Коррозионное разрушение конструктивных элементов здания
В процессе эксплуатации зданий и сооружений в отдельных случаях разрушаются конструктивные элементы вследствие коррозии материалов, из которых они изготовлены. Принято считать, что среда, в которой содержатся вредные вещества, способствующие разрушению материалов, является агрессивной. Такой средой могут быть воздушное пространство вокруг и внутри здания, грунтовый массив основания и подземные воды.
Современные здания изготовлены в основном из железобетонных и бетонных элементов, поэтому наибольший интерес представляют вопросы взаимодействия с агрессивной средой бетона и железобетона и их долговечности.
В грунтах имеется значительное количество растворимых в воде солей. В лессовых грунтах различают соли труднорастворимые (карбонаты - кальцит), среднерастворимые (сульфаты - гипс) и легкорастворимые (галоиды-галит, сульфаты - тенардит). Растворение солей в подземных водах существенно зависит от режима движения вод, их температуры и насыщенности уже растворенными солями.
Коррозия бетона и железобетона при взаимодействии с агрессивными водами происходит тем интенсивнее, чем больше содержится в среде хлоридов, сульфатов, агрессивной углекислоты и щелочей. Агрессивность подземных вод предопределяется также и водородным показателем среды. Строительные нормы и правила (СНиП 2.03.11-85) регламентируют содержание вышеуказанных компонентов. В случае превышения в подземных водах определенного содержания вредных солей принимают меры антикоррозионной защиты.
При повышении температуры в обычных условиях коррозия бетона и железобетона усиливается, так как более активно протекают химические и физические процессы, приводящие к разрушению материалов вследствие снижения их прочности при взаимодействии с компонентами агрессивной среды.
Считается, что агрессивное действие подземных вод на бетон связано с выщелачиванием из него растворимых в воде составных частей и образованием новых соединений. В железобетонных конструкциях может разрушаться как бетон, так и металлическая арматура. В случае коррозионного разрушения арматуры за счет увеличения продуктов коррозии в объеме отслаивается защитный слой бетона.
Возможно разрушение отдельных бетонных и железобетонных элементов фундамента в случаях, когда при строительстве зданий не были приняты эффективные меры антикоррозионной защиты конструкций подземной части. Ослабление сечений железобетонных фундаментов в результате коррозии усложняет работу конструкций на лессовых основаниях. При уменьшении размеров фундамента могут возрасти просадочные деформации из-за повышения контактных давлений по его подошве.
Существенную роль в развитии коррозионного процесса играет плотность бетона. В достаточно плотных бетонах проникновение агрессивных вод в глубь конструкции несколько затруднено, и коррозия происходит сравнительно слабо. И, наоборот, в неплотных бетонах коррозионное разрушение происходит интенсивно. Поэтому современные нормативы учитывают степень агрессивного воздействия среды, увязывая ее с маркой бетона по водонепроницаемости.
При воздействии на железобетон жидких сред, которые не содержат агрессивных к стали ионов, сначала разрушается бетон, а далее - арматура. В настоящее время предложена классификация по основным видам коррозии бетона.
Коррозия I вида протекает за счет фильтрации сквозь бетонную конструкцию мягкой воды, которая уносит составные части цементного камня, в частности гидроксид кальция, т. е. гашеную известь. В связи с этим этот вид коррозии называют выщелачиванием. Учитывая, что известь является одной из основных составляющих цементов, унос ее из бетона представляет значительную опасность. В результате воздействия мягкой воды на бетон, кроме того, происходит вынос оксида кальция (негашеная известь), что также ухудшает свойства бетона. Установлено, что при удалении из бетона 20 % оксида кальция прочность бетона составляет около 70 % первоначальной прочности, а при выщелачивании 33 % оксида кальция бетон практически разрушается.
Внешне коррозию I вида определяют по белому налету на поверхности конструкций, который особенно заметен в местах интенсивной фильтрации. Наличие такого белого налета обусловило название этого вида коррозии - «белая смерть» бетона.
В процессе фильтрации воды через бетон может наступить момент, когда при соединении гидроксида кальция с углекислым газом произойдет образование карбоната кальция, который приостанавливает дальнейшее разрушение бетона. Для прогнозирования такого состояния необходимо располагать сведениями о марке бетона по водонепроницаемости и скорости фильтрации грунтовых вод.
При коррозии II вида сначала разрушается бетон поверхностных слоев, которые контактируют с агрессивной средой. Как правило, коррозия этого вида протекает при воздействии на бетон кислот и щелочей. В результате контакта бетона с агрессивной средой происходит разрушение структурных элементов гидратированного цементного клинкера. Важную роль в развитии процессов коррозии II вида играют скорость обмена раствора у поверхности бетона и степень концентраций солей в жидкости.
Коррозия III вида характеризуется кристаллизационным разрушением бетона за счет образования в порах и капиллярах малорастворимых солей. Основную роль в развитии коррозии этого вида играет наличие сульфатов в грунтовой воде. При воздействии на бетон сульфатов в его порах образуется значительное количество гипса и гидросульфоалюмината кальция (ГСАК). Кристаллизация ГСАК происходит в результате соединений с водой и сопровождается значительным увеличением объема твердой фазы. В процессе кристаллизации новообразований возникают значительные напряжения, которые приводят к разрушению структуры бетона.
Снижение несущей способности железобетонных конструктивных элементов может произойти из-за коррозии арматуры, развитию которой способствует проникновение агрессивных жидкостей и газов через поры и трещины в защитном слое бетона. Коррозия металла наблюдается в основном за счет протекания электрохимических процессов, которые обусловлены наличием разности потенциала на поверхности арматуры. Особенно агрессивны по отношению к металлу хлориды. Согласно нормам показатель агрессивности по содержанию хлоридов регламентируется только для железобетонных конструкций. В случае, когда в агрессивной среде имеются и сульфаты, их количество пересчитывают на содержание хлоридов умножением на 0,25 и суммируют с содержанием хлоридов.
На железобетонные конструкции в отдельных случаях оказывает агрессивное воздействие среда при определенном значении водородного показателя рН. Согласно нормам при марке бетона по водонепроницаемости W4 жидкая среда считается агрессивной при рН, равном 5,0... 6,5. Чем ниже показатель рН, тем более агрессивной считается среда.
Нормативные документы на проектирование и изготовление железобетонных конструкций не предусматривают эксплуатацию конструкций с коррозируемой арматурой. Поэтому в настоящее время на стадии проектирования разрабатывают и применяют мероприятия, предупреждающие коррозионное разрушение бетона и арматуры.
Для защиты бетона от коррозионного разрушения рекомендуется повышать плотность бетона, применять особые добавки и специальные цементы, в частности, пуццолановый, сульфатостойкий и др. В тех случаях, когда специальные добавки и цементы не дают требуемого эффекта, используют дополнительные виды антикоррозионной защиты, например пропитку бетона полимерными материалами, устройство покрытий и облицовок и т. п.
Многолетние наблюдения и опыт показывают, что долговременная надежная эксплуатация зданий на лессовых грунтах обеспечивается лишь при единстве качества проектирования, строительства и эксплуатации. Невыполнение одного из этих параметров чревато появлением аварийной ситуации и, как следствие, возникновением дополнительных затрат на усиление или восстановление деформированного строения.