В научных статьях конца XIX столетия можно встретить рекомендации, как предохранить бетонные сооружения от разрушительного действия грунтовых вод. В них сказано, что необходимо полностью предохранять поверхности бетонного сооружения от соприкосновения с грунтовыми водами путем: прикрытия слоем плотно утрамбованной глины, предохраняющей от размыва наружные поверхности сооружения ниже уровня грунтовых вод; подбора плотных водонепроницаемых бетонов с особо гладкими поверхностями, для чего их необходимо тщательно затирать сложным цементным раствором; покрытия, сооружений органическими материалами (гудроном, каменноугольной смолой и т. д.).
Даже к 1926 г. (периоду строительства Днепрогэса — крупнейшего гидротехнического объекта того времени) не существовало технических требований на водонепроницаемость, химическую стойкость, морозостойкость и ряд других важных свойств бетона.
Приведенные рекомендации, по сути дела, исключали возможность использования бетона в гидротехническом строительстве, так как к агрессивным относились грунтовые воды, хотя многие из них менее агрессивны, чем, например, воды, заполняющие водохранилища в горных местностях.
Рассмотрим причины, вызывающие разрушение бетона агрессивной водой и пути его защиты. Анализ разрушения бетона агрессивными водами позволяет разделить коррозию на три условных вида: коррозию I вида, возникающую при контакте с водой, имеющей малую временную жесткость, когда в бетоне растворяются составные части цементного камня (гидратированные минералы) и продукты реакции выносятся протекающей водой из бетона; коррозию II вида, связанную с действием на цементный камень кислых вод и растворов некоторых солей, в процессах участвуют составные части гидратированного цемента, при этом образуются соединения, не обладающие вяжущими свойствами, продукты обменных реакций растворимы в воде и легко вымываются из бетона; коррозию III вида, связанную с действием на цементный камень растворов солей (преимущественно сульфатных соединений), в результате образуются малорастворимые соли, рост кристаллов которых и вызывает разрушение бетона.
Действия агрессивной воды надо заранее учитывать и не допускать возникновения этих разрушительных по своим результатам процессов. Меры защиты носят комплексный характер и заключаются в выборе вида и марки цемента, заполнителей, подборе и приготовлении плотных бетонов, использовании в ряде случаев конструктивных мер защиты (в том числе гидроизоляции бетона). Для того чтобы рассмотреть механизм разрушения бетона при действии различных по составу агрессивных вод, надо учитывать, что бетон — щелочная среда, благодаря чему и возможно включение в него металла — стальной арматуры при изготовлении железобетона. Снижение щелочности бетона в результате постепенного выщелачивания— сложный процесс, на который решающее влияние оказывает жесткость воды-среды.
Разрушение бетона под воздействием воды, как любой химический процесс, в данном случае гидролитическая диссоциация клинкерных минералов и продуктов новообразования, составляющих цементный камень, зависит от количества этой воды и поверхности цементного камня, контактирующей с водой. Чем плотнее бетон, тем при прочих равных условиях меньше поверхность контакта, из-за которого возникает коррозия. Рассмотрим в общем виде каждый из указанных видов коррозии.
Коррозия I вида. Очень мягкая вода способна воздействовать на поверхность бетона, покрытую карбонатом кальция (СаС03), поэтому именно это обстоятельство приводит к кажущемуся различию в растворении ею больших количеств извести по сравнению с жесткой (более минерализованной) водой. При наличии в воде бикарбонатов систематически происходит карбонизация бетона и, следовательно, значительное повышение его водостойкости. Соединения, растворяющие образовавшиеся карбонатные слои (затвердевшие пленки СаСОз), будут вызывать выщелачивание — удаление из цементного камня извести. В плотном бетоне разрушение резко замедляется, так как уменьшается вынос извести из цементного камня.
Процесс разрушения бетона происходит еще быстрее очень мягкими водами, если применять вяжущие, в продуктах гидролиза и Гидратации которых не присутствует свободная известь (например, При использовании пуццолановых и шлакопортландцементов оптимальных составов, для твердения которых созданы необходимые условия). При одном и том же составе и способах уплотнения бетоны без органических добавок и электролитов по водонепроницаемости можно разместить в следующем порядке (по возрастанию этого показателя, если за эталон взят портландцемент): шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент с гидравлической добавкой — трепелом; пуццолановый портландцемент с гидравлической добавкой — сиштоффом. С течением времени указанный порядок в получении менее водопроницаемых бетонов становится еще более разительным, что связано с процессом твердения.
Процессы связывания извести, выделяющейся при гидролизе и гидратации минерала C3S, можно назвать вторичными. Следовательно, результат уплотнения и повышенная водостойкость цементного камня, а в целом водонепроницаемость бетона сказывается лишь с течением времени, большим, чем период, необходимый для первичных процессов между портландцементом и водой. Научные разработки этого вопроса в наше время значительно продвинулись и позволяют скорректировать указанный порядок распределения вяжущих материалов по эффективности получения бетонов высокой водонепроницаемости. Новые виды шлакопортландцемента позволяют получать бетон с высокой водонепроницаемостью и, в частности, благодаря возможности получать изопластичные смеси по сравнению со смесями на других цементах, но с меньшим содержанием воды.
По расчетам количество извести, выделяющейся при твердении портландцемента, в среднем составляет: на 28 сут. — около 10%, на 90 сут.—около 15% от массы цемента, содержащегося в бетоне. В случае выщелачивания извести и соответствии со степенью растворимости остальных компонентов цементного камня будет происходить их диссоциация, усиливающая коррозию цементного камня. В начале начнется диссоциация высокоосновных гидросиликатов кальция (с основностью от 1,5 до 2 молекул СаО на 1 молекулу Si02) с переходом их в более устойчивый, низкоосновный гидросиликат кальция. По окончании диссоциации гидросиликатов в порядке растворимости гидратированных соединений цемента, после того как концентрация Са(ОН)2 в бетоне (при ее дальнейшем выщелачивании) достигает предельного значения — четырехкальциевого гидроалюмината (1,08 г/л СаО), начнется диссоциация этого соединения и т. д.
Указанная схема лежит в основе процесса коррозии I вида. Она типична для любого вяжущего, однако в других вяжущих основой для возникновения разрушения и скорости этого процесса является иной состав воды и иная плотность бетона. Следует учитывать, что перенос продуктов коррозии в толще сооружений также приводит к уплотнению бетона. На основе большого числа экспериментов разработаны нормы, учитывающие сказанное о возможности уплотнения бетона продуктами коррозии цементного камня, размеры, конструкций, подвергающихся коррозии, и условия поступления мягкой воды в бетон.
Коррозия II вида. В противоположность мягкой воде общее содержание ионов в воде с высокой степенью минерализации достигает нескольких десятков тысяч миллиграммов в литре. Такие воды продвигались в породах, содержащих растворимые минералы. Хлориды, сульфаты и бикарбонаты кальция, магния и натрия (ионы Сl; SO4; HC03; Ca; Mg; Na) в разном количестве содержатся в грунтовых, подземных, речных, океанских и морских водах. Следует очень внимательно относиться к выбору цемента и составу бетона при строительстве в солончаковых почвах и заболоченных местах.
Воды кембрийской системы, имеющие высокую минерализацию (от 2000 до 5000 мг/л), содержат много хлористого натрия. В водах силурийской системы, находящихся в известняках, преобладают бикарбонаты кальция и магния при относительно небольшой минерализации (от 300 до 500 мг/л). Степень минерализации и состав воды девонской системы весьма различны. Вода морских отложений , пермской системы при высокой минерализации содержит значительное количество сульфатов и хлоридов. Степень минерализации указанных вод тем выше, чем они глубже расположены по отношению к поверхности.
Особое внимание следует обращать и на воды заболоченных мест, имеющие низкие значения рН; присутствие органических гуминовых кислот оказывает специфическое, тормозящее действие на твердение бетона. Содержание в воде-среде торфа может не только значительно затормозить процесс твердения бетона (раствора), но и вызвать его разрушение. Перечисленный ионный состав воды (кроме сульфата ионов) вызывает коррозию II вида.
Опыты с применением измельченного торфа в составе песка показали, что при его содержании до 1,3% прочность образцов падает примерно в 2 раза, а при содержании до 2,52% прочность снижается в 6 раз.
Учитывая возможность разрушения бетона (раствора), чрезвычайно важно точно дозировать гипс (CaS04-2H20). Возможны следующие два случая разрушения бетона при воздействии сульфатных вод: 1) чисто сульфоалюминатного, когда в воде-среде незначительна концентрация иона SO4; 2) комплексного воздействия, где кроме иона SO4, при его значительных концентрациях в воде-среде разрушение вызывается также кристаллизацией гипса. Результаты действия сульфатной коррозии на бетон неодинаковы и зависят не только от концентрации иона SO4, но и от солевого состава воды, что отражено в нормах.
Проф. В. В. Кинд показал различие в процессе сульфоалюминат-ной коррозии цементного камня, которое зависит от концентрации иона SO4 в воде-среде. Корродирующее действие солей серной кислоты диссоциированных в воде-среде, таких, как катионы всех металлов, основания (гидраты окислов) которых имеют меньшую по отношению к Са(ОН)2 растворимость в воде, связано с их растворимостью. Например, если катионы Mg, Al с аналогичной им па указанному признаку растворимостью, заполняя капилляры бетона при подсосе воды, соединятся с ней (с гидроксильным анионом извести ОН) в стабильные для этих условий соединения, то резка снизится в цементном камне ее содержание (этот случай типичен для коррозии бетона сточными промышленными водами).