Содержание к диссертации
Стр
Введение 7
1. Анализ взаимодействия внешней агрессивной среды с железобетоном
и методы оценки его коррозионной стойкости 16
Экономическая оценка потерь от коррозии строительных конструкций 16
Физико-химические процессы, протекающие при коррозии железобетона. Классификация 19
Коррозия бетона 20
Коррозия арматуры в бетоне 27
1.3. Краткий анализ результатов обследования строительных кон
струкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах 36
Подземные конструкции 37
Надземные конструкции 40
1.4. Математические методы оценки коррозионной стойкости бетона
и железобетона и долговечности строительных конструкций 47
2. Коррозия бетона, вызываемая растворением его компонентов (коррозия
растворения) 58
2. 1. Коррозия бетона I вида (выщелачивание) 62
Коррозия бетона II вида 74
Экспериментальные работы 85
Определение растворимости цементного камня в поровой жидкости бетона 86
Определение эффективных коэффициентов диффузии исход-
ного и агрессивного веществ в буферном слое бетона 99
Исследование кинетики выщелачивания цементного камня 108
Исследование коррозии цементного камня и бетона в раство-
рах кислот без образования осадка новообразований в зоне ре-
з
акции 118
2.3.4.1. Влияние состава бетона на скорость его коррозионного
поражения в соляной кислоте 118
2.3.4.2. Влияние коэффициента уплотнения бетонной смеси на
скорость коррозии бетона 127
2.3.4.3. Влияние свойств агрессивной среды на скорость корро-
зии бетона 130
2.4. Выводы по главе 138
3. Коррозия бетона, вызываемая кристаллизацией солей в его поровом
пространстве (коррозия кристаллизации) 141
3.1. Кинетика коррозии бетона в жидкой среде с учетом выпада-
ния осадка новообразований в зоне химической реакции 141
3.2. Оценка пределов применимости полученных математичес-
ких моделей 147
3.3 Исследование процесса заполнения пор бетона кристаллами
новообразований 155
Скорость коррозионного поражения бетона в растворах серной кислоты 164
Методы исследования сульфатостойкости цементов и бетонов.. 171
Методы, основанные на измерении прочностных характеристик корродирующего бетона 172
Методы, основанные на измерении деформаций корродирующих образцов 175
Методики, основанные на исследовании изменения химического состава агрессивной среды и бетона 176
3.6. Исследование влияния основных факторов, определяющих
скорость протекания сульфатной коррозии бетона 178
3.6.1. Влияние водоцементного отношения на скорость сульфат
ной коррозии 180
Влияние концентрации агрессивной среды 182
Влияние скорости обмена агрессивной среды у поверхности бетона 195
Влияние сульфатов, не вызывающих повышения щелочности среды, на степень коррозии среднеалюминатного цемента 198
Предполагаемый механизм коррозии бетона в растворах сульфатных солей 200
Принципы прогнозирования коррозионного поражения бетона
в жидкой сульфатной среде 213
3.9. Выводы по главе 229
4. Коррозия арматуры в бетоне при воздействии хлорсодержащей газовой
среды 232
4.1. Изучение механизма и кинетики протекания элементарных
процессов коррозии железобетона в газовоздушой среде 234
Изготовление образцов и подготовка их к экспериментам 234
Диффузия агрессивного газа и продуктов реакции
вглубь бетона 239
Поглощение агрессивного газа образцами бетона 249
Растворение газа в норовой жидкости бетона 260
Кинетика взаимодействия образующейся кислоты с гид-роксидом кальция 276
Растворение стенок пор цементного камня и поступление щелочи в зону реакции 278
4.2. Математическая модель процесса коррозии железобетона в га-
зах типа хлористого водорода 281
Принципы моделирования и описание модели 281
Дифференциальные уравнения элементарных процессов
и их решение 282
Проникание агрессивного газа в капиллярно-пористые тела 284
Упрощенная математическая модель для расчета распределения агрессивного вещества в капиллярно-пористом теле 286
Экспериментальная проверка и уточнение математической модели 291
4.3. Выводы по главе 295
5. Прогнозирование коррозионной стойкости железобетона в хлорсодержа-
щих средах 298
О критическом для стали содержании хлорид-ионов в бетоне... 298
Пределы применения предложенной математической модели
процесса коррозии 303
5.2.1. Накопление влаги вследствие протекания химической
реакции 305
5.2.2. Конденсация паров воды на поверхности бетона при
увеличении концентрации продуктов коррозии 308
5.3. Метод прогнозирования долговечности железобетонных
конструкций в среде кислых газов типа НС1 314
5.4. Выводы по главе 320
6. Уточнение метода прогнозирования коррозионной стойкости железобе
тона в среде хлорсодержащих газов с учетом наличия трещин в защитном
слое бетона 321
Методика исследования проницаемости бетона с трещинами... 322
Результаты исследования глубины проникания хлористого водорода в бетон с трещинами 329
Уточнение метода расчета продолжительности защитного действия бетона к стальной арматуре в среде хлористого водорода.. 337
Выводы по главе 339
Заключение 339
Список литературы 345
Приложения 372
Приложение 1. Методические рекомендации по определению коррозионной стойкости цемента и бетона в агрессивных сульфатных средах.... 373 Приложение 2. Рекомендации по применению портландцементов производственного объединения "Сода" (г.Стерлитамак, БАССР) в условиях
сульфатной агрессии 381
Приложение 3. Методические рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для эксплуатации в агрессивных
средах 385
Приложение 4. Методические указания по прогнозированию долговеч
ности железобетонных конструкций, работающих в хлорсодержащих
газовых средах 404
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема долговечности бетона и железобетона возникла более ста лет назад и со временем в связи с огромными масштабами применения этих строительных материалов острота и значимость этого вопроса только возрастала. Особенно интенсивно работы по изучению механизма и кинетики коррозионных процессов проводились во второй половине уходящего столетия. Отправной точкой этих исследований можно считать фундаментальный труд - монографию В.М. Москвина "Коррозия бетона", изданную в 1952 году.
Начиная с середины шестидесятых годов, возникает задача возведения зданий и сооружений с гарантированным сроком службы при различных условиях эксплуатации. Появляется все больше работ, посвященных количественной оценке скорости коррозии бетона и железобетона в агрессивных средах и преследующих цель разработки методов прогноза и расчета железобетонных конструкций на заданный срок службы. Среди специалистов, занимающихся изучением свойств строительных материалов, возникает осознание того, что долговечность строительных конструкций не менее важная характеристика, чем их прочность. В этот период появляются несколько специализированных центров в СССР где развиваются исследования в этом направлении (Москва, Харьков, Минск, Свердловск, Уфа, Куйбышев, Тбилиси, Донецк и другие).
Нарастание интенсивности исследований по изучению стойкости строительных материалов в агрессивных средах объясняется прежде всего экономическими причинами. Так, в СССР в 80-х годах ущерб от коррозии строительных конструкций составлял ежегодно более 4, а к 1990 году достиг ~ 6 млрд. рублей. В настоящее время ежегодные потери от коррозии в России-
ской Федерации могут составлять примерно 3 - 3,5 млрд. рублей в ценах 1991 года.
В диссертационной работе обобщены результаты исследований автора, выполненные в БашНИИстрое в период с 1970 по 1999 годы в соответствии с отраслевыми программами Минстроя, Минуралсибстроя и Госстроя СССР, а также с программой сотрудничества на 1975 - 1990 годы стран - членов СЭВ по теме XI " Коррозия и антикоррозионная защита зданий и сооружений из бетона и железобетона" (координирующая организация НИИЖБ Госстроя СССР).
Целью диссертационной работы является исследование механизма и кинетики процессов коррозии и разработка аналитических методов прогнозирования коррозионной стойкости бетона и сохранения его защитных свойств по отношению к стальной арматуре для расчета долговечности бетонных и железобетонных конструкций в агрессивных средах и выбора оптимальных средств противокоррозионной защиты.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Проанализировать результаты натурных обследований строительных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах и выявить наиболее значимые виды коррозии бетона и железобетона, вызывающие наибольший ущерб для народного хозяйства
Изучить закономерности протекания коррозионных процессов и выявить основные параметры агрессивной среды и свойств бетона, определяющие кинетику деструкции и потери защитных свойств бетона, а также оценить степень их влияния
3. Разработать математические модели для основных видов коррозии бетона и железобетона, а именно:
- выщелачивания бетона;
коррозии бетона II вида с образованием и без образования осадка продуктов коррозии в зоне химической реакции;
деструкции бетона, вызываемой кристаллизацией солей новообразований в его норовом пространстве (коррозия бетона III вида);
депассивации стальной арматуры в бетоне при воздействии на него газовоздушных хлорсодержащих сред
Экспериментальная проверка и уточнение разработанных математических моделей процессов коррозии
На основании результатов разработки математических моделей предложить методы прогнозирования коррозионной стойкости бетона и сохранения его защитных свойств по отношению к стальной арматуре
Разработать нормативные документы по оценке опасности агрессивных сред и расчету скорости коррозионного поражения бетона и железобетона для применения в практике проектирования и строительства
Методы и достоверность исследований. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, базируется на основных положениях неорганической и физической химии, теории массопереноса и физико-химической механики и подтверждены натурными обследованиями состояния строительных конструкций в агрессивных средах.
В работе использовались классические теоретические методы исследования, например, методы математической физики , которые хорошо известны, широко применяются и не требуют дополнительного обоснования их применения.
Достоверность экспериментальных исследований обеспечивалась применением стандартных методов химического, термографического и рентгеност-руктурного анализов. При исследовании коррозии стали в бетоне использовались применяемые в настоящее время электрохимические методы исследования. Все эксперименты выполнялись с использованием приборов и оборудова-
ния, прошедших государственную проверку специализированными сертификационными организациями.
Результаты теоретических исследований проверялись большим количеством экспериментов, в том числе длительных до 5-6 лет, и в полной мере отражены в первичных документах и научно-технических отчетах института Баш-НИИстрой.
Оригинальные методики исследований, разработанные автором, основаны на глубокой теоретической проработке вопросов и достаточно тщательно обосновываются.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
Впервые выполнено обобщение и дано уточнение классификации видов коррозии железобетона, предложенной Москвиным В.М., Алексеевым С.Н. и Розенталем Н.К. Выявлены приносящие наиболее ощутимый для условий Башкортостана ущерб виды коррозии строительных материалов.
На основании деления суммарного коррозионного процесса на ряд элементарных актов, поддающихся аналитическому описанию, разработаны математические модели процессов взаимодействия бетона с внешней агрессивной жидкой и газовой средой. Получены уравнения для оценки коррозионной стойкости бетона и длительности сохранения его защитных свойств по отношению к стали, которые могут быть положены в основу прогнозирования долговечности бетонных и железобетонных конструкций в агрессивных средах.
Впервые установлено, что процесс коррозии бетона, вызываемый растворением контактов кристаллизационной структуры (коррозия I и II вида), в реальных условиях эксплуатации определяется преимущественно конвективно-диффузионными явлениями в омывающей бетон воде (внешним массоперено-сом). Зона химического взаимодействия между средой и бетоном длительное время находится вне бетона во внешней среде. Учет этого обстоятельства значительно уменьшает прогнозируемую глубину коррозионного поражения, особенно на начальной стадии процесса.
Выполнены расчеты, которые показывают, что при эксплуатации бетонных сооружений в слабокислых грунтовых водах (рН >A,S) долговечность бетонных конструкций обеспечивается применением бетона нормальной плотности и не требуется дополнительных мер противокоррозионной защиты.
На основании изучения закономерностей протекания процесса коррозии бетона при кристаллизации в его пористом пространстве солей новообразований предложен уточненный механизм взаимодействия жидкой сульфатной среды и компонентов бетона. Общий процесс сульфатной коррозии можно разделить на две стадии: первичньшТТгри котором среда взаимодействует с гидроалюминатом и гидроксидом кальция, и вторичный, когда имеет место взаимодействие среды и продуктов гидролиза гидросиликатов кальция. Если бетон приготовлен на средне - или изкоалюминатных цементах, то при действии на него растворов сульфатов натрия или калия, образующих едкие щелочи, вторичный процесс может не начаться в течение всего срока эксплуатации сооружений. При этом полного коррозионного разрушения структуры не происходит независимо от концентрации среды и конструкции могут эксплуатироваться без антикоррозионной защиты поверхности бетона.
Исходя из предложенного механизма сульфатной коррозии предложено объяснение зависимости степени сульфатной коррозии бетона от вида катиона агрессивного раствора.
Установлены закономерности механизма и изучены основные факторы, определяющие кинетику протекания процесса взаимодействия бетона с газовой хлорсодержащей средой. Процесс поглощения агрессивного газа бетоном протекает с кинетическим ограничением с постоянной скоростью, прямопропор-циональной концентрации взаимодействующего газа. Выявлена зависимость скорости растворения газа в поровой жидкости бетона от влажности агрессивной атмосферы и структуры порового пространства бетона. При влажности атмосферы выше 60% газ при диффузии его в бетон, даже при наличии в защитном слое трещин шириной раскрытия до 0,5 мм, почти полностью поглощается
В поверхностных слоях материала и дальнейшее проникание агрессивного вещества вглубь бетона к арматуре осуществляется за счет диффузии хлорид-ионов в поровой жидкости.
Определено критичесое содержание хлоридов у поверхности арматуры, вызывающее коррозию последней. Для бетона на среднеалюминатном цементе при накоплении хлоридов выше 0,4% от массы цемента происходит потеря защитных свойств бетона по отношению к стали.
Разработана ускоренная методика определения эффективных коэффициентов диффузии агрессивных веществ в жидкой и газовой фазах бетона, основанная на использовании аналогий между перемещением ионов под действием градиента концентрации вещества и разности потенциалов электрического поля. С помощью данного метода определены диффузионные параметры, которые были использованы для оценки коррозионнной стойкости бетона и железобетона в агрессивной среде.
Практическое значение работы. Диссертационная работа является частью комплексных исследований в области коррозии и защиты от нее строительных железобетонных конструкций в агрессивных средах, проводимых на протяжении последних 35 лет в институте БашНИИстрой.
Разработаны методы оценки коррозионной стойкости бетона и железобетона при воздействии внешней среды, позволяющие определить степень агрессивности среды и оптимизировать выбор методов противокоррозионной защиты строительных конструкций.
Разработаны следующие основные нормативно-технические документы:
Рекомендации по применению портландцементов производственного объединения "Сода" (г. Стерлитамак, БАССР) в условиях сульфатной агрессии. НИИпромстрой, Уфа, 1987.
Методические рекомендации по определению коррозионной стойкости цемента и бетона в агрессивных сульфатных средах. НИИЖБ, НИИпромстрой, М, 1987.
Методические указания по прогнозированию долговечности железобетонных конструкций, работающих в хлорсодержащих газовых средах. НИИ-промстрой, Уфа, 1976.
Рекомендации по проектированию антикоррозионной защиты железобетонных конструкций производственных зданий нефтехимической промышленности (в развитие главы СниП 2.03. - 11-85). Ростовский ПромстройНИИ-проект, НИИЖБ, НИИпромстрой. Ростов-на-Дону, 1986.
Методические рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для эксплуатации в агрессивных средах. БашНИИстрой, Уфа, 1999.
В результате международного сотрудничества стран - членов СЭВ по проблеме "Разработка мер защиты металлов от коррозии" разработаны методические, справочные и рекомендательные материалы, которые были использованы при создании комплекса стандартов СЭВ по защите от коррозии строительных сооружений.
Результаты диссертационной работы были использованы в 80-х годах при разработке технических условий на проектирование таких крупных объектов, как Тобольский нефтехимический комбинат и Астраханский газоперерабатывающий комплекс, а также при реконструкции Губахинского химического завода (Пермская область), Уфимского и Стерлитамакского химических заводов, объединения "Салаватнефтеоргсинтез" и других химических и нефтехимических предприятий Башкортостана.
Результаты выполненных исследований внедрены на строительстве ряда промышленных, гражданских и жилых зданий и сооружений в республике Башкортостан, а также использованы при создании нормативных документов СССР и стран - членов СЭВ.
Только в области международного сотрудничества в соответствии с технико-экономическим обоснованием, разработанным НИИЖБ Госстроя СССР в 1980 году, ежегодный экономический эффект от применения на
практике результатов диссертационных исследований ориентировочно оценивался в размере 700 тысяч рублей. Поскольку проблема сотрудничества стран - членов СЭВ осуществлялась до 1990 года, то суммарный вклад БашнНИИстроя за период сотрудничества составил приблизительно 7 миллионов рублей в ценах 1984 года.
Кроме того, в результате замены сульфатостойкого цемента на среднеалюминатный портландцемент ПО "Сода" при изготовлении подземных железобетонных конструкций на объектах Башкирии за счет сокращения транспортных расходов и более низкой прейскурантной стоимости цемента получен экономический эффект около 1 миллиона рублей, также в ценах 1984 года.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и опубликованы в трудах 4 Международных конференций по проблемам коррозии материалов (Братислава, 1978г., Варшава, 1980г., Брно, 1985г., Москва, 1999г.), 5 Всесоюзных и 18 республиканских и региональных научно-технических конференций, состоявшихся в период с 1972 по 1999 годы. Результаты докладывались и обсуждались также на 10 научно-координационных совещаниях в рамках международного сотрудничества по теме XI СЭВ "Коррозия и антикоррозионная защита зданий и сооружений из бетона и железобетона".
Личный вклад в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах многолетних исследований при непосредственном участии автора, выполненных в БашНИИстрое в соответствии с тематическими планами института и отралевыми научно-техническими программами Минпромстроя, Минуралсибстроя и Госстроя СССР.
Автор также являлся руководителем работ, выполненных в БашНИИстрое, по теме XI международного сотрудничества стран-членов СЭВ по проблеме "Разработка мер защиты металлов от коррозии".
Постановка проблемы, формулирование цели и вытекающих задач, проведение теоретических и экспериментальных исследований, анализ полученных результатов, разработка нормативно-технической документации осуществлены автором.
Автор многим обязан ныне покойному первому директору института БашНИИстрой, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, лауреату Государственной премии СССР, доктору технических наук, профессору Полаку А.Ф., а также выражает благодарность сотрудникам института, оказавшим помощь в выполнении исследований.
На защиту выносятся:
1. Теоретические исследования механизма и кинетики коррозии бетона в
жидких агрессивных средах при различных условиях взаимодействия:
воздействия слабоконцентрированных растворов кислот, при котором превалирующим является процесс выщелачивания бетона;
воздействия кислых сред, при котором процесс выщелачивания ускоряется за счет химической реакции между бетоном и средой;
воздействия сульфатных сред, которое вызывает процесс разрушения структуры вследствие кристаллизации продуктов химической реакции в норовом пространстве бетона.
Теоретические исследования процесса взаимодействия бетона с газовой хлорсодержащей средой, в результате которого бетон теряет свои защитные свойства по отношению к стальной арматуре.
Результаты комплексных экспериментальных исследований по изучению элементарных процессов коррозии бетона и железобетона и проверке полученных математических моделей для описания кинетики коррозионного поражения.
Методы прогнозирования коррозионной стойкости бетона и сохранения его защитных свойств к стали, позволяющие оценить степень агрессивно-
сти среды и оптимизировать выбор способов антикоррозионной защиты конструкций в конкретных условиях эксплуатации сооружений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 90 научных работ, в том числе монография (в соавторстве), получено 9 авторских свидетельств СССР и 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения. Содержит 344 страницы основного текста, включая 99 рисунков и 46 таблиц. Список литературы - 292 наименования на 28 страницах и 4 приложения.
