Коррозия бетона. Объемная и поверхностная защита бетона SCHOMBURG и STEULER

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. Объемная защита. Модификация добавками

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, молекулы поверхностно-активного вещества ориентируются по принципу: «полярное к полярному», «неполярное к неполярному», способствуя тем самым птимальному 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 направлена на синергизм – взаимное усиление действия составляющих на достижение определенных свойств.

1. Поверхностная защита бетона

В условиях атмосферного воздействия (влага, перепады температур, УФ-излучение, наличие агрессивных газов СО₂, SO₂, NO₂ и пр.) хорошо зарекомендовали себя вододисперсионные акриловые и кремнийорганические краски. Создавая тонкий, плотный барьер, эти краски надежно защищают бетон в атмосферных условиях.

Старение бетона под действием техногенных факторов принимает такие темпы, что становится отчетливой необходимостью специальная поверхностная защита материала.

Обязательных мероприятий по химической защите бетонных сооружений требуют следующие среды.

Среды	Количественные показатели
Неорганические кислоты: H2SO4, HCL, HNO3, H2F2, HClO4, H3PO4, H2CrO4 Органические кислоты: муравьиная, уксусная, молочная, масляная, хлоруксусная, салициловая, щавелевая Щелочи: NaOH, KOH, сода Na2CO3, фосфаты, очищающие и моющие средства Минеральные масла	рН-фактор < 3,5 или расход основания для слабодиссоциирующих кислот > 10 ммоль/л рН-фактор < 3,5 или расход основания для слабодиссоциирующих кислот > 10 ммоль/л рН-фактор > 13 или концентрация > 10 М.% Кислотное число > 0,5 мг КОН / г

Из других веществ могут быть агрессивными для бетона:

• Растительные и животные жиры и масла
• Растворы солей (сульфаты, хлориды, магнезиальные и аммонийные соли)
• Сульфиды
• Глицерин
• Формальдегид
• Фенолы, крезолы
• Низкомолекулярные эфиры (бутилацетат)
• Пластификаторы (дибутилфталат)

Действие этих веществ зависит от их концентрации, рН-фактора, продолжительности воздействия, поэтому выбор защиты определяется конкретными условиями.

В сооружениях из железобетона следует учитывать:

• Возможность каталитического действия стали на реакции гидролиза в щелочной среде бетона (например, отщепление хлор-ионов от тетрахлорметана)
• При действии солей, особенно хлоридов, агрессивное действие может быть направлено преимущественно на арматуру;
• Достаточность толщины бетонного слоя над арматурой;
• Водонепроницаемость бетона;
• Снижение сцепления бетона с арматурой под действием некоторых сред, например – минеральных масел и жиров.

Поэтому при строительстве новых и восстановлении старых сооружений основными задачами являются эффективность и долговечность защиты, что возможно лишь при использовании современных системных технологий.

Системность в выполнении ремонтно-защитных работ подразумевает использование материалов одного производителя с такими требованиями как:

• хорошая совместимость компонентов системы,
• безусадочность ремонтных растворов,
• ранний набор прочности,
• трещиностойкость,
• атмосферостойкость,
• индивидуально подобранная химически стойкая защита.

При защите бетонной поверхности тонкослойными синтетическими покрытиями, используются преимущественно эпоксидные или полиуретановые смолы; в условиях жесткой агрессии – смолы на основе виниловых эфиров, фурановые полимеры и композиции на основе жидкого стекла.

Необходимыми требованиями к поверхности являются:

• Прочная ровная основа, без изъянов и трещин.
• Влажность, не превышающая 4%.
• Изоляция от наружного подпора грунтовых вод.

При соблюдении этих условий, выборе надежных материалов и строгом выполнении технологии защита может быть и эффективной и долговечной.

5.1. Очистка и защита замасленных поверхностей

Серьезной проблемой, в частности, является очистка, подготовка и защита замасленных, контактирующих с нефтепродуктами бетонных поверхностей.

Полы и резервуары нефтеперерабатывающих производств, очистные сооружения – все минеральные поверхности, контактирующие с сырой нефтью, маслами, соляркой, мазутом и пр., с трудом поддаются очистке, отмывке и последующей защите. Проблемой является и изоляция швов на замасленных поверхностях. Создаваемая антиадгезионная прослойка является серьезной помехой в проблемах реконструкции и противокоррозионной защиты.

Технология SCHOMBURG по обновлению и защите бетонных поверхностей, контактирующих с маслами и нефтепродуктами, включает три основных этапа:

1. 1. Очистка. Для очистки используется специальное концентрированное средство ASOR008 Bioversal. Степень разведения зависит от характера и интенсивности загрязнения и находится в пределах от 1 : 5 до 1 : 10. Средство наносится распылением, и после обработки щеткой поверхность основательно промывается водой.
2. 2. Грунтование. Для грунтования очищенных, промытых, слегка влажных бетонных поверхностей перед последующей защитой следует применить уникальную грунтовку ASODUR-SG2. Это плотная водостойкая и маслостойкая двухкомпонентная эпоксидная смола в отличие от всех остальных эпоксидных композиций обладает очень высокой адгезией к влажному бетонному основанию (3,6 – 3,8 МПа). Плотность и уровень адгезионной прочности ASODUR-SG2, высокое противостояние отрыву удерживают оставшиеся в глубинных слоях бетона остатки масел, не позволяя им выйти на поверхность. Грунтовка незаменима и в условиях внешнего воздействия грунтовых вод.
3. 3. Защита. Устойчивостью к маслам и нефтепродуктам обладают эпоксидные композиции. Для применения в качестве накатываемых покрытий на бетонные поверхности, может. быть рекомендована, в частности:

ASODUR-TE – двухкомпонентная тиксотропная эпоксидная смола. В отвержденном состоянии высокоэластична, износостойка и работоспособна в интервале температур от –30^оС до +80^оС.

Для наливного пола в условиях механических нагрузок (проходы людей, транспорт, станки и пр.) в качестве наливного покрытия применяется прочная, износостойкая эпоксидная композиция ASODUR-B351 – промышленный пол.

5.2 Специализированная защита от концентрированных минеральных кислот (серная, соляная, азотная кислоты) материалами компаний STEULER и SCHOMBURG

1. Подготовка поверхности осуществляется в соответствии с  требованиями, предъявляемыми к поверхности, изложенными в формуляре 010.

1. Грунтование поверхности: композиция OXYDUR-К 425 на основе ненасыщенного полиэфира. Нанесение двукратное.

Расход макс. 350 г/м² за проход.

1. Обсыпка поверхности кварцевым песком Quarzsand 0,5 – 1,0

Расход 1 кг/м².

1. Нанесение плотной основы – полиуретановая композиция OXYDUR-РТВ, толщиной 3 мм.

Расход 3 кг/м².

1. Укладка кислотостойких керамических плит DS 20 (240 х 115 х 20 мм) на кислотостойкую замазку Säurekitt-AE – на основе жидкого стекла.

Альтернатива

По п.2: Грунтование поверхности материалом ASODUR-SG2 (0,6 – 0,8 кг/м²) или ASODUR-GBM (0,3 – 0,5 кг/м²) – SCHOMBURG.

По п. 4: Нанесение плотной основы – полиуретановая композиция ASOFLEX-AKB (2,5 кг/м²) – SCHOMBURG.

Затем плитка на кислотостойкую замазку Säurekitt-AE.

В случае слабокислой среды или непродолжительного воздействия кислот возможно обустройство полимерного пола на основе кислотостойкой эпоксидной смолы ASODUR-UBS.

5.3 Защита очистных сооружений в условиях газовой коррозии

Железобетонные конструкции гидро- и очистных сооружений подвергаются различным видам коррозии. К ним относятся, в частности:

• Биогенная коррозия, вызванная образованием и интенсивным размножением органических колоний;
• Углекислотная коррозия, обусловленная синергетическим действием углекислого газа и воды с превращением кальцита в растворимый гидрокарбонат кальция;
• Сульфатная коррозия, происходящая под действием серосодержащих газов (сероводорода, продукта гниения органического ила и сернистого газа, продукта окисления сероводорода);
• Аммиачная коррозия, вызываемая продуктами разложения белковых соединений ила – (мочевина, аммиак).

В сооружениях для бытовых сточных вод дефектные места в бетоне проявляются значительно медленнее в силу более низких химических и термических нагрузок, поэтому они трудно устанавливаются. Однако, поверхности газовой зоны резервуаров для органического ила (метантенков) и канализационных труб весьма чувствительны к агрессивному воздействию. Выделяющийся из сточной воды газообразный сероводород проникает во влажный бетон и благодаря серным бактериям превращается в серу и серную кислоту. Это приводит к коррозии арматуры и достаточно быстрому разрушению бетона. Особенно уязвимы в этом отношении поверхности колпаков больших резервуаров с органическим илом.

Исходя из необходимости защиты, прежде всего, от коррозионного воздействия газов, следует отдать предпочтение газоплотным поверхностным коррозионностойким покрытиям с высокой степенью адгезии к бетону и металлу, эластичным и трещиностойким, особенно в условиях перепада температур при эксплуатации на открытом воздухе.

Этим требованиям удовлетворяет композиция ASODUR-TE, не содержащая растворителей тиксотропная двухкомпонентная –эпоксидная смола. ASODUR-TE высокоэластичен, износостоек, устойчив к агрессии морской воды, сточных вод, нефтепродуктов, разбавленных кислот и щелочей. Покрытие черного цвета с блестящей антиадгезивной поверхностью. Работоспособно в интервале температур от –30^о до +80^оС.

Расход: 500 г/м² поверхности при накатываемом способе за 1 рабочий проход. Рекомендуется 2 – 3 рабочих прохода (в зависимости от состояния поверхности) с обсыпкой в промежутке просушенным кварцевым песком.

Подготовленная и выровненная бетонная поверхность должна быть загрунтована. Обычной грунтовкой для сухой поверхности (уровень влажности не более 4%) является эпоксидная композиция ASODUR-GBM с расходом от 300 г/м². При условиях, не позволяющих достичь требуемого уровня влажности, возможно грунтование специальным составом ASODUR-SG2 (двухкомпонентная система на основе эпоксидной смолы) с расходом ~600 – 800 г/м².

5.4 Универсальная химическая защита

Для защиты резервуаров, реакторов, ванн, поддонов, лотков, труб и пр., в том числе и нуждающимся в ремонте, перспективным является применение термопласт-облицовок - технология STEULER. В старое бетонное сооружение вносится вкладыш из термопласта (полиэтилен высокой плотности, полипропилен), оснащенный с наружной стороны вплавленными анкерами. Системный материал монтируется на месте производства работ путем сваривания листов в конструкцию необходимой конфигурации (сложные профили возможно изготавливать на заводе) и заполняется со стороны анкеров высокоподвижным безусадочным раствором. После твердения раствора образуется единая система - бетон-термопласт-облицовка. Старое сооружение играет, таким образом, роль несъемной опалубки и не требует соответственно длительного ремонта и защиты.

Вкладыши из термопласта	Монтаж вкладыша в разрушенную трубу	Бетон-термопласт-облицовка

Применение бетон-термопласт-облицовок в новом строительстве и ремонте имеет неоспоримые преимущества, к которым относятся:

• Универсальная химическая стойкость материала;
• Водонепроницаемость
• Антиадгезионная поверхность (не зарастает и легко очищается);
• Сохранение физических свойств при длительном воздействии агрессивных компонентов;
• Высокая долговечность – до 50 лет эксплуатации;
• Физиологическая и экологическая безопасность;
• Низкая трудоемкость при монтаже и ремонте (сварка);
• Стойкость материала к низким температурам – до -50^оС;
• Ремонтопригодность
• Не лимитируемые сроки хранения.