Разрушение конструкций, изготовленных с применением цемента (бетонные, железобетонные, строительные растворы) обычно начинаются с разрушения цементного камня, стойкость которого, как правило, ниже стойкости заполнителей.
Разрушение может происходить под влиянием:
1.Физических явлений (насыщения водой, попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания и т.п.);
2.Химического взаимодействия цементного камня с агрессивными веществами, содержащимися в воде или в воздухе (магнезиальная и другие виды коррозии).
При выборе вида цемента для конкретного сооружения необходимо учитывать требования по морозостойкости, воздухостойкости и химической стойкости.
Морозостойкость цементного камня определяется не общей, а капиллярной его пористостью, поскольку вода, содержащаяся в порах цементного геля, не переходит в лед даже при сильных морозах. Уменьшение объема капиллярных пор резко повышает морозостойкость.
Капиллярная пористость цементного камня определяется водоцементным отношением (В/Ц) и степенью гидратации цемента, поэтому значение В/Ц в морозостойких бетонах принимают не более 0.4 – 0.55, а наибольшей полноты гидратации цемента добиваются созданием оптимальных условий формирования структуры цементного камня.
При высоких требованиях к морозостойкости ограничивают содержание С3А в клинкере (5 – 8%), поскольку гидроалюминат образует в цементном камне «рыхлые» нестойкие структуры. Также ограничивается количество активных минеральных добавок (не более 8%).
Применение гидрофобного или пластифицированного ПЦ взамен обычного повышает морозостойкость в 2 и более раз, так как эти цементы позволяют снизить количество воды затворения и объем капиллярных пор. К тому же гидрофобизация пор снижает водопоглощение, что способствует повышению морозостойкости. С этой же целью используют воздухововлекающие добавки и суперпластификаторы.
Воздухостойкость – способность цементного камня сохранять прочность в сухих условиях при сильном нагреве солнечными лучами, а также в условиях попеременного увлажнения и высыхания. Требование по воздухостойкости ограничивает применение цементов с активными минеральными добавками осадочного происхождения для надземных конструкций, работающих в сухих условиях.

Коррозия цементного камня и ее предотвращение

Коррозия может происходить под действием мягкой воды, растворов кислот, некоторых солей и кислых газов на составные части цементного камня, главным образом на Са(ОН)2 и 3СаО*Al2O3*6H2O. Встречающиеся на практике коррозии можно разделить на 3 вида:
1 - выщелачивание Са(ОН)2 ;
2 - образование легко растворимых солей при воздействии на Са(ОН)2 веществ, находящихся в окружающей среде;
3 - образование в цементном камне соединений, увеличивающихся в объеме.

1.Коррозия первого вида

Заключается в растворении и вымывании (выщелачивании) Са(ОН)2 при действии на цементный камень мягких вод, содержащих мало растворенных веществ (дождевая вода, вода горных рек, а также равнинных рек в половодье, болотная вода и т.п.). Вымывание Са(ОН)2 приводит к разложению гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и увеличению пористости. Потеря цементным камнем 15-30% Са(ОН)2 понижает его прочность на 40-50% и более. Выщелачивание можно заметить по появлению белых пятен (подтеков) на поверхности бетона. Наличие градиента давления воды на сооружение ускоряет процесс выщелачивания.
Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание C3S до 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием является введение в цемент активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Положительно сказывается выдерживание на воздухе 2-3 месяца бетонных свай, блоков и других элементов с целью образования на их поверхности защитного слоя из малорастворимого СаСО3 (Са(ОН)2 + СО2 -> СаСО3).

2.Коррозия второго вида

Может происходить в различных формах:
1. Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный СО2 , разрушающий СаСО3 с образованием бикарбоната кальция Са(НСО3)2 {СаСО3 + (СО2)своб.+ Н2О = Са(НСО3)2}.
2.Общекислотная коррозия происходит при взаимодействии растворов, имеющих рH<7 (почти все кислоты за исключением поликремневой и кремнефтористоводородной) с Са(ОН)2 с образованием легко растворимых солей. Свободные кислоты часто встречаются в сточных водах, а также образуются из кислых газов в выбросах промышленных предприятий (например, SO2).
Са(ОН)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O; Са(ОН)2 + H2SO4 = Ca SO4*2H2O.
Бетон из ПЦ защищают от непосредственного воздействия кислот при помощи слоев из кислотоупорного цемента.

1. Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на Са(ОН)2 магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и морской воде: Са(ОН)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(ОН)2; Са(ОН)2 + MgSO4 + H2O = CaSO4*2H2O + Mg(ОН)2.
В результате этих реакций образуется растворимая соль, легко вымываемая из бетона.
2. Воздействие органических кислот. Органические кислоты быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. Так же вредны жирные кислоты (олеиновая, стеариновая и др.) и масла, содержащие кислоты (льняное, хлопковое, рыбий жир). Нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут и др.) не представляют опасности для бетона из ПЦ, если они не содержат нафтеновых кислот или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты легко проникают через бетон.
3. Воздействие минеральных удобрений. Особенно вредны аммиачные удобрения – аммиачная селитра и сульфат аммония, которые действуют на Са(ОН)2 с образованием хорошо растворимого нитрата кальция: Са(ОН)2 + 2NH4NO3 + 2H2O = Ca(NO3)2*4H2O + 2 NO3
Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат.

3.Коррозия третьего вида

Возникает при действии на бетон растворов сульфатов и едких щелочей.
а). Сульфоалюминатная коррозия (разновидность сульфатной коррозии) происходит при действии на гидроалюминат цементного камня морской воды, грунтовых и других минерализованных вод, содержащих сульфатные ионы:
3CaO*Al2O3*6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = 3CaO*Al2O3*3CaSO4*31H2O.
Кристаллизация образующегося в результате реакции минерала эттрингита сопровождается увеличением объема в несколько раз, что может вызвать разрушение затвердевшего цементного камня. Для борьбы с этим видом коррозии используют специальные сульфатостойкие ПЦ, применяемые в плотном бетоне.
б). Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в клинкере цемента.
1. При действии растворов щелочей (NaOH, KOH) может происходить карбонизация щелочи в порах цементного камня за счет воздействия СО2 воздуха. Возникающее кристаллизационное давление разрушает структуру цементного камня.
2. Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. Цементный клинкер содержит щелочные соединения, которые могут вступать в реакцию с некоторыми модификациями кремнезема (опал, халцедон и др.), встречающимися в заполнителе бетона. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерна заполнителя, что может вызвать разрушение бетона. При наличии в заполнителе такого кремнезема применяют ПЦ с содержанием щелочей менее 0,6% и вводят в цемент активные минеральные добавки (диатомит, трепел и др.), химически связывающие щелочи.

Основной комплекс мер защиты цементного камня от коррозии:

1.повышение плотности цементного камня;
2.выбор специальных вяжущих;
3.введение добавок, изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т.д.;
4.обработка поверхностного слоя (флюатирование, гидрофобизация, силикатизация и т.д.), а также инъекция растворов в толщу конструкции (цементация, битумизация, смолизация, силикатизация и т.д.);
5.защита поверхности от агрессивной среды при помощи окраски, оклейки, оштукатуривания различными гидроизоляционными материалами, а также торкретированием и облицовкой керамикой или металлом.