3 CaO * SiO2 + nH2O 2 CaO * SiO2 (n-1)H2O + Ca(OH)2
Korozja betonu powstaje pod wpływem czynników chemicznych, związana jest z działaniem wody i różnych substancji agresywnych rozpuszczonych w wodzie .
W zależności od składu środowiska agresywnego rozróżnia się następujące rodzaje korozji
-korozja ługująca , spowodowana działaniem wód miękkich ,
-korozja ogólno kwasowa związana z aktywnością jonów wodorowych (pH) ,
-korozja kwasowo węglowa , zależna od zawartości agresywnego dwutlenku węgla ,
-korozja siarczanowa , zależna od zawartości jonów siarczanowych ,
-korozja magnezowa , zależna od zawartości jonów magnezowych .
KOROZJA ŁUGUJĄCA.
Niszczenie betonów w skutek działania wody jest zazwyczaj związane z jej przenikaniem przez konstrukcje betonowe. Woda przesącza się nie tylko przez masę betonową, lecz również przez rysy, szczeliny i wzdłuż prętów zbrojenia. Szczeliny powietrzno-wodne w betonie powstają wskutek parowania wody, która nie została chemicznie związana z cementem. Im większy jest stosunek masy wody do masy cementu (W/C)tym porów jest więcej. Beton o normalnej szczelności posiada wskaźnik W/C=0,56-0,60; o podwyższonej szczelności wskaźnik W/C=0,46; a o bardzo wysokiej szczelności W/C=0,45. Szczególnie wrażliwym miejscem na powstawanie porów są szwy robocze, wynikające z przerw w betonowaniu i szczeliny wzdłuż prętów zbrojeniowych. Przesączająca się przez beton woda reaguje z jego składnikami i stopniowo wypłukuje Ca(OH)2 pozostawiając żel krzemowy. Stwardniały zaczyn cementowy składa się z produktów hydratacji minerałów klinkierowych oraz części nie uwodnionych składników cementu. Produkty hydratacji to uwodnione krzemiany i gliniany wapnia, żelazian wapnia, siarczanoglinian wapnia oraz krystaliczny Ca(OH)2. Ponadto w porach betonu znajduje się nasycony roztwór Ca(OH)2. Najbardziej podatny na korozję jest wodorotlenek wapnia i ten składnik posiada największe znaczenie dla zachowania trwałości betonu , gdyż pozostałe składniki stwardniałego zaczynu cementowego mogą trwale egzystować tylko w środowisku zasadowym. Wodorotlenek wapnia powstaje w betonie w wyniku hydratacji alitu i belitu:
3 CaO * SiO2 + nH2O 2 CaO * SiO2 (n-1)H2O + Ca(OH)2
2 CaO * SiO2 + nH2O CaO * SiO2 (n-1) H2O + Ca(OH)2
Wodorotlenek wapnia jest najbardziej wrażliwy na rozpuszczanie składnikiem stwardniałego zaczynu cementowego (rozpuszczalność rzędu 1200-1700mg /l). Do póki Ca(OH)2 znajduje się w porach betonu i utrzymuje odczyn silnie zasadowy (pH>12) układ jest w stanie równowagi i zachowuje trwałość. Rozpuszczanie i wypłukanie Ca(OH)2 z zaczynu narusza istniejący stan równowagi. Następujące obniżenie zasadowości fazy ciekłej do wartości pH <12 i stabilne wcześniej minerały ulegają rozpuszczeniu :
2CaO * SiO2 * nH2O + 2 H2O SiO2 * nH2O + 2 Ca(OH)2
Analogicznie można rozpatrywać trwałość minerałów powstałych przez uwodnienie glinianu i żelazianu wapnia. Produktem końcowym są tutaj żele wodorotlenku glinu i wodorotlenku żelaza (III). Wskutek obniżenia stężenia Ca(OH)2 początkowo następuje pełny rozkład krzemianów, następnie pełny rozpad glinianów, a w rezultacie zniszczenie betonu. Obecność soli nawet nie wchodzących w reakcje ze składnikami betonu powoduje podwyższenie stężenia jonów w roztworze i zwiększa moc jonową roztworu
I = 0,5 S c z2
c - stężenie molowe jonu, z - ładunek jonu
Rozpuszczalność soli trudno rozpuszczalnych rośnie wraz ze wzrostem mocy jonowej. Następuje więc wzrost wyługowania Ca(OH)2 z betonu i obniżenie jego wytrzymałości. Natomiast obecność węglanów i wodorowęglanów wapnia obniża korodujące działanie wody .Im wyższa jest twardość przemijająca wody, tym mniejszą wywoła ona korozję. Rozpuszczalność Ca(OH)2 zgodnie z iloczynem rozpuszczalności
L = [ Ca2+] * [OH-]2 maleje ze zwiększeniem stężenia jonów Ca2+ pochodzących z dysocjacji CaCO3 i Ca(HCO3)2.
KOROZJA KWASOWĘGLOWA.
Działanie agresywnego CO2 polega na tym, że część jego w wodach naturalnych znajduje się przeważnie w równowadze chemicznej z Ca(HCO3)2 , co powoduje specyfikę procesów korozji węglanowej lub kwasowęglowej. Procesy chemiczne korozji węglanowej przedstawić można następującymi równaniami :
CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Ca (OH)2 + 2CO2 Ca(HCO3)2
n CO2 + n CaO *SiO2 aq= n CaCO3 +SiO2 aq
m CO2 + m CaO * Al2O3 aq = m CaCO3 + 2 Al (OH)3 + p H2O
Przy niewielkich dla wód naturalnych stężeniach kwasu H2CO3 (jonów H ), ilości Ca(OH)2 rozpuszczone chemicznie są znikome w porównaniu z ilościami Ca(OH)2 wyługowanego fizycznie. Kind podaje przykładowo, że 1 litr wody zawierającej 44 mg agresywnego CO2 filtrującej przez beton rozpuści około 1700 mg Ca(OH)2 w sposób czysto fizyczny i około 25 mg w sposób chemiczny. W tych warunkach rola kwasu H2CO3 sprowadza się głównie do rozpuszczenia i rozdrabniania znajdującej się na powierzchni betonu zawartej, skarbonizowanej warstwy lub do uniemożliwienia jej tworzeni się, co zwiększa przesiąkliwość betonu i powoduje fizyczne wypłukiwanie z niego wodorotlenku wapnia.
KOROZJA OGÓLNOKWASOWA.
Korozja wywołana wodami o cechach agresywności kwasowej, polega na rozpuszczeniu Ca(OH)2 ze stwardniałego zaczynu cementowego w betonie, a następnie na rozkładzie uwodnionych krzemianów i glinianów wapnia.
Korozja pod działaniem wód kwaśnych jest analogiczna do korozji ługującej wywołanej fizycznym wypłukiwaniem Ca(OH)2. Różnica polega na tym, że w wypadku korozji ługującej obniżenie zasadowości odbywa się przy pomocy procesów fizycznych (wypłukiwanie Ca (OH)2 ), natomiast w przypadku korozji kwasowej, na drodze reakcji chemicznych Ca(OH)2 z kwasami. Przy niewielkich stężeniach kwasu (jonów H+ ), co jest charakterystyczne dla wód naturalnych posiadających pH 6-8 ilości Ca(OH)2 zneutralizowane kwasem są nieznaczne w porównaniu z ilościami Ca (OH)2 wyługowanymi fizycznie z betonu. Kind podaje, że korozja kwasowa zaczyna konkurować z korozją fizycznego ługowania dopiero przy pH<4. Korozja betonu pod działaniem dowolnego kwasu HR, może być przedstawiona następującymi równaniami:
HR H+ + R-
n CaO * SiO2 aq + n H2O = SiO2 aq + n Ca (OH)2
p CaO * Al2O3 aq + q H2O = 2 Al(OH)3 + p Ca(OH)2
|
|
|
|
Ca(OH)2 Ca 2+ + 2 OH-
H + + OH - H2O
Ca2+ + 2 R - CaR2
3 H+ + Al(OH)3 Al3+ + 3 H2O
Al3+ + 3 R - AlO3
Lub w postaci molekularnej
Ca(OH)2 + 2 HR CaR2 + 2 H2O
Al. (OH)3 + 3 HR AlR3 + 3H2O
Ostatecznymi produktami działania kwasów na stwardniały zaczyn będą żel kwasu krzemowego oraz sole wapnia i glinu danego kwasu. Rodzaj powstających soli ma obok stężenia jonów wodorowych istotny wpływ na szybkość niszczenia betonu. Jeżeli sole powstające są łatwo rozpuszczane (CaCl2, Ca(NO3)2 , Ca(HCO3)2 , AlCl3 , Al(NO3)3) to są one unoszone z betonu przez wodę. Proces ten przyczynia się do zwiększenia porowatości betonu, a tym samym do przyspieszenia procesów korozyjnych. Jeżeli produkty reakcji są trudno rozpuszczane (CaC2O4,Al2(C2O4)3,Ca3(PO4)2,AlPO4) to okludując w porach mogą one tworzyć warstewki ochronne utrudniając kontakt roztworu agresywnego ze składnikami spoiwa, a więc hamujące postęp korozji.
KOROZJA SIARCZANOWA.
W wyniku oddziaływania siarczanów na stwardniały beton powstaje gips i sól Candlota
Ca 2+ + SO 2-4 CaSO4 H2O CaSO4 * 2 H2O (gips)
3 CaO * Al2O3 + 3CaSO4 + 31H2O 3CaO * Al2O3* 3Ca SO4 * 31 H2O (sól Candlota)
Powstające związki mają większą obiętość, wywołują znaczne naprężenia w porach, co powoduje rozsadzenie stwardniałego betonu ( tworzą się pęknięcia i rysy). Działanie jonów SO4 jest najszkodliwsze wtedy kiedy występują one w połączeni z kationami Mg, Zn, Al, Cu, Fe, czyli w postaci soli słabych. W wyniku hydrolizy soli np. Fe2(SO4)3 następuje zwiększenie kwasowości roztworu:
Fe 3+ + 3HOH Fe (OH)3 +3H+
Następuje wtedy dodatkowe działanie korozyjne podobne do korozji kwasowej.
KOROZJA MAGNEZOWA.
Zawartość soli magnezu w wodzie (np. morskiej) powoduje tzw. korozję magnezową wg. reakcji:
MgSo4 + Ca(OH)2 = Ca SO4 + Mg(OH)2
MgCl2 + Ca (OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2
Powstające sole wapnia np. CaCl2 i inne mogą być następnie wymywane przez wodę, inne sole jak np. CaSO4 mogą tworzyć gips i sól Candlota.
Wodorotlenek magnezu występuje w postaci koloidu (żelu) nie posiadającego własności wiążących, następuje więc osłabienie wytrzymałości betonu. Wskutek zmiany wodorotlenku wapnia na nierozpuszczalny wodorotlenek magnezu, zasadowość roztworu w porach betonu zmniejsza się, co wpływa na rozpad krzemianów i glinianów wapnia.