Доліовечность бетона зависит в основном от поровой стр>кі/рьі цементного камни, а іакжс химических н физических сііоіїсін компонси гов беюна. Решающее значение имеет микроклимат, г. е. такие > ел овил на рассматриваемой поверхности бетона, как влажность, доступ воздуха, содержание агрессивных веществ.
Тутти [8.18J предложил основные схемы повреждения для коррози і стали в бетоне (рис. 8.3), откуда видно, что следует рассматривать стадию проникания фронта карбонизации и (или) внедрения хлоридов как фактора, определяющего начало стадии разрушения. Связь стадии прон; кания и разрушения необычайно сложна. В рамках згой работы буду і обсуждены основные зависимости стадии проникания при карбонизации.
Под карбонизацией понимают химическую реакцию щелочных компонентов цементного камня с диоксидом углерода с образованием карбонатов. Вследствие этой реакции изменяются структуры и основные свойства бетона [8.8]. Чтобы точнее описать процесс карбонизации, необходимо обсудить предварительно карбонизацию составляющих бетона.
Сущность процесса карбонизации. Процесс карбонизации протекает в три ступени [8.7]: сначала диффундирует углекислый газ, имеющийся в воздухе в естественных условиях в количестве 0,03% по объему, проникая через поверхность бетона в систему пор (выравнивание концентрации). Проникающий в заполненные воздухом поры С02 превращается частично в угольную кислоту. Последним шагом являются реакции СО со щелочными компонентами цементного камня, растворенными в пор<- вой влаге. При этом может быть утрачена щелочность и защитное дсйсі вие бетона но отношению к стальной арматуре.
Упрощенно можно представить карбонизацию гидроксида кальция ь форме
Н20
Са (ОН) 2 + С02 - - -> СаСОз + Н2 О.
20> |
От общего количества Са(ОН)2 раствориться в поровой влаге может лишь очень небольшое количество, остальное представлено кристаллической формой как твердое гело. По мере превращения растворенною
ИНДУКЦИОН- _____ Ный ПЕРИОД tQ ' |
ПЕРИОД ПОВРЕЖДЕНИЯ? КОРРОЗИЯ АРМА І УРІ. І |
ПОВРЕЖДЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЕ ПГТДЕЛЬПОТ СОСТОЯНИЕ |
ВРЕМЯ t |
КЛРЬОНИЗЛ - НИН ПРОНИКАНИЕ С1- |
Рис. 8.3. Схема повреждения при коррозии стали в бетоне [9|
Са(01І)2 в СаС03 переходит в раствор дальнейшая часть кристаллического Са(ОП)2, так что раствор гидроксида кальция в порах остается насыщенным до тех пор, пока может растворяться Са(ОН)2. Ьсли весь гидроксид кальция прореагирует, величина рН понизится.
Фаза CSH также участвует в процессе карбонизации. По общему представлению [8.8] фаза CSH реагирует с С02 с образованием карбоната кальция и геля SH, при зтом химически несвязанная вода не выделяется:
CSH + С02 СаСОз + SH — гель.
Алюминатсодержащие гидратные фазы (САН, CAFH, CASH) также реагируют [8.8, 8.7] с диоксидом углерода. В качестве конечного продукта при зтом образуются карбонат кальция и гидроксид алюминия и при известных условиях гидроксид железа, отделяется химически связанная вода.
Для описанных реакций необходимо небольшое количество воды. По [8.10], реакции карбонизации прекращаются при относительной влажности воздуха около 30%.
Поскольку при реакциях карбонизации щелочные компоненты бетона превращаются в карбонаты, значение рН бетона понижается до 9 и менее, так что защитное действие щелочей бетона для стальной арматуры в карбонизированном бетоне прекращается. Чтобы оценить, в какой момент времени фронт карбонизации достигнет арматуры, необходимо знать развитие глубины карбонизации бетона во времени.
Развитие карбонизации. После того как гидроксид кальция, имеющийся во внешнем слое у поверхности бетона, карбонизируется, С02 диффундирует через уже карбонизированный слой. Движущей силой при этом является разность концентрации С02 в наружном воздухе и у фронта карбонизации.
Диффузия диоксида углерода в бетоне при допущении стационарной диффузии выражается сформулированным в 1955 г. А. Фиком и названным 1-м законом Фика диффузионным выражением в форме (рис. 8.4) :
DQ=Dl А-х'1 (с| - сг) Dt ,
Где Q - количество диффундирующего диоксида углерода, г; А - поверхность, нормальная диффузионному потоку С02, см is, - содержание диоксида углерода
Рис. 8.4. Модель диффузии По Фмку
В воздухе па внешней поверхности бетона, г/ем ; с2 - содержание дгчкеида углерода на границе карбонизации (может быть прм^ято равным нулю); T - время. с; х - Шубина карбонизации, см; /)'. і<ол|)(|)ііаиепі диффузии дин диоксин,! \ гш-рица. и Пеношшм Мерсі к. ірНоіні ШроншшмИ Гчччж, ем*/с (1.1 Іітім о і I'M Ип. і ін-Unu. Civile Ни гндраіацни, l це ржания влаги).
В качестве второго допущения мож."т быть принято, что чее количество С02 проникает до фронта карбонизации и там реагирует с продуктами гидратации цемента. При этом предусматривается, что до дальнейшего проникания диоксида углерода все способные карбонизироваться составные части гидратированного цемента прореагируют:
DQ = d - А ■ dx,
Где о - количество С02, необходимое для превращения всех способных карбонизироваться продуктов гидратации (зависит от состава бетона), г/см.
Приравнивая оба уравнения, интегрируя по глубине карбонизации и извлекая корень, получают глубину карбонизации х за определенное время T в виде простого выражения:
Х =V 2D1 а(с, - с2) / .
.Для упрощения принимают с2 равным нулю. Выражение 20[ с1 /а для определенного бетона при постоянных атмосферных условиях в первом приближении представляют постоянной величиной
К= S/2D' Ал с, Что позволяет дать уравнение карбонизации в простой форме
X=KyJF.
Эта зависимость известна как закон корня квадратного из времени, но пригодна как приближенная формула только при относительно постоянной и низкой влажности.
Влияние условий среды на развитие карбонизации. Обширные длительные испьиания бетонных призм в различных условиях храпения однозначно показывают, что фактическое развитие карбонизации отклоняется от закона корня из времени. Риг. 8.5 показывает, среднее значение глубины карбонизации 27 бетонов при хранении в условиях искусственного климата (температура 20°С, относительная влажность 65%) и хранения на открытом воздухе (защищенных от дождя и незащищенных) .
ВРЕМЯ. ЛЕТ |
0 І 4 |
■ |
I'm, 8.5. І'їмульшьі іісііміаіініі серні № 1 (средине дії и неех Ссіоиоіі)
Фактически измеренное развитие карбонизации во времени было при этом более медленным, чем это следует из закона корня из времени. В [8.13] дана другая модель карбонизации, с учетом изменяющейся влажности бетона.
Диффузия С02 в воздухе происходит примерно в 104 раз быстрее, чем в воде. Поэтому влажность бетонных образцов имеет решающее значение для скорости карбонизации бетона. В водонасыщенном бетоне карбонизацией можно пренебречь. Незащищенные наружные детали из железобетона, как правило, находятся под воздействием постоянно меняющейся влажности. Поскольку высушивание протекает относительно медленно, в наружном слое возникает градиент влажности.
На рис. 8.6 представлено распределение влажности в наружном слое затвердевшего цементного камня с В/Ц = 0,5 в зависимости от времени.
Поскольку высушивание бетона протекает значительно медленнее, чем поглощение воды, период высушивания соответственно длиннее, чем период поглощения воды. Очевидно, что как зоны влажности, так и фронт карбонизации располагаются параллельно поверхности бетона, что позволяет различать два его состоянии При этом из зоны высушивания может быть выделена область, в которой капиллярные иоры в основном гак обезвожены, что становится возможной диффузия С02 .
Если граница зоны высушивания более удалена от поверхности, чем фронт карбонизации, то диффузия С02 может развиваться снаружи до фронта карбонизации через заполненные воздухом поры. Однако, если после кратковременного дождя зона высыхания находится ближе к поверхности бетона, чем фронт карбонизации, диффузия С02 через заполненную водой систему нор сильно затрудняется, так что карбонизация практически прекращается.
Увеличение во времени глубины карбонизации в связи с этим не отвечает закону корня из времени, но при изменяющихся микроклиматических условиях происходит с переменной скоростью.
На рис. 8.7 схематически представлено увеличение во времени глубины карбонизации в постоянно сухих условиях и при периодическом увлажнении бетона.
V/7
Гін-. К IK іорн II По
І ІІПІЦГНІІІ' IHII(I. I Щ - MCIIIIIMM K. lMlK'rsl Ji
(ад = 0,45)
Jy
25
5 ?e
О <
2
И о
II)
Рис. 8.7. Схематическое представление о скорости карбонизации в относительно сухом состоянии и при периодическом увлажнении бетона |
ЫЦ |
Известно, что глубина карбонизации во времени увеличивается до постоянного значения, так называемой конечной глубины карбонизации. Карбонизация не может развиваться далее, чем до наибольшей глубины высыхания бетона. При этом глубина высыхания зависит не юлько от качества беюпа, но и or условий среды. По 18.15] конечная глубина карбонизации устанавливается независимо от влажности бетона. При карбонизации в поровой влаге возникает разность концентрации щелочных составляющих бетона между внутренними слоями и фронтом карбонизации. Это вызывает диффузию подвижных щелочных состав ляютцих в поровой влаге к фронту карбонизации, где онн также карбонизируются. Поскольку скорость карбонизации с увеличением глубины карбонизации уменьшается ввиду увеличения пути диффузии С02, в пределе устанавливается конечная ілубина карбонизации, при кото - рои к фронту карбонизации поступает столько С02, сколько необходимо для реакции с диффундирующими из глубины бетона щелочными компонентами. Это связано со значительным уплотнением этого гра ничного слои.
HI Ml ІІГІІІ. ІИ KAMI III II l| II 1>. IKMI'lM I U Ml№1| II І ИІІЦ. ІІЛШП1 /и ДН |
Карбонизация как химический процесс зависит оі температуры. С но вышением температуры повышается и скорость процесса карбонизации.
Среднее содержание С02 в атмосфере равно примерно 0,03% по обьс - му. При плохой вентиляции строительные детали могут находиться и при более высоком содержании С02, как, например, в подвалах, туннелях, подземных гаражах или стойлах для животных. Атмосфера больших городов и промышленная атмосфера может содержать в воздухе значительно больше, чем 0,03% С02. В этом случае карбонизация развивается соответственно быстрее и до большей конечной глубины [7.5].
Влияние состава бетона на процесс карбонизации. Увеличение во времени глубины карбонизации определяется главным образом пористой структурой бетона, особенно долей капиллярных пор и способностью связывать С02, т. е. в основном количеством поставляемого Са(ОН)2. Далее кратко обсуждается роль основных технологических факторов.
Водоцементное отношение. На рис. 8.8 представлено влияние водоце- ментного отношения на глубину карбонизации бетонов на различных цементах [8.20], из которого видно, что глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного отношения.
Эта зависимость объясняется тем, что вместе с увеличением водоцементного отношения растет капиллярная пористость, т. е. доля наиболее крупных пор в бетоне, которые образуются потому, что в бетонную смесь вводят, как правило, и больше воды, чем требуется для реакции с цементом. С увеличением пористости возрастает также коэффициент диффузии кислорода [8.17].
Уход за бетоном. Соответствующими мероприятиями по уходу за бетоном, которые исключают его раннее высушивание, можно существенно повысить степень гидратации в поверхностных слоях бетона. Следствием этого является то, что проницаемость бетона для газов понижается с увеличением'длительности ухода (рис. 8.9).
Соответственно с увеличением длительности ухода при прочих равных условиях глубина карбонизации уменьшается. На рис. 8.10 показано влияние длительности ухода на глубину карбонизации после года хранения бетона на различных цементах. Увеличение длительности ухода вызывает уменьшение глубины карбонизации.
Вид цемента. Вид и содержание цемента в бетоне влияют как на способность связывать, так и на диффузионное сопроіивлсние прониканию С02. Чем больше имеется в бетоне щелочных продуктов гидратации, тем
Возраст бетона в лет условия хранения 20°с/65% относительная - влажность - бетоны на
Шла^опорУланд -
І нм |
, бетоны на портландцемент- |
Tax и железистом - цементе" |
0,3 0,k 0,5 0,6 0,7 0,8 Водоцементное отношение. в/ц |
Г ___ цементах-
Рис. 8.8. Влияние водоцементного отношения на глубину карбонизации бетона на различных вяжущих
Больше (J02 может быть связало и тем медленнее перемещается фронт карбонизации в глубь бетона.
Если при изготовлении цемента, помимо портландцементного клинкера, используют большое количество других материалов, например доменного шлака, золы от сжигания каменного угля или трасса, то количество щелочных компонентов понижается. В связи с этим бетон на чисто клинкерном портландцементе карбонизируется медленнее, чем бетон на цементах, содержащих названные добавки. На рис. 8.8 и 8.11 показано, что бетон на шлакопортландцементе, который, помимо норіландцементного клинкера, содержит доменный шлак, имеет большую глубину карбонизации, чем бетон на портландцементе. В цементах, которые содержат пуццолановые добавки, такие, как силикатиая пыль, эола-упос или грасс, со временем количество Са(ОН)2 еще более понижается вследствие реакции компонентов с пуццоланой и скорость карбонизации выше.
С другой стороны, присутствие пуццоланы и других гидравлических материалов, например доменного шлака, приводит к улучшению пористой структуры.
Рис. 8.11 показывает распределение пор по размерам в растворе из портландцемента и шлакопортландцементе. При применении шлакопортландцементе доля мелких пор больше, а доля крупных меньше, так что проницаемость соответственно меньше. Это объясняет малую величину коэффициента диффузии кислорода в бетоне на шлакопортландцементе (рис. 8.9).
Большое содержание щелочных компонентов в бетоне на чистом клинкерном цементе, как правило, имеет для развития карбонизации большее значение, чем малое диффузионное сопротивление, поэтому бетон на портландцементе, несмотря на малое диффузионное сопротивление, часто имеет меньшую глубину карбонизации, чем бетон на шлакопортландцементе.
Вид заполнителя. Исходя из того, что заполнитель в тяжелом бетоне практически непроницаем, на процесс карбонизации он практически не влияет. Однако значительную роль в диффузионном процессе играет граница іаноинніель цементный камень (ем. например ''і).
Ё о |
Рис. 8.12. Влияние вовлечеииого Рис. 8.11. Распределение пор по раз - воздуха на глубину карбонизации Мерам в растворе X |
Другие условия имеются в легком бетоне на пористом заполнителе (см. разд. 8.2).
Наполнители и добавки. Для наполнителей, которые могут быть добавлены в небольшом количестве в бетон, наблюдаются в основном те же зависимости, о которых говорится при применении различных видов цемента. Действие добавок на развитие карбонизации до сих пор систематически не изучено. Можно исходить, однако, из того, что, например, водоредуцирующее действие разжижителей благоприятно, ввиду уменьшения водоцементного отношения. Вместе с тем можно предполагать, что некоторые содержащиеся в добавках материалы при определенных обстоятельствах могут привести к повышению скорости карбонизации.
Для повышения морозосолестойкости бетона путем создания воздушных нор могут применяться воздухововлекающие добавки. Применение этих добавок может, однако, как показано на рис. 8.12, вызвать увеличение глубины карбонизации.
Оставить комментарий