Как возникает внутренняя коррозия бетона

Проблемы массового разрушения мостовых конструкций были обнаружены почти сто лет назад в США. Их исследованием занимался Томас Стэнтон (Калифорнийский государственный департамент автомобильных дорог) в 1940 году.

В связи с массовым появлением трещин в бетонах дорожных и мостовых сооружений в штатах Джоржия и Алабама Цементная ассоциация США инициировала детальное обследование 294 бетонных мостов на автомобильных дорогах, в которых применяли гравий различных месторождений и портландцемент, содержащий от 0,5% до 1,0% щелочи. Масштабные исследования начались в 1947 году и продолжались до 1963 года.

Вопросами щелочной коррозии в России впервые начали заниматься в 50-е годы прошлого века. В трудах В.М. Москвина, Г.С. Рояка, Ф.М. Иванова, Н.К. Розенталя, В.М. Викторова и других отечественных ученых установлены основные закономерности процессов взаимодействия щелочей цемента и бетона с реакционноспособными заполнителями и предложен ряд мер защиты бетона от коррозии.

Одним из первых отечественных нормативных документов стал изданный в 1972 году в НИИЖБ «Рекомендации по определению реакционной способности заполнителей бетона со щелочами цемента».

Авторы документа дали четкие рекомендации по определению потенциальной реакционной способности заполнителей на стадии геологоразведочных работ, что, как показала практика, практически не производилось. Именно в «Рекомендациях» содержались требования о проверке заполнителей минералого-петрографическим и химическими методами, а затем, при наличии содержания растворенного кремнезема больше 50 ммоль/л, — об измерении деформаций у образцов-балочек мелкозернистого бетона на исследуемых заполнителях и цементах с содержанием щелочей до 1,5% в пересчете на эквивалент Nа2О.

Интерес к проблемам взаимодействия щелочей в цементе и бетоне с реакционноспособными заполнителями возрастал по мере накопления знаний ученых о влиянии на происходящие реакции структурно-текстурных особенностей различных видов пород, условий производства бетона и эксплуатации изделий, конструкций и сооружений.

Так, сегодня процессы внутренней коррозии можно условно разделить на три основные группы:

• РЩК (ASR) — реакция взаимодействия между щелочами цемента и реакционноспособным кремнеземом заполнителя. Реакция и образование кремнегеля как продукта реакции может при определенных обстоятельствах приводить к непредусмотренному расширению, растрескиванию бетона, вплоть до потери несущей способности конструкции.
• РЩГ (ААR) — реакция взаимодействия между щелочами цемента с монтмориллонитом, вермикулитом и иллитом, как глинистыми составляющими заполнителя. При определенных влажностных условиях может приводить к разрушающему расширению бетона.
• РЩД (АСR) — реакция взаимодействия между щелочами цемента и карбонатными породами, имеющего место при применении в качестве заполнителя доломита или доломитизированных известняков. Реакция может привести к непредусмотренному расширению и отстрелам бетона конструкций в процессе эксплуатации.

Благодаря исследованиям В.М. Москвина и Г.С. Рояка, а также других известнейших мировых и отечественных ученых, установлено, что значительное расширение происходит только тогда, когда имеется достаточное количество кальция в виде гидроксида кальция Ca(OH)2. В системах с высоким содержанием гидроксидов щелочи и химически активного кремнезема, но отсутствием гидроксида кальция, кремнезем растворяется и остается в растворе. Кальций, заменяя щелочи в продукте реакции, способствует «рециркуляции щелочей» и, тем самым, повторному использованию щелочи для дальнейшего участия в реакции.

Ca(OH)2 представляет собой резервуар ионов OH — для поддержания высокого уровня OH — в растворе. Высокая концентрация кальция в поровом растворе препятствует диффузии кремнезема из участвующих в реакции частиц заполнителя. Если кальций недоступен, реакционноспособный кремнезем смешивается с раствором гидроксида щелочи, не вызывая повреждений. Пуццоланы эффективны для контроля расширения бетонов, что объясняется участием Ca(OH)2 в пуццолановой реакции, снижающей количество доступного кальция для участия в РЩК.

Хотя точная роль Ca(OH)2 остается до конца не ясной, очевидно, что для возникновения разрушающего эффекта реакции должен быть доступен кальций. Следовательно, снижение содержания кальция, например, за счет потребления Ca(OH)2 в ходе пуццолановых реакций, должно приводить к снижению расширения, вызванного РЩК.

Важно отметить, что одной из основных мер предупреждения возникновения РЩК, как и 80 лет назад, по-прежнему является ограничение щелочей цемента. На основании работ Стэнтона учеными разных стран было установлено, что расширение в результате ЩСР маловероятно, если содержание щелочи в цементе ниже 0,6% Na2O экв. 

Однако в настоящее время признано, что одно лишь ограничение содержания щелочи в портландцементе не является эффективным способом предотвращения разрушений, вызванных РЩК, поскольку данный подход не учитывает общее содержание щелочи в бетонной смеси.

Дело в том, что щелочность бетона зависит не только от процентного содержания щелочных оксидов цемента, но и от применяемых химических модификаторов, использования тех или иных видов наполнителей, а также других причин. Выявлены случаи увеличения содержания щелочи в бетоне во время эксплуатации из-за миграции щелочи, вызванной  движением  влаги или воздействия электрического тока, проникновения щелочей из внешних источников (например, противогололедных солей) или длительного высвобождения щелочи из заполнителя. Все эти факторы следует учитывать при определении пороговых пределов содержания щелочи в бетоне, содержащем реакционноспособные заполнители.

Рассуждая о необходимых условиях поддержания химической реакции щелочей цемента с кремнеземом заполнителя, следует учитывать уровень влажности при эксплуатации бетона конструкций. Принято считать, что химическая реакция прекращается, если внутренняя относительная влажность внутри бетона падает ниже 80%.

Локальные различия в наличии влаги внутри одной и той же конструкции могут привести к разным уровням повреждений в результате РЩК, возникающих внутри этой конструкции. Так, части конструкции, подвергающиеся воздействию постоянного и стабильного источника влаги (например, в результате плохого дренажа или дополнительного регулярного увлажнения), могут иметь значительные повреждения, вызванные РЩК, в то время как в других частях той же конструкции, остающихся практически сухими, повреждения незначительны или отсутствуют вовсе. 

Подводя итог, хочется подчеркнуть, что вклад отечественной науки в мировую копилку знаний о механизме возникновения внутренней коррозии весьма значим, результаты исследований часто пересекаются с аналогичными работами зарубежных коллег, занятых этой тематикой; частично современные знания и представления отражены в нормативной документации, но остро не хватает системного подхода.

В связи с этим необходимо предусмотреть разработку карты месторождений потенциально реакционноспособных заполнителей РФ с подробным описанием месторождения, данными петрографии и минералогии полезной толщи, другими важными показателями.

В конце добавим, что мировые научные исследования, приумноженные и подкрепленные системным практическим подходом к разработке и внедрению современных требований к производству бетона, позволят украсить нашу страну долговечными зданиями и сооружениями на века. Будущие научные прорывы и открытия станут обыденностью россиян, если мы сообща выстроим фундамент системы знаний и научимся использовать то, что уже было сделано нашей страной.