Руководство по определению скорости коррозии цементного камня, раствора и бетона в жидких агрессивных средах

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

(НИИЖБ)

РУКОВОДСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ, РАСТВОРА И БЕТОНА В ЖИДКИХ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Москва Стройиздат 1975

4.5.    Этот перечень может быть расширен при изучении коррозии бетона в средах другого состава. Выбранная характеристика должна соответствовать требованиям п. 4.3.

4.6.    Исследование эффективности лакокрасочных и других защитных мероприятий проводится в стационарных условиях.

4.7.    При снятии кинетической кривой процесса коррозии в диффузионно-кинетической области при стационарных условиях испытания следует предусмотреть перемешивание раствора.

4.8.    В том случае когда задачей исследования является получение реальных скоростей коррозии в условиях протекания процессов во внутренней диффузионной области, перемешивание раствора в рабочей емкости не обязательно.

4.9.    При моделировании процессов коррозии подводных конструкций образцы в рабочих емкостях устанавливаются на боковую цилиндрическую поверхность на специальные подставки по размеру образцов из стойкого к данной агрессивной среде материала так, чтобы образующиеся продукты коррозии не скапливались у поверхности образца в случае их опадения.

4.10.    При моделировании процессов коррозии подземных конструкций исследование скорости коррозии проводится в проходящем токе при заполнении рабочей емкости установки специально подготовленным Вольским песком.

4.11.    Подготовка песка заключается в следующем: песок промывается 5%-ным раствором соляной кислоты и отмывается вначале водопроводной, а затем дистиллированной водой до отрицательной реакции раствора азотнокислого серебра на ионы хлора. Заполнение рабочей емкости производится песком любой влажности.

4.12.    Температура проведения исследований скорости коррозии выбирается исходя из задачи исследования и условий эксплуатации реальных конструкций, колебание температуры в процессе исследования допускается не более ±3°С.

4.13.    При исследовании скорости коррозии принимается не менее трех образцов-близнецов.

Испытания каждого из паралельных образцов следует проводить в отдельном приборе при исследовании скорости коррозии в проходящем токе или в отдельной

И

емкости при исследовании скорости коррозии в стационарных условиях.

4.14.    Исследование скорости коррозии в стационарных условиях следует проводить в стеклянных емкостях с плотно прилегающими крышками или пробками. В случае необходимости следует предусмотреть изоляцию емкостей от СО2 воздуха посредством хлоркальциевой трубки с натронной известью.

4.15.    В качестве рабочих емкостей можно применять эксикаторы, цилиндры с притертыми пластинками или крышками, широкогорлые колбы с плотно пригнанными резиновыми пробками и т. д.

4.16.    Подготовка емкостей заключается в тщательной очистке их и сушке. Кроме того, необходимо подготовить крышки, смазав их вазелиновым маслом.

4.17.    Емкости с исследуемыми образцами заливаются рабочим раствором с установленной концентрацией аниона и катиона, по изменению концентрации которых в процессе испытания рассчитывается скорость коррозии.

4.18.    Установка для исследования скорости коррозии в проходящем токе растворов схематично представлена на рис. 1.

Рис. 1. Установка для исследования скорости коррозии в проходящем токе агрессивного раствора / — расходная емкость с агрессивным раствором; 2—рабочая емкость с исследуемым образцом; 3 — емкость для слива отработанного раствора; 4—кран; 6 — шланг; 6 — кран; 7 и 9 — хлоркаль-цнсвыс трубки; 8 — образец

Порядок подготовки установки к исследованиям следующий: вначале проверяется исправность соединительных шлангов. Затем закрывается кран 4 и емкость 1 заполняется агрессивным раствором, открывается кран

4 и рабочим раствором заполняется емкость 2. Слив раствора из емкости 2 в емкость 3 осуществляется шлангом 5. С помощью крана 4 регулируется скорость протекания раствора в соответствии с требованиями п. 4.2.

4.19.    Определение концентрации агрессивных ионов в процессе испытания производится:

а)    при проведении исследований в проходящем токе через определенные интервалы времени, выбранные для данного опыта;

б)    в стационарных условиях срок проведения анализа устанавливается экспериментально в соответствии с требованиями п. 4.2.

Периодичность смены раствора в стационарных условиях или скорость протекания раствора в рабочей емкости уменьшается во времени в связи с замедлением процессов коррозии.

Так при исследовании скорости коррозии цементного камня в соляной кислоте 0,1 и концентрации интервалы смены раствора за 5 месяцев испытания увеличиваются с 1 сут в первые дни испытания до 10 сут в конце опыта.

4.20.    При исследовании скорости коррозии соотношение объема рабочего раствора и незащищенной поверхности образца устанавливается экспериментально с соблюдением требования постоянства концентраций (п.4.2).

4.21.    Необходимое соотношение достигается за счет увеличения или уменьшения незащищенной поверхности образца или за счет изменения объема раствора, вступившего во взаимодействие с образцами.

4.22.    Перед отбором пробы испытуемого раствора на анализ необходимо тщательное перемешивание раствора в емкости 3 (рис. 1) (проходящий ток) или рабочей емкости (стационарные условия).

4.23.    В том случае когда исследуется скорость коррозии I вида (выщелачивающая агрессивность), предельное увеличение концентрации в воде-среде — 30 мг/л по СаО.

4.24.    Минимальная продолжительность исследования скорости коррозии определяется экспериментально в зависимости от поставленной задачи.

4.25.    При проведении исследований во внутренней диффузионной области необходимо получить не менее

13

* РСоО,т/с”г

Рис. 2. Кинетическая зависимость процессов коррозтж цементного камня в диффузионной области 2Рс*о— f(^T) / — 0,1 н раствор HjCiO<; 5—вода дистиллированная; 5 — агрессивная СО, 300 мг/л; -#-0,1 н HF; 5-0.1 н H,S04; 5-0.1 н НС1 (бетон); 7-0.1 н HCI

шести определений скорости коррозии для построения прямолинейной зависимости глубины разрушения от корня квадратного из времени рис. 2 (все шесть точек ложатся на прямую).

4.26.    При проведении испытаний в диффузионнокинетической области длительность экспериментальных исследований определяется получением не менее 10 близких по значению результатов скорости коррозии.

4.27.    В процессе исследования не разрешается поддерживать постоянство концентрации воды-среды добавлением концентрированных растворов агрессивных веществ, так как это связано с накоплением продуктов коррозии в рабочей емкости, что может привести не только к значительному изменению скорости коррозии, но и к качественному изменению процессов.

4.28.    Рабочие агрессивные растворы для определения скорости коррозии приготовляются только на ди-

14

стиллированной воде. Емкости (обычно стеклянные бутыли), в которых приготавливаются растворы, необходимо тщательно вымыть и проградуировать.

4.29.    При возможности взаимодействия агрессивного раствора со стеклом необходимо изолировать внутреннюю поверхность бутылей или других емкостей парафином, церезином и другими химически стойкими веществами или применять емкости из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды.

4.30.    Для приготовления рабочих растворов следует применять вещества категории: чистый для анализа, (ч. д. а.) химически чистый (х. ч.).

4.31.    Анализы по определению титра исходных и рабочих растворов выполняются сотрудниками, освоившими методы аналитической химии, по методикам, изложенным в специальной литературе, и с соблюдением всех требований по проведению лабораторных работ, приведенных в соответствующих руководствах.

4.32.    Как во время приготовления растворов, так и при их хранении, бутыли или другие емкости следует закрыть предварительно подобранными пробками.

4.33.    При приготовлении, хранении и транспортировании агрессивных растворов необходимо соблюдать правила техники безопасности.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИИ

5.1.    Скорость коррозии выражается количеством вещества, вступившего во взаимодействие или перешедшего в агрессивный раствор в единицу времени с единицы поверхности исследуемого образца, мг/(см²-сут).

5.2.    Скорость коррозии I и II вида выражается, мг/(см²*сут) по СаО, скорость коррозии III вида при сульфатной агрессивности выражается, мг/(см²-сут) по SOJ-

5.3.    Запись результатов испытания производится по форме (табл. 2).

5.4.    Для каждого из трех паралельных образцов необходима отдельная таблица записи.

5.5.    Расчет количества цементного камня (в пересчете на СаО), вошедшего в химическое взаимодействие с водой-средой, или перешедшего в раствор Рсао (за период испытания, производится по формуле (1) при объемных методах анализа катионов или анионов, выбран-

15

Таблица 2

Дат* испытаний* Наименование определений 3/111 б/Ш 7/111 9/111 Период между испытаниями т4, сут . . . 2 2 2 2 Время от начала испытаний xt, сут . . 2 4 6 8 Объем раствора, участвовавшего во взаимодействии с цементным камнем или бетоном Q, мл........... 3000 3000 3000 3000 Поверхность взаимодействия S, см* . . . 39 39 39 39 Объем стандартного титрованного, раствора, пошедшего на титрование исходного Ьаствора до испытания qlt мл ... . Объем стандартного титрованного раствора, пошедшего на титрование раствора после взаимодействия с цементным камнем или бетоном, ?а, мл . . . 10 10 10 10 9 9.1 9,15 9.2 Объем раствора, отобранного на титрование 9s, мл............ 10 10 10 10 _ мг Рсо 33 период ть см, ....... 21,56 19,4 18,35 17,3 SP^o от начала испытания за период Т|, мг/см*............. 21,56 40,96 59,31 76,61 „ ,, мгСаО Скорость V, - за период . . . 10,78 9.7 9,17 8,65

1 Начало испытаний 1/111.

ных в качестве критерия скорости коррозии (I и II вид коррозии).

qi—объем стандартного титрованного раствора, пошедшего на титрование исходного раствора до испытания, мл;

<72 —объем стандартного титрованного раствора, пошедшего на титрование раствора после взаимодействия с цементным камнем или бетоном, мл;

28,04 — мг СаО связывается 1 мл 1 н раствора;

N — нормальность титрованного раствора;

Q —объем раствора, участвовавшего во взаимодействии с цементным камнем или бетоном, мл;

16

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с широким применением бетонных и железобетонных конструкций на предприятиях химической промышленности и освоением новых районов с агрессивными средами одной из основных задач строительства является обеспечение долговечности бетона при действии на него различных жидких сред. Для этого необходимо знать не только сущность процессов коррозии, т. е. тех изменений, которые произошли в цементном камне или материале на его основе при действии агрессивных сред, но и скорости этих процессов.

Для определения скорости коррозии нужны специально разработанные методы с учетом основных положений теории гетерогенных химических процессов и физико-химических основ коррозионных процессов, протекающих в цементном камне или бетоне при действии различных агрессивных сред.

Над изысканием эффективных методов определения скорости коррозии работает ряд научно-исследовательских организаций: ЦЛК НИИЖБ, РИСИ, МАДИ, НИИпромстрой, Харьковский Промстройниипроект, Уральский Промстройниипроект, Харьковский Водока-налпроект и др.

В настоящем Руководстве изложен метод определения скорости коррозии цементного камня и бетона при действии жидких агрессивных сред. Этот метод позволяет на основании экспериментальных данных исследований скорости коррозии определять глубину коррозионного поражения бетона, что дает возможность прогнозирования долговечности бетонных и железобетонных конструкций.

Настоящее Руководство составлено Центральной ла-

з

бораторией коррозии НИИЖБ Госстроя СССР (руководитель лаборатории д-р техн. наук, проф. В. М. Москвин), кандидаты техн. наук Т. В. Рубецкая, Л. С. Бубнова, инженеры Г. В. Любарская и В. Ф. Гончар.

Все замечания и предложения по содержанию настоящего Руководства просим направлять по адресу: 109389, Москва, Ж-389, 2-я Институтская ул., 6, ЦЛК НИИЖБ Госстроя СССР.

Дирекция НИИЖБ

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1 Настоящее Руководство содержит рекомендации по определению скорости коррозии бетона при диффузионном переносе агрессивных веществ (постоянное воздействие воды-среды), что соответствует условиям эксплуатации ненапорных подземных и подводных конструкций.

1.2.    Руководство рекомендуется применять для определения скорости коррозии цементного камня, раствора и бетона реальных составов, а также других материалов (асбестоцемент и пр.) на основе минеральных гидравлических вяжущих при действии жидких агрессивных сред, вызывающих процессы коррозии I, II и III видов.

1.3.    Для I и II видов коррозии результаты определения скорости коррозии бетонов могут быть положены в основу расчетов глубины разрушения и прогнозирования ее на длительные сроки. Для III вида коррозии (сульфатная коррозия) результаты по определению скорости следует дополнить исследованиями прочностных и деформационных свойств бетона.

1.4.    Настоящее Руководство по определению скорости коррозии бетона в жидких агрессивных средах может применяться для оценки агрессивности и степени агрессивности воды-среды по отношению к бетону.

1.5.    С помощью настоящего Руководства можно оценить эффективность различных мероприятий по повышению долговечности бетона при воздействии агрессивных сред. Например, выбор оптимального минералогического и вещественного составов цементов, эффективность и целесообразность введения различных добавок, увеличения плотности бетона, применения тех или иных заполнителей, пропитки бетона, защиты лакокрасочными покрытиями и т. д.

5

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1.    При моделировании процессов коррозии бетона в лабораторных условиях необходимо соблюдать равенство следующих параметров, определяющих скорость коррозии бетона в реальных условиях эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций:

1)    механизма переноса агрессивных веществ или продуктов коррозии;

2)    толщины слоя продуктов коррозии;

3)    фазового состава продуктов коррозии;

4)    структуры продуктов коррозии гелекристаллического или кристаллического строения.

2.2.    Механизм переноса агрессивных веществ и толщина слоя продуктов коррозии моделируются условиями проведения эксперимента.

2.3.    Фазовый состав продуктов коррозии реальных конструкций и их структура в лабораторных условиях воспроизводятся соответствующим подбором цемента, состава бетона, вида, концентрации и температуры агрессивной среды.

2.4.    Скорость коррозии зависит от концентрации агрессивной среды. Зависимость эта сложна и не описывается, как правило, линейным уравнением.

Для установления зависимости скорости коррозии от концентрации агрессивной среды одного и того же вида необходимо проведение исследований при нескольких концентрациях выбранной среды.

2.5.    Если при изменении концентрации не меняется фазовый состав и структура слоя продуктов коррозии и устанавливается прямолинейная зависимость скорости коррозии от корня квадратного из концентрации агрессивного вещества, как это имеет место, например, при действии на бетон агрессивной С0₂, то для ускорения испытаний рекомендуется применять агрессивные среды более высокой концентрации.

2.6.    Если при изменении концентрации меняются фазовый состав продуктов коррозии и их структура и не устанавливается описанная выше прямолинейная зависимость, то для ускорения испытаний не рекомендуется применять агрессивные среды более высокой концентрации.

6

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ПОДГОТОВКА ИХ К ИСПЫТАНИЮ

3.1.    Определение скорости коррозии рекомендуется проводить на образцах-цилиндрах из цементного камня, цементно-песчаных растворов и бетонов с размером крупного заполнителя до 10 мм на образцах диаметром 5 и высотой 5 см. В том случае, если при изготовлении образцов бетона применяется заполнитель с размером более 10 мм, следует рекомендовать образцы-цилиндры других размеров с учетом крупности заполнителя. Для обеспечения в процессе испытания постоянства реакционной поверхности боковая цилиндрическая поверхность образцов защищается стойким лакокрасочным покрытием.

3.2.    Образцы цементного камня изготовляются из цементного теста нормальной густоты. При исследовании цементного камня с большим водоцементным отношением, чем нормальная густота, не допускается водоотде-ление при изготовлении образцов.

3.3.    Состав бетона выбирается в соответствии с реальными составами бетона, применяемыми для изготовления конструкций.

3.4.    Для изготовления образцов бетона применяются материалы, отвечающие требованиям ГОСТ 4797-69 «Бетон гидротехнический. Технические требования к материалам для его приготовления». Материалы испытываются по ГОСТ 4798-69 «Бетон гидротехнический. Методы испытания материалов для его приготовления».

Определение характеристик бетона производится по ГОСТ 4800-59 «Бетон гидротехнический. Методы испытания бетонов».

3.5.    Для изготовления образцов бетона или цементно-песчаных растворов необходимо применять стойкие к воздействию данной агрессивной среды заполнители.

В том случае когда стойкость заполнителей неизвестна, необходимо проведение специальных предварительных испытаний по определению скорости коррозии данного заполнителя и бетона на его основе.

3.6.    Образцы данной серии испытаний изготовляются из одних и тех же материалов по одной и той же технологии, твердеют при одних и тех же условиях.

3.7.    В зависимости от задачи исследования образцы могут твердеть в нормально-влажностных условиях, при пропаривании и при запаривании в автоклавах.

7

3.8.    Режим пропаривания и запаривания образцов выбирается и обосновывается задачами исследования.

В том случае когда пропаривание применяется только как метод ускорения твердения образцов и не является предметом специальных исследований, принимается следующий режим пропаривания: 4ч4-8ч+естественное остывание. Изотермический прогрев при температуре 80°С.

3.9.    После изготовления образцов производится тщательная их отбраковка. Отбраковываются образцы неправильной геометрической формы, имеющие раковины, а также образцы, масса которых отличается более чем на 10% средней массы.

При достаточно больших размерах образцов рекомендуется отбраковка их также по скорости прохождения ультразвука. Отбраковываются образцы, отличающиеся от средней скорости прохождения ультразвука более чем на 15%.

3.10.    Нанесение на цилиндрическую поверхность образцов эпоксидного ¹ лакокрасочного покрытия производится через 14 сут нормально-влажностного твердения или после пропаривания или запаривания в соответствии с требованиями «Рекомендаций по защите от коррозии стальных и железобетонных строительных конструкций лакокрасочными покрытиями».

Основные правила подготовки поверхности для нанесения лакокрасочного покрытия и производства работ приводятся в приложении 1.

3.11.    Наряду с покрытиями на основе эпоксидных смол возможно применение других защитных лакокрасочных покрытий.

К этим материалам предъявляются следующие требования:

хорошая адгезия к бетону;

химическая стойкость к воздействию данной агрессивной среды;

полная непроницаемость на протяжении всего срока исследования.

При проведении исследований по определению скорости коррозии бетона на образцах, защищенных покрытиями, стойкость которых недостаточно изучена, необхо-

¹ Состав эпоксидного лакокрасочного покрытия разработан канд. техн. наук В. Ъ. Шнейдеровой.

8

димо испытание контрольных, полностью защищенных данным покрытием образцов.

В том случае если при испытании контрольных образцов будет установлена диффузионная проницаемость покрытия (скорость коррозии полностью защищенных образцов не равна 0), необходимо либо вносить поправку на проницаемость покрытия при определении скорости коррозии бетона, либо прекратить испытание.

3.12.    При исследовании стойкости защитных покрытий, изготовление образцов бетона производится в соответствии с требованиями настоящего раздела.

3.13.    Изучаемое защитное покрытие наносится на торцевые поверхности образцов, цилиндрическая поверхность образцов защищается стойким в данной среде покрытием в соответствии с рекомендациями настоящего раздела.

3.14.    Все работы по нанесению лакокрасочных покрытий, а также работы по их приготовлению производятся в соответствии с требованиями техники безопасности и пожарной безопасности, изложенными в «Рекомендациях по защите от коррозии стальных и железобетонных строительных конструкций лакокрасочными покрытиями».

3.15.    Незащищенные торцевые рабочие поверхности перед погружением образцов в агрессивную среду зачищаются наждачной бумагой для удаления следов покрытия и замеряется площадь рабочей поверхности, которая в дальнейшем используется для расчета скорости коррозии.

3.16.    Перед погружением в агрессивную среду образцы насыщаются водой в течение трех суток. Водонасы-щение производится путем постепенного погружения образцов в воду: первые сутки на 1 см, вторые сутки на 3 см, третьи сутки полностью.

3.17.    Образцы, предназначенные для исследования свойств защитных покрытий, перед испытанием водой не насыщаются.

4. ПОДГОТОВКА АППАРАТУРЫ, РАБОЧИХ РАСТВОРОВ И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Исследование скорости коррозии проводится в проходящем токе раствора или в стационарных условиях с периодической сменой раствора.

9

4.2.    Выбор режима испытания определяется таким образом, чтобы снижение концентрации агрессивного раствора при взаимодействии его с цементным камнем или бетоном составляло не более 8% и не менее 4% исходной концентрации.

4.3.    При выборе анионов или катионов, по изменению концентрации которых оценивается скорость коррозии, необходимо руководствоваться следующими соображениями:

а)    изменение концентрации выбранного катиона или аниона происходит только в процессе коррозии;

б)    изменение концентрации этих ионов определяется надежным методом;

в)    выбирается ускоренный метод определения концентрации;

г)    ошибки выбранного метода определения концентрации не должны оказывать влияния на определяемую скорость коррозии.

4.4.    Примерный перечень анионов или катионов, по изменению концентрации которых рекомендуется определять скорость коррозии цементного камня, раствора или бетона при II виде коррозии, приводится в табл. 1.

Т аблица 1

Вид агрессивности воды-среды Агрессивные ионы Метод анализа Общекислотная Нн+ в пересчете на СаО Кислотно-основного титрирования Соли, образующие при гидролизе кислоты CuSOa, ZrCU и др. Катионы Cu2+, Zn2"*\ РЬ2+ и др. Электрохимический Углекислотная 0^2+ в пересчете на СаО Трилонометрическнй Магнезиальная д. 2+ в пересчете на'^СаО » Аммонийная £д2+ в пересчете на СаО » Щелочная Концентрация ионов, содержащих AljOj, FeiOj, SiOj Колориметрический

10