Деградация бетона может иметь множество различных причин. Бетон чаще всего повреждается в результате коррозии арматурных стержней из-за карбонатизации затвердевшего цементного теста или воздействия хлоридов во влажных условиях. Химические повреждения вызваны образованием расширяющихся продуктов, образующихся в результате различных химических реакций, агрессивными химическими веществами, присутствующими в грунтовых и морских водах (хлориды, сульфаты, ионы магния), или микроорганизмами ( бактериями , грибами ...). Другие разрушительные процессы также могут включать выщелачивание кальция в результате инфильтрации воды и различные физические явления, инициирующие образование и распространение трещин. Все эти вредные процессы и повреждающие агенты отрицательно влияют на механическую прочность и долговечность бетона .
Самым разрушительным агентом бетонных конструкций и элементов, вероятно, является вода. Действительно, вода часто непосредственно участвует в химических реакциях в качестве реагента и всегда необходима в качестве растворителя или реагирующей среды, что делает возможным транспорт растворенных веществ и проведение реакций. Без воды многие вредные реакции не могут протекать или протекают настолько медленно, что их вредные последствия становятся незначительными в течение запланированного срока службы конструкции. Сухой бетон имеет гораздо более длительный срок службы, чем водонасыщенный бетон при контакте с циркулирующей водой. Поэтому, по возможности, бетон необходимо в первую очередь защитить от проникновения воды.
Расширение продуктов коррозии ( оксидов железа ) арматурных конструкций из углеродистой стали может вызвать внутренние механические напряжения ( растягивающие напряжения ), которые вызывают образование трещин и разрушают структуру бетона. Если арматура установлена неправильно или имеет недостаточное бетонное покрытие на поверхностях, подвергающихся воздействию элементов, в течение срока службы конструкции могут возникнуть оксидные пробоины и растрескивания : плоские фрагменты бетона отделяются от бетонной массы в результате коррозии арматуры.
Бетон, как и большинство твердых пород , представляет собой материал, очень устойчивый к сжатию, но не выдерживающий растяжений, особенно внутренних напряжений. Его прочность на растяжение примерно в 10 раз ниже прочности на сжатие. Карбонизированный бетон сам по себе является очень твердым материалом, поскольку его прочность на сжатие увеличивается за счет уменьшения пористости за счет осаждения карбоната кальция (кальцита, CaCO 3 ). При отсутствии стальной арматуры и без образования продуктов расширяющихся реакций, вызывающих растягивающие напряжения внутри бетонной матрицы, чистый бетон чаще всего является долговечным материалом. Иллюстрацией внутренней прочности бетона является купол здания Пантеона в Риме, построенный из римского бетона более 2000 лет назад.
Когда атмосферный углекислый газ (CO 2 ) или ионы карбоната ( HCO−3, Колорадо2-3растворенные в воде) диффундируют в бетон с его внешней поверхности, реагируют с гидроксидом кальция ( портландитом , Ca(OH) 2 ) и pH поровой воды бетона прогрессивно снижается с 13,5 – 12,5 до 8,5 (pH воды в равновесии с кальцитом ). Ниже значения pH около 9,5–10 растворимость оксидов железа , присутствующих на поверхности углеродистой стали, увеличивается, и они начинают растворяться. Как следствие, они больше не защищают нижележащее металлическое железо от окисления кислородом воздуха , а арматурные стержни больше не пассивируются от коррозии . Именно значительные силы , внутренне создаваемые расширением продуктов коррозии железа (примерно в 6–7 раз менее плотные , чем металлическое железо, а значит в 6–7 раз более объемные), вызывают трещины в бетонной матрице и разрушают железобетон. В отсутствие железа (и без некоторых вредных химических реакций разложения, приводящих к образованию дорогостоящих продуктов) бетон, вероятно, был бы одним из самых прочных материалов. Однако стальная арматура необходима, чтобы принять на себя растягивающие усилия, которым подвергается бетон в большинстве инженерных конструкций, а нержавеющая сталь была бы слишком дорогим металлом для замены углеродистой стали . Цинковое цинкование или эпоксидное покрытие могут улучшить коррозионную стойкость арматуры, но имеют и другие недостатки, такие как более низкое сцепление поверхности с бетоном (опасность скольжения), возможное образование катодных и анодных зон , способствующих гальванической коррозии, если защитное покрытие локально проколоты или повреждены, и их стоимость выше.
Как и твердые породы, бетон может выдерживать высокие сжимающие напряжения , но не растягивающие . Как следствие, бетон легко повреждается, когда в его массе образуются фазы расширения.
Наиболее распространенными и наиболее известными расширяющимися фазами, вероятно, являются оксиды железа , образующиеся в результате окисления арматурных стержней из углеродистой стали, заделанных в бетон. Продукты коррозии образуются вокруг арматуры, расположенной в карбонизированном бетоне (и, таким образом, больше не пассивированной от коррозии) или непосредственно подвергающейся воздействию кислорода воздуха, когда начинают образовываться трещины. Повреждения, вызванные коррозией арматуры, хорошо видны невооруженным глазом и их легко диагностировать.
В бетоне могут происходить и другие вредные экспансивные химические реакции, которые труднее охарактеризовать и идентифицировать. В первую очередь их можно отличить по месту их возникновения в бетоне: внутри заполнителей или в затвердевшем цементном тесте.
Различные типы заполнителей могут подвергаться различным химическим реакциям и набухать внутри бетона, что приводит к разрушительному расширению.
Наиболее распространены те, которые содержат химически активный аморфный кремнезем , способный в присутствии воды реагировать с цементными щелочами (K 2 O и Na 2 O). Среди наиболее реакционноспособных кремнистых минеральных компонентов некоторых агрегатов — опал , халцедон , кремень и деформированный кварц . Кремнезем (фактически кремниевая кислота в гидратированном виде) легко растворяется гидроксидом натрия (NaOH) с образованием силиката натрия ( Na
2SiO
3), сильный осушитель с высоким сродством к воде. Эта реакция лежит в основе щелочно-кремнеземной реакции (ASR):
В результате этой реакции внутри пораженных агрегатов образуется гигроскопичная и вязкая расширяющаяся фаза силикагеля , которая набухает и растрескивается изнутри. В свою очередь, объемное расширение набухших заполнителей повреждает бетонную матрицу и распространяются обширные трещины, вызывающие структурные повреждения в конструкции бетона. На поверхности бетонных покрытий ASR также может вызывать выскакивания, то есть выброс небольших конусов (до 3 см (1 дюйм) в диаметре), соответствующих размеру частиц заполнителя.
Совершенно аналогичная реакция (щелочно-силикатная реакция) может происходить при наличии в некоторых примесных агрегатах глинистых минералов и может привести также к деструктивному расширению.
В некоторых агрегатах, содержащих доломит , может происходить реакция дедоломитизации , также известная как щелочно-карбонатная реакция (ACR), при которой карбонат магния ( MgCO
3) реагирует с гидроксильными ионами ( OH−
) и дает гидроксид магния ( брусит , Mg(OH)
2) и карбонат-ион ( CO2−
3). Возникающее расширение, вызванное набуханием брусита, может стать причиной разрушения материала:
Часто щелочно-силикатная реакция и реакция дедоломитизации маскируются гораздо более тяжелой щелочно-кремнеземной реакцией, доминирующей по вредным последствиям. Поскольку щелочно-карбонатная реакция (ACR) часто прерывается сопутствующей реакцией ASR, это объясняет, почему ACR больше не считается серьезной вредной реакцией.
Гораздо менее распространены деградация и выскакивания, вызванные присутствием пирита ( FeS
2), Fe2+
дисульфид ( – SS – ) очень чувствителен к окислению кислородом воздуха , что приводит к расширению за счет образования менее плотных нерастворимых оксидов железа ( Fe
2О
3), оксигидроксиды железа (FeO(OH) или Fe
2О
3·n Ч
2O ) и слаборастворимый гипс ( CaSO
4·2 часа
2О ).
По завершении ( т. е . когда все Fe2+
ионы также окисляются до менее растворимого Fe3+
ионы), окисление пирита в глобальном масштабе можно записать следующим образом:
Серная кислота , выделяющаяся при окислении пирита , затем реагирует с портландитом ( Ca (OH
2)) присутствуют в застывшем цементном тесте с образованием гипса:
Когда бетон карбонизуется атмосферным углекислым газом (CO 2 ) или если в бетоне используются заполнители известняка , H
2ТАК
4реагирует с кальцитом ( CaCO
3) и воду с образованием гипса и выбросом CO 2 обратно в атмосферу:
Дигидратированный гипс относительно растворим в воде (~ 1–2 г/л) при комнатной температуре и поэтому подвижен. Он легко выщелачивается инфильтрационной водой и может образовывать высолы на поверхности бетона, в то время как нерастворимый Fe
2О
3·n Ч
2О остаются на месте вокруг зерен окисленного пирита, они окрашиваются в красно- охристый цвет .
Сульфат - анионы , реагирующие с различными фазами затвердевшего цементного теста (HCP) с образованием более объемных продуктов реакции, могут вызвать 3 типа экспансивных реакций, называемых сульфатной атакой внутри HCP:
Эти три типа реакций сульфатной атаки описаны более подробно в отдельных разделах текста. При воздействии на затвердевшее цементное тесто (HCP) пагубные последствия для структурной устойчивости бетонных конструкций обычно более серьезные, чем при воздействии на заполнители: DEF, ESA и TSA гораздо более разрушительны для бетона, чем реакции ASR и ACR.
Общим для всех этих различных химических реакций расширения является то, что все они требуют воды в качестве реагента и реакционной среды. Наличие воды всегда является отягчающим фактором. Поэтому бетонные конструкции, погруженные в воду, такие как плотины и сваи мостов, особенно чувствительны. Эти реакции также характеризуются медленной кинетикой реакции , зависящей от условий окружающей среды, таких как температура и относительная влажность. Они развиваются медленно, и может пройти несколько лет, прежде чем повреждения станут очевидными. Часто требуется десятилетие, чтобы увидеть их пагубные последствия. Защита бетонных конструкций от контакта с водой может помочь замедлить прогрессирование повреждений.
Углекислый газ (CO 2 ) из воздуха (~ 412 ppm об.) и бикарбонат ( HCO−
3) или карбонат ( CO2−
3) растворенные в воде анионы реагируют с гидроксидом кальция ( Ca(OH)
2, портландит ), получаемый гидратацией портландцемента в бетоне с образованием карбоната кальция ( CaCO
3) при высвобождении молекулы воды в следующей реакции:
За исключением молекул воды, реакция карбонизации по существу обратна процессу обжига известняка , происходящему в цементной печи :
Карбонизация бетона — это медленный и непрерывный процесс атмосферного CO 2 , диффундирующего с внешней поверхности бетона, находящегося на воздухе, в его массу и химически реагирующего с минеральными фазами гидратированного цементного теста. Карбонизация замедляется с увеличением глубины диффузии. [1]
Карбонизация оказывает два антагонистических эффекта на (1) прочность бетона и (2) его долговечность:
Это объясняет, почему реакция карбонизации железобетона является нежелательным процессом в химии бетона. Карбонизацию бетона можно выявить визуально, нанеся раствор фенолфталеина на свежую поверхность образцов бетона (бетонное ядро, призму, свежеразрушенный стержень). Фенолфталеин – индикатор pH , цвет которого меняется от бесцветного при pH < 8,5 до розово-фуксиевого при pH > 9,5. Фиолетовый цвет указывает на все еще щелочные области и, следовательно, на некарбонатный бетон. Карбонизированные зоны, благоприятные для коррозии стали и разрушения бетона, бесцветны. [2] [3]
Присутствие воды в карбонизированном бетоне необходимо для снижения pH поровой воды бетона вокруг арматуры и для депассивации поверхности углеродистой стали при низком pH. Вода играет центральную роль в коррозионных процессах. Без воды коррозия стали очень ограничена, и арматура, присутствующая в сухих карбонизированных бетонных конструкциях, или компоненты, не подверженные проникновению воды, не страдают от значительной коррозии.
Основное воздействие ионов хлорида на железобетон заключается в возникновении точечной коррозии стальной арматуры (арматуры). Это скрытая и опасная форма локализованной коррозии , поскольку секции арматуры могут быть уменьшены до такой степени, что стальная арматура больше не сможет выдерживать растягивающие усилия, которым она должна противостоять по конструкции. Когда секции арматуры слишком малы или арматура локально сломана, арматура теряется, и бетон перестает быть железобетоном.
Хлориды, особенно хлорид кальция , используются для сокращения времени схватывания бетона. [4] Однако было показано , что хлорид кальция и (в меньшей степени) хлорид натрия выщелачивают гидроксид кальция и вызывают химические изменения в портландцементе , что приводит к потере прочности [5] , а также разрушает стальную арматуру , присутствующую в большинстве конкретный. Десятиэтажная больница Королевы Елизаветы в Кота-Кинабалу содержала высокий процент хлоридов, что привело к преждевременному отказу .
Реакция щелочи-кремнезема (ASR) представляет собой вредную химическую реакцию между щелочью ( Na
2О и К
2O ), растворенный в поровой воде бетона в виде NaOH и КОН, с реакционноспособными аморфными (некристаллическими ) кремнеземистыми агрегатами в присутствии влаги. Проще всего записать реакцию в стилизованном виде следующим образом (существуют и другие варианты):
В результате этой реакции образуется гелеобразное вещество силиката натрия ( Na
2SiO
3• н ч
2О ), также отметил Na
2ЧАС
2SiO
4• н ч
2O , или NSH (гидрат силиката натрия). Этот гигроскопичный гель набухает внутри пораженных реактивных агрегатов, которые расширяются и растрескиваются. В свою очередь, это вызывает расширение бетона. Если бетон сильно армирован, он может сначала вызвать некоторое предварительное напряжение, а затем растрескаться и повредить конструкцию. ASR влияет на агрегаты и распознается по трещинам агрегатов. Непосредственно на затвердевшее цементное тесто (ЦЦП) он не влияет.
Когда температура бетона в раннем возрасте слишком долго превышает 65 °C, кристаллизация эттрингита (AFt) не происходит из-за его более высокой растворимости при повышенной температуре, и тогда образуется менее растворимый моносульфат (AFm). . После отвода тепла гидратации цемента температура возвращается к комнатной и температурные кривые растворимости фаз AFt и AFm пересекаются. Моносульфат (AFm), теперь более растворимый при низкой температуре, медленно растворяется и перекристаллизовывается в менее растворимый эттрингит (AFt). Кристаллическая структура AFt содержит больше молекул воды, чем AFm. Так, AFt имеет более высокий молярный объем, чем AFm, из-за наличия в нем 32 молекул H 2 O. В течение месяцев или лет после остывания молодого бетона AFt кристаллизуется очень медленно в виде маленьких игольчатых иголок и может оказывать значительное кристаллизационное давление на окружающее затвердевшее цементное тесто (HCP). Это приводит к расширению бетона, его растрескиванию и в конечном итоге может привести к разрушению пострадавшей конструкции. Характерной особенностью замедленного образования эттрингита (DEF) является случайный характер сотового растрескивания, подобный характеру щелочно-кремнеземной реакции (ASR). Фактически, этот типичный рисунок трещин является общим для всех внутренних реакций расширения, а также для ограниченной усадки, когда жесткая основа или плотная сеть арматурных стержней препятствуют движениям поверхностного слоя бетона. DEF также известен как внутренняя сульфатная атака (ISA). Внешняя сульфатная атака (ESA) также включает образование эттрингита (AFt) и вредное расширение с теми же вредными симптомами, но требует внешнего источника сульфат- анионов в окружающей местности или окружающей среде. Чтобы избежать реакций DEF или ISA, лучше всего использовать цемент с низким содержанием C 3 A (триалюминат кальция), исключающий образование эттрингита (AFt). Сульфатостойкие (SR) цементы также имеют низкое содержание Al 2 O 3 . DEF или ISA воздействует только на затвердевшее цементное тесто (HCP) и оставляет нетронутыми заполнители.
DEF усугубляется при высоком pH в цементе со слишком высоким содержанием щелочей и, следовательно, гидроксидов . Это вызвано превращением эттрингита (AFt) в моносульфат алюмоферрита (AFm) под действием гидроксильных анионов (OH – ), схематически представленных следующим образом:
Полную реакцию можно вывести из молекулярных формул реагентов и продуктов, участвующих в реакции. Эта реакция способствует растворению AFt и образованию AFm. В совокупности это является усугубляющим фактором вредного воздействия слишком высоких температур. Для минимизации DEF рекомендуется также использование слабощелочных цементов. Вредная кристаллизация эттрингита (AFt) преимущественно происходит, когда бетон подвергается проникновению воды и когда pH снижается из-за выщелачивания ионов (OH – ): реакция обратная, как и при понижении температуры.
Сульфаты в растворе при контакте с бетоном могут вызвать химические изменения в цементе, что может вызвать значительные микроструктурные эффекты, ведущие к ослаблению цементного вяжущего (химическое сульфатное воздействие). Сульфатные растворы также могут повредить пористые вяжущие материалы в результате кристаллизации и рекристаллизации (солевой атаки). [6] Сульфаты и сульфиты повсеместно встречаются в природной среде и присутствуют из многих источников, включая гипс (сульфат кальция), часто присутствующий в качестве добавки в «смешанных» цементах, которые включают летучую золу и другие источники сульфатов. За заметным исключением сульфата бария, большинство сульфатов слабо или хорошо растворимы в воде. К ним относятся кислотные дожди , когда диоксид серы в воздушном бассейне растворяется в осадках с образованием сернистой кислоты. Во время грозы диоксид окисляется до триоксида, что делает остаточную серную кислоту в осадках еще более кислой. Бетонная канализационная инфраструктура чаще всего подвергается воздействию серной кислоты и сульфат -анионов , возникающих в результате окисления сульфида, присутствующего в сточных водах. Сульфиды образуются, когда сульфатредуцирующие бактерии , присутствующие в канализационных сетях, восстанавливают повсеместно встречающиеся сульфат-ионы, присутствующие в сточных водах, в сероводородный газ ( H
2С ). ЧАС
2S летуч и выделяется из воды в атмосфере сточных вод. Он растворяется в тонкой пленке воды, конденсирующейся на стенках канализационных каналов, где он также сопровождается сероводородом ( HS−
) и сульфид ( S2-
) ионы. Когда Ч
2С и ХС−
анионы подвергаются дополнительному воздействию кислорода воздуха или насыщенных кислородом ливневых вод, они легко окисляются и образуют серную кислоту (фактически кислые ионы водорода , сопровождаемые ионами сульфата и бисульфата ) в соответствии с соответствующими реакциями окисления:
или,
Коррозия, часто присутствующая в верхней части бетонных канализационных коллекторов, напрямую связана с этим процессом, известным как коррозия гниения кроны . [7]
Таумасит — силикат кальция , содержащий атомы Si в необычной октаэдрической конфигурации, с химической формулой Ca 3 Si ( OH ) 6 ( CO 3 ) ( SO 4 ) · 12 H 2 O , также иногда проще записываемой как CaSiO 3 ·CaCO 3 ·CaSO 4 ·15H 2 O.
Таумазит образуется в особых условиях в присутствии сульфат- ионов в бетоне , содержащем или подвергающемся воздействию источника карбонатных анионов , такого как заполнители известняка или тонкоизмельченный известняковый наполнитель ( CaCO 3 ). Бикарбонат- анионы ( HCO−3), растворенные в грунтовых водах, также могут способствовать реакции. Вредная реакция протекает за счет гидратов силикатов кальция (КСГ, здесь штрихами обозначена их нестехиометрия ) , присутствующих в затвердевшем цементном тесте (ГЦП). Таумаситовая форма сульфатной атаки (TSA) представляет собой особый тип очень разрушительной сульфатной атаки . CSH – это «клей» в затвердевшей цементной пасте, заполняющий пустоты между заполнителями бетона . Поскольку реакция TSA расходует силикаты «цементного клея», это может привести к вредной декогезии и размягчению бетона . Расширение и растрескивание наблюдаются реже. В отличие от обычной сульфатной атаки , при которой гидроксид кальция ( портландит ) и гидраты алюмината кальция реагируют с сульфатами с образованием соответственно гипса и эттрингита (расширяющаяся фаза), в случае ТСА CSH, обеспечивающий сцепление ГКП и агрегатов, разрушается. Как следствие, может пострадать даже бетон, содержащий портландцемент с низким содержанием сульфатов C 3 A. [8]
TSA иногда легко узнать на поле при осмотре измененного бетона. Бетон, подвергшийся воздействию TSA, становится порошкообразным, и его можно копать совком или даже соскабливать пальцами. Разрушение бетона очень характерно для TSA.
Впервые TSA был обнаружен в 1990 году в Англии в Соединенном Королевстве в сваях фундамента мостов автомагистрали М5, расположенных в кимериджских мергелях . Эти мергели представляют собой смесь глины и известняка , осаждающиеся в бескислородных условиях и богатые пиритом ( FeS 2 , дисульфид Fe 2+ ). После того, как эти мергели были выкопаны, пирит подвергся воздействию кислорода воздуха или инфильтрационной воды, богатой кислородом, и быстро окислился . При окислении пирита образуется серная кислота . В свою очередь, H 2 SO 4 реагирует с портландитом (присутствует в затвердевшем цементном тесте, ГЦП) и кальцитом ( CaCO 3 (присутствует в агрегатах известняка или в карбонатизированном ГЦП). Сильное закисление среды, вызванное окислением пирита, приводит к высвобождению ионов бикарбоната . ( ОЗ−3) или диоксид углерода (CO 2 ) вместе с ионами кальция ( Ca 2+ ) и сульфата ( SO2-4).
Полное окисление пирита можно схематически представить как:
Серная кислота , выделяющаяся при окислении пирита , затем реагирует с портландитом ( Ca (OH
2)) присутствуют в застывшем цементном тесте с образованием гипса:
Если бетон также содержит известняковые заполнители или добавки-наполнители, H
2ТАК
4реагирует с кальцитом ( CaCO
3) и воду с образованием гипса с выделением CO 2 :
Гипс относительно растворим в воде (~ 1–2 г/л) , поэтому для ТСА доступно большое количество ионов кальция и сульфатов.
Одновременно угольная кислота ( H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3 ) растворяет кальцит с образованием растворимого бикарбоната кальция :
Таким образом, когда все химические ингредиенты, необходимые для реакции с CSH из затвердевшего цементного теста в бетоне, присутствуют вместе, может произойти реакция TSA. Когда земли, богатые пиритом, такие как многие глины или мергели, раскапываются для строительных работ, сильное подкисление, вызванное окислением пирита, является мощной движущей силой, вызывающей TSA, поскольку оно высвобождает и мобилизует все ионы, необходимые для атаки CSH и образования таумасит ( CaSiO 3 ·CaCO 3 ·CaSO 4 · 15H 2 O ).
TSA благоприятствует низкой температуре, хотя в теплых регионах его можно встретить и при более высокой температуре. Причина кроется в ретроградной растворимости большинства ингредиентов, необходимых для реакции TSA. Действительно, растворимость растворенного диоксида углерода (CO 2 ), портландита ( Ca(OH) 2 ), кальцита ( CaCO 3 ) и гипса ( CaSO 4 ·2 H 2 O ) увеличивается при понижении температуры. Это связано с тем, что реакции растворения этих минеральных видов экзотермичны и выделяют тепло. Более низкая температура облегчает выделение тепла и, следовательно, благоприятствует экзотермической реакции. Только растворимость кремнезема (из CSH) увеличивается с температурой, поскольку растворение кремнезема является эндотермическим процессом, для которого требуется тепло.
Когда вода течет через трещины, имеющиеся в бетоне, она может растворять различные минералы , находящиеся в затвердевшем цементном тесте или в заполнителях , если раствор ненасыщен по отношению к ним. Растворенные ионы, такие как кальций (Ca 2+ ), выщелачиваются и переносятся в растворе на некоторое расстояние. Если физико-химические условия, преобладающие в просачивающейся воде, изменяются с расстоянием по пути прохождения воды и вода становится перенасыщенной по отношению к определенным минералам, они могут далее осаждаться, образуя отложения кальтемита (преимущественно карбоната кальция ) внутри трещин или на внешней поверхности бетона. поверхность. Этот процесс может вызвать самозаживление переломов в определенных условиях.
Фагерлунд [9] (2000) определил, что «около 15% извести должно быть растворено, прежде чем это повлияет на прочность. Это соответствует примерно 10% массы цемента или почти всему первоначально образовавшемуся Ca(OH) 2 ». Поэтому большое количество « гидроксида кальция » (Ca(OH) 2 ) должно быть выщелочено из бетона, прежде чем структурная целостность будет нарушена. Другая проблема, однако, заключается в том, что выщелачивание Ca(OH) 2 может привести к тому, что коррозия арматурной стали повлияет на структурную целостность.
В застывшем бетоне остается некоторое количество свободного « гидроксида кальция » (Ca(OH) 2 ), [1] который может в дальнейшем диссоциировать с образованием ионов Ca 2+ и гидроксида (OH - )». [10] Любая вода, которая находит путь просачивания. через микротрещины и воздушные пустоты, присутствующие в бетоне, легко переносит (Ca(OH) 2 ) и Ca 2+ (в зависимости от pH раствора и химической реакции в данный момент) на нижнюю часть конструкции, где раствор фильтрата контактирует с атмосферой. [11] Двуокись углерода (CO 2 ) из атмосферы легко диффундирует в фильтрат и вызывает химическую реакцию, в результате которой на внешней стороне бетонной конструкции осаждается (откладывается) карбонат кальция (CaCO 3 ), состоящий в основном из CaCO 3 , это вторичное отложение. Полученный из бетона известен как « кальтемит » [11] и может имитировать формы и формы пещерных « образований », таких как сталактиты , сталагмиты , плавучий камень и т. д. [ 12] Другие микроэлементы, такие как железо из ржавеющих арматурных стальных стержней, могут быть транспортируется и откладывается фильтратом одновременно с CaCO 3 . Это может окрасить кальтемиты в оранжевый или красный цвет. [13] [14]
Химия, включающая выщелачивание гидроксида кальция из бетона, может способствовать росту кальтемитов примерно в 200 раз быстрее, чем пещерных образований, из-за различных химических реакций. [15] Вид кальтемита является визуальным признаком того, что кальций вымывается из структуры бетона и бетон постепенно разрушается. [11] [16]
В очень старом бетоне, где гидроксид кальция был выщелочен из пути просачивания фильтрата, химический состав может вернуться к химическому составу, подобному химическому составу " насыщенных образований " в известняковой пещере. [11] [12] Здесь обогащенная углекислым газом дождевая или просачивающаяся вода образует слабую угольную кислоту , которая выщелачивает карбонат кальция (CaCO 3 ) изнутри бетонной конструкции и переносит его на нижнюю часть конструкции. [17] Когда он контактирует с атмосферой, углекислый газ дегазируется, а карбонат кальция осаждается, образуя отложения кальтемита, [11] которые имитируют формы и формы образований. [12] Этот химический процесс дегазации не является обычным явлением в бетонных конструкциях, поскольку фильтрат часто может найти новые пути через бетон, чтобы получить доступ к свободному гидроксиду кальция, и это возвращает химический процесс к ранее упомянутому, где CO 2 является реагентом. [11]
Бетон, подвергающийся воздействию морской воды , подвержен ее коррозионному воздействию. Эффекты более выражены над приливной зоной , чем там, где бетон постоянно находится под водой. В погруженной зоне ионы магния и гидрокарбоната осаждают слой брусита ( гидроксид магния : Mg(OH) 2 ) толщиной около 30 микрометров , на котором происходит более медленное осаждение карбоната кальция в виде арагонита . Эти минеральные слои в некоторой степени защищают бетон от других процессов, включая воздействие ионов магния , хлорида и сульфата , а также карбонизацию . Над поверхностью воды механические повреждения могут возникать в результате эрозии самими волнами или песком и гравием , которые они несут, а также кристаллизацией солей из воды, впитывающейся в поры бетона и затем высыхающей. Пуццолановые цементы и цементы, использующие в качестве вяжущего материала более 60 мас.% доменных шлаков, более устойчивы к морской воде , чем чистый портландцемент . Атака морской водой представляет собой аспекты атак как хлоридов, так и сульфатов.
Сами по себе бактерии не оказывают заметного воздействия на бетон. Однако сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ) в неочищенных сточных водах склонны к образованию сероводорода (H 2 S), который затем окисляется в серную кислоту (H 2 SO 4 ) кислородом воздуха (абиотическая реакция) и аэробными бактериями , присутствующими в биопленка (биотическая реакция) на поверхности бетона над уровнем воды. Серная кислота растворяет карбонаты в затвердевшем цементном тесте (ЦП), а также гидроксид кальция ( портландит : Ca(OH) 2 ) и гидрат силиката кальция (CaO·SiO 2 ·nH 2 O), а также вызывает потерю прочности . как производящие сульфаты , вредные для бетона. [18]
В каждом случае образуется мягкий расширяющийся водорастворимый продукт коррозии гипса (CaSO 4 ). Гипс легко смывается сточными водами , вызывая потерю заполнителя бетона и подвергая свежий материал воздействию кислоты.
Бетонные полы, лежащие на земле, содержащей пирит ( дисульфид железа (II) ), также подвергаются риску. В качестве профилактической меры сточные воды можно предварительно очистить для повышения pH или окисления или осаждения сульфидов, чтобы свести к минимуму активность сульфидредуцирующих бактерий. [ нужна цитата ]
Поскольку бактерии часто предпочитают прикрепляться к поверхности твердых тел, чем оставаться во взвешенном состоянии в воде (планктонные бактерии), биопленки, образованные сидячими ( т. е . фиксированными) бактериями, часто являются местом, где они наиболее активны. Биопленки, состоящие из нескольких слоев (как луковица) мертвых и живых бактерий, защищают живых от суровых условий, часто преобладающих в воде вне биопленки. Биопленки, развивающиеся на уже обнаженной поверхности металлических элементов, заключённых в бетон, также могут способствовать ускорению их коррозии (дифференциальная аэрация и образование анодных зон на поверхности металла). Сульфиды , вырабатываемые бактериями SRB, также могут вызывать коррозионное растрескивание стали и других металлов.
Повреждения могут возникнуть в процессе отливки и снятия опалубки. Например, углы балок могут быть повреждены при снятии опалубки, поскольку они менее эффективно уплотняются вибрацией (улучшается применением опалубки). Другие физические повреждения могут быть вызваны использованием стальной опалубки без опорных плит. Стальная опалубка зажимает верхнюю поверхность бетонной плиты из-за веса следующей возводимой плиты.
Бетонные плиты, блочные стены и трубопроводы подвержены растрескиванию во время осадки грунта, сейсмических толчков или других источников вибрации, а также из-за расширения и сжатия во время неблагоприятных изменений температуры.
Процесс гидратации цемента потребляет молекулы воды . Сумма объемов продуктов гидратации, находящихся в затвердевшем цементном тесте, меньше суммы объемов реагирующих минеральных фаз, присутствующих в цементном клинкере . Поэтому объем свежего и очень молодого бетона сокращается из-за реакции гидратации: это так называемая «химическая усадка» или «самосушивание». Это не проблема, пока очень свежий бетон все еще находится в жидком или достаточно пластичном состоянии и может легко компенсировать изменения объема (усадки).
На более позднем этапе схватывания, когда свежий бетон становится более вязким и начинает затвердевать, потеря воды из-за нежелательного испарения может вызвать «пластическую усадку». Это происходит, когда бетон укладывается в жаркие условия, например летом, и недостаточно защищен от испарения. Трещины часто образуются над арматурными стержнями, поскольку на этом уровне локально сдерживается усадка бетона, а еще схватившийся и слабопрочный бетон не может свободно сжиматься.
Отверждение бетона, когда он продолжает затвердевать после первоначального схватывания и постепенно развивает свою механическую прочность, является критическим этапом для предотвращения нежелательных трещин в бетоне. В зависимости от температуры (летние или зимние условия) и, следовательно, от кинетики гидратации цемента, контролирующей схватывание и скорость затвердевания бетона, время отверждения может занять всего несколько дней (лето) или до двух недель (зима). В этом случае важно избегать потерь воды за счет испарения, поскольку вода все еще необходима для продолжения медленной гидратации цемента. Потеря воды на этом этапе усугубляет усадку бетона и может привести к образованию неприемлемых трещин в бетоне. Трещины образуются в случае слишком короткого или слишком плохого выдерживания, когда молодой бетон еще не развил достаточную раннюю прочность, чтобы выдерживать растягивающие напряжения, вызванные нежелательным и преждевременным высыханием. Развитие трещин происходит, когда бетон раннего возраста недостаточно защищен от высыхания и слишком много воды испаряется при нагревании из-за неблагоприятных метеорологических условий: например, высокой температуры, прямой солнечной инсоляции, сухого воздуха, низкой относительной влажности и высокой скорости ветра летом или в жарких условиях. Целью отверждения является поддержание влажного состояния на поверхности бетона. Это можно сделать, оставив опалубку на месте на более длительное время или нанеся на бетонную поверхность тонкую гидрофобную пленку маслянистого продукта (отверждающего состава) (например, для больших плит или плотов), чтобы свести к минимуму испарение воды.
После достаточного схватывания и затвердевания бетона (через 28 дней) прогрессирующая потеря капиллярной воды также является причиной «усадки при высыхании». Это непрерывный и длительный процесс, происходящий на более позднем этапе эксплуатации бетона, когда в сухих условиях более крупные поры бетона перестают полностью насыщаться водой.
Когда бетон подвергается чрезмерному повышению температуры во время его схватывания и затвердевания, например, в массивных бетонных конструкциях, из которых тепло гидратации цемента не может легко уйти (полуадиабатические условия ), температурные градиенты и дифференциальные изменения объема также могут вызвать образование термических трещин. и трещины. Чтобы свести их к минимуму, медленно схватывающийся цемент (ЦЕМ III, с доменными шлаками ) предпочтительнее быстро схватывающегося цемента (ЦЕМ I: портландцемент ). Заливка бетона в более холодных условиях (например, ночью или зимой) или использование холодной воды и льда, смешанного с охлажденными заполнителями для приготовления бетона, также может способствовать минимизации термических трещин.
Когда бетонная конструкция сильно армирована, очень густая сеть арматурных стержней может блокировать движение сжатия защитного бетонного покрытия , расположенного над внешним слоем арматурных стержней , из-за естественного процесса усадки при высыхании. В результате образуется сеть трещин с характерным сотовым рисунком, характерным также для трещин, возникающих в результате экспансивных химических реакций (АСР, ДЭФ, ЭСА).
Образование трещин в бетонном покрытии над арматурными стержнями представляет собой предпочтительный путь проникновения воды и агрессивных агентов, таких как CO 2 (понижение pH вокруг арматуры) и анионов хлора ( питтинговая коррозия ) в бетон. Таким образом, физическое образование трещин способствует химическому разложению бетона и усугубляет коррозию стали. Процессы физического и химического разложения тесно связаны, а наличие инфильтрации воды также ускоряет образование расширяющихся продуктов вредных химических реакций набухания (продукты коррозии железа, ASR, DEF, ISA, ESA).
Были разработаны различные подходы и методы, чтобы попытаться количественно оценить влияние трещин в бетонных конструкциях на карбонизацию и проникновение хлоридов. [19] Их цель — избежать недооценки глубины проникновения этих вредных химических веществ и рассчитать достаточную толщину бетонного покрытия , чтобы защитить арматуру от коррозии в течение всего срока службы бетонной конструкции.
В зимних условиях или в холодном климате, когда температура падает ниже 0 °С , кристаллизация льда в порах бетона также является физическим механизмом ( изменение состояния ), ответственным за объемное расширение вещества, оказывающего высокую прочность на разрыв . внутри бетонной матрицы. При превышении предела прочности бетона появляются трещины. Добавление воздухововлекающего агента во время замешивания свежего бетона вызывает образование крошечных пузырьков воздуха в свежем бетонном растворе . Это создает множество небольших, заполненных воздухом микрополостей в затвердевшем бетоне, служащих резервом пустого объема для объемного расширения льда и задерживает момент развития растягивающего напряжения. Воздухововлечение делает бетон более удобоукладываемым во время укладки и увеличивает его долговечность при затвердевании, особенно в климатических условиях, подверженных циклам замерзания и оттаивания .
Перегрузка, удары и вибрации (мосты, дороги, подвергающиеся интенсивному движению грузовых автомобилей...) могут вызывать механическое напряжение и деформации бетонных конструкций и вызывать механическое разрушение бетона. Помимо длительной усадки бетона при высыхании, предварительно напряженные и постнапряженные строительные конструкции (мосты, купола первичной защитной оболочки атомных электростанций также могут подвергаться медленной ползучести и деформации бетона).
Из-за низкой теплопроводности слой бетона часто используется для противопожарной защиты стальных конструкций. Однако сам бетон может быть поврежден в результате пожара, ярким примером которого является пожар в туннеле под Ла-Маншем в 1996 году , когда ущерб от пожара распространился на несколько сотен метров длины туннеля. По этой причине общие стандарты испытаний на огнестойкость, такие как ASTM E119, [20] не допускают испытания на огнестойкость вяжущих продуктов, если относительная влажность внутри вяжущего продукта не превышает 75%. В противном случае бетон может подвергнуться значительному растрескиванию.
Примерно до 300 °C бетон подвергается нормальному термическому расширению . Выше этой температуры происходит усадка из-за потери воды; однако агрегат продолжает расширяться, что вызывает внутренние напряжения. Примерно до 500 °C основными структурными изменениями являются карбонатизация и укрупнение пор. При 573 °C кварц подвергается быстрому расширению из-за фазового перехода , а при 900 °C кальцит начинает сжиматься из-за разложения. При 450-550°С гидрат цемента разлагается с образованием оксида кальция. Карбонат кальция разлагается при температуре около 600 °C. Регидратация оксида кальция при охлаждении конструкции вызывает расширение, что может привести к повреждению материала, который выдержал огонь и не развалился. Бетон в зданиях, которые пережили пожар и простояли в течение нескольких лет, демонстрирует значительную степень карбонизации из-за реабсорбированного углекислого газа.
Бетон, подвергающийся воздействию температуры до 100 °C, обычно считается здоровым. Части бетонной конструкции, подвергающиеся воздействию температур выше примерно 300 °C (в зависимости от соотношения вода/цемент), скорее всего, приобретут розовый цвет. При температуре примерно 600 °C бетон становится светло-серым, а при температуре примерно 1000 °C — желто-коричневым. [21] Одно из практических правил заключается в том, чтобы считать весь бетон розового цвета поврежденным, который следует удалить.
Пожар подвергает бетон воздействию газов и жидкостей, которые могут быть вредными для бетона, а также других солей и кислот, которые образуются при контакте газов, образующихся при пожаре, с водой.
Если бетон очень быстро подвергается воздействию очень высоких температур, это может привести к взрывному растрескиванию бетона. При очень горячем и очень быстром огне вода внутри бетона закипит, прежде чем испарится. Пар внутри бетона оказывает расширяющее давление и может инициировать и принудительно вытолкнуть откол. [22]
Воздействие на бетонные конструкции нейтронов и гамма-излучения на атомных электростанциях и в реакторах для испытаний материалов с высоким потоком может вызвать радиационное повреждение их бетонных конструктивных элементов. Парамагнитные дефекты и оптические центры образуются легко, но необходимы очень высокие потоки, чтобы сместить достаточно большое количество атомов в кристаллической решетке минералов, присутствующих в бетоне, прежде чем начнут наблюдаться значительные механические повреждения.
Однако известно, что нейтронное облучение с очень высоким флюенсом нейтронов (количество нейтронов на единицу площади поперечного сечения: нейтрон/см 2 ) приводит к аморфизации части кварца , присутствующего в некоторых бетонных заполнителях. Этот процесс аморфизации еще называют метамиктизацией . Метамиктовый кварц с его неупорядоченной структурой решетки склонен к щелочно-кремнеземной реакции и, таким образом, может быть ответственным за вредное химическое расширение в бетоне структур ядерной защиты.
Может возникнуть необходимость в ремонте бетонной конструкции после повреждения (например, из-за возраста, химического воздействия, пожара, [23] удара, перемещения или коррозии арматуры). Усиление может потребоваться, если конструкция ослаблена (например, из-за ошибок проектирования или строительства, чрезмерной нагрузки или изменения назначения).
Первым шагом всегда должно быть расследование для определения причины ухудшения состояния. Общие принципы ремонта включают остановку и предотвращение дальнейшей деградации; обработка оголенной стальной арматуры; и заполнение трещин или отверстий, образовавшихся в результате растрескивания или оставшихся после потери отколовшегося или поврежденного бетона.
Доступны различные методы ремонта, защиты и восстановления бетонных конструкций, [24] и систематически определены спецификации принципов ремонта. [25] Выбор подходящего подхода будет зависеть от причины первоначального повреждения (например, удар, чрезмерная нагрузка, движение, коррозия арматуры, химическое воздействие или пожар), а также от того, будет ли ремонт полностью выдерживать нагрузку или просто косметический.
Принципы ремонта, которые не улучшают прочность или характеристики бетона сверх его первоначального (неповрежденного) состояния, включают замену и восстановление бетона после растрескивания и расслоения; усиление для восстановления несущей способности конструкции; и повышение устойчивости к физическому или механическому воздействию.
Принципы ремонта для остановки и предотвращения дальнейшей деградации включают контроль анодных областей; катодная защита , катодный контроль; увеличение удельного сопротивления; сохранение или восстановление пассивности; повышение устойчивости к химическому воздействию; защита от проникновения вредных агентов; и контроль влажности.
Методы заполнения ям, оставшихся в результате удаления расколотого или поврежденного бетона, включают ремонт раствором; Ремонт текущего бетона и ремонт торкрет-бетона. Заполнение трещин, трещин или пустот в бетоне в конструкционных целях (восстановление прочности и несущей способности) или по неконструктивным причинам (гибкий ремонт, где ожидается дальнейшее перемещение, или, альтернативно, для предотвращения проникновения воды и газа), как правило, включает в себя инъекция смол низкой вязкости или затирок на основе эпоксидных, полиуретановых или акриловых смол или микронизированных цементных растворов. [26]
Одним из новых предложений по устранению трещин является использование бактерий. BacillaFilla — это генетически модифицированная бактерия, предназначенная для ремонта поврежденного бетона, заполнения трещин и восстановления его целостности.
Доступны различные методы усиления бетонных конструкций, увеличения несущей способности или улучшения эксплуатационных характеристик. К ним относятся увеличение поперечного сечения бетона и добавление таких материалов, как стальные пластины или волокнистые композиты [27] [28] для повышения прочности на растяжение или увеличения удерживаемости бетона для улучшения способности к сжатию.
{{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )