Карбонізація бетону — що це таке?

Бетон є одним з найпоширеніших матеріалів, використовуваних в будівництві. Завдяки техніко-фізичним характеристикам його можна застосовувати у спорудженні відповідальних несучих конструкцій з достатніми експлуатаційними властивостями. Але і бетон не позбавлений слабких місць, серед яких негативні процеси карбонізації. Що це таке? Бетон, що знаходиться в природному повітряному середовищі з вуглекислим газом (CO2), неминуче контактує з хімічними кислотними елементами. Виникаючі на цьому тлі реакції можуть негативно позначитися на структурі конструкції, що обумовлює потребу в контролі рівня нейтралізації матеріалу.

Загальні відомості про карбонізації

Різке зниження надійності бетонних конструкцій може бути пов’язано з різними факторами, більшість з яких пов’язана з неблагожелательными оточуючими умовами. Карбонізація є однією з ключових причин, за якими відбувається не тільки руйнування зовнішніх захисних шарів бетонних конструкцій, але й глибинні процеси деформації. До найбільш небезпечних наслідків можна віднести розтріскування і відшарування, а також створення умов для розвитку корозії. Останнє стосується залізобетонних конструкцій, що мають у структурі не склопластикову, а традиційну сталеву арматуру.

В залежності від характеристик повітряного середовища процеси руйнування можуть проявлятися вже в перші місяці експлуатації. Тому так важливо своєчасне вжиття заходів по захисту конструкцій. Дану сферу дослідження регулює ГОСТ. Карбонізації бетону приділено увагу в документі 31384-2008, присвяченому захисту будівельних конструкцій від корозії. Зокрема, наводиться опис двох пов’язаних між собою характеристик – довговічність і допустимої глибині пошкодження конструкції. При цьому існують проблеми діагностики, зумовлені труднощами точного прогнозування параметрів агресивного середовища. Складності виникають при аналізі температурно-вологісного режиму і ступеня концентрації CO2.

Хімічні процеси карбонізації

Експлуатація бетонних і залізобетонних конструкцій в повітряному середовищі супроводжується впливом кислих газів на матеріал. Так як вуглекислий газ зазвичай має більш високу концентрацію порівняно з іншими сполуками, його вплив особливо виражено. Отже, що називають карбонізацією бетону? Це процес нейтралізації пористого матеріалу, при якому відбувається поглинання вуглекислого газу, кисню і вологи, яка міститься в повітрі. Наскільки активним буде процес карбонізації, залежить і від самого бетону, і від характеристик агресивного середовища. Ключове значення має концентрація CO2, яка варіюється в середньому від 500 до 6000 мг/м3. Конструкції з наявністю металевої арматури в ході карбонізації і на тлі щільного контакту з кислотним середовищем починають поржавіти, в результаті чого прогресує і іржа.

У чистому вигляді бетон також піддається негативним процесам карбонізації. Вуглекислий газ взаємодіє з клінкерними мінералами і цементним каменем. Навіть невеликий відсоток вмісту CO2 в повітрі запускає реакції нейтралізації бетону. Карбонізація, що відбувається в процесі взаємодії кислоти з гидрооксидом кальцію, залежить від вологості повітря, пористості і проникності матеріалу, тиску і температури. В кінцевому підсумку такі процеси залишають продукти гідратного новоутворення з широким спектром побічних речовин у вигляді глинозему, гідратованого кремнезему і оксиду заліза, якщо мова йде про металоконструкціях.

Дивіться також:  Телемеханіка в електроенергетиці: призначення та застосування

Інтенсивність перебігу карбонізації

Найбільші показники швидкості карбонізації реєструються при коефіцієнті вологості повітряного середовища на рівні 50-60%. Плівкова волога, що наповнює пори поверхні бетонної конструкції, по мірі збільшення створює умови для негативних реакцій. У той же час микрокапиллярные пори матеріалу до цього моменту не повинні бути заповнені.

І навпаки, відносна вологість близько 25% практично виключає процес карбонізації через нестачу вологи. Верхня ж межа, близький до 100%, теж несприятливий до даної хімічної реакції. Пов’язано це з тим, що в мікропорах йдуть процеси капілярної конденсації пара, що знижують можливість дифузної проникності.

Чи є особливості протікання реакції всередині приміщень? В даному випадку можна говорити про швидкої карбонізації бетону, визначення якої повністю виключає фактор періодичного зволоження матеріалу опадами. Інша справа, що в приміщенні можуть мати місце фактори уповільнення карбонізації. По-перше, якщо мова йде про місця з нормально високим рівнем вологості (кухня, ванна). По-друге, щільний фактурний шар на поверхні бетонної конструкції фізично перешкоджає інтенсивному проходженню карбонізації. В умовах вуличної експлуатації такий бетон часто називають некарбонизируемым.

Поняття глибини карбонізації

Ступінь поглинання газів і вологи є визначальною величиною з точки зору оцінки карбонізації. На повітрі, як вже зазначалося, проникаючі реакції відбуваються повільніше із-за регулярного насичення бетону вологою. Наприклад, конструкція, в якій частка цементу складає близько 250 гр/м3, має водоцементне відношення 0/60, що дозволяє карбонізації за перший рік експлуатації просуватися на 5 – 6 мм. В зруйнованих конструкціях з оголеними армуючими стрижнями глибина може досягати і 30 мм. В цій частині варто навести і поняття локальної карбонізації бетону, визначення якої пов’язане з урахуванням параметрів фракції заповнювача будівельного розчину. Так, локальна карбонізація перевищує середні показники поглинання поверхні конструкції на величину діаметра крупного зерна використаного цементного наповнювача. Нерівномірність і сама присутність зон з підвищеною поглинаючою здатністю пояснюється порушеннями технології приготування цементної суміші та її укладання. Іншими словами, розчин на одних ділянках був закладений щільніше, ніж на інших.

Визначення глибини карбонізації бетону

Застосовуються різні методи і засоби для визначення пошкодженого шару на поверхні бетонної конструкції. Зазвичай використовують індикаторні тести укупі з карбометрическими фізико-хімічними способами. Кількісним показником виступить ступінь переходу цементного каменю в форму карбонату. Ця характеристика не пов’язана безпосередньо з глибиною проникнення карбонізації, однак є більш точною в плані виявлення пошкодженого і ненадійного шару. У будівельній сфері глибина карбонізації бетону фіксується в результаті натурних обстежень цільових об’єктів. Подібний аналіз є одним із профілактичних операцій в загальному комплексі заходів з техобслуговування. В технічному завданні по аналізу пошкодження бетонних конструкцій також можуть стояти суміжні завдання, спрямовані на визначення ступеня впливу навколишнього середовища, виявлення пустот, тріщин і внутрішніх повітряних кишень.

Дивіться також:  Університети Барселони: список, фото і відгуки

Засоби для оцінки карбонізації бетону

Для проведення випробувань на карбонізацію використовують судини зразок ексикатора. Що стосується заготівель, то в лабораторних умовах практикується застосування двох циліндричних бетонних зразків товщиною 5 див. Матеріал покривається епоксидною смолою для повної ізоляції, а потім витримується в ексикаторі під розчином хлориду натрію дві доби. Далі за допомогою штангенциркуля повторно знімаються показники діаметрів циліндричних заготовок. Результати заносять у журнал із зазначенням площі поверхні. На наступному етапі зразки встановлюються в судини для визначення кінетичної залежності при карбонізації. Бетон після проведених випробувань легко піддається руйнівним діям. Розколів зразок, можна оцінити глибину проникнення розчину. Вона і буде свідчити про здатність конкретної бетонної суміші піддаватися процесів карбонізації. Фактично таким способом виводяться значення об’єму СО2, який теоретично може бути поглинений конкретною маркою бетону в тих чи інших умовах.

Застосування фенолфталеїну для оцінки карбонізації

При обстеженні бетонних конструкцій на предмет виявлення пошкоджених ділянок часто використовуються марковані засоби, найбільш популярним серед яких є розчин фенолфталеїну. У кислотному середовищі він знаходить структуру лактона і втрачає колір, однак при переході в лужну хромофорную групу з’являється яскраво виражений червоний або фіолетовий колір. Як відбувається визначення карбонізації бетону фенолфталеїном? Стандартний тестовий набір включає в себе розчин фенолфталеїну об’ємом 1000 мл, дві промивача по 250 гр і глибиномір. Поверхня зразка необхідно обприскати приготованою сумішшю і в результаті зниження лужності, яка буде викликана процесами карбонізації, визначити глибину пошкодженого шару. У комплексі з виміром захисних шарів конструкції даний метод дозволяє аналізувати і готовність матеріалу до протидії процесам корозії.

При організації обстеження буде не зайвим спочатку продумати тактику аналізу. Можливо, буде потрібно використання порівняльного аналізу із застосуванням незабарвленого зразка. У разі серійних випробувань бетону на карбонізацію фенолфталеиновые проби знімаються на свіжому зламі. Тобто потрібно готувати і засоби для оперативного фізичного руйнування структури бетонного зразка. До того ж проведення руйнівного контролю дає можливість всебічної оцінки конструкції на предмет інших важливих техніко-експлуатаційних якостей вже вимірювальними інструментами іншого спектру.

Методи відновлення після карбонізації бетону

Ремонт локальних ділянок, підданих процесам карбонізації, може носити характер профілактичної заходи або виконуватися в якості капітальної реконструкції з повною заміною проблемної частини споруди. В обох випадках дотримуються принципу відновлення і збереження пасивного стану бетону при карбонізації. Визначення методів захисту та відновлення матеріалу можна представити так: способи і засоби, спрямовані на зниження здатності бетону до вологопоглинання та окислення, а також технічне зміцнення цільової структури за рахунок фізико-хімічної обробки. Серед основних методів виділяються наступні:

  • Нарощування товщини захисного шару шляхом застосування спеціальних грунтующих розчинів.
  • Заміна карбонизированного шару з механічним видаленням ознак проникнення хлорид-іонів. Після зачищення поверхні також застосовується захисне ізолююче покриття.
  • Відновлення лужності бетону. Використовують електрохімічне вплив з допомогою провідників з катодами. Правильно підібрані електроліти дозволяють також забезпечити пасивний стан металевої арматури в бетоні.
  • Відновлення лужності за рахунок іонної дифузії. Проводиться укладання высокощелочного розчину на поверхню, що дозволяє стимулювати необхідний хімічний баланс для стійкості матеріалу.
Дивіться також:  Що таке перфокарта: опис, види, призначення та застосування

Прогнозування карбонізації

Потреба в обстеженні конструкцій на предмет їх захищеності від карбонізації обумовлена прагненням до попередження негативних процесів руйнування. Комплексне прогнозування зазвичай виконується стосовно до інженерних залізобетонних конструкцій, що зазнають великі навантаження. Зокрема, це можуть бути колони, мости, перекриття і т. д. Стійкість і надійність конструкції визначається як внутрішніми, так і зовнішніми факторами. Частина вихідних даних, які в подальшому використовуються в прогнозуванні, закладаються ще на етапі проектування споруди, коли залишається можливість підбору найбільш сприятливих параметрів при створенні будівельного розчину. Вже в ході експлуатації прогнозування карбонізації бетону спирається на динаміку зміни властивостей матеріалу, ступінь гідрації цементу і зовнішні умови. Наприклад, методами неруйнівного контролю можна з’ясувати поточний стан цементного каменю, визначивши його антикорозійну здатність.

Висновок

Поряд з деревиною бетон є одним з найбільш нестабільних матеріалів з точки зору чутливості до різних факторів фізичного та хімічного впливу. Причому це стосується не тільки негативних явищ. За замовчуванням в природних умовах експлуатації цементна структура набирає міцність протягом багатьох років. Протилежне значення буде мати карбонізація бетону. Що це таке з точки зору впливу на експлуатаційні якості конструкції? Карбонізація призводить до деградації поверхневої структури бетону, знижуючи його технічні якості. Але головна небезпека полягає у створенні умов для розвитку іржі. Поразка армуючого каркаса в системі з динамічними навантаженнями може в перші ж роки експлуатації призвести до повної втрати необхідних технічних властивостей об’єкта. Саме тому так важливо своєчасно проводити діагностику бетону, також роблячи заходи щодо його захисту та зміцнення.