24 Окт 12 КОРРОЗИЯ I ВИДА

Гидратированные минералы, составляющие цементный камень, в раз­личной степени растворимы в воде. Возможность разрушения бетона вследствие растворения и выноса из его структуры компонентов цемент­ного камня, создающих его прочность, была названа коррозией первого вида. Интенсивность коррозии I вида определяется условиями контакта воды и цементного камня [5.12]. Одним из определяющих факторов возможности протекания коррозии I вида являются проницаемость бето­на дли виды и состав воды, контактирующий с бетоном. Сама но себе стойкость бетона зависит и от фазового состава цементного камня, по­скольку растворимость отдельных его фаз существенно различна. Наибо­лее растворимым компонентом портландцементного камня является гидрокенд кальция. Растворимость гидроксида кальция зависит от тем­пературы, причем эта зависимость аномальна, т. е. растворимость пони­жается с повышением температуры (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Растворимость гидроксида кальция в зависимости от температуры

Температура, °С 0 10 J 20 J 30 J 40 J 60 J 80

Растворимость, і/л 1,3 1,125 !.l8 1,109 1 0,83 0,66 (и расчете на СаО)

Гндросиликаты и гидроалюминаты кальция, составляющие основной обьем новообразований, создающих прочность цементного камня, так,.^е поддаются растворению в воде. При этом они растворяются с разло г. е - пием (гидролизом). Степень гидролиза минералов, составляющих це­ментный камень, определяется концентрацией гидроксида кальция в растворе. Равновесные концентрации гидроксида кальция, необходимые для стабильного существования минералов цементного камня, изме­няются в довольно широких пределах (табл. 5.2). Последовательность перехода в раствор отдельных фаз цементного камня будет зависеть от коїпіентраиии гидроксида кальция в растворе.

Таблица 5.2. Равновесные концентрации гидроксида кальция дня растворов различных компонентов портландцементного камня [5.56] Минерал цементного камня Предельная равновесная кон­ Центрация СаО, г/л От до

2СаО • Si02 • aq	Близкая к насыщенному
	Раствору
ЗСаО • 2SiO-> - aq	То же
СаО • Si02 • aq	0,031	0,052
4CaO • Ah03 • 19H20	1,06	1,08
ЗСаО • ЛІ203 • 6H20	0,415	0,56
2CaO • ЛІ203 • aq	0,16	0,36
4CaO • Ге203 ■ aq	Более 1,06
2CaO • l'e203 • aq	0,64	1,06
Разложение на Ca (OH) 2 н Гс(01І)3	Менее 0,64
ЗСаО • Л1203 • ЗСаО • S04 • aq	0,045

Введение в состав цемента пуццолановых добавок приводит к пони се­пию основности гидросиликатных новообразований и как результат, к повышению стойкости цементного камня к выщелачиванию. Присутст­вие в воде различных электролитов влияет и на растворимость цементно­
го камня. Соли щелочных металлов нагрия и калия повышают раствори­мость гидроксида кальция и будут ускорять выщелачивание. Щелочи и соли кальция снижают растворимость гидроксида кальция (рис. 5.1), однако при оценке характера их влияния на стабильность цементного камня следует иметь в виду возможность их химического взаимодейст­вия с гидроксидом кальция с образованием двойных и труднораствори­мых солей типа оксихлорида кальция и др.

Влияние содержания растворимых щелочей на концентрацию Са2+ в растворе показано на рис. 5.1. Независимо от вида катиона раствори­мость Са (ОН) 2 понижается в несколько раз. Одновременное введение сульфатов натрия и калия увеличивает концентрацию ионов Са2+, одна­ко зто увеличение может быть объяснено появлением гипса в растворе вследствие взаимодействия сульфата с гидроксидом кальция. При вве­дении в раствор хлорида натрия растворение гидроксида кальция усили­вается.

Как уже отмечалось, выщелачивание представляет наибольшую опас­ность при фильтрации воды через тело бетона [5.28, 5.11]. Предложения но расчету кинетики выщелачивания разработаны в [5.12] и рассматри­ваются в гл. 11.

Большое значение для повышения устойчивости бетона в условиях возможного выщелачивания имеет процесс карбонизации поверхностно- н> слоя бетона. При карбонизации на воздухе образуется труднораство­римый карбонат кальция, который одновременно уплотняет поверхност­ный слой бетона за счет увеличения объема на 11% при переходе (Сарн)2 в СаС03. Растворимость карбоната кальция составляет 3-Ю-4 г/л.

50 WO 150 200 г50 300 350 Концентрация он - ммоль/л

Исследования растворения цементного камня проводили, как прави­ло, на образцах, раздробленных с целью увеличения поверхности контак­та воды с цементным камнем и соответственного ускорения испытаний [5.19]. Однако результаты таких испытаний трудно моделируются и не могут быть использованы для получения данных о кинетике процесса в реальных бетонах. В то же время это удобный метод для получения све­дений о сравнительной стойкости растворов и бетонов на разных цемен­тах. Определенная экспериментально зависимость прочности, являющая­ся основным показателем стойкости бетона, от количества воды, про­фильтровавшей через бетон, показывает, что при коррозии первого вида величина коррозионных повреждений находится в сложной зависимости от количества удаленного из цементного камня наиболее растворимого компонента — гидроксида кальция. Относительное снижение прочности

Рис. 5.1. Растворимость Са (ОН) з в растворе, содержащем: 1 - сульфаты; 2 - щелочи и карбо­нат натрия [-5-92]

Рис. 5.2. Снижение прочности обпалюй цемент­ного раствора (cocruu: 1:3, D/ll = 0,5) при фильтрации дистиллированной воды (прибли­женная кривая) [5.28J

Цементного раствора после определенного начального периода обго­няет относительное количество удаленного гидроксида кальция (рис. 5.2). В то же время в бетоне падение прочности при удалении до 209? гидроксида кальция идет замедленно, а затем начинается быстрое паде ниє прочности (рис. 5.3).

Степень опасности процессов выщелачивания будет определяться условиями взаимодействия конструкции и воды. Наиболее опасна фильтрация воды через тело бетона под напором. Проникая внутрь бето­на, вода приходит в соприкосновение с огромной внутренней поверх ностью цементного камня (см. гл. 4), при зтом степень насыщения ее известью увеличивается.

1UUX

10 20 50°/с РАСТВОРЕНО СмО

Концентрация извести при фильтрации воды через бетон зависит от продолжительности контакта воды с поверхностью цементного камня (скорости и пути фильтрации) и количества воды, которое прошло через данное сечение бетона. Содержание извести в филырующеи воде со временем постепенно уменьшается, так как понижается концентрация гидроксида кальция.

Ч			—-1	'о
				\ О

5 10 15 20 РАСТВОРЕНО СаО

	100
*
X
Ь	Во
І
И
CL С	60
Г,
0 1
?
С
	0

< ЬО Х ш І 30

		/
	/	//к		Ґ2
	Ш

О 20 А 0 1 10

12U

10 20 30 Ь0 ПРОШПО воды, rwr ЦЕМЕНТА

50

Рис. 5.3. Снижение прочности бетона при фильтрации воды [5.96] 1'нс. 5.4. Колнчсе і но удаляемом извеї ти при фильтрации воды в зависимости от условий взаимодействия (скорое и. фильтрации). Цифры у кривых - про должительность взаимодействия вод..і и образца, мии [5.11]

В работах [5.44, 5.40] было показано, чю лимитирующим звеном в процессе выщелачивании является диффузия изноет из глубинных слоев цементного камня к каналам, трещинам или норам, но которым движется фильтрующая вода. Поэтому дли определения интенсивности выщелачивания необходимо определение коэффициентов диффу ни извести и в цементном камне раствора или бетона.

Содержание извести будет тем больше, чем медленнее идет фильтра­ция, или чем больше путь фильтрующей воды, а следовательно, и время соприкосновения воды и цементного камня (см. рис. 5.4).

В присутствии свободного гидроксида кальция концентрация насы­щенного раствора будет около 1,3 г/л в расчете на СаО. Однако после того как некоторое количество СаО растворится, начинается снижение концентрации.

Интенсивность растворения гидроксида кальция из образцов цемент­ного раствора и бетона (рис. 5.5), поданным различных авторов, харак­теризует кинетику коррозии 1 вида, а полученные количественные оцен­ки выщелачивания гидроксида кальция могут быть использованы для подсчета ориентировочной стойкости бетона против выщелачивания (см. гл. 11).

При полном погружении бетона в воду и свободном омывании компо­ненты цементного камня, остающиеся после растворения гидроксида кальция, будут служить препятствием для диффузии извести из более

Глубоких слоев цементного камня бетона и процесс будет идти в соот­ветствии с закономерностью диффузии, при нарастающем слое, т. е. с за­кономерностью убывания скорости процесса пропорционально корню квадратному из времени. Большую опасность поверхностное выщелачи­вание может иметь в сооружениях, поверхностный слой которых под­вергается действию свободного потока воды, что сопровождается меха­ническим действием как струй воды, так и взвешенных в воде наносов. Наиболее опасна фильтрация воды через бетон. Для срока службы в этом случае решающее значение будет иметь коэффициент фильтрации бетона. Главное средство предотвращения выщелачивания бетона — зто прида­ние ему достаточной непро. ицаемости и монолитности (см. гл. 4) . Одна­ко устойчивость компонентов цементного камня также существенно влияет на стойкость бетона. При одинаковой скорости фильтрации воды через бетон более устойчивым будет материал, и котором цементный ка­мень менее растворим в иоде. Так, например, нуццолановый портланд­цемент и шлакопортландцемент при гидраіацин образуют соединения менее растворимые в во іе, чем продукты гидратации портландцемента. Цементный камень на „тих цементах содержит менее основные гидро­силикаты, чем цементный камень портландцемента, поэтому равновесная концентрация извести для них ниже и интенсивность выщелачивании меньше. Раствор гидроксида кальция но выходе из бетона подвергается действию углекислоты воздуха. Прч этом образуется более устойчивое, менее химически активное и менее растворимое, чем Са(ОН)2, соедине­ние — углекислый кальций. Для тонкостенных конструкций появление налетов углекислого кальция может свидетельствовать об опасном раз­витии процесса. Правильно оценить возможную опасность процесса вы­щелачивания можно на основании анализа характера фильтрации через бетон (рассредоточенная или местная фильтрация) и определения изме­нил интенсивности фильтрации во времени.

» и, 6 ол 0,2

0,1 0,2 0,4 I 2 U Б W 20 ЬО 100200Ш1000 ШО

ОБЩЕЕ КОЛИЧЕСТВО ПРОФИЛЬТРОВАВШЕЙ ВОДЫ, Л/КГ ЦЕМЕНТА

T

Рис. S. S. Выщелачивание извести из цементных ра­створов и бетонов

1 - выщелачивание извести из бетона, по данным Рутгерса (К* = 0,3-3- 10~S см/с); 2 - то же, по данным Ф. ЛІГ Иванова; 3 - выщелачивание извести из цементного камня, по данным Хелъштрома; 4 - то же, из цементного раствора, по данным Рутгерса (Кф = 10 4 - 1,5-10 * см/с); 5 - то же, из цемент­ного камня, по данным Ф. М. Иванова (метод фильт­рации через измельченный образец); б - то же. из цементного раствора по данным Рутгерса (К^ = = 3,5-6-10~S см/с); 7 - то же, по данным Ф. VIu;

8 — расчетное количество выщелачиваемой извести при концентрации насыщенного раствора 1,36 г/л;

9 - катастрофическая потеря прочности [5.7/]

И

Ш 200 < 100 V- I ш | W % 20

А S * Ш

Фильтрация через местный дефект укладки, или, что часто наблюдает­ся, через рабочий шов бетонирования, или по трещинам, с точки зрения процесса выщелачивания менее опасна для сохранности бетона, чем рас­средоточенная фильтрация через толщу неплотного бетона. При сосредо­точенной фильтрации будут обедняться известью поверхность стенок дефектного места, и количество извести, вь^осимое из бетона, будет быстро падать. Если сам дефект не представляет опасности для общей устойчивости сооружения и если фильтрация воды через дефектное мес­то не препятствует нормальной эксплуатации сооружения (например, в водопропускных трубах), то выщелачивание не будет опасным.

81

Если фильтрация происходит чкрез тело бетона, то должна быть изуче­на кинетика этого процесса. А именно, в зависимости от жесткости фильтрующей воды и от интенсивности фильтрации возможно развитие во времени процесса выщелачивания в одном из двух направлений. При сильнофнльтрующем бетоне и постоянном притоке воды, что, например, может иметь место в гидротехнических напорных сооружениях, фильт­рация будет идти с незатухающей скоростью, и плотность, а следователь­но, прочность бетона будут падать. Во многих случаях наблюдается да. с

613 - 6
при постоянном напоре постепенное затухание процесса фильтрации вви­ду явлений самоуплотнения бетона и кольматации его нор.

При медленном поступлении к открытой поверхности раствора извес­ти возможно се отложение в порах поверхностного слоя бетона вследст­вие испарения воды. То же может происходить и при более высокой тем­пературе наружной поверхности, чем в толще бетона, так как раствори­мость извести понижается с повышением температуры. Самоуплотнение бетона при фильтрации через него воды было установлено во многих ис­следованиях: Уплотнение происходит как за счет химического взаимо­действия между минералами цементного камня и солями, растворенны­ми в воде, фильтрующей через бетон, так и за счет отложения в порах бе­тона мельчайших, взвешенных в воде, минеральных частиц. По этим при­чинам во многих случаях, особенно в тоннельных сооружения, происхо­дит постепенная кольматация бетона, и фильтрация через него со време­нем затухает [5.12].

Способность бетона к самоуплотнению за счет химического взаимо­действия гидроксида кальция с веществами, растворенными в воде, прежде всего с бикарбонатами кальция и магния, определяет принцип нормирования степени агрессивности природных вод по этому признаку. Вода, имеющая высокое содержание карбонатов при фильтрации через бетон, быстро уплотняет его и поэтому не представляет опасности для устойчивости сооружения. Следует иметь в виду, что фильтрация воды, имеющей повышенную жесткость, безопасна только при умеренной фильтрации ее через бетон.

В нормах агрессивности воды—среды для бетона, в СНиП 2.03.11—85 приведены дифференцированные нормы предельного содержания би­карбонатов (двууглекислых солей) кальция и магния, ниже которого вода становится агрессивной по этому признаку. Естественно, что зтот показатель наиболее опасен для напорных сооружений. Для сооружений, только омываемых водой, без напора и, тем более, постоянно находя­щихся в грунте, соприкосновение с водой низкой жесткости не представ­ляет существенной опасности. Растворение извести и вынос ее могут осуществляться в этом случае только через наружную поверхность кон­струкции.