Коррозия бетона и как с ней бороться?

Каким бы ни был прочный материал, время всегда возьмет свое. 

Поэтому бетонные конструкции также, как и все стройматериалы, постепенно и необратимо разрушаются. Происходит это не только под гнетом времени, но и из-за множества факторов.

“Коррозия является причиной до 90% повреждений железобетонных конструкций”.
– Ули Ангст, профессор Института строительных материалов в Швейцарии.

Подобные внешние и внутренние воздействия на бетон ведут к разрушению структуры затвердевшей смеси и потере качественных характеристик: прочности, плотности и так далее. Если говорить проще – приводят к коррозии бетона.

Процесс стали называть коррозией из-за практически постоянного использования арматуры в бетонных объектах. Все потому, что сам термин принадлежит больше металлам, нежели к стройматериалам. Так что относить его стали и к самому бетону.

Что же тогда делать, чтобы избежать разрушения? Разберемся вместе! 
Для начала нам нужно узнать причины возникновения процесса.

Как всем известно, бетон состоит всего лишь из нескольких основных компонентов. Коррозии поддается именно цементный камень под влиянием агрессивной среды.

Процесс разъедания начинается из-за нескольких условий и свойств, определяющих скорость разрушения бетонной конструкции:

• пористость и капиллярность
• вредные вещества, которые могут контактировать с бетонным раствором
• сопротивляемость бетона вредоносным веществам

Еще до эксплуатации объекта и начала разрушения цементного камня, у бетонной конструкции есть места структурных дефектов, где наиболее вероятно и запустится коррозийный процесс.

Условно такие дефекты разделяются на:

• макрополости

Присутствуют во всех конструкциях. Возникают из-за избытка воды, так как для повышения удобоукладываемости смеси жидкости добавляют от 20% до 30% больше, чем нужно для гидратации.

• микрополости

Появляются из-за процесса контракции, или же стяжения, в ходе гидратации цемента.

• площадь наименьшего контакта цемента с заполнителем

Подобный дефект возникает в местах, где водяная пленка на поверхности заполнителя утолщена. Участки наименьшего сцепления цементного камня с щебнем появляются из-за недостатка самой цементной смеси в бетоне при производстве и заливке. В итоге, это ведет к образованию щелей в верхней части конструкции, неплотностей и микротрещин под зернами щебня и арматурой.

Именно в местах дефектов и начинается бетонная коррозия, которая параллельно с эксплуатационными нагрузками увеличивает напряжение и ускоряет разрушение конструкции.

Коррозия же делится на несколько видов как раз по факторам воздействия на материал:

• Химическая
• Физическая
• Биологическая
• Радиационная

Все-таки стоит учесть, если мы говорим, о причинах разрушения бетона, что существует еще два: технологический и человеческий факторы. 

Технологический предполагает под собой  как качество бетонной смеси, ее производства и заливки, так и – конечной конструкции.

Словосочетание “человеческий фактор”  уже говорит само за себя – это совокупность всех недочетов, просчетов и ошибок сотрудников в проектировании, оценки условий эксплуатации объекта и неверно подобранная рецептура бетона.

Но подробнее мы расскажем о вышеперечисленных трех видах коррозии.

Химическое разъедание

Основными причинами химической коррозии бетона являются данные вещества:

• Соленая вода и грунтовая вода, содержащая кислоты
• Щелочная среда
• Сульфаты

У химического разъедания бетонных конструкций есть собственные типы в зависимости от материала, который воздействует на материал.

Коррозия первого типа 

Или же как ее еще называют – коррозия выщелачивания. Разрушение бетона в этом случае происходит путем вымывания водой компонентов цементного камня из сооружения – гидросиликата кальция.

Что же происходит с бетоном?

Из-за растворения вещества в бетоне нарушается химический баланс между составляющими бетона и жидкостью в порах и макрополостях, о которых мы рассказывали выше.

В конечном счете, коррозия снижает механическую прочность сооружения и постепенно приводит к разрушению.

Один из внешних признаков – белый налет. Если вы заметили появление налета на поверхности бетона, то процесс выщелачивания уже начался.

На скорость процесса коррозии первого типа влияют:

• плотность цементной смеси в бетоне
• количество макрополостей и трещин в конструкции
• концентрация солей в воде, которая контактирует с бетонным объектом

Не маловажным фактором является и сфера, в которой эксплуатируется сооружение. К примеру, данная коррозия наиболее часто возникает в бетонах гидротехнических и подземных объектов, так как они периодически или постоянно подвергаются контакту с водой. 

Коррозия второго типа

Процесс разрушения сооружения в этом типе уже не обусловлен контактом с водой и выщелачиванием, а затрагивает химическую реакцию различных веществ и компонентов в составе бетона.

Если в первом типе разрушение проходит постепенно из-за растворения гидросиликата кальция, то здесь коррозия образуется при контакте верхних слоев конструкции с агрессивной средой.

В ходе реакции обмена, когда стройматериал взаимодействует с внешними веществами, поверхность конструкции разрушается и образует остаточные продукты. Эти рыхлые массы не обладают никакими вязкими и прочностными качествами самого бетона. Более того, они с легкостью вымываются и растворяются из структуры объекта. 

Поэтому, как только остаточный продукт реакции смоется с бетона, процесс коррозии продолжается со следующим слоем до полного разрушения сооружения.

Различают две коррозии материала в данном типе:

Углекислотная

Возникает из-за взаимодействия с водой, которая содержит большой процент углекислоты. В уже затвердевшем бетоне образовывается защитная карбонатная пленка, но именно углекислота при воздействии на материал растворяет защитный карбонатный слой и снижает прочность бетонного объекта.

Магнезиальная

Возникает при реакции с морскими и грунтовыми водами, так как именно в них содержится высокий процент магнезиальных солей. Они вступают в реакцию и уменьшают количество щелочи в поровой жидкости. Чем меньше щелочи, тем больше нарушается химическое равновесие в составе бетона. А это уже ведет сооружение к коррозии первого типа, что увеличивает скорость разрушения.

Коррозия третьего типа

Разрушение в бетоне вызывает испарение воды и кристаллизацию солей в микрополостях и каппилярах бетона. Подобные процессы заставляют расширяться поры цементного теста и тем самым провоцируют образование трещин в бетонной конструкции.

На стройматериал влияет сульфатная химическая группа. Она снижает щелочность бетона и способствует растворению важных для бетона устойчивых алюминатов кальция. В конечном итоге, бетон начинает растрескиваться, а верхние слои отслаиваться.

В то время как бетонные конструкции подвергаются коррозии в результате химической реакции, стальная арматура во многих из этих конструкций подвергается коррозии в результате электрохимической реакции.

Самое большое воздействие на бетон оказывают именно химические процессы, которые протекают как в самом составе материала, так и вне его. Но конструкции разрушаются не только из-за подобных реакций. Поэтому продолжим!

Физическая коррозия

Причина физического разрушения всем вам известна – циклы замораживания-оттаивания сооружения.

Жидкость в затвердевшем бетоне продолжает реагировать на погодные условия. При низкой температуре вода в порах кристаллизуется и расширяется, а в жаркую погоду кристаллическая сетка распадается. А вот объем от расширения остается и заполняется воздухом. В дальнейшем начинаются образовываться трещины.

Поэтому объектам, которые находятся в условиях суровой зимы, требуется постоянный ремонт и обслуживание чаще, чем на территориях с менее агрессивной погодой.

Биологическая коррозия

Разрушение бетонных конструкций происходит из-за непосредственного взаимодействия и проникновения различных микроорганизмов: мхов, бактерий, грибков и так далее. Но также существуют и такие организмы, которые способны навредить объекту на расстоянии от него самого.

Биологическая коррозия бетона вероятнее всего образуется на территориях хозяйственной деятельности человека. В подобных местностях в атмосфере содержится большое количество влаги.

Радиационная коррозия

Название говорит само за себя. При радиационном облучении бетон начнет разрушаться, так как из конструкции начнет исчезать кристаллизованная жидкость. При постоянном воздействии радиации на материал кристаллические вещества начнут разжижаться. В итоге происходит все то же, что и при физической коррозии.

Защита от коррозии

Узнав существующие виды коррозии бетона, думается: “Как тогда можно защитить конструкцию от разрушения?”

В каком-то смысле это практически невозможно. Рано или поздно изначальная конструкция будет считаться аварийным жильем, из которого всех будут срочно переселять, если углубится в наши реалии.

Но существует ряд мер, помимо своевременного обслуживания и ремонта сооружений, которые позволяют отсрочить коррозийный процесс или вовсе его исключить.

Согласно установленному государственному ГОСТ №31384-2017, есть 3 этапа защиты бетонных и железобетонных конструкций от коррозии:

• Первичная
• Вторичная
• Специальная

Первичная защита

Стадия подготовки, выбора и оценки качества компонентов и материалов для строительства в определенной среде. А также соблюдение дополнительных расчетных и конструктивных требований при проектировании бетонных и железобетонных конструкций, в том числе обеспечение проектной толщины защитного слоя бетона и ограничение ширины раскрытия трещин.

Основная защита от коррозии – это добавление дополнительных веществ, которые позволят отсрочить разрушение бетонной конструкции. Применение различных добавок, которые повысят необходимые качественные характеристики. Выбор зависит от агрессивности и условий среды. Обычно используют такие вещества, как:

• сульфатно-дрожжевую бражку;
• мылонафт;
• кремнийорганическую жидкость.

Вторичная защита

На этой стадии должны предусматриваться дополнительные меры после заливки и затвердевания бетонного объекта, если первичная защита не работает. Заключается вторичная защита в покрытии различными веществами, которые могут противодействовать и нейтрализовать разрушающие химические реакции.

Чтобы избежать различных коррозий, верхний слой конструкции покрывают:

• лакокрасочными, в том числе толстослойными покрытиями
• оклеечной изоляцией
• обмазочными и штукатурными покрытиями
• облицовкой штучными или блочными изделиями
• уплотняющей пропиткой поверхностного слоя конструкций химически стойкими материалами
• обработкой поверхности бетона составами проникающего действия с уплотнением пористой структуры бетона кристаллизующимися новообразованиями
• обработкой гидрофобизирующими составами
• обработкой специальными препаратами - биоцидами, антисептиками и подобными веществами

Специальная защита

Специальные меры – это различные физико-химические методы, которые снизят агрессивное воздействие среды на бетон. К ним можно отнести:

• мероприятия, исключающие конденсацию влаги и понижающие концентрацию агрессивных веществ
• организация стоков, дренаж, электрохимическая защита

Оценка коррозии

Но исключать возможность появления коррозии все равно нельзя. Выявить на начальных стадиях разъедание крайне сложно сложно, ведь многие процессы, которые разрушают бетон, происходят внутри него. Поэтому давайте взглянем на нормы контроля и оценки коррозии.

При различных условиях среды (от неагрессивной и до сильноагрессивной) у бетона существует допустимая норма разрушения.

Допустимая глубина (см) разрушения бетона

Подобные дефекты в качественных и не пораженных коррозией бетонных конструкциях могут появиться за 50 лет эксплуатации. В случаях, когда разрушения превышают эти показатели, то сооружение подлежит ремонту или реконструкции, а также говорит о том, что внутри материала идет процесс коррозии.

Чтобы не запускать и выявить разъедание стройматериала и губительные химические реакции, образцы из бетонной конструкции отправляют в лабораторию на исследования. Отбор образцов бетона является ключевым процессом в оценке состояния железобетонных конструкций.

Типичный размер образцов, взятых из бетонных конструкций для лабораторных испытаний, составляет от 5 до 20 сантиметров. Недавние исследования показали, что, хотя образцы данного размера идеально подходят для работы в лаборатории, они часто показывают концентрации коррозионно-активного хлорида выше, чем более крупные образцы.

Конечно, дают точную оценку состояния железобетона только образцы размерами более метра. Однако работать с ними гораздо менее практично, что делает надлежащее тестирование более сложным и дорогим. Не говоря уже об уровне разрушения конструкции из бетона.

Но есть и другие, более современные способы в оценке коррозии. По мере старения зданий и разрушения бетона инженеры не перестают искать более дешевые и эффективные способы проверки на коррозию.

Новые методы и технологии контроля могут помочь получить более точные результаты и сократить расходы, связанные с другими методами обнаружения коррозии.

Только в 2017 году на рынке были представлены две системы, одна из которых установлена ​​на небольшом работе с бортовым поворотом, а другая — на тележке, которую можно буксировать по проезжей части. 

Обе эти системы обнаружения коррозии используют технологию машинного обучения и не требуют какого-либо человеческого вмешательства для получения результатов.

Система, устанавливаемая на робота, использует георадар и датчики удельного электрического сопротивления для обнаружения следов коррозии стали или разрушающегося бетона в мостах и ​​сооружениях. 

По результатам исследования кафедры гражданского строительства Университета Небраски в Линкольне, ученые разработали систему для обнаружения дефектов бетонных настилов мостов.

Система раннего предупреждения о коррозии в мостах основана на акустических свойствах. Подобный метод оказался более точной альтернативой другим тестам. Технология выявляет расслоение бетона, которое может повлиять на структурную целостность моста или конструкции, а также может быть вызвано коррозией арматуры. Система также дает гораздо более быстрые результаты, чем обычные методы тестирования, позволяя людям быстрее обнаружить расслоение и выполнить необходимый ремонт до того, как повреждение станет слишком значительным.

Избежать коррозии возможно только при тщательном контроле качества всего процесса от производства бетона до мер защиты, а также при своевременном обслуживании сооружения и контроле появления коррозии.