Воздействие агрессивных сред на строительные конструкции
По своему агрегатному состоянию агрессивные среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми, а во многих случаях и многофазными.
Агрессивное воздействие газовой среды на строительные конструкции обусловливается их природой, концентрацией и относительной влажностью воздуха. Наличие агрессивных по отношению к строительным конструкциям газовыделений характерно для многих отраслей промышленности — цветной металлургии, основной химии, коксохимии, нефтехимии, искусственного волокна и ряда других производств. Наиболее распространены и одновременно наиболее агрессивны оксиды азота, хлор и хлористый водород, фтористый водород, сернистый газ, сероводород.
Все газы, за исключением аммиака и кислорода, кислые или кислотообразующие. Образование из них кислот происходит только при наличии в воздухе или на поверхности конструкций капельно-жидкой влаги (тумана или конденсата). Поэтому усиливающим фактором коррозионных процессов, возникающих в поверхностных слоях строительных конструкций, является повышенная влажность воздуха.
При этом довольно отчетливо различают три степени влагонасыщения в зависимости от «порога увлажнения»: зона сухих газов при влажности воздуха до 60%; порог увлажнения при влажности воздуха 60—75%; зона влажных газов при влажности выше 75%.
Первой степени насыщения свойственно сравнительно низкое влагосодержание воздуха — до 60% относительной влажности, при котором кислые газы практически не действуют разрушающе на цементные бетоны, а в некоторых случаях даже уплотняют их. Известно, например, уплотняющее и упрочняющее действие на цементный бетон углекислого газа, или так называемая карбонизация. Еще более благоприятное воздействие на цементный бетон оказывает газообразный четырехфтористый кремний.
Критический порог влагонасыщения снижается на 10—12% при наличии в воздухе гигроскопической пыли. Адсорбируя влагу из воздуха и осаждаясь на поверхности конструкций, такая пыль создает у поверхности зону повышенной влажности. Этот процесс особенно характерен, например, для цехов по производству магния при наличии карналлитовой пыли. В помещении с 40—50% относительной влажности стены и потолки могут быть мокрыми.
Аналогичное местное увлажнение характерно при действии паров хлористого водорода на бетон или штукатурку. Образующийся при этом на поверхности гигроскопический хлористый кальций жадно поглощает влагу из воздуха.
Действие газа на пористые строительные материалы (бетой, кирпич, древесину я т. д.) отмечается не только на поверхности. По имеющимся данным, в бетон невысокой плотности может газ проникать на глубину 10 см, а в плотный бетон — до 1—2 см.
Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, а также кислотности или щелочности. Обычно вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах, как правило, не превышает 300—500 мл/л. Грунтовые и подземные воды содержат минеральные соли и другие примеси. Морская вода может содержать до 3500 мл/л солей, из них: хлористого натрия 78%, хлористого магния 11, сернокислых магния, калия и кальция соответственно 4,7; 3,6 и 2,5%.
Промышленные стоки могут содержать самые различные примеси, в том числе растворы солей, кислот и щелочей.
Следует отметить, что и совершенно чистая, неминерализованная вода может быть агрессивной в отношении ряда строительных материалов, вызывая выщелачивание извести и других растворимых компонентов из цементных бетонов или бензолсульфокислоты из полимербетонов ФАМ. Кроме того, попадая в микропоры материала вода вызывает адсорбционное понижение прочности.
Кислоты — наиболее агрессивны по отношению ко многим строительным материалам (цементные бетоны, силикатный кирпич, осадочные горные породы — известтоломит и т. Д.). Керамические материалы и бетоны на жидком стекле стойки в кислотах, но относительно быстро разрушаются щелочами.
Агрессивность кислот определяется их природой, коннтрацией, рН водных растворов, наличием окислительных свойств и температурой среды. Разрушительное действие кислот и кислых газов обусловливается также растворимостью образуемых продуктов коррозии при их взаимодействии с металлами или бетонами.
Минеральные кислоты в большинстве случаев обладают большей коррозионной активностью, чем органические. Из органических кислот наиболее агрессивны уксусная, молочная и масляная кислоты. Особенно сильные разрушения наблюдаются при переменном воздействии смесей различных кислот, что характерно для цветной металлургии.
Наибольшее разрушающее действие на многие металлические конструкции, бетоны и органические материалы оказывают окислители. Не разрушаются при действии окислительных сред только силикаты.
Фторсодержащие кислоты, наоборот, разрушают силикатные материалы. В этих кислотах не разрушаются графитовые материалы и полимербетоны на основе фурановых смол с графитовыми наполнителями и заполнителями.
Окисление может происходить не только па воздухе, по и в кислой, нейтральной или щелочной среде, содержащей кроме кислорода и другие окислители.
Практически из газообразных окислителей наиболее распространен кислород, постоянно находящийся в воздухе. Хлор, содержащийся в воздухе некоторых промышленных предприятий, обладает значительно большей окислительной способностью, чем кислород, однако распространение его в природе и допустимые концентрации в воздухе промышленных предприятий в сотни тысяч раз меньше, чем кислорода.
Из жидких окислителей наибольшее значение и распространение имеют азотная и концентрированная серная кислоты, перекись водорода и щелочые гипохлориды, которые характерны легкостью отделения атомарного кислорода.
Центрированные растворы щелочей разрушающе действуют на многие металлы, каменные материалы и бетоны.
Различные соли действуют на металлы, бетоны, керамику и полимерные материалы менее агрессивно, чем кислоты или щелочи. Разрушающее действие растворов солей во многих случаях определяется их способностью взаимодействовать с водой с образованием водородных (кислых) или гидроксидных (щелочных) ионов, при этом разрушение материала происходит так же, как и при действии кислот или щелочей.
Агрессивны по отношению к цементным бетонам и другим строительным материалам многие органические продукты мясо-молочной, консервной, винодельческой и других отраслей пищевой промышленности. Например, растворы сахара, фруктовые соки, патоки при взаимодействии с известью цементного камня образуют растворимые сахараты кальция. Растительные и животные масла и жиры представляют собой сложмые эфиры глицерина и жирных кислот, которые при воздействии воздуха и влаги окисляются и разлагаются на глицерин и жирные кислоты.
Разрушения строительных материалов и конструкций под воздействием различных излучений (гамма-радиационного, нейтронного и др.), бактерий и других растительных и животных организмов относятся к специальным видам воздействия.
В результате коррозии во всех странах мира теряется более 100 млн. т стали в год.
В результате обследования было установлено, что разрушающему воздействию атмосферных и производственных агрессивных сред подвергается от 15 до 75% строительных зданий и сооружений.
Обследование многих предприятий показало,что коррозионному разрушению подвергаются не только аппараты и оборудование, но и несущие строительные конструкции — колонны, ригели, фермы, плиты перекрытия, фундаментные башмаки и другие части промышленных зданий.
Общие потери в результате коррозии строительных конструкций зданий и сооружений, подвергающихся действию агрессивных сред, в народном хозяйстве оцениваются в размере более 1,5 млрд. руб. в год. Народнохозяйственные потери от коррозии не ограничиваются лишь стоимостью затрат на ремонтно-восстановительные работы. К ним должны относиться и потери, связанные с простоем оборудования и снижением выпуска продукции в результате этих простоев.
Анализ наиболее распространенных агрессивных сред и деструкционных процессов, наблюдаемых в полимербетонных конструкциях, показал, что по роду воздействия на полимерные материалы все внешние воздействия можно разделить на две основные группы. К первой группе относят воздействие воды и некоторых растворителей, которые вызывают в полимере обратимое адсорбционное понижение прочности; ко второй — воздействия, вызывающие необратимые деструкционные процессы.
В свою очередь, воздействия, вызывающие необратимые деструкционные процессы в полимерных материалах, можно разделить на три основных подгруппы: растворение полимера различными растворителями; ускорение образования свободных радикалов и атомов; химическое взаимодействие с агрессивными продуктами, связанное с разрушением молекул полимера.
Для связующего на основе термореактивных смол, имеющих пространственную сшивку, воздействия первой подгруппы проявляются в ограниченных пределах. Хотя следует отметить, что для каждого вида связующего могут быть найдены весьма активные растворители.
Для полимербетонов на основе термопластичных полимеров интенсивность воздействия растворителей может значительно возрастать, в этом случае необходимо более тщательно подходить к условиям эксплуатации и видам допустимых растворителей, воздействующих на такие полимербетоны.
Во вторую подгруппу объединены деструкционные процессы, связанные с воздействием теплоты и различных излучений.
Известно, что во многих случаях активное участие в деструкции полимеров принимают свободные радикалы и атомы, которые появляются в полимере под действием теплоты, солнечной радиации и радиационного излучения. Будучи агрессивны по своей природе, свободные радикалы и атомы разрушают полимерные молекулы, осколки которых образуют новые радикалы, и они также включаются в процесс разрушения. Структура полимера, его химический состав и молекулярная масса изменяются, а вследствие этого изменяются и Физико-механические свойства полимера.
Как правило, такие деструкционные процессы наиболее интенсивно протекают у термопластичных полимеров, имеющих линейную структуру. В этом случае деструкцию полимеров можно существенно замедлить, блокируя свободные радикалы — как те, что возникают первоначально, так и те, что образуются в качестве вторичных продуктов реакций. Для этого в полимер вводят различные стабилизаторы на основе производных фенолов, аминов, сульфидов, фосфорорганических и других соединений в количестве 0.1—3%.
Третья подгруппа — деструкция полимеров, связанная с ионными и молекулярными процессами разрушения, которые в большинстве случаев происходят под действием кислот, окислителей и щелочей.
Классифицируя все многообразие агрессивных сред и внешних процессов по их характерным воздействиям и обобщив результаты лабораторных исследований и материалы обследований полимербетонных изделий и конструкций, эксплуатирующихся в различных агрессивных средах, мы можем выделить четыре основные вида деструкции полимербетонов. По сумме ведущих признаков может быть определен каждый из этих видов.
К первому виду могут быть отнесены все обратимые процессы, которые возникают в полимербетонах под действием воды и некоторых растворителей. Вследствие диффузии жидкости в глубь материала происходит увеличение массы и адсорбционное понижение прочности. При высыхании, т. е. удалении жидкости из материала, первоначальная масса и прочность практически восстанавливаются.
Поскольку жидкость диффундирует с небольшой скоростью и неравномерно распределяется по толщине материала, в нем возникают напряжения даже в том случае, если деформация не ограничивается жесткими внешними связями. Наружные набухшие слои материала стремятся расшириться и тянут за собой внутренние «сухие» слои, которые сопротивляются этому растяжению, ограничивая деформацию растяжения. Поэтому по сечению, перпендикулярному фронту диффундирующей жидкости, в материале возникнут влажностные напряжения, неодинаковые по значению и знаку. Набухшие слои окажутся сжатыми, а внутренние—растянутыми. Естественно, что эпюры распределения влажностных напряжений будут меняться во времени в зависимости от глубины проникания низкомолекулярного вещества и в результате релаксационных процессов. Кроме того, вследствие пластифицирующего действия жидкости модуль упругости увлажненного материала также будет изменяться.
Для определения коэффициентов диффузии агрессивных жидкостей в полимерные материалы используют микроскопический, радиационный, сорбционный, амперо-метрический и другие способы.
Наиболее распространен сорбционный метод, сущность которого заключается в регистрации скорости поглощения жидкостей плоскими полимерными образцами, помещенными в агрессивную среду. При погружении в жидкость благодаря молекулярному тепловому движению количество вещества Q переносится за время т через площадь образца S перпендикулярно сечению потока от места с большей концентрацией жидкости к месту с меньшей концентрацией. Агрессивная жидкость движется до тех пор, пока не установится ее подвижное равновесие в образце.
Для полимербетонов коэффициент диффузии в большинстве случаев определялся сорбционный методом на образцах-дисках диаметром 160 и толщиной 16 мм. Метод этот при сравнительно высокой точности довольно трудоемок и требует длительных испытаний в течение нескольких месяцев.
Сравнительно простой метод определения коэффициента диффузии основан на измерении электропроводности образцов. Сущность этого метода заключается в том, что по мере насыщения образца диффундирующей жидкостью объемное электрическое сопротивление образца падает. Пользуясь графиком зависимости изменения силы тока от времени, можно рассчитать коэффициент диффузии. Благодаря активирующему действию электротока этот метод позволяет резко сократить время испытания.
Прибор для таких испытаний представляет собой две алоижи с платиновыми электродами, наполненные одинаковым количеством электролита. Между алонжами на менделеевской замазке укрепляют испытываемый образец. При замыкании цепи сила тока регистрируется миллиамперметром, а напряжение V на клеммах источника тока — вольтметром.
При сорбционном методе абсолютные значения коэффициентов диффузии, полученные различными авторами, практически совпадают. В то же время по сравнению с амперометрическим методом они несколько завышены. По всей вероятности, эта погрешность объясняется потерей части раствора, поглощенного образцом, при осушении его фильтровальной бумагой.
Амперометрический метод, видимо, более точен из-за непрерывности процесса.
При одинаковой степени наполнения полимерных мастик (300% андезита) коэффициент диффузии в 10%-ной серной кислоте для мастики ФАМ примерно в 2 раза выше, чем для мастики ПН-1. При введении в полимерное связующее мелкодисперсного наполнителя коэффициент диффузии вначале уменьшается, а затем вновь увеличивается. При этом оптимальная степень наполнения для графита составляет 150%, а затем андезита — 200%.
Коэффициенты диффузии полимербетопов гораздо выше коэффициентов диффузии полимерных мастик, особенно резко это различие сказывается для полимербетонов с пористыми заполнителями.