Карбонизация бетона – что это такое и как определить глубину?

Карбонизация бетона: влияние на долговечность конструкции

Прочностные характеристики бетона позволяют использовать его при строительстве несущих конструкций, которые подвержены высоким нагрузкам. Он прочен, долговечен и устойчив к перепадам температур, но, несмотря на это, бетон имеет один важный недостаток — карбонизацию.

Что такое карбонизация бетона

Это одна из самых распространенных причин разрушения бетонных и железобетонных сооружений. Этот процесс приводит к деформации поверхности и создает условия для возникновения коррозии металлической арматуры, используемой при строительстве.

Карбонизация — это процесс нейтрализации бетона под воздействием углекислого газа и влаги, поглощенных из окружающей среды. В течение этого процесса происходит постепенное изменение изначальных свойств материала — понижение щелочного баланса и образование карбоната кальция.

Общие сведения

Бетон — пористый материал, из-за чего он с легкостью впитываетСО2, который при взаимодействии с цементным камнем и клинкерными добавками, снижает щелочность жидкой фазы материала, что приводит к негативным последствиям.

Конструкции, имеющие в основании металлическую арматуру,в ходе карбонизации начинают корродировать, в результате чего появляется ржавчина, которая в свою очередь, приводит к нарушению целостности сооружения и снижению несущей способности.

Химические процессы

Процесс карбонизации начинается с момента изготовления материала и длится в течение всей эксплуатации. Происходит он следующим образом — в бетоне при контакте с воздушной средой, а именно кислотообразующими газами (углекислый газ), происходит сложная химическая реакция по превращению гидроксида кальция в карбонат кальция.

Углекислый газ проникает в поры бетонного основания и при воздействии влаги нейтрализует щелочную среду. В процессе реакции показатели рН снижаются с 12-12,5 до 9, в результате чего защитные свойства материала ослабляются, и появляется комфортная среда для развития коррозии.

Основные этапы образования ржавчины:

  • Диффузия СO2 через поры бетона.
  • Реакция и растворение СO2 в щелочной поровой жидкости.
  • Нейтрализация Ca(OH)2 полученной кислотой.

Насколько активным будет процесс карбонизации зависит от качества бетона и характеристик окружающей среды. Особое значение имеют следующие показатели:

  • Влажность воздуха.
  • Концентрация углекислого газа.
  • Пористость и проницаемость бетона.
  • Давление.
  • Температура окружающего пространства.

В результате реакции остаются продукты гидратного образования с побочными веществами — глинозем, гидратированный кремнезем, оксид железа.

Даже малый процент углекислого газа в воздухе запускает реакцию нейтрализации бетона.

Интенсивность течения

Скорость течения процесса напрямую зависит от показателей влажности воздуха:

  • В пределах 25% и около 100% — минимальная скорость;
  • от 50% до 60% — максимальные значения.

Недостаток влаги или ее избыток практически нейтрализуют процесс карбонизации. При минимальных значениях влаги не достаточно для начала запуска реакции, а при максимальных — снижается способность диффузной проницаемости.

Глубина карбонизации бетона

При проведении оценки надежности бетонной конструкции проводится определение глубины карбонизации. Подданным определением понимается расстояние от поверхности конструкции до границы перехода рН с кислого на щелочной.

При нормальных условиях коррозия может продвигаться вглубь на4-5 мм ежегодно или оставаться в пассивном состоянии. При наличии разрушенных участков или оголенной арматуры процесс ускоряется и может достигать 20 — 30 мм в год.

Как определить степень карбонизации бетона

Степень и глубина может определяться разными методами, например:

  • Рентгенодифрактометрией.
  • Инфракрасной спектроскопией.
  • Микроскопией.
  • Дифференциально-термическим анализом.
  • Химическим анализом.
  • Электрохимическим методом.
  • Определение с помощью индикаторов.

Чаще всего применяют тесты индикаторного типа в сочетании с карбометрическими физико-химическими способами.

Для выявления поврежденного участка вычисляется степень перехода бетона в форму карбоната, а для определения глубины процесса проводятся обследования объекта, в ходе которых используют колориметрический метод — нанесение 0,1% спиртового раствора фенолфталеина.

Средства для оценки

Лабораторные исследования по измерению степени карбонизации проводят в несколько этапов:

  • Образцы бетона покрывают изолирующими материалами, например, эпоксидной или акриловой смолой, затем помещают в эксикаторы под раствор хлорида натрия.
  • Спустя два дня образцы вынимают и измеряют диаметр, результаты заносятся в специальный журнал, где отмечают площадь каждого образца.
  • Далее образцы раскалывают и проводят оценку глубины проникновения раствора, именно она показывает способность конкретного материала подвергаться карбонизации.

Применение фенолфталеина

Раствор фенолфталеина используется в качестве индикаторного теста для выявления поврежденных участков и глубины проникновения коррозии.

Поверхность смачивается бесцветным 0,1% раствором фенолфталеина и по изменению его оттенка измеряется степень проникновения. Пробы снимаются только на свежем сколе.

При наличии щелочной среды (рН>8,3) бесцветный раствор меняет цвет на малиновый,в кислотной среде (рН

Способы восстановления бетона

Есть два основных способа защиты и восстановления бетонной поверхности — это снижение способности бетона к окислению и влагопоглощению и укрепление конструкции путем физико-химической обработки.

Замедлить процесс можно при применении специальных защитных покрытий, которые имеют хорошие показатели водопроницаемости и отличаются высокими коэффициентами сопротивления к диффузии углекислого газа — полиуретановые, акриловые и эпоксидные смолы, силиконы, силоксаны и т.п.

Для замедления процесса используется подщелачивание бетона, выполняется оно двумя способами:

  • Электрохимическое воздействие при помощи проводников с катодами. Позволяет восстановить щелочной баланс материала и обеспечить пассивное состояние металлической арматуры.
  • Восстановление щелочности в процессе ионной диффузии. На бетонное основание наносится высокощелочной раствор, который стимулирует оптимальный химический баланс для поддержания прочности материала.

Эти методы замедления процесса карбонизации являются профилактическими. В качестве же капитальной меры производится полное удаление и замена дефектной части — поврежденные слои снимаются, тщательно зачищаются, затем поверхность обрабатывается изолирующим покрытием.

Прогнозирование карбонизации

Для предупреждения возникновения разрушения будущей постройки проводится комплексное обследование конструкции.

Первоначальное прогнозирование происходит на этапе проектирования.

Прогнозирование опирается на следующие данные:

  • Условия внешней среды — температура, влажность, давление, концентрация кислотных газов.
  • Изначальные свойства материала— показатели прочности, влагостойкости и паропроницаемости.
  • Степень гидратации цемента.
  • Динамика изменений свойств материала— измеряется в ходе эксплуатации.

На основе полученных данных проводится обследование конструкции и последующее прогнозирование, которое позволяет определить текущее состояние бетона и его антикоррозийные свойства.

Преимущества карбонизации

Процесс приводит к изменению изначальных свойств бетона, и несмотря на то, что он создает условия для коррозии арматурных конструкций, у него есть несколько преимуществ:

  • Повышение плотности бетона за счет образования карбоната кальция.
  • Увеличение водостойкости и газонепроницаемости за счет снижения объема пор.
  • Повышение прочности материала на 20 — 50%(в зависимости от марки бетона).

Карбонизация не влияет на прочность и долговечность бетонных сооружений, она оказывает пагубное влияние только на арматуру.

Карбонизация — частая причина разрушения построек из бетона, она снижает технические свойства материала, приводит к деформации поверхности, а самое главное — создает условия для возникновения коррозии стальных элементов конструкции.

Важно проводить прогнозирование и своевременную диагностику поверхности, чтобы в случае возникновения опасности принять меры по укреплению сооружения и замедлению процесса окисления бетона.

Карбонизация бетона — что это такое и как определить его глубину, а так же восстановить бетон

Ухудшение эксплуатационных свойств конструкций из бетона может объясняться массой факторов. В большинстве случаев они связаны с негативным воздействием окружающей среды, из-за которых происходит карбонизация бетона. Подобный процесс способствует деформации защитных поверхностей объекта и запускает его глубинное разрушение.

Общие сведения о карбонизации

Характер разрушительных явлений и время их появления зависят от внешних условий. Так, иногда следы деформации видны уже через пару недель с момента заливки бетонной смеси. Чтобы избежать их, нужно вовремя задействовать все меры по защите объекта.

Химические процессы

Любые конструкции из бетона или железобетона подвергаются воздействию кислых газов. При этом углекислая среда характеризуется большей концентрацией, поэтому она приводит к более разрушительным последствиям.

Под карбонизацией бетона рассматривается нейтрализация пористой структуры путем поглощения следующих веществ:

  1. Кислород.
  2. Влага.
  3. Углекислый газ.

При наличии армированных элементов в конструкции они подвергаются коррозийным процессам и образованию ржавчины. Чистая бетонная смесь тоже карбонизируется, поскольку воздействие углекислого газа распространяется на цементный песок и клинкерные добавки.

При минимальном содержании CO2 в атмосфере происходят процессы нейтрализации, а их степень определяется влажностью воздуха, давлением и температурой.

Интенсивность течения

Самая высокая степень карбонизации замечается при повышении влажности воздуха до 50-60%. В порах бетонных конструкций содержится пленочный конденсат, который способствует протеканию негативных процессов. При этом, если влажностной режим держится на уровне 25%, вероятность развития карбонизации становится минимальной.

Понятие глубины карбонизации

Глубина карбонизации считается главным показателем, описывающим характер протекания этого процесса.

Под воздействием воздуха подобная реакция замедляется, т.к. бетон меньше подвергается насыщению влагой. Так, если содержание цемента в конструкции достигает 250 г/м³, а концентрация воды с цементной смесью равна 0/60, то за 1 год использования процесс будет продвигаться на 5-6 мм.

В поврежденных изделиях с армированными стержнями показатель возрастает до 30 мм/год.

Еще существует явление локальной карбонизации, которая связана с величиной зерен наполнителя. Если она неравномерная из-за отклонений от технологии производства, разрушительные процессы будут протекать быстрее.

Определение глубины

Существует ряд технологий и методов оценки глубины карбонизации бетона. В большинстве случаев строители задействуют специальные индикаторы. Роль единицы измерения выполняет интенсивность обретения камнем цемента карбонатной формы. Подобное явление не зависит от глубины карбонизации, но позволяет составить точную характеристику процесса.

Средства для оценки

Чтобы определить, что такое карбонизация, как ее измерить, потребуется подготовить специальные емкости, напоминающие эксикаторы. В качестве заготовок применяются бетонные образцы в форме цилиндра с толщиной 5 см. Поверхность конструкции обрабатывают эпоксидной смолой для получения изоляционного слоя, а потом помещают в эксикатор, где она выдерживается под воздействием хлорида натрия в течение 2 суток.

Дальше с помощью штангенциркуля выполняется повторное снятие показателей, а результаты измерений вносятся в журнал с указанием площади обрабатываемой поверхности.

Потом образец погружается в сосуд для оценки кинетического влияния при процессе карбонизации. Испытанный бетонный материал быстрее деформируется, поэтому, если расколоть его, можно получить точные сведения о глубине проникновения смеси. Подобными методами выполняется определение значений CO2.

Применение фенолфталеина

Если нужно оценить изделие из бетона на предмет наличия дефектов, понадобится задействовать маркирующие приспособления. В большинстве случаев применяется фенолфталеиновый раствор. Оказываясь под воздействием кислотной среды, материал получает лактоновую структуру и лишается оттенка.

Однако после перехода в щелочную группу происходит появление контрастного фиолетового или красного цвета. Карбонизация фенолфталеином происходит после опрыскивания образца смесью из 1000 мл рабочего вещества и 2 промывалок по 250 г.

Методы восстановления бетона

Для восстановления деформированных под воздействием карбонизации конструкций потребуется выполнить комплексную профилактику или капитальную реконструкцию с заменой поврежденных элементов. Независимо от выбранной технологии, важно руководствоваться принципом восстановления и сохранения пассивного состояния материала.

Все технологии защиты направлены на сокращение влагопоглощения и окисления бетона для дальнейшего укрепления его целевой структуры.

Существует несколько методов, которые дают положительные результаты в сжатые сроки:

  1. Наращивание толщины слоя защиты с помощью особых составов грунтовки.
  2. Удаление слоя карбонизации путем механической обработки.
  3. Работа со щелочностью бетона с помощью электрохимического воздействия.

Прогнозирование

Своевременное определение карбонизации позволит избежать разрушительных процессов и защитить бетонную конструкцию от деформации. В большинстве случаев прогнозирование назначается для инженерных сооружений из железобетона, которые подвергаются интенсивным нагрузкам извне.

В их числе:

  1. Опоры и колонны.
  2. Гидротехнические сооружения.
  3. Элементы перекрытий.

Надежность перечисленных конструкций зависит от массы внутренних и наружных факторов. Процесс оценки материала заключается в проверке гидратации цемента и динамики изменений свойств материала.

Несмотря на повышенные показатели прочности, бетон является достаточно нестабильным строительным материалом, который остается уязвимым к негативным воздействиям окружающей среды. Чтобы избежать карбонизации, способствующей деформации бетонной структуры, важно правильно замешивать смесь из исходного сырья и вовремя обслуживать конструкцию при появлении первых признаков негативного процесса.

РУП “Белстройцентр”

В статье приведена методика расчета глубины карбонизации бетона железобетонных мостовых конструкций. Представлен программный продукт для оценки коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций.

ВВЕДЕНИЕ

Коррозия стальной арматуры мостовых конструкций является основной причиной явно недостаточной долговечности железобетонных мостов. В серии работ, посвященных коррозионному состоянию железобетонных мостовых конструкций [1–5], показано, что основными причинами депассивации стальной арматуры с последующей ее коррозией является карбонизация бетона на всю толщину защитного слоя или накопление хлор-ионов в приарматурной зоне бетона сверх критической концентрации. И если накопление хлор-ионов в защитном слое бетона – несколько специфический процесс, требующий наличия (что не всегда имеет место) раствора солей-хлоридов на поверхности конструкций, то нейтрализация бетона защитного слоя – процесс неизбежный, обусловленный наличием в воздухе углекислого газа, а в поровой жидкости бетона – гидроокиси кальция. В связи с этим, в данной статье авторы уделяют особое внимание именно влиянию карбонизации бетона на коррозионное состояние стальной арматуры и возможности прогнозирования этого процесса.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Следует отметить обстоятельность подхода авторов перечисленных работ [1–5] к оценке коррозионного процесса. Ими показана достаточно убедительная картина коррозии, заострена сама проблема, разработана система прогнозирования коррозии арматуры, базирующаяся на диффузионном характере переноса агрессивных ионов в теле бетона. Математический аппарат прогноза основывается на известных, подтвержденных практикой аналитических зависимостях.

Читайте также:  Пенообразователь для пенобетона: характеристики, состав, рецепт

Прогноз опирается на результаты, полученные в процессе обследования железобетонных конструкций на каком-то этапе эксплуатации автодорожных мостов: величины глубины карбонизации бетона, толщины защитного слоя бетона. А далее рекомендуется оценивать срок службы конструкции, рассматривая полученные данные как случайные факторы. Такая система прогноза весьма удобна, поскольку фактически учитывает уже реальные интегрированные эксплуатационные условия и косвенно – структурные особенности бетона, оцениваемые диффузионными характеристиками для углекислого газа. Однако она нуждается в совершенствовании путем дополнения прогноза и на стадии изготовления конструкции.

Долговечность железобетона определяется как внешними (условия эксплуатации), так и внутренними (структура бетона) факторами. Закладывается она уже на стадиях проектирования состава бетона и реализации технологических приемов формования и твердения конструкции. Именно направленное структурообразование может и должно служить основой получения железобетонных конструкций заданной долговечности, а структурные особенности бетона – основой системы прогноза коррозионного состояния стальной арматуры.

Если реализовывать идею прогноза долговечности еще на стадии изготовления железобетонных конструкций, то необходимо получение соответствующих достоверных аналитических зависимостей для расчета на основе состава бетона не только морозостойкости и водонепроницаемости, но и предположительных диффузионных характеристик. Современные представления, развивающиеся в бетоноведении, позволяют это сделать. Но при этом нельзя ограничиваться традиционными влияющими факторами (основными из которых обычно являются водоцементное отношение и расход цемента), поскольку они постоянны и не изменяются во времени. Описать свойства бетона, изменяющиеся во времени, можно только с привлечением такого динамичного параметра, как степень гидратации цемента. Именно степень гидратации вкупе с традиционными влияющими факторами определяет динамику изменения структуры цементного камня и бетона, а, следовательно, и их коррозионную стойкость.

Сама степень гидратации цемента находится в достаточно сложной, но поддающейся математическому описанию функциональной зависимости от множества факторов – свойств цемента, водосодержания цементного теста, вида и количества введенных химических добавок, условий и времени твердения и др. [6]. В свою очередь, знание степени гидратации цемента позволило получить аналитические зависимости для расчета эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне [7].

Предлагается модель прогнозирования коррозионного состояния железобетона еще на стадии проектирования состава бетона (рис. 1), основывающаяся на классических представлениях деградации защитного слоя [8, 9]. Она базируется на концепции – долговечность железобетонных конструкций определяется продолжительностью пассивного состояния стальной арматуры. При активации стали и начале ее коррозии дальнейшая эксплуатация железобетона практически не поддается прогнозу и связана с определенным риском. Переход стальной арматуры из пассивного состояния в активное определяется временем достижения фронтом прокарбонизированного бетона поверхности арматуры (зависит от структурных особенностей бетона и эксплуатационных условий). Толщина защитного слоя бетона является решающим фактором, влияющим на продолжительность так называемого инкубационного периода коррозии.

Рис. 1. Схема прогнозирования коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций

ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ

Логическим завершением разработанной многофакторной математической модели прогнозирования коррозионного состояния железобетонных конструкций является создание инструмента для ее инженерной реализации. При ручном обсчете многофакторных моделей (см. рис. 1) оперативный учет всех влияющих параметров весьма трудоемок, а зачастую и практически невозможен. Наиболее комфортные условия для расчетов предоставляет программный продукт (основные окна представлены на рис. 2). Он учитывает как внутренние влияющие факторы, определяемые структурными особенностями бетона (общая, гелевая и капиллярная пористость, эффективные коэффициенты диффузии углекислого газа, активирующих и ингибирующих коррозию стали ионов), так и внешние (температурно-влажностный режим и продолжительность эксплуатации, концентрация агрессивной среды).

Рис. 2. Последовательность расчетов коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций

После выбора компонентов бетонной смеси (см. рис. 2, этап I) реализуется многофакторное проектирование состава бетона (см. рис. 2, этап II) с учетом (кроме традиционных параметров) вида и количества вводимых пластифицирующих добавок, добавок-ускорителей твердения и добавок, ингибирующих процесс коррозии стали. Затем переходят к реализации этапа III (см. рис. 2): вводят условия и длительность эксплуатации конструкций и в результате расчетов получают графики кинетики карбонизации бетона, накопления хлор-ионов в приарматурной зоне, а также изменения критической концентрации хлор-ионов. В конечном итоге рассчитывают длительность пассивного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций. И если она меньше заданного срока эксплуатации, то опять возвращаются к этапам I или II (см. рис. 2), изменяя свойства компонентов бетонной смеси и пересчитывая состав бетона.

АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ

Оценим достоверность расчетов глубины карбонизации бетона, осуществляемых по предлагаемой схеме. Необходимо отметить, что обычно описываемые в литературе данные (как, впрочем, и ниже приведенные) не содержат исчерпывающих сведений о свойствах компонентов бетона, об условиях твердения и о других, важных для прогноза параметрах, что снижает надежность сопоставления.

В таблице 1 представлены фактические значения глубины карбонизации бетона, приведенные из литературных источников, и рассчитанные по предложенной модели прогноза. Нетрудно убедиться в том, что расчет дает вполне приемлемые с практической точки зрения результаты.

Таблица 1. Сравнительные величины глубины карбонизации бетона

Расход цемента, кг

В/ЦГлубина карбонизации бетона, ммФактическаяРасчетная

С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь (50 лет эксплуатации)

4770,4017,014,74100,4519,020,13720,5028,027,03440,5533,533,23200,6038,049,9

Л. А. Вандаловская, В. И. Бабушкин (1,5 года эксплуатации)

2700,7012,010,53000,6010,07,53900,505,55,05160,402,02,66950,300,00,83860,556,56,54330,505,04,64920,454,53,45670,402,02,26650,350,01,37780,300,00,8

В ГП «БелдорНИИ» проведены достаточно обширные натурные исследования прочности бетона на сжатие (таблица 2) и глубины карбонизации бетона (рис. 3) в железобетонных конструкциях автодорожных мостов Республики Беларусь. На рис. 3 нанесены также результаты расчета глубины карбонизации бетона по описанному выше программному продукту. К сожалению, результаты обследования мостов не дают информации о материалах, использованных при строительстве и составах бетона. В связи с чем авторы статьи по прочностным характеристикам (см. таблицу 2) рассчитывали составы бетона для цементов марок 400 и 500, а затем оценивали глубину карбонизации бетона. Следует отметить, что результаты достаточно удовлетворительны, что подтверждается и статистическими выкладками. Так, коэффициент вариации отклонений расчетных данных от фактических составил 26 %, что, по мнению авторов, вполне приемлемо для практических расчетов. Имеющие место отклонения легко объясняются тем, что много факторов, заложенных в программную модель, попросту не учтены, например, вид цемента, концентрация углекислого газа, влажностное состояние бетона, атмосферные осадки и др.

Таблица 2. Результаты обследования мостов

№ ппГод постройкиВид бетонаСпособ определения прочности бетона на сжатиеПрочность бетона на сжатие, МПа
11962МонолитныйГПНВ-540,0
21963-1965СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 32,1
31955СборныйГПНВ-532,1
41956СборныйГПНВ-538,5
51960-1963СборныйИспытание образцов40,4
61988-1989СборныйСклерометр Шмидта44,9
71970СборныйСклерометр Шмидта51,3
81978СборныйГПНВ-5Не менее 42,2
91966СборныйГПНВ-5Не менее 43,7
101969МонолитныйГПНВ-5Не менее 33,6
111961СборныйГПНВ-5Не менее 40,5
121969СборныйИспытание образцов32,1
131974СборныйГПНВ-5Не менее 43,6
141957МонолитныйГПНВ-517,3
151970СборныйГПНВ-5Не менее 59,5
161975СборныйГПНВ-5Не менее 34,6
171970СборныйГПНВ-542,2
181959-1960СборныйГПНВ-538,5
191972СборныйСклерометр Шмидта19,2
201984СборныйГПНВ-532,1
211972СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 39,7
221954СборныйГПНВ-5Не менее 25,6
231951-1952МонолитныйСклерометр Шмидта25,9
241977-1979СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 33,3
251973СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 26,9
261958-1959СборныйГПНВ-538,5
271965-1966СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 57,7
281991СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 57,7
291968-1969СборныйГПНВ-532,1
301954-1955СборныйГПНВ-5Не менее 44,9
311962-1963СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 76,9
321975СборныйСклерометр ШмидтаНе менее 32,1
331977-1985СборныйГПНВ-5Не менее 57,7

Рис. 3. Фактическая и расчетная глубина карбонизации бетона в железобетонных автодорожных мостах Республики Беларусь

Коснемся также вопроса корреляции прочности бетона и глубины карбонизации бетона, построенной по данным обследования (рис. 4). Как известно, на их взаимосвязи основывается назначение классов по условиям эксплуатации конструкций. К сожалению, тесная взаимосвязь отсутствует, хотя тенденция увеличения интенсивности карбонизации бетона со снижением его прочностных характеристик налицо.

Рис. 4. Зависимость фактической глубины карбонизации бетона от его прочности

Для сопоставления фактических величин карбонизации с расчетными воспользуемся также данными, приведенными и систематизированными в [10]. На фактические данные глубины карбонизации бетона защитного слоя автодорожных мостов и путепроводов, взятые авторами работы [10] из отчетов «БелдорНИИ» для бетона с водоцементным отношением от 0,4 до 0,5 при расходе цемента от 380 до 420 кг/м 3 , авторами [10] наложены результаты расчетов (для усредненных величин В/Ц и расхода цемента) по различным моделям, предложенным зарубежными исследователями (рис. 5). Авторы данной статьи дополнительно на рис. 5 привели результаты расчетов по общеизвестной формуле К. Кишитани, номограмме, предложенной Н. К. Розенталем [9], а также по предлагаемой методике прогнозирования (см. рис. 1). Обобщенный анализ позволяет сделать вывод о том, что ни одна из моделей не дает возможности с высокой достоверностью рассчитывать глубину карбонизации бетона на всем периоде эксплуатации, что легко объясняется множеством не учитываемых при прогнозе факторов. Отчасти можно констатировать, что для больших сроков эксплуатации фактические данные представляются несколько завышенными и не вписываются в классические представления о зависимости глубины карбонизации от корня квадратного из времени. В целом же расчет по программному продукту достаточно достоверен.

Рис. 5. Глубина карбонизации бетона (х) с водоцементным отношением 0,44 и расходом цемента 400 кг/м 3 в зависимости от времени эксплуатации (t)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методика прогнозирования долговечности железобетонных мостовых конструкций на стадии их изготовления вполне достоверна. А разработанный на ее основе программный продукт может быть, по мнению авторов, удобным инструментом для направленного модифицирования состава бетона с целью изготовления железобетонных конструкций с заданной долговечностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев, А. И. Оценка коррозионного износа рабочей арматуры в балках пролетных строений автодорожных мостов / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2000. – № 2. – С. 20–23.

2. Васильев, А. И. Прогноз коррозии арматуры железобетонных мостовых конструкций при карбонизации защитного слоя / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2001. – № 3. – С. 16–20.

3. Васильев, А. И. О выборе толщины защитного слоя бетона мостовых конструкций / А. И. Васильев, А. С. Бейвель, А. М. Подвальный // Бетон и железобетон. – 2001. – № 5. – С. 25–27.

4. Васильев, А. И. Прогноз коррозии арматуры железобетонных конструкций автодорожных мостов в условиях хлоридной агрессии и карбонизации / А. И. Васильев, А. М. Подвальный // Бетон и железобетон. – 2002. – № 6. – С. 27–32.

5. Васильев, А. И. Вероятностные оценки срока службы эксплуатируемых автодорожных мостов в условиях коррозии арматуры / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2003. – № 2. – С. 17–20.

6. Бабицкий, В. В. Прогнозирование степени гидратации цемента с химическими добавками / В. В. Бабицкий // Материалы, технологии, инструменты. – 2005. – № 1. – С. 76–79.

7. Бабицкий, В. В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона / В. В. Бабицкий // Строительная наука и техника. – 2005. – № 2. – С. 33–38.

8. Алексеев, С. Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С. Н. Алексеев, Ф. М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. – М.: Стройиздат, 1990. – 320 с.

9. Алексеев, С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной производственной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. – М.: Стройиздат, 1976. – 205 с.

10. Расчет срока службы железобетонных конструкций в условиях коррозии карбонизации. Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров: сб. науч. ст. / Гродн. гос. ун-т им. Я. Купалы; редкол.: Т. М. Пецольд (отв. ред.) [и др.] / О. Ю. Чернякевич, С. Н. Леонович. – Гродно: ГрГУ, 2010. – С. 369–375.

Определение прочности бетона – испытание бетона на прочность лаборатория с помощью ультразвука

Если отсутствуют результаты статических расчетов обследуемой конструкции, то для определения действительного состояния объекта необходимо иметь все технические параметры, это – определение прочности бетона (статическая схема, нагрузки, размеры сечений несущих конструкций, армирование и т. д.).

Но если все же имеются расчеты сооружения, то следует сконцентрировать внимание на фактах, которые свидетельствуют об отклонениях от проекта. При выборе участков контрольных замеров можно ограничиться местами, находящимися под наибольшим воздействием нагрузок. Если обследование даст удовлетворительные результаты, то нет необходимости проверять конструкции в целом при условии, что не возникает сомнений относительно других мест, где могут иметься повреждения. Если размеры сечений соответствуют проектным данным, то нагрузку от собственной массы конструкции принимают по проектным данным.

Читайте также:  Провод для прогрева бетона: виды, монтаж
Определение прочности бетона

Определение прочности бетона – испытание бетона на прочность в лаборатории при определении полезных нагрузок. При определении полезных нагрузок в большинстве случаев можно ограничиться проверкой, совпадают ли фактические и принятые в проекте нагрузки.

После определения размеров поперечных сечений и нагрузок, необходимо определить прочности бетона и действительные свойства материалов и в первую очередь их фактическую прочность.

Сбор данных для оценки состояния строительного объекта. Заложенная в проекте марка бетона является контрольной величиной, которая на практике может отклоняться в любую сторону.

Фактическую прочность бетона можно определить путем вырезания достаточного числа проб в местах, испытывающих наибольшее напряжение. В случае, если трудно взять пробы кернением, например при очень плотном армировании или если имеется опасность значительного ослабления наиболее напряженных мест, можно провести испытание без разрушений бетона с помощью эталонного молотка или же по отскоку шарика. Оба этих метода испытания заложены в DIN 1048. Преимущества этих способов заключаются в том, что имеется возможность провести их с незначительными затратами и во многих местах. Недостатком является необходимость в получении тарированной зависимости, которую в каждом случае получают по испытанию проб бетона, изымаемых из строительного объекта.

При испытании бетона на прочность в лаборатории, имеющего повреждения от пожара, следует также помнить, что снижение прочности, как правило, происходит на внешнем слое. В этом случае поверхностные методы обычно дают заниженные результаты.

Карбонизация бетона

Карбонизация бетона – глубина карбонизации бетона определяется нанесением фенолфталеинового раствора на свежий скол бетона. Область, в которой имеется значение рН=8,3, обеспечивает защиту стали от коррозии и окрашивается в красный цвет; если бетон остается неокрашенным, то, следовательно, в этой области произошла его карбонизация и создается реальная опасность коррозии стали.

Поражение хлоридами

Хлориды, проникшие в бетон из растворов, предотвращающих обледенение, или же при сгорании во время пожаров поливинилхлоридных материалов, нарушают коррозионную защиту стали, разрушая окружающий ее щелочной цементный слой, что может быть выявлено методами индикации как и при обнаружении карбонизации.

На свежий скол наружной поверхности бетона наносятся 1 % – ный раствор нитрата серебра, а затем 5 % – ный раствор калиево – хромовой кислоты. Области, содержащие хлориды, окрашиваются в желтый цвет, а области, не содержащие их,- в коричневый. Допустимое содержание хлоридов в бетоне составляет примерно 0,4 % его массы. При положительной реакции действительное содержание хлоридов определяется лабораторным путем по взятым контрольным пробам.
Прочие агрессивные химические вещества.

Если возникает подозрение о наличии в бетоне химических веществ, которые могут отрицательно воздействовать на долговечность стали или бетона, то берут пробы бетона для лабораторного исследования.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАРБОНИЗАЦИИ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ БЕТОНА.
Бетон в процессе эксплуатации сильно карбонизируется, т.е. вначале на поверхности конструкции (имеющей непосредственный контакт с окружающей воздушной атмосферой), а затем в защитном слое образуется слой кальцита СаСо 3. Кроме того, стенки пор (пустот) каркаса прочного цементного камня под воздействием продуктов реакции первичной гидроокиси кальция Са(ОН) 2 с углекислым газом СО 2 также начинают покрываться слоем кальцита. Новообразования вызывают дополнительные напряжения в структуре цементного камня, приводящие к микротрещинам в теле бетона, через которые начинают проникать молекулы воздуха. Особенно этот процесс активизируется во влажной холодной среде. При понижении температуры растворимость извести увеличивается. Жидкая фаза, обогащенная гидроокисью кальция, мигрирует к охлажденной поверхности бетона и особенно к контактной зоне. Кристаллизация новых порций извести в сформировавшейся микроструктуре вызывает образование зазоров и разрушение бетона. В зазоры устремляется вода, оказывающее дополнительное расклинивающее действие. На этих участках и происходит наиболее быстрая карбонизация гидроокиси кальция (извести) с образованием конкреций кальцита СаСо 3, покрывающим поверхность бетона. Процесс выщелачивания, т.е. постепенная замена активной извести Са(ОН) 2, обладающей защитными свойствами по отношению к арматуре, на кальцит СаСО 3 и дополнительное образование микротрещин в защитном слое бетона приводят к непосредственному контакту стальной арматуры с молекулами кислорода О 2, и, как следствие, к коррозии арматуры. Обычными продуктами коррозии являются окисные минералы ржавчины – гематит, маггемит, гетит и магнетит.
Для анализа щелочности бетонной среды используется индикаторный 1% раствор фенолфталеина в 90%-процентном этиловом спирте. После проведения испытания прочности бетона методом отрыва со скалыванием на свежий скол бетона наносится небольшое количество индикаторного раствора. Индикаторный раствор работает при значениях концентрации водородных ионов РН в интервале 8,3-10,5, т.е. в щелочной области. Область перехода окраски от бесцветного до ярко-малинового на сколе бетона определяет глубину слоя, сохраняющего защитные щелочные свойства по отношению к стальной арматуре.

Проведение исследований с помощью ультразвука, измеряя время прохождения ультразвуковых волн через строительный элемент, можно получить данные о неравномерной плотности бетона, особенно о скрытых под наружным слоем пустотах, неплотных участках и т. п.

Исследование с помощью рентгеновских или гамма – лучей. Плотность и однородность бетона определяются по такому же принципу, как и при использовании ультразвука, но с помощью рентгеновских или гамма – лучей. Аналогичным образом определяется содержание арматурной стали. Проведение подобных исследований требует немалых затрат. Эти методы в ряде случаев трудно применимы, а область их действия ограничена. Определять фактическую прочность бетона с помощью рентгеновских или гамма – лучей целесообразно лишь при высоких напряжениях в строительных элементах, если имеется подозрение о наличии внутренних повреждений, еще не видимых извне, которые могут привести к крупным разрушениям, а также для подтверждения результатов, полученных другими методами.

Качество арматурных сталей, единственной возможностью определения механических характеристик арматурных сталей, особенно после пожаров, является отбор небольших образцов арматурных стержней и испытание их в лабораторных условиях.

Естественно, эти образцы следует отбирать по возможности в тех местах, где обусловленное этим уменьшение поперечного сечения арматуры не приведет к ослаблению конструкции.

Расположение арматурных стержней и защитного слоя бетона при соответствующем их диаметре может быть определено с помощью электромагнитного прибора. Этот прибор определяет положение арматуры и расстояние до нее от поверхности бетона.

При недостаточном защитном слое бетона можно использовать сильный магнит, чтобы установить расположение арматуры и затем выявить места с недостаточным бетонным покрытием. Заполнения каналов для напрягаемой арматуры. Сильное повреждение напряженных арматурных пучков в недостаточно заполненных цементным раствором каналах требует в большинстве случаев дополнительной проверки состояния этих каналов. Простым методом такой проверки является следующий: осторожное высверливание стенок каналов и введение через них оптического прибора. С помощью этого прибора можно определить положение и размеры пустот, а также состояние арматуры.

Начинать обследование следует с наиболее уязвимых мест, таких, как изгибы и места стыков арматуры, расширения каналов и т. д. В открытых каналах пустоты можно обнаружить с помощью нагнетания воды или воздуха. Другим, более дорогостоящим, но иногда применяемым методом является просвечивание конструкции рентгеновскими лучами. Часто оба этих метода применяются совместно.

Своевременное обнаружение мест коррозии стальной арматуры (особенно в каналах) может осуществляться с помощью измерения разности потенциалов. Этот метод измерения в течение нескольких лет успешно применяется в определение прочности бетона .

для обнаружения мест активного корродирования арматуры, особенно при обследовании мостовых сооружений. При этом наружная поверхность бетонного сооружения обследуется с помощью эталонного электрода, разность потенциалов измеряется между арматурными стержнями, используемыми как измерительный электрод, и располагаемым над поверхностью бетона эталонным электродом. Контакт с арматурой осуществляется при помощи клемм, закрепляемых на оголенных и зачищенных участках арматуры.

Перед началом измерений внешнюю поверхность бетона следует тщательно высушить, чтобы избежать сильных колебаний показаний прибора из – за неравномерной влажности бетона. В качестве измерительного прибора применяется малогабаритный милливольтметр на батарейном питании.

Изменение действующих нагрузок и размеров поперечных сечений

При производстве обследований сооружения, испытание бетона на прочность может оказаться, что первоначально рассчитанная несущая способность конструкции не обеспечивается. Это можно объяснить изменившимися условиями эксплуатации, а также нагрузками, не предусмотренными ранее. В большинстве случаев нет необходимости повторного определения размеров поперечных сечений для установления соответствия их принятым в проекте. Как правило, можно исходить из условия, что заложенные в проекте размеры поперечных сечений сооружения соблюдены полностью. Но может случиться так, что за время эксплуатации сооружения произошло ослабление поперечного сечения в результате образования трещин, коррозии и т. д., которое при определении надежности конструкции должно быть учтено.

Благодаря образованию трещин может произойти искривление формы конструкции и, следовательно, изменение распределения нагрузок или изменение статической схемы.

Предложите другие виды сотрудничества. Хорошо!

Усадка за счет карбонизации бетона

Кроме усадки при высыхании бетон подвергается усадке за счет карбонизации. Это явление было обнаружено только в последнее время и в большинстве имеющихся экспериментальных данных по усадке, величина усадки при высыхании включает в себя и усадку при карбонизации бетона. Однако природа усадки при карбонизации и высыхании совершенно различна.

Углекислый газ СО2, имеющийся в атмосфере, в присутствии влаги вступает во взаимодействие с продуктами гидратации клинкерных минералов. Это взаимодействие происходит даже при малых концентрациях СО2 в атмосфере, где парциальное давление СО2 около ЗХЮ

4 атмосферы; в непроветриваемой лаборатории парциальное давление может составлять до 12X10

4 ат. Степень карбонизации увеличивается, с увеличением концентрации СО2 в воздухе.

В присутствии СО2 карбонизуется Са(ОН)2 бетона до СаСОз, в такие же реакции вступают и некоторые другие продукты гидратации цемента. Эти реакции могут протекать при низких концентрациях СО2 в атмосфере, однако глубина карбонизации незначительна и медленно увеличивается во времени.

Степень карбонизации легко определяется при обработке свежего излома бетона фенолфталеином, при этом Са(ОН)2 приобретает малиновый цвет, в то время как карбонизован-ный участок бетона не окрашивается. Степень карбонизации зависит также от влажности бетона и относительной влажности окружающей среды. Размер образцов тоже влияет на карбонизацию. Это связано с тем, что влага, образующаяся, в результате взаимодействия Са(ОН)2 с СО2, стремится диффундировать в атмосферу с тем, чтобы установилось равновесие внутри образцов. Если диффузия протекает медленно, то давление пара в бетоне увеличивается до состояния насыщения и проникание СОг в образец приостанавливается.

Карбонизация сопровождается увеличением веса и усадкой бетона, которая при карбонизации вызывается растворением кристаллов Са(ОН)2 под действием сжимающих напряжений (вызванных действием усадки при высушивании) и отложением СаСОз в ненапряженных объемах.

Карбонизация приводит к увеличению усадки при значениях относительной влажности воздуха, от 100% ДО 25%. В последнем случае в поровом пространстве цементного камня содержится недостаточно влаги для образования из СОг угольной кислоты. При 100% влажности поры бетона заполнены водой, и диффузия СОг в цементный камень протекает очень медленно; возможно также, что диффузия ионов кальция из цементного камня приводит к образованию СаСОз с последующей кольматацией пор, расположенных в поверхностном слое.

Последовательность протекания процессов высыхания и карбонизации в значительной степени влияет на величину общей усадки.

Одновременное высыхание и карбонизация приводит к меньшей усадке, чем в случае, когда карбонизация происходит после высыхания, так как в первом случае большая часть процесса карбонизации идет при относительной влажности больше 50%, а при этих условиях усадка за счет карбонизации бетона автоклавного твердения очень мала.

В случае, когда бетон подвергается попеременному увлажнению и высушиванию в атмосфере, содержащей СОг, усадка, обусловленная карбонизацией (в цикле высыхания), становится значительно более заметной. При этом в любой стадии усадка больше, чем в атмосфере, не содержащей СО2, поскольку карбонизация увеличивает величину необратимой ее части и может способствовать образованию трещин в бетоне.

Карбонизация бетона, предшествующая испытаниям при переменном увлажнении и высушивании, уменьшает влажностные деформации иногда наполовину. Это обстоятельство используется в практических целях путем предварительной карбонизации элементов заводского изготовления, проводимой сразу после распалубки. В этом случае при строгом соблюдении влажностных условий при карбонизации получают бетон с малыми величинами влажностных деформаций.

Карбонизация бетона приводит также к увеличению его прочности и снижению проницаемости вследствие того, что вода, выделяющаяся при карбонизации, способствует гидратации, а СаСО3 уплотняет цементный камень.

Коррозия железобетонных конструкций и ремонтные смеси

Рассмотрены процессы коррозии железобетона в условиях выщелачивания пресной водой, карбонизации, хлоридной, сульфатной и биологической коррозии. Приведены количественные оценки параметров агрессивных сред и требования к бетону для указанных условий эксплуатации.

При правильном проектировании, изготовлении и применении железобетон как материал отличается многими положительными эксплуатационными свойствами, в том числе высокой коррозионной стойкостью. Тем не менее, вследствие разных причин известно много случаев преждевременного коррозионного повреждения железобетонных конструкций. Такими причинами являются различные ошибки при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций. К ним относятся: неправильная оценка условий эксплуатации сооружений и конструкций (не учитывается в полной мере агрессивное воздействие среды), неправильное назначение состава бетона (его проницаемости, толщины защитного слоя), ошибки в технологии изготовления и многое другое.

Читайте также:  Фреза по бетону: виды, применение

Скрытые дефекты проектирования и изготовления обнаруживаются со временем при воздействии среды эксплуатации. Они проявляются в форме снижения прочности и растрескивания бетона в результате воздействия окружающей среды, утраты защитного действия и коррозии стальной арматуры, что вызывает снижение несущей способности и эстетических качеств железобетонных конструкций. Такие изменения требуют выполнения ремонтных работ.

Всякому ремонту бетонных и железобетонных конструкций должно предшествовать их инженерное обследование. Одной из задач такого обследования является выяснение причин повреждения. Только после выполнения обследования можно грамотно назначить способы ремонта и восстановления, выбрать материалы для ремонта. Необходимость квалифицированного обследования обусловлена, в частности, тем, что нередко многие виды коррозионных повреждений внешне имеют одни и те же визуальные признаки. Например, сетка трещин на поверхности бетона может образоваться при морозном воздействии, капиллярном всасывании растворов солей и испарении, сульфатной коррозии, перекристаллизации цементного камня с поздним образованием трёхсульфатной формы гидросульфоалюмината, при развитии внутренней коррозии, вызванной взаимодействием кремнезёма заполнителя со щелочами цемента. В каждом из этих случаев требуется внимательное изучение причин и механизма повреждения бетона и стальной арматуры.

Полученные результаты являются основой для назначения эффективного метода ремонта и защиты строительных конструкций. С учетом производственных требований и условий эксплуатации назначается оптимальная технология и ремонтный состав. Перспективным направлением является применение для ремонта и защиты сухих растворных смесей. В настоящее время на рынке существует большой выбор сухих смесей, обеспечивающих такие требования, как:

  • высокая скорость набора прочности,
  • безусадочность,
  • сцепление со старым бетоном и арматурой,
  • сульфатостойкость,
  • биоцидность,
  • высокая прочность на сжатие и растяжение при изгибе,
  • повышенная способность защищать стальную арматуру от коррозии,
  • морозостойкость и водонепроницаемость.

    Применяя сухие ремонтные смеси с учётом основного вида повреждения железобетонных конструкций, можно существенно повысить коррозионную стойкость и долговечность сооружений в целом.

    Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи коррозионного повреждения железобетона.

    Выщелачивание бетона

    Выщелачивание бетона, согласно классификации профессора В.М. Москвина, относится к коррозии I вида, которая состоит в растворении и выносе компонентов цементного камня из структуры бетона. Характерным является растворение гидроксида кальция и других компонентов при фильтрации вод с малой временной жёсткостью и вынос растворённых веществ из бетона. При выносе 20% гидроксида кальция бетон утрачивает 25-30% начальной прочности. Лабораторные и натурные исследования бетона и конструкций из него показывают, что процесс выщелачивания протекает сравнительно медленно. По данным лабораторных исследований НИИЖБ, в условиях коррозии I вида глубина коррозии бетона за 50 лет составляет несколько миллиметров.

    Как показывают натурные обследования опор мостов на севере страны, плотин гидроэлектростанций в Восточной Сибири, водопроводных станций в Москве, эксплуатирующихся в чистых холодных водах, обладающих наиболее высокой выщелачивающей способностью, после значительных сроков эксплуатации (10-60 лет) в отсутствие сквозной фильтрации и воздействия отрицательных температур повреждение плотного бетона от коррозии I вида ограничено небольшой глубиной (таблица 1). В конструкциях, возведенных в 30-х годах прошлого века из бетона марок 100 и 140, глубина коррозии после 60 лет эксплуатации достигала 10 мм. За это время жертвенный слой торкрет-бетона толщиной 10 мм полностью исчерпал своё защитное действие.

    При наличии сквозной фильтрации скорость коррозии бетона возрастает на порядки величин. Количество извести, вынесенной из массивных бетонных гидротехнических сооружений через фильтрующие трещины, может измеряться десятками килограммов и даже тоннами. В фильтрующих трещинах наблюдается интенсивная коррозия стальной арматуры, вплоть до обрыва стержней. Повышение стойкости конструкций может быть обеспечено применением бетонов низкой и особо низкой проницаемости, исключением сквозных протечек через бетон, что при современном уровне технологии бетона не является сложной проблемой. При ремонте повреждённых конструкций задача сводится к расшивке и заделке трещин или нагнетанию в трещины высокоподвижных растворов, очистке и восстановлению поверхностных слоев бетона. При воздействии отрицательных температур ремонтные смеси должны иметь в своем составе воздухововлекающие или микрогазообразующие добавки и обеспечивать необходимую адгезию к бетону конструкций, минимальную усадку, получение бетонов марок по водонепроницаемости W6-W8.

    Карбонизация бетона

    Взаимодействие бетона с углекислым газом (карбонизация бетона) сопровождается превращением гидроксида кальция цементного камня в карбонат кальция. Прочность бетона при этом существенно не изменяется. Несколько уменьшается пористость и проницаемость бетона. Сильно понижается щёлочность жидкой фазы бетона. От первоначального значения 12,5-13,1 величина рН понижается до 8-9, при этом бетон утрачивает пассивирующее действие на стальную арматуру. Развивающаяся коррозия стальной арматуры вызывает потерю сечения стальных стержней, растрескивание защитного слоя, сильное снижение несущей способности железобетонной конструкции. Из практики обследования коррозионного состояния железобетонных конструкций известно очень много случаев повреждения конструкций вследствие полной карбонизации защитного слоя. Как правило, причиной этого является недостаточная толщина защитного слоя (обычно отсутствие фиксации арматуры в проектном положении в процессе изготовления конструкции) или высокая проницаемость бетона. Скорость карбонизации бетона определяется скоростью диффузии углекислого газа в бетоне. Глубина карбонизации увеличивается пропорционально корню квадратному из времени и в определённой степени зависит от реакционной способности бетона, в данном случае от способности бетона связывать большее или меньшее количество углекислого газа. Скорость карбонизации находится в прямой зависимости от диффузионной проницаемости бетона для углекислого газа. Плотные бетоны хорошего качества имеют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа около 10

    4 см2/сек и менее. Обычные бетоны невысоких классов по прочности могут карбонизироваться на глубину, превышающую толщину защитного слоя. С достижением фронта карбонизации поверхности арматуры сталь начинает коррозировать, что вызывает разрушение защитного слоя бетона. Бетоны особо низкой проницаемости имеют эффективный коэффициент диффузии углекислого газа около 10

    б см2/сек. Вследствие уплотнения карбонатом кальция наружного слоя бетона процесс карбонизации таких бетонов прекращается, при этом толщина карбонизированного слоя составляет 1-3 мм и не влияет на коррозионное состояние стальной арматуры. Допускаемая максимальная величина диффузионной проницаемости бетона в зависимости от концентрации углекислого газа в воздухе, проектных сро ков эксплуатации конструкции и толщины защитного слоя приведена в таблице 2.

    При воздействии на железобетонные конструкции углекислого газа воздуха возможны различные ситуации. При своевременном обнаружении быстрой карбонизации защитного слоя бетона, еще не достигшей поверхности стальной арматуры, возможна защита от коррозии нанесением на поверхность конструкции плотного мелкозернистого бетона, обладающего низкой диффузионной проницаемостью для углекислого газа. В этом случае процесс карбонизации может быть остановлен, а в карбонизированном слое под цементно-песча-ным покрытием вследствие диффузии растворённого гидроксида кальция и щелочей величина рН может восстановиться до первоначального значения, необходимого для пассивации стальной арматуры.

    Другой случай – полная карбонизация бетона и развитие коррозии арматуры. В этом случае радикальным способом ремонта является удаление карбонизированного слоя бетона и продуктов коррозии стали и восстановление защитного слоя из нового бетона, имеющего низкую проницаемость.

    Ремонтные смеси в этом случае должны обеспечивать необходимую адгезию к бетону конструкций, минимальную усадку, получение бетонов марок по водонепроницаемости W6-W8.

    Хлоридная коррозия железобетона

    Из практики эксплуатации зданий и сооружений различного назначения известно большое число повреждений железобетонных конструкций, вызванное воздействием на бетон солей хлоридов. При воздействии хлоридов из состава противогололёдных реагентов повреждаются транспортные сооружения (мосты, путепроводы, подземные переходы, перекрытия многоэтажных автостоянок и другие), коммуникационные тоннели, конструкции морских причалов, здания предприятий по производству минеральных удобрений и многое другое. В указанных случаях причиной повреждения является проникание в бетон хлоридов, утрата защитного действия бетона по отношению к стали и развитие коррозии арматуры. Существует несколько путей повышения защитного действия бетона к стальной арматуре в хлоридных средах. Один из них -снижение диффузионной проницаемости бетона и применение добавок-ингибиторов коррозии.

    Экспериментально установлено сильное (на порядки величин) уменьшение диффузионной проницаемости бетона для хлоридов при введении добавок суперпластификатора С-3, микрокремнезёма, золы уноса, доменных шлаков при одновременном снижении водоцементного отношения. Если обычные бетоны имеют коэффициент диф фузии хлоридов 5×10

    8 см2/сек, то бетоны с С-3 и МК (1. 5)х10’9 см2/сек, т. е. на порядок и более ниже, чем традиционные бетоны. Бетоны с указанной низкой диффузионной проницаемостью могут длительно поддерживать стальную арматуру в бетоне в пассивном состоянии в хлоридных средах (см. таблицу 3).

    Исследования бетонов с добавками-ингибиторами, показали, что их защитное действие ограничено. Если бетоны на портландцементе утрачивают пассивирующее действие на стальную арматуру при содержании хлоридов 0,5-2,0% от массы цемента (в зависимости от состава цемента), то у бетонов с лучшими из исследованных ингибиторов указанное критическое содержание хлоридов увеличивается примерно в два раза [3].

    Из сказанного ясно, что для защиты стальной арматуры железобетонных конструкций в хлоридных средах необходимы бетоны с комплексными добавками, содержащими ингибиторы и компоненты, эффективно понижающие проницаемость бетона.

    Сульфатная коррозия

    Сульфатная коррозия относится к коррозии III вида, согласно классификации профессора В.М. Москвина, и характеризу ется химическими процессами, в результате которых образуются слаборастворимые вещества, кристаллизующиеся с большим увеличением объёма твёрдых фаз, что вызывает сначала уплотнение бетона и повышение его прочности, затем давление кристаллов, вызывает рост внутренних напряжений и разрушение бетона. Хорошо известно разрушение бетона при действии сульфатных сред, образующих в бетоне кристаллы гипса и гидросульфоалюминатов кальция.

    Исследована стойкость бетонов с модификаторами, содержащими суперпластификатор, микрокремнезём и другие компоненты [4-6]. Исследования бетона в средах, содержащих сульфаты в количестве 5000-1 2 000 мг/л, показали, что с повышением водонепроницаемости бетона с W8 до W20 сильно уменьшается скорость поглощения сульфатов. При этом низкое содержание алюминатов в портландцементе остаётся одним из важнейших факторов, определяющих сульфатостойкость бетона. В ещё большей степени уменьшается поглощение сульфатов и повышаются расчётные сроки службы бетона при введении в него комплекса С-З+МК или модификатора МБ-01. Такие бетоны отличаются низкой диффузионной проницаемостью и малой реакционной способностью по отношению к сульфатам. Вследствие связывания гидроксида кальция изменяются условия образования гипса и гидросульфоалюминатов кальция. Бетоны марок по водонепроницаемости более W8, изготовленные на среднеалюми-натном портландцементе с модификатором, приравниваются по сульфатостойкос-ти к бетонам аналогичных марок, изготовленным на сульфатостойком портландцементе (таблицы 4 и 5).

    Таким образом, применяя ремонтные составы с современными эффективными добавками, можно обеспечить длительную коррозионную стойкость бетона в сульфатных средах даже с использованием средне-алюминатных цементов (с нормированным минералогическим составом).

    Биологическая коррозия

    Под биологической коррозией понимают процессы повреждения бетона, вызванные живыми организмами (продуктами жизнедеятельности и механическим воздействием), в первую очередь бактериями, грибами, морскими организмами, поселяющимися на поверхности конструкций. По масштабам повреждения конструкций и сооружений наибольшее значение имеет ущерб, вызываемый тионовыми бактерия ми. Известны массовые повреждения канализационных сооружений, связанные с разрушением бетона серной кислотой, выделяемой тионовыми бактериями. Механизм этого процесса в основном исследован. Концентрация сероводорода в канализационных коллекторах и камерах достигает сотен миллиграммов на кубометр воздуха, а концентрация биогенной серной кислоты 5-20%, при этом рН влаги на поверхности конструкций равняется 1 -2. В этих условиях бетон разрушается со скоростью до 1 -2 см в год. Из многих существующих методов защиты трубопроводов отданного вида коррозии наиболее экологически обоснованными представляются методы, связанные с подавлением жизнедеятельности ти-оновых бактерий (аэрация стоков, применение окислителей и т. п.). При этом создаются условия, в которых образование сероводорода, а следовательно, и серной кислоты становится невозможным.

    Натурными испытаниями показано, что в сероводородных газовых средах цементные бетоны даже особо низкой проницаемости разрушаются достаточно быстро. Попытки применить биоцидные добавки, подавляющие жизнедеятельность тионовых бактерий, не имели успеха. Добавки, снижающие проницаемость цементных бетонов, также не увеличили в необходимой степени коррозионной стойкости бетона в указанных условиях. При высокой концентрации сероводорода в газовой среде эффективным средством вторичной защиты является применение химически стойких материалов в виде плёнок, листов, толстослойных покрытий, скорлуп (стеклопластик на полиэфирной смоле), минеральных кислотостойких покрытий или конструкционных химически стойких материалов.

    Специфическим видом повреждения цементных штукатурок и бетона является коррозия, вызванная жизнедеятельностью низших грибов, выделяющих органические и минеральные кислоты. Грибная флора на поверхности конструкций весьма многообразна и насчитывает большое число видов. Наиболее распространённая форма повреждения при действии грибков – превращение бетона и штукатурки в сыпучую несвязанную массу, при этом разрушается также декоративная окраска и обои. Эффективным способом ремонта и защиты от грибкового поражения является применение сухих ремонтных смесей, имеющих в своем составе биоцидные препараты [7].

    Выводы

    Для выполнения ремонтных работ на конструкциях, имеющих коррозионные повреждения, целесообразно применять специальные сухие смеси на основе портландцемента и различных добавок. Существующие в настоящие время на строительном рынке химические добавки позволяют создавать цементные композиции для различных условий эксплуатации железобетонных конструкций и обеспечивать получение бетонов высокой прочности, однородности, низкой проницаемости и повышенной долговечности.

  • Добавить комментарий