Сульфатная коррозия бетона

Широкое распространение в природе сульфатных солей часто является причиной повышенной агрессивности воды, если учесть, что содержание сульфатных ионов может колебаться от 50 мг/л в воде реки до 4000-5000 мг/л в минерализованных природных водах. В сточных водах промышленных предприятий содержание сульфатных ионов может достигать 5000-10000 мг/л. Сульфатные ионы образуют с ионами кальция двуводный гипс, затем, реагируя с высокоосновными алюминатами, дают гидросульфоалюминаты кальция. Отличительным свойством этих новообразований является увеличение объема по сравнению с объемами исходных материалов в основном за счет присоединения кристаллизационной воды.

Наличие в растворе сульфатов натрия, кальция, магния, ионов S04 в концентрациях, превышающих 250 мг/л, вызывает повышенную растворимость составных частей цементного камня, что приводит к снижению прочности бетона или раствора.

В результате обменной реакции с замещением катионов сульфата ионами Са", Nа", Мg" возникает коррозия бетона II вида. При этом в водной среде, соприкасающейся с цементным камнем, происходит насыщение ее сернокислым кальцием.

При концентрации СаS04, превышающей 2000 мг/л, происходит образование кристаллов гипса СаS04-2Н20. Наличие в растворов других солей, например хлористого натрия, повышает растмость гипса и отодвигает начало образования кристаллов.

В свою очередь хлористый кальций снижает растворимость СаSO4 и приближает момент выпадания его в твердую фазу.

Образование двуводного гипса и гидросульфоалюмината в порах бетона, по мере разложения исходных минералов цементного камня, вызывает структурные напряжения и деформации, проявляющиеся в расслоении и растрескивании бетона, вызываемом увеличением его массы.

Образование кристаллов гипса происходит в местах повышенного содержания гидратов окиси кальция. Кроме гипса, в цементном камне образуется также гидросульфоалюминат, который кристаллизуется с 30-32 молекулами воды

 


Большое содержание кристаллизационной воды в составе гидросульфоалюмината кальция, которое приводит к значительному увеличению новообразований, является причиной интенсивного разрушения бетонной структуры.

Образование продуктов сульфатной коррозии идет за счет недиссоциированной гидроокиси кальция, которая имеет место при значении рН поровой жидкости, равном 11. Кристаллизация гипса идет за счет любой формы гидроокиси кальция при любом значении рН. Изменения в бетоне, вызываемые образованием гидросульфоалюмината, начинают происходить при контакте бетона со средой, содержащей 250 мг сульфат-иона. По мере увеличения концентрации сульфат-ионов интенсивность коррозионного процесса растет, вплоть до концентрации, соответствующей содержанию сульфат-иона в насыщенных растворах гипса, т. е. до 1500 мг/л.

Для того чтобы весь кальций, входящий в состав гидрата окиси кальция, перевести в гипс, необходимо, чтобы концентрация сульфата натрия была равной 3000, а сульфата магния - 2500 мг/л. Из этого вытекает, что без образования перенасыщенного раствора гипса его кристаллизация невозможна, поэтому концентрация сульфатов для образования в структуре цементного камня кристаллов гипса должна быть не менее 0,18%. При меньших концентрациях единственной твердой фазой новообразований будет гидросульфоалюминат.

Вопрос сульфатной коррозии чрезвычайно сложен. Наличие гипса и гидросульфоалюминатов в структуре цементного камня не может свидетельствовать о коррозионном процессе, поскольку и гипс и гидросульфоалюминат являются структурными элементами целого ряда цементов.

Существенно повысить сульфатную стойкость цементов можно путем снижения содержания в минералогическом составе цементного камня высокоосновных алюминатов. Например, в сульфатостойком цементе содержание СзА снижено до 5%, а в сульфатостойком шлакопортландцементе и пуццолановом цементе - до  8%.    Повысить  сульфатостойкость   цемента   можно   путем добавления 10-20% тонкомолотого гранулированного шлака для портландцемента и 5-10% тонкомолотых трепела, опоки или диатомитов, а также 21-60% граншлака для сульфатостойкого шлакопортландцемента.

Для бетонов нормальной плотности и обычных портландцементов в условиях сильнофильтрующих грунтов при содержании в водной среде ионов хлора менее 1000 мг/л неагрессивной считается вода, содержащая менее 300 мг/л сульфатов в пересчете на ионы S04" и среднеагрессивной - при содержании ионов сульфатов в пределах 401-500 мг/л.

Для сульфатостойких портландцементов содержание ионов сульфатов может быть увеличено в 10 раз, например, неагрессивной считается концентрация S", равная 3000 мг/л. Портландцементы с умеренной экзотермией по сравнению с обычными не сульфатостойкими цементами допускают концентрацию сульфатов в 5 раз выше. Наличие испаряющих поверхностей конструкции, находящейся в сильнофильтрующих грунтах, приводит к разрушению бетона при содержании в воде хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей, поэтому неагрессивной средой считается вода, содержащая солей менее 10 г/л и среднеагрессивной - 16-20 г/л.