Разрушение бетона: проявления и механизмы

А.К. Чаттерджи, президент,
Conmat Technologies Pvt. Ltd, Индия 

РЕФЕРАТ. Бетон — ​это материал, непрерывно и динамично изменяющийся со временем и при этом испытывающий на себе воздействие окружающей среды в течение всего срока службы. В ходе эксплуатации он подвержен различным видам деструкции и разрушения, причины которых можно сгруппировать в четыре категории: материалы, дизайн, окружающая среда и нагрузка. Разрушение материалов и структуры с участием различных процессов, таких как карбонизация, воздействие хлоридов и сульфатов, реакции щелочей с заполнителями и др., происходит вследствие сложных реакций. Меры в рамках ремонта и восстановления поврежденных бетонных конструкций требуют адекватного понимания причин и механизмов таких реакций. Основные из них рассмотрены в данной статье.

Ключевые слова: бетон, коррозия, проникновение химических веществ, деструкция, разрушение.
Keywords: concrete, corrosion, chemical ingress, destruction, deterioration.

Введение

Бетон, как известно, является важнейшим конструкционным материалом. Он должен соответствовать заранее заданным условиям, регламентируемым в форме спецификаций или кодов; при этом необходимо принимать во внимание следующие важнейшие аспекты:
  • предполагаемый срок службы конструкции;
  • особенности воздействия окружающей среды;
  • основные требования в отношении экс­плуатации;
  • выбор измеряемых параметров, позволяю­щих определить непригодность материала для дальнейшей службы;
  • требования к плановому техническому обслуживанию;
  • уровни риска и факторы безопасности.
Однако на практике существует определенная степень свободы в применении упомянутых выше соображений. Инженерное сообщество все еще ожидает разработки надежных приемов определения характеристик долговечности бетона, которые можно было бы применять в реальных условиях, чтобы прогнозировать ухудшение его состояния в ходе эксплуатации. Проблема усугубляется из-за того, что в процессах старения бетона участвует массоперенос. В большинстве случаев деструктивные изменения, которые происходят в бетоне с течением времени, являются следствием перемещения через него различных веществ.

Наиболее распространенные случаи преж­девременного разрушения связаны с коррозией арматуры. В странах с холодным климатом важным фактором является воздействие заморозков. В определенных ситуациях бетон может подвергаться химическому воздействию различных веществ, таких как сульфаты, кислоты, мягкая вода и др., что приводит к разрушению или деформациям. Снижение долговечности также может происходить из-за расширения компонентов бетона, которые увеличиваются в объеме из-за продуктов реакции, поглощаю­щих воду.

Проблемы, обусловленные свойствами материала, воздействием окружающей среды и проникновением вредных веществ, усугуб­ляются дефектами конструкции, недостаточным качеством ее изготовления и неправильной экс­плуатацией. Следовательно, ухудшение состоя­ния бетона в действительности оказы­вается сложным явлением, которое в большинстве случаев недостаточно изучено, чтобы можно было раскрыть причины. Тем не менее в данной статье предпринята попытка представить чаще всего наблюдаемые формы разрушения бетона, а также механизмы, вызывающие деструктивные явления. В статье основное внимание уделяется материалам, а не вопросам дизайна и конструкции.

Разрушение различных объектов из бетона

Бетон лучше всего представить как матрицу из цементного теста (по существу, нестабильного), в котором зерна мелкого и крупного заполнителей распределены более или менее равномерно и разделены слоями теста. В широком смысле фрагмент бетона можно рассмат­ривать как открытую систему. Это означает, что он обменивается энергией и веществом с окружающей средой.

Бетонные конструкции, подверженные воз­действию агрессивных сред, многочисленны и разнообразны. В практических целях их можно разделить на группы в зависимости от назначения строительного объекта. Важнейшие агрессивные водные агенты, которые могут присут­ствовать на этих объектах, указаны в табл. 1 [1]. Существующая практика проектирования ставит на первое место по значимости прочность и устойчивость, а не долговечность материалов. Однако условиям воздействия и выбору материалов уделяется больше внимания в случае морских сооружений, канализационных систем, химических предприятий и др. Некоторые деструктивные факторы, характерные для бетонных сооружений, обсуждаются далее.

Таблица 1
Агрессивные жидкие среды, действующие на бетонные сооружения различного назначения

Тип среды
Соединения и ионы, воздействующие на бетон

Группа объектов

Морские соору-жения Соору-
жения гидроэнер-
гетики  
Кана
лизация и очист-
ные со­оружения
Соору-
жения на промыш-ленных предприя­тиях*** 
Системы водоснаб-жения и хранения воды
Сооруже-
ния, на-полненные различны-
ми жидкостями
Мосты, водопро-
пускные трубы, дороги и автома
гистрали
    Жилые дома Хозяй­ственные построй-
ки**** 
Чистая вода H2O         + +      +  
Мягкая вода H2CO3   +     + +      +  
Слабые кислоты Протоны (концентрация низкая)           +     +
Сильные кислоты  Протоны (концентрация высокая, HCl/H2SO4/HNO3)     + +      +      
Соленая вода K+, Na+, SO42–   +   +   + +   +
Морская вода Cl, Na+, SO42–, Mg2+, Ca2+, K+, HCO3, Br +                

* В том числе в портах и гаванях.
** В том числе плотины, отводные туннели, надземные туннели, электростанции.
*** На химических заводах и предприятиях других отраслей промышленности.
**** Включая агропромышленные сооружения.

На качественном уровне известны различные типы химических реакций с участием воды, приводящих к повреждению/разрушению бетона. В табл. 2 [1] указаны восемь водных агентов, которые обычно влияют на долговечность бетона. Также приведены наиболее важные из соединений и ионов, содержащихся в водных агентах и воздействующих на бетон, продукты соответствующих реакций и их последствия. Необходимо учитывать следующее:
  • бетон сам по себе не является кислотостойким. Он может быть подвержен деструкции уже при pH менее 7,0; воздействие усиливается при pH ниже 6,5 и особенно при рН ниже 4,5;
  • имеются исключения из этой закономерности. Например, при воздействии на бетон щавелевой кислоты (pH около 3) образуются соли кальция, не растворимые в воде и поэтому не влияющие существенно на долговечность;
  • агрессивность водных растворов зависит не только от pH или концентрации растворенных ионов, но также от доступности раствора для участия в реакции с бетоном. Проточная или фильтрующаяся вода вызывает более быстрое разрушение, чем застойная вода;
  • кристаллические продукты гидратации в гидратированных тестах, такие как гид­роксид кальция (CH), являются основной причиной возможного расширения при воздействии на бетон растворов хлоридов и сульфатов. По-видимому, на процесс расширения влияют как растворимость, так и природа продуктов реакции. Гидратированные фазы растворяются в следую­щем порядке: гидроксид кальция (CH) > гидрат моносульфата (AFm) > гидрат трисульфата (AFt) > гидрат силиката кальция (C—S—H);
  • фаза C—S—H подвергается постепенной декальцинации (после удаления или связывания CH) вследствие необходимости поддерживать равновесную концентрацию ионов Ca2+ в поровой жидкости;
  • скорость сульфатной атаки растет с увеличением концентрации раствора. Концентрация сульфатов до 1000 мг/л считается умеренно агрессивной, до 2000 мг/л — ​агрессивной, особенно при наличии сульфата магния. Насыщенный раствор MgSO4 может нанести серьезный ущерб бетону с высоким соотношением В/В. Замечено, что если бетон изготовлен при низком соотношении В/В, он может выдерживать действие MgSO4 в течение 2—3 лет;
  • органические кислоты, содержащиеся в стоках пищевых и агропромышленных предприятий — ​навозной жиже, силос­ных стоках, сыворотке, отбельных водах, мелассе и др., — серьезно влияют на свойства бетона. Эти стоки содержат карбоновые кислоты — ​уксусную, пропио­новую, молочную, лимонную, и им зачас­тую сопутствуют микроорганизмы. Агрес­сивность этих слабых кислот, как уже упоминалось, зависит от растворимости образующихся солей кальция.
Таблица 2
Деструктивные процессы в бетоне, протекающие при участии воды

Водный агент

Соединения и ионы, воздействующие на бетон

Продукты и последствия реакций

Морская вода

Совместно действующие Na+, Cl, Mg2+, SO42– и CO2

Разрушение, эрозия, сульфатная коррозия, карбонизация, замещение ионов и кристаллизация солей

Жесткая вода

Бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция и магния

Отложение CaCO3 на поверхности без повреждения бетона

Мягкая вода

Угольная кислота, образующаяся с участием CO2, поступающего из атмосферы

Гидролиз, выщелачивание Ca2+, рост пористости и проницаемости, снижение pH

Слабые неорганические кислоты

Угольная кислота и разбавленные кислоты из безалкогольных напитков и дождевой воды

То же

Слабые органические кислоты

Уксусная, молочная и муравьиная кислоты из пищевых продуктов и с агропромышленных предприятий

Разрушение бетона из-за коррозионного воздействия

Сильные неорганические кислоты

H2SO4, HNO3 и HCl из промышленных сточных вод

Растворение гидроксида кальция, разрушение гидросиликатов кальция, некоторое снижение pH, снижение прочности

Соленая вода

Сульфаты кальция, магния и щелочных металлов

Образование расширяющихся веществ и трещин

Канализационные стоки

Биогенная серная кислота

Сильная коррозия бетона и металлической арматуры


Указанные выше химические воздействия не включают в себя коррозию арматуры, поскольку она является электрохимическим процессом по своей природе; в этом случае химические реакции сочетаются с прохождением электрического тока через арматуру и бетон.

В дополнение к химическим и электрохимическим повреждениям бетон может подвергаться физическому воздействию нереак­ционноспособных жидкостей или тепловым воздействиям, приводящим к образованию внутренних трещин или поверхностному шелушению. Отметим, что при глубоко зашедших процессах разрушения несколько различных химических и физических реакций протекают одновременно, и зачастую довольно сложным образом. В этом случае скорость деструктивного процесса определяют либо какой-то один, либо сразу несколько процессов переноса.

Механизмы переноса

Жидкости и ионы могут перемещаться внут­ри бетона в соответствии с четырьмя основными механизмами: 1) капиллярным всасыванием под действием капиллярных сил в цементном тесте, 2) проницаемостью под действием градиента давления, 3) диффузией вследствие градиента концентрации, 4) миграцией вследствие градиента электрического потенциала [2]. Подвижная среда (газ или жидкость) перемещается в порах или трещинах бетона из-за перепадов давления. Вода — ​основное вещество, которое проникает в бетон и в большой степени определяет его долговечность. Поскольку вода способна растворять многие вещества, образующиеся водные растворы будут проникать в бетон.
Диффузия — ​это перенос пара, газа или растворенного вещества, обусловленный градиентом концентрации. Многие веще­ства движутся путем диффузии в бетон и из бетона, включая водяной пар, компоненты воздуха и разнообразные ионы, растворенные в воде. Отметим, что ионы — заряженные частицы и не перемещаются путем «чистой» диффузии. Поскольку ион должен быть сбалансирован другим ионом с противоположным зарядом, их движение создает электрические поля, поскольку ионы имеют тенденцию двигаться с разными скоростями. Это явление назы­вается электромиграцией; оно может объяс­нить ряд особенностей ионного переноса в бетоне.
Процессы переноса, которые обычно обу­словливают перемещение потенциально вредных веществ через бетон, следующие:
  • газовая диффузия (кислород, углекислый газ);
  • диффузия пара (движение влаги);
  • ионная диффузия (хлориды, сульфаты);
  • абсорбция и капиллярный подъем (хлориды, растворенные в воде);
  • просачивание под давлением (агрессивные грунтовые воды).
Для большинства бетонов газовая и ионная диффузия имеют критическое значение. Газовая диффузия осуществляется активнее в не насыщенном водой бетоне, а ионная имеет место в условиях насыщения. Таким образом, если бетон подвержен циклам насыщения—​высыхания, он разрушается наиболее быстро. Примером могут служить приливно-отливные зоны прибрежных сооружений, а также со­оружения, подверженные постоянному смачиванию и высыханию. Сложность процессов массопереноса при разрушении бетона отражена на рис. 1 [1]. В целом железобетонные конструкции в условиях циклического смачивания и высыхания разрушаются как вследствие карбонизации, так и депассивации арматуры.

Процессы массопереноса в разных участках стены, расположенной в море.png
Рис. 1. Процессы массопереноса в разных участках стены, расположенной в море

Связь между структурой пор и проницаемостью в бетоне

Проницаемость, очевидно, связана со структурой пор бетона, но тем не менее важно различать пористость и проницаемость. Пористость, если говорить упрощенно, являет­ся мерой пустот в материале, в то время как проницаемость относится к способности одного материала проникать в другой. Хотя проницаемые материалы всегда обладают развитой поровой структурой, прямой корреляции между общей пористостью и проницаемостью может и не быть, поскольку существенным условием для обеспечения проницаемости является связность пор. Вот почему легкий или ячеистый бетоны имеют высокую пористость, но при этом низкую проницаемость. Бетоны, недостаточно отверж­денные или имеющие высокое водовяжущее отношение (В/В), имеют высокую пористость и одновременно высокую проницаемость. Производство непроницаемого бетона возможно благодаря тому обстоятельству, что продукт, образующийся в результате гидратации, занимает больший объем, чем исходные зерна цемента. Состояние структуры капиллярных пор в конце гидратации сильно зависит от В/В и качества ухода за твердеющим бетоном. На рис. 2 схематически показано влияние выше­указанных параметров и, в частности, образование геля за счет связывания свободной воды [3]. Видно, что при более высоких значениях В/В оставшаяся вода формирует большое капиллярное пространство; к этому же результату приводит плохое качество ухода за бетоном.

Влияние В_В и качества ухода на структуру пор в бетоне.png
Рис. 2. Влияние В/В и качества ухода на структуру пор в бетоне

Отметим, что капиллярное поровое пространство будет иметь переменный уровень влажности в ходе эксплуатации в зависимости от окружающей среды и будет влиять на проницаемость и скорость проникновения агрес­сивных сред. Содержание воды и воздуха, остающихся в поровой структуре затвердевшего бетона, зависит от температуры и относительной влажности окружающей среды. Если внешние условия изменяются циклически, то таким же образом будет меняться и проницае­мость бетона.
Однако общая кинетика массопереноса зависит не только от пористости, но и от способности цементного теста связывать переносимые вещества, а также от условий окружающей среды у самой поверхности бетона (так называемого микроклимата) и их изменения во времени. Эти факторы показаны на рис. 3 [2]. В конечном счете основные виды разрушения бетона имеют отношение к следующим типам химических изменений:
  • карбонизации,
  • депассивации стальной арматуры,
  • коррозии из-за проникновения хлоридов,
  • реакции щелочей с кремнеземом заполнителя,
  • сульфатной атаке.
Первые три типа в большей степени относятся к разрушению армированных бетонных конструкций.

Факторы, влияющие на кинетику движения аргессивных веществ в бетоне.png
Рис. 3. Факторы, влияющие на кинетику движения агрессивных веществ в бетоне

Механизмы разрушения железобетона

Замечательным свойством бетона является связь с армирующей его сталью. Обычно используются прутья из углеродистой стали определенного состава и прочности, но они подвержены ржавлению во влажной кислородсодержащей атмосфере. Однако ржавление стальной арматуры может быть уменьшено или даже полностью устранено внутри бетона. Кроме того, характеристики теплового расширения стали сравнимы с характеристиками бетона. По этим причинам она стала для бетона наиболее предпочтительным армирующим металлом. Тем не менее со временем было замечено, что коррозия арматуры является основной причиной снижения долговечности железобетонных конструкций. Последующие исследования и наблюдения показали, что существуют три основных механизма коррозии стали в бетоне, которые, вызывая ее окисление, в конечном счете приводят к разрушению железобетонной конструкции: электрохимические реакции, карбонизация и проникновение хлоридов. Эти механизмы кратко обсуждаются далее.

Электрохимические реакции. Коррозия арматуры в бетоне — электрохимический процесс, в котором участвуют потоки электронов и ионов. Это явление было тщательно исследовано и в лабораторных условиях, и на реальных объектах [4]. В данном процессе бетон дей­ствует как электролит, а электроды — это локальные участки самой металлической арматуры, между которыми устанавливается разность потенциа­лов. На участках, являющихся анодами, атомы Fe теряют электроны и переходят в бетон в виде ионов двухвалентного железа (Fe2+). Свободные электроны остаются в арматуре и по ней перемещаются к участкам, являющимся катодами, где они соединяются с водой и кислородом из бетона. Первая реак­ция (на аноде), по существу, является окислительной реакцией, вторая (реакция на катоде) — ​реакцией восстановления. Для поддержания электрической нейтральности в системе ионы двухвалентного железа мигрируют через раствор в порах бетона к катодным участкам, где они образуют гидроксид двухвалентного железа, или ржавчину. Эти реакции и потоки зарядов схематически показаны на рис. 4. Отметим, что первоначально осажденный гидроксид железа имеет тенденцию к дальнейшему взаимодей­ствию с растворенным кислородом с образованием высших оксидов. Увеличение объема и развитие внутренних напряжений в бетоне зависят от продуктов реакции, как показано на рис. 5. Трещины и сколы бетонного покрытия в конечном счете вызваны образованием таких продуктов реакции. Во влажной среде и при достаточном содержании растворенного кислорода объемное расширение из-за образования гидратированного оксида железа вызывает значительные внутренние напряжения, приводящие к видимым повреждениям в железобетоне.

Схематическое изображение реакций и потоков зарядов при коррозии арматуры.png
Рис. 4. Схематическое изображение реакций и потоков зарядов при коррозии арматуры

Различные формы продуктов окисления металлического железа и соотношение их молярных объемов.png
Рис. 5. Различные формы продуктов окисления металлического железа и соотношение их молярных объемов


Карбонизация. Как известно, коррозия арматурной стали в бетоне не происходит вследствие щелочности последнего. При гидратации образуются гидроксиды кальция, натрия и калия, которые растворяются в воде в порах бетона с образованием высокощелочного раствора, имеющего рН в диапазоне 12,0—13,5. При этом уровне pH на стали образуется очень тонкий защитный оксидный слой Fe(OH)2 (происходит так называемая пассивация металла). Этот слой, как правило, сохраняется до тех пор, пока pH в системе остается выше 11,0, при условии отсутствия примесей.

Карбонизация бетона в конечном счете неизбежна и вызвана проникновением атмо­сферного CO2, реагирующего с водой в порах с образованием углекислоты. Первоначально CO2 диффундирует через поверхность бетона вследствие имеющегося градиента концентрации СО2 между атмосферой и поровой жидкостью бетона. Происходит нейтрализация щелочности бетона, и диффузия постепенно продолжается. Фронт карбонизации продвигается сквозь бетон, пока не достигнет стали (рис. 6) [3]. Пассивирую­щий слой разрушается, когда рН падает до 8,0. Фактически коррозия стали начинается в присутствии O2 и H2O, когда pH падает ниже 11,0. Продвижение фронта карбонизации во времени в глубь бетона приблизительно соответствует следующей параболической зависимости:

ГК = С√τ,

где ГК — ​глубина карбонизации, С — ​константа, τ — ​время.

Зона карбонизации и депассивации стали.png
Рис. 6. Зоны карбонизации и депассивации стали

Кальцийсодержащие фазы в бетоне, такие как CH, C3S и C2S, могут реагировать с CO2 с образованием CaCO3 в виде стабильной минеральной формы — ​кальцита через мета­стабильные полиморфные разновидности, такие как ватерит и арагонит. В случае использования рядового портландцемента глубина карбонизации через 10 лет может составить примерно 5—8 мм, а через 50 лет — ​до 10—15 мм [3]. Следовательно, конструкции с недостаточно толстым защитным слоем бетона над арматурной сталью будут быстрее подвергаться коррозии, обусловленной карбонизацией, чем конструкции с более толстым слоем. На скорость разрушения арматурной стали также влияет качество бетона. Бетоны, изготовленные с высоким соотношением В/В и низким расходом вяжущих материалов, будут карбонизироваться быстрее, чем бетоны хорошего качества. Для бетонов на смешанных цементных вяжущих сокращение щелочности обычно компенси­руется повышением качества бетона.

Скорость карбонизации также зависит от условий окружающей среды. Карбонизация происходит быстрее в достаточно сухих средах и тех средах, где постоянно сменяются высушивание и увлажнение. В практическом отношении важно понимать, что карбонизация не яв­ляется неконтролируемым процессом: бетоны могут быть спроектированы под конкретные условия эксплуатации и обеспечивать очень низкую скорость продвижения фронта карбо­низации.

Проникновение хлоридов. Хлорид-ионы известны своей способностью провоцировать коррозию арматуры. Они поступают в бетон либо из окружающей среды, либо из недостаточно чистых компонентов бетонной смеси. Когда уровень содержания хлорид-ионов вблизи арматуры превышает 0,4 % массы цемента (приблизительно 0,06 %, или 600 м. д. массы образца бетона, содержащего 15 % цемента), риск развития коррозии, в присутствии влаги, существенно возрастает. Как и в случае карбонизации, скорость проникновения хлоридов зависит от качества бетона и от окружающей среды. В случае тонкого защитного слоя бетона невысокого качества, в условиях попеременного его смачивания и высыхания, а также в прибрежных и морских условиях хлориды могут быстро достигать арматуры.

Хлоридная коррозия инициируется на небольшой площади — ​образуется лунка, окруженная неповрежденной арматурой (рис. 7) [3]. Это может привести к быстрому сокращению площади поперечного сечения арматуры и в конечном счете снизить несущую способность железобетонного элемента. Негативные изменения могут оставаться незамеченными до тех пор, пока не перерастут в видимое повреждение. В ходе коррозии ионы железа становятся доступными для соединения с хлорид-ионами с образованием таких соединений, как хлорид железа (FeCl2). В результате гидролиза этих продуктов высвобождаются хлорид-ионы, что со временем приводит к снижению рН анода. Окисление Fe стимулируется в кислых условиях, и таким образом скорость коррозии увеличивается. Регенерация хлорид-ионов усугубляет проблему. В результате таких химических реакций соотношение Cl–/OH– вблизи поверхности арматуры становится фактором, определяющим скорость коррозии.

Точечная коррозия в среде с высоким содержанием хлоридов.png

Рис. 7. Точечная коррозия в среде с высоким содержанием хлоридов

Механизм проникновения хлоридов и развитие коррозии остаются предметом исследований. Понятно, однако, что если депассивация арматуры из-за карбонизации происходит одновременно с проникновением хлоридов, создаются наиболее благоприятные условия для деструктивных процессов в бетоне. Степень риска при таких обстоятельствах отражена на рис. 8.

Шкала риска коррозии арматуры при совместном воздействии хлоридов и карбонизации.png
Рис. 8. Шкала риска коррозии арматуры при совместном воздействии хлоридов и карбонизации. Содержание хлорид-ионов выражено в процентах содержания цемента в бетоне.

Сульфатная коррозия бетона

Термин «сульфатная атака» обычно ассоциируется с повреждением конструкций из-за разрушительного расширения бетона при контакте с сульфатсодержащей почвой или грунтовыми водами. Но наряду с этим существуют особые механизмы разрушения бетона, в которых участвуют сульфаты, — ​образование таумасита, обусловленное внешними источниками, и отложенное образование эттрингита, являющееся примером внутренней коррозии [1].

Распространенные виды сульфатной коррозии. При обычной сульфатной коррозии источниками сульфат-иона обычно являются сульфаты натрия, кальция, магния или калия. Иногда встречается сульфат аммония. В природе эти сульфаты могут находиться в почве, глине или грунтовых водах. Промышленные процессы могут также служить источником сульфатов. Гипс, эттрингит (фаза AFt) и моносульфат (фаза AFm) являются основными соединениями, образующимися при гидратации. Сульфат-ионы (SO42–) реагируют с Ca(OH)2 с образованием гипса (CaSO4 · 2H2O), в то время как эттрингит образуется в результате реакции сульфата кальция с фазой трехкальциевого алюмината (C3A), присутствующей в цементе:

3CaO · Al2O3 + 3CaSO4(aq) = 3CaO · Al2O3 · 3CaSO4 · 32H2O.

Образование фазы AFm происходит при участии эттрингита, если C3A оказывается в избытке по отношению к гипсу:

3CaO · Al2O3 · 3CaSO4 · 32H2O + 2(3CaO · Al2O3) = 3(3CaO · Al2O3 · CaSO4 · 12H2O).

Разрушение является следствием развития деструктивных сил, обусловленных тем, что объем продуктов реакции превышает объем исходных реагентов. Разрушение усугубляется адсорбцией воды на образовавшихся гидратированных фазах. Образование кристаллов эттрингита и гипса часто можно наблюдать в трещинах бетонов, поврежденных сульфатами.

Также отметим, что сульфат магния реагирует с гидроксидом кальция, гидроалюминатами и гидросиликатами кальция с образованием гипса, эттрингита, брусита (Mg(OH)2) и гидросиликатов магния. Сульфат магния проявляет при этом высокую агрессивность, поскольку брусит практически нерастворим в воде и реакции, в которых он образуется, идут практически до конца. Микроскопическое изображение, демонстрирующее сульфатную атаку на цементный раствор, представлено на рис. 9.

Трещины, вызванные осаждением гипса (А) вокруг кварцевого зерна (В) в цементном растворе.png
Рис. 9. Трещины, вызванные осаждением гипса (A) вокруг кварцевого зерна (B) в цементном растворе

Таумаситная форма сульфатной атаки. Таумаситная форма сульфатной атаки являет­ся результатом реакции между сульфатами, силикатами кальция в цементе и карбонатом кальция из заполнителей или просачивающихся подземных вод. Таумасит представляет собой сложный сульфатсодержащий минерал состава CaSiO3 · CaCO3 · CaSO4 · 15H2O. Он легче образуется в присутствии сульфата магния, чем сульфата натрия, но с наименьшей вероятностью образуется в растворах сульфата кальция. Известно, что эта реакция происходит при температуре ниже 15 °C и в присутствии карбоната. Большинство деструктивных случаев с образованием таумасита зарегистрировано на автомагистралях Великобритании; непосредственной причиной было присутствие пиритов (FeS2). Связанное с таумаситом расширение, как правило, не наблюдается в тропическом климате.

Замедленное образование эттрингита. Как уже упоминалось, в обычных условиях гидратации эттрингит (AFt) образуется, когда бетонная смесь еще находится в пластичном состоянии. Однако при заливке монолитного бетона или в ходе отверждения сборных железобетонных изделий при помощи пара температура бетонной смеси повышается. В этих условиях сульфат вместо образования эттрингита (AFt) абсорбируется основным продуктом гидратации — фазой C—S—H, образует некоторое количество фазы AFm и частично растворяется в поровой жидкости. Содержание ионов алюминия в фазе C—S— H увеличи­вается. В затвердевшем и остывшем бетоне эти фазы становятся нестабильными, и в конечном счете образуется эттрингит (AFt). Отложенное образование фазы эттрингита приводит к растрескиванию бетона. Трещины зачастую однородны по ширине и могут быть заполнены эттрингитом. Основные влияющие на растрескивание факторы — ​температура в ходе гидратации, геометрические парамет­ры изготавливаемой бетонной конструкции и состав цемента.

Реакции щелочей с заполнителями

Термин «реакция щелочи с заполнителем» используется для обозначения целой группы процессов. Хотя заполнители, как правило, инертны, иногда некоторые их компоненты могут вступать в реакцию с гидроксидами нат­рия и калия в щелочных растворах пор бетона. В результате образуется гель, который может впитывать воду, и продукты реакции имеют молярный объем, превышающий объем реагентов, что приводит к набуханию. Результирующее давление вызывает расширение затвердевшего бетона и его растрескивание. Из этой группы реакций наиболее часто встречается реакция щелочей с кремнеземом заполнителя, в которой определенные реакционноспособные формы кремнезема, присутствующие в заполнителях, реагируют со щелочами из состава цемента. Другой тип реакции — ​взаимодействие щелочей с карбонатами и с силикатами. Реакция щелочей с карбонатами происходит, когда в качестве заполнителей используются мелкозернистые глинистые доломитизированные известняки. Эта реакция, по существу, вызывает серьезную обеспокоенность только в Канаде и Китае. О ней редко сообщается, и она является менее изученной.

Хотя щелоче-кремнеземная реакция (ЩКР) проявляется в виде образования трещин, значительные повреждения конструкций обычно не наблюдаются (за исключением нескольких случаев с плотинами). Структура трещин, обусловленных ЩКР, зависит от распределения напряжений в элементе и расположения арматуры, как показано на рис. 10 [3]. Изменения в бетоне, вызванные ЩКР, на уровне микроструктуры широко изучались в различных лабораториях [5]. Типичное электронно-микроскопическое изображение трещины, возникшей из-за ЩКР, представлено на рис. 11.

Схема трещин из-за ЩКР в армированной (вверху) и неармированной (внизу) зонах.png
Рис. 10. Схема трещин из-за ЩКР в армированной (вверху) и неармированной (внизу) зонах

Электро-микроскопическое изображение трещины, обусловленной ЩКР.png
Рис. 11. Электронно-микроскопическое изображение трещины, обусловленной ЩКР

Было обнаружено, что механизм расширения за счет ЩКР связан с адсорбцией воды гелем, образующимся в реакции

4SiO2 + 2NaOH = Na2Si4O9 + H2O.

Эта реакция на самом деле более сложная, и приведенное выше уравнение дает только упрощенное представление о ней. Химизм процесса включает в себя стадию образования силикатных анионов из вещества заполнителя, которые притягивают катионы Na+ и K+ из поровой жидкости. Поток щелочных катионов, которые диффундируют к зернам заполнителя, больше потока силикатных ионов, диффундирую­щих навстречу; в результате растет давление расширения. Как при низком, так и при очень высоком содержании реакционноспособного кремнезема в заполнителе расширение может быть весьма незначительным. Максимальное расширение достигается при некотором промежуточном содержании реакционноспособного кремнезема (эффект пессимума).
Вообще говоря, повреждение бетона вследствие ЩКР может произойти, если одновременно выполняются следующие условия:
  • высокое содержание влаги в бетоне;
  • повышенное содержание щелочей в исходном цементе;
  • наличие других источников щелочей;
  • используются заполнители, содержащие аморфный реакционноспособный кремнезем.
Заключение

В целом долговечность бетона заключается в его способности противостоять атмосферным факторам, химическим воздействиям и эрозии и сохранять при этом необходимые инженерные свойства в течение всего срока службы. В этой статье основное внимание уделялось химическим воздействиям на бетон и их механизмам. Следует иметь в виду, что в течение срока службы бетонной конструкции в ней могут выявиться признаки деструктивных процессов, но конструкция считается безопас­ной для использования, пока ее характеристики удовлетворяют проектным требова­ниям. Оценка воздействия окружающей среды, учет характеристик материалов и структуры, а также качество выполнения проекта имеют решающее значение для обеспечения долговечности. Ухудшение свойств бетона и его разрушение происходят вследствие многих факторов и процессов, наиболее распространенными из которых являются карбонизация и вызванная хлоридами коррозия арматуры. Другими агрес­сивными средами являются мягкая вода, кислоты, солевые растворы и морская вода, которые влияют на долговечность бетона, запуская ионные и гетерогенные реакции. Поскольку все эти реакции осуществляются с участием воды, процесс влагопереноса в теле бетона имеет чрезвычайно важное значение. В конечном счете, состояние бетона зависит от условий окружающей среды, транспорта сквозь бетон химических веществ, содержащихся в воде, а также от качества его изготовления и эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Chatterjee A., Goyns A. Cementitious materials performance in aggressive aqueous environments — ​engineering properties // Performance of cement-based materials in aggressive aqueous environment (M. Alexander, A. Betron and N. de Belie, Eds.). // RILEM STAR Report, Vol. 10, Springer, Netherlands, 2013.
2. Bertolini L., Elsener B., Pedeferri P., Polder R. P. Corrosion of steel in concrete. Weinheim: Wiley-VCH GmbH, 2004.
3. Richardson M. G. Fundamentals of durable reinforced concrete. London: Spon Press, 2002.
4. Andrade C. Corrosion of steel reinforcement, Chapter 6. WIT Transactions on State of Art in Science and Engineering. Vol. 28. Southampton: WIT Press, 2007.
5. Sarkar S. L., Xu Amin, Jana D. Scanning electron microscopy, X-ray analysis of concrete // Handbook of Analytical Techniques in Concrete Science and Technology (V. S. Ramachandran and J. J. Beaudoin, Eds.). New Jersey: Noyes Publications, 2001.

Чаттерджи, А.К. Разрушение бетона: проявления и механизмы // Цемент и его применение. — 2020. — №3. — С. 36-43
Автор: А. К. Чаттерджи

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.