Корозія конструкцій із різних матеріалів

Метал. Корозія металевих матеріалів завжди починається з поверхневих шарів та поширюється вглибину. В результаті цього утворюються хімічні з’єднання, які або залишаються на поверхні металу у вигляді плівок, окислів, або переходять у зовнішнє середовище (омиваючий розчин). Жовто-коричнева іржа на поверхні сталі, зелені плями на мідних виробах та білий наліт на алюмінії — все це продукти руйнування цих металів агресивним середовищем. Унаслідок корозії товщина металу зменшується, і якщо не вжити заходів щодо їх захисту, металеві конструкції дуже скоро можуть повністю зруйнуватися.

Залежно від характеру агресивного середовища розрізняють наступні основні види корозії металів:

· Газова корозія — хімічна корозія металу в газах при високих температурах.

· Атмосферна корозія — найбільш розповсюджений вид руйнування металів. Зумовлений головним чином дією на метал вологи і газів, що знаходяться у повітрі (сірчистий, вуглекислий та ін.).

· Підземна корозія — протікає у підземних частинах металевих конструкцій при дії на них ґрунту.

· Корозія блукаючими струмами викликається дією блукаючих струмів. Протікає головним чином у підземних частинах будівель і споруд.

· Корозія зовнішніми струмами викликається дією зовнішнього джерела струму.

· Корозія при неповному занурюванні в рідке агресивне середовище.

· Корозія при повному занурюванні виникає в металах при повному їх розміщенні в рідкому агресивному середовищі.

· Підводна корозія має місце у металах, що занурені у воду.

· Корозія при поперемінному зануренні виникає в металах при поперемінному повному чи частковому зануренні їх в рідке агресивне середовище.

· Контактна корозія проявляється при доторкуванні двох різнорідних металів у розчинах електролітів чи вологих газах.

· Структурна корозія виникає у результаті структурної неоднорідності металів.

· Корозія під напруженнями має місце при одночасній дії агресивного середовища і постійних чи змінних механічних напружень.

Залежно від умов протікання корозії, природи матеріалу й агресивності середовища корозію розділяють на рівномірну й місцеву. Остання в свою чергу може бути крапковою, вибірковою, при якій руйнується лише одна структурна складова або один компонент сплаву, та міжкристалевою, що розповсюджується по межах кристалів металу. Крапкова корозія найчастіше спостерігається за умови наявності в агресивному середовищі одночасно іонів хлору й окислювача. Вилужування цинку із латуней та корозія сірих чавунів (розчинення фериту) відносяться до вибіркової корозії.

Найбільш небезпечною є міжкристалева корозія. Внаслідок руйнування металу зв’язок на межах кристалів порушується, що призводить до різкого зниження механічних властивостей матеріалу. Часто міжкристалева корозія не змінює зовнішнього вигляду металу, і руйнування конструкції буває несподіваним.

Арматура в залізобетонних конструкціях значною мірою захищена від корозії бетоном. Однак у багатьох випадках — недостатній захисний шар, пористий чи пошкоджений бетон — арматура може бути пошкоджена корозією. Оскільки продукти корозії (іржа) в декілька (2...3) разів займають більший обсяг, ніж арматурна сталь, то вони створюють значний радіальний тиск на оточуючий бетон. У результаті вздовж арматурних стрижнів виникають тріщини та відколи бетону з частковим оголенням арматури.

Загальна реакція корозії арматурної сталі являє собою спільний ефект анодного і катодного процесів. Різниця потенціалів між анодом та катодом з урахуванням омічного опору внутрішнього ланцюга елемента визначають швидкість корозії.

Анодний процес на поверхні арматурної сталі при її корозії в бетоні становить реакцію окислення заліза (перехід іонів двовалентного заліза у водний розчин зі звільненням двох електронів)

Fe → Fe²⁺ + 2 e. (1.23)

Катодна реакція в процесі корозії арматури за наявності сильнолужного середовища йде з кисневою деполяризацією. В цьому випадку проходить відновлення кисню з перетворенням його в присутності води в іон гідроксилу

½ O₂ +H₂ O + 2 e → 2 OH^–. (1.24)

Під час контакту арматури з електролітом між катодними та анодними мікроділянками сталі утворюється електричне поле, позитивне на анодах і негативне на катодах. Якщо концентрація середовища електроліту недостатня для того, щоб іон двовалентного заліза, який утворився на аноді, створив нерозчинну захисну плівку безпосередньо на аноді, то арматурна сталь буде кородувати. Якщо це нерозчинне з’єднання в процесі утворення осяде на поверхню межі „сталь — електроліт“, то потенціал сталі стане ще більш позитивним, і вона залишиться в пасивному стані. У зв’язку з цим дуже важливо створити умови, які б унеможливлювали процес корозії арматурної сталі.

Бетон. Залежно від складу й структури бетону, характеру та величини навантажень, а також умов експлуатації руйнуючу дію на бетон можуть чинити:

· сульфатна корозія;

· корозія вилужуванням;

· загальнокислотна корозія (включаючи і вуглекислотну);

· магнезіальна корозія;

· корозія за рахунок підсосу та кристалізації солей;

· біологічна корозія;

· багатократне поперемінне заморожування й відтаювання води в порах бетону;

· корозія під дією органічних з’єднань;

· усадка або набухання цементного каменю при зміні вологості оточуючого середовища;

· хімічна дія різних агресивних газів;

· контракційні явища, що супроводжують гідратацію цементу в умовах експлуатації;

· різноманітні механічні пошкодження, наприклад, стирання рухомою водою чи шламом;

· осматичний тиск на плівку гелю.

У рідкому середовищі корозійні процеси, які протікають у цементних бетонах, розділяють на три групи.

І група (корозія першого виду) характерна тим, що в бетоні корозійні процеси проходять під дією води з малою тимчасовою жорсткістю. При цьому деякі складові цементного каменю розчиняються у воді та виносяться при її фільтруванні через товщу бетону.

До ІІ групи (корозія другого виду) належать процеси, які розвиваються у бетоні під дією води, що мають речовини, що вступають у хімічну реакцію з цементним каменем. Продукти, що утворюються в результаті цієї реакції, або легко розчинні й виносяться водою, або виділяються на місці реакції у вигляді аморфних мас, які не мають в’яжучих властивостей. До цієї групи можуть бути віднесені, наприклад, процеси корозії, пов’язані з дією на бетон різних кислот, магнезіальних чи інших солей.

ІІІ група (корозія третього виду) об’єднує процеси корозії, котрі викликані обмінними реакціями агресивного середовища зі складовими цементного каменю, в результаті яких утворюються продукти, що, кристалізуючись у порах та капілярах, руйнують його. До цього виду корозії можна віднести процеси відкладання в порожнинах каменю солей, що утворюються в результаті випаровування насичуючих бетон розчинів.

Бетону притаманні всі три групи корозії: фізична, хімічна, фізико-хімічна.

Фізична корозія. До числа фізичних впливів, які викликають фізичну корозію бетону, слід віднести поперемінне зволоження й висихання (при цьому спостерігаються деформації усадки і набухання, відкладання розчинних солей у порожнинах цементного каменю та ін.); поперемінне заморожування і відтавання бетону (особливо у водонасиченому стані) та інші температурні впливи; механічні діяння.

Хімічна корозія. До цього виду корозії відносяться: руйнування бетону кислотами, лугами, розчинами солей, різними органічними з’єднаннями, а також агресивними газами; біологічні процеси, які призводять до руйнування бетону.

Агресивність кислот визначається їх природою, концентрацією або pH водних розчинів, наявністю окислювальних властивостей, а також температурою середовища. Руйнівна дія кислот визначається також розчинністю утворених у процесі корозії продуктів.

Процес руйнування бетону в кислому середовищі протікає у вигляді реакції заміщення. Утворені при цьому продукти реакції легко розчинні та виносяться водою або виділяються у аморфному вигляді. Найбільш часто спостерігається корозія бетону під дією вуглекислотних вод, оскільки вуглекислота наявна у багатьох природних водах. При цьому спочатку йде реакція між Ca(OH)₂ цементного каменю та вуглекислотою з утворенням малорозчинного у воді карбонату кальцію:

Ca(OH)₂ + CO₂ + H₂O ® CaCO₃+ 2 H₂O. (1.25)

Подальша дія вуглекислоти на бетон призводить до утворення більш розчинного бікарбонату

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ® Ca(HCO₃)₂. (1.26)

У цій зворотній реакції слід розрізняти вуглекислоту, зв’язану в бікарбонаті Ca(HCO₃)₂. Для попередження її розкладання і зворотного переходу в CaCO₃ необхідна наявність у розчині певної кількості так званої „рівновагової“ неагресивної вуглекислоти.

Поява у розчині більшої кількості вуглекислоти викликає розчинення нових порцій CaCO₃ та утворення Ca(HCO₃)₂. Ця надлишкова вуглекислота називається агресивною.

Окрім вуглекислоти, велику агресивну активність до бетону має сірчана, азотна й інші неорганічні кислоти.

З органічних кислот на цементний камінь активно впливають оцтова, молочна і масляна, що містяться в продуктах харчування та відходах їх виробництва. При взаємодії цих кислот із гідратом окислу кальцію утворюється ацетат кальцію Ca(C₂H₃O₂)₂, лактат молочнокислого кальцію Ca(C₃H₅O₃) і бутерат кальцію Ca(C₄H₇O₂)₂.

У таких маслах та жирах, як лляне, бавовняне, тунгове, рибний жир тощо, містяться високомолекулярні кислоти жирного ряду, насичені й ненасичені (наприклад, олеїнова, стеаринова, пальмітинова та ін.) у вигляді складних ефірів і частково у вільному вигляді. Вони руйнують цементний камінь та бетон. Це пояснюється тим, що під дією окису кальцію на жири й масла останні обмиляються, утворюючи відповідно багатоатомні спирти (гліцерин та ін.) і жирні кислоти. Останні реагують з Ca(OH)₂, утворюючи різноманітні солі.

Розчини гліцерину також агресивно діють на цементні бетони, зв’язуючи гідрат окису кальцію цементного каменю в гліцерат кальцію

Ca(OH)₂ + 2 C₃H₈O₃ → Ca(C₃H₇O₃)₂ + 2 H₂O. (1.27)

За загальнокислотною схемою йде процес корозії бетону в розчинах деяких типів солей, утворених катіоном слабкої основи та сильної кислоти. До таких солей належать сірчанокислий алюміній (Al₂(SO₄)₃), хлорне залізо (FeCl₃), сульфат амонію ((NH₄)₂SO₄) тощо, що гідролізуються з утворенням кислот.

Небезпечними для бетону є також і луги з концентрацією більше ніж 5000 мг/л. При їх дії на бетон розчинність гідрату окислу кальцію значно знижується, але одночасно різко зростає розчинність кремнезему. Найбільш агресивно діють на бетон розчини їдкого натру, їдкого калію, аміаку та соди.

Розчини магнезіальних солей, які наявні у стічних водах, як правило, у вигляді сульфату і хлориду магнію, діють на бетон специфічним чином. В основі реакції лежить взаємодія з гідратом окису кальцію:

Ca(OH)₂ + MgSO₄ → CaSO₄+ Mg(OH)₂; (1.28)

Ca(OH)₂ + MgCl₂ → CaCl₂ + Mg(OH)₂. (1.29)

В обох цих випадках одним із продуктів реакції є малорозчинний гідроокис магнію (Mg(OH)₂). Його розчинність — 18,2 мг/л. Зв’язування ОН‑іонів у гідроокис магнію супроводжується зниженням лужності чарункової рідини до 10 рН, що створює сприятливі умови для утворення гідратних нерозчинних новоутворень у цементному камені. Все це супроводжується руйнуванням бетонних та залізобетонних конструкцій. Корозія під дією MgCl₂ стає значною, якщо його концентрація у воді перевищує 1,5...2%, а під дією MgSO₄ — при концентраціях 0,5...0,75%.

У природних і виробничих стічних водах наявні сульфати у вигляді солей CaSO₄ та NaSO₄. У питній воді, а також прісних ріках й озерах уміст сульфатних іонів, як правило, не перевищує 60 мг/л. У мінералізованих ґрунтових водах він досягає 5000 мг/л, а у виробничих стоках їх може бути більше ніж 10000 мг/л. Наявність сульфатів у воді, що контактує з бетоном, призводить до підвищеної розчинності їх складових частин, а також викликає обмінні реакції.

Під час взаємодії сульфату кальцію (CaSO₄) з високоосновними алюмінатами кальцію, який є в цементному камені, реакція протікає за схемою

3 CaOAl₂O₃ · 6H₂O + 3 CaSO₄ + 25H₂O →

→ 3 CaOAl₂O₃ · 3 CaSO₄ · 31H₂O. (1.30)

Утворення малорозчинної трисульфатної форми гідросульфоалюмі-нату кальцію (етрингіту) супроводжується збільшенням твердої фази приблизно в 4,5 разу. Це спричиняє виникнення силових напружень у цементному камені, зниження його міцності та руйнування.

При дії на бетон водних розчинів із великим умістом Na₂SO₄та K₂SO₄ наступає переважно гіпсова корозія. При цьому бетон руйнується внаслідок відкладання двоводного гіпсу (Ca₂SO₄ · 2H₂O) у порах і капілярах цементного каменю.

Взаємодія бетону з деякими газами також носить вид хімічної корозії. Як правило, вона має місце в умовах виробничого середовища. Дія газів на бетон у сухому середовищі зазвичай буває незначною, але при підвищеній вологості та температурі вплив є дуже агресивним.

Корозію бетону можуть викликати мікроорганізми. Найбільше бетонний камінь руйнують динітрофіцируючі бактерії, які окислюють сірку. Суттєво знижують міцність бетону анаеробні азотофіксуючі, уролітичні й інші бактерії.

У результаті діяльності динітрофіцируючих бактерій утворюється сірчана кислота. анаеробні азотофіксуючі бактерії утворюють масляну кислоту. Уролітичні бактерії діють в основному на мочевину, яка міститься в стічних водах, гідролізуючи її. При цьому виділяється аміак та вуглекислота. Хімічні продукти, що утворюються внаслідок життєдіяльності бактерій, безпосередньо діють на бетон і призводять до його руйнування.

Природні кам’яні матеріали. Вивержені кристалічні й скловидно‑аморфні породи мають добру кислотостійкість та достатню лугостійкість, а найбільш щільні — високу морозостійкість. Осадкові породи (за винятком уламкових порід, які зберегли властивості основних порід, наприклад, піску, гравію тощо) мають незначну корозійну стійкість. Найменш кислотостійкі — звичайні вапняки (CaCO₃) і магнезити (MgCO₃), дещо повільніше розкладаються доломіти та кременисті щільні вапняки.

Гіпсовий камінь (CaSO₄ · 2H₂O) й ангідрит (CaSO₄) дуже легко розчиняється під дією кислот і дещо повільніше під дією лугів. Ці матеріали розчинні у воді (розчинність гіпсового каменю біля 2500 мг/л).

Корозійна стійкість піщаників головним чином залежить від характеру природного цементу, що зв’язує піщаний, в основному кварцовий, скелет цього матеріалу. Вапнякові піщаники, зцементовані SiO₂ або SiO₂ · H₂O, кислотостійкі та достатньо лугостійкі. Залізисті піщаники, скріплені гідратованими окислами заліза (бурим і червоним залізняком), високою корозійною стійкість не вирізняються.

Мармур — це різновид вапняків та доломітів із зернами CaCO₃ або MgCO₃ · CaCO₃, скріплених безпосередньо зчепленням кристалів. Він швидко руйнується під дією оточуючого середовища (назовні, під дією сірчистих газів тощо). Інтенсивність руйнування різко зростає, якщо поверхня мармуру є неполірованою. Під дією сірчистих газів (при сполученні їх із вологою повітря) на поверхні матеріалу утворюється сірчана кислота, яка потім перетворює кальцій у розчинний гіпсовий камінь

CaCO₃ + H₂SO₄ + H₂O → CaSO₄ · 2H₂O + CO₂ (1.31)

Під час цієї реакції хімічна корозія доповнюється фізичною — кальцит розпушується та збільшується в об’ємі на 10...15%.

Присутність у силікатній цеглі й інших силікатних виробах вапна та вуглекислого кальцію робить їх нестійкими навіть проти слабких водних розчинів мінеральних і органічних кислот. Наприклад, за наявності у воді вуглекислоти вуглекислий кальцій переходить у розчинний бікарбонат за реакцією (1.26), унаслідок чого цегла руйнується. Силікатна цегла, яка складається в основному із кремнезему, достатньо стійка до дії лужних розчинів, але лише невисокої концентрації. Під час висихання цегли, яка була змочена лужним розчином, у його отворах утворюється кристалогідрати, що викликають розтягуючі зусилля, через це міцність цегли зменшується. Тому у вологих середовищах силікатна цегла нестійка, при температурі вище ніж 600ºС у ній розширюється кварц, що призводить до руйнування.

Керамічні матеріали. Керамічні матеріали (при їх достатній щільності) мають достатню стійкість у відношенні до кислот та задовільну — до лугів. Однак звичайна глиняна цегла, яка складається переважно із кремнезему та глинозему, не стійка проти дії водних розчинів лугів, а також розчинів мінеральних і органічних солей, які утворюють під час взаємодії з кремнеземом легкорозчинні солі, що вимиваються із матеріалу. Цегла часто руйнується від розпірно-розклинюючої дії кристалогідратів, утворених у ньому із розчинів солей, особливо сульфатів натрію й магнію. Зволоження цегли призводить до зменшення її морозостійкості.

Хімічна дія вод на цеглу активніша в теплий період року, а фізична — в холодний (через збільшення об’єму замерзаючої вологи та її накопичення в зоні замерзання в результаті конденсаційних і міграційних процесів).

Керамічна плитка завдяки високому вмісту алюмосилікатів стійка щодо дії всіх органічних та мінеральних кислот (за винятком плавикової). Лугостійкість її залежить від складу та щільності: плитки з щільним черепком відрізняються доброю лугостійкістю, з нещільним — під дією лужних розчинів можуть руйнуватися.

Деревина. Основними недоліками деревини є: загоряння, загнивання і гігроскопічність, що викликає зміну форми, розмірів та властивостей деревини, а також анізотропність.

Пошкодження деревини комахами називають червоточиною. При цьому погіршуються її механічні характеристики.

Найбільшу небезпеку для дерев’яних конструкцій становлять дереворуйнуючі гриби, викликаючи її гниття та руйнування. Живильним середовищем для грибів є целюлоза деревини. Гриби виділяють особливий фермент — цитазу, який переводить нерозчинну у воді целюлозу (C₆H₁₀O₅)·n у розчинну речовину глюкозу (C₆H₁₂O₆)·n за реакцією

(C₆H₁₀O₅)·n + mH₂O → (C₆H₁₂O₆)·n. (1.32)

У тілі гриба глюкоза окислюється киснем повітря, утворюючи вуглекислий газ та воду

(C₆H₁₂O₆) + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. (1.33)

Найбільші руйнування деревини викликають домові гриби. При їх наявності колір гнилі бурий, у кінцевій стадії гниття в деревині з’являються тріщини вздовж та впоперек волокон, і вона розпадається на призматичні частинки. Найбільш сприятливі умови для життєдіяльності грибів: вологість вище ніж 25% та температури 18...20ºС.

Ступінь пошкодження деревини грибами може бути різним залежно від того, чи має вона плодове тіло; добре розвинуту грибницю та шнури гриба (гіфи), чи є на ній сліди грибниці. У першому випадку вид гриба можна оцінити за таблицею 1.7, в другому та третьому — необхідний мікроскопічний аналіз грибниці та деревини.

Таблиця 1.7

Назва домового гриба	Характеристика
грибниці	плівок	шнурів	плодових тіл
Справжній домовий гриб	Біла, ватоподібна з рожевуватими та світло‑жовтими плямами	Сірувато‑попе-ляста	Плоскі, потім сірі, дерев’янисті, ламкі, слаборозгалу-жені	У вигляді коржа, рідше у вигляді шляпок без ніжок, охристо-жовті або коричневі, м’ясисті, гіменофор сітчастий або складчастий, зрідка зубчастий
Білий домовий гриб	Біла, ватоподібна	Білі, слаборозвинуті	Білі, пухкі, округлі, гнучкі, слаборозгалу-жені	Пластинчасті білі або жовтуваті, гіменофор трубчастий, трубочки округлі або багатокутні
Плівковий домовий гриб	Слаборозвинута, спочатку біла, потім жовта або коричнева	Слаборозвинуті, жовті або коричневі	Тонкі, гілчасті, коричневі	Плівкові, дуже тонкі, жовтуваті або коричневаті, гіменофор гладенький або горбаті
Закінчення таблиці 1.7
Пластинчас-тий гриб	Слаборозвинута, спочатку біла, потім зеленувато-жовта, інколи лілова	Нерозвинуті	Тонкі, ниткоподібні, сильно розгалужені, спочатку білі, потім зеленувато-жовтуваті, інколи лілові	У вигляді шляпок без ніжок світло-жовті, гіменофор пластин-частий

Хвойні породи вміщують смоли, тому мають більшу хімічну стійкість, ніж деревина листяних порід. Хвойні породи стійкі до розбавлених розчинів оцтової, фосфорної, молочної, масляної та плавикової кислот. Ці породи майже не змінюються від довготривалого впливу соляної кислоти концентрацією до 10% та сірчаної — до 5%. Концентровані, ці кислоти легко руйнують деревину. Хвойні породи деревини найменш стійкі до дії на них кислот, у складі яких є кисень (азотна, концентрована сірчана, хромова та ін.), а також концентрованої соляної кислоти. Дія мінеральних й органічних кислот тим сильніша, чим вища їх температура. Руйнують деревину і водні розчини їдких лугів, солі заліза, алюмінію і цинку.

Деревина стійка до дії розчинів аміаку, гідроокису кальцію, барію та розчинів нейтральних солей будь-яких концентрацій.

Бітуми як природного, так і штучного походження непроникні для води й водних розчинів. Однак вони розчинні у більшості органічних розчинників (бензині, бензолі, спирті, хлороформі, чотирихлорному вуглеці, сірководні, толуолі тощо).

Під впливом світла, тепла, кисню повітря бітумні матеріали старіють. У процесі старіння одні складові частини їх звітрюються або окислюються, а інші агрегатуються й ущільнюються. Пластичність матеріалів зменшується, крихкість збільшується, з’являються тріщини. Це особливо небезпечно в агресивних хімічних середовищах.

Завдяки високому ступеню полімеризації з’єднань, що входять до бітумних матеріалів, вони мають високу стійкість до дії кислот. Однак від довготривалої дії мінеральних кислот бітумні матеріали руйнуються. Бітуми та композиції на їх основі, виготовлені з використанням кислотостійких заповнювачів (природних чи штучних), стійкі проти довготривалої дії сірчаної кислоти при її концентрації не більше ніж 50%, соляної — 30%, азотної — 25%, оцтової — до 70% та фосфорної — до 80%.

Довготривала дія концентрованих (до 40...45%) водних розчинів їдких лугів і карбонатів лужних металів при звичайній температурі викликає поступове руйнування бітумних складів. Навіть насичені розчини вапна, наприклад у бетоні, обмиляють бітуми. На них не діють водні розчини мінеральних та органічних солей. Бітуми добре протистоять також і неокисленим органічним кислотам, однак сильні окислювачі руйнують їх. В органічних розчинниках бітумні матеріали розчиняються.

Дата добавления: 2014-11-29