Коррозия каменных, бетонных и железобетонных конструкций
Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты, стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены из искусственных материалов с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.
В зависимости от вида связи с материалом различают химически связанную, адсорбционно-связанную, капиллярную и свободную влагу. Последняя заполняет крупные пустоты и поры материала и удерживается в них гидростатическими силами. Такая влага легко удаляется из материала конструкции при высушивании.
В крупных порах и пустотах вода замерзает при температуре ниже 0 °C, так как в ней растворены вещества, понижающие температуру замерзания. В капиллярах диаметром 10-5 см и менее вода замерзает при температуре ниже –25 °С.
Влияние влаги на процесс разрушения конструкций неодинаковое. В одних случаях она как поверхностно-активное вещество ускоряет разрушение, в других, являясь хорошим растворителем, действует в качестве химически активной агрессивной среды.
Наличие на поверхности и в теле материалов пор, пустот, капилляров и микротрещин способствует увеличению площади их удельной поверхности, что повышает возможность контакта конструкции со всеми видами влаги. Смачивание материала сопровождается физическими процессами, вызывающими напряжение. Капиллярный подсос растворов солей и минеральных грунтовых вод является одной из первостепенных причин накопления солей в порах материалов, что приводит при определенных условиях к образованию трещин и отслоений. Для очистки порового пространства материала от солей его промывают с использованием осмоса или электроосмоса либо соли переводят в нерастворимое состояние.
Молекулы воды обладают дипольными моментами, поэтому они ориентируются в зоне действия силовых полей, образование которых связано с развитием микротрещин или дефектов кристаллических структур. Дипольная ориентация воды в адсорбционном слое повышает ее плотность и вязкость. В результате она приобретает упругость, близкую к упругости материала конструкции. По мере сужения микротрещин упругость воды повышается, в результате чего усиливается ее расклинивающее действие. Возрастание внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действием влаги, приводит к значительному снижению прочности смоченного материала. Толщина слоя адсорбционно-связанной воды примерно 1,5х10–5 см; расклинивающее действие влаги возникает при толщине полимолекулярных пленок около 3х10–5 см.
Эти напряжения способствуют снижению давления жидкости в капиллярах и возникновению напряжений сжатия и изгиба в материале стенок капилляра. В условиях эксплуатации взаимодействие сил имеет более сложный характер, так как капилляры связаны между собой, однако принятое упрощение дает вполне удовлетворительное представление о влиянии капиллярных сил на напряжения в материале, возникающие при его увлажнении. Можно определить капиллярное давление при полном смачивании материала, имеющего капилляры со средним радиусом r = 10–5 см, Рa = 4,9х106 Па.
Разрушению материалов способствует одновременное воздействие отрицательных температур и влаги. Замерзающая в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения в материале конструкции. При естественном увлажнении в условиях эксплуатации вода в крупных порах и капиллярах поднимается на меньшую высоту, чем в мелких. Кроме того, из крупных пор она отсасывается в смежные мелкие, так как сила капиллярного отсоса в них большая. При замерзании воды свободные крупные поры служат резервным объемом для компенсации ее расширения в мелких порах и капиллярах. В связи с этим крупнопористые материалы более морозостойки.
При замораживании материала, поры которого полностью заполнены водой, могут возникнуть значительные напряжения, во много раз превосходящие прочность наиболее стойких материалов.
На долговечность конструкций, кроме упомянутых факторов, влияет также попеременное увлажнение и высыхание материала даже при отсутствии отрицательных температур. При высыхании влага из конструкции испаряется, сначала из крупных, а затем из более мелких пор капилляров. В абсолютно сухом воздухе свободная капиллярная и адсорбционно-связанная вода в течение некоторого времени может полностью испариться из тела конструкции. При этом на конструкцию перестают действовать расклинивающие силы и, как следствие, в материале возникают значительные напряжения усадки.
С увеличением относительной влажности окружающей воздушной среды материал вновь увлажняется, трещины раскрываются. Скорость разрушения каменных конструкций под действием напряжений, усадки и набухания зависит от интенсивности увлажнения и высыхания.
Коррозия искусственных каменных материалов
Одной из причин разрушения увлажненного каменного материала является осмотическое давление в порах конструкций. В различных порах и капиллярах вода образует слабые растворы неодинаковой концентрации. В материалах каменных конструкций всегда имеются расположенные рядом поры с растворами разной концентрации, разделенные стенками, проницаемыми для воды и непроницаемыми для растворенного в ней вещества. Растворы в порах стремятся выровнять концентрацию, для чего влага проходит через материал, разделяющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. При этом, если раствор, имеющий большую концентрацию, находится в замкнутом объеме, в нем может возникнуть осмотическое давление, достигающее 1,5х107 Па (150 кгс/см2).
В воде, присутствующей в порах и капиллярах каменных конструкций, находятся в растворенном состоянии различные вещества, составляющие материал конструкции. Наличие в ней гидроксидов кальция, натрия, калия и других металлов обусловливает ее высокую щелочность (рН =12-13).
Таким образом, интенсивность коррозии каменных конструкций зависит от структуры материала, степени и вида его увлажнения, а также от химического состава водной среды. Так, дождевая вода смывает со стен адсорбированные частицы и различные агрессивные вещества; влага – конденсат – вступает с такими веществами во взаимодействие, образуя растворы кислот и щелочей, которые способствуют разрушению материала каменных конструкций по типу химической коррозии. Усиленный конденсат влаги образуется весной или осенью, когда температура наружного воздуха имеет знакопеременные значения. В этот период температура каменных наружных конструкций изменяется с некоторым отставанием от суточной температуры наружного воздуха. Разница между темп
ературой воздуха и температурой ограждающих конструкций называется температурным гистерезисом. Контакт воздушной среды с участками конструкций, имеющими более низкую температуру по сравнению с температурой наружного воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих участках, особенно в углах зданий.
При эксплуатации зданий следует обращать внимание на состояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из каменных, бетонных или железобетонных материалов, имеющих разную плотность. Так, в конструкциях из песчаника и известняка в месте их контакта наблюдается ускоренное разрушение песчаника. Объясняется это тем, что известняк как материал с более крупными порами быстрее впитывает и отдает влагу плотному песчанику, имеющему мелкие поры. При этом количества влаги на границе контакта этих двух материалов достаточно для того, чтобы все поры песчаника были полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор известняка, содержит растворенные соли, которые при ее испарении кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Значительно большие напряжения возникают в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми, при замерзании в них влаги.
Аналогичные явления происходят в швах каменной кладки, если раствор принят более плотного состава, чем материал кладки. В этом случае раствор в швах кладки быстро разрушается и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич по кромкам в месте примыкания к раствору, так как здесь в кирпиче скапливается влага, не успевающая мигрировать в раствор.
Причиной разрушения каменных конструкций является также устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок. Кирпичные стены, например при нормальном режиме эксплуатации, содержат 0,05-0,53 % влаги (по массе). Ее перемещение в стенах (миграция) происходит тем интенсивнее, чем больше перепад температур, при этом влага движется в сторону низких температур. Наличие плотной штукатурки со стороны фасада приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При отрицательных температурах она замерзает, возникают напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения из-за разности линейных температурных расширений: линейные расширения кирпичной кладки примерно в два раза меньше линейных расширений цементного раствора; для кладки из шлакобетонных камней эта разница еще больше. При этом надо иметь в виду, что температура штукатурного слоя фасада всегда выше температуры слоя кладки, находящейся под штукатуркой.
Одним из видов физической коррозии конструкций является коррозия выщелачивания. Фильтрующиеся через конструкцию воды могут растворять и уносить находящийся в ее материале гидроксид кальция, снижая прочность материала.
Разрушение каменных конструкций обусловлено и ранее рассмотренными явлениями увлажнения, так как процесс увлажнения сопровождается также явлениями набухания. Изменение линейных размеров отдельных компонентов конструкции неодинаково и зависит от вида материала. Лучшими эксплуатационными параметрами обладают известково-песчаные растворы, штукатурки из которых имеют коэффициент воздухопроницаемости, почти совпадающий с коэффиц
иентом воздухопроницаемости каменных кладок, а в некоторых случаях даже больше. Это создает благоприятные условия для беспрепятственного удаления мигрирующей влаги из материала кладки. Известковый раствор устойчив при знакопеременных температурах, так как коэффициенты его линейного температурного расширения и кирпичной кладки почти совпадают.
Износ каменных конструкций, вызывает воздействие на них знакопеременных температур и интенсивной фильтрации пресной влаги через тело материала конструктивных элементов. Если скорость фильтрации соизмерима со скоростью испарения влаги с поверхности конструкции, в поверхностном слое может образоваться карбонатная пленка в виде плотной корки. Накопление малорастворимых веществ у наружной поверхности происходит в результате растворения и уменьшения их во внутренних слоях. Первые два наружных слоя образуются вследствие адсорбции солей и их диффузии. На начало разрушения каменных конструкций указывают появляющиеся на поверхности конструктивного элемента белые высолы, свидетельствующие о том, что в материале имеют место растворение солей материала и вынос наружу в сторону миграции растворов более низких температур.
Во многих случаях при отсутствии постоянного увлажнения карбонатная корка СаСО3 является своего рода самозащитой каменных конструкций. Опасны для каменных и бетонных конструкций воды, содержащие химически активные вещества.
Все минеральные материалы отличаются от металлов строением составляющих их веществ. Они имеют молекулярную структуру преимущественно с ионными связями. Это обусловливает их относительно легкую реакцию с водой, вследствие чего образуются ионные растворы. Химические свойства материалов характеризуются также способностью к химическим превращениям под влиянием вещества, с которым данный материал находится в контакте.
Стойкость неорганических материалов в кислых и щелочных средах характеризуется модулем основности, который определяется из выражения:
М? = [СаО + MgO + Na2O (К2О)]/(SiO2 + Al2О3), где СаО, MgO, Na2O, К2О, SiO2, Аl2О3 – содержание оксидов металлов в составе данного материала, %.
Если преобладает диоксид кремния (кремнезем), то материал стоек по отношению к кислотам, но взаимодействует с основными оксидами; если преобладают основные оксиды, то конструкция из данного вида материала не стойка к действию кислых агрессивных сред, но в щелочных средах не разрушается.
Важной особенностью большинства минеральных материалов является их незначительная пористость, которая способствует капиллярному подсосу и фильтрации влаги, увлажнению материала конструкции вследствие конденсации водяных паров, а также интенсивному взаимодействию с жидкой агрессивной средой.
Минеральные материалы можно условно разделить на три группы в зависимости от поведения в агрессивных средах.
К первой группе относятся бетон и железобетон на портландцементе и его производных, растворы для кладки и штукатурки, асбестоцементные изделия, силикатный кирпич и блоки, а также природный известняк и доломит. Эти материалы содержат гидраты или карбонаты кальция и магния, имеют модуль основности больше единицы, а поэтому обладают высокой щелоче- и низкой кислотостойкостью.
Ко второй группе относятся бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием, а также кислые природные каменные материалы, состоящие npеимущественно из кремнезема, различных солей кремниевых и поликремниевых кислот, алюмосиликатов и др. Модуль основности этих материалов меньше единицы, и они имеют высокую кислото- и низкую щелочестойкость. Плотные и прочные кислые изверженные породы (кварц, гранит, диабаз, бaзaльт и др.) обладают высокой стойкостью не только к кислотам, но и к щелочным агрессивным средам (за счет высокой плотности материала) при нормальной температуре.
К третьей группе относятся изделия из обожженной глины (кирпич, керамические плитки, трубы и т. п.), которые имеют очень высокую кислотостойкость.
Коррозия конструкций из силикатных материалов. Силикатные материалы представляют собой соли кремниевых и поликремниевых кислот, алюмосиликаты, кальциевые силикаты или чистый кремнезем с примесями других соединений. Скорость коррозии конструкций из силикатных материалов, как и других каменных, зависит от ряда факторов: химического и минералогического составов, характера пористости материалов (открытые пли закрытые), типа структуры (аморфная или кристаллическая), характера агрессивной среды и концентрации химически активных веществ и др.
Влияние пористости материалов на скорость коррозии конструкций определяется скоростью подвода агрессивной среды к месту ее контакта с материалом. Разрушение пористых силикатных конструкций при наличии сообщающихся пор происходит не только на поверхности, но и в толще материала. В замкнутых, не сообщающихся друг с другом порах (например, в красном кирпиче мокрого прессования) разрушительное влияние агрессивных сред проявляется в более ограниченном масштабе, чем в открытых порах.
При кристаллической структуре материала силикатных конструкций коррозия протекает медленнее, чем при аморфной. Интенсивное разрушение силикатных материалов характерно для всех случаев, когда для изготовления конструкций применяется аморфный кремнезем.
Силикатный кирпич и изделия из силиката представляют собой гидросиликат кальция, который является продуктом автоклавной обработки материала, получаемого в результате взаимодействия извести и кремнезема: Ca(OH)2+SiO2 ? CaO·SiO2•H2O.
При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидросиликата кальция под воздействием воздуха (диоксида углерода) карбонизируются. Присутствие в силикатных изделиях извести и углекислого кальция
делает конструкции, изготовленные из силикатного кирпича и блоков, не стойкими даже против слабых водных растворов минеральных и органических кислот. Силикатные конструкции устойчивы к щелочным агрессивным средам. Благодаря наличию в воздухе и грунтовой воде веществ (оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной среде силикатные изделия быстро разрушаются.
Керамические изделия и глиняный кирпич устойчивы к кислотам, вместе с тем обыкновенный глиняный кирпич не стоек против действия водных растворов щелочей. Кирпичные стены часто разрушаются под действием кристаллогидратов, образующихся в материале стен из раствора солей, особенно сульфатов натрия и магния.
Разрушение кирпичных стен может происходить при периодическом увлажнении и высыхании, поэтому конструкции из кирпича наиболее интенсивно подвергаются химической и физической коррозии в систематически увлажняемых местах (фундаменты, стены подвалов, стены и кирпичные перегородки влажных помещений, карнизы, сандрики и другие элементы зданий, не защищенные от попадания влаги из атмосферных осадков).
Керамическая плитка, содержащая алюмосиликаты, стойка против действия органических и минеральных кислот (кроме плавиковой). Хорошей щелоче- стойкостью отличаются плитки с плотным, хорошо обожженным черепком. Для придания керамическим изделиям устойчивости по отношению к агрессивным средам их изготовляют с добавкой соответствующих материалов. Например, кислотоупорные изделия производят из тугоплавких и огнеупорных основных и полукислых глин высокой и средней пластичности.
С. Д. СОКОВА, профессор МГСУ
