Коррозия бетона (железобетона, цемента): виды (сульфатная, биологическая), защита

Виды коррозии бетона

Исследования которые были проведены советскими учеными, позволили определить суть коррозии бетона, а так же были подобраны оптимальные методы борьбы с коррозией. Они и разделили коррозию бетона на 3 категории:

1. Вымывание компонентов цементного камня;
2. Воздействие на цементный камень агрессивных веществ;
3. Объединяет все процессы, при воздействии которых, цементный камень образует различные соединения;

Так же бывает коррозия арматуры в бетоне, но ее мы рассмотрим в ближайшее время в отдельной статье.

Связанные статьи:

• Добавки в бетон
• Как приготовить бетон
• Стоимость бетона за куб
• Теплоемкость бетона

Определение коррозии

Коррозия представляет собой разъедание строительных материалов под влиянием физических, химических и биологических факторов при контакте с окружающей средой. Бетон имеет в своем составе наименее прочный компонент – это цементный камень. Именно с этой части материала начинается коррозийный процесс. Разрушение случается в результате воздействия различных видов вод, а именно:

• сточных;
• вод в траншеях или трубах;
• морских;
• речных;
• грунтовых.

Наиболее опасны для бетонов грунтовые воды вблизи промышленных предприятий из-за наличия в них химических выбросов. Также при воздействии с бетоном и железобетоном наносят им весомый вред сточные воды. Коррозия бетона воздействует на гидротехнические сооружения, загрязняет воздух, однако, такая концентрация газа в окружающей среде не вредит здоровью человека, но способствует разрушению бетонных конструкций.

Разрушения строительных материалов разнообразны и могут находиться разрушающие микроорганизмы как в прямом контакте, так и внутри структур. Ускоряется разъедание в бетоне при повышенной влажности окружающей среды.

Это интересно: Выравнивание площадки под фундамент — рассказываем обстоятельно

Что приводит к ржавлению арматурного каркаса

Существует несколько причин появления ржавчины на металле внутри бетонной массы. И далеко не всегда это внешние воздействия.

Внутреннюю коррозию может вызвать наличие большого количества агрессивных компонентов в воде, которой затворяют бетонную смесь. Кроме того, для создания армированного бетона нельзя использовать состав, содержащий более 2% (от массы цемента) хлористого кальция

Поскольку этот элемент значительно ускоряет коррозию арматуры в бетоне при эксплуатации в любой среде.
Немаловажное значение имеет плотность укладки бетонной смеси. Дело в том, наличие большого количества пор, пустот, раковин дает возможность влаге и воздуху проникать внутрь изделия, к арматурному каркасу

В результате на различных участка металлического контура возникают разные электрические потенциалы, что приводит к электрохимической коррозии.
Понятие физическая коррозия связано с разрушением бетона в результате его попеременного замораживания и оттаивания. Избежать этой неприятности можно, создав благоприятные условия во время набора бетоном прочности до заданной величины.

Чтобы правильно оценить ситуацию и принять меры для ее исправления, необходимо понять уровень угрозы. Для определения степени коррозии арматуры и бетона применяются физико-химические способы:

• Изучение состава компонентов, вновь образованных в бетонной массе под воздействием агрессивных веществ. Исследования выполняются в лаборатории при помощи дифференциально-термической и рентгено-структурной диагностики на специально отобранных образцах.
• Проведение визуального осмотра измененной структуры бетона в конструкции, используя увеличительную лупу. Этот способ позволяет выявить многие поверхностные дефекты.
• Мощные микроскопы помогают обнаружить характер расположения и соединения элементов цементного камня с зернами заполнителей. А также состояние контакта бетона с арматурой, габариты и направление распространения трещин.

Для определения прочностных характеристик эксплуатируемых конструкций из бетона и железобетона применяются неразрушающие методы контроля в соответствии с рекомендациями и требованиями ГОСТ 18105-86.

Виды коррозии металлов

Химическая коррозия

Химическая коррозия — это процесс разрушения металла, который связан с реакцией между металлом и коррозионной средой.

Химическая коррозия протекает без воздействия электрического тока, и в результате этой реакции металлы окисляются. Этот вид коррозии можно разделить на два подвида:

• газовая коррозия — металл корродирует под воздействием различных газов при высоких температурах;

• коррозия в жидкостях — неэлектролитах.

Их них более распространенной считают газовую коррозию. Она протекает во время прямого контакта твердого тела с активным газом воздуха. Чаще всего это кислород. В результате на поверхности тела образуется пленка продуктов химической реакции между веществом и газом. Дальше эта пленка мешает контакту корродирующего материала с газом. При высоких температурах газовая коррозия развивается интенсивно. Возникшая при этом пленка называется окалиной, которая со временем становится толще.

Важную роль в процессе коррозии играет состав газовой среды. Но для каждого металла он индивидуален и изменяется с переменой температур.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия — это разрушение металла, которое протекает при его взаимодействии с окружающей средой электролита.

Этот вид коррозии считают наиболее распространенным. Самым важным происхождением электрохимической коррозии является то, что металл неустойчив в окружающей среде с точки зрения термодинамики. Вот несколько ярких примеров этой реакции: ржавчина в трубопроводе, на обшивке днища морского судна и на различных металлоконструкциях в атмосфере.

В механизме электрохимической коррозии обычно выделяют два направления: гомогенное и гетерогенное. Разберем их подробнее в таблице ниже.

Гомогенный механизм электрохимической коррозии	Гетерогенный механизм электрохимической коррозии
Поверхность металла рассматривается как однородный слой.	У твердых металлов поверхность неоднородна из-за структуры сплава, в котором атомы по-разному расположены в кристаллической решетке.
Растворение металла происходит из-за термодинамической возможности для катодного или анодного процессов.	Неоднородность можно наблюдать при наличии в сплаве каких-либо включений.
Скорость, с которой протекает электрохимическая коррозия, зависит от времени протекания процесса.

В электрохимической коррозии протекает одновременно два процесса на аноде и на катоде, которые зависят друг от друга. Растворение основного металла происходит только на анодах. Анодный процесс заключается в том, что ионы металла отрываются и переходят в раствор:

Fe → Fe2+ + 2e.

В результате происходит реакция окисления металла. В данном случае анод заряжается отрицательно.

При катодном процессе избыточные электроны переходят в молекулы или атомы электролита, которые, в свою очередь, восстанавливаются. На катоде идет реакция восстановления. Он носит заряд положительного электрода.

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH-

2H+ + 2e → H₂

Торможение одного процесса приводит к торможению и другого процесса. Окисление металла может происходить только в анодном процессе.

Первичная защита материала

На этапе приготовления бетонного раствора в его состав вводят модифицирующие добавки. Они изменяют минералогический состав цементного камня, улучшают его прочностные характеристики и нивелируют коррозийные процессы. По типу воздействия добавки подразделяются на следующие группы:

• пластификаторы;
• уплотнители;
• замедлители схватывания;
• ингибиторы коррозии;
• гидрофобизирущие;
• морозостойкие;
• газообразующие и воздухововлекающие.

При выборе добавки технологи учитывают климатические особенности региона, а также химический состав и свойства местной почвы.

На территории России наиболее популярными являются мылонафт, бражка СДБ, кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94, а также гашеная известь.

Мылонафт – пластификатор на основе солей натрия. Он улучшает удобоукладываемость, морозостойкость и водонепроницаемость бетона в несколько раз. Смеси, приготовленные на его основе, устойчивы к воздействию солей и образованию трещин.

Бражка СБД – сульфитно-дрожжевой пластификатор. Он также увеличивает подвижность, морозостойкость и водоупорность бетона в 2-3 раза. Материалы, в состав которых входит бражка СБД, не вступают в химические реакции с минеральными солями и долгое время сохраняют первичный вид.

ГКЖ-94 – гидрофобизирующая жидкость на основе кремния. Бетоны с добавлением ГКЖ-94 имеют максимальное количество замкнутых пор и отличаются повышенной морозостойкостью. Они пригодны для заливки в местах с высоким содержанием минеральных солей.

ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Замерзание и оттаивание, это когда вода проникает внутрь бетона и впоследствии замерзания создает напряжение взламывая бетон. Чтобы ограничить такие последствия необходимо сократить капиллярную микропористость на стадии изготовления бетона добавлением морозостойких заполнителей и воздухововлекающих добавок, которые поддерживают соотношение между водой и цементом.

Высокие температуры так же приводят к разрушительному эффекту на бетон. Разрушение возникают в результате разного расширения бетона и арматуры, разрыва заполнителя с вяжущим, при быстром остывании в результате воздействия воды при пожаре или иных обстоятельствах образование извести, быстрой конденсации пара, что приводит к разрывам и растрескиванию.

Усадка бетона бывает двух типов, пластическая и гигрометрическая.

Пластическая усадка происходит в пластичной стадии бетона ( в момент укладки бетона или первых дней после нее), причина, быстрое выделение влаги в окружающую среду. При пластической усадке на его поверхности образуются микротрещины, трещины, провалы.

Избежать пластическую усадку довольно просто, укрыть свежеуложенный бетон водонепроницаемой пленкой, при отсутствии возможности укрытия орошение в течении нескольких дней водой или нанесение материалов создающего защитную пленку.

Гигрометрическая усадка происходит уже после схватывания бетона в первые несколько месяцев. Избежать гигрометрическую усадку помогают добавки снижающие водоцементное соотношение между инертными материалами и цементом, одним словом, чем меньше воды в свежеприготовленном бетоне, тем меньше в последующем усадка.

Виды коррозии и причины возникновения

Бетон, который находится на улице, постоянно подвергается негативному воздействию окружающей среды. Осадки, температурные колебания, кислоты и газы – все это вызывает определенные физические и химические реакции в структуре материала. На основании проведенных исследований были определены виды коррозии бетона, а также основные причины ее возникновения.

Биологическая

Данный вид изменения бетона и железобетона происходит в результате накапливания солей в микротрещинах и капиллярах конструкции, нерастворяющихся в воде. Постепенно образовывается твердый камень, которой провоцирует разрушение бетона. Не исключено, что в поры материала возможно проникновение бактерий, грибов и водорослей, которые продолжают размножаться и провоцировать растрескивание конструкции.

Физико-химическая

Это процесс вымывания из тела материала важных компонентов. Конструкции в основном используются на открытом участке местности, поэтому на них воздействуют внешние негативные факторы. В составе бетонной смеси находится гидроксид кальция, улетучивающийся под воздействием влажной среды или воды. Под влиянием этого воздействия нарушается структура бетона, и начинают появляться трещины, провоцирующие процессы дальнейшего его разрушения.

Химическая

Химическая коррозия бетона – это процесс вымывания извести, образованной легкорастворимыми соединениями, при непосредственном контакте с кислотной средой. Под воздействием агрессивных сред происходит образование солей и аморфных масс. Первые образовываются в процессе взаимодействия с негативными факторами, они быстро растворяются и вместе с водой вымываются. Связующие характеристики у аморфных масс совсем отсутствуют.

Химическую коррозию распознают в результате появления гидроферитов, гидроалюминатов и гидросиликатов, способствующих возникновению растворимых солей и иных веществ. Содержание углеродных диоксидов провоцирует появление коррозии бетонных конструкций углекислотного типа. Причина появления разрушения оксидной пленки, образованной карбонатом — превышение допустимых по содержанию показателей углекислоты.

Чтобы обеспечить защиту железобетонной конструкции и бетона, следует изучить причину возникновения неблагоприятных факторов воздействия и учесть это во время изготовления, монтажных работ и при уходе за бетоном.

Коррозия от разрушения арматуры

Железобетонные изделия состоят из двух компонентов — это бетонная смесь и арматура. Последняя оказывает непосредственное влияние на материал. В процессе эксплуатации происходит ржавление металла, потому что на бетон воздействуют химические элементы: хлор, сероводород и сернистые газы. В теле бетонной конструкции появляется внутреннее напряжение, что приводит к образованию трещин.

Воздушная среда и вода приникают внутрь через поры бетонного изделия. Электрохимическая коррозия происходит вследствие неравномерности воздействия негативных сред, а скорость реакций зависит от уровня проникновения влаги и размеров пор камня.

Если очень долго бетон находится на открытом воздухе, то под воздействием углекислоты будет образовываться тонкий слой оксидной пленки, который не растворяется в воде и не вступает в реакцию с солями. Название процесса — карбонизация. Она защищает от появления ржавчины бетонный камень, но становится причиной образования коррозии арматуры.

При изготовлении железобетонных изделий следует учитывать антикоррозионную обработку арматуры. Эти требования обязательны и регламентированы нормативными документами.

Способы защиты

Итак, механизмы разрушения нами изучены. Возможна ли защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии? Могут ли соответствующие меры быть предприняты в домашних условиях, своими руками?

Стратегия

Для начала выясним, какими путями нам предстоит двигаться.

Комплекс мер	Разъяснения
Защита арматуры	Повышение коррозионной стойкости армирующего каркаса предотвратит его ржавление внутри бетона и при выходе на поверхность.
Уплотняющие химические добавки	Как правило, они уменьшают количество пор или делают поры замкнутыми. В результате снижается проницаемость материала для воды и воздуха, реже нестабильная гашеная известь заменяется более химически стойкими соединениями.
Заполнение пор	Готовая бетонная конструкция может быть модифицирована проникающими пропитками, нагнетаемыми через пробуренные в ней шурфы или просто нанесенными на поверхность.
Поверхностная защита	Сюда относятся всевозможные меры по гидроизоляции (рулонной и обмазочной). В эту же категорию попадает покраска лакокрасочными материалами.
Биозащита	Антисептические пропитки сводят на нет биологическое разложение, убивая саму плесень, ее споры и препятствуя их повторному появлению.

Грунт-антисептик.

Промышленные условия

Как защита железобетонных конструкций от коррозии осуществляется в условиях промышленных предприятий, многоквартирного строительства и т.д. — проще говоря, когда есть возможность использовать сложные технологии, требующие специального оборудования?

Упомянем несколько часто применяющихся решений.

• Цементизация. Через пробуренные в толще конструкции отверстия под давлением нагнетается цементное молочко, приготовленное в пропорции 1:10 (цемент-вода), с небольшой (не более 7% от массы цемента) добавкой хлористого кальция. Заполнение пор способствует увеличению плотности бетона и уменьшению количества открытых пор в нем.
• Силикатизация сводится к последовательному нагнетанию натриевого жидкого стекла и хлористого кальция. В процессе обработки поры заполняются смесью слаборастворимого гидросиликата кальция и нерастворимого кремнезема.

Силикатизация бетона.

Битумизация — процесс заполнения пор битумом при температуре 200-220С. Метод исключительно эффективен, но может проводиться лишь при минимальной влажности конструкции.

Для вскрытия и демонтажа элементов конструкции применяется резка железобетона алмазными кругами: они обладают куда большим по сравнению с абразивными кругами по камню ресурсом и, главное, прекрасно режут арматуру.

Домашние условия

Разумеется, защита бетона от коррозии возможна и без применения высокотехнологичного оборудования.

Защитная покраска — самое простое и очевидное решение. В частности, можно рекомендовать так называемые резиновые водно-дисперсионные красители: они надежно гидроизолируют поверхность бетона при минимальных затратах времени и сил. Цена килограмма резиновой краски начинается примерно от 130 рублей.

Резиновая водорастворимая краска.

• Обработка жидким стеклом тоже способна защитить бетон от разрушения. Инструкция по его применению предельно проста: натриевое жидкое стекло разводится водой 1:1 и наносится на поверхность бетона кистью или валиком в 2-3 слоя без промежуточной просушки.
• Наиболее эффективное решение — проникающие гидроизоляционные пропитки (Пенетрон и его аналоги). Они наносятся по влажному бетону и проникают на глубину до метра. Пенетрон вызывает кристаллизацию соединений кальция, полностью заполняющих поры.
• На стадии приготовления бетона в него могут вводиться разнообразные укрепляющие добавки. Вот названия нескольких отечественных препаратов: Мылонафт, СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка), ГКЖ-94 (кремнийорганическая жидкость).

Кремнийорганические (силиконовые) пропитки могут применяться и для гидрофобизации  готовых конструкций. На фото — силиконовый гидрофобный грунт Типром Д.

Меры защиты бетона

Основные методы защиты бетона от коррозии подразделяют на первичные, вторичные и специальные.

Для слабоагрессивной среды обычно применяют первичную защиту и, в некоторых случаях, вторичную. Для средне- и сильноагрессивной среды — первичную, вторичную и, при необходимости, специальную.

Мероприятия по защите бетона определяются на предпроектной и проектной стадиях, а также в процессе строительства, реконструкции и непосредственной эксплуатации зданий:

1. На предпроектном этапе, а также во время выполнения изысканий и исследований определяется агрессивность среды, составляются прогнозы по изменению этих условий и оценивается степень воздействия агрессивных факторов.
2. При разработке проекта выбирают материалы (например, те или иные виды цемента) и добавки, разрабатывают меры по снижению проницаемости бетона, выбирают защитные материалы и меры по снижению степени агрессивности среды. В основном, применяют различные добавки для бетона, например, гидрофобизаторы, а также пропитки и другие способы гидроизоляции, кроме того, могут быть запланированы меры по установке вентиляции или очистке сточных вод. Также определяются специальные меры защиты.
3. На стадии строительства либо реконструкции применяют материалы и заполнители с повышенной коррозионной стойкостью, меры эффективного перемешивания, укладки и обработки бетона с целью получения материала высокой плотности, обработку биоцидами, пропитками, отделочными материалами.
4. В процессе эксплуатации применяют меры защиты изделий от увлажнения, наблюдение за состоянием изделия, восстановление антикоррозионной защиты.

Методы первичной защиты

Требования к бетонам, которые будут эксплуатироваться в условиях воздействия агрессивных сред, определяются нормативной документацией.

К мерам первичной защиты бетона относят следующие:

1. Выбор цементов, которые будут устойчивыми к агрессивным средам. Например, если планируется эксплуатация бетона в сульфатсодержащих водах, используются сульфатостойкие или пуццолановые цементы. Также для приготовления бетонов, которые будут эксплуатироваться в агрессивных средах, применяют глиноземистые цементы, портландцементы, шлакопортландцементы, вяжущие низкой водопотребности и безусадочные. Выбор цемента зивисит от типа и физического состояния агрессивных сред.
2. Выбор заполнителей. Обычно в качестве мелкого заполнителя применяется кварцевый песок класса I или пористый песок, а в некоторых случаях — песок класса II; в качестве крупных заполнителей — фракционированный щебень, а также гравий и щебень из гравия марки по дробимости не ниже 800 или щебень из осадочных пород марки по дробимости не ниже 600 и водопоглощением не выше 2%.
3. Применение специальных химических добавок. К ним относят пластификаторы, которые позволяют получить бетоны более высокой плотности (сниженной проницаемости) и снизить при этом затраты на обработку бетона и расход цемента; гидрофобизаторы, обеспечивающие повышение водонепроницаемости и морозостойкости бетона; полипропиленовую и базальтовую фибру, которые снижают усадку и уменьшают истираемость бетона.
4. Разработка конструктивных решений, которые позволяют снизить коррозию бетона и защитить арматуру.

Как может производится защита от коррозии бетона и железобетона?

Методы защиты бетона от коррозии.

Широко применяемый в строительстве бетон имеет несколько разработок, которые применяются для борьбы и уменьшения разрушительных процессов. Это как защита материала от воздействий внешней среды, так и введение разного рода добавок, имеющих разные функции. Некоторые из них препятствуют появлению в бетоне трещин, его разрушению и вымыванию. Нередко применяется для сооружений бетон с высокой плотностью, капиллярная структура внутри которого отсутствует.

Разрушение бетона может быть остановлено введением гидравлических добавок. Они, чтобы воспрепятствовать вымыванию, связывают гидроксид кальция в соединение, которое менее подвержено растворению, гидросиликат кальция. Защита бетона от коррозии может заключаться в применении белитового цемента, так как этот материал гидроксида кальция выделяет минимум, содержит меньше трехкальциевого силиката. Если разрушающая жидкость имеет малые количества и испаряется с поверхности бетона сама, гидроксид кальция не будет вымываться из бетона. Он уплотнит его структуру и прекратит фильтрацию, что называется самозалечиванием бетона.

Если цементный камень повреждается водами, которые содержат соли сернокислые или хлористые, то это происходит вследствие образования продуктов, которые затем с легкостью вымываются из бетона. Случается, что теряются связующие свойства бетона. С этим нужно бороться аналогичным образом, понижая содержание гидроксида кальция в бетоне. К примеру, в 100 раз менее подвержен растворению в воде хлористый кальций, если сравнивать его с гидроксидом кальция.

Капитальный ремонт, гидроизоляция и защита бетонных конструкций от коррозии.

Коррозия бетона сульфатного типа характеризуется образованиями в порах бетона, которые в ходе роста разрывают его. Это называется «цементными бациллами». Поэтому цемент, содержание трехкальциевого алюмината в котором недостаточно, дополнительно должен иметь стойкость к сульфатам. Бетонные сооружения не должны покрываться грибками и бактериями, водорослями речными и морскими, лишайниками, мхами, растениями, так как все это имеет разрушительное воздействие на них.

Защита бетона от вод с различными добавками может быть произведена различными путями. Это могут быть улучшения, технологические изменения, включающие в себя этапы приготовления бетона. Цемент для приготовления должен содержать активные минеральные добавки определенного типа и соответственный минеральный состав. Могут помочь и такие решения, где для защиты бетона от коррозии применяется дренаж, водоотводы и гидроизоляция.

Какими характеристиками должен обладать бетон, чтобы препятствовать коррозии

Разрушение — естественный процесс, с которым сталкивается любой строительный материал.

Однако, при соблюдении определённых правил, можно повысить сопротивляемость образованию коррозии:

• Использование марки бетона от W4 и выше. Это гидротехническая разновидность, отличающаяся повышенной устойчивостью к воздействию влаги.

• Применение специальных видов цемента: портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент, марки, устойчивые к воздействию сульфатов, глиноземистые, напрягающие.

• Применение бетона повышенной прочности, отличающегося повышенной морозостойкостью при одновременном воздействии агрессивной окружающей среды и повторяющихся циклов оттаивания и замораживания.

Определение коррозии

Наиболее подвержены коррозии цементные швы. Это связано с тем, что они — наименее прочное звено в конструкции.

Современная наука дает определения множеству явлений, согласно ей, коррозия — это совокупность процессов (химических, биологических, физических), инициатором которых является внешняя среда, а результатом — постепенное разрушение строительного материала.

Чаще всего процесс коррозии бетона начинается с такой его части как цементный камень. Эта часть конструкции является наименее прочной; образуется она уже в процессе затвердения, в ней есть множество капиллярных ходов, которые могут быть заполнены воздухом или водой. Воздействовать на цементный камень могут газы, находящиеся непосредственно в воздухе, а также разные виды вод:

• грунтовые;
• речные;
• морские;
• дренажные;
• сточные.

Очень вредны для цементного камня грунтовые воды, особенно те, которые находятся около предприятий промышленности. В таких водах могут найтись самые разные химические вещества, к примеру, вблизи химических производств грунтовые воды «обогащены» кислотами органическими и минеральными, щелочами, хлоридами, солями никеля, цинка, меди, железа, нитратами — список можно продолжать довольно долго. У заводов, занимающихся обработкой металлов, в грунтовых водах часто можно найти сульфаты железа и другие продукты, получающиеся в результате травильных процессов.

Быстрому разрушению бетонных конструкций способствуют мелкие трещины, через которые внутрь поступает влага.

Однако грунтовые воды вблизи фабрик и заводов не являются рекордсменами по числу и концентрации веществ, способных принести вред цементному камню: выигрывают в данном случае сточные воды. Даже в небольшой концентрации (разбавленные речной водой) сточные воды могут нанести большой вред цементному камню, который может быть, например, в гидротехнических сооружениях.

Интересно, что воздух вблизи различных заводов может быть совершенно безопасным для человека (содержание вредных веществ — оксиды азота, сернистый газ и других — не представляет вреда для здоровья), а вот для бетона, даже такие небольшие концентрации, могут стать причиной постепенной коррозии и разрушения.