Щелочная коррозия бетонов на основе портландтцемента

В современном строительстве портландцемент (ПЦ) остается наиболее широко применяемым видом цемента, представляющим собой результат совместного помола цементного клинкера, гипса и добавок, с содержанием силикатов кальция до 80%. Проблемным вопросом эксплуатации бетонных конструкций на основе ПЦ остается их долговечность, снижение которой обусловлено процессами внутренней щелочной коррозии. Наглядно последствия щелочной коррозии могут регистрироваться в виде трещин, сколов, высолов на цементном бетоне, что приводит к перераспределению напряжений, снижению прочности и разрушению конструкций. В этой связи актуальными являются исследования, направленные на выявление способов снижения щелочной коррозии бетонов на основе ПЦ. Целью исследования является систематизация особенностей развития коррозионных процессов и возможностей их минимизации.
В общем виде щелочную коррозию можно охарактеризовать как результат химических превращений щелочей оксидов натрия, калия, кальция цементов при взаимодействии с кремнеземами, входящими в состав традиционных заполнителей (песок, гравий, щебень, кварц), что приводит к формированию гидратных соединений, набухающих под действием влаги, способствующих развитию растягивающих напряжений и приводящих к деформационным изменениям. ПЦ, отличающийся высоким содержанием соединений кальция, дополнительно к опасным процессам взаимодействия соединений щелочных металлов цемента и кремнезема заполнителя, подвержен протеканию реакций «раздоломичивания» с участием карбонатно-магниевых соединений [1]:
CaCO3. MgCO3 + NaOH = CaCO3 + Mg (OH)2 + Na2CO3(1)
Следует учитывать, что образующийся карбонат натрия при итерационном взаимодействии с Са(ОН)2 приводит к образованию гидроксида натрия, и повторному протеканию реакций по схеме (1). В результате продукты реакции существенно заполняют поровые пространства бетонов на основе ПЦ, что приводит к развитию растягивающих напряжений в порах, деформациям и разрушению конструкций.
Процесс щелочной коррозии ПЦ усугубляется физическими изменениями в бетонах от капиллярного воздействия влаги и сопутствующих химических превращений

. Так, при попадании воды в объем материала происходит постепенное растворение извести, присутствующей в бетоне и вынос ее на поверхность изделия при испарении влаги. Такие изменения приводят к последующему взаимодействию СО2 воздуха с вынесенной известью с формированием карбоната кальция, что способствует протеканию внутренних реакций по схеме (1). Результат данных превращений наглядно регистрируется в виде высолов на поверхности изделий, на основе ПЦ [2].
Последующее высушивание, как при положительных, так и при отрицательных температурах, изделий на основе ПЦ, обогащенных насыщенными растворами солей, приводит к кристаллизации последних. Переход ряда солей из безводной формы в кристаллогидраты происходит со значительным ростом их объема, вызывая дополнительные напряжения в изделиях. Многократное увлажнение и высушивание приводит к развитию усадочных деформаций, а сопутствующее увлажнение мягкими (дождевыми и талыми) водами приводит к дополнительному вымыванию исходных компонентов ПЦ и заполнителя, снижая долговечность [3].
Охарактеризованная выше щелочная коррозия при взаимодействии щелочей цемента и химических добавок с MgCO3 и образованием соединений по схеме (1), осложняется формированием кристаллогидратов, состав которых будет определяться составам заполнителя. Например, присутствие гипса в заполнителе и его взаимодействие с алюминатами цемента приводит к образованию эттрингита 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O; перекристаллизации CaO·Al2O3·CaSO4·10H2O в эттрингит 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O; образованию таумасита CaSiO3·CaSO4·CaCO3·15H2O