ГСХ21

б) по уменьшению толщины образца металла, выраженной в линейных­ единицах и отнесенной к единице времени. Это показатель коррозии, характеризующий среднюю глубину разрушения металла за едини­цу времени (мм/год);

в) по плотности коррозионного тока.

Для количественной и качественной оценок степени коррозионной стойкости металлов по ГОСТ 13819-68 установлена десятибалльная шкала коррозионной­ стойкости (табл. 3.7 ).

Группы коррозионной стойкости металла		Таблица 3.7
Группа стойкости	Скорость коррозии	Балл
	металла, мм/год
Совершенно стойкие	<0,001	1
Весьма стойкие	0,001-0,005	2
	0,005-0,01	3
Стойкие	0,01-0,05	4
	0,05-0,1	5
Пониженно-стойкие	0,1-0,5	6
	0,5-1,0	7
Малостойкие	1,0-5,0	8
	5,0-10,0	9
Нестойкие	10,0	10

Основные цели коррозионных исследований и испытаний включают в себя:

а) подбор коррозионно-стойкого материала для изготовления конкретной конструкции или ее элементов;

б) выбор эффективного способа защиты от коррозии; в) оценку агрессивности среды;

г) анализ причин преждевременного выхода изделий из строя в результате­ их коррозии;

д) прогнозирование возможных сроков эксплуатации.

Среди количественных методов исследований степени коррозии металлов наиболее часто применяют массовый, объемный, электрический, электрохимический­ .

Самый простой метод количественного испытания - массовый (гравиметрический­ ), который позволяет определить разность масс образца до и после образования коррозии. Скорость течения коррозионных процессов определяют по массовому показателю Кмасс. Изменение механических свойств при испытаниях носит­ условный характер: чем больше площадь начального сечения образца, тем меньше изменение начального предела прочности. Этот вид испы-

62

таний применим для определения механических свойств листово­го материала. Измеряют предел прочности на разрыв и относительное удлинение.

Если материал теряет после испытаний свыше 20% своих прочностных свойств, то его нельзя использовать в качестве конструкционного материала.

Определение скорости распространения коррозии по изменению электрического сопротивления­ образцов основано на том, что продукты коррозии металла имеют электрическую проводимость значительно (на несколько поряд­ков) меньшую, чем металл, и, следовательно, коррозия будет вызывать возрастание электрического сопротивления испытуемого образца. При таких испытаниях измеряют изменение отношения электрического со­противления корродирующего образца к его начальному значению.

3.3.2 Особенности коррозии каменных и бетонных конструкций

Различные структурные нарушения, происходящие в строительных материалах (эрозия, суффозия, биоповреждения), можно отнести к понятию «коррозия», хотя механизмы данных процессов различны. Это особенно характерно для каменных материалов.

По механизму протекания различают следующую коррозию материала каменных конструкций:

1)физическую;

2)химическую;

3)биологическую.

Интенсивность распространения коррозии конструкций из искусственных каменных материалов зависит от структуры­ материала, степени и видов его увлажнения, а также от химического состава воздействующей водной среды.

Скорость и характер разрушений каменных конструкций, как уже отмечалось,зависятотструктурыпорматериала:кирпич сухогопрес­ сования, имея сеть капилляров и пор, сообщающихся между собой и открытых на поверхности, быстро насыщается влагой, ускоряющей его физическую коррозию. Кирпич пластического прессования имеет закрытые поры, которые медленнее насыщаются влагой. Значительно большиенапряжениявозникаютвмелкопористыхматериалах,контак­ тирующих с крупнопористыми, при замерзании в них влаги.

В швах каменной кладки использован раствор более плотного состава­ , чем материал кладки, раствор в швах которой быстро разрушается и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич

63

по кромкам в месте примыкания к раствору, так как на нем скапливается влага, не успевающая мигрировать в раствор.

Причиной разрушения каменных конструкций является также наложение на наружные стены фасадов плотных штукатурок. Кирпич­ ные стены, например, при нормальном режиме эксплуатации содержат в себе 0,055-0,53% влаги (по массе). Наличие плотной штукатурки приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной­ кладки. Плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения из-за разности линейных температурных расширений: ли­нейные расширения кирпичной кладки примерно в два раза меньше, чем в цементном растворе.

Однойизпричинвозникновенияфизическойкоррозиикаменных, бетонных и железобетонных­ конструкций является также растворение влагой и унос с собой некоторых веществ из тела конструкций. К этому виду относится коррозия­ выщелачивания. Фильтрующиеся через конструкцию воды могут растворять и уносить с собой находящийся в ее материале гидроксид кальция, снижая при этом прочность материала.

Следует отметить, что если наружные стены покрыты плотной штукатуркой­ из цементного раствора, то их воздухопроницаемость снижается­ в 20 раз. Коэффициент линейной усадки (набухания) материала штукатурки в 35 раз больше, чем кирпича. Кроме того, в этом случае создаются условия для интенсивного накопления влаги на границе «кирпичная кладка – цементная штукатурка».

Лучшимиэксплуатационнымипараметрамиобладаютизвестковопесчаные растворы, у которых коэффициент воздухопроницаемости близокккоэффициентувоздухопроницаемостикаменныхкладок,ав некоторыхслучаяхдажепревышаетего.Известковыйрастворустойчив при знакопеременных температурах, так как коэффициенты его линейного расширения и кирпичной кладки почти совпадают.

Химическая коррозия. Накопление малорастворимых веществ у наружной поверхности кладки происходит в результате растворения и уменьшения их во внутренних слоях.

На поверхности конструктивного элемента появляются белые высолы, которые свидетельствуют о том, что в материале протекают процессы­ растворения и выноса извести наружу в сторону более низких температур.

Опасны для каменных и бетонных конструкций воды, содержащие в себе химически активные вещества. Наиболее распространенной коррозией бетонных и железобетонных конструкций является кислотная коррозия. На бетон разрушительно действует угольная кислота.

64

Биологическая коррозия материала каменных конструкций

Каменныематериалысильноразрушаютсяподвоздействиемпродуктов окисления микроорганизмов: грибы, водоросли, лишайники воздействуют продуктами­ метаболизма и ростом биомассы микроорганизмов, внедряются в поры и трещины. Трещины, образовавшиеся в результате выветривания, становятся очагом задержания пыли, заносимой ветром и птицами, служат­ дополнительным питанием микроорганизмам. Чем крупнее поры, тем больше они удерживают в себе влаги и органической пыли, создавая тем самым усло­вия роста микроорганизмов для процесса биоповреждения каменного материала.

Бетонные конструкции активно взаимодействуют с органическими кислотами.

Прибольшемсодержаниисульфатныхионов(SO4-250-1000мг/л) коррозия переходит в сульфатно-гипсовую. Сульфоалюминатная коррозия­ протекает при наличии в воде сульфатов кальция, натрия, магния.Полученноеврезультатереакциивеществоувеличиваетобъем твердой фазы в 2,5 раза, что вызывает разрушение материала.

На бетон агрессивно действуют растворы хлорида кальция. Все хлориды­ , накапливающиеся в железобетонных конструкциях, ускоряют процесс коррозии арматуры и закладных деталей.

Виды коррозии каменных конструкций

Последствиякоррозиикаменныхматериаловмогутрассматривать­ ся в виде физико-химических и физико-механических разрушений.

Физико-химические разрушения связаны с химическими процессами­ , происходящими при взаимодействии с агрессивными средами материала­ конструкций, а физико-механические связаны в основном с процессами увлажнения, высыхания, воздействия повышенных температур­ и замораживания; к последнему виду разрушения можно отнести и воздействия масел и эмульсий.

Особенность изучения коррозионных процессов каменных материалов­ состоит в том, что они имеют конгломератную и полиминеральную структуры.

Коррозионная стойкость силикатных материалов определяется стойкостью наиболее слабого составляющего, обычно цементирую­ щего вяжущего.

Силикатные материалы характеризуются значительной пористостью­ , благодарячемувозможныувлажнение,подсосводыифильтрация.

Предложенная полиструктурная теория композиционных материалов­ состоит в выделении в единой структуре многих

65

взаимозависимых­ структур, прорастающих одна в другую (структура в структуре).

В рамках теории впервые определены структурообразующие факторы для каждого структурного уравнения.

Микроструктура присуща связующим. Свойства микроструктуры определяются явлениями, протекающими в контакте жидкой и твердой фаз.

При совмещении связующих и крупных фракций образуются композиты­ макроструктуры, свойства которой определяются соотношением заполнителя и связующим и плотностью их упаковки.

Химическое сопротивление материала – это его способность воспринимать воздействия агрессивных сред без разрушения. Оно обусловливается коэффициентом химической стойкости, представляющим собой отношение прочности после выдерживания в агрессивной среде в течение определенного времени к прочности до нагружения.

Коррозия природных каменных материалов зависит от свойств горных­ пород, из которых они получены.

Изверженные породы отличаются хорошей кислотостойкостью и щелочестойкостью: гранит, диорит, диабаз, базальт, андезит.

Осадочныепороды(кромеобломочных)обладаютвысокойкорро­ зионной стойкостью: песчаники, состоящие из зерен кварцевого песка, сцементированного кремнеземом, глинистыми материалами, плотным известняком, состоящим из кальцита.

Конструкции из известняков менее кислотостойки, если в них применен­ обычный известняк СаСО2 или магнезит MgCO3.

Болеекислотостойкиконструкцииизплотныхкремнистыхизвес­ тняков.

Гипсовый камень CaSO4*2H2O и ангидрит CaSO4 легко разрушаются под действием кислот и растворимы в воде.

Метаморфические горные породы (мрамор, гнейс, кварциты, известняковые­ песчаники) реагируют на агрессивные среды поразному. Так, мрамор корродирует от попадания в него сернистых газов и влаги. Образующиеся на поверхности сначала сернистая, затем серная кислоты превращают карбонат кальция в гипсовый камень.

Вместе с тем, известковые песчаники, сцементированные оксидом кремния, достаточно кислото- и щелочестойки.

Вид коррозийных процессов зависит от местоположения конструктивного­ элемента и характера среды.

Свободная влага заполняет собой крупные пустоты и поры материала и удерживается в них с помощью гидростатических сил.

66

Возрастание внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действием влаги, приводит к значительному снижению прочности материала­ .

Разрушение каменных материалов связано с одновременным воз­ действием отрицательных температур и влаги. Замерзающая в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения­ в материале конструкции.

Крупнопористые материалы более морозостойки. При замораживании­ материала, поры которого полностью заполнены водой, могут возникнуть­ значительные напряжения, во много раз превосходящие прочность­ наиболее стойких материалов.

Можно вычислить то давление, которое оказывает замерзшая вода на материал конструкции. При понижении температуры на 1 °С давление в порах материала каменной конструкции увеличится на dP = 1.347.107 Па = 13,5 МПа. Следовательно, при понижении температуры до - 20°С в материале­ , поры которого полностью заполнены водой, напряжения, вы­званные давлением льда, достигнут 2,7.108 Па = 270 МПа. Когда же вода свободно вытекает из пор, в которых образуется лед, тогда давление равно нулю. Давление льда увеличивается с понижением температуры.

На долговечность каменных конструкций, кроме упомянутых фак­ торов, влияют также попеременное увлажнение и высыхание материала даже при отсутствии отрицательных температур. При высыхании влаги из конструкции вода испаряется сначала из крупных пор, а затем из более­ мелких пор - капилляров. В абсолютно сухом воздухе на конструкцию­ перестают действовать расклинивающие силы и, как следствие, в материале возникают значительные напряжения усадки.

Скорость разрушения каменных конструкций под действием напряжений­ , усадки и набухания зависит от интенсивности увлажнения и высыхания­ .

Причинойфизическойкоррозиикаменных,бетонныхижелезобе­ тонных конструкций может быть отложение продуктов коррозии на поверхности­ закладных металлических деталей, а также арматуры.

Стальная арматура и металлические детали подвергаются коррозии при рН<10, особенно интенсивно она протекает при рН<5, а при рН=14 практически прекращается, что связано с образованием на поверхности стали защитной пленки из нерастворимого гидроксида железа Fe(OH)3.

При переходе воды в лед объем увеличивается примерно на 9%. Многократные изменения температуры с переходом через ноль вызывают разрушение структурных связей, поэтому постоянно появляются трещины, по которым идет деструктивное расслоение.

67

Коррозия керамических изделий

Обыкновенный глиняный кирпич не стоек против действия водных растворов щелочей.

Кирпичные стены разрушаются под действием кристаллогидратов, которые образуются в материале стен из растворов солей, особенно сульфатов натрия и магния.

Разрушение кирпичных конструкций происходит при их периодическом­ увлажнении и высыхании. Вместе с тем, керамические изделия устойчивы­ к воздействию кислот.

Керамические плитки, содержащие в себе алюмосиликаты, стойки против действия органических и минеральных кислот (кроме плавиковой).

Умело обожженный черепок отличается хорошей щелочестойкостью. Изделия с повышенной кислотостойкостью готовят из тугоплавких глин высокой пластичности.

К физической коррозии следует отнести размораживание кирпичной кладки. Разрушение кирпича от размораживания выражается расслоением­ тела кирпича на вертикальные пластины. Возникает оно из-за замачивания­ и замораживания воды, находящейся в порах и капиллярах материала.

Коррозия силикатного кирпича и силикатных изделий

Силикатный кирпич и изделия из силиката представляют собой гидросиликат кальция, который является продуктом автоклавной обработки­ материала, получаемого в результате взаимодействия извести и кремнезема.

При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидросиликата кальция под воздействием диоксида углерода карбонизируются. При­ сутствие в силикатных изделиях извести и углекислого кальция делает конструкции, изготовленные из силикатного кирпича и блоков, нестойкими­ даже против слабых водных растворов минеральных и органических­ кислот. Силикатные конструкции стойки по отношению к щелоч­ным агрессивным средам. Вследствие наличия в воздухе и грунтовой воде веществ (оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной­ среде силикатные изделия быстро разрушаются.

Коррозия природных каменных материалов

Коррозионная стойкость природных каменных материалов зависитотсвойствгорныхпород,изкоторыхониполучены.Изверженные породы отличаются высокой кислото- и щелочестойкостью. Эти материалы применяют в основном виде в блоках для отделки ответ-

68

ственных сооружений­ и уникальных зданий, а также в качестве щебня для бетона, при устройстве фундаментов, стен, перекрытий.

Осадочные породы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Песчаники и плотные известняки используют в виде плит и фасонных деталей для облицовки стен, изготовления лестничных проступей, подоконников­ .

К осадочным породам относятся также мраморовидные известняки, доломиты, гипс и травертин, который применяют в основном для облицовки­ внутренних стен и потолков. Конструкции из известняков менее кислотостойки.

Мрамор используют в качестве облицовочного материала. Он коррозирует­ с сернистыми газами и влагой. Вначале на поверхности мрамора образуется сернистая, а затем - серная кислоты.

Конструкции из карбонатных пород — известняков, доломитов, мрамора относительно быстрее коррозируют, чем силикатные ма­ териалы, так как в атмосферной среде преимущественно содержатся кислые примеси.

3.3.3 Коррозия бетонных и железобетонных конструкций

Виды коррозии представлены на рисунке 3.2.

Коррозия I вида вызывается фильтрацией мягкой воды сквозь бетон, которая вымывает гидроксид кальция Са(ОН)2. Следует учесть, что портландцемент­ содержит в себе более 60% извести.

Удаление и снижение СаО в растворе приводит к разрушению других­ гидратов (гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов), поскольку­ их существование возможно в растворах гидрата окиси кальция определенной концентрации. Внешним признаком этого вида коррозии является белый налет на поверхности конструкции как результат выпадения­ в осадок растворенных солей.

Более стойким к коррозии I вида является пуццолановый портландцемент­ и шлакопортландцемент с гидравлическими добавками, а также глиноземистый цемент.

Коррозия II вида развивается под действием на бетон кислот, солей, щелочей, вступающих в обменные реакции с частями цементного камня­ , в результате образуются хорошо растворимые соли, вымываемые из тела бетона. Скорость коррозии возрастает с увеличением концентра­ции кислоты и скорости фильтрации. Если продукты коррозии на поверхности­ бетона слаборастворимы, не удаляются и остаются на месте, то процесс коррозии приостанавливается. В случае отсутствиядвижения кислых растворовпроцесскоррозии замедляется вследствие защи­ты поверхности продуктами коррозии.

69

ȼɢɞɵ ɤɨɪɪɨɡɢɨɧɧɵɯ ɪɚɡɪɭɲɟɧɢɣ ɛɟɬɨɧɚ ɠɟɥɟɡɨɛɟɬɨɧɧɵɯ ɤɨɧɫɬɪɭɤɰɢɣ

Ɏɢɡɢɤɨ-ɯɢɦɢɱɟɫɤɚɹ	Ɇɢɤɪɨɛɢɨɥɨɝɢɱɟɫɤɚɹ	Ɏɢɡɢɤɨ-ɦɟɯɚɧɢɱɟɫɤɚɹ
ɤɨɪɪɨɡɢɹ	ɤɨɪɪɨɡɢɹ	ɤɨɪɪɨɡɢɹ
	I ɜɢɞɚ	Ʉɨɪɪɨɡɢɹ ɚɪɦɚɬɭɪɵ
	II ɜɢɞɚ	ȼɨɡɞɟɣɫɬɜɢɟ ɦɚɫɟɥ
		ɢ ɷɦɭɥɶɫɢɣ
	III ɜɢɞɚ	Ɂɚɦɨɪɚɠɢɜɚɧɢɟ
		ɢ ɨɬɬɚɢɜɚɧɢɟ

Рисунок 3.2 - Виды коррозии бетона

Бетон на портландцементе разрушается при рН<4 . К более стойким к коррозии II вида относятся портландцементы, к менее стойким - пуццолановые и цементы, содержащие в себе гидрофобные добавки. На коррозионное разрушение бетонов оказывает влияние вид заполнителя.

КоррозиюIIвидавызываютрастворыщелочейвысокойконцентра­ ции (более 5000 мг/л), которые при определенных температурных условиях­ растворяют кремнезем, и бетон разрушается. Наиболее агрессивны­ растворы едкого натра, едкого калия, аммиака.

Коррозия III вида происходит вследствие накопления в порах бетона­ кристаллов солей по двум причинам: в результате химических реакций­ взаимодействия составных частей цементного камня с агрессивной средой и из-за переноса солей, выделенных из раствора при испарении влаги.

На начальной стадии рост кристаллов повышает прочность, а затем в стенках пор возникают высокие растягивающие усилия, при которых структурные элементы разрушаются. Такое разрушение при пористом бетоне и сильноагрессивной среде может наступить быстро - через месяцы­ , а в плотном бетоне - через несколько лет.

Коррозия III вида способствует наличию сульфатов в грунтовой воде, которые при взаимодействии с трехкальциевым гидроалюминатом цемента­ образуют кристаллы.

К значительному разрушению бетона приводит и рост кристаллов сульфо-алюмината кальция.

В чистом виде рассмотренные три вида коррозии встречаются редко. Чаще всего один вид коррозии переходит в другой.

70

Наблюдается явление «выцвет солей». Речь идет о белом налете на поверхности бетона, об образовании карбоната кальция СаСО3 из гидроокиси кальция Са(ОН) и двуокиси углерода СО2. Растворимая в воде гидроокись кальция поднимается к наружной поверхности строительной­ конструкции путем капиллярного подсоса (эффект фитиля), осаждается там после испарения воды и затем реагирует с углекислотой­ воздуха, образуя карбонат кальция. Солевой налет образуется, если вода находится между плотной опалубкой и бетоном, на освобожденной от опалубки поверхности бетона или если она с растворенной в ней из­вестью течет по поверхности бетона.

Налет не влияет на качество сооружений и, в частности, на их устойчивость­ , не снижает проектную прочность бетона.

Физико-механическая коррозия предполагает ухудшение свойств бетона за счет физических явлений. Одним из видов таких изменений структуры служат замораживание и оттаивание воды в порах и капиллярах­ по аналогии с кирпичной кладкой. За счет размораживания разрушение­ начинается с цементного камня как более пористого материала, в результате бетон раскрашивается.

Знакопеременные температурные напряжения при оттаивании и замораживании­ бетона ослабляют связи между крупным заполнителем и цементным камнем за счет большого различия в коэффициентах температурного­ расширения этих материалов. С увеличением влажности бетона еще больше ослабляются связи на границе цементного камня с заполнителем.

При замораживании бетонных конструкций возникающие процессы различаются между собой в зависимости от толщины бетона.

Замораживаниемассивногосооруженияилиограждающейконст­ рукции при положительной температуре, с одной стороны, происходит с постепенным продвижением в глубь холодного фронта, к которому будет­ направление миграции влаги; то же явление будет наблюдаться при одностороннем замерзании пористого бетона - миграция влаги к холодной­ поверхности. В этом случае образуются линзы льда, развивается внутреннее давление; в результате бетон расслаивается.

Замораживание бетона тонкостенной конструкции приводит к образованию­ льда с обоих поверхностных слоев, и разрушение бетона проявится­ в их шелушении.

Разрушение бетона из-за кристаллизации солей в результате подсоса и испарения минерализованных грунтовых вод также относится к фи­зической коррозии и аналогично рассмотренному случаю коррозии III вида по своим последствиям.

Коррозия бетона от масел чаще всего возникает под действием

71