7.2.1. Химическая и биологическая агрессивность грунтов по отношению к бетону

В зависимости от характера воздействия агрессивных сред на строительный материал среды подразделяют на химические и биологические (например, прямое воздействие растений, мхов, грибов, бактерий; биохимическая агрессивность, вызванная жизнедеятельностью микроорганизмов; биохимическая газогенерация и т.п.).

Химическая агрессивность влажных грунтов зависит от состава жидкости, от состава растворимых солей, их концентрации и от скорости фильтрации. В этом случае агрессивным будет раствор в порах грунта, и. следовательно, разрушение строительных конструкций будет протекать по механизму процессов их разрушения в жидких средах. Значения показателей агрессивности жидкой среды для бетонов различных марок по водонепроницаемости и классификация агрессивности грунтов приведены в табл. 7.4 и 7.5.

Показатели агрессивности по содержанию хлоридов приведены только для железобетонных конструкций из бетона марки по водонепроницаемости W4–W6. При одновременном содержании сульфатов их количество пересчитывается на содержание хлоридов умножением на 0,25 и суммируется с содержанием хлоридов.

Для оценки характера коррозионного процесса и степени агрессивного действия различных веществ, содержащихся во внешней среде на строительные материалы из цементного камня и бетона, принимаются три основных типа коррозии.

К первому типу коррозии цементного камня и бетона относится вымывание (выщелачивание) под действием воды (особенно мягкой) гидроксида кальция, который на поверхности материала, реагируя с углекислым газом, сначала переходит в СаСО₃, а затем в Са(НСО₃)₂. Особенно интенсивно процесс выщелачивания происходит при постоянной фильтрации воды через толщу конструкции.

Ко второму типу коррозии относятся взаимодействия со структурообразующими компонентами бетона растворов кислот, солей и др. соединений, при котором составные части цементного камня растворяются, выносятся из структуры материала или отлагаются в виде аморфной фазы, не оказывающей внутреннего давления на массив конструкции.

Третий вид коррозии – кристаллизационно-фазовая включает процессы с участием агрессивных водных растворов солей, при которых происходит накопление и кристаллизация продуктов реакции, вызывающее кристаллизационное давление за счет увеличения объема твердой фазы в порах. Кристаллизация этих продуктов создает внутренние напряжения, которые приводят к разрушению структуры.

Механизм действия на бетон сернистого газа и других кислотных компонентов состоит в химическом взаимодействии с гидроксидом кальция. В зависимости от природы реагирующих веществ образуются малорастворимый СаСО₃, более растворимый CaSO₄H₂O или хорошо растворимый Ca(NO₃)₂ и др.

Таблица 7.4

Степень агрессивного воздействия жидкой среды на бетон [105]

Показатель агрессивности	Показатель агрессивности жидкой среды для сооружений, расположенных в грунтах с kф свыше 0,1 м/сут, в открытом водоеме, для напорных сооружений при марке бетона по водонепроницаемости			Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон
	W4	W6	W8
Бикарбонатная щелочность, мг-экв/л (град)	Св.0 до 1,05 (3)	–	–	Слабоагрессивная
Водородный показатель рН	Св. 5,0 до 6,5 Св. 4,0 до 5,0 Св. 0,0 до 4,0	Св. 4,0 до 5,0 Св. 3,5 до 4,0 Св. 0,0 до 3,5	Св. 3,5 до 4,0 Св. 3.0 до 3,5 Св. 0,0 до 3,0	« Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание агрессивной углекислоты, мг/л	Св. 10 до 40 Св. 40	Св. 40 –	– –	Слабоагрессивная Среднеагрессивная
Содержание магнезиальных солей, мг/л, в пересчете на ион Mg2+	Св. 1000 до 2000 Св. 2000 до 3000 Св. 3000	Св. 2000 до 3000 Св. 3000 до 4000 Св. 4000	Св. 3000 до 4000 Св. 4000 до 5000 Св. 5000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание аммонийных солей, мг/л, в пересчете на ион NH4+	Св. 100 до 500 Св. 500 до 800 Св. 800	Св. 500 до 800 Св. 800 до 1000 Св. 1000	Св. 800 до 1000 Св. 1000 до 1500 Св. 1500	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Содержание едких щелочей, мг/л, в пересчете на ионы Na+ и К+	Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000 до 80 000 Св. 80 000	Св. 60 000 до 80 000 Св. 80 000 до 100000 Св. 100000	Св. 80 000 до 100 000 Св. 100 000 до 150000 Св. 150000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная
Суммарное содержание хлоридов, сульфатов, нитратов и др. солей, мг/л, при наличии испаряющих по­верхностей	Св. 10 000 до 20 000 Св. 20 000 до 50 000 Св. 50 000	Св. 20 000 до 50 000 Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000	Св. 50 000 до 60 000 Св. 60 000 до 70 000 Св. 70 000	Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Компоненты газовой среды могут вступать во взаимодействие с гидросиликатами и гидратными новообразованиями бетона. Бетоны на пуццолановом цементе более стойки, чем обычные – на портландцементе.

К основным видам химической агрессивности водных растворов по отношению к бетону относятся: выщелачивающая, магнезиальная, сульфатная, углекислотная и общекислотная агрессивность [50].

1. Выщелачивающая агрессивность обусловливается растворением различных составных частей бетона и постепенным выносом их фильтрующимся раствором. Это агрессивность возникающая за счет ионов НСО₃^–, и проявляющаяся в растворении СаСО₃, и выносе из бетона гидроксида кальция Са(ОН)₂. Коррозия бетона вызывается последовательным ра­створением сначала наиболее растворимого минерала цементного камня портландита Са(ОН), а потом с понижением в нем 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 SО₄^:2–, Сl^–, Nа⁺, К⁺ повышают его растворимость.

Выщелачивающая агрессивность происходит в результате растворения СаСО₃ и вымывания из тела бетона несвязанной извести Са(ОН)₂. Этот процесс происходит в том случае, когда содержание НСО₃ в воде настолько мало, что равновесное ему содержание СО^-2 оказывается меньше того, которое должно быть при данной температуре в равновесии с СО^-2 в атмосфере. В зависимости от сорта цемента вода согласно нормам проявляет выщелачивающую агрессивность при минимальном содержании НСО₃, равном 0,4 – 1,5 мг-экв.

Таблица 7.5

Классификация грунтов по агрессивности [43]

Зона влажности (по СНиП 23-02-2003)	Показатель агрессивности, мг на 1 кг грунта				Степень агрессивного воздействия на бетонные и железобетонные конструкции
	сульфатов в пересчете на SO4 для бетонов на			хлоридов в пересчете Сl- для бетонов на портландцементе, шлакопортландцементе и сульфатостойких цементах
	портландцементе	портландцементе с содержанием С3S не более 65 %, С3А не более 7 %, C3A + C4AF не более 22 % и шлакопортландцементе	сульфатостойких цементах
Сухая	Св. 500 до 1000	Св. 3000 до 4000	Св. 6000 до 12000	Св. 400 до 750	Слабоагрессивная
	Св. 1000 до 1500	Св. 4000 до 5000	Св. 12 000 до 15000	Св. 750 до 7500	Среднеагрессивная
	Св. 1500	Св. 5000	Св. 15 000 0	Св. 750	Сильноагрессивная
Нормальная и влажная	Св. 250 до 500	Св. 1500 до 3000	Св. 3000 до 6000	Св. 250 до 500	Слабоагрессивная
	Св. 500 до 1000	Св. 3000 до 4000	Св. 6000 до 8000	Св. 500 до 5000	Среднеагрессивная
	Св. 1000	Св. 4000	Св. 8000	Св. 5000	Сильноагрессивная

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 Na₂НСО₃, происходит вынос солей в ос­новном сульфатно-хлоридного кальциево-магниевого состава при рН среды 9,4–9,9. Выщелачивание бетона растворами NaCl характеризуется выносом солей преимущественно сульфатно-карбонатного кальциево-магниевого состава при рН среды 8,2–9,6.

2. Магнезиальная агрессивность возникает за счет присутствия в поро­вом растворе грунта ионов Мg²⁺ и также проявляется в разрушении бетона. Она широко распространена в приморских районах, 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. Магнезиальная агрессивность возникает в зависимости от сорта цемента при содержании Mg²⁺ 750 мг/л и выше.

3. Сульфатная агрессивность возникает за счет присутствия в поровом растворе грунтов ионов SО₄^2– и проявляется в формировании сначала гип­са – кристаллогидратов сульфата кальция СаSО₄·2Н₂О, а затем – гидросульфоалюмината кальция (так называемой «цементной бациллы», или эттрингита), увеличивающих при кристаллизации свой объем да 2,5 раз; и приводящих к вспучиванию и разрушению бетона. Сульфатной агрессивности способствуют и обменные реакции между Са(ОН)₂, цементного камня и сернокислыми солями, содержащимися и поровой воде или грунте (присутствие гипса, пирита и др.). Сульфатная агрессивность проявляется при большом содержании SO₄ (при сульфатостойких цементах содержание SO₄ 4000 мг/л и более, при обычных цементах – 250 мг/л и более). Подобный вид разрушения бетона встречается часто в грунтах с переменным уровнем грунтовых вод или при контакте бетонных конструкций с периодически увлажняемыми засоленными грунтами.

4. Углекислотная (карбонатная) агрессивность возникает за счет формирования в поровом растворе грунта агрессивной угольной кислоты Н₂СО₃, которая также провоцирует процесс разрушения бетона вследствие растворения СаСО₃. Она часто возникает совместно с выщелачивающей агрессивностью, чему способствует повышенное содержание в поровом растворе СО₂, что приводит к образованию растворимых бикарбонатов кальция, способных к выщелачиванию [50].

5. Общекислотная агрессивность возникает при понижении значений рН среды. Все грунты характеризуются определенной кислотно­стью, под которой понимают свойство грунта, обусловленное его химичес­ким составом, активностью и содержанием ионов Н⁺. Универсальным показателем кислотно-основных свойств грунта является рН, величина которого может меняться в грунтах в широком диапазоне. Общая кислотность грунта обусловлена суммой диссоциированных (актуальная кислотность) и фиксированных (потенциальная кислотность) ионов Н⁺.

Актуальная (активная или реальная) кислотность грунта обусловлена свободными ионами Н⁺ порового раствора грунта, находящимися в равновесии с другими ионами. Обычно ее измеряют потенциометрически после длитель­ного (несколько часов) взаимодействия системы грунт-вода в соотношении 1:2,5. Обозначают актуальную кислотность как рН (Н₂О).

Потенциальная кислотность грунта обусловлена ионами Н⁺, находящимися в его поглотительном комплексе и способными замещаться металлами при титровании грунта основанием. Она зависит от способности минералов и органических коллоидов фиксировать ионы H⁺.

Аналогично выделяют актуальную щелочность грунта, обусловленную свободными ионами ОН^–. Ее определяют в поровом растворе, грунтовой пасте суспензии, вытяжке и др. Она также характеризуется величиной рН (рОН^–=14–рН). Кроме того, необходимо различать общую щелочность грунта – показатель характеризующий общее количество основных компонентов в данном грунте. Ее также называют титруемой. Кроме общей щелочности определяют также конкретные виды щелочности, обусловленные карбонатными, боратными, сульфидными и другими ионами, а также органическими компонентами.

Для портландцемента поровая вода агрессивна при рН < 6, она также повышает растворимость кальцита, что ведет к разрушению бетона за счет выщелачивания СаСО₃; для шлакового портландцемента – при рН < 6,7; для пуццоланового цемента – при рН < 5.

Величина рН формируется под влиянием многих факторов, она зависит от состава обменных катионов, химико-минерального состава грунта, содержания и состава водорастворимых солей, от характера минерализации грунтовых вод, климатических условий, техногенных воздействий и др. В различных грунтах величина рН изменяется в широких пределах от 3–3,5 до 8–9,5 и выше. Так в кислых болотных водах рН= 2,8–4,0, в водах пойменных болот до 8,5, в солонцах и солончаках 8–9. Большие колебания рН наблюдаются в лессах находящихся в разных физико-географических зонах: в лесной 4,5–7, в степной зоне до 7–8.

Установлено, что грунты, имеющие в составе свободный карбонат каль­ция, как правило, имеют щелочную реакцию среды. В почвах и других грунтах зоны аэрации в связи с инфильтрационным выщелачиванием щелочность их среды обычно возрастает сверху вниз. Отмечается и прямая связь рН грунтов зоны аэрации с количеством выпадающих осадков: с их возрастанием рН снижается. В пределах одной климатической зоны величина рН грунтов зоны аэрации также зависит от элементов рельефа территории, определяющих тип ее промывного режима. Поэтому на возвышенностях, где выпадает больше осадков и интенсивнее идет инфильтрация, выщелоченность грунтов выше, чем в соседних с ними низменностях.

В районах интенсивного техногенного воздействия величина рН грунтов зависит от условий техногенной геохимической миграции различных элементов и может от нейтральной среды смещаться, как в кислую, так и щелочную область. Сильное влияние на рН грунтов оказывают кислотные дожди, имеющие рН 3,0–3,5 [50].

В естественных условиях чаще встречается смешанная коррозия, но всегда можно выделить преобладающее действие какого-либо вида, а затем проследить и учесть роль вторичных для данного случая коррозии факторов. Для каждого вида могут быть установлены общие закономерности, а в соответствии с этим и общие меры борьбы с разрушением строительных конструкций и возможность обеспечения необходимой долговечности сооружений.

Степень агрессивного воздействия на бетонные и железобетонные конструкции грибов и тионовых бактерий зависит от проницаемости бетона и понижается с повышением марки бетона по водонепроницаемости. Для других биологически активных сред оценка степени агрессивного воздействия на бетонные и железобетонные конструкции выполняется на основании специальных исследований. Сложность таких оценок обусловлена тем, что агрессивность микробиоты подземного пространства зависит не только от количества и видового состава биодеструкторов, но и от температуры, влажности, аэрации, наличия или отсутствия органических веществ в грунте, антропогенных факторов и т.п. Большое разнообразие микроорганизмов в грунте и их способность быстро адаптироваться к меняющимся условиям среды делают количественные оценки микробиоты, с точки зрения опасности для материалов, практически неразрешимой задачей. Но для принятия технических решений по защите подземных сооружений от агрессивных воздействий подземной среды такая оценка необходима. При проведении экспертных оценок специалистов необходимо учитывать следующие факторы, которые определяются в пробах грунта:

• численность колониеобразующих единиц (КОЕ/г) микроскопических грибов (микромицетов) – биодеструкторов;

• состав и численность бактерий (физиологические группы и количество клеток на 1 грамм грунта);

• доминирование в микробном сообществе активных биодеструкторов среди микромицетов и бактерий;

• базальное дыхание – количество углекислого газа, выделяемого грунтом за счет метаболизма микроорганизмов при температуре 22^˚С и оптимальной влажности (характеризует общую биологическую активность грунта);

• количество суммарного микробного белка (СБ), определяемого по методу Дж. Бредфорда [1].

Величина СБ складывается из суммарного значения белковых соединений живых и мертвых клеток микробиоты (Бжкв и Бмкл) и белка продуктов их жизнедеятельности (Бпж) СБ=Бжкл+Бмкл+Бпж.

Несмотря на сложность мониторинга микробиоты в подземном пространстве, по мере накопления данных, получаемых в ходе обследования ряда объектов (грунты в городской среде), предварительно можно разделить грунты в городской среде по степени биологической агрессивности в отношении бетона.

Сильная степень биологической агрессивности присваивается грунтам при высоких показателях СБ и численности микроорганизмов (для микромицетов-биодеструкторов свыше 1500 КОЕ на 1 грамм грунта, для бактерий – свыше 10⁶ клеток бактерий на 1 грамм грунта) и при резком возрастании значений одного из перечисленных выше показателей при явном доминировании биодеструкторов.

Средняя степень агрессивности присваивается грунтам при незначительных повышениях значений всех перечисленных показателей или при повышенном уровне некоторых из них: для микромицетов-биодеструкторов 1000-1500 КОЕ на 1 грамм грунта, для бактерий – 10⁵– 10⁶ клеток бактерий на 1 грамм грунта.

Слабая степень агрессивности присваивается грунтам при низких или умеренных значениях перечисленных показателей (для микромицетов – менее 1000 КОЕ/г и бактерий менее 10⁵).

Для оценки степени агрессивности органического (гуминового) вещества среды целесообразно учитывать показатель агрессивности органического вещества к минеральным веществам (С_гк +С_фк)/С_орг. Экспериментальные исследования разрушения бетона под действием гуминовых веществ показало, что при превышении этого показателя значения 50, разрушение бетона может иметь скорость более 1,2 мм в год, что по аналогии с табл. 5.2. РВСН 20-01-2006 (Санкт-Петербург) характеризует среду как сильноагрессивную. По аналогии с вышеуказанной таблицей было принято:

• сильная степень агрессивности присваивается грунтам, имеющим значение (С_гк +С_фк)/С_орг > 50,

• средняя степень агрессивности присваивается грунтам, имеющим значение 20 >(С_гк +С_фк)/С_орг <50,

• слабая степень агрессивности присваивается грунтам имеющим значение (С_гк +С_фк)/С_орг < 20 [1].