раздел 2.
Теоретические предпосылки моделирования коррозионных процессов в бетоне в
жидких агрессивных средах.
2.1. Коррозионные процессы в бетоне при воздействии жидких агрессивных сред
2.1.1. Основные агрессивные компоненты жидких агрессивных сред.
Физико-химические свойства жидких агрессивных сред характеризуются [7, 49]:
химическим составом;
концентрацией компонентов;
щелочно-кислотными свойствами;
окислительно-восстановительным потенциалом.
В водах, являющихся средой для бетона и железобетона, обычно растворены
наиболее широко распространенные в природе неорганические соли: сульфаты,
хлориды и карбонаты натрия, кальция, магния и калия. Ионы этих солей составляют
90-95% всех растворенных в воде солей [7, 49, 118].
Наиболее распространенными ионами жидких агрессивных сред являются ионы натрия.
Большая часть ионов натрия в жидких средах уравновешивается ионами хлора,
значительная часть – сульфат-ионами и еще в меньших количествах – карбонатными
ионами (Например, в морской воде ионы натрия составляют около 84% веса всех
катионов) [7, 118, 119].
Ионов калия в природных водах очень немного, как правило, около 4-10%
содержания натрия в растворе. Ионы кальция преобладают в слабоминерализованных
водах. С повышением минерализации количество кальция в воде быстро падает из-за
довольно низкой растворимости его сернокислых солей и, особенно, углекислых
солей. Все это приводит к тому, что в природных водах количество кальция, как
правило, меньше 1г/л. Ионы магния присутствуют почти во всех природных водах,
чему способствует лучшая растворимость сульфатов и гидрокарбоната магния по
сравнению с гипсом и бикарбонатом кальция.
Хлоридные соли являются наиболее распространенными в жидких агрессивных средах
(от следов до сотен граммов на 1л).
Количество сульфатных ионов в воде лимитируется в основном количеством ионов
кальция. Если концентрации Са2+ невелики, то количество сульфат-ионов в воде
может достигать 10 г/л.
Гидрокарбонатные ионы – НСО3- - составная часть большинства природных вод (в
большинстве пресных вод). Количество бикарбонатных ионов в воде лимитируется
наличием ионов кальция. Из-за весьма низкой растворимости карбоната кальция и
магния ионы СО32- в большинстве случаев в жидких агрессивных средах практически
не встречаются (не более нескольких мг/л). Соотношение СО32- и НСО3- в водном
растворе определяется величиной рН (табл.2.1) [7, 17].
Таблица 2.1
Соотношение СО32- и НСО3- в водном растворе в зависимости от величины рН
Формы углекислоты
Содержание в зависимости от рН в %
10
11
Н2СО3
99,7
97
76,7
24,99
3,22
0,32
0,02
НСО3-
0,3
23,3
74,98
96,7
95,84
71,43
20
СО32-
0,03
0,08
3,84
28,55
80
Растворимость некоторых солей в г/л при 18 °С приведена в таблице 2.2 [7, 17].
Таблица 2.2
Растворимость некоторых солей в г/л при 18 °С
NaCl
MgCl2
СаCl2
Na2SO4
MgSO4
СаSO4
Na2СО3
СаСО3
328,6
558,1
731,9
168,3
354,3
2,01
133,9
0,013
С повышением температуры растворимость большинства солей увеличивается (NaCl),
а некоторых падает (Na2SO4) (табл. 2.3) [7, 17].
Таблица 2.3
Растворимость некоторых солей в зависимости от температуры
Соли
Растворимость в г/100г воды при температура в °С
0
10
20
30
40
50
60
NaCl
35,6
35,7
35,8
36,1
36,4
36,7
37,1
Na2СО3
12,5
21,5
40,8
50
46,6
Na2SO4
19,2
41
48
46,8
45,3
Наличие в растворе одновременно нескольких солей сильно влияет на их взаимную
минерализацию. Так, растворимость соли в присутствии другой соли с одноименным
ионом понижается и, наоборот, ее растворимость повышается, если эти ионы
разные.
2.1.2. Механизм процессов коррозии бетона в жидких агрессивных средах.
Как отмечалось выше, основными ионами компонентов жидких агрессивных сред
являются: Cl-, SO42-, CO32-, HCO3-, Br-, F- и катионы Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
Анионы CO32-, Br-, F- и катионы Ca2+ встречаются в очень малых количествах,
поэтому в дальнейших исследованиях их влиянием можно пренебречь. Ионы K+ по
своим свойствам схожи с ионами натрия, следовательно, содержание катионов калия
можно учитывать, добавляя их концентрацию к концентрации ионов Na+.
Изучая комплексное воздействие сульфатов, бикарбонатов и хлоридов, следует
рассмотреть их влияние на бетон по отдельности.
Воздействие сульфатов является причиной развития III вида коррозии, которая
характеризуется процессами разрушения бетона в результате отложения и
кристаллизации в порах и капиллярах бетона малорастворимых солей.
Кристаллизация солей вызывает возникновение значительных напряжений, приводящих
к разрушению бетона. Исследованиями, посвященных изучению данного вида коррозии
[7, 32, 49, 55, 71, 80, 87, 93], установлено, что при воздействии сульфат-ионов
образуются гидросульфоалюминаты (ГСАК) кальция и гипс. Реакции протекают по
следующим схемам [32, 49, 55, 71, 87, 93, 108]:
Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O > CaSO4·2H2O+2NaOH (2.1)
3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4·2H2O+19H2O > 3CaO·Al2O3·3CaSO4 31H2O (2.2)
При образовании эттрингита (ГСАК) из 3CaO·Al2O3·6H2O и Na2SO4 объем
увеличивается в 4,8 раза, при образовании гипса из Na2SO4 и Ca(OH)2 объем
увеличивается в 2,34 раза.
Воздействие бикарбонатов является причиной развития коррозии II вида,
характеризующейся образованием продуктов реакций, не обладающих вяжущими
свойствами. Разрушение происходит в поверхностных слоях, бетон разрушается
послойно. Если до начала воздействия бетон не был карбонизирован, реакция
протекает по схеме [32, 49, 93, 116]:
Ca(OH)2+ NaНСO3 > СаСO3+ NaOH+H2O (2.3)
Этот процесс в начальный период оказывает положительное влияние, поскольку
хорошо растворимый Ca(OH)2 переходит в трудно растворимый СаСO