Есть мнение Антикоррозийные покрытия Коррозия железобетонных конструкций и ремонтные смеси

Коррозия железобетонных конструкций и ремонтные смеси

Рассмотрены процессы коррозии железобетона в условиях выщелачивания пресной водой, карбонизации, хлоридной, сульфатной и биологической коррозии. Приведены количественные оценки параметров агрессивных сред и требования к бетону для указанных условий эксплуатации.

При правильном проектировании, изготовлении и применении железобетон как материал отличается многими положительными эксплуатационными свойствами, в том числе высокой коррозионной стойкостью. Тем не менее, вследствие разных причин известно много случаев преждевременного коррозионного повреждения железобетонных конструкций. Такими причинами являются различные ошибки при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций. К ним относятся: неправильная оценка условий эксплуатации сооружений и конструкций (не учитывается в полной мере агрессивное воздействие среды), неправильное назначение состава бетона (его проницаемости, толщины защитного слоя), ошибки в технологии изготовления и многое другое.

Скрытые дефекты проектирования и изготовления обнаруживаются со временем при воздействии среды эксплуатации. Они проявляются в форме снижения прочности и растрескивания бетона в результате воздействия окружающей среды, утраты защитного действия и коррозии стальной арматуры, что вызывает снижение несущей способности и эстетических качеств железобетонных конструкций. Такие изменения требуют выполнения ремонтных работ.

Всякому ремонту бетонных и железобетонных конструкций должно предшествовать их инженерное обследование. Одной из задач такого обследования является выяснение причин повреждения. Только после выполнения обследования можно грамотно назначить способы ремонта и восстановления, выбрать материалы для ремонта. Необходимость квалифицированного обследования обусловлена, в частности, тем, что нередко многие виды коррозионных повреждений внешне имеют одни и те же визуальные признаки. Например, сетка трещин на поверхности бетона может образоваться при морозном воздействии, капиллярном всасывании растворов солей и испарении, сульфатной коррозии, перекристаллизации цементного камня с поздним образованием трёхсульфатной формы гидросульфоалюмината, при развитии внутренней коррозии, вызванной взаимодействием кремнезёма заполнителя со щелочами цемента. В каждом из этих случаев требуется внимательное изучение причин и механизма повреждения бетона и стальной арматуры.

Полученные результаты являются основой для назначения эффективного метода ремонта и защиты строительных конструкций. С учетом производственных требований и условий эксплуатации назначается оптимальная технология и ремонтный состав. Перспективным направлением является применение для ремонта и защиты сухих растворных смесей. В настоящее время на рынке существует большой выбор сухих смесей, обеспечивающих такие требования, как:

Применяя сухие ремонтные смеси с учётом основного вида повреждения железобетонных конструкций, можно существенно повысить коррозионную стойкость и долговечность сооружений в целом.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи коррозионного повреждения железобетона.

Выщелачивание бетона

Выщелачивание бетона, согласно классификации профессора В.М. Москвина, относится к коррозии I вида, которая состоит в растворении и выносе компонентов цементного камня из структуры бетона. Характерным является растворение гидроксида кальция и других компонентов при фильтрации вод с малой временной жёсткостью и вынос растворённых веществ из бетона. При выносе 20% гидроксида кальция бетон утрачивает 25-30% начальной прочности. Лабораторные и натурные исследования бетона и конструкций из него показывают, что процесс выщелачивания протекает сравнительно медленно. По данным лабораторных исследований НИИЖБ, в условиях коррозии I вида глубина коррозии бетона за 50 лет составляет несколько миллиметров.

Как показывают натурные обследования опор мостов на севере страны, плотин гидроэлектростанций в Восточной Сибири, водопроводных станций в Москве, эксплуатирующихся в чистых холодных водах, обладающих наиболее высокой выщелачивающей способностью, после значительных сроков эксплуатации (10-60 лет) в отсутствие сквозной фильтрации и воздействия отрицательных температур повреждение плотного бетона от коррозии I вида ограничено небольшой глубиной (таблица 1). В конструкциях, возведенных в 30-х годах прошлого века из бетона марок 100 и 140, глубина коррозии после 60 лет эксплуатации достигала 10 мм. За это время жертвенный слой торкрет-бетона толщиной 10 мм полностью исчерпал своё защитное действие.

При наличии сквозной фильтрации скорость коррозии бетона возрастает на порядки величин. Количество извести, вынесенной из массивных бетонных гидротехнических сооружений через фильтрующие трещины, может измеряться десятками килограммов и даже тоннами. В фильтрующих трещинах наблюдается интенсивная коррозия стальной арматуры, вплоть до обрыва стержней. Повышение стойкости конструкций может быть обеспечено применением бетонов низкой и особо низкой проницаемости, исключением сквозных протечек через бетон, что при современном уровне технологии бетона не является сложной проблемой. При ремонте повреждённых конструкций задача сводится к расшивке и заделке трещин или нагнетанию в трещины высокоподвижных растворов, очистке и восстановлению поверхностных слоев бетона. При воздействии отрицательных температур ремонтные смеси должны иметь в своем составе воздухововлекающие или микрогазообразующие добавки и обеспечивать необходимую адгезию к бетону конструкций, минимальную усадку, получение бетонов марок по водонепроницаемости W6-W8.

Карбонизация бетона

Взаимодействие бетона с углекислым газом (карбонизация бетона) сопровождается превращением гидроксида кальция цементного камня в карбонат кальция. Прочность бетона при этом существенно не изменяется. Несколько уменьшается пористость и проницаемость бетона. Сильно понижается щёлочность жидкой фазы бетона. От первоначального значения 12,5-13,1 величина рН понижается до 8-9, при этом бетон утрачивает пассивирующее действие на стальную арматуру. Развивающаяся коррозия стальной арматуры вызывает потерю сечения стальных стержней, растрескивание защитного слоя, сильное снижение несущей способности железобетонной конструкции. Из практики обследования коррозионного состояния железобетонных конструкций известно очень много случаев повреждения конструкций вследствие полной карбонизации защитного слоя. Как правило, причиной этого является недостаточная толщина защитного слоя (обычно отсутствие фиксации арматуры в проектном положении в процессе изготовления конструкции) или высокая проницаемость бетона. Скорость карбонизации бетона определяется скоростью диффузии углекислого газа в бетоне. Глубина карбонизации увеличивается пропорционально корню квадратному из времени и в определённой степени зависит от реакционной способности бетона, в данном случае от способности бетона связывать большее или меньшее количество углекислого газа. Скорость карбонизации находится в прямой зависимости от диффузионной проницаемости бетона для углекислого газа. Плотные бетоны хорошего качества имеют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа около 10~4 см2/сек и менее. Обычные бетоны невысоких классов по прочности могут карбонизироваться на глубину, превышающую толщину защитного слоя. С достижением фронта карбонизации поверхности арматуры сталь начинает коррозировать, что вызывает разрушение защитного слоя бетона. Бетоны особо низкой проницаемости имеют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа около 10~б см2/сек. Вследствие уплотнения карбонатом кальция наружного слоя бетона процесс карбонизации таких бетонов прекращается, при этом толщина карбонизированного слоя составляет 1-3 мм и не влияет на коррозионное состояние стальной арматуры. Допускаемая максимальная величина диффузионной проницаемости бетона в зависимости от концентрации углекислого газа в воздухе, проектных сро ков эксплуатации конструкции и толщины защитного слоя приведена в таблице 2.

Другой случай - полная карбонизация бетона и развитие коррозии арматуры. В этом случае радикальным способом ремонта является удаление карбонизированного слоя бетона и продуктов коррозии стали и восстановление защитного слоя из нового бетона, имеющего низкую проницаемость.

Ремонтные смеси в этом случае должны обеспечивать необходимую адгезию к бетону конструкций, минимальную усадку, получение бетонов марок по водонепроницаемости W6-W8.

Хлоридная коррозия железобетона

Из практики эксплуатации зданий и сооружений различного назначения известно большое число повреждений железобетонных конструкций, вызванное воздействием на бетон солей хлоридов. При воздействии хлоридов из состава противогололёдных реагентов повреждаются транспортные сооружения (мосты, путепроводы, подземные переходы, перекрытия многоэтажных автостоянок и другие), коммуникационные тоннели, конструкции морских причалов, здания предприятий по производству минеральных удобрений и многое другое. В указанных случаях причиной повреждения является проникание в бетон хлоридов, утрата защитного действия бетона по отношению к стали и развитие коррозии арматуры. Существует несколько путей повышения защитного действия бетона к стальной арматуре в хлоридных средах. Один из них -снижение диффузионной проницаемости бетона и применение добавок-ингибиторов коррозии.

Экспериментально установлено сильное (на порядки величин) уменьшение диффузионной проницаемости бетона для хлоридов при введении добавок суперпластификатора С-3, микрокремнезёма, золы уноса, доменных шлаков при одновременном снижении водоцементного отношения. Если обычные бетоны имеют коэффициент диф фузии хлоридов 5x10~7... 5x10~8 см2/сек, то бетоны с С-3 и МК (1... 5)х10'9 см2/сек, т. е. на порядок и более ниже, чем традиционные бетоны. Бетоны с указанной низкой диффузионной проницаемостью могут длительно поддерживать стальную арматуру в бетоне в пассивном состоянии в хлоридных средах (см. таблицу 3).

Исследования бетонов с добавками-ингибиторами, показали, что их защитное действие ограничено. Если бетоны на портландцементе утрачивают пассивирующее действие на стальную арматуру при содержании хлоридов 0,5-2,0% от массы цемента (в зависимости от состава цемента), то у бетонов с лучшими из исследованных ингибиторов указанное критическое содержание хлоридов увеличивается примерно в два раза [3].

Из сказанного ясно, что для защиты стальной арматуры железобетонных конструкций в хлоридных средах необходимы бетоны с комплексными добавками, содержащими ингибиторы и компоненты, эффективно понижающие проницаемость бетона.

Сульфатная коррозия

Сульфатная коррозия относится к коррозии III вида, согласно классификации профессора В.М. Москвина, и характеризу ется химическими процессами, в результате которых образуются слаборастворимые вещества, кристаллизующиеся с большим увеличением объёма твёрдых фаз, что вызывает сначала уплотнение бетона и повышение его прочности, затем давление кристаллов, вызывает рост внутренних напряжений и разрушение бетона. Хорошо известно разрушение бетона при действии сульфатных сред, образующих в бетоне кристаллы гипса и гидросульфоалюминатов кальция.

Исследована стойкость бетонов с модификаторами, содержащими суперпластификатор, микрокремнезём и другие компоненты [4-6]. Исследования бетона в средах, содержащих сульфаты в количестве 5000-1 2 000 мг/л, показали, что с повышением водонепроницаемости бетона с W8 до W20 сильно уменьшается скорость поглощения сульфатов. При этом низкое содержание алюминатов в портландцементе остаётся одним из важнейших факторов, определяющих сульфатостойкость бетона. В ещё большей степени уменьшается поглощение сульфатов и повышаются расчётные сроки службы бетона при введении в него комплекса С-З+МК или модификатора МБ-01. Такие бетоны отличаются низкой диффузионной проницаемостью и малой реакционной способностью по отношению к сульфатам. Вследствие связывания гидроксида кальция изменяются условия образования гипса и гидросульфоалюминатов кальция. Бетоны марок по водонепроницаемости более W8, изготовленные на среднеалюми-натном портландцементе с модификатором, приравниваются по сульфатостойкос-ти к бетонам аналогичных марок, изготовленным на сульфатостойком портландцементе (таблицы 4 и 5).

Таким образом, применяя ремонтные составы с современными эффективными добавками, можно обеспечить длительную коррозионную стойкость бетона в сульфатных средах даже с использованием средне-алюминатных цементов (с нормированным минералогическим составом).

Биологическая коррозия

Под биологической коррозией понимают процессы повреждения бетона, вызванные живыми организмами (продуктами жизнедеятельности и механическим воздействием), в первую очередь бактериями, грибами, морскими организмами, поселяющимися на поверхности конструкций. По масштабам повреждения конструкций и сооружений наибольшее значение имеет ущерб, вызываемый тионовыми бактерия ми. Известны массовые повреждения канализационных сооружений, связанные с разрушением бетона серной кислотой, выделяемой тионовыми бактериями. Механизм этого процесса в основном исследован. Концентрация сероводорода в канализационных коллекторах и камерах достигает сотен миллиграммов на кубометр воздуха, а концентрация биогенной серной кислоты 5-20%, при этом рН влаги на поверхности конструкций равняется 1 -2. В этих условиях бетон разрушается со скоростью до 1 -2 см в год. Из многих существующих методов защиты трубопроводов отданного вида коррозии наиболее экологически обоснованными представляются методы, связанные с подавлением жизнедеятельности ти-оновых бактерий (аэрация стоков, применение окислителей и т. п.). При этом создаются условия, в которых образование сероводорода, а следовательно, и серной кислоты становится невозможным.

Натурными испытаниями показано, что в сероводородных газовых средах цементные бетоны даже особо низкой проницаемости разрушаются достаточно быстро. Попытки применить биоцидные добавки, подавляющие жизнедеятельность тионовых бактерий, не имели успеха. Добавки, снижающие проницаемость цементных бетонов, также не увеличили в необходимой степени коррозионной стойкости бетона в указанных условиях. При высокой концентрации сероводорода в газовой среде эффективным средством вторичной защиты является применение химически стойких материалов в виде плёнок, листов, толстослойных покрытий, скорлуп (стеклопластик на полиэфирной смоле), минеральных кислотостойких покрытий или конструкционных химически стойких материалов.

Специфическим видом повреждения цементных штукатурок и бетона является коррозия, вызванная жизнедеятельностью низших грибов, выделяющих органические и минеральные кислоты. Грибная флора на поверхности конструкций весьма многообразна и насчитывает большое число видов. Наиболее распространённая форма повреждения при действии грибков - превращение бетона и штукатурки в сыпучую несвязанную массу, при этом разрушается также декоративная окраска и обои. Эффективным способом ремонта и защиты от грибкового поражения является применение сухих ремонтных смесей, имеющих в своем составе биоцидные препараты [7].

Выводы

Для выполнения ремонтных работ на конструкциях, имеющих коррозионные повреждения, целесообразно применять специальные сухие смеси на основе портландцемента и различных добавок. Существующие в настоящие время на строительном рынке химические добавки позволяют создавать цементные композиции для различных условий эксплуатации железобетонных конструкций и обеспечивать получение бетонов высокой прочности, однородности, низкой проницаемости и повышенной долговечности.