Коррозия строительных материалов и конструкций в морской среде

Действие морской среды на материал конструкций гидротехнических сооружений

Зоны коррозионного разрушения морских сооружений

Морские гидротехнические сооружения подвергаются различным воздействиям морской среды:

а) механическим - при воздействии на сооружение волнения, течений, льда и наносов;

б) химическим - при взаимодействии растворённых в морской воде
химических элементов с материалом конструкций;

в) физическим - при давлении на стенки пор материала
химических новообразований, кристаллов солей, выпавших из раствора­
при испарении воды, или кристаллов льда, образовавшихся при
замерзании воды внутри пор.

В результате указанных воздействий морской среды на конструк­цию происходит разрушение её материала - коррозия, что снижает срок службы сооружений, то есть их долговечность.

Морские гидротехнические сооружения обычно опираются непо­средственно на дно (гравитационные) или заглублены в грунт ниже дна (свайные, шпунтовые) и возвышаются над водой. Интенсивность воз­действия морской среды на материал конструкций по высоте сооружения неодинакова, в связи с чем выделяют четыре зоны морской коррозии.

Зона А - надводная, отстоящая от среднего уровня воды на 3-4 м и подвергающаяся смачиванию брызгами морской воды только во время шторма.

Это зона атмосферной коррозии с неограниченным доступом влажного воздуха.

Зона Б - переменного увлажнения, самая опасная в коррозионном отношении. По высоте эта зона располагается между верхней границей брызг воды и на низшим положением уровня акватории при его колеба­ниях.

Этой зоне свойственны постоянная увлажнённость поверхности со­оружения и постоянное наличие кислорода воздуха, что приводит к ин­тенсивной коррозии. При отрицательных температурах воздуха происходит попеременное замораживание и оттаивание бетона, а в жарком климате – увлажнение и высушивание.

Зона В - подводная, расположенн ая ниже уровня воды при любом его изменении, т.е. эта зона никогда не соприкасается с атмосферным кислородом. Здесь процессы коррозии идут значительно медленнее, чем в предыдущих зонах вследствие недостатка свободного кислорода.

Зона Г – ниже поверхности дна, характеризуем ая малым присутствием кислорода и в связи с этим значительным снижением коррозии.

Коррозия строительных материалов и конструкций в морской среде

При возведении морских портовых гидротехнических сооружений применяют
в основном песок, камень, дерево, металлы, бетон и железобетон. Морской, речной и карьерный песок (для намыва территории порта), а также камень-окол, щебень и гравий (для отсыпки территории) полученные из твёрдых горных пород, коррозии в морской воде не подвергаются.

Дерево в гидротехнических сооружениях в настоящее время применяется редко, в основном в северных районах. Конструкции из них разрушаются в море в результате гниения и деятельности древоточцев -моллюсков и ракообразных. В зависимости от температурно-влажностного режима (при влажности дерева 20-50%, температуре +18-36" С) полное разрушение деревянных конструкций наступает за 3-5 лет. Древоточцы в благоприятных для себя условиях могут разрушить древе­сину в течение одного года.

Разрушение металлов (коррозия) в морской воде - электролите со слабощелочной реакцией с водородным показателем рН = 7, 8...8, 3 - происходит в результате их электрохимического взаимодействия. Этот процесс возникает самопроизвольно вследствие термодинамической не­устойчивости системы металл - компоненты коррозионной среды, опре­деляемой значением изобарного потенциала.

Суть коррозионного процесса заключается в удалении в морской воде атома из металлической решётки. Это происходит в результате двух независимых, но электрически связанных процессов: анодного - переход сольватируемых катионов металла в раствор и катодного - ассимиляция освобождённых электронов окислителем (рис. 4.7.2.1).

Окисление металла, то есть его растворение происходит на аноде, а восстановление окислителя — на катоде. Скорость коррозии определяется концентрацией кислорода и скоростью омывания металла водой.

Чем энергичнее движение воды у поверхности металла и чем больше доступ кислорода, тем интенсивнее коррозия. При недостатке кислорода продукты коррозии (ржавчина) имеют цвет от зеленого до чёрного, при избытке кислорода - характерный оранжево-красный цвет.

Рис. 4.7.2.1 Принципиальная схема коррозионного процесса металла в морской воде: 1 - металл, 2 - раствор, 3 - анод, 4 - катод, 5 - электрон, 6 - ион ме­талла, 7 - окислитель

Коррозия металлов измеряется либо потерей массы г/см" в год, либо скоростью углубления коррозии мм/год. Интенсивность коррозии сильно зависит от легирующих добавок, состояния поверхности металла, мест­ных условий и колеблется в широких пределах. Так в зоне переменного уровня воды скорость коррозии составляет 0, 4-0, 6 мм/год и может дости­гать 1, 25 мм/год, в подводной зоне 0, 06-0, 15 мм/год и в грунте ниже дна моря 0, 01-0, 03 мм/год. При наличии ржавчины и повышенной концентра­ции растворенного в воде кислорода скорость коррозии возрастает. При химическом воздействии морской воды на бетон могут происходить:

- выщелачивание, то есть растворение составных частей цемента в воде;

- образование новых веществ либо легкорастворимых, либо не обла­дающих вяжущими свойствами;

- образование новых веществ, которые, кристаллизуясь, увеличива­ются в объёме и вызывают механическое разрушение бетона.

Коррозия выщелачивания обусловлена растворением гидрата окиси кальция, растворимость которого повышается в присутствии хлористого натрия. При длительном действии морской воды на бетон может произой­ти полное выщелачивание гидрата окиси кальция, что приведет к потере прочности бетона, иногда до 40-50% от первоначальной. Выщелачивание характерно для конструкций, через которые морская вода фильтрует под давлением (сухие доки, док-камеры). Солевой состав воды, проникая в поры бетона, постепенно растворяет так называемый цементный камень, образующий скелет бетона.

Сульфатная коррозия, которая наиболее опасна для морских гидротехнических сооружений, вызывается взаимодействием сернокислого магния со свободным гидроксидом и алюминатом кальция. При этом образуются аморфные вещества без увеличения объёма, а также двуводный гипс и другие соли, которые сильно увеличиваясь в объеме при кристаллизации, вызывают вспучивание и разрушение бетона.

Физическая коррозия бетона вызывается его попеременным увлажнением и высыханием. В одном случаепроисходит отложение солей в его порах при испарении воды, что может довести кристаллизационное давление до разрушающих усилий. В другом случае при попеременном замораживании и оттаивании образовывается лед в порах и капиллярах, который разрушает бетон.

При воздействии морской воды на железобетон коррозии подвергается бетон и арматурная сталь. При плотном бетоне и достаточной толщине защитного слоя коррозии арматуры не наблюдается, так как морская вода в порах цементного камня с высокой концентрацией гидрата окиси кальция имеет водородный показатель щелочной среды рН = 12-13. Такой

щелочной раствор, соприкасаясь с арматурой пассивирует ее, то есть переводит металл в пассивное состояние, в котором на его поверхности образуется

защитная плёнка окислов, и тем самым предотвращает коррозию.

При пористом бетоне или наличии глубоких трещин процесс карбо­низации бетона быстро распространяется до зоны арматуры, и щёлочность воды понижается до рН = 8, 5 - 9.5, в результате чего создаются условия для начала коррозии. Имеющиеся в воде ионы хлора проникают к арматуре и, разрушая защитную плёнку окислов, также способствуют развитию корро­зии арматуры.

Коррозия арматуры в бетоне имеет электрохимический характер, и скорость её определяется условиями диффузии кислорода к арматуре.

Влажность среды существенным образом влияет на интенсивность коррозии арматуры железобетона. При низкой влажности (менее 60%) затрудняется образование сплошной водяной плёнки на арматуре и элек­трохимическая реакция не развивается. Наиболее интенсивно развивает­ся коррозия арматуры в области переменного уровня воды и выше, где влажность бетона составляет 65...80%. Образующиеся продукты корро­зии, увеличиваясь в объёме, вызывают в защитном слое появление тре­щин. С течением времени защитный слой осыпается, арматура оголяет­ся, и коррозия интенсивно развивается. В подводной зоне морских гид­ротехнических сооружений при сплошном заполнении пор бетона водой условия аэрации затрудняются, и коррозия резко замедляется.