Коррозия бетона. Модифицирование и объемная защита бетона SCHOMBURG

1. Что такое бетон?

Бетон – сложный композиционный материал, состоящий из цементного вяжущего, минеральных заполнителей, воды и модифицирующих добавок.

Основными компонентами гидравлического цементного вяжущего являются двойные и тройные соединения, состоящие из оксидов кальция, алюминия, кремния и железа. К ним относятся: монокальциевый силикат CaO _* SiO₂, двухкальциевый силикат 2CaO _* SiO₂ (белит), трехкальциевый силикат 3СаО _* SiO₂ (алит), трехкальциевый алюминат 3СаО _* Al₂O₃, четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО _* Al₂O_{3 *} Fe₂O₃ (целит). Следует отметить, что данные обозначения условны, поскольку традиционно представляемые в виде оксидов соединения являются сложными солями и диссоциируют в воде с образованием катионов кальция, а также силикатных, алюминатных и ферритных анионов.

 

 

В основе твердения цементного вяжущего лежат химические реакции гидратации силикатов и алюминатов кальция. В качестве побочного продукта образуется гидроксид кальция или свободная известь Са(ОН)₂.

2(3СаО _* SiO₂) +  6Н₂О  →  3СаО _* SiO_{2 *}3Н₂О + 3Са(ОН)₂

1. 2. Причины коррозии бетона

Капиллярно-пористая структура бетона обусловлена многокомпонентностью состава различной степени дисперсности и физико-химическими процессами усадки. Для получения необходимой подвижности бетонной смеси добавляется от 50 до 70 масс.% воды. В процессе твердения химически связывается лишь 24 – 28%. Усадка бетона вызывается, во-первых, потерей лишней воды при твердении (физическая усадка) и, во-вторых, образованием при гидратации менее объемных гидратированных структур (контракционная усадка). Это приводит к трещинообразованию и дальнейшему развитию сети капилляров и пор. Поверхность бетона становится уязвимой для воды и присутствующих в окружающей атмосфере газов. Кроме того, свободная известь в бетоне обладает высокой химической активностью и реагирует с атмосферными газами и грунтовыми водами, что вносит существенный вклад в коррозию поверхности.

1. 3. Основные процессы коррозии бетона

• Замораживание – оттаивание. Находящаяся в порах бетона вода при замерзании увеличивается в объеме, создавая давление кристаллизации и провоцируя механическую деструкцию материала.
• Свободная известь вступает в химические реакции с углекислым газом воздуха (карбонизация), сернистым газом, оксидами азота, попадающими в атмосферу из выхлопных газов и промышленных выбросов, что приводит в условиях влаги к кислотному разрушению бетона.
• Гигроскопичные водорастворимые соли грунтовых вод разрушающе действуют на материал за счет давления кристаллизации и гидратации солей, а также за счет возможных химических реакций со свободной известью и составляющими цементного камня.
• Все органические и неорганические растворы кислого характера (рН<6) в той или иной степени разрушают бетон, нейтрализуя свободную известь и повреждая цементный камень.
• Нефтепродукты ослабляют связи между заполнителем и цементом, а также между бетоном и арматурой.
• Аммиак и мочевина сорбируются бетоном, вызывая т.н. аммиачную коррозию цементного камня.
• Сероводород очистных сооружений под действием кислорода и серных бактерий окисляется в сернистую и серную кислоты и разрушает бетон
• Непрофессиональное совмещение цементных и гипсовых материалов может привести во влажной среде к образованию объемного соединения эттрингита – цементной бациллы 3СаО_*Al₂O_{3 *}3CaSO_{4 *}31H₂O.

Процессы коррозии можно предотвратить или затормозить, используя поверхностные или объемные способы защиты бетона.

1. 4. Модифицирующее действие добавок

К объемным методам относится модификация строительных растворов добавками – важнейший рычаг управления технологическими параметрами материалов. Широкий спектр наименований, насыщенность современного строительного рынка отечественными и импортными предложениями диктуют необходимость направленного выбора средств.

Действие модифицирующих добавок проявляется в следующих основных направлениях.

1. Пластификация – изменение реологических свойств смесей в сторону большей подвижности и соответственно удобоукладываемости; снижение в/ц отношения;
2. Гидрофобизация – появление у материала водоотталкивающих свойств;
3. Регулирование сроков схватывания и твердения: ускорение или замедление;
4. Изменение структуры бетона: уплотнение, расширение, газообразование;
5. Изменение состава за счет химических реакций с компонентами бетонной смеси.
6. Эластификация – приобретение жесткими цементно-песчаными растворами эластичных свойств за счет действия полимеров

Рассмотрим в представленном порядке характер действия добавок, их виды и возможность комплексной модификации.

4.1. Пластифицирующие добавки

Пластификация строительных растворов – это действие поверхностно-активных веществ, имеющих в своем составе функциональные группы разной степени полярности. Эти группы размещаются среди разнородных по полярности компонентов раствора (цемент-песок-вода), создавая своего рода гидродинамическую смазку. Уменьшая внутреннее трение и ориентируясь по принципу - полярное к полярному, неполярное к неполярному, молекулы поверхностно-активного вещества способствуют оптимальному совмещению составных частей смеси. При этом изменяются реологические свойства бетонной смеси, снижается водоцементное отношение, увеличиваются плотность и водонепроницаемость, уменьшается расслоение, снижается риск усадочных явлений и трещинообразования, формируется плотная и однородная структура поверхности.

4.2. Гидрофобизирующие добавки

Молекулы поверхностно-активных веществ, имеющих многоатомные неполярные углеводородные цепочки, располагаются полярными группами внутрь по направлению к гидрофильным молекулам цемента, прочно адсорбируясь на них. Неполярная гидрофобизирующая часть молекулы добавки фиксируется на поверхности твердой фазы, обеспечивая водоооталкивающие свойства.

Часто эффекты гидрофобизации и пластификации совпадают особенно в современных комплексных системах добавок, основу которых составляют, как правило, соли длинноцепных органических кислот, а также кремнийорганические соединения.

4.3. Добавки, регулирующие структуру и сроки схватывания-твердения

Ускорение или замедление сроков схватывания обусловлено причинами как физического, так и химического характера. Это может быть изменение растворимости вяжущих веществ: понижение растворимости ведет к замедлению твердения (добавки спиртов); повышение растворимости, вступление в химическую реакцию с компонентами вяжущего вызывает процессы ускорения схватывания-твердения. Появление новообразований – продуктов реакции материала с добавками – положительно влияет на ряд свойств: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость бетона. К таким добавкам относятся широко известные системы на основе хлоридов и нитратов кальция, образующие с минералами портладцементного клинкера новые соединения – двойные соли-гидраты. Эти соединения оказывают существенное положительное влияние на такие свойства бетона, как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость.

Расширяющиеся и напрягающие цементы содержат, как правило, безводный сульфоалюминат кальция, дающий при гидратации достаточно объемные образования, или активный кремнезем, образующий расширяющие и труднорастворимые гидросиликаты кальция. Все это в итоге ведет к увеличению прочностных и деформационных свойств.

К добавкам, изменяющим структуру бетона, относятся газо- и пенобразующие добавки: алюминиевая пудра, поверхностно-активные вещества и др. Производство пено- и газобетонов существенно снижает материалоемкость производства, улучшает эксплуатационные свойства материалов, прежде всего их объемную массу и теплофизические характеристики.

Современные супер- и гиперпластификаторы - это системы комплексного действия. Малые количества этих добавок способствуют значительному снижению водоцементного отношения, а, следовательно, повышению плотности, трещиностойкости, морозостойкости, химической устойчивости и ряда других свойств. Комбинация различных компонентов часто направлено на синергизм – взаимное усиление действия составляющих на достижение определенных свойств. Старение бетона под действием техногенных факторов принимает такие темпы, что защита материала изнутри становится отчетливой необходимостью.

4.4. Эластификация строительных растворов

Эластификация цементно-песчаных систем производится действием сухих полимеров или водных полимерных дисперсий. Сухие полимеры работают по принципу сухого молока, т.е при затворении водой дают полноценный полимер. Как правило, это сополимеры винилацетата или винилхлорида с этиленом и кремнийорганикой, которые в виде порошков вводятся в сухую цементно-песчаную смесь на стадии ее приготовления. Современные ремонтные, гидроизоляционные, клеевые сухие смеси содержат добавки полимеров соответствующего назначения.

Полимерные водные дисперсии - это синтетические каучукоподобные вещества, добавляемые в воду затворения в разных пропорциях в зависимости от требуемых свойств: эластичности, трещиностойкости, химической стойкости композиции. При значительных концентрациях полимерной дисперсии – до 20 – 30% строительный раствор приобретает свойства полимерраствора и после твердения образует перекрывающие трещины резиноподобные структуры, обладающие повышенной  водо- и химической устойчивостью.

1. 5. Примеры пластифицирующих систем

Группа компаний SCHOMBURG (Германия) выпускает большой ассортимент добавок направленного действия и комплексных систем широкого спектра, из которых можно выделить:

5.1.Суперпластификаторы BETOCRET-406 FM и BETOCRET-С16.

Действие композиций основано на синергетическом эффекте - взаимном усилении действия, включающего:

• Пластификацию смеси высокоэффективным поверхностно-активным веществом, позволяющим оптимальным образом совместить гидрофильные частицы цемента с гидрофобными заполнителями – песком и щебнем, что приводит к снижению водоцементного отношения;
• Химическую реакцию между реактивными составляющими добавки со свободной известью и водой с образованием труднорастворимых структур, повышающих плотность и химическую стойкость бетона. Небольшое количество добавки (до 2% к весу цемента) обеспечивает получение прочной водонепроницаемой структуры материала, устойчивого к кислотным дождям и сточным водам, морозу и размораживающим солям, углекислотным и сульфатным водам.

5.2. Пластификаторы ASOLIN и ESCODE-P80.

ASOLIN-K – пластифицирующая, гидрофобизирующая и предотвращающая образование высолов добавка для уплотнения бетона и строительных растворов, в том числе и известково-цементных растворов. Снижает водоцементное отношение. В количестве до 2-3% к весу вяжущего препятствует карбонизации; добавка 0,4% к цементу уплотняет бетоны и строительные растворы, повышает водонепроницаемость материала.

ESCODE-P80 - высококонцентрированный пластифицирующий раствор. При добавлении в количестве всего 0,15% к весу вяжущего, позволяет получить высококачественные не расслаивающиеся стяжки, в том числе для «плавающих» полов и полов с подогревом. Полученная стяжка имеет однородный состав с равномерным распределением заполнителей и отсутствием на поверхности цементного «молока». Использование указанной добавки препятствует образованию трещин, снижает расход воды затворения до 20%, что позволяет начинать отделочные работы ранее 28-дневного срока набора прочности стяжки.

Гидрофобизирующим действием обладает ASOLIN-DM – пластифицирующая и гидрофобизующая добавка для уплотнения бетона, цементного и известково-цементного растворов. В количестве 2% к весу вяжущего препятствует расслаиванию и скоплению гравия. При этом повышается стойкость к воздействию агрессивных влияний. Водонепроницаемость достигается путем точного распределения в растворе бетона соответствующих гидрофобизирующих веществ.

5.3. Добавки, регулирующие сроки схватывания строительных смесей

• OС12-Frostschutz (BE), антифриз и ускоритель схватывания для цементных и бетонных растворов. 1% добавка к весу цемента понижает температуру замерзания свежего бетона до –10^оС, что позволяет производить бетонные работы в холодное время года. Уменьшается количество воды затворения за счет пластифицирующих свойств добавки.
• RUXOLIT-T3 (VZ), замедлитель процессов схватывания. Позволяет увеличить срок «жизнеспособности» бетонной смеси в зависимости от количества добавки (от 0,4 до 1,8%) максимум в 12 раз. При этом отсутствует опасность получения противоположного эффекта при передозировке. Сроки замедления схватывания бетона зависят от сорта цемента, температуры, водоцементного отношения, консистенции и определяются в каждом конкретном случае экспериментально.

5.4. Добавки - антивысолы

Для борьбы с солевыми разводами на поверхности изделий из бетона, цементных декоративно-отделочных материалов используются добавки PURCOLOR-5000 и PURCOLOR-6000. Обладая пластифицирующим и стабилизирующим цвет действием, эти добавки не допускают выхода на поверхность карбоната кальция, сохраняя цвет и эстетические качества облицовок.

5.5. Другие системы

ASOLIT-LP/K является концентратом порообразующего и пластифицирующего средства. Эта жидкая добавка вводится в воду затворения в количестве 0,1 – 0,2%. Результатом является снижение расхода воды, повышение водоудерживающей способности, образование большого количества микропор и повышение стойкости к воздействию окружающей среды.

Группу последнего поколения суперпластификаторов на основе поликарбоксилат-эфиров представляют композиции REMICRET, оказывающие комплексное действие на процессы твердения и свойства бетонов, в том числе и для самоуплотняющихся бетонов.

1. 6. Трещиностойкость покрытий. Эластификиция строительных растворов

На стенах, потолках или стяжках при использовании цементно-песчаных растворов, шпаклевок и штукатурки часто приходится наблюдать появление, а затем и стремительный рост трещин вплоть до разрушения покрытий.

Каковы же основные причины образования трещин и отслоения покрытий?

1. Большинство свежих тонкослойных композиций на основе цемента быстро теряет воду за счет преждевременного испарения, особенно в условиях температур больше 20^оС. С досрочной потерей воды смещаются равновесные процессы схватывания и твердения цементного теста, увеличиваются внутренние напряжения, возрастает усадка. Появляется сеть микротрещин, трансформирующихся затем в более крупные трещины, покрытие теряет свои функции и разрушается.

1. Причиной отслоения покрытий является и недостаточная адгезия к поверхности. Здесь возможно действие разных факторов: ослабление несущих свойств основы, неподготовленность поверхности, как механическая, так и физико-химическая (наличие старой отделки, плесени и солей), а также неудовлетворительная клеящая способность наносимого покрытия.
2. Весьма нежелательно одновременное использование антагонистичных материалов, например гипса и цемента, что в условиях влажной среды может привести к химическому взаимодействию и образованию объемных продуктов реакции - цементной бациллы. Как следствие имеет место деформация поверхностного слоя. Во избежание отторжения нежелательно также совместное использование ремонтных, изоляционных и отделочных материалов разного происхождения без профессионального анализа их совместимости.

1. Нецелесообразно использование паронепроницаемых гидроизоляционных и отделочных материалов. Это приводит к конденсации пара на границах раздела слоев и наносит ущерб, как покрытию, так и основе.
2. Наконец, допустимо применение в оптимальных соотношениях только качественного цемента и хорошо отмытого от глины песка требуемых фракций.

Последнее требование актуально, в частности, в производстве стяжек, где нередко используются случайные материалы, включая кладочные смеси. Результат не заставляет себя ждать – стяжки покрываются трещинами, избавиться от которых можно только, убирая дефектное покрытие и монтируя новое.

В производстве стяжек, особенно стяжек с подогревом, где трещинообразование весьма вероятно, необходимо, помимо качественного сырья, использование суперпластификаторов, о чем было сказано выше.

Говоря о подготовке поверхности, контактирующей с грунтовыми водами, следует обратить особое внимание на возможность присутствия здесь водорастворимых солей, особенно сульфатов натрия, кристаллизующихся в виде десятиводных гидратов, и гигроскопичных хлоридов кальция и магния, кристаллизационное давление которых серьезно препятствует адгезии. Грунтовые соли обязательно должны быть переведены на поверхности в труднорастворимую форму с помощью так называемого флюатирования. Закрытые поры поверхности будут препятствовать выходу растворимых солей при миграции грунтовых вод.

Но и при наличии качественных цемента и песка, очищенной от солей, грибка и механических наслоений поверхности необходимо – модифицировать цементно-песчаную смесь, сделать ее более пластичной, повысить ее водоудерживающую и клеящую способность, увеличить водостойкость и сопротивление химической агрессии.

Этот комплекс свойств можно получить при добавлении в воду затворения эластифицирующей полимерной дисперсии ASOPLAST-MZ.

Что такое ASOPLAST-MZ, чем обусловлено влияние этого вещества на цементную композицию?

ASOPLAST-MZ – является водной дисперсией низкомолекулярного синтетического каучука. Обволакивая гидрофильные частицы цемента и поставляя им необходимое количество воды для процессов гидратации, тончайшие полимерные оболочки защищают гидратированные частицы от преждевременной потери воды, способствуют увеличению водоудерживающей способности системы и ее равновесному твердению. В отвержденном состоянии покрытие становится гидрофобным, т.е. приобретает водоотталкивающие свойства и соответственно более устойчивым к химической агрессии (в частности, к воздействию аммиака и мочевины).

Длинноцепные молекулы каучука в составе воды затворения, равномерно распределяясь в цементной композиции, сообщают ей необходимую пластичность и повышают клеящую способность покрытия.

В итоге приобретается возможность:

• Получать тонкие слои выравнивающих и ремонтных растворов, а также галтелей с гарантированным отсутствием трещин после отверждения.
• Существенно увеличить адгезию покрытий, осуществив предварительно набрызг или полунабрызг цементно-песчаным раствором с добавкой ASOPLAST-MZ в воду затворения.
• Штукатурить без сетки, добавляя ASOPLAST-MZ в воду затворения для обеспечения трещиностойкости и долговечности штукатурки.
• Повысить адгезионные свойства и атмосферостойкость красок при их разведении с добавлением в воду ASOPLAST-MZ.
• Обустроить холодные швы.
• Заглаживать и выравнивать облицовочный бетон.
• Использовать эти растворы в условиях повышенной водной, щелочной, карбамидной и аммиачной агрессии, что актуально для гидротехнического, химического, водохозяйственного и сельскохозяйственного (животноводческие помещения) строительства.

1. 7. Добавки в штукатурные системы

Причиной отслоения может быть и недостаточная паропроницаемость покрытий. Использование плотных паронепроницаемых цементно-песчаных штукатурок приводит к скоплению конденсата на границе раздела несущая стена – штукатурка. Это грозит повышенной влажностью и отсыреванием несущей конструкции и, как следствие, снижает долговечность штукатурного и окрасочного слоев.

Современные строительно-отделочные технологии используют только паропроницаемые минеральные составы. Примером может являться система санирующих штукатурок THERMOPAL.

Основанные на строгом подборе вяжущих компонентов (цемент + известь), эти штукатурные смеси содержат легкие заполнители и ряд модифицирующих добавок, обеспечивающих такие параметры, как необходимый объем пор и их поверхностную гидрофобизацию.

Пористые системы, пропуская пар и обеспечивая  материалу «дышащую» способность, при эксплуатации в сырых помещениях, особенно в условиях подпора грунтовых вод, обладают способностью так называемого соленакапливания, т.е равномерного распределения грунтовых солей в порах штукатурной системы. Это существенно снижает вероятность отслоения покрытий.

При использовании местных известково-цементных вяжущих можно применить порообразующую добавку THERMOPAL-Р. В количестве 1,25% к весу вяжущего THERMOPAL-Р обеспечивают нужный объем (до 20 – 25%) гидрофобизованных воздушных пор и необходимую паропроницаемость покрытия.

Большой эффект от малых добавок – ноу-хау современных строительных технологий.