Химическая коррозия в строительстве

Химическая коррозия — разрушение металлов или сплавов, при котором атомы металлов отдают электроны частицам окислителей в одном акте, без посредников.

Металлы корродируют по химическому механизму там, где невозможно возникновение и протекание электрического тока. Эти условия характерны для газовых сред при высоких температурах либо для неполярных растворителей при полном отсутствии воды.

Химическую коррозию подразделяют на следующие виды.

• 1. Коррозия в жидкостях-неэлектролитах, реализующаяся в металлических емкостях для хранения нефтепродуктов или органических растворителей, применяемых в строительстве.
• 2. Газовая коррозия — коррозия, протекающая на границе раздела «металл—газ» при высоких температурах. Например, в двигателях строительных машин. Для сплавов железа химизм газовой коррозии можно выразить суммарным уравнением

Электрохимическая коррозия в строительстве

В природных условиях одним из важнейших факторов окружающей среды является вода — полярный растворитель, создающий электропроводную среду, способствующую возникновению условий для протекания электрохимических реакций, лежащих в основе электрохимической коррозии металлов.

Электрохимической называется коррозия, при протекании которой процессы окисления (анодные реакции) и процессы восстановления (катодные реакции) пространственно разделены, за счет чего в системе возникает электрический ток.

При электрохимической коррозии возникают короткозамкнутые необратимые микрогальванические элементы, в которых возникает электрический ток. На катодных участках восстанавливаются деполяризаторы — ионы или молекулы окислителей. Деполяризаторами могут быть молекулы воды, кислорода и катионы гидроксония Н₃0⁺ (условно обозначают Н⁺). По виду деполяризатора электрохимическая коррозия подразделяется на коррозию с водородной, кислородной, кислородно-водородной деполяризацией.

Водородная деполяризация протекает по схеме:

В нейтральной или щелочной среде она осуществляется за счет восстановления молекул воды:

Кислородная деполяризация идет по схеме:

Она реализуется в растворах, содержащих молекулярный кислород; среда может быть как нейтральной, так и щелочной.

Во многих случаях при коррозии в водных нейтральных и щелочных средах реализуется кислородно-водородная деполяризация, в которой участвуют молекулы кислорода и воды. Рассмотрим примеры электрохимической коррозии металлов.

Коррозия чугуна в соляной кислоте. В чугуне имеются частицы цементита Fe₃C, которые по отношению к другим частям поверхности металла заряжены положительно (катодные участки). Участки, состоящие из чистого железа, заряжены отрицательно (анодные участки). Возникают микрогальванические элементы:

Соляная кислота диссоциирует и создает кислую среду:

Процесс протекает с водородной деполяризацией:

катод (примеси) (+): 2Н⁺ + 2е~ = Н₂; анод (—): (Fe) Fe° — 2е~ = Fe²⁺

суммарно:

• а) в ионном виде: 2Н⁺ + Fe° = Fe^J+ + Н₂;
• б) в молекулярном виде: 2НС1 + Fe = FeCl₂ + Н₂

Кислотная коррозия в строительстве наблюдается при травлении металлов (подготовке для использования в строительных конструкциях) или под воздействием кислотных дождей.

Атмосферная коррозия металлов. В атмосфере содержатся кислород, вода, диоксид углерода. Кроме этого, в качестве примесей воздух может содержать диоксид серы, сероводород и оксиды азота. За счет колебаний температуры воздуха на поверхности стальных изделий происходит конденсация паров воды, образуется пленка жидкости, в которой растворяются различные примеси, содержащиеся в воздухе.

На поверхности металла из-за неравномерной аэрации возникают анодные и катодные участки: на периферии водной пленки кислорода больше, поэтому там появляются катодные участки (кислород оттягивает электроны от поверхностных атомов металла, что приводит к появлению положительного заряда на этой части поверхности). В местах меньшей концентрации кислорода (в центре, под водной пленкой) поверхность заряжается отрицательно (относительно катодных участков); эта часть поверхности становится анодом, т. е. возникают микрогальванические элементы:

Схематически процессы, протекающие при атмосферной коррозии (без учета наличия в водной пленке растворенных кислотных оксидов), можно охарактеризовать так:

В растворе протекают реакции.

При высыхании (при повышении температуры под действием Солнца) возможно протекание реакций:

В общем виде коррозию железа в атмосфере, водных солевых нейтральных и щелочных средах можно описать уравнением.

При атмосферной коррозии возможны процессы и с водородной деполяризацией, так как в водной пленке присутствует угольная кислота (возможно наличие сернистой, сероводородной, азотистой и азотной кислот). Поэтому в продуктах коррозии железа в атмосфере возможно наличие карбоната железа (Н), сульфита, сульфата и других солей.

Особенности коррозии стальной арматуры в бетонах. Коррозия стальной арматуры в бетонах по химизму близка к таковой в атмосфере или в водных солевых растворах. Бетоны — пористые тела, заполненные поровой жидкостью. Вещества, образующие бетон, например алит, подвергаются гидролизу с образованием гидроксида кальция, за счет чего поровая жидкость в бетонах сильнощелочная (pH колеблется от 9,5 до 12,5). В бетоне нет быстрого отвода продуктов коррозии и высокой аэрации раствора, так как он является механической преградой свободному доступу воздуха, чем снижает скорость коррозии. Но воздух постоянно проникает к поверхности металла в строительных железобетонных конструкциях.

В отсутствие высокоагрессивных коррозионных компонентов (хлорид-ионов и др.) сталь может пассивироваться поровой жидкостью. Однако в настоящее время для повышения технологических и эксплуатационных свойств в бетоны вводят различные добавки, способствующие стимуляции коррозии. Кроме этого, разработаны новые виды вяжущих, сокращающие расход цемента, которые не обеспечивают условия пассивации стали. Химизм коррозии стальной арматуры в бетонах описывается практически так же, как и атмосферной коррозии.