Разрушение бетона происходит повсеместно и может серьезно отразиться на долговечности железобетонных конструкций. Основное химическое воздействие на бетон оказывают проникание хлорид-ионов, сульфаты и карбонизация. В данной статье кратко представлены различные виды повреждений бетона, описаны технические разработки в области технологии цементирующих покрытий и приведены примеры их использования.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ХЛОРИДА
Основная причина повреждения железобетона, подвергшегося воздействию хлорида, – это коррозия стальной арматуры, особенно в морских, дорожных и других насыщенных хлоридом условиях, включая здания, расположенные вблизи береговой линии. Проникновение хлорид-ионов приводит к агрессивной коррозии стальной арматуры даже в щелочной среде бетона, что вызывает образование трещин и выкрашивание, а в худшем случае – разрушение конструкции.
Стальная арматура защищена от коррозии характерной высокой щелочностью бетона, обусловленной образованием гидроксида кальция при гидратации цемента. Это приводит к образованию пассивирующего слоя на поверхности стали.
Типичное разрушение бетона, вызванное воздействием серной кислоты. Все фото предоставлены авторами статьи.
Пока эта поверхностная пленка сохраняется, сталь защищена от коррозии. Однако, если бетонные конструкции постоянно подвергаются воздействию хлоридов в воздухе или солевого тумана, хлорид-ионы из-за своего молекулярного размера могут проникать в поры бетона, со временем они достигают сталь, разрушая защитный слой и вызывая коррозию. В случае с морскими сооружениями, наиболее активная коррозия происходит в зоне заплеска, где чередующиеся влажные и сухие условия усиливают проникновение хлоридов и где достаточно кислорода и влаги, чтобы повысить электропроводность бетона, что ускоряет процесс коррозии, приводя к интенсивному локальному воздействию, называемому питтинговой коррозией, которая может вызвать быстрое разрушение стального профиля и обширное растрескивание и выкрашивание бетона, тем самым нарушая целостность конструкции.
В зонах приливов и подводных зонах, где бетон насыщается морской водой, а уровень кислорода весьма ограничен, пористая структура бетона постоянно заполняется водой. Тем не менее, в зонах, где защитный слой бетона не толстый, особенно в зоне заплеска, коррозия все равно может возникать, вызывая трудности с восстановлением бетона.
Глубина и качество защитного бетона крайне важны, поскольку относительно тонкий слой бетона защищает стальную арматуру от коррозии, поддерживая щелочную среду и предотвращая проникновение хлорид-ионов и других вызывающих коррозию веществ.
Это отражено в европейских стандартах EN 206, где указывается состав бетонных смесей, и EN 10080, где приведены требования к защитному слою. Хотя морские сооружения постоянно подвергаются воздействию хлоридов, дорожные конструкции оказываются в аналогичной ситуации в зимний период, когда используются противообледенительные соли. Они мгновенно растворяются в снеге или дождевой воде, а получившийся высококонцентрированный солевой раствор или брызги от колес автомобилей могут представлять угрозу бетонным конструкциям, расположенных вблизи дорог, в связи с потенциальным проникновением хлорид-ионов, что усугубляется повторяющимися циклами увлажнения и высыхания.
Если обнаружено, что защитный слой бетона недостаточно толстый, важно принять оперативные меры, иначе отсутствие защиты арматурных стержней приведет к преждевременной депассивации стали и последующей коррозии. Недостаточный слой бетона не только ускорит разрушающее воздействие карбонизации, но и ускорит процесс проникновения хлоридов, влаги и кислорода к поверхности стали. В худшем случае, придется разрушить бетонную часть или выполнить частичное повторное бетонирование, однако оба варианта дорогостоящие и непростые в исполнении.
ВОЗДЕЙСТВИЕ КАРБОНИЗАЦИИ
Карбонизация, вызывающая нарушение щелочной среды, окружающей стальную арматуру, – это еще одна серьезная проблема, связанная с необработанными бетонными конструкциями, подверженными атмосферным воздействиям.
Диоксид углерода проникает через трещины и поры в бетоне, снижая уровень pH щелочной среды с 12-13 до 9, что неизбежно приводит к коррозии и выкрашиванию бетона.
Как подробно описано выше, здания из железобетона и другие сооружения страдают от воздействия хлоридов в воздухе прибрежных районов. Без надлежащей защиты от химического воздействия карбонизация и проникновение хлоридов вместе образуют опасное сочетание, которое, наряду с атмосферным воздействием, может быстро привести к снижению долговечности и срока службы сооружений.
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Водоочистные сооружения
Что касается использования железобетона в водоочистных сооружениях, распространенный механизм эрозии бетона в канализационных системах имеет бактериальную природу. Стандартные бытовые сточные воды слабощелочные и не содержат сульфаты в той концентрации, которая была бы достаточной для повреждения бетона. Повреждения, как правило, связаны с серной кислотой, которую образуют некоторые бактерии в результате изменений, происходящих в сточных водах.
В условиях, когда кислорода в сточных водах становится недостаточно, анаэробные организмы, которые не потребляют атмосферный кислород, удовлетворяют свои потребности для роста за счет растворенных солей. Это приводит к химическому восстановлению сульфатов и других органических сернистых соединений в сточных водах с образованием сероводорода.
Вопреки распространенному мнению, сам газ не воздействует на бетон напрямую, он быстро растворяется во влаге, особенно на верхней и нижней поверхностях канализационных труб и на стенах над уровнем жидкости, а затем окисляется до серной кислоты аэробными организмами вида Thiobacillus. Исследования, проведенные в США, показали, что концентрация серной кислоты, образующейся в канализационных сетях, может достигать примерно 5%; достаточная концентрация для повреждения стандартного бетона. Существует ряд факторов, определяющих точную концентрацию, однако известно, что высокие температуры существенно ускоряют рост бактерий.
Резервуары – воздействие мягкой воды
Мягкая вода – это вода с недостатком солей кальция и магния, что может оказаться серьезной проблемой в резервуарах, где хранится болотная или нагорная вода. Благодаря своей природной чистоте такая вода является эффективным растворителем для известняка, образующегося в виде побочного продукта в процессе гидратации цемента либо присутствующего в известняковом заполнителе, что приводит к разрушению бетона.
Повреждения, вызванные мягкой водой.
Некоторые виды мягкой воды также содержат растворенный углекислый газ, который образует слабую угольную кислоту. Другие органические кислоты естественным образом появляются в почве и грунтовых водах при гниении растений, например, гуминовая кислота, входящая в состав торфа. Они снижают уровень pH до 5,0, тем самым делая воду высокоагрессивной и разрушающей целостность бетона посредством ослабления его матрицы. Из-за повышенной проницаемости бетон становится подверженным прогрессирующему разрушению, поскольку пористая структура открыта для большего проникновения кислоты, что в результате приводит к разрушению основания и невозможности для конструкции содержать воду.
Существуют цементирующие покрытия, обладающие выдающейся стойкостью к воздействию мягкой воды. В основных продуктах содержатся пуццолановые материалы и микрокремнезем. Пуццоланы вступают в реакцию с известняком и образуют нерастворимые гидросиликаты кальция, обладающие высокой стойкостью к действию химических веществ.
Микрокремнезем активно «вымывает» известняк и способствует повышению стойкости к химическому воздействию. Кроме того, полимеры, содержащиеся в этих материалах, образуют защитную пленку на поверхности гидратов, тем самым еще больше повышая стойкость к химическому воздействию. Основные продукты также выдерживают условия погружения без вредного воздействия, поэтому их указывают во многих контрактах, когда водоохранные органы уже сталкивались с проблемой воздействия мягкой воды.
В результате целостность бетона сохраняется, а арматурные стержни защищены.
Например, цементирующие покрытия использовались для ремонта более 30 резервуаров в рамках Программы восстановления водопроводных магистралей Северной Ирландии. Практически все конструкции пострадали из-за воздействия мягкой воды, а в некоторых случаях это воздействие было настолько сильным, что сначала для восстановления целостности основания применялись ремонтные смеси, а только затем наносилось цементирующее покрытие.
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Последние 30 лет технологии защитных покрытий активно развивались. В частности, значительный прогресс был достигнут некоторыми производителями декоративных покрытий, защищающих от карбонизации, которые обеспечивают высокое качество при такой толщине слоя краски, который всего 10 лет назад нельзя было представить. В области специализированной защиты для сложных условий применение новейших цементирующих покрытий позволили продлить срок службы конструкций, что при использовании традиционных альтернативных систем было бы непрактично.
Открытые стальные элементы после гидродемонтажа для удаления бетона с дефектами, готовые к ремонту.
Новое поколение цементирующих покрытий может преодолеть многие ограничения, характерные для систем на основе органических смол, и пригодно для нанесения на основания без риска осмотического вспучивания. Они обладают высокой устойчивостью к вымыванию и могут подвергаться погружению уже через час после нанесения. Толстослойное нанесение и быстрое отверждение делает их менее предрасположенными к повреждениям, особенно сразу после нанесения и на начальных этапах эксплуатации. Более того, будучи системами на водной основе, они экологичны и обеспечивают минимальный риск при нанесении на любое оборудование, которое после использования промывается водой. Испытания конструкций, подверженных карбонизации, которые были обработаны цементирующими покрытиями, показали, что бетон заново ощелачивается, а глубина карбонизации эффективно сокращается, благодаря чему обеспечивается дополнительная защита арматуры, особенно в присутствии хлоридов.
Цементирующие покрытия можно наносить непосредственно на железобетонные конструкции, срок службы которых подходит к концу или которые подвержены преждевременному разрушению. Такие высокоэффективные покрытия также можно использовать в исходных конструкциях новых зданий. Они могут решить вопросы с несоответствием техническим требованиям. В случаях с критически важными сооружениями, например, мостами, которые строят в суровой морской среде, специалисты осознают преимущества таких покрытий, которые могут обеспечить срок службы в 120 лет, снижая необходимость в дорогостоящем техническом обслуживании.
Что касается ремонтных работ, любой бетон с дефектами можно вырезать, защитив стальную арматуру антикоррозионным покрытием до применения ремонтных смесей и защитных покрытий.
Один продукт, зачастую указываемый как для действующих, так и новых сооружений, для обеспечения гидроизоляции, восстановления защитного слоя и создания эффективного барьера от проникновения хлоридов, – это двухкомпонентное цементирующее полимерное покрытие на водной основе, которое впервые было применено в 1985 году и до сих пор остается одним из наиболее действенных средств для обеспечения защиты конструкций от воздействия хлоридов, 2 мм такого покрытия эквивалентны слою качественного бетона толщиной 100 мм.
Независимые испытания, проведенные в центре строительных технологий VINCI в Бедфордшире, подтвердили, что данный продукт обеспечивает эффективный барьер от хлоридов в течение многих лет. В 1988 году 2-миллиметровую пленку нанесли на бетон и поместили его в герметичную диффузионную ячейку с хлорид-ионами, и 30 лет спустя она продолжала обеспечивать полноценную защиту. Непрерывные испытания, проводимые в лаборатории, показали, что барьерные свойства продукта оставались неизменные на протяжении всего периода, что свидетельствует о долгосрочном действии продукта.
Высокоэффективные цементирующие покрытия широко применяют на действующих и новых сооружениях в прибрежной зоне, на дорогах и в отрасли водоочистки и водоподготовки. Они также являются альтернативой повторному бетонированию или демонтажу готовых бетонных конструкций и армированию бетона на месте, придавая основе прочность для достижения заявленного срока службы.
ПРИМЕРЫ
В рамках масштабного проекта модернизации станций водоочистки южного побережья стоимостью 16 миллионов евро был выбран запатентованный материал для ремонта бетона с целью обновления подземной приемной камеры завода. За шесть месяцев подрядчики, специализирующиеся на обслуживании и текущем ремонте МТО, использовали почти 140 тонн состава.
Начиная с 1997 года очистные сооружения, расположенные в прибрежном районе, обслуживают население примерно в 140 тысяч человек, а большинство таких сооружений находятся под землей, под похожим на крепость зданием. До 74 литров сточных вод перекачиваются и обрабатываются каждый день незаметно для окружающих.
Работы по ремонту бетона выполнялись под землей в крайне тяжелых условиях. Проект предполагал обновление подземного впускного канала, по которому протекают сточные воды, поскольку там бетон был сильно поврежден серной кислотой из-за присутствия газа сероводорода. Работы выполнялись ночью, когда поток был не таким сильным.
Разработанная для проекта система ремонта включала распыление одного слоя ремонтной смеси, армированной волокном (Intercrete 4801), а затем – нанесение верхнего слоя двухкомпонентного состава на основе эпоксидной смолы и модифицированного полимером цементирующего покрытия (Intercrete 4840).
Такую комбинированную систему выбрали из-за ее способности к быстрому отверждению и короткому промежутку между нанесением смеси и покрытия, поскольку устранялась необходимость в нанесении накрывочного слоя благодаря высокому качеству смеси. Данная система также минимизирует воздействие на окружающую среду, поскольку оба продукта на водной основе, почти без запаха и не содержат растворители, что делает их безопасными при нанесении, даже если работы на заводе в этот момент не приостанавливаются.
Подрядчик использовал гидродемонтаж для удаления поврежденного бетона перед распылением водоотталкивающей смеси класса R4. После этого цементирующее покрытие наносили в два слоя с получением общей толщины сухой пленки 2 мм.
Еще одним примером может служить Доха-Корниш, набережная протяженностью 10 км вдоль залива Дохи в столице Катара.
Сформированный в ходе обширных дноуглубительных работ, выполняемых в конце 1970-х и начале 1980-х годов, которые изменили береговую линию Дохи, Корниш стал популярным местом для прогулок, поездок на велосипеде и пробежек. Защиту от высоких волн обеспечивает бетонный волнорез, пострадавший от эрозии под действием волн и коррозии стальной арматуры из-за хлоридов.
При строительстве дополнительной 500-метровой бетонной конструкции использование барьера от хлоридов было обусловлено необходимостью продлить срок службы сооружения. После рассмотрения нескольких систем покрытий и расширенных испытаний Министерство внутренних дел и сельского хозяйства утвердило 2-миллиметровый слой двухкомпонентного модифицированного полимером эпоксидного цементирующего покрытия (Intercrete 4840). Его наносили в два слоя распылением непосредственно на бетон. Покрытие должно обеспечивать долгосрочное водоотталкивающее действие и не разрушаться под воздействием прямых солнечных лучей.
