Карбонизация бетона

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Карбонизация бетона

Карбонизация бетона — химический процесс взаимодействия компонентов цементного камня с углекислым газом (CO₂), содержащимся в воздухе, приводящий к нейтрализации щелочной среды бетона и изменению его структуры и свойств. Данный процесс является одним из основных видов коррозии бетона для конструкций, эксплуатирующихся в воздушных средах, и играет ключевую роль в снижении защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре[1]. Скорость и глубина карбонизации определяют долговечность железобетонных конструкций и являются важнейшими параметрами при прогнозировании их технического состояния[2].

Химизм процесса

Наиболее чувствительным к карбонизации соединением цементного камня является гидроксид кальция Ca(OH)₂, однако практически все гидратированные минералы портландцемента способны вступать в реакцию с углекислым газом. Конечными продуктами карбонизации являются карбонат кальция (CaCO₃), гидратированные кремнезём, глинозём и оксиды железа.

Основная реакция карбонизации гидроксида кальция протекает по схеме[1][3]:

Ca(OH)2​+CO2​→CaCO3​​+H2​​O

Карбонизации подвергаются как гидратированные, так и негидратированные компоненты. Например, полная карбонизация тоберморита (гидросиликата кальция) происходит в две стадии:

3CaO⋅2SiO2​⋅3H2​O+CO2​→CaCO3​+2(CaO⋅SiO2​⋅H2​O)+H2​O CaO⋅SiO2​⋅H2​O+CO2​→CaCO3​+SiO2​⋅2H2​O

Методами рентгенофазового анализа установлено, что продукты карбонизации представлены смесью различных полиморфных модификаций CaCO₃: кальцита, ватерита и арагонита. Гидратированный C₃S образует преимущественно кальцит, а безводный C₃S — ватерит. Щёлочи и алюминаты карбонизируются быстро. Гидратированный глинозём, первоначально аморфный, со временем преобразуется в кристаллические формы — байерит и гиббсит. В результате карбонизации сульфоалюминатов кальция может образовываться гипс наряду с арагонитом.

Существуют различные точки зрения на механизм воздействия карбонизации на основные фазы цементного камня. Ряд исследователей полагают, что под действием CO₂ происходит разложение гидросиликатов кальция (CSH), в то время как другие гидратированные соединения более стойки. Согласно альтернативному мнению, карбонизация действует главным образом на силикаты и алюминаты, а эттрингит под действием углекислого газа, растворённого в воде, преобразуется в кальцит[3].

Факторы, влияющие на карбонизацию

Интенсивность и глубина карбонизации зависят от комплекса внешних и внутренних факторов:

  • Относительная влажность воздуха. Карбонизация протекает наиболее быстро при влажности 50–70 %. При влажности более 75 % поры бетона заполнены водой, и CO₂ должен сначала раствориться в ней, чтобы продиффундировать вглубь, что замедляет процесс. При влажности менее 45 % поровая жидкость содержит недостаточное количество Ca(OH)₂ для эффективной реакции[3].
  • Свойства бетона: проницаемость и пористость, которые определяются водоцементным отношением (В/Ц), расходом и видом цемента, наличием минеральных и химических добавок, условиями твердения[4].
  • Вид цемента. При прочих равных условиях карбонизация проникает глубже в бетоны на известково-шлаковых и пуццолановых цементах по сравнению с портландцементом.
  • Концентрация CO₂ в окружающей среде. В обычных атмосферных условиях она составляет около 0,03 %, но в помещениях сельскохозяйственного назначения может достигать 0,2–0,3 % и более, что резко ускоряет процесс[1].
  • Температура.

Модели и кинетика карбонизации

Традиционная модель, основанная на первом законе Фика, описывает карбонизацию как перемещение узкого фронта реакции (около 1 мм) от поверхности вглубь бетона. Глубина карбонизации (x) в этом случае пропорциональна корню квадратному из времени (t)[5]:

[math]\displaystyle{ x = \sqrt{\frac{2D'C_0}{m_0}} \sqrt{t} = K\sqrt{t} }[/math]

где D' — эффективный коэффициент диффузии CO₂ в бетоне; C₀ — концентрация CO₂ у поверхности; m₀ — реакционная ёмкость бетона (количество CO₂, поглощаемое единицей объёма).

Однако многочисленные экспериментальные исследования реальных конструкций, эксплуатировавшихся длительное время, показали, что эта модель не полностью отражает действительность. Было установлено, что карбонизация не останавливается после прохождения "фронта", а продолжается во всём объёме бетона. Накопление карбонатов по сечению происходит по сложной экспоненциальной зависимости, а эффективный коэффициент диффузии не является постоянной величиной, а изменяется как во времени, так и по глубине[5][6].

На основе этих данных была предложена альтернативная модель, согласно которой реакция нейтрализации идёт не в тонком, а в широком, "размытом" слое. Степень карбонизации максимальна на поверхности и линейно убывает до минимального значения в глубине конструкции[1].

Также используются эмпирические формулы, например: [math]\displaystyle{ x = a\sqrt{t} + b }[/math], где коэффициенты a и b учитывают множество факторов.

Влияние морозной деструкции

Воздействие попеременного замораживания и оттаивания существенно ускоряет карбонизацию бетона. Экспериментальные исследования образцов бетона класса С12/15 показали, что после 150 циклов замораживания-оттаивания степень карбонизации в поверхностном слое достигает критических значений (около 78 %), что соответствует полной деградации бетона. Для сравнения, у образцов, хранившихся в лабораторных условиях тот же период, степень карбонизации составила лишь около 38 %[6]. Это связано с тем, что морозная деструкция увеличивает пористость и микротрещиноватость поверхностных слоёв, облегчая доступ CO₂.

Влияние на свойства бетона и арматуры

Основным следствием карбонизации является снижение pH поровой жидкости бетона с 12,5–13,5 до 8,5 и ниже. Это приводит к депассивации стальной арматуры, так как устойчивая пассивирующая плёнка на стали существует лишь при pH > 11,8. Создаются условия для развития электрохимической коррозии арматуры при доступе влаги и кислорода[1].

Карбонизация вызывает структурные изменения цементного камня:

  • Увеличивается плотность бетона за счёт увеличения объёма твёрдой фазы при реакции Ca(OH)₂ → CaCO₃ (примерно на 12 %). Это может временно уплотнить поверхностный слой.
  • Происходит деструкция волокнистых гидросиликатов кальция (CSH), "сшивающих" структуру цементного камня и обеспечивающих его прочность и монолитность. Микроскопические исследования показывают, что в карбонизированной зоне игольчатые кристаллы CSH практически исчезают, уступая место рыхлым, слабосвязанным новообразованиям и плёнкам[3]. Это ухудшает сцепление как между компонентами бетона, так и с арматурой.
  • Увеличивается усадка.
  • Нарушается структура порового пространства: поры и входы в капилляры могут перекрываться продуктами карбонизации.

В некоторых случаях карбонизация может оказывать и положительное влияние: уплотнённый карбонатный слой способен защитить бетон от дальнейшего разрушения некоторыми кислотами и положительно сказывается при действии сульфатных вод. Однако для железобетонных конструкций негативный эффект — потеря защиты арматуры — является доминирующим.

Прогнозирование и оценка

Для оценки карбонизации на практике широко используется фенолфталеиновый тест (ФФТ), позволяющий оценить глубину слоя с pH ниже 9–10. Однако этот метод имеет ограничения, так как граница изменения окраски фенолфталеина (pH ≈ 9–10) не совпадает с границей потери защитных свойств по отношению к арматуре (pH ≈ 11,8)[1].

Более точными являются физико-химические методы: pH-метрия (прямое измерение pH водной вытяжки послойных проб) и карбометрия (определение содержания карбонатов — карбонатной составляющей КС). Они позволяют получить объективную картину распределения продуктов карбонизации по глубине и оценить реальное состояние защитного слоя[6].

Для количественной оценки максимальной способности бетона к карбонизации введено понятие предельной величины карбонизации (ПВК), которая характеризует содержание карбонатов в бетоне при условии полного перехода всего CaO цемента в CaCO₃. Значения ПВК зависят от состава бетона и могут значительно различаться даже для одного класса бетона по прочности, что необходимо учитывать при проектировании долговечных конструкций[4].

Из-за значительной изменчивости свойств бетона и условий эксплуатации для надёжного прогнозирования долговечности необходим стохастический подход. Коэффициенты вариации глубины карбонизации могут достигать 25–35 % и более, что должно учитываться при расчёте срока службы конструкций[2].

Прогнозирование карбонизации осуществляется с использованием детерминированных и вероятностных моделей, учитывающих диффузионные характеристики бетона, его реакционную ёмкость, а также климатические условия[1][5].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Бабицкий В. В., Васильев А. А. Графо-аналитический метод прогнозирования карбонизации бетона // Вестник БелГУТа: наука и транспорт. – 2006. – № 1-2(12-13). – С. 82-87.
  2. ↑ 2,0 2,1 Осипов С. Н., Чик В. М. О стохастическом подходе к оценке долговечности железобетонных строительных элементов и конструкций при карбонизации бетона // Наука и техника. – 2020. – Т. 19, № 3. – С. 241-251. DOI 10.21122/2227-1031-2020-19-3-241-251
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Молодин В. B., Ануфриева А. Е., Леонович С. Н. Влияние карбонизации бетонных поверхностей на их сцепление со свежеуложенным бетоном // Наука и техника. – 2021. – Т. 20, № 4. – С. 320-328. DOI 10.21122/2227-1031-2021-20-4-320-328
  4. ↑ 4,0 4,1 Васильев А. А., Кабышева Ю. К., Доля В. А., Леонов Н. А. Анализ предельной величины карбонизации бетона для различных классов бетона по прочности на сжатие // Вестник БелГУТа: наука и транспорт. – 2022. – № 1(44). – С. 88-90.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Васильев А. А. Оценка использования эффективного коэффициента диффузии углекислого газа воздуха для определения карбонизации бетона // Вестник БелГУТа: наука и транспорт. – 2014. – № 2(29). – С. 91-93.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Чугунова А. С., Васильев А. А. Исследование изменения карбонизации по сечению бетона с учетом влияния морозной деструкции // Вестник БелГУТа: наука и транспорт. – 2020. – № 2(41). – С. 105-107.


Литература

  • Алексеев С. Н., Розенталь Н. К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат, 1976. 205 с.
  • Алексеев С. Н., Иванов Ф. М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 320 с. ISBN 5-274-00923-9.
  • Бабушкин В. И., Матвеев Г. М., Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика силикатов. М.: Стройиздат, 1986. 408 с.
  • Васильев А. А. Карбонизация и оценка поврежденности железобетонных конструкций. Гомель: БелГУТ, 2012. 263 с.
  • Васильев А. А. Карбонизация бетона (оценка и прогнозирование). Гомель: БелГУТ, 2013. 303 с.
  • Васильев А. А. Оценка и прогнозирование технического состояния железобетонных конструкций с учетом карбонизации бетона. Гомель: БелГУТ, 2019. 215 с.
  • Москвин В. М., Иванов Ф. М., Алексеев С. Н., Гузеев Е. А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
  • Леонович С. Н., Литвиновский Д. А., Чернякевич О. Ю., Степанова А. В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях. В 2 ч. Минск: БНТУ, 2016. Ч. 2. 204 с. ISBN 978-985-550-925-8.
  • Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Киев: Оранта, 2004. 294 с.
Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Карбонизация_бетона&oldid=2407»