Несмотря на разнообразие агрессивных факторов, основные причины коррозии можно разделить на три вида, по каждому из которых процессы коррозии объединяются основными признаками.
Первый вид коррозии объединяет те процессы коррозии, которые возникают под действием вод с малой временной жесткостью, когда составные части затвердевшего вяжущего растворяются и вымываются протекающей водой. Наличие в воде солей, не реагирующих непосредственно с отвердевшим вяжущим, может увеличивать их растворимость, ускоряя этим развитие процессов коррозии.
Второй вид коррозии объединяет процессы коррозии, которые развиваются при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составляющими бетона. Образующиеся при этом продукты реакции растворимы и вымываются водой, увеличивая пористость, или выделяются в виде гелеобразных новообразований, не обладающих вяжущей способность. К этому виду коррозии можно отнести процессы, возникающие под действием кислот, магнезиальных солей.
Третий вид коррозии объединяет процессы, при развитии которых в порах и капиллярах материала происходит кристаллизация малорастворимых солей. Это вызывает значительные напряжения в стенках капилляров и пор, ограничивающих рост кристаллов, и вследствие этих напряжений – разрушение структуры. К этому виду коррозии можно отнести процессы коррозии при действии сульфатов, где разрушение вызывается ростом кристаллов гипса и сульфатоалюминатов кальция. Агрессивное воздействие газов определяется их видом, концентрацией, температурой и относительной влажностью воздуха, а также скоростью обмена агрессивной среды. Скорость коррозии возрастает при одновременном действии химических и физических факторов Коррозионные процессы усугубляются от внешних механических воздействий.
В железобетонных конструкциях необходимо рассматривать также вопрос сохранности арматуры в бетоне. При воздействии на бетон жидких сред, не содержащих агрессивных по отношению к стали ионов, в первую очередь разрушается бетон, т. е. процесс коррозии бетона является ведущим. В условиях газовоздушной среды (при повышении относительной влажности воздуха 60%), а также при воздействии на конструкцию жидких или твердых сред, содержащих агрессивные по отношению к стали ионы, возможно развитие коррозии арматуры. Разрушение железобетонной конструкции в данном случае может наступить вследствие коррозии арматуры. Продукты ржавчины накапливаются на арматуре, давят на бетон, вызывают появление трещин, а затем и отслоение защитного слоя. Наибольшую опасность вызывает применение высокопрочных арматурных сталей,подверженных коррозионному растрескиванию. В этом случае возможен обрыв напряженной арматуры.
Коррозия бетонных и железобетонных конструкций в промышленных, гражданских, жилых, сельскохозяйственных и других зданиях является одним из распространенных дефектов, влияющих на безопасную эксплуатацию, и приводит к снижению надежности зданий и сооружений.
Химическая коррозия бетона
При эксплуатации инженерных сооружений в жидких и газовых средах бетон может подвергаться химической коррозии. Коррозия в газообразной среде протекает обычно при наличии влаги и так же, как в воде.
В соответствии с классификацией, предложенной В.М. Москвиным, химическую коррозию цементного бетона разделяют на три вида. В чистом виде она встречается редко. Чаще совмещаются два вида коррозии.
Коррозия первого вида происходит в результате растворения составляющих цементного камня водами с малой временной жесткостью. Эта вода горных рек, дождевая, болотная, конденсат. Уменьшает агрессивность воды содержание в ней Са (НСО3)2 и Мg(НСО3)2. И только вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4-0,7 мг экв/л является агрессивной. Разрушение цементного камня начинается вымыванием Са (ОН)2, растворимость, которой составляет 1,2 г/л в расчете на СаО, а затем идет разрушение клинкерных минералов. Выщелачивание 15-30% СаО цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40-50%.
Стойкость бетона можно повысить применением более плотных бетонов, пуццолановых портландцементов и шлакопортландцементов. Добавки в цементах связывают известь в нерастворимые соединения. При выдерживании изделий на воздухе в результате взаимодействия Са (ОН)2 с СО2 на поверхности бетона образуется малорастворимый карбонат кальция СаСО3, который не выщелачивается водой.
Коррозия второго вида происходит в результате взаимодействия составляющих цементного камня с кислотами и некоторыми солями. При обменных реакциях образуются не имеющие прочности легкорастворимые соединения. К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.
Углекислотная коррозия. Углекислый газ СО2, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н2СО3. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция СаСО, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, Н2СО3 и СаСО3 должны находиться в равновесном состоянии: СаСО3 + Н2СО3 <-> Са (НСО3)2. Эта угольная кислота не является агрессивной по отношению к цементному камню. Если количество углекислоты больше, чем равновесное, она становится агрессивной и способна разрушить цементный камень по реакциям:
Са (ОН)2 + Н2СО3 = СаСО3 + 2Н2О;
СаСО3 + Н2СО3 = Са (НСО3)2.
Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой. Углекислотная коррозия происходит в результате действия растворов неорганических и органических кислот при их рН < 7. Не входят сюда кремнефтористо-водородная и поликремниевые кислоты. Кислоты содержатся в сточных, болотных водах; в выбросах промышленных предприятий может быть сернистый газ, хлор и другие, образующие с водой кислоты. Кислоты взаимодействуют с гидроксидом кальция, в результате чего получаются бессвязные кальциевые соли, легко вымываемые водой. Например, при действии соляной кислоты НСI на цементный камень получается растворимый хлорид кальция:
Са (ОН)2 + 2НСl = СаСl2 + 2Н2О.
Органические кислоты — азотная, уксусная, молочная, винная, олеиновая, гуминовая, фульвовая и другие — также разрушают цементный камень.
Магнезиальная коррозия. Чисто магнезиальная коррозия происходит при действии магнезиальных солей, кроме МgSО4. Например, в морской воде содержится хлорид магния МgСI2, который взаимодействует с цементным камнем по реакции:
Са (ОН)2 + МgСl2 = СаСl2 + Mg(OH)2.
Образуется растворимый хлорид кальция и бессвязный гидроксид магния. Коррозия становится заметной при содержании в воде МgСI2 более 1,5-2%.
Для защиты от коррозии второго вида следует применять плотные бетоны, делать пропитку бетона эпоксидными, полиэфирными и другими смолами, устраивать защитные покрытия.
Коррозия третьего вида возникает при действии на цементный камень веществ, способных образовывать кристаллические соединения увеличенного объема. Они оказывают давление на стенки пор и разрушают цементный камень. Коррозия происходит при действии вод, содержащих сульфат кальция СаSO4, сульфат натрия Na2SO4 и др. Na2SO4 вначале реагирует с Са (ОН)2 по схеме Са (ОН)2 + Na2SO4 <-> CaSO4 + 2NaOH, а затем CaSO4 с минералом С3А. Сульфат кальция CaSO4 сразу реагирует с минералом С3А:
ЗСаО х Аl2O3 х 6Н2О + CaSO4 + (25-26)Н2О = ЗСаО х Аl2О3 х CaSO4 х(31-32) Н2О.
В результате взаимодействия образуется кристаллический трехсульфатный гидроалюминат (этрингит) с объемом в 2,8 раза большим объема исходных веществ.
Для предотвращения этого вида коррозии применяют глиноземистый цемент, сульфатостойкие портландцемента и бетоны повышенной плотности.
Сульфатно-магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень сульфата магния MgSO4. Реакция идет по схеме: Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = CaSO4 х2Н2О + Мg(ОН)2. Образуется рыхлая масса Мg(ОН)2 и кристаллы CaSO4 х 2Н2О, которые растворяются в воде. Влияние на цемент сказывается при концентрации MgSO4 более 0,5-0,75%. Происходит совмещение двух видов коррозии — магнезиальной и сульфатной.
Физико-химическая коррозия бетона
Коррозия этого вида вызывается фильтрацией сквозь толщу бетона мягкой воды, вымывающей его составные части, особенно гидрат окиси кальция — гашеную известь. Этот процесс, называемый выщелачиванием извести, весьма опасен для бетона, поскольку известь является составляющей почти всех цементов.
Внешним признаком коррозии такого вида является белый налет на поверхности конструкции в месте выхода воды, что и послужило основанием назвать данный вид коррозии «белой смертью» бетона.
В технической литературе можно встретить термин «карбонизация», который характеризует этот процесс. Карбонизация бетона ведет к потере бетоном его защитных свойств: арматура подвергается воздействию агрессивной среды. В результате карбонизации на поверхности бетона образуются тонкие трещины, которые впоследствии могут привести к отслаиванию бетона.
Если приток воды очень мал и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция остается в толще бетона, уплотняет его и прекращает фильтрацию. Этот процесс называется самозалечиванием бетона.
Для предотвращения физико-химической коррозии рекомендуется изоляция сооружений от агрессивных вод, содержащих сульфаты, а также их отвод, снижение концентрации солей, воздействующих на растворы.
Биологическая коррозия бетона
Биологическая коррозия - прямое или косвенное воздействие низших форм живых организмов, влияющих на внешний вид или технические свойства бетона. К таким организмам относятся бактерии, морские водоросли, грибки, лишайники, мхи и т. д.
Биоповреждения неорганических строительных материалов, к которым относится бетон, преимущественно сводятся к нарушению сцепления составляющих компонентов этих материалов в результате воздействия минеральных или органических кислот микробного происхождения. Бетонные сооружения разрушаются вследствие химических реакций между цементным камнем и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов.