Бетонның сульфатты коррозия кезінде типтік бұзылуы - бетонның кеңеюі мен жарылулардың пайда болуы
Сульфаттардың бетонға қарсы әсері 1877 жылдан бері белгілі. 1890 жылы сульфаттардың ықпалынан цемент тасының бұзылуына әкелетін реакциялар алғаш рет жүйелі түрде зерттелді. Зерттеулер цемент тасының құрылымдық әлсіреуі көп мөлшерде кристалданған суы бар күрделі қосылыстардың түзілуімен байланысты екенін көрсетті.
Эттрингит және «цементтік бацилла» ұғымы
Мысалы, эттрингиттің құрамы: 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 32H₂O. Цемент тасының құрылымын бұзушы әрекетіне байланысты бұл тұзды тарихи әдебиетте «цементтік бацилла» деп атаған.
Тарихи мысал: Магдебургтегі көпір (1890)
Германияда сульфаттардың әсерінен болған алғашқы ірі қираулар 1890 жылы Магдебургте байқалды: құрылысы аяқталғанына бірнеше жыл ғана болған жаңа көпір бұзыла бастады. Негізгі себеп — құрамында сульфаты өте жоғары судың әсері. Бұл жағдай бетонның сульфатқа төзімділігін арттыру жолдарын іздеуді жеделдетіп, кейін қазіргі технологиялық тәсілдердің қалыптасуына ықпал етті.
Сульфаттардың әсер ету шарты: міндетті түрде су
Сульфаттық әсер әрқашан сулы ортада жүреді. Яғни цемент тасының компоненттерімен бұзушы реакцияларға тек сульфат-ионы (SO₄²⁻) қатыса алады. Құрғақ ортада сульфаттардың деструктивті әсері жүзеге аспайды.
Сульфаттық әсердің түрлері
1) Ішкі әсер
Цемент құрамында гипстің артық мөлшері болғанда (мысалы, майдалау кезінде гипсті дұрыс өлшемеу) немесе табиғи гипстік тасы бар толтырғыштар қолданылғанда пайда болуы мүмкін. Гипстегі SO₄²⁻ иондары клинкер фазалары C₃A және C₃AH₆-пен әрекеттесіп, эттрингит түзеді.
2) Сыртқы әсер
Құрамында сульфаттары бар сумен жанасқанда, сульфатты грунттарда, немесе SO₂ бар ауаның әсерінде дамиды. Негізгі механизмдер:
- кеуектер арқылы сульфат иондарының диффузиясы;
- SO₄²⁻ ионы мен Ca(OH)₂ арасындағы реакциялар және кейінгі ену;
- эттрингиттің түзілуімен байланысты реакциялар.
Ішкі және сыртқы әсердің айырмасы
Ішкі әсер кезінде реакция әдетте тез жүреді де, уақыт өте баяулайды. Сыртқы әсер керісінше, уақытқа тәуелді: кеуектерде сульфат концентрациясы жеткілікті жоғары болған сайын процесс күшейіп, біртіндеп үдей береді.
Сульфаттардың табиғи және өндірістік сулардағы мөлшері
Табиғи және өндірістік суларда сульфаттар көбіне Na₂SO₄, CaSO₄ және басқа тұздар түрінде кездеседі.
Негізгі реакциялар және көлемдік ұлғаю
Сульфат-ионы бетонмен жанасқанда цемент тасын құрайтын кейбір құрамдастардың ерігіштігі артып, жаңа түзілімдер кристалданады. Мысалы, CaSO₄ әсер еткенде эттрингиттің түзілуі келесі түрде өрнектеледі:
3CaO · Al₂O₃ · 3H₂O + 3CaSO₄ + 25H₂O → 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 31H₂O
Түзілген кальций гидросульфоалюминаты бастапқы кальций алюминатына қарағанда шамамен 2,5 есе үлкен көлем алады. Бұл ішкі кернеулердің пайда болуына әкеліп, созылуға беріктік шегінен асқанда жарылулар мен әрі қарай бұзылуға себеп болуы мүмкін.
Алайда гидросульфоалюминат сұйық фазада түзілсе, бұзылу әрдайым байқала бермейді (осы қағида кейбір талшықты материалдарды алу технологияларында қолданылады).
Натрий сульфаты болғандағы тізбекті процесс
Ерітіндіде натрий сульфаты болған жағдайда алдымен Ca(OH)₂ келесі схема бойынша әрекеттеседі:
Ca(OH)₂ + Na₂SO₄ → CaSO₄ + 2NaOH
Одан кейін эттрингит жоғарыда көрсетілген механизм бойынша түзіледі. Эттрингиттің түзілуі ортадағы кальций гидроксиді концентрациясына және алюминаттық фазалардың түріне тәуелді: белгілі шарттарда үш- және төрт-кальцийлі алюминаттар қатысқанда қарқынды жүреді, ал кальций гидроксиді деңгейі төмендегенде екікальцийлі гидроалюминат түзіліп, эттрингиттің пайда болуы тежелуі мүмкін.
Осы құбылысқа минералды қоспалардың қорғаныс әсері негізделеді: оларды портландцементке қосу сульфоалюминатты коррозия қаупін төмендетеді.
Контакт аймақтары: гипсті сылақ және тұздалған грунт сулары
Кальций гидросульфоалюминаты кейде гипсті сылақты бетон бетіне жаққанда контакт аймағында пайда болуы мүмкін: ылғал әсерінен гипс ериді де, сульфаттар бетонға енеді. Ұқсас жағдай агрессивті ерітінділердің (мысалы, грунт сулары) бетонға сіңуі кезінде де байқалады.
Тұздалған топырақты оңтүстік өңірлер үшін ерекше белгі — бұзылудың жазда емес, көбіне күзде күшеюі. Себебі сусыз тұздар (мысалы, Na₂SO₄) ылғалды сіңіріп, Na₂SO₄ · 10H₂O түріндегі сулы тұзға айналады және көлемі айтарлықтай өседі. Сондықтан мұндай аймақтарда темірбетон конструкцияларын агрессивті ортадан сенімді оқшаулау — міндетті шарт.
Гипстік коррозия: кеуектерде гипстің түзілуі
Сулы ерітінділерде Na₂SO₄ және K₂SO₄ мөлшері жоғары болғанда жиі гипстік коррозия дамиды. Бұл кезде бетонның бұзылуы кеуектерде және капиллярлық кеңістікте екісулы гипстің (CaSO₄ · 2H₂O) түзілуімен байланысты.
Гипстің тұнуы ерітінді құрамына, бөгде иондарға және біртекті ион әсеріне тәуелді: мысалы, Ca(OH)₂ немесе CaCl₂ болуы гипстің қатты фазаға бөлінуін жеңілдетуі мүмкін, ал кейбір жағдайларда NaCl кері әсер беріп, ерігіштікті арттыруы ықтимал.
Цемент құрамы және сульфатқа төзімділік
Көптеген деректер портландцемент құрамында C₃A және C₃S мөлшері аз болған сайын сульфатты коррозияға төзімділігі жоғары болатынын көрсетеді. Осы қағидаға сульфатқа төзімді портландцементті өндіру (мысалы, ГОСТ 22266-94) негізделген.
Минералды қоспалардың рөлі
Пуццоланды (трепел, опока, трасс), шлакты (домендік гранулденген шлак), күл-алып кету және микрокремнезем сияқты белсенді минералды қоспалар енгізілгенде бетонның сульфатқа төзімділігі әдетте артады.
Төзімділігі жоғары байланыстырғыштар
Көп жағдайда шлакты портландцемент, пуццоланды портландцемент және гипсоцементті-пуццоланды байланыстырғыштар сульфатты ортада кәдімгі портландцементке қарағанда тұрақтырақ болады. Барийі бар портландцемент те жоғары төзімділік көрсете алады.
Аммоний сульфатының ерекшелігі
Аммоний сульфаты ((NH₄)₂SO₄) ерекше назарды қажет етеді. Ол Ca(OH)₂-пен әрекеттескенде:
Ca(OH)₂ + (NH₄)₂SO₄ → CaSO₄ + 2NH₄OH
Аммиактың бір бөлігі суда ериді, ал бір бөлігі газ күйінде бөлініп, процесті жылдамдатуы мүмкін. Жоғары концентрацияларда тек сульфаттық коррозия ғана емес, сонымен бірге цемент тасының кейбір компоненттерінің еруі күшейеді.
Типтік зақымдану: кеңею және жарылу
Сульфатты коррозияның ең тән белгісі — бетонның көлемдік кеңеюі және жарылулардың пайда болуы. Кеңеюдің қарқындылығы бетонның тығыздығына, кеуектер арқылы сульфаттардың капиллярлық-диффузиялық ену жылдамдығына, гидросиликатты гель арқылы диффузияға және цемент түйіршіктерінің гидратация кинетикасына тәуелді.
Кеңею көбіне кальций гидросульфоалюминаты мен гипстің түзілуіне байланысты қатты фазаның меншікті көлемі артқан кезде байқалады. Кейбір бағалаулар бойынша CaSO₄ · 2H₂O және эттрингит түзілімдері көлемдік ұлғаюды бірнеше есе күшейте алады.
Механизм туралы көзқарастар және ашық сұрақтар
Кең ауқымды зерттеулерге қарамастан, сульфаттық коррозияның нақты механизмі толық бірізді түрде түсіндірілді деу қиын. Эттрингиттің бетонды бұзудағы рөлі әлі де зерттелуде, әсіресе кеңейетін және отырмайтын цементтерді әзірлеуде бұл мәселе өзектілігін жоғалтпайды.
Әдебиетте кездесетін негізгі теориялық бағыттар
- кристаллизациялық қысым және қатты фаза көлемінің өсуі;
- коллоидты эттрингиттің түзілуі туралы түсініктер;
- эттрингит кеңеюінің математикалық модельдері.
Сульфаттардың агрессивтілігі: катион факторы
Бетонға сульфаттық төзімділікті қамтамасыз ету үшін сульфат-ионы қандай катионмен байланысқанын ескеру маңызды. Әртүрлі катиондармен байланысты сульфаттардың салыстырмалы агрессивтілігі негізінде оларды шартты түрде үш топқа бөлуге болады:
I — әлсіз агрессивті
Zn²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺
II — шамалы агрессивті
Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ni²⁺
III — күшті агрессивті
NH₄⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺
Өткізгіштік (тығыздық) — шешуші фактор
Бетонның сульфатқа төзімділігінде оның өткізгіш еместігі (тығыздығы) бірінші дәрежелі мәнге ие. Бетон неғұрлым өткізгіш болса, агрессивті иондардың жинақталуы соғұрлым жылдам жүреді. Ал тығыз бетонда сульфаттардың енуі баяулап, қызмет ету мерзімі айтарлықтай ұзаруы мүмкін.
Қазіргі уақытта сульфаттардың жиналу кинетикасына сүйенетін жобалық тәуелділіктер және сұйық сульфатты ортада бетонның қызмет ету мерзімін есептеу тәсілдері әзірленген.
Табиғи ортаның қосымша әсерлері: бикарбонаттар және таумасит
Сульфатты табиғи сулардың агрессивтілігіне судың уақытша қаттылығы (бикарбонатты сілтілік) айтарлықтай ықпал етеді. HCO₃⁻ иондарының жоғары мөлшері сульфаттық коррозияның қарқындылығын төмендетуі мүмкін; бұл қағида сулардың сульфаттық агрессивтілігін бағалау нормаларында ескерілген.
Соңғы зерттеулер температура 100°C-тан төмен болғанда сульфаттық коррозиямен қатар таумаситтің түзілуі белгілі рөл атқаратынын көрсетеді: CaCO₃ · CaSO₄ · CaSiO₃ · 14H₂O. Бұл құбылыс сульфаттар мен карбонаттар бірге болғанда цемент тасының борпылдақ құрылымын қалыптастырып, беріктікті төмендетуі мүмкін.
Сульфатқа төзімділікті арттырудың негізгі шаралары
Жоғарыда келтірілген деректер бетонның сульфатқа төзімділігін арттырудың негізгі бағытын айқындайды: химиялық және физикалық тұрғыда тұрақты, яғни тығыз цемент тасы құрылымын қалыптастыру. Мұнда цементтегі алюминатты фазалардың үлесін төмендету және кальций гидроксидінің мөлшерін шектеу маңызды.
- сульфатқа төзімді портландцементті қолдану;
- белсенді минералды қоспалары бар цементтерді (аралас цементтерді) пайдалану;
- агрессивті орта әсер ететін аймақтарда конструкцияларды оқшаулау және бетон өткізгіштігін төмендету.
Тәжірибе көрсеткендей, кейбір аралас цементтер сульфатқа төзімділік тұрғысынан жоғары тиімділік бере алады, алайда оларды қолдану әлеуеті әлі толық пайдаланылып отырған жоқ. Болашақта мұндай цемент түрлерін сульфатқа төзімді цементтер номенклатурасына кеңірек енгізу мүмкін.