Коррозия, вызываемая щелочами цемента
Коррозия, вызванная реакцией щелочей портландцемента с заполнителями бетона, принципиально отличается от обычной тем, что разрушение вызывается не взаимодействием внешней среды с бетоном, а процессами, возникающими внутри бетона вследствие взаимодействия щелочей
цемента с реакционноспособным кремнеземом заполнителя.
При современной технологии производства цемента в составе клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений, причем оксид натрия присутствует почти во всех фазах клинкера. Основное количество оксида калия находится в фазе трехкальциевого алюмината и C2S. Щелочи встречаются в клинкере также в виде сульфатов. При гидратации цемента щелочные фазы взаимодействуют с водой и в виде гидратированных соединений накапливаются в жидкой фазе. В ранние сроки твердения калиевая щелочь растворяется быстрее, чем натриевая. Примерно к 25 сут твердения почти все соединения калия переходят в водорастворимое состояние, в то время как количество перешедшего в раствор оксида натрия составляет 40—60%. Концентрация щелочей в жидкой фазе зависит от содержания щелочей в цементе и В/Ц и может достигать 50 г/л. По мере твердения и химического связывания воды концентрация щелочей в жидкой фазе будет возрастать.
Реакция растворов щелочи с кремнеземом протекает в две стадии. Первая заключается в нейтрализации поверхности кремнезема. В этом случае водородный ион Н+ поверхности кремнезема соединяется с гидроксильным ионом ОН- с образованием молекулы воды. Оставшийся некомпенсированный заряд кислорода позволяет ему присоединиться к положительному иону натрия Na+. Для такой реакции достаточен щелочной раствор слабой концентрации.
Вторая стадия заключается в разрыве кремнекислородных связей и проходит при избытке щелочи по сравнению с количеством, необходимым для нейтрализации кислой поверхности кремнезема. В результате реакции появляются студенистые, гелеобразные отложения белого цвета в порах и во внутренних слоях бетона вблизи частиц реакционноспособных заполнителей и на поверхности бетона. Затем становятся заметными трещины, различные по конфигурации и достигающие иногда значительных размеров. При дальнейшем развитии процессов взаимодействия щелочей с заполнителем образуется сеть трещин. Участки бетонной поверхности шелушатся и вспучиваются.
Данные исследований и наблюдений за состоянием сооружений свидетельствуют о том, что разрушение бетона может наступить даже через 10—15 лет после начала
реакции. Постепенное расширение бетона и его разрушение происходит в результате давления, возникающего в контактных слоях реакционноспособного заполнителя и цементного камня. Оно вызывается набуханием продуктов реакции и осмотическими явлениями, возникающими из-за полупроницаемости цементного камня по отношению к продуктам реакции.
Существуют различные способы предупреждения щелочной коррозии. Это ограничение общего содержания щелочей в цементе 0,6%; введение активных минеральных добавок, а также воздухововлекающих или газообразующих веществ. Заметно уменьшается расширение при добавлении солей лития, а также альбумина — интенсивного воздухововлекающего вещества. Уменьшить расширение можно также при введении кремнийорганического полимера ГКЖ-94. Наибольший эффект дают тонкомолотые активные минеральные добавки с преимущественным содержанием опаловидного вещества, активно поглощающего гидроксид кальция и щелочи. С введением таких гидравлических добавок, обладающих большой удельной поверхностью, уменьшается разность концентраций щелочей в объеме образца и у поверхности реакционноспособных заполнителей, что способствует уменьшению осмотического давления. Кроме того, уменьшается отношение Na2О : Si02, поэтому реакции проходят преимущественно по первой схеме и опасные напряжения и расширение бетона не происходят.
В результате многолетних исследований большого коллектива советских ученых была решена проблема получения специальных цементов, которые обладают высокой коррозиеустойчивостью при определенном химико-минералогическом составе исходного клинкера и соответствующем содержании в цементе активных минеральных добавок.