Бетон, как искусственный конгломерат, по составу исходных материалов достаточно долговечен и не нуждается в специальном уходе, если эксплуатируется в нормальных температурно-влажностных условиях и отсутствии агрессивной среды. В таких условиях работает относительно небольшой класс конструкций, расположенных внутри жилых и общественных зданий или же в сооружениях, эксплуатируемых в теплых и сухих климатических районах. Для большинства же конструкций промышленных предприятий свойственны агрессивная и слабо агрессивная среды, характеристика которых по степени их воздействия на бетон представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Характеристики среды и ее воздействие на конструкции
24
Под влиянием агрессии в бетоне развиваются физико-химические и физико-механические деструктивные процессы, представленные на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Классификация видов разрушения бетона
Различаются три вида физико-химической коррозии.
Коррозия I вида. Внешним ее признаком является белый налет на поверхности бетона в месте испарения или фильтрации свободной воды. Коррозия вызывается фильтрацией мягкой воды сквозь толщину бетона и вымыванием из него гидрата окиси кальция: Са(ОН)2 (гашеная известь) и СаО (негашеная известь). В связи с этим происходит разрушение и других компонентов цементного камня: гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов, так как их стабильное существование возможно лишь в растворах Са(ОН)2 определенной концентрации. Описанный процесс называется выщелачиванием цементного камня. По результатам исследований [1] выщелачивание из бетона 16 % извести приводит к снижению его прочности примерно на 20 %, при 30 %-ном выщелачивании прочность
25
снижается уже на 50 %. Полное исчерпание прочности бетона наступает при 40 - 50 %-ной потере извести.
Следует учитывать, что если приток мягкой воды незначительный и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция не вымывается, а остается в бетоне, уплотняет его, тем самым прекращая его дальнейшую фильтрацию. Этот процесс называется самозалечиванием бетона.
Коррозии I вида особо подвержены бетоны на портландцементе. Стойкими оказываются бетоны на пуццолановом портландцементе и шлакопортландцементе с гидравлическими добавками.
Коррозия II вида. Характерным для коррозии II вида является химическое разрушение компонентов бетона (цементного камня и заполнителей) под воздействием кислот и щелочей.
Кислотная коррозия цементного камня обусловлена химическим взаимодействием гидрата окиси кальция с кислотами:
- - соляной: Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + Н2О;
- - серной: Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + H2O;
- - азотной: Ca(OH)2 + HNO3 = Ca(NO)3 + H2O,
в результате чего Са(ОН)2 разрушается.
При фильтрации кислотных растворов через толщу бетона продукты разрушения вымываются, его структура делается пористой, и конструкция утрачивает несущую способность. Таким образом, скорость коррозии возрастает с увеличением концентрации кислоты и скорости фильтрации.
Влияние углекислоты на бетон неоднозначно. При малой концентрации СО2 углекислота, взаимодействую с известью, карбонизует ее, т.е.
Са(ОН)2 + Н2СО3 = СаСО3 + 2Н2О.
Образующийся в результате химической реакции карбонат кальция СаСО3 является малорастворимым, поэтому концентрация его на поверхности предохраняет бетон от разрушения в зоне контакта с водной средой, увеличивает его физическую долговечность.
При высокой концентрации СО2 углекислота реагирует с карбонатом, превращая его в легкорастворимый бикарбонат Са(НСО3)2, который при фильтрации агрессивной воды вымывается из бетона, существенно снижая его прочность.
26
Таким образом, скорость разрушения бетона, с одной стороны, зависит от толщины карбонизированного слоя, а с другой - от притока раствора углекислоты.
В реальных конструкциях процесс коррозии бетона оценивается по результатам анализа продуктов фильтрации: если в фильтрате обнаруживается бикарбонат Са(HСО3)2, то это свидетельствует о развитии коррозии. Безопасным для бетона считается раствор углекислоты с содержанием СО2 < 15 мг/л и скоростью фильтрации менее 0,1 м/с.
Следует отметить, что при концентрации растворов кислот выше 0,0001N, практически все цементные бетоны, за исключением кислотоупорных, быстро разрушаются. Однако при этом более стойкими оказываются бетоны плотной структуры на портландцементе.
Стойкость бетонов в кислотной среде также зависит от вида заполнителей. Менее подвержены разрушению заполнители силикатных пород (гранит, сиенит, базальт, песчаник, кварцит).
Щелочная коррозия цементного камня происходит при высокой концентрации щелочей и положительной температуре среды. В этих условиях растворяются составляющие цементного клинкера (кремнезем и полуторные окислы), что и вызывает разрушение бетона. Более стойкими к щелочной коррозии являются бетоны на портландцементе и заполнителях карбонатных пород.
К особо агрессивным средам, вызывающим коррозию II вида, следует отнести:
- - свободные органические кислоты (например, уксусная, молочная), растворяющие кальций;
- - сульфаты, способствующие образованию сульфоалюмината кальция или гипса;
- - соли магния, снижающие прочность соединений, содержащих известь;
- - соли аммония, разрушающе действующие на композиты, содержание известь.
Помимо названных химикатов вредными для бетона являются растительные и животные жиры и масла, так как они, превращая известь в мягкие соли жирных кислот, разрушают цементный камень.
Коррозия III вида. Признаком кристаллизационной коррозии III вида является разрушение структуры бетона продуктами кристаллообразования
27
солей, накапливающихся в порах и капиллярах.
Кристаллизация солей может идти двумя путями:
- - химическим взаимодействием агрессивной среды с компонентами цементного камня;
- - подсосом извне соляных растворов.
И в том и в другом случаях кристаллы соли выпадают в осадок, кальматируя (заполняя) пустоты в бетоне. На начальном этапе это позитивный процесс, ведущий к уплотнению бетона и повышению его прочности. Однако в последующем продукты кристаллизации настольно увеличиваются в объеме, что начинают рвать структурные связи, приводя к интенсивному трещинообразованию и многочисленным локальным разрушениям бетона.
Определяющим фактором кристаллизационной коррозии является наличие в водных растворах сульфатов кальция, магния, натрия, способных при взаимодействии с трехкальциевым гидроалюминатом цемента образовывать кристаллы. Следовательно, к более стойким к коррозии III вида следует относить такие бетоны, в которых использованы цементы с низким содержанием трехкальциевого алюмината, а именно: в портландцементе - до 5 %, в пуццолановом и шлакопортландцементе - до 7 %.
Физико-механическая деструкция (разрушение) бетона при периодическом замораживании и оттаивании характерна для многих конструкций, незащищенных от атмосферных воздействий (открытые эстакады, путепроводы, опоры ЛЭП и др.). Разрушающих факторов при замораживании бетона в водонасыщенном состоянии несколько: кристаллизационное давление льда; гидравлическое давление воды, возникающее в капиллярах вследствие отжатия ее из зоны замерзания; различие в коэффициентах линейного расширения льда и скелета материала и пр.
Постепенное разрушение бетона при замораживании происходит вследствие накопления дефектов, образующихся во время отдельных циклов. Скорость разрушения зависит от степени водонасыщения бетона, пористости цементного камня, вида заполнителя. Более морозостойки бетоны плотной структуры с низким коэффициентом водопоглощения.
Влияние производственных масел (нефтепродуктов) на прочность бетона неоднозначно. Разрушающе действуют на бетон только те нефтепродукты, которые в значительном количестве содержат поверхностно-активные смолы [2]. К ним
28
относятся все минеральные масла, дизельное топливо. В то же время бензин, керосин, вазелиновое масло практически не снижают прочность бетона, однако, как и другие нефтепродукты, уменьшают сцепление бетона с арматурой. Так, например, при воздействии керосина сила сцепления бетона с гладкой арматурой уменьшается примерно на 50% .
Прочность промасленного бетона при свободной фильтрации минерального масла можно определить по формуле [2]:
Rmt = R0 · (1 - 0,1t)
где t - продолжительность пропитки маслом, г;
R0 - первоначальная прочность бетона, МПа.
Если время пропитки более 8 лет, прочность бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.
При периодическом попадании масел на конструкцию (1 - 2 раза в год) прочность промасленного бетона следует подсчитывать по формуле
RMm = R0 · (1 - 0,023t)
Формула справедлива при воздействии масла в течение 25 - 30 лет. В более поздние сроки прочность бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.
Защита бетона эксплуатируемых конструкций осуществляется различными способами в зависимости от характера разрушительного воздействия. Классификация методов защиты приведена на рис. 2.6.
Подготовка бетонной поверхности к проведению ремонтно-восстановительных работ состоит в тщательной очистке разрушенных участков от посторонних включений и наслоений. Очистка может быть проведена вручную с помощью зубила и металлической щетки, механическим способом с применением вращающихся проволочных щеток или с помощью пескоструйного аппарата. Подготовленная поверхность грунтуется специальными составами, обладающими высокими адгезионными свойствами. Для этого часто используется растворная смесь из портландцемента и кварцевой муки, замешанная на воде с добавлением синтетических смол. Свежая грунтовка посыпается сухим кварцевым песком крупностью 0,2 - 0,7 мм. В качестве грунта могут быть использованы синтетические смолы в "чистом" виде.
29
Наложение шпаклевочной массы необходимо производить по несхватившейся поверхности грунтовки. В шпаклевку желательно добавить кварцевый песок крупностью 0,1 - 0,4 мм.
Если поверхность ремонтируемого участка достаточно большая (0,5 м и более), то целесообразно делать набрызг цементного раствора или торкретирование.
Торкретирование производится растворной смесью в соотношении цемент:песок = 1:3. Смесь подается с помощью цемент-пушки под давлением 5 - 6 атм. Разбрызгивающее сопло располагается на расстоянии 0,5 - 1 м от ремонтируемой поверхности. Торкретирование ведется слоями, толщина каждого из которых не более 4 см. Все последующие слои можно наносить только после схватывания предыдущего.
Рис. 2.6. Защита бетона эксплуатируемых конструкций от разрушения
30
На отремонтированные участки и окружающие бетонные поверхности наносится защитный слой покрытия, вид которого обусловлен возможными агрессивными воздействиями. Рекомендуемые составы покрытий приведены в прил. 2.
Эффективной защитой железобетонных конструкций от атмосферных осадков может служить их гидрофобизация или флюатирование. В первом случае бетон пропитывается на глубину 2 - 10 мм гидрофобными (водоотталкивающими) составами на основе кремнийорганических полимерных материалов: ГКЖ-94, ГКЖ-10. Составы наносятся кистью или пульверизатором на предварительно очищенную сухую поверхность конструкции.
Во втором случае делается обработка бетона 3 - 7%-ным раствором кремнийфтористоводородной кислоты. При этом кремнийфтористомагний MgSiF6, реагируя с ионами кальция, образует на стенках пор и капилляров цементного камня нерастворимый защитный слой из кристаллов фтористого кальция и кремнезема.
Флюат наносится на поверхность бетона в 3 - 4 слоя. Интервал между нанесением слоев обычно составляет 4 часа.
31
