Кинетика карбонизации бетона
Долговечность железобетонных конструкций и определяется длительностью периода, в течение которого бетон сохраняет способность поддерживать состояние арматуры. Продолжительность периода, н течение которого корродирующая арматура еще не снижает прочность, относительно мала, и нм можно пренебречь. В большинстве случаев потеря бетоном защитных свойств связана с его карбонацией, следствием котором является снижение pH моровом жидкости н нарушение пассивности поверхности стали. Таким образом, карбонизация является одним из тех процессов, которым в основном определяет долговечность железобетонных конструкций в воздушно-влажном среде.
При карбонизации углекислый газ воздуха, проникая в норы и капилляры бетона, растворяется в паровой жидкости, вступает во взаимодействие с известью и образует карбонат кальция. Процесс может продолжаться до полного израсходования нанести в карбонизированном слое бетона и разложения гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
Наблюдения показывают, что карбонизация происходит не одновременно по всем объеме бетона, а послойно.
Глубина, в которой происходит поглощение углекислого газа, может быть подсчитана, если рассмотреть модель капилляра в цементном камне. Углекислый газ перемещается о капилляре путем нормальной диффузии; при этом молекулы С02 перемещаются с равной скоростью в направлении оси капилляра и в радиальном. Достигая поверхности раздела «газ- жидкость» и растворяясь в пленке жидкости, С02 «реагирует с гидроокисью кальция. Одновременно Са (0Н)2 переходит из твердого состояния в раствор и диффузионным путем перемещается от стенки капилляра к поверхности пленки жидкости
Количество углекислого газа продиффундировавшего за время dt через сечение капилляра, согласно первому закону Фика равняется:
Ориентировочные подсчеты показывают, что поглощение углекислого газа цементным камнем должно происходить в узкой зоне, «глубина котором измеряется долями миллиметра.
Экспериментальные данные подтверждают расчеты. По-слойный анализ образцов из цементно-песчаного раствора на содержание С02 (рнс. I) показывает, что граница между карбонизированным и некарбонизированным слоем обозначена достаточно четко также, как н граница окрашивания при нанесении спиртового раствора фенолфталеина на свежий скол бетона.
Петрографические исследования зоны перехода между карбонизированным и некарбонизированным слоем -на искусственно карбонизированных образцах «показали, что между этими слоями имеется четкая граница, однако можно отметить зону, в которой количество новообразований карбоната кальция постепенно убывает (рис. 2). Глубина переходной зоны составляла 4 мм при общей глубине карбонизации 13 мм. Граница между карбонизированной и некарбонизированной частью бетона совпадала с границей окрашивания фенолфтачеином.
Рассмотрим дна случая. Пусть В = 0.1 мк, т. с. толщина пленки влаги равна радиусу пор. конденсирующих водяные пары При относительной влажности около 100%. Тогда различным радиусам капилляров будут соответствовать следующие величины:
Глубину карбонизации бетона за расчетным период эксплуатации конструкций можно получить по формуле (10).
Отметим, что под влиянием некоторых трудно учитываемых явлении, сопровождающих ускоренную карбонизацию, подсчитанная глубина карбонизации может оказаться несколько завышенной. Таким образом, расчетные данные будут содержать некоторый коэффициент запаса.
Выводы
Экспериментально-расчетным путем показано, что процесс карбонизации цементно-песчаного раствора и бетона протекает с внутренним диффузионным ограничением и описывается уравнениями диффузии.
Предложена методика прогноза длительности сохранения защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в воздушно-влажной среде.