Карбонизация бетона: механизмы, влияние на долговечность и пути профилактики

Бетон — один из самых распространённых строительных материалов, но он подвержен разрушительным воздействиям окружающей среды. Одним из таких процессов является карбонизация, при которой углекислый газ проникает в поры бетона, изменяя его химический состав. В этой статье рассмотрены механизмы карбонизации, её влияние на долговечность железобетонных конструкций, а также методы профилактики.

Что такое карбонизация

Карбонизация бетона — это химическая реакция, в ходе которой углекислый газ (CO₂) из атмосферы проникает в поры бетона и взаимодействует с его компонентами. Это взаимодействие приводит к образованию карбоната кальция (извести) (CaCO₃), а также сопровождается снижением pH.

Механизм карбонизации

Процесс разделяют на следующие этапы:

• Диффузия углекислого газа. Углекислый газ из воздуха проникает в бетон через его поры и капилляры.
• Взаимодействие с гидроксидом кальция. Когда углекислый газ достигает гидроксида кальция (Ca(OH)2), происходит химическая реакция с образованием карбоната кальция.
• Изменение свойств бетона. Образующийся карбонат кальция имеет меньшие размеры частиц и другую кристаллическую структуру по сравнению с исходным гидроксидом кальция.
• Снижение водородного показателя. В ходе этой реакции pH бетона снижает свой уровень с 12–13 до 9 и ниже, что приводит к разрушению защитной пленки оксида железа (FeO), имеющейся на стержнях арматуры. Это позволяет воде и кислороду проникать внутрь, вызывая коррозию. Ржавчина, появляющаяся при окислении арматуры, увеличивает ее объем, повышает внутреннее напряжение и приводит к разломам бетона и оголению корродирующей арматуры, что в свою очередь открывает новые пути доступа для разрушающего воздействия кислорода и влаги.

Факторы, влияющие на карбонизацию

Процесс карбонизации бетона зависит от множества внешних и внутренних факторов. Их можно разделить на три основные группы: атмосферные условия,  состав и структура бетона, эксплуатационные нагрузки.

1. Атмосферные условия

Эти факторы определяют скорость проникновения углекислого газа в бетонную структуру:

• Температура. При повышении температуры химические реакции ускоряются, что способствует более быстрой карбонизации.
• Влажность. Оптимальный уровень влажности для карбонизации – 50-70%. При низкой влажности процесс замедляется из-за недостатка воды, необходимой для растворения CO₂. При высокой влажности (более 80%) поры бетона заполняются водой, препятствуя проникновению углекислого газа.
• Концентрация CO₂ в воздухе. В промышленных районах, где содержание CO₂ выше, карбонизация происходит быстрее.
• Воздействие ветра. Сильные порывы ветра ускоряют процесс за счёт конвективного переноса CO₂ и колебаний давления, способствующих его диффузии в бетон.

2. Состав и структура бетона

Эти характеристики определяют проницаемость бетона и его реакцию с углекислым газом:

• Водоцементное отношение (В/Ц). Чем выше соотношение воды к цементу, тем больше пористость бетона, а значит, быстрее проходит карбонизация. Оптимальное снижение В/Ц позволяет минимизировать этот эффект.
• Тип заполнителя. Мелкие и плотные заполнители уменьшают проницаемость бетона, затрудняя проникновение CO₂.
• Пористость бетона. Чем выше пористость, тем быстрее проходит карбонизация, так как увеличивается поверхность контакта с углекислым газом.
• Добавки.
  • Пластификаторы уменьшают водопотребление и пористость, замедляя карбонизацию.
  • Воздухововлекающие добавки повышают содержание мелких пор, что может ускорить процесс.
  • Пуццолановые и микросиликатные добавки снижают проницаемость бетона и делают его менее уязвимым к карбонизации.

3. Эксплуатационные нагрузки

Механические и химические воздействия на конструкцию также влияют на скорость карбонизации:

• Механические нагрузки. Трещины и повреждения увеличивают доступ углекислого газа к арматуре, ускоряя процесс карбонизации.
• Воздействие агрессивных сред. Контакт с кислотами, солями и промышленными выбросами может разрушать бетонную матрицу, делая её более проницаемой для CO₂.
• Толщина защитного слоя бетона. Чем толще защитный слой (слой между поверхностью бетона и арматурой), тем медленнее карбонизация достигает арматуры.

Влияние карбонизации на свойства бетона

Карбонизация может иметь как положительные, так и отрицательные последствия.

К положительным эффектам можно отнести: уменьшение пористости бетона, повышение его плотности и некоторое повышение прочности.

Однако карбонизация полезна только для чисто бетонных конструкций без арматуры. При ее наличии все позитивные факторы перекрываются коррозией арматуры и отслоением вследствие этого слоёв бетона.

К отрицательным последствиям для железобетонных конструкции можно отнести:

• Снижение прочности всей конструкции. Вследствие чего может произойти обрушение.
• Увеличение проницаемости. Образующийся карбонат кальция может увеличить проницаемость бетона для воды и других жидкостей.
• Образование трещин. В некоторых случаях карбонизация может вызвать образование трещин из-за неравномерного распределения напряжений.
• Коррозия арматуры. Приводит к растрескиванию бетона и потере несущей способности конструкции.

Методы исследования

Для определения степени карбонизации бетона применяются различные методы, которые можно классифицировать на две основные группы:

1. Химические методы:

• Индикаторный метод с использованием фенолфталеина: Этот метод является наиболее распространённым и простым в применении. На свежий скол бетона наносят 1%-ный спиртовой раствор фенолфталеина. В непоражённом карбонизацией бетоне (pH > 9,5) раствор окрашивается в малиновый цвет. В карбонизированном слое (pH < 9) окраска отсутствует. Данный метод описан в ОДМ 218.2.044-2014.

• Газохимический анализ: используется для точного определения концентрации CO₂ в бетонной структуре, что позволяет оценить скорость карбонизации.
• Рентгенофазовый анализ (РФА): позволяет выявить фазовые изменения в составе бетона, связанные с образованием карбоната кальция (CaCO₃).
• Термогравиметрический анализ (ТГА): определяет количественное содержание карбоната кальция и гидроксида кальция по изменению массы при нагреве.

2. Физические методы:

• Сканирующая электронная микроскопия (SEM): позволяет изучить изменения пористой структуры и морфологии карбонизированного бетона.
• Ультразвуковая диагностика: используется для оценки изменения плотности бетона и определения глубины карбонизации. Ультразвуковая волна проходит через бетон, и измеряется время её прохождения. Снижение скорости распространения звука свидетельствует о повышенной пористости и карбонизации.
• Метод потенциала полуэлемента: предназначен для измерения потенциала микрогальванической пары, возникающего в результате химической реакции между металлом арматуры и бетоном. Этот метод позволяет оценить коррозионное состояние арматуры в бетоне неразрушающим способом.

Эти методы помогают определить наличие трещин и пор, а также оценить степень карбонизации и прогнозировать долговечность бетонных конструкций.

Пути профилактики и замедления процесса

Для предотвращения коррозионного разрушения бетонов и железобетонов и конструкций могут быть предусмотрены следующие виды защиты:

1) первичная, заключающаяся в выборе конструктивных решений, материала конструкции или в создании его структуры;

2) вторичная, заключающаяся в нанесении защитного покрытия, пропитке;

3) специальная, заключающаяся в осуществлении технических мероприятий, не упомянутых в перечислениях 1) и 2), но позволяющих защитить бетонные и железобетонные конструкции и материалы от коррозии.

К мерам первичной защиты относятся:

• применение бетонов с низким водоцементным отношением;
• применение материалов, обеспечивающих повышенную коррозионную стойкость бетона (цементов, заполнителей, добавок) и арматуры.
• применение добавок, повышающих коррозионную стойкость бетонов и защитную способность по отношению к стальной арматуре: пластифицирующие и водоредуцирующие добавки.
• использование технологических режимов, обеспечивающих получение бетона низкой проницаемости.
• соблюдение дополнительных расчетных и конструктивных требований при проектировании бетонных и железобетонных конструкций (например, увеличение толщины защитного слоя бетона, проектирование вентиляционных и водоотводных систем для защиты конструкций от влаги).

К мерам вторичной защиты относится защита поверхностей бетонных и железобетонных конструкций:

• лакокрасочными покрытиями;
• оклеечной изоляцией;
• обмазочными и штукатурными покрытиями;
• облицовкой штучными или блочными изделиями;
• уплотняющей пропиткой поверхностного слоя конструкций химически стойкими материалами;
• обработкой гидрофобизирующими составами;

Вторичная защита требует периодического возобновления.

К мерам специальной защиты относятся:

• Поддержание оптимальных параметров влажности и температуры
• Регулярные проверки толщины бетонного покрытия
• Проведение химических анализов

Эти меры помогут продлить срок службы бетонных конструкций и снизить риск разрушения из-за процесса карбонизации.

Заключение

Карбонизация бетона — неизбежный химический процесс, который со временем изменяет его свойства. В неармированных конструкциях она может повысить плотность и прочность бетона, однако в железобетонных сооружениях приводит к разрушению защитного слоя арматуры, вызывая её коррозию и снижая несущую способность конструкции.

Основные факторы, влияющие на скорость карбонизации, включают условия эксплуатации, пористость бетона, водоцементное отношение и наличие защитных покрытий. Методы диагностики позволяют своевременно выявлять глубину карбонизации и прогнозировать её последствия.

Для предотвращения разрушения железобетонных конструкций необходимо применять защитные меры: уменьшение пористости бетона, использование добавок, гидроизоляционных покрытий и регулярный мониторинг состояния конструкций. Комплексный подход к профилактике карбонизации позволяет значительно продлить срок службы сооружений, снизить затраты на их ремонт и повысить безопасность эксплуатации.

Автор: Диана Новолодская, инженер строительной лаборатории

Материалы и ссылки

1. Алексеев С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. – М. : Стройиздат, 1976. – 205 с.
2. Москвин В. М. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. – М. : Стройиздат, 1980. – 536 c.
3. Лесная В. И., Гуляев В. Т. Влияние карбонизации бетона на долговечность строительных конструкций / Журнал. Вологодинские чтения, 2008 г.
4. Баженов Ю.М. Технология бетона. уч. пособие для вузов, М. высш. шк. 1987 г. — 415 с.
5. ГОСТ 27677-88. Защита от коррозии в строительстве. Бетоны.
6. ГОСТ Р 52804-2007. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний.
7. ГОСТ 31383- 2008. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний.
8. ГОСТ 31384- 2017. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования.