Корозія будівельних конструкцій та захист від неї
Характеристика агресивності оточуючого середовища
Усі будівельні конструкції, крім силових факторів, у процесі своєї експлуатації сприймають також дію оточуючого середовища. Сумісна дія цих факторів значною мірою визначає технічний стан і надійність роботи конструкцій та їх систем.
Агресивнимє таке середовище, під дією якого змінюється структура і властивості матеріалів, що, в свою чергу, призводить до зниження їх міцності та руйнування конструкцій, виготовлених із цих матеріалів, тобто до корозії.
За ступенем дії на матеріали будівельних конструкцій оточуючі середовища підрозділяються на неагресивні (пасивні), слабо-, середньо- й сильноагресивні.
Агрегатний стан агресивного середовища може бути твердим, рідким та газоподібним. Найчастіше зустрічається багатофазове агресивне середовище. Так, у виробничих спорудах, у яких під час технологічного процесу виділяються гази (аміак (NН5), сірководень (Н2S), вуглекислий газ (СО2) й ін., що створюють агресивне газове середовище. З'єднуючись із вологою повітря, конденсованою вологою, атмосферними опадами, що просочуються в приміщення, ці гази утворюють рідке агресивне середовище. Прикладом твердого агресивного середовища можуть бути склади мінеральних добрив, хімічних реактивів на хімічних виробництвах тощо.
Властивість матеріалів опиратися руйнівному впливу зовнішнього агресивного середовища називають корозійною стійкістю, а граничний термін служби конструкцій, протягом якого вони зберігають необхідні експлуатаційні якості, називається довговічністю. Деякі речовини або впливи можуть пришвидшувати корозійні процеси (вони називаються стимуляторами корозії), інші навпаки — сповільнювати ці процеси (пасиватори та інгібітори).
Поняття про агресивність середовища є відносним, оскільки одна й та ж речовина або вплив для одних матеріалів можуть бути стимуляторами корозії, а для інших — інгібітором. Прикладом цього є тепле вологе повітря, яке для сталевих конструкцій пришвидшує процес корозії, а для бетону навпаки — не знижує, а навіть підвищує міцність матеріалу.
Види корозії
За механізмом протікання корозійного процесу розрізняють основні види корозії: хімічну, фізичну, фізико-хімічну.
Хімічна корозія — процес взаємодії матеріалу з агресивним середовищем, який супроводжується незворотними змінами його хімічної структури. При цьому окислення металу та відновлення окислювальної компоненти корозійного середовища відбуваються в одному акті. Різновидом хімічної є електрохімічна корозія, при котрій іонізація атомів металу і відновлення окислювальної компоненти корозійного середовища протікають не в одному акті, а їх швидкості залежать від електродного потенціалу.
Фізична корозія — це процес фізичного руйнування матеріалу, який не супроводжується зміною хімічної структури. Цей вид корозії проявляється при стиканні пористих матеріалів із солями (наприклад, ґрунту). В цьому випадку пори заповнюються солями та механічно руйнують його. Аналогічні процеси спостерігаються під час замерзання води в порах матеріалів.
Фізико-хімічна корозія є таким процесом, під час якого проявляється і фізичне руйнування матеріалу, й зміна його внутрішньої структури.
В бетоні цей вид корозії проявляється в результаті вилужування, а також осмотичних та контракційних явищ. Корозія вилужування зумовлюється тим, що складові цементного каменю, головним чином гідрат окислу кальцію Са(ОН)2, розчиняються у воді.
Осмотичні явища визначають корозію бетону, зокрема за рахунок реакції взаємодії лугів цементу із заповнювачами, що мають кремнезем в активній формі.
Під час гідратації проходять контраційні процеси, в результаті яких у цементному камені з'являються розтягуючі зусилля, що зосереджуються в перемичках між мікропорожнинами і призводять до їх розриву.
Для металевих конструкцій корозія носить хімічний (електрохімічний) характер.
Неметалеві конструкції зазнають корозії хімічної, фізичної та фізико-хімічної. Як правило, ці види корозії проявляються не роздільно, а в тому чи іншому сполученні.
Швидкість корозії суттєво залежить від інтенсивності змінності, оновлення й поповнення агресивності середовища. Цим пояснюється той факт, що найбільший агресивний вплив на матеріали має рідке агресивне середовище.
Корозія конструкцій із різних матеріалів
Метал. Корозія металевих матеріалів завжди починається з поверхневих шарів та поширюється вглибину. В результаті цього утворюються хімічні з'єднання, які або залишаються на поверхні металу у вигляді плівок, окислів, або переходять у зовнішнє середовище (омиваючий розчин). Жовто-коричнева іржа на поверхні сталі, зелені плями на мідних виробах та білий наліт на алюмінії — все це продукти руйнування цих металів агресивним середовищем. Унаслідок корозії товщина металу зменшується, і якщо не вжити заходів щодо їх захисту, металеві конструкції дуже скоро можуть повністю зруйнуватися.
Залежно від характеру агресивного середовища розрізняють наступні основні види корозії металів:
— Газова корозія — хімічна корозія металу в газах при високих температурах.
— Атмосферна корозія — найбільш розповсюджений вид руйнування металів. Зумовлений головним чином дією на метал вологи і газів, що знаходяться у повітрі (сірчистий, вуглекислий та ін.).
— Підземна корозія протікає у підземних частинах металевих конструкцій при дії на них ґрунту.
— Корозія блукаючими струмами викликається дією блукаючих струмів. Протікає головним чином у підземних частинах будівель і споруд.
— Корозія зовнішніми струмами викликається дією зовнішнього джерела струму.
— Корозія при неповному занурюванні в рідке агресивне середовище.
— Корозія при повному занурюванні виникає в металах при повному їх розміщенні в рідкому агресивному середовищі.
— Підводна корозія має місце у металах, що занурені у воду.
— Корозія при поперемінному зануренні виникає в металах при поперемінному повному чи частковому зануренні їх в рідке агресивне середовище.
— Контактна корозія проявляється при доторкуванні двох різнорідних металів у розчинах електролітів чи волових газах.
— Структурна корозія виникає у результаті структурної неоднорідності металів.
— Корозія під напруженнями має місце при одночасній дії агресивного середовища і постійних чи змінних механічних напружень.
Залежно від умов протікання корозії, природи матеріалу та агресивності середовища корозію розділяють на рівномірну й місцеву. Остання в свою чергу може бути крапковою, вибірковою, при якій руйнується лише одна структурна складова або один компонент сплаву, та міжкристалевою, що розповсюджується по межах кристалів металу.
Арматура в залізобетонних конструкціях значною мірою захищена від корозії бетоном. Однак у багатьох випадках — недостатній захисний шар, пористий чи пошкоджений бетон — арматура може бути пошкоджена корозією. Оскільки продукти корозії (іржа) в декілька (2...3) разів займають більший обсяг, ніж арматурна сталь, то вони створюють значний радіальний тиск на оточуючий бетон. У результаті вздовж арматурних стрижнів виникають тріщини та відколи бетону з частковим оголенням арматури.
Бетон.Залежно від складу й структури бетону, характеру та величини навантажень, а також умов експлуатації руйнуючу дію на бетон можуть чинити:
— сульфатна корозія;
— корозія видужуванням;
— загальнокислотна корозія (включаючи і вуглекислотну);
— магнезіальна корозія;
— корозія за рахунок підсосу та кристалізації солей;
— біологічна корозія;
— багатократне поперемінне заморожування й відтаювання води в порах бетону;
— корозія під дією органічних з'єднань;
— усадка або набухання цементного каменю при зміні вологості оточуючого середовища;
— хімічна дія різних агресивних газів;
— контракційні явища, що супроводжують гідратацію цементу в умовах експлуатації;
— різноманітні механічні пошкодження, наприклад, стирання рухомою водою чи шламом;
— осматичний тиск на плівку гелю.
У рідкому середовищі корозійні процеси, які протікають у цементних бетонах, розділяють на три групи.
І група (корозія першого виду) характерна тим, що в бетоні корозійні процеси проходять під дією води з малою тимчасовою жорсткістю. При цьому деякі складові цементного каменю розчиняються у воді та виносяться при її фільтруванні через товщу бетону.
До II групи (корозія другого виду) належать процеси, які розвиваються у бетоні під дією води, що мають речовини, які вступають у хімічну реакцію з цементним каменем. Продукти, що утворюються в результаті цієї реакції, або легко розчинні й виносяться водою, або виділяються на місці реакції у вигляді аморфних мас, які не мають в'яжучих властивостей. До цієї групи можуть бути віднесені, наприклад, процеси корозії, пов'язані з дією на бетон різних кислот, магнезіальних чи інших солей.
III група (корозія третього виду) об'єднує процеси корозії, котрі викликані обмінними реакціями агресивного середовища зі складовими цементного каменю, в результаті яких утворюються продукти, що, кристалізуючись у порах та капілярах, руйнують його. До цього виду корозії можна віднести процеси відкладання в порожнинах каменю солей, що утворюються в результаті випаровування насичуючих бетон розчинів.
Бетону притаманні всі три групи корозії: фізична, хімічна, фізико-хімічна.
Фізична корозія. До числа фізичних впливів, які викликають фізичну корозію бетону, слід віднести поперемінне зволоження й висихання (при цьому спостерігаються деформації усадки і набухання, відкладання розчинних солей у порожнинах цементного каменю та ін.); поперемінне заморожування і відтавання бетону (особливо у водонасиченому стані) та інші температурні впливи; механічні діяння.
Хімічна корозія. До цього виду корозії відносяться: руйнування бетону кислотами, лугами, розчинами солей, різними органічними з'єднаннями, а також агресивними газами; біологічні процеси, які призводять до руйнування бетону.
Агресивність кислот визначається їх природою, концентрацією або рН водних розчинів, наявністю окислювальних властивостей, а також температурою середовища. Руйнівна дія кислот визначається також розчинністю утворених у процесі корозії продуктів.
Взаємодія бетону з деякими газами також носить вид хімічної корозії. Як правило, вона має місце в умовах виробничого середовища. Дія газів на бетон у сухому середовищі зазвичай буває незначною, але при підвищеній вологості та температурі вплив є дуже агресивним.
Корозію бетону можуть викликати мікроорганізми. Найбільше бетонний камінь руйнують динітрофіцируючі бактерії, які окислюють сірку. Суттєво знижують міцність бетону анаеробні азотофіксуючі, уролітичні й інші бактерії.
У результаті діяльності динітрофіцируючих бактерій утворюється сірчана кислота, Анаеробні азотофіксуючі бактерії утворюють масляну кислоту. Уролітичні бактерії діють в основному на мочевину, яка міститься в стічних водах, гідролізуючи її. При цьому виділяється аміак та вуглекислота. Хімічні продукти, що утворюються внаслідок життєдіяльності бактерій, безпосередньо діють на бетон і призводять до його руйнування.
Природні кам'яні матеріали. Вивержені кристалічні й скловидно-аморфні породи мають добру кислотостійкість та достатню лугостійкість, а найбільш щільні — високу морозостійкість. Осадкові породи (за винятком уламкових порід, які зберегли властивості основних порід, наприклад, піску, гравію тощо) мають незначну корозійну стійкість. Найменш кислотостійкі — звичайні вапняки (СаСО3) і магнезити (МgСО3), дещо повільніше розкладаються доломіти та кременисті щільні вапняки.
Гіпсовий камінь (СаSО4∙2Н,О) й ангідрит (СаSО4) дуже легко розчиня.ться під дією кислот і дещо повільніше під дією лугів. Ці матеріали розчинні у воді (розчинність гіпсового каменю біля 2500 мг/л).
Присутність у силікатній цеглі й інших силікатних виробах вапна та вуглекислого кальцію робить їх нестійкими навіть проти слабких водних розчинів мінеральних і органічних кислот. Наприклад, за наявності у воді вуглекислоти вуглекислий кальцій переходить у розчинний бікарбонат, унаслідок чого цегла руйнується. Силікатна цегла, яка складається в основному із кремнезему, достатньо стійка до дії лужних розчинів, але лише невисокої концентрації. Під час висихання цегли, яка була змочена лужним розчином, у його отворах утворюється кристалогідрати, що викликають розтягуючі зусилля, через це міцність цегли зменшується. Тому у вологих середовищах силікатна цегла нестійка, при температурі вище ніж 6000С у ній розширюється кварц, що призводить до руйнування.
Керамічні матеріали. Керамічні матеріали (при їх достатній щільності) мають достатню стійкість у відношенні до кислот та задовільну -— до лугів. Однак звичайна глиняна цегла, яка складається переважно із кремнезему та глинозему, не стійка проти дії водних розчинів лугів, а також розчинів мінеральних і органічних солей, які утворюють під час взаємодії з кремнеземом легкорозчинні солі, що вимиваються із матеріалу. Цегла часто руйнується від розпірно-розклинюючої дії кристалогідратів, утворених у ньому із розчинів солей, особливо сульфатів натрію й магнію. Зволоження цегли призводить до зменшення її морозостійкості.
Хімічна дія вод на цеглу активніша в теплий період року, а фізична — в холодний (через збільшення об'єму замерзаючої вологи та її накопичення в зоні замерзання в результаті конденсаційних і міграційних процесів).
Керамічна плитка завдяки високому вмісту алюмосилікатів стійка щодо дії всіх органічних та мінеральних кислот (за винятком плавикової). Лугостійкість її залежить від складу та щільності: плитки з щільним черепком відрізняються доброю лугостійкістю, з нещільним — під дією лужних розчинів можуть руйнуватися.
Деревина.Основними недоліками деревини є: загоряння, загнивання і гігроскопічність, що викликає зміну форми, розмірів та властивостей деревини, а також анізотропність.
Пошкодження деревини комахами називають червоточиною. При цьому погіршуються її механічні характеристики.
Найбільшу небезпеку для дерев'яних конструкцій становлять дереворуйнуючі гриби, викликаючи її гниття та руйнування. Живильним середовищем для грибів є целюлоза деревини. Гриби виділяють особливий фермент — цитазу, який переводить нерозчинну у воді целюлозу (С6Н10О5)∙n у розчинну речовину глюкозу (С6Н12О6)∙n.
Найбільші руйнування деревини викликають домові гриби. При їх наявності колір гнилі бурий, у кінцевій стадії гниття в деревині з'являються тріщини вздовж та впоперек волокон, і вона розпадається на призматичні частинки. Найбільш сприятливі умови для життєдіяльності грибів: вологість вище ніж 25% та температури 18...20°С.
Ступінь пошкодження деревини грибами може бути різним залежно від того, чи має вона плодове тіло; добре розвинуту грибницю та шнури гриба (гіфи), чи є на ній сліди грибниці.
Хвойні породи вміщують смоли, тому мають більшу хімічну стійкість, ніж деревина листяних порід. Хвойні породи стійкі до розбавлених розчинів оцтової, фосфорної, молочної, масляної та плавикової кислот. Ці породи майже не змінюються від довготривалого впливу соляної кислоти концентрацією до 10% та сірчаної — до 5%. Концентровані, ці кислоти легко руйнують деревину. Хвойні породи деревини найменш стійкі до дії на них кислот, у складі яких є кисень (азотна, концентрована сірчана, хромова та ін.), а також концентрованої соляної кислоти. Дія мінеральних й органічних кислот тим сильніша, чим вища їх температура. Руйнують деревину і водні розчини їдких лугів, солі заліза, алюмінію й цинку.
Деревина стійка до дії розчинів аміаку, гідроокису кальцію, барію та розчинів нейтральних солей будь-яких концентрацій.
3ахист від корозії
Для захисту будівельних конструкцій від корозії використовують різноманітні матеріали штучного та природного походження. Основними властивостями цих матеріалів повинні бути щільність, пористість, водовбирання, міцність, морозо-, термо-, теплостійкість, хімічна стійкість. У деяких випадках антикорозійні матеріали повинні мати й такі властивості, як адгезія, в'язкість, тонкість помелу, температура розм'якшення тощо.
За своїм складом та походженням антикорозійні матеріали поділяються на дві групи: — мінеральні й органічні, а за способом їх використання — на облицювальні, футерувальні, обкладні, прошаркові, конструкційні, лакофарбові, просочувальні і різноманітні в'яжучі сполуки.
Для захисту бетонних і залізобетонних конструкцій від корозії широко використовують бітумні й дьогтеві матеріали: нафтові бітуми, що отримують після відгонки нафти, бензину, гасу, мастил та кам'яновугільних пеків, що являють собою кінцевий продукт фракційної перегонки дьогтів, який отримують у процесі коксування або газифікації кам'яного вугілля. Ці матеріали при нагрі-. ванні пом'якшуються, а при охолодженні стають в'язкими і навіть твердими, майже не розчиняються у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках, мають в'яжучі властивості і високу корозійну стійкість по відношенню до багатьох кислот та лугів. Бітумні матеріали використовують у вигляді грунтовок, лакофарбових покриттів, мастик, а також для виготовлення бетонів та листових матеріалів: руберойду, пергаміну, боруліну, бризолу, гідроізолу тощо.
Бетонні та залізобетонні конструкції, що експлуатуватимуться в агресивноному середовищі, повинні бути захищені від шкідливого впливу його ще на стадії проектування. При цьому слід використовувати стійкі протикорозійні матеріали, добавки, які підвищують корозійну стійкість бетону та його здатність захищати сталеву арматуру від корозії. При цьому слід пам'ятати, що до складу бетону не допускається введення хлористих солей, якщо цей бетон призначається для виготовлення залізобетонних конструкцій: із напруженою арматурою; ненапруженою дротяною арматурою класу Вр-І, Що експлуатуються в умовах вологого й мокрого режиму; виготовляються з автоклавною обробкою; що піддаються електрокорозії. Технологічні прийоми виготовлення бетонних та залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в агресивному середовищі, повинні бути такими, щоб забезпечити максимальну щільність і мінімальну проникність бетону. Марку бетону за водонепроникністю для залізобетонних конструкцій будівель та споруд з агресивним середовищем приймають згідно зі СНиП 2.03.11-85, але не нижче ніж W4.
До бетону залізобетонних конструкцій, що піддається дії агресивних рідких середовищ (хлоридів, сульфатів, нітратів та розчинів їх солей) при наявності випаровувальних поверхонь й одночасно поперемінному заморожуванні і відтаюванні, ставляться підвищені вимоги до морозостійкості (див. таблицю 9 СНиП 2.03.01-84*).
Під час проектування залізобетонних конструкцій, що будуть експлуатуватись в агресивному середовищі, слід також забезпечити необхідні вимоги до тріщиностійкості конструкцій та не допускати надмірного розкриття тріщин.
Вимоги, які викладені щодо бетону, відносяться і до розчинів кам'яної кладки. Крім того, слід урахувати, що при періодичному зволоженні в агресивному середовищі та заморожуванні кладки марку цегли за морозостійкістю приймають не менше ніж F50.
Усі шви кам'яної кладки в приміщеннях з агресивним середовищем повинні буди ущільнені розшивкою. Поверхню кам'яних та армо-кам'ояних конструкцій захищають від корозії лакофарбовими (по штукатурці) або лакофарбовими товстошаровими мастиками (по кладці).
Конструктивні вирішення будівель та споруд із використанням дерев'яних конструкцій повинні забезпечувати можливість періодичного їх огляду і відновлення захисних покриттів.
Сталеві конструкції (в тому числі й елементи підсилення) будівель із дуже агресивним середовищем повинні проектуватись із суцільними стінками. Способи захисту від корозії сталевих несучих та огороджуючих конструкцій – фарбування лакофарбовими матеріалами, гаряче цинкування, газотермічне напилення цинку, термодифузійне цинкування, електрохімічний захист, облицювання хімічно стійкими неметалевими матеріалами, і ін.
Способи захисту дерев'яних конструкцій від корозії, що викликається біологічними агентами: антисептування водорозчинними антисептиками або обробка антисептичними пастами, вологостійке лакофарбове покриття або вологобіозахисні просякаючі склади, консервування водорозчинними антисептиками, важко розмиваються чи маслянистими антисептиками.
Лекція№2
Посилення основ і фундаментів.