21. Механізм процесів корозії мінеральних будівельних матеріалів і способи їх антикорозійного захисту

21.1. Загальні відомості про корозію.

21.2. Системи антикорозійного захисту.

21.3. Способи антикорозійного захисту мінеральних будівельних матеріалів.

21.4. Способи забезпечення довговічності будівельних матеріалів.

 

21.1. Загальні відомості про корозію

Слово корозія походить від латинського corrodere, що означає «роз'їдати». Проблема захисту металів від корозії виникла на самому початку їх використання. Люди намагалися захистити металеві предмети від атмосферного впливу за допомогою жиру, масел, а пізніше і покриття іншими металами, насамперед легкоплавких оловом (лудіння). Уже в працях давньогрецького історика Геродота (V ст. До н.е.) є згадка про застосування олова для захисту заліза від корозії.

З другої половини XIX століття металеві конструкції стали конкурентоспроможними, а в деяких областях (в тому числі й у будівництві) - просто незамінними. За оцінками зарубіжних фахівців,корозія завдає шкоди економіці розвинених країн, становить 3-3,5% від вартості валового національного продукту. У всіх технічно розвинених країнах сьогодні створені наукові центри, активно ведуть дослідження самої корозії і методів боротьби з нею. Щороку випускаються всі нові антикорозійні покриття. І хоча ця проблема і сьогодні ще далека від повного вирішення, накопичений досвід визначає наступні основні напрямки в боротьбі з корозією:

o     використання стійких до корозії сталей;

o     застосування захисних металевих і неметалевих покриттів ;

o     катодний захист.

У даний час в індустрії антикорозійного захисту спостерігається деяка зміна пріоритетів, яка відбувається під впливом нових розробок і досліджень, що проводяться виробниками лакофарбових матеріалів. Для того щоб антикорозійний захист ефективно виконував свої функції, вона повинна задовольняти вцілому ряд вимог:

o     низька волого- і кіслородопроникність;

o     високі механічні характеристики;

o     висока і стабільна в часі адгезія покриття до сталі;

o     стійкість до катодного відшарування;

o     добрі діелектричні характеристики;

o     стійкість покриття до теплового старіння.

 

21.2. Системи антикорозійного захисту

До основних сучасним антикорозійним систем можна віднести:

1. Високонаповнених двокомпонентні системи зі зменшеним вмістом розчинника. Високонаповнені системи лакофарбових матеріалів вважаються такими, якщо процентний вміст розчинників та інших летких органічних речовин у них не перевищує 35%. Основні переваги високонаповнених систем у порівнянні зі звичайними - це найкраща корозійна стійкість при порівнянної товщині шару, менша витрата матеріалу і можливість його нанесення більш товстим шаром, що забезпечує отримання необхідної антикорозійного захисту всього за 1-2 проходу .

2.Одношарові системи антикорозійного захисту. Застосування одношарових систем можливо в строго певних умов:

o     для внутрішнього застосування або в умовах невеликих кліматичних навантажень;

o     точний розрахунок навантажень, які будуть випробовувати забарвлені конструкції;

o     позитивний досвід забарвлення аналогічних конструкцій або проведення лабораторних випробувань;

o     добре підготовлена поверхня;

o     проведення забарвлення кваліфікованим персоналом у повній відповідності з технічними умовами постачальника матеріалу;

o     суворе забезпечення рекомендованої товщини слоя.

3.Системи покриттів, які не потребують ретельної підготовки поверхні. У ряді випадків важко, занадто дорого або дуже довго готувати поверхню під фарбування в повній відповідності до вимог. У таких випадках необхідно використовувати системи покриттів, які не потребують ретельної підготовки поверхні.

4.Системи покриттів на водній основі. В даний час системи антикорозійного захисту на водній основі застосовуються не часто. Основні причини цього - підвищена в порівнянні зі звичайними матеріалами ціна і існує у професійних колах думка, що водні системи володіють гіршими захисними властивостями. Однак у міру посилення екологічного законодавства як у Європі, так і в усьому світі, популярність водних систем зростає. Фахівці ж, випробували якісні матеріали на водній основі, змогли переконатися, що їх захисні властивості не гірше, ніж у традиційних матеріалів, що містять розчинники.

З точки зору економічної ефективності, сьогодні найбільш затребувані системи антикорозійного захисту, які, як і раніше,гарантуючи надійну довгострокову захист і високі декоративні властивості протягом усього терміну служби, відповідають таким умовам:

o     Зменшення вартості забарвлення під час нового будівництва:

o              за рахунок зменшення кількості шарів фарби;

o              за рахунок спрощення застосовуваних лакофарбових систем, наприклад, заміни багатошарових двокомпонентних систем одношаровими двокомпонентними або спеціально допрацьованими однокомпонентними системами;

o              зменшення вартості робіт на будівельному майданчику за рахунок максимально можливого фарбування під час виробництва металоконструкцій;

o              посилення антикорозійного захисту за рахунок застосування цінконаполненних грунтових покриттів;

o              підвищення продуктивності за рахунок застосування швидко сохнути, легких в нанесенні матеріалов.

o     Зменшення вартості і зниження трудомісткості при проведенні ремонтних фарбувальних робіт:

o              за рахунок ослаблення вимог до підготовки поверхні;

o              за рахунок того, що ремонт складається тільки з видалення іржі, слабодержащіхся ділянок старої забарвлення і нанесення нового покритія.

o     Скорочення та зменшення вартості заходів з охорони праці та навколишнього середовища, так як під час фарбування здійснюється:

o              застосування лакофарбових матеріалів з зменшеним вмістом розчинника або на водній основі;

o              застосування матеріалів із зменшеним вмістом шкідливих речовин (хлор, свинець та ін.).

Однак, застосовуючи лакофарбові матеріали в якості антикорозійних покриттів, слід мати на увазі, що термін служби лакофарбових покриттів безпосередньо залежить від підготовки поверхні під фарбування:

Таким чином, для розвитку сучасних систем захисту від корозії характерно прагнення фахівців не тільки зберегти антикорозійні властивості вже зарекомендували себе матеріалів, але і зменшити вартісні витрати на фарбування і обслуговування, забезпечити зростання продуктивності. В цілому, це буде гарантувати надійну довгострокову захист і високі декоративні властивості протягом усього терміну служби конструкцій. Ці цілі можуть бути досягнуті як за рахунок створення нових матеріалів, так і за рахунок оптимального комбінування і застосування вже наявних.

21.3.        Механізм процесів корозії мінеральних будівельних матеріалів і способи їх антикорозійного захисту

Розглянемо приклади механізму руйнування і методи захисту деяких видів будівельних матеріалів.

Бетон як штучний будівельний матеріал мінерального походження, найбільш широко використовується в сучасному цивільному, промисловому, гідротехнічному, теплоенергетичному, дорожньому та інших видах будівництва. Крім цього існують бетони спеціального призначення, наприклад, кислототривкий, жаротривкий, радіаційнозахисний тощо.

Властивості бетону залежать від його хімічного складу, який обумовлений насамперед мінералогічним складом цементу, що містить такі основні клінкерні мінерали: C₃S = 60-65 %; C₂S = 18-20 %; C₃A = 5-7 %; C₄AF = 15 %. У свою чергу, хімічний склад цементного каменю визначається наявністю гідросилікатів кальцію типу CSH-B – тоберморитоподібних: CaО×SiО₂×nH₂O або 5CaО×6SiО₂×5,5H₂O - тоберморіт; 3CaО×Al₂O₃×6H₂O – гідроалюмінат кальцію; Са(ОН)₂ – гідроксид кальцію.

При протіканні процесів тужавлення і твердіння цементу, у залежності від термодинамічних умов, продукти гідратації у своєму розвитку проходять через різні стадії дисперсного стану – від появи зародків (розміром < 1 нм), потім часток колоїдного ступеня дисперсності (від 1 до 100 нм) до утворення кристалів (розміром > 100 нм). У результаті утворюється цементний камінь, що складається з цементного гелю (60-80 % об’єму каменя), який є носієм міцності, і кристалічної фази, що заповнює пустоти гелю (20-40 %). Гель представлений в основному C-S-H-фазою, а кристалічна фаза - CH, C-A-H, C-F-H і C-A-C_S-H - фазами. Відповідно до існуючих даних C-S-H-фаза містить у собі гідросилікати кальцію двох видів: CSH(I) у співвідношенням C/S = 0,8-1,5 і CSH(II) з C/S > 1,5. Фаза СН представлена великими кристалами гідроксиду кальцію Са(ОН)₂, С-А-Н- гідроалюмінатом кальцію С₄АН₁₉, а C-A-C_s-H - голкоподібним етрингітом 3Ca×Al₂O₃×3CaSO₄×32H₂O. У процесах твердіння можуть утворюватися і вторинні продукти, в першу чергу кальцит СаСО_3.

Клінкерні мінерали цементу в процесі гідратації забезпечують надходження в рідку фазу значної кількості гідроксиду кальцію, що збільшує значення рН до 12-13 ( при В/Т = 0,5). Величина окислювально-відновного потенціалу Еh витяжок порового електроліту з цементного тесту залежно від В/Т коливається від + 0,1...+ 0,3 В. При збільшенні значення В/Ц і зниженні рН потенціал Еh має більш позитивну величину. Для порівняння: у водопровідної води Еh = + 0,38 В, а в дистильованої – вже + 0,4 В. Отже, цементний камінь має слабкоокислювальне середовище з високим значенням рН порової рідини.

У бетонах розрізняють три види структур: мікроструктуру (структура цементного каменю), мезоструктуру (структура двокомпонентного цементно-піщаного розчину), макроструктуру (структура бетону, що складається з щебеню і цементно-піщаного розчину).

Мікроструктура цементного каменю може бути коагуляційною, конденсаційною і кристалізаційною. Для свіжевиготовленого цементного тіста характерна коагуляційна мікроструктура, в якій зчеплення між елементами здійснюється під дією міжмолекулярних Ван-дер-Ваальсових сил. Конденсаційна - формується в міру зв'язування води й утворення між частками міцних кристалізаційних контактів. У кристалізаційних мікроструктурах зв'язок між частками обумовлений головними валентними зв'язками, що і забезпечує міцне зрощення часток. Структура цементного каменю зрілого віку має явно виражений коагуляційно-кристалізаційний характер.

Загальна пористість щільних бетонів, що утворюється за рахунок седиментаційних процесів (процес осідання твердих часток: заповнювача - в цементному тісті, цементу - у воді) і повітровтягування складає 8-15 %, а для бетонів з ніздрюватою структурою доходить до 85 %. При вивченні впливу на бетон і з/б агресивних агентів важливо знати також об’єм пор, по яких рухаються агресивні потоки. Об’єм відкритих пор, по яких може рухатися рідина або газ, називають проникністю, або ефективною пористістю. Ефективна пористість коливається залежно від терміну взаємодії бетону з водою.

Важливими показниками, що визначають структуру і довговічність бетону, є легкоукладувальність бетонної суміші і її здатність розшаровуватися. Ці показники залежать від седиментаційних процесів, що обумовлені розходженням у щільності складових частин бетону. Велике значення має штучне створення великих замкнутих пор за рахунок уведення повітровтягувальних добавок, які сприяють підвищенню морозо- й солестійкості бетонів.

Здатність бетонів до опору впливу агресивного середовища визначається саме ефективною пористістю, що обумовлена наявністю наскрізних капілярів, пор, мікротріщин різного походження, каверн, свищів і т.п. Усі бетони в більшому або меншому ступені є проникними. Марка бетону за водонепроникністю відповідає такому тиску води, при якому на 2-х з 6-ти зразків з'являються видимі ознаки фільтрації. Тому бетон заданої марки за водонепроникністю не є абсолютно водонепроникним, коли тиск чисельно дорівнює марці.

У капілярно-пористих тілах, яким є тіло бетону, при контакті з водою протікають наступні процеси: поверхневе розчинення і гідроліз складових частин структури, наявність розклинюючого тиску в тріщинах, мікропорах, під напором води може спостерігатися не тільки розчинення, але і частковий винос продуктів розчинення, що призводить до зниження міцності.

Заповнювачі бетону представлені такими гірськими породами, як магматичні породи, наприклад, граніт – Na₂O×Al₂O₃×6SiО₂, щільні карбонатні породи, наприклад, вапняки – СаСО₃, а дрібний заповнювач - силікатний пісок - SiО₂. Оскільки заповнювачі в бетоні складають близько 80 % його об’єму, то їхня корозійна стійкість і властивості поверхні мають дуже велике значення. Якщо хімічна стійкість гранітів і пісків сумнівів не викликає, то стійкість вапняків варто враховувати. Так, при дії кислот на карбонатні заповнювачі їхнє руйнування буде випереджати руйнування цементного каменю.

Особливе місце серед заповнювачів займають породи, що містять аморфний кремнезем (опал, халцедон, кремінь). Такі породи в результаті взаємодії їх з лугами, що містяться в цементі, викликають корозійний процес. У бетоні на пористих заповнювачах ущільнення цементного каменю в контактному шарі відбувається в результаті відсмоктування води заповнювачем. Тому такі бетони показують більш високу водонепроникність у порівнянні з бетонами такої ж марки на щільних заповнювачах.

Відомо, що силікатні матеріали, наприклад, силікатна цегла виготовляється із суміші кварцового піску (вміст SiО₂ > 90 %) з вапном і її твердіння відбувається в автоклавах за реакцією (2)Ca(OH)₂+ SiО₂ → CaО∙SiО₂∙nH₂O. (2)

Подальше зміцнення силікатної цегли відбувається у звичайних умовах шляхом карбонізації, тобто приєднання СО₂ з повітря.

Наявність у складі силікатних матеріалів вапна і вуглекислого кальцію робить їх нестійкими навіть у слабких водяних розчинах мінеральних і органічних кислот. Наприклад, якщо у воді присутній розчинений вуглекислий газ, то вуглекислий кальцій переходить у розчинний гідрокарбонат і силікатна цегла руйнується. Крім того, під час висихання цегли, яка періодично насичується лужними розчинами, в її порах утворюються кристалогідрати, що призводить до виникнення напружень розтягування, а це, в свою чергу, призводить до зниження міцності конструкції чи виробу.

При зволоженні силікатні матеріали також стають нестійкими, а при температурі понад 600°С відбувається локальне розширення кварцу, що теж призводить до руйнування матеріалу. Але силікатна цегла, що містить до 90% кремнезему, дуже стійка проти дії деяких лужних розчинів, але тільки слабкої концентрації.

Поряд із силікатною цеглою в будівництві широко застосовують такі силікатні вироби, як великі стінові блоки, опоряджувальні плити, сходи і т.п. Вони мають різні особливості технологій виготовлення, міцність, але фізико-хімічні властивості в них близькі й подібні до силікатної цегли.

 

21.4.        Способи забезпечення довговічності будівельних матеріалів

Термін корозія (з грецького „роз’їдання”) означає процес руйнування будівельних матеріалів та конструкцій внаслідок хімічної, електрохімічної, біохімічної та інших видів їх взаємодії з довкіллям.

Корозія завдає народному господарству величезних збитків. Близько 10% маси щорічного виробництва чорних металів витрачається на відшкодування їх втрат від корозії. Часто через корозійне пошкодження доводиться замінювати окремий вузол чи навіть всю конструкцію. Витрати, пов'язані з виготовленням нової конструкції, набагато перевищують вартість зруйнованого металу. До того ж сам ремонт конструкції чи її частини, як правило, є дорогим заходом через великі витрати праці і застосування дефіцитних матеріалів. Коли ж врахувати також витрати, пов'язані з утратами виробництва в період ремонту й аварійних зупинок, то стає зрозумілим, що корозійні процеси заподіюють дуже великі збитки як окремим підприємствам, так і всьому господарчому комплексу країни. Тому захист будівельних конструкцій від корозії є однією з головних і важливих проблем у вирішенні питань забезпечення довговічності будівель і споруд.

У 60-80-х роках минулого сторіччя був накопичений великий науковий потенціал, розроблені основи теорії корозії бетону й арматури, способи забезпечення корозійної стійкості з/б конструкцій в агресивних середовищах. Ці розробки широко використовують у практиці будівництва і в наш час. Дослідженнями встановлено, що корозія протікає відповідно до законів кінетики можливих термодинамічних реакцій і призводить до зниження вільної енергії матеріалу, в результаті чого утворюються більш стійкі в термодинамічному відношенні сполуки.

З огляду на тенденцію останніх років використання у промисловості будівельних матеріалів відходів виробництва (золи, шлаків, золошлакових сумішей і т.п.), застосування для виготовлення бетонних і залізобетонних (з/б) конструкцій безцементних в'яжучих і в'яжучих зі зниженим вмістом клінкерного фонду необхідно вирішувати питання довговічності цих конструкцій навіть при експлуатації в нормальних атмосферних умовах (житлові, адміністративні будівлі і т.п.).

Підвищення надійності й корозійної стійкості з/б конструкцій в агресивних середовищах може бути досягнуто створенням корозійностійких будівельних матеріалів нового покоління з використанням економічних заводських технологій і нових видів арматурних сталей високої надійності, що дозволить забезпечити економію металу на 20-40 %. Якість і довговічність будівель і споруд можуть бути забезпечені застосуванням корозійностійких конструкцій. Створення таких конструкцій охоплює кілька найважливіших наукових напрямків:

1. Дослідження стійкості арматури бетону, сталевих зв'язок і з/б на нових в'яжучих, заповнювачів з використанням відходів виробництва. Розробка заходів забезпечення довговічності залізобетонних конструкцій при одночасному впливі агресивного середовища і навантаження.

2. Розробка бетонних і з/б конструкцій високої довговічності, корозійної стійкості й стійкості при біологічній корозії, що виготовляються за економічними технологіями з використанням відходів промисловості і сільського господарства. При цьому необхідно приділяти увагу вивченню:

- процесів внутрішньої корозії бетону при використанні місцевих сировинних матеріалів з підвищеним вмістом шкідливих домішок;

- процесів руйнування нових видів арматури при одночасному впливі на з/б конструкції силових навантажень різного характеру й агресивного середовища;

- оптимальних технологічних параметрів виготовлення нових видів високоміцних арматурних сталей, що забезпечують підвищення стійкості проти корозійного розтріскування, розробці захисних покриттів по арматурі і технології їхнього нанесення;

- нових видів захисних матеріалів з використанням вітчизняної сировини, критеріїв і методів оцінки їхньої довговічності;

- хімічних способів видалення продуктів корозії з поверхні арматури і корозійностійких складів для ремонту експлуатованих конструкцій.

3. Розробка і впровадження методів контролю параметрів якості і довговічності будівельної продукції на заводах-виготовлювачах.

У більшості випадків основними причинами пошкоджень є корозійні процеси, що розвиваються в результаті несприятливого впливу навколишнього середовища. Так, більшість шляхопроводів і мостів у містах, дорожні покриття руйнуються від застосування протиожеледних реагентів, через виділення в атмосферу двигунами автотранспорту та промисловими підприємствами оксидів азоту, сірчаного та інших газів, від розморожування бетону. Щорічні аварійні обвали комунальних тунелів, особливо колекторів стічних вод відбуваються в першу чергу внаслідок газової корозії металевих і залізобетонних елементів. Такі пошкодження мають місце на найдовших міських колекторах. Останнім часом поширилося ураження конструкцій цвілевими грибами, що за даними санітарних лікарів і екологів несприятливо позначається на здоров'ї людини, особливо дітей. Велику неприємність завдають будівельникам висоли на цегельних і бетонних конструкціях житлових і цивільних будинків і споруд.

За даними натурних обстежень, аналізу проектних матеріалів і експертної оцінки фахівців установлено, що агресивному впливові піддаються в різних галузях народного господарства від 15 до 75 % будівельних конструкцій будинків і споруд. Крім того, в останні роки почалося активне впровадження в практику будівництва нетрадиційних матеріалів для бетону і залізобетону (золи, шлаків, нових видів ефективних в'яжучих, хімічних добавок), нових видів арматурних сталей, що істотно впливає на довговічність конструкцій.

Зменшення маси будинків, індустріальність монтажу, архітектурна виразність дає дорогу новим видам конструкцій. Але зі зменшенням товщини «Полиць» і «Стінок» будівельні конструкції стали ще більш уразливими для корозії. Результатом цього є руйнування виробів часом навіть за одну зиму, а іноді до моменту здачі в експлуатацію будинку. Причиною, тут як правило, є погана якість бетону, неправильно підібране співвідношення в'яжучого і заповнювачів, використання забруднених реакційноактивних заповнювачів і цементів з підвищеним вмістом лугів, високе значення В/Ц, низька морозостійкість, високе водопоглинання бетону. Перелік цих факторів можна продовжити.

Важливу роль у збільшенні довговічності будівельних конструкцій відіграє культура виробництва та експлуатації, підвищення якості виробів при їх виготовленні. Вибір будівельних матеріалів і конструкцій, засобів їх захисту треба здійснювати залежно від проектного терміну експлуатації будівлі.

Серед загальних вимог до бетонних і з/б конструкцій на першому місці є довговічність конструкцій, яка крім наявності вихідних характеристик якості повинна задовольняти вимогам безпеки й експлуатаційної придатності з належним ступенем надійності протягом заданого терміну служби при різних видах впливу, таких як навантаження, кліматичні й технологічні фактори, поперемінне заморожування і відтавання, агресивний вплив і т.п. Наприклад, норвезькі норми проектування залізобетонних конструкцій зв'язують зовнішній вплив, який призводить до зниження довговічності, в основному з агресивністю довкілля, що розподіляється на спеціальні агресивні середовища, сильноагресивні середовища, помірноагресивні середовища, слабкоагресивні середовища. До першого виду відносяться середовища, що викликають сильний хімічний вплив і вимагають спеціальних додаткових заходів захисту. Другу групу складає морська вода або її краплі (бризи), агресивні гази, сіль або інші хімічні речовини, а також заморожування і відтавання у вологих умовах. Вплив третьої групи зазнають зовнішні або внутрішні конструкції у вологому середовищі, а також конструкції, занурені у звичайну воду. Остання група відноситься до внутрішніх конструкцій, які знаходяться у сухих неагресивних умовах.

Основними методами забезпечення довговічності на стадії проектування є гарантія забезпечення мінімальної товщини захисного шару й обмеження ширини розкриття тріщин.