Химическая агрессивность сред действующих на бетон. Разновидности агрессивных сред

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схемы железобетонных конструкций  причала

в — конструкция, в которой появились  трещины; б — трещин под действием  силовых нагрузок не возникает

 

Причиной появления трещин может быть недостаточная жесткость конструкций. Например, вскоре после постройки первой очереди причала (рис. 3, а)  на различных элементах конструкций появились трещины, образовавшиеся в, результате их недостаточной жесткости.

Внешние условия (теплый и влажный климат) благоприятствовали коррозии арматуры в местах образования трещин, и причал начал быстро разрушаться. В связи с этим для дальнейшего строительства в тех же условиях были запроектированы более жесткие и трещиностойкие конструкции причалов с меньшими пролетами и большими сечениями элементов (рис. 3, б). Они оказались значительно более надежными: не имели трещин и коррозионных повреждений арматуры.

АГРЕССИВНОСТЬ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

 

Почему в одних условиях железобетонные конструкции надежно служат десятки лет, а в других коррозионные повреждения бетона и арматуры, выводящие сооружение из строя, появляются значительно раньше, чем определено проектными сроками? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно проанализировать воздействия, которым подвергаются сооружения в процессе службы и выявить те из них, которые являются агрессивными по отношению к бетону или арматуре.

Натурные наблюдения за состоянием различных конструкций позволяют установить основные разрушающие коррозионные воздействия, наиболее часто встречающиеся в практике эксплуатации сооружений. В самом общем виде можно сказать, что наиболее интенсивные повреждения бетона и железобетона отмечаются при действии на них внешней среды, содержащей кислоты в виде водных растворов или кислые газы, образующие кислоты при растворении в воде. Это станет понятным, если принять во внимание щелочной характер цементного камня. Но разрушения бетона и железобетона наблюдаются при действии не только кислот, но и растворов солей, и даже щелочей. Агрессивны по отношению к бетону и многие другие вещества, например некоторые органические соединения. Конечно, во всех случаях механизм коррозионного действия различен. Степень агрессивного воздействия зависит не только от химической природы — состава агрессивной среды, в том числе влажности газовоздушной среды, но и от условий контакта, скорости движения и напора жидких сред, плотности прилегающего грунта при действии грунтовых вод, температуры среды, силовых нагрузок — напряженного состояния материала конструкций и от других факторов,

Следовательно, степень агрессивности  среды1 определяется не только ее химическим составом, но и комплексом физических и физико-химических факторов, характеризующих условия контакта среды и сооружения, особенности процессов коррозии.

Необходимо подчеркнуть, что степень  агрессивного воздействия внешней  среды, или, как мы сокращенно говорим, «степень агрессивности», — относительное  понятие; среда может быть агрессивной по отношению к бетону на портландцементе и неагрессивной — к бетону такого же состава на глиноземистом или шлакопортландцементе, степень агрессивности будет различна по отношению к бетонам разной плотности.

Относительность этого понятия  может быть проиллюстрирована многими примерами. Так, вода, практически не содержащая солей — дождевая, или образовавшаяся от таяния снега, почти не агрессивна по отношению к плотному бетону при свободном смывании конструкций, но она может вызвать разрушения, если будет действовать под напором на недостаточно плотный бетон, так как в этом случае в ней будут растворяться компоненты цементного камня и большую роль будет играть углекислота, образовавшаяся в результате поглощения из воздуха углекислого газа.

Растворы поваренной соли (хлористого натрия) при небольшой  концентрации и постоянном погружении в них бетонных или железобетонных конструкций сами по себе неагрессивны по отношению к бетону на портландцементе, но при переменном насыщении и высушивании или при капиллярном впитывании такого раствора бетоном возможны повышение концентрации раствора в высыхающем бетоне, кристаллизация соли в порах бетона и постепенное разрушение последнего. Насыщение бетона хлоридами создает также опасность коррозии арматуры, т. е. такая среда может стать агрессивной по отношению к железобетону.

Концентрированные солевые растворы, получающиеся при выпаривании морской воды в мелководных заливах, агрессивны по отношению к бетону на портландцементе. В то же время известен случай, когда опоры автомобильного моста, выполненные из бетона на глиноземистом цементе, после 30 лет эксплуатации в условиях действия концентрированной морской воды —рапы с содержанием солей 70 г/л — не имели повреждений. Бетон на портландцементе в аналогичных условиях начинает разрушаться уже в первые годы эксплуатации.

Таким образом, оценка степени агрессивности воды или  воздуха по отношению к данному  материалу зависит от состава действующей агрессивной среды и условий взаимодействия среды с материалом.

В настоящее время еще не разработаны  количественные показатели, отражающие степень повреждения железобетона. Для металла коррозия, как правило, идет с поверхности вглубь и в качестве показателя скорости коррозионного повреждения принимают толщину прокорродировавшего слоя за определенное время. Аналогичный показатель предложен и для бетона, но здесь дело обстоит сложнее, так как капиллярная пористость бетона способствует распространению коррозионных процессов не только на поверхности, но и в глубь бетона. О толщине поврежденного слоя — глубине разрушения при некоторых коррозионных процессах можно говорить, имея в виду только плотные бетоны. В пористых бетонах и при многих коррозионных процессах слой этот «размыт», так как процесс идет во всем объеме материала. В железобетонных конструкциях на ход коррозионных процессов будут влиять расчетные трещины в бетоне, служащие путями проникания агрессивных компонентов внешней среды в объем бетона.

Агрессивные среды классифицируют по их физическому состоянию на твердые, жидкие и газообразные. Прежде чем перейти к вопросу о классификации коррозионных процессов в различных средах, рассмотрим специфические особенности действия и общую характеристику агрессивных сред.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИДКИХ АГРЕССИВНЫХ  СРЕД

 

Коррозионные процессы в твердой  и газообразной средах фактически начинаются и протекают только в присутствии жидкой фазы. Для бетонных и железобетонных конструкций это природные и промышленные водные растворы, содержащие различное количество растворенных веществ (кислот, солей, щелочей) или некоторые органические жидкости.

 

ПРИРОДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ГРУНТОВЫЕ  ВОДЫ

 

Атмосферные воды, выпадающие в виде осадков, содержат обычно ничтожное количество солей: хлор-ионов, как правило, в пределах 1,5 — 4 мг/л, а сульфатов в расчете на 5Оз — от 1 до 16 мг/л. Количество SO3 может быть значительно больше в районе городов, где воздух загрязняется дымовыми газами. Кроме того, атмосферные воды содержат некоторое количество растворенной СО2, снижающей рН в результате образования в воде угольной кислоты до 5,7.

В приморских районах перенос солей возможен сильными ветрами: более крупные капли воды оседают примерно в 200 — 250 м от берега, а туманообразная влага, или микрочастицы солей, могут уноситься на десятки и даже сотни километров. Повышенное содержание солей атмосферные воды будут иметь преимущественно в полосе, непосредственно прилегающей к морю. Значительное повышение содержания солей в атмосферных водах наблюдается в засушливых солончаковых районах, где ветер поднимает в воздух пыль, содержащую соли.

Химический состав речной воды в значительной степени зависит от источников питания реки и вида пород, через которые фильтруются воды и в которых проходит русло реки. Если вода в реке пополняется в основном за счет атмосферных осадков, то она мало минерализована и имеет малую временную жесткость, если же питание реки происходит грунтовыми водами, то степень минерализации речной воды может быть значительна. Паводковые воды всегда имеют более низкую минерализацию. С уменьшением расхода воды в реке степень минерализации увеличивается за счет относительно большего влияния грунтовых вод на общий солевой состав речной воды.

 

 

 

ТАБЛИЦА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИНЕРАЛИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД СССР

Бассейн		Среднегодовая минерализация воды реки, мг/л
		предельная	преимущественная
Белого   и Баренцева морей	Рек .Карелии и Кольского п-ва Сев. Двины Печоры	15—53 66—350 5 5—158	20-25 120—180
Балтийского моря	Рек,   впадающих   в Ладожское       озеро Невы Рек между Невой и Зап. Двиной	26-94 37—52 98—221	40—70 110—190
Черного   и Азовского морей	Южного Буга Днепра Рек Крыма Рек юго-востока Украины Реки Кубань	252—282 76—604 208—750 443—2045 66—303	150—250 250—350 800-1000 130—300
Каспийского моря	Волги Реки Урал Терека	. 61—626 1 76—312 130—332	100—350 250—290 190—230
Карского моря	Оби Западных    притоков Оби Енисея Рек,   впадающих   в озеро  Байкал Лены	21—257 268—765 28—161 23-95 25-252	80—180 300—400 50—80 35—85 100—160
Морей   Лаптевых и Восточно-Сибирского	Яны Колымы	30 52	—

 

По степени минерализации речная вода может быть разделена, по данным О. А. Алекина, на четыре ступени: I — малой минерализации (до 200 мг/л); II — средней минерализации (200 — 500 мг/л); III — повышенной минерализации (500—1000 мг/л); IV — высокой минерализации (более 1000 мг/л).

Большинство рек СССР имеет воду первых ступеней минерализации. По принятой классификации их воды могут быть отнесены к классу гидрокарбонатных. В направлении с севера на юг наблюдается повышение степени минерализации речных вод, хотя и здесь могут быть исключения. Северные реки, в бассейне которых имеются отложения растворимых пород, например гипсоносные породы (Сев. Двина), имеют повышенную минерализацию. В предгорных районах реки питаются за счет таяния снега в горах, поэтому минерализация этих .вод понижена (табл. 1).

В зависимости от географического  района и геологического строения местности изменяется и солевой состав воды рек (табл. 2).

Химический состав речной воды изменяется не только в период паводка, иногда причиной неоднородности химического состава воды является впадение других рек, попадание сточных вод — промышленных, бытовых и т. д. Данные о среднехимическом составе воды рек дают основание только для примерного суждения о ее свойствах, даже если не брать во внимание влияние промышленных и бытовых сточных вод.

Химический состав грунтовых вод  зависит от многих факторов и в  том числе от состава пород  и характера почв, с которыми соприкасается  вода, состава питающих вод (атмосферных, речных, морских и т. д.), близости вод к поверхности и климатических  условий данного района. Значительное влияние на химический состав грунтовых вод может оказать микробиологический фактор.

Природные поверхностные и грунтовые  воды, расположенные близко к поверхности, в различных районах нашей страны существенно отличаются по составу. Для северных районов характерны мягкие воды, образовавшиеся в результате таяния снега и выпадения дождей. При малом стоке они образуют обширные болота, в воде которых содержится ничтожное количество минеральных солей и небольшие количества растворенной углекислоты и органических гуминовых кислот.

 

Т А Б Л И Ц А 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОД НЕКОТОРЫХ РЕК СССР

Река и место	Время взятия пробы	Содержание ионов, мг/л
		Са2+	Mg2+	Na+ -4-К +	НС03	so\~	С1~
Сев. Двина,	Август	41,4	9,4	13,4	12,2	47,1	14
д. Звоз Печора,	Июнь	4,6	2,1	3,2	24,4	2,6	3
с. Усть-Цильма Нева,   с. Ива-	Июль	8	1,2	3,8	27,5	4,5	3,8
новское Южный Буг,	Март	63,2	18,3	12,5	268,4	24,5	9,8
с. Александ-
ровск Днепр, с. Разу-	Август	55,7	11,8	2,3	195,2	12,9	9,2
мовка Десна, г. Чер-	»	64	7,7	8,7	231,8	14,1	3,9
нигов Дон, с. Аксай-	Июль	82	18	52,2	200	112	44
ское  Сев. Донец,	Август	114	17,9	116,3	246,4	163	171,5
ст. Усть Бело-
калитвенская Кальмиус,	»	173	51,5	169	268	480	210
с. Сартана  Кубань, х. Ти-	Июль	87	3	12	108	18	17
ховский Волга,	Август	80,4	22,3	12,5	270,4	112,3	19,9
г. Вольск Ока, г. Муром	»	58,8	11,8	18,3	34,5	10,8	4,6

Так, например, болотные воды Тюменской области содержат до 50 мг/л СО2 и до 200 мг/л гуминовых кислот. Количество углекислоты и гуминовых кислот отражается на степени кислотности водного раствора, которая снижается до рН = 3 — 4.

Мягкие — слабоминерализованные воды характерны также для горных районов, где поверхностные воды образуются за счет таяния снега и льда. В то же время глубинные воды, выход которых на поверхность облегчается в предгорных и горных районах — районах тектонической деятельности — имеют высокую степень минерализации и содержат большое количество растворенных газов — прежде всего СО2 и в некоторых случаях H2S.

В условиях жаркого и сухого климата  степень минерализации грунтовой воды зависит от глубины их уровня. При подсосе к дневной поверхности происходит повышение концентрации солей, растворенных в воде. Грунтовые воды верхних горизонтов в северных районах в основном мало минерализованы. В южных районах СССР часто встречаются сильно минерализованные грунтовые воды. Сильно минерализованы (в большинстве случаев) грунтовые воды в Прикаспийской низменности, южном Заволжье, в степях Западной Сибири и полупустынях Казахстана и Средней Азии — в районах с засушливым климатом, а также воды, сопутствующие нефтяным месторождениям. В некоторых местах степень минерализации доходит до 100— 150 г/л.

В районах ирригации степень  минерализации и агрессивности вод зависит от расстояния между местом взятия проб для анализа и каналом или водохранилищем с пресной водой.

В минерализованных грунтовых водах можно выделить как воды со значительным количеством ионов S0|~ так и воды с очень малым содержанием ионов SO^"", но с большим количеством иона С1~, связанного с катионами Са2+, Mg2+, Na* и К+. В глубинных подземных водах в большом количестве присутствует СО2.

Ввиду больших колебаний концентрации некоторых солей по временам года и в зависимости от местных  почвенных и гидрогеологических условий степень агрессивности   поверхностных  и                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            грунтовых    вод   нельзя охарактеризовать только на основании существующих гидрохимических карт . Для оценки фактической агрессивности таких вод на конкретных объектах должны быть выполнены специальные инженерно-геологические и гидрохимические изыскания в соответствии с рекомендациями СНиП П-28-73. Оценить степень агрессивности вод можно только с учетом комплекса показателей, включающих назначение сооружений, особенности его конструкций, срок их службы, применяемый цемент и требования к бетону.