10 Вопрос

Агрессивность грунтов рассматривается в двух аспектах: широком и узком (Королев, Цуканова, 1995). В широком смысле под агрессивностью грунтов понимают их негативное влияние на различные компоненты природно-технических систем, включая развитие неблагоприятных процессов, влияние на биоту и т. д. В узком смысле под агрессивностью понимают негативное хи­мическое и физико-химическое влияние грунтов на строительные материалы инженерного сооружения, приводящее к разрушению его частей (фундамен­та, металлических конструкций и т. д).

Химическая агрессивность влажных грунтов зависит от состава жидкого компонента, от состава растворимых солей и их концентрации. В этом случае агрессивным будет раствор в порах грунта, и, следовательно, разрушение строительных конструкций будет протекать по механизму процессов их разру­шения в жидких средах (см. гл.4). С инженерно-геологической точки зрения наиболее важны два типа химической агрессивности жидкой компоненты по отношению: 1) к бетону (цементному камню); 2) к металлам.

Агрессивность подземных вод по отношению к бетонным соору­жениям регламентируется различными нормативными документами, в том числе СНиП 2.03.11-85 (табл. 10.3—10.5). К основным видам химической аг­рессивности водных растворов по отношению к бетону относятся выщелачи­вающая, магнезиальная, общекислотная, сульфатная и углекислотная.

Выщелачивающая агрессивность обусловливается растворением раз­личных составных частей бетона и постепенным выносом их фильтрующимся раствором. Так, она возникает за счет присутствия в поровом растворе грунта ионов НСО3~ и проявляется в растворении СаСO3 и выносе из бетона гидроксида кальция Са (ОН)2. Процесс выщелачивания идет интенсивно в мягкой пресной воде, он характеризуется также выносом солей сульфатно-кальциевого состава, которые обусловливают рН растворов в интервале 8—10. При выщелачивании бетона раствором Na2HCО3 происходит вынос солей в ос­новном сульфатно-хлоридно-кальциево-магниевого состава при рН среды 9,4— 9,9. Выщелачивание бетона растворами NaCl характеризуется выносом солей преимущественно сульфатно-карбонатно-кальциево-магниевого состава при рН среды 8,2—9,6.

Магнезиальная агрессивность возникает за счет присутствия в поро­вом растворе грунта ионов Mg2+ и также проявляется в разрушении бетона.

Общекислотная агрессивность возникает при понижении значений рН среды. Для портландцемента поровая вода агрессивна при рН < 6, она также повышает растворимость кальцита, что ведет к разрушению бетона за счет выщелачивания СаСO3; для шлакового портландцемента — при рН < 6,7; для пуццоланового цемента — при рН < 5.

Сульфатная агрессивность возникает за счет присутствия в поровом растворе грунтов ионов SО42 и проявляется в формировании сначала гип­са— кристаллогидратов сульфата кальция CaSO4-2H2O, а затем — гидросульфоалюмината кальция (так называемой «цементной бациллы», или эттрингита), увеличивающих при кристаллизации свой объем до 2,5 раз и при­водящих к вспучиванию и разрушению бетона. При этом происходят следующие реакции:

Са (ОН)2 + SO42~ -» CaSO4-2H2O, ЗСаО А12O3-6Н2O + 2CaSO42H2O -» 3CaOAl203-3CaSO431H2O.

Сульфатной агрессивности способствуют и обменные реакции между Са(ОН)2 цементного камня и сернокислыми солями, содержащимися в поровой воде или грунте (присутствие гипса, пирита и др.).

Углекислотная (карбонатная) агрессивность возникает за счет фор­мирования в поровом растворе грунта углекислоты Н2СO3, которая также провоцирует процесс разрушения бетона; она часто возникает совместно с выщелачивающей агрессивностью. Этому способствует повышенное содержа­ние в поровом растворе СO2, которое приводит к образованию растворимых бикарбонатов кальция, способных к выщелачиванию:

1 При оценке степени агрессивного воздействия среды в условиях эксплуатации сооружений, располо­женных в слабофильтрующих грунтах с 0,1 м/сут, значения показателей должны быть умножены на 1,3.

2 Содержание сульфатов в зависимости от вида и минералогического состава цемента не должно пре­вышать пределов, указанных в табл. 10.3 и 10.4.

* При любом значении бикарбонатной щелочности среда не агрессивна по отношению к бетону с мар­кой по водонепроницаемости W6 и более, а также W4npn коэффициенте фильтрации грунта Кф <0,1 м/сут.

** Оценка агрессивного воздействия среды по рН не распространяется на растворы органических ки­слот высоких концентраций и углекислоту.

*** При превышении значений показателей агрессивности, указанных в таблице, степень агрессивного воздействия среды по данному показателю не возрастает.

Са (ОН)2 + СO2 + «Н2O -» СаСO3 + mH2O, СаСO3 + СO2 + Н2O -» Са (НСO3)2.

Согласно В. М.Москвину (1980), по механизму выделяется три основных вида разрушения (коррозии) бетона. К первому виду он относит все процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии жидких сред (водных растворов), способных растворять компоненты цементного камня. При этом составные части цементного камня растворяются и выносятся из структуры бетона. Особенно интенсивно этот процесс может протекать при фильтрации воды через толщу бетона. Подобные процессы могут протекать не только при свободном обмывании бетонных сооружений водой, но и в высокопроницаемых фунтах при наличии в них водоносных горизонтов. При этом важно учи­тывать фильтрационную проницаемость фунта.

Если в воде содержатся соли, не реагирующие непосредственно с состав­ными частями цементного камня, то они могут повысить растворимость гид­ратированных минералов цементного камня из-за повышения ионной силы раствора. Коррозия бетона первого рода вызывается последовательным ра­створением (выщелачиванием) сначала наиболее растворимого минерала це­ментного камня портландита Са(ОН)2, а затем с понижением в растворе кон­центрации СаО и других составляющих цементного камня — гидросили­катов и гидроалюминатов. Присутствие в растворе солей оказывает значительное влияние на растворимость портландита. Одноименные ионы Са2+ и ОН сни­жают, а посторонние, как, например, SO42 , СГ, Na+, К+, повышают его растворимость.

Ко второму виду коррозии можно отнести процессы, при которых проис­ходят химические взаимодействия — обменные реакции между компонента­ми цементного камня и раствора, в том числе обмен катионами; образующи­еся нродукты реакции либо легко растворимы и выносятся из структуры пу­тем диффузии или фильтрации, либо отлагаются в виде аморфной массы, не обладающей вяжущими свойствами и не влияющей на дальнейший разруши­тельный процесс.

Наиболее распространенный вид коррозии второго рода — коррозия под влиянием углекислых вод, вызывающих разрушение карбонатной пленки бе­тонов (углекислотная агрессивность). Этот процесс ускоряется с увеличением скорости течения воды (скорости фильтрации воды в грунте). В слабо фильт­рующих грунтах, в поровых растворах сравнительно быстро устанавливается карбонатное равновесие и процесс замедляется.

В приморских районах широко распространена магнезиальная коррозия бе­тонов (также коррозия второго рода). Она вызывается солями (как правило, сульфатами и хлоридами) магния, вступающими в обменную реакцию с портландитом, в процессе которой гидроксид магния выпадает в осадок в порах и трещинах бетонной конструкции, а соли кальция выносятся раствором, причем образующийся при этом сернокислый кальций также может оказы­вать значительное коррозионное воздействие на бетон. К коррозии второго рода приводят также кислотные и щелочные растворы, однако этот вид кор­розии бетонов в грунтах редко встречается и возможен только при их техно­генном загрязнении.

Третий вид коррозии бетона включает процессы, при развитии которых в порах бетона происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы или веществ, спо­собных при фазовых переходах, полимеризации и подобных процессах увели­чивать объем твердой фазы в порах бетона. Кристаллизация и другие вторич­ные процессы, развивающиеся в бетоне, создают внутренние напряжения, которые могут привести к повреждению структуры бетона. К коррозии этого вида относится коррозия под действием сульфатов (сульфатная агрессивность). В данном случае разрушение происходит из-за роста кристаллов гидросульфоалюмината кальция. Подобный вид разрушения бетона встречается часто в грунтах с переменным уровнем грунтовых вод или при контакте бетонных конструкций с периодически увлажняемыми засоленными грунтами.

Агрессивность грунтов по отношению к металлам рассматривается ниже в связи с коррозионными свойствами грунтов (см. гл.12).