Коррозия бетона и арматуры: разновидности процесса и способы защиты

Коррозия бетона и арматуры: разновидности процесса и способы защиты

Бетон, благодаря своим техническим характеристикам и возможностям дизайна, завоевал лидирующее место на рынке строительных материалов. Однако и он, подвергаясь агрессивным внешним воздействиям, постепенно разрушается с ухудшением потребительских качеств. Этот процесс называется коррозией бетона. Согласно современным представлениям, коррозия представляет собой целый ряд химических, физико-химических реакций и биологических процессов, спровоцированных воздействием внешней среды и приводящих к разрушению материала.

Причины коррозии конструкций из бетона

Разрушение железобетонных конструкций может начаться под воздействием следующих факторов:

• нарушение технологии изготовления конструкции (неправильный состав бетона),
• воздействие воды,
• замерзание и оттаивание воды в структуре ЖБИ,
• развитие биологических организмов на поверхности и в структуре – грибков, мхов, растений,
• пористость структуры конструкций из бетона,
• химическое разрушение через проникающие внутрь газы, кислоты, соли, щелочи.

Для современных зданий и сооружений важна как изначальная прочность бетона, так и ее сохранение. Коррозия может проявиться довольно быстро, если марка бетона не соответствует заявленной. Обычно это происходит при нарушении технологии изготовления конструкции, когда состав бетона был искажен (например, в него ввели недостаточный объем цемента, придающего материалу прочность).

В этом случае бетонные конструкции могут быть хрупкими и пористыми. В них образуются трещины и сколы, сквозь которые проникают осадки и газы, способные постепенно делать железобетонные элементы слабыми.

Чтобы избежать такой ситуации, следует покупать ЖБК и бетонные смеси у надежных производителей, которые контролируют свою продукцию в лабораторных условиях. Так, на все изделия завода «СТАЛЬБЕТОН» выдается документ о качестве в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта ГОСТ 13015-2012 «Изделия бетонные и железобетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения».

Дополнительно в процессе строительства рекомендовано регулярно проводить независимую экспертизу на соответствие бетона его марке.

Вода – один из самых распространенных факторов коррозии бетонных конструкций. Проникая в структуру, вода размывает, буквально растворяет твердое вещество, постепенно делая его слабее. Методы защиты: введение водоотталкивающих добавок в бетон при производстве и внешняя защита зданий специальными составами.

Лед – еще более агрессивный материал. В процессе кристаллизации, когда лед замерзает, он расширяется, и сила его огромна. Если вода проникла в конструкцию и ударили морозы, то ослабление бетона гарантировано. И чем больше повторяется число циклов замерзания и оттаивания, тем выше урон для постройки или ее отдельной части.

Пористость конструкций из бетона должна быть минимальной. Рыхлое бетонное изделие пропускает внутрь не только влагу, но и углекислый газ, выхлопные и промышленные выбросы. Увы, они химически агрессивны, могут вызвать реакции, меняющие структуру материала и снижающие его надежность. Поры следует закрывать, для этого существуют лакокрасочные материалы, штукатурные составы, пленки и так далее.

Плесень, мох и другие растения – тоже фактор риска, даже несмотря на свои малые размеры. Наверняка вы видели, что на железобетонных поверхностях, за которыми не следят, могут вырасти даже побеги деревьев. Разумеется, для бетона в этом нет ничего хорошего. И грибки, и мхи, проникающие внутрь материала, пробивают ходы для своих грибниц и корневой системы. В итоге сооружение становится слабым, а то и вовсе аварийным. В данном случае помогут специальные химические средства, предотвращающие развитие этих организмов.

Что представляет собой коррозия бетона?

Схема коррозии бетона.

Начинается этот процесс с того, что бетон затвердевает, превращаясь при этом в цементный камень, стойкость которого значительно ниже, чем наполнителей камня. Состав цементного камня включает в себя образовавшиеся в процессе затвердевания соединения. В нем много капиллярных ходов как открытых, так и закрытых, они бывают заполнены либо водой, либо воздухом. Очень неоднородна структура затвердевшего бетона.

В отношении затвердевшего бетона и железобетона агрессивна вода речная, морская, сточные и дренажные воды вместе с имеющимися в составе воздуха кислыми газами. В черте городов и особенно в районах промышленных предприятий грунтовые воды содержат очень много различных примесей, которые способствуют коррозии затвердевшего железобетона. Если в окрестностях присутствуют химические заводы, то грунтовые стоки будут загрязняться кислотами как органическими, так и минеральными, нитратами и хлоридами, солями аммония, меди, цинка, железа и никеля, сульфатами, щелочами. В окрестностях металлообрабатывающих заводов грунт будет насыщаться продуктами травильных процессов и сульфатами железа.

Зависимость скорости разрушения бетона от времени воздействия неблагоприятных факторов.

Больше, чем грунтовые воды, насыщаются вызывающими разрушение цементного камня веществами стоки фабрик и заводов. Если неочищенная вода спускается в реки, то и вода в реках становится агрессивной по отношению к бетонным сооружениям. Коррозия бетона очень часто поражает гидротехнические сооружения. Воздух вблизи и на самих предприятиях тоже часто содержит загрязнения, такие как окислы азота, сернистый газ, хлористый водород. Здоровью людей концентрация этих газов в пределах допущенных норм вреда не приносит, но тем не менее ее достаточно, чтобы бетонные сооружения начали разрушаться.

Коррозия бетона очень разнообразна, так как существует более сотни веществ и их соединений, которые при соприкосновении с бетонным камнем вызывают его разрушения. Существуют микроорганизмы, называемые биодеструкторами, которые разрушают все виды сооружений. Разрушающие материалы микроорганизмы могут находиться с ними в непосредственном контакте или поселяться внутри пористых структур. Худшее время для бетонных сооружений процессы метаболизма микроорганизмов, так как все качества материала и срок его службы значительно при этом сокращаются. Наносить вред бетону даже на расстоянии способны биоорганизмы, являющиеся продуцентами агрессивных по отношению к бетону веществ.

В любой жидкой и газообразной среде для коррозии бетона и железобетона не требуется дополнительных факторов. Если в газообразной среде высокая влажность, этот фактор ускоряет коррозионные процессы.

Вернуться к оглавлению

Коррозия арматуры в бетоне

Если в конструкциях используют залитую бетоном железную арматуру, т.е. железобетон, возможно протекание еще одного вида разрушения – коррозии арматуры в бетоне. Под воздействием вод окружающей среды или при наличии в воздухе сероводорода, хлора, сернистых газов арматура в середине бетона ржавеет и образуются продукты коррозии железа. По объему они превышают начальный объем арматуры, что приводит к возникновению и росту внутренних напряжений, а в дальнейшем – растрескиванию бетона.

Сквозь поры в цементном камне к арматуре проникает воздух и влага. Подвод их к поверхности металла осуществляется не равномерно из-за чего на разных участках поверхности наблюдаются разные потенциалы – протекает электрохимическая коррозия. Скорость протекания электрохимической коррозии арматуры зависит от влагопроницаемости, пористости бетонного камня и наличия в нем трещин.

Наличие в воде растворенных веществ усиливает коррозию арматуры с повышением концентрации электролита.

При длительном выдерживании бетона на воздухе на поверхности образуется очень тонкая (5 – 10 мкм) защитная пленка, которая не растворяется в воде и не взаимодействует с сульфатами. Процесс возникновения защитной пленки под воздействием углекислоты воздуха называется карбонизацией. Карбонизация защищает бетон от коррозии, но способствует коррозии арматуры в бетоне.

Нельзя армировать бетон, в состав которого входит хлористый кальций (больше 2% от веса цемента). Хлористый кальций ускоряет коррозию арматуры как на воздухе, так и в воде.

Защита арматуры бетона от коррозии

Существует несколько способов защитить стальную арматуру в бетоне от коррозии: облагородить окружающую металл среду (т.е. использовать качественный бетон специального состава, введение ингибиторов); дополнительная защита арматуры бетона от коррозии (пленки и т.п.); улучшить характеристики самого металла.

Вокруг арматуры находится сам бетон, поэтому именно бетон является средой, окружающей металл. Для продления срока службы арматуры необходимо улучшить влияние бетонного камня на сталь. Прежде всего, нужно исключить или, если это невозможно, свести к минимуму вещества, входящие в состав бетона, которые способствуют интенсификации процесса коррозии арматуры в бетоне. К таким веществам относятся роданиды, хлориды.

Если железобетонное изделие эксплуатируется в условиях периодического смачивания, необходимо пропитывать бетон специальными пропитками (битумными, петролатумными и др.). Это значительно снизит проницаемость бетона. При постоянном насыщении бетонного камня коррозия арматуры в бетоне практически сводится к минимуму. Это объясняется тем, что очень сильно затрудняется проникновение кислорода к поверхности метала, происходит значительное торможение катодного процесса.

Для продления срока службы металлической основы железобетона – бетон облагораживают. Во время формирования бетонной смеси в состав вводят ингибиторы коррозии.

Для защиты от коррозии арматуры в конструкционно-теплоизоляционных бетонах широко используется способ омического ограничения. Суть заключается в том, что влажность самого бетона не должна превышать равновесное значение при относительной влажности воздуха 60%. Тогда процессы коррозии арматуры почти прекращаются, т.к. возникает высокое омическое сопротивление пленок влаги у поверхности арматуры. Этот способ не так уж прост и не эффективен в районах с высокой влажностью и частыми осадками.

Хороший бетон должен обладать первоначальным пассивирующим воздействием на арматуру. Бетонные изделия полностью просыхают примерно за 2-3 года. Если климат сухой, то немного быстрее. Именно в это время и происходит самое сильное коррозионное разрушение арматуры, т.к. она находится во влажной бетонной среде.

Хорошим способом защитить арматуру бетона от коррозии считается предварительное пассивирование поверхности арматуры, а также образование оксидных защитных пленок под воздействием водной щелочной среды бетонного камня. Усиливают защитные свойства пленки введением в бетонную смесь пассиваторов. Часто используют нитрит натрия в количестве 2 – 3 % от исходного веса цемента.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь. Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = V_ок/V_Ме) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

где V_ок — объем образовавшегося оксида

V_Ме — объем металла, израсходованный на образование оксида

М_ок – молярная масса образовавшегося оксида

ρ_Ме – плотность металла

n – число атомов металла

A_Me — атомная масса металла

ρ_ок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения α для некоторых оксидов металлов

Виды коррозии бетона

Исследования которые были проведены советскими учеными, позволили определить суть коррозии бетона, а так же были подобраны оптимальные методы борьбы с коррозией. Они и разделили коррозию бетона на 3 категории:

1. Вымывание компонентов цементного камня;
2. Воздействие на цементный камень агрессивных веществ;
3. Объединяет все процессы, при воздействии которых, цементный камень образует различные соединения;

Так же бывает коррозия арматуры в бетоне, но ее мы рассмотрим в ближайшее время в отдельной статье.

Первый 1 вид коррозии бетона:

Виды коррозии и причины возникновения

Бетон, который находится на улице, постоянно подвергается негативному воздействию окружающей среды. Осадки, температурные колебания, кислоты и газы – все это вызывает определенные физические и химические реакции в структуре материала. На основании проведенных исследований были определены виды коррозии бетона, а также основные причины ее возникновения.

Биологическая

Данный вид изменения бетона и железобетона происходит в результате накапливания солей в микротрещинах и капиллярах конструкции, нерастворяющихся в воде. Постепенно образовывается твердый камень, которой провоцирует разрушение бетона. Не исключено, что в поры материала возможно проникновение бактерий, грибов и водорослей, которые продолжают размножаться и провоцировать растрескивание конструкции.

Физико-химическая

Это процесс вымывания из тела материала важных компонентов. Конструкции в основном используются на открытом участке местности, поэтому на них воздействуют внешние негативные факторы. В составе бетонной смеси находится гидроксид кальция, улетучивающийся под воздействием влажной среды или воды. Под влиянием этого воздействия нарушается структура бетона, и начинают появляться трещины, провоцирующие процессы дальнейшего его разрушения.

Химическая

Химическая коррозия бетона – это процесс вымывания извести, образованной легкорастворимыми соединениями, при непосредственном контакте с кислотной средой. Под воздействием агрессивных сред происходит образование солей и аморфных масс. Первые образовываются в процессе взаимодействия с негативными факторами, они быстро растворяются и вместе с водой вымываются. Связующие характеристики у аморфных масс совсем отсутствуют.

Химическую коррозию распознают в результате появления гидроферитов, гидроалюминатов и гидросиликатов, способствующих возникновению растворимых солей и иных веществ. Содержание углеродных диоксидов провоцирует появление коррозии бетонных конструкций углекислотного типа. Причина появления разрушения оксидной пленки, образованной карбонатом — превышение допустимых по содержанию показателей углекислоты.

Чтобы обеспечить защиту железобетонной конструкции и бетона, следует изучить причину возникновения неблагоприятных факторов воздействия и учесть это во время изготовления, монтажных работ и при уходе за бетоном.

Коррозия от разрушения арматуры

Железобетонные изделия состоят из двух компонентов — это бетонная смесь и арматура. Последняя оказывает непосредственное влияние на материал. В процессе эксплуатации происходит ржавление металла, потому что на бетон воздействуют химические элементы: хлор, сероводород и сернистые газы. В теле бетонной конструкции появляется внутреннее напряжение, что приводит к образованию трещин.

Воздушная среда и вода приникают внутрь через поры бетонного изделия. Электрохимическая коррозия происходит вследствие неравномерности воздействия негативных сред, а скорость реакций зависит от уровня проникновения влаги и размеров пор камня.

Если очень долго бетон находится на открытом воздухе, то под воздействием углекислоты будет образовываться тонкий слой оксидной пленки, который не растворяется в воде и не вступает в реакцию с солями. Название процесса — карбонизация. Она защищает от появления ржавчины бетонный камень, но становится причиной образования коррозии арматуры.

При изготовлении железобетонных изделий следует учитывать антикоррозионную обработку арматуры. Эти требования обязательны и регламентированы нормативными документами.

Какие свойства характерны для цементита

Цементит – это химическое соединение состава Fe3C – карбид железа. Известно, что растворимость углерода в железе невелика: в α – железе растворяется около 0,02% С при эвтектоидной температуре, а при комнатной – порядка 0,008%. В  — железе растворяется до 2,14% С при температуре 1147оС, при комнатной температуре -железо не существует (про аустенит при комнатной температуре написано в статье «Как увидеть аустенит?» на этом сайте). Поэтому в структуре стали и чугуна углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита.

Коррозия железобетона

Металлические части конструкции покрывают специальными лакокрасочными защитными материалами.

Разрушению из-за влаги и химических соединений подвержены строения не только из бетона, но и из железобетона. В железобетонных конструкция дополнительно присутствует арматура из металла, которая может стать источником (причиной) коррозии электрохимического типа. Однако, несмотря на это, железобетон – более устойчивый материал, чем обыкновенный бетон. Источником его устойчивости является наличие специального слоя на поверхности; именно он защищает внутреннюю структуру. Но и здесь с течением времени атмосфера, а конкретно углекислый газ и осадки с растворами солей, разрушают этот слой. Защита железобетонной конструкции в этом случае, будет отличаться от способов защиты бетона от коррозии.

Для того чтобы минимизировать последствия электрохимической коррозии и максимально замедлить процесс разрушения, в бетон вводятся специальные вещества. Такие вещества называются ингибиторами металлической коррозии; основное их предназначение – защита материала, посредством создания защитной пленки на поверхности арматуры, важно не допустить ее контакт с бетоном, влагой и окружающим воздухом. Ингибиторы можно наносить на поверхность или добавлять в бетон в процессе производства. Подобная защита гарантирует сохранность железобетонных конструкций от появления коррозии.

Помимо этого, для защиты арматуры железобетона часто применяют и стандартные методы, которые хорошо зарекомендовали себя при использовании в обыкновенных металлических конструкциях. Например, так называемый способ протекторных анодов. При этом способе с каркасом железобетона соединяется другой метал, который в большей степени склонен к электрохимической коррозии. Защита заключается в том, что соединяясь с железобетонным каркасом, идет электрохимическая реакция, разрушению подвергается именно этот металл-болванка. Таким образом, электрохимическая коррозия железобетона начинается только после того, как эта болванка полностью разрушится.