

• посредством повышения плотности бетона;
• уменьшением проницаемости бетона;
• введением в бетон ингибирующих и уплотняющих добавок;
• при армировании бетона с пониженным значением щелочности паровой жидкости (бетоны автоклавного твердения, бетоны на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем) на арматуру наносят специальные покрытия: цементно-битумные, цементнополистирольные, цементно-латексные;
• для усиления защитных свойств пленки, образующейся на арматуре под воздействием щелочной среды бетона, в бетонную смесь добавляют пассиваторы, например, нитрат натрия (2-3% от веса цемента).

Защита бетона от коррозии

Для защиты бетона целесообразно применение комплекса мер: нейтрализация агрессивных сред; герметизация; вентиляция.

В качестве первичной защиты бетона в бетонную смесь вводят специальные добавки: пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие, химические модификаторы и др. Например, применяют пуццоланизацию: добавляют кислые гидравлические добавки, содержащие активный кремнезем. В результате образуется гидросиликат кальция, который более устойчив, чем гидроксид кальция.

Химические добавки помогают:

• повысить плотность бетона – замедляется скорость передвижения агрессивных веществ в порах бетонного камня; коррозия арматуры в плотном бетоне сокращается;
• увеличить количество замкнутых пор в бетоне – морозостойкость увеличивается в разы.

Химические добавки для защиты бетона от коррозии: пластифицирующие; уплотняющие; противоморозные; воздухововлекающие; газообразующие; гидрофобизирующие; замедлители схватывания; ингибиторы коррозии арматуры. Одни добавки могут улучшать несколько показателей одновременно, другие – улучшая один показатель, ухудшать другой.

• мылонафт – пластифицирующая добавка: повышает однородность бетонной смеси, уменьшает трение между отдельными зернами заполнителя; вовлекает воздух; повышает: трещиноустойчивость, устойчивость к действию растворов минеральных солей, морозостойкость в два раза, марку бетона по водонепроницаемости на два пункта. Производится в виде паст. Добавляется в бетонную смесь в размере 0,05% — 0,15% от массы цемента (в пересчете на сухое вещество). Превышение дозировки ведет к снижению прочности бетона на сжатие;
• сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) – пластифицирующая добавка: повышает подвижность бетонной смеси; вовлекает воздух; уменьшает слипание цементных зерен; повышает: трещиноустойчивость, устойчивость к действию растворов минеральных солей, морозостойкость в полтора — два раза, марку бетона по водонепроницаемости на один пункт, прочность на 5%-10%. Производится в виде концентратов (твердых и жидких). Дозировка: 0,15%-0,3% от массы цемента (в пересчете на сухое вещество). Наилучший эффект при добавлении в бетонную смесь на основе высокоалюминатных и быстротвердеющих портландцементов;
• кремнийорганическая жидкость (старое название ГКЖ-94) – гидрофобизирующая и газообразующая добавка: действие основано на выделении в бетонной смеси водорода и образования значительного количества замкнутых пор; оказывает гидрофобизирующее воздействие на стенки пор и капилляров; значительно замедляет затвердевание бетона в начальной стадии. Повышает: морозостойкость в три-четыре раза, марку бетона по водонепроницаемости на два пункта; стойкость к увлажнению-высушиванию и растяжению. Производится в виде 50%-й водной эмульсии, а также 100%-й жидкости. Дозировка жидкости: 0,03% — 0,08%.

Виды и механизмы

Помните пословицу «где тонко, там и рвется»? Она в полной мере относится к деградации любых конструкционных материалов.

Железобетон — композит из нескольких видов сырья, различающихся механической прочностью и устойчивостью к разного вида внешним воздействиям.

Материал	Свойства
Песок	Кристаллы кварца исключительно химически стабильны, не деградируют со временем
Щебень	В качестве заполнения обычно используется щебенка скальных пород, своими химическими и механическими свойствами мало отличающаяся от кварцевого песка. На ее прочность могут повлиять разве что концентрированные щелочи и кислоты.
Арматура	Контакт стали в водой и воздухом (а бетон, как мы помним, паропроницаем) всегда дает очень предсказуемый результат. Даже под защитным слоем бетона армирование будет постепенно ржаветь. Выход арматуры на поверхность вследствие разрушения конструкции многократно ускорит процесс.
Цементный камень	Связующее — цемент — после схватывания превращается в сравнительно прочный, но не отличающийся химической инертностью цементный камень. Один из его основных компонентов — гашеная известь Ca(OH)2 — легко растворяется водой и вступает в реакции с прочими химикатами. Именно с разрушения цементного камня обычно начинается коррозионный процесс.

Давайте разберем основные виды коррозии и механизмы их возникновения.

Вымывание

Несмотря на высокую плотность, бетон — материал пористый. Причина — в том, что схватывание цемента и последующая сушка раствора сопровождаются существенным уменьшением его объема.

Обратите внимание: поризованные газо- и пенобетон — отдельный разговор. В их случае поры создаются намеренно — введением в раствор пены или газообразующих компонентов (как правило, алюминиевого порошка). Цель — придание бетону максимальных теплоизоляционных качеств.

Увлажнение бетона с последующим неравномерным испарением воды приведет к постепенному движению воды через поры. В процессе движения та самая гашеная известь Ca(OH)2 будет постепенно вымываться; ну, а раз связующего в толще бетона становится меньше — его прочность падает.

Наиболее наглядно процесс вымывание демонстрируют высолы — белые разводы и наросты на поверхности бетона, остающиеся там, где он часто мокнет. Их наличие говорит о том, что конструкция стремительно утрачивает прочность.

Высолы на потолке погреба.

Разложение кислотами

Под воздействием кислот и их водных растворов в бетоне может протекать множество деструктивных процессов.

Разберем наиболее простые.

• При воздействии кислот гашеная известь соединяется с атмосферной углекислотой с образованием нерастворимой соли и воды. Формула, описывающая реакцию, имеет вид Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.

Казалось бы — чему огорчаться, если растворимое соединение кальция заменено более стабильным? Ведь процесс вымывания в этом случае должен полностью прекратиться. Не тут — то было: кристаллы CaCO3 не просто заполняют поры — они стремятся расширить, взломать их; в результате бетон начинает растрескиваться.

• При избытке воды (проще говоря — во влажном бетоне) дальнейшее преобразование минералов приобретает вид CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2. Полученный бикарбонат кальция снова растворим для воды; более того — слишком растворим: он стремительно вымывается, оставляя после себя поры и… падение конструкционной прочности.
• В присутствии раствора соляной кислоты гашеная известь превращается в хлористый кальций: Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O. И эта соль исключительно легко растворяется в воде; результат вполне предсказуем — опять-таки ослабление конструкции.

Сульфатное разложение

В условиях предприятий химической промышленности (в частности, производящих удобрения) довольно распространенным случаем является так называемая сульфатная коррозия бетона.

В результате взаимодействия с сульфатами гашеной извести и присутствующих в цементе алюминатов образуется, в частности, гидросульфоалюминат эттрингит (3СaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O). Кристаллы в процессе роста вызывают значительные напряжения, существенно превышающие прочностные показатели цементного камня.

Ржавление арматуры

Здесь все просто и понятно: контакт низкоуглеродистых сталей с водой и воздухом приводит к образованию малопрочного Fe2O3 и более сложных окислов и солей. Армирование должно воспринимать нагрузки на растяжение; при падении прочности арматуры существенные нагрузки на изгиб приводят к появлению трещин и… ускоренному падению прочности уцелевшего армирования вследствие прямого контакта с водой и воздухом (см.также статью «Подпорные стены из бетона: технология возведения от профессионалов»).

Биологическое разложение

Последствия высокой влажности при температурах выше нуля общеизвестны: конструкции из кирпича, камня и бетона обживаются мхом и плесенью.

В результате разрушение идет двумя путями:

1. Пресловутая известь и ее соединения служат грибку пищей.
2. Накопление продуктов метаболизма в порах приводит к росту внутренних напряжений.

Грибок на бетонной стене.

Морозное разрушение

Представьте себе, что происходит с участком влажной бетонной конструкции при падении температуры ниже нуля.

1. Вода в ее порах начинает кристаллизоваться.
2. Лед, имеющий больший по сравнению с водой объем, стремится расширить поры. В конструкции появляются микротрещины; по мере их расширения к разрушению железобетона подключается коррозия арматуры.

Антикоррозийная защита

В первую очередь подвержены коррозии верхние слои бетонных конструкций. В качестве защиты еще в начале строительства применяется бетон со своеобразными капиллярами. Так строительный материал защищается от выщелачивания и вымывания.
Белитовый цемент, добавленный в смесь бетона, также уменьшит долю выделяемого гидроксида кальция и сделает материал более плотным.

Первичная защита бетона

Первичная защита — это введение специальных субстанций в бетонную смесь во время изготовления. Изменение состава поможет сберечь материал от разрушений. Препараты, используемые для приготовления смеси, могут быть гидроизоляционными, стабилизирующими, биоцидными и так далее.

Применение химических соединений дополнительно уплотняет бетон, уменьшая численность пор. В качестве такого средства от коррозии используют мылонафт, сульфатно-дрожжевую бражку, кремнийорганическую жидкость.

Вторичная защита бетона

Вторичная защита — это нанесение защитного покрытия на поверхность бетона или железобетона. Она подразумевает применение уплотняющей пропитки и лакового или красочного покрытия, образующих вместе плотную пленку. Оптимальный эффект достигается при использовании первичной и вторичной защиты в комплексе.