ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН

СТОЙКОСТЬ БЕТОНА В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Самым нестойким компонентом бетона является цемент­ный камень, как наиболее химически активный и вслед­ствие этого подверженный опасности разрушения в резуль­тате химического действия агрессивной окружающей среды.

При соединении цемента с водой происходят процессы гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера, в результате чего образуются сложные гидратированные соединения.

Согласно взглядам П. А. Ребиндера, процесс твердения цементного камня описывается следующей схемой. В пер­вый момент происходит смачивание частиц и растворение в воде наиболее растворимых соединений клинкера, таких как щелочные металлы натрия и калия, гидрат окиси каль­ция (известь) и гипс. По мере их растворения образуются перенасыщенные растворы. Далее происходит кристалли­зация новообразований и формирование кристаллов раз­личных размеров. Попутно часть новообразований вы­деляется в виде каллоидных частиц, обладающих свойства­ми геля. По мере кристаллизации образуются пленки, пре­пятствующие контакту воды с минералами цемента, в ре­зультате чего процесс гидратации начинает тормозиться.

Из работ [38, 107] следует, что и процессы гидратации, и, следовательно, образование структуры цементного кам­ня зависят не только от химического и минералогического

Составов цемента, скорости химических реакций, но также и от физических условий протекания этих процессов. Чем больше поверхность цемента, (например, быстротвер - деющих), тем больше компонентов переходит в раствор в единицу времени, т. е. тем быстрее идет схватывание и твер­дение цемента. В свою очередь, чем больше поверхность

Цемента, тем больше должно быть воды, удерживаемой мо­лекулярными силами на поверхности частиц цемента и но­вообразований и далее не участвующей в растворении ве­щества в процессе гидратации. Из-за слишком тонкого из­мельчения цемента быстро загустевает бетонная смесь, что ведет к потере эффекта увеличения прочности бетона по времени. Оптимальная тонкость помола применяемого цемента должна характеризоваться удельной его поверх­ностью около 3000—3200 см2!г.

При более грубом помоле процесс твердения замедляет­ся, а при более тонком помоле долговечность бетона сни­жается, так как в течение длительной эксплуатации соору­жения не будет происходить «самозалечивание» микротре­щин, возникающих в бетоне при появлении внутренних растягивающих напряжений.

Процессы твердения в бетоне сопровождаются корро­зией цементного камня. Эти процессы С. В. Шестоперов [107] описал в виде «кривой долговечности». Н. Плум, Ж. Джессинг и П. Бредсдорф рассматривали обобщенную кривую изменения прочности бетона конструкции во вре­мени. Данные их исследований представлены на рис. 71, где кривая 1 характеризует бетоны, не подвергавшиеся воз­действию агрессивной среды и хранящиеся во влажных ус­ловиях. Кривая 2 характеризует тот же бетон, но хранив­шийся в воздушно-сухих условиях. Как видно из рис. 71, у бетона в месячном возрасте прочность нарастает незна­чительно, но в то же время нет факторов, которые могли бы снизить ее. Кривые 3, 4 и 5 свидетельствуют об умень­шении прочности во времени в результате коррозионных процессов. Причем прочность снижается с различной ин­тенсивностью в зависимости от степени агрессивности среды.

Не останавливаясь подробно на влиянии каждого вида коррозионной среды на бетон, которое достаточно подробно описано в работах В. М. Москвина, Н. А. Мощанского, М. Г. Булгакова, Ф. М. Иванова и др., рассмотрим лишь характер их воздействия на бетон.

В период эксплуатации сооружений возможна так называемая коррозия выщелачивания. Степень опасности процессов выщелачивания определяется прежде всего ус­ловиями взаимодействия бетона и воды. Наиболее опасна фильтрация воды через тело бетона под напором. При этом известь и гипс выщелачиваются из бетона, а затем растворяются с разложением на гидросиликаты и гидро­алюминаты кальция.

В ряде случаев конструкции и сооружения находятся под воздействием природных[4] или промышленных вод с повышенной кислотностью.

Степень кислотности воды характеризуется водород­ным показателем рН. Считается, что кислотность раствора тем больше, чем больше кислоты диссоциирует на ионы. Кислотность раствора повышается и с увеличением кон­центр ации кислоты.

Показатель концентрации ионов водорода рН в воде, равный + 7, как это принято считать, указывает на то, что вода нейтральна. При слабой кислотности этот показатель равен + (4ч-6). В более концентрированных растворах сильных кислот значение рН равно + (1—2).

Общекислотную агрессивность воды (среды для железо­бетонных конструкций) при различной плотности бетона определяют по данным, приведенным в табл. 19 [38].

Для щелочных растворов рН > 7. Так, например, в щелочной среде при рН > 12 железо пассивируется в

Результате образования защитной пленки окислов и не подвергается коррозии во влажной среде.

Избыточное количество в воде свободной углекислоты и углекислых солей делает ее агрессивной по отношению к бетону. Принято считать, что вода нормальной плотности слабоагрессивна для бетонов, если она содержит не более 40 мг/л углекислоты. С повышением содержания С02 вода становится агрессивной. Опыты показывают, что вода, со­держащая агрессивную углекислоту, для бетонов высокой плотности безопасна.

Интенсивную коррозию в бетонных и железобетонных конструкциях может вызывать вода, содержащая серно­кислые соли. К наиболее распространенным в природных водах сернокислым солям, которые называются сульфата­ми, относятся сернокислый кальций (гипс), сернокислый натрий и сернокислый магний.

При обычной температуре водные растворы этих солей имеют различную растворимость, поэтому они по-разному взаимодействуют с компонентами цементного камня в бетоне. Продукты реакции каждой из этих солей получаются также различные.

Главным реагирующим компонентом рассматриваемой агрессивной сульфатной среды является общий для них анион SO4. Установлено, что скорость химического связы­вания гипса зависит от количества алюминатов, содер­жащихся в цементном клинкере. Количество гипса, ко­торое может быть химически связано с минералами цемента за определенное время, зависит от тонкости помола це­мента. Одновременное увеличение тонкости помола и ко­личества гипса значительно повышает стойкость цемент­ного камня к действию растворов сульфатов, при этом обя­зательным является совместный тонкий помол цемента и гипса.

В плотной структуре бетона при наличии в его цементном камне сульфатов увеличение твердой фазы и вследствие этого стремление бетона к расширению может наблюдаться только в поверхностных слоях элемента конструкции. В по­ристых структурах расширение бетона и образование тре­щин отмечаются уже во всем объеме элемента.

Таким образом, в случае действия сульфатов бетон раз­рушается тем интенсивнее, чем больше его пористость и проницаемость.

При наличии в воде солей магния возможна так назы­ваемая магнезиальная коррозия. В первое время при дей­ствии на бетон такого сульфата уже в поверхностном слое химически связывается поступающий магний-ион. Про­исходит временное уплотнение бетона и замедляется про­никание в него агрессивного вещества. Однако осадок гид­рата окиси магния не является непроницаемым. Постепенно раствор проникает в толщу бетону. Так как реакции между минералами, составляющими цементный камень, и солями магния в первую очередь происходят в зоне контактов с заполнителями (эти зоны являются также зонами наиболь­ших напряжений), то прочность бетона здесь снижается осо­бенно интенсивно.

Разрушение бетона возможно из-за накопления в его порах солей, кристаллизации их и дальнейшего перехода этих солей из безводной или маловодной формы в кристалло­гидраты с высоким содержанием воды. Наиболее часто такие явления наблюдаются в морских сооружениях, которые частично погружены в воду и имеют открытую для испа­рения поверхность. В таких сооружениях, если не принять необходимые меры, возможно накопление раствора солей за счет капиллярного подсоса и последующего испарения воды из наружных частей конструкции.

Образование кристаллогидратов сопровождается из­менением объема солей. В процессе превращения таких солей, как, например, хлористого натрия или сернокислого' натрия из безводной формы в кристаллогидраты, их объем увеличивается соответственно в 2,3 и 4,1 раза. Следователь­но, при достаточно высоком содержании в бетоне указанных солей изменение их объема может приводить к разрушению бетона.

Вода счиїгается агрессивной, если содержание раство­римых солей в ней превышает для бетона нормальной плот­ности 10 г/л, повышенной плотности — 20 г/л, особо плот­ного — 50 г/л.

Причиной разрушения бетона могут быть процессы, ко­торые проходят в зоне контакта поверхности кремнезема заполнителя некоторых пород и щелочей, содержащихся в цементе или вводимых в состав бетона при его затворении. В этом случае разрушение сопровождается увеличением объема бетона, появлением сетки трещин на нем, а также белых налетов у этих трещин. Процесс разрушения бетона от такого вида коррозии протекает только в воздушно - влажных условиях переменной влажности.

Жесткие режимы термовлажностной обработки бетона также отрицательно сказываются на структурообразо - вании и, следовательно, на его коррозионной стойкости. Повышает опасность коррозионного разрушения и напря­женное состояние бетона в растянутых зонах, а также при высоких напряжениях в сжатой зоне конструкций за счет образования в них микро - и макротрещин.

Арматура железобетонных конструкций, если она не­достаточно защищена бетоном, поддается коррозии при дей­ствии влаги и кислорода воздуха. В бетоне на обычном порт­ландцементе водный раствор, заполняющий поры цемент­ного камня, насыщен гидратом окиси кальция Са(ОН)2. Для арматуры создается благоприятная щелочная реак­ция. В такой среде величина рН = 12^-13 и сталь нахо­дится в пассивном состоянии. При рН < 5 возникают ус­ловия, при которых арматура подвергается значительной коррозии.

При недостаточной толщине защитного слоя и наличии в нем трещин в арматуре может возникать атмосферная коррозия, скорость которой в значительной степени зависит от климатических условий, а также от характера агрессив­ной среды. Существенную роль при этом играет повышенная влажность, в которой находится конструкция.

Коррозия арматуры может возникнуть в результате карбонизации извести в бетоне защитного слоя. Это проис­ходит в результате воздействия углекислоты, содержа­щейся в воздухе, которая нейтрализует известь цемент­ного камня и приводит к потере щелочности. Процесс кар­бонизации ускоряется при наличии в защитном слое трещин и недостаточной плотности бетона.

При наличии в бетоне хлористого натрия и кальция в весьма короткие сроки в железобетонных конструкциях может интенсивно развиваться коррозия арматуры. Ионы хлора, являясь деполяризаторами кислорода на аноде, создают условия для развития электрохимических про­цессов коррозии стали в щелочной среде [38].

В сооружениях из железобетона, работающих при на­личии блуждающих токов или токов утечки, может раз­виваться электрокоррозия. В таком случае арматура ста­новится анодом и происходит процесс ее окисления.

Таким образом, долговечность бетонных и железобетон­ных конструкций определяется условиями внешней среды, т. е. климатом местности, составом воздуха, воды и грунта, а также особенностями контакта между внешней средой и наружными поверхностями конструкции. Характеристика основных видов коррозий, которым могут подвергаться конструкции. из высокопрочных бетонов, приведена в табл. 20 [38].

Один из основных путей повышения долговечности бе­тонных конструкций при воздействии различных агрес­сивных сред — создание плотного бетона. Высокопроч­ные бетоны, имеющие, как правило, достаточно однород­ную структуру и повышенную плотность, более устойчивы при работе в таких условиях.

При этом очень важно обеспечить получение эффектив­ного защитного слоя (в конструкциях, предназначенных для - работы в агрессивных условиях, толщина защитного слоя должна быть не менее 20 мм) и повышение трещино - стойкости железобетонных конструкций. По данным НИИЖБ, ЦНИИПромзданий и Промстройпроекта, тре - щиностойкость конструкций, находящихся в сильноаг - рессйвной среде, в ряде случаев должна быть повышена за счет некоторого дополнительного расхода напрягаемой арматуры до 10—20%, а также за счет повышения марки бетона. При применении высокопрочных бетонов, изготов­ляемых, как правило, с низкими ВІЦ, возможно пониже­ние скорости карбонизации цементного раствора.

Одним из радикальных средств защиты конструкций от воздействия агрессивных сред является применение различного вида покрытий [68]. Покрытия, нанесенные после распалубки на поверхность конструкции, способ­ствуют нормальному процессу твердения бетона и в зна­чительной степени предупреждают появление и развитие усадочных трещин.

Выщелачи­вание (пер­вый вид)

Растворе­ние, уси­ленное хи­мическими реакциями (второй вид)

Образование в структуре бетона но­вых веществ с увеличе­нием объема (третий вид)

Электро­коррозия

Газовая коррозия

Растворяющая спо­собность воды

Содержание ионов водорода

Содержание солей

Содержание фатов

Содержание суль­фатов при одновре­менном содержании хлоридов

Высокое содержа­ние солей при нали­чии испаряющей по­верхности

Прохождение по­стоянного электри­ческого тока

Содержание в ат­мосфере кислых газов

Растворение гидрата окиси кальция и гидро­лиз гидросиликатов и других минералов це­ментного камня

Растворение минера­лов цементного камня, усиленное действием кислот

То же, сопровождаю­щееся обменными реак­циями с солями, в пер­вую очередь с солями магния

Образование гидро- сульфоалюмината каль­ция со значительным увеличением объема

Образование двувод- ного гипса с тем же эф­фектом

Накопление в порах бетона солей, способных переходить в другие кристаллогидратные фор­мы с изменением объема

Электролиз компонен­тов цементного камня с разрушением контактов

То же, что и при кор­розии второго вида

Кислород и повы­шенная влажность воздуха

Прохождение по­стоянного электри­ческого тока

Электрохимическое окисление и образование гидроокисей

Анодное растворение

В последнее время в бетонную смесь вводят воздухо - вовлекающие или газообразующие добавки, способствую­щие повышению стойкости бетона к внешним воздей­ствиям.

При условии, если конструкции эксплуатируются в среде с повышенной агрессивностью, применяют специа­льные способы защиты [38].