Разрушение фундамента вызванное химическими и электрохимическими процессами

Обновлено: 02.05.2024

Виды коррозии металлов. Классификация процессов. Механизмы коррозии.

Жизнь современного человека нельзя представить без металлов. Они окружают нас везде - это и бытовая техника в наших домах, и транспортные средства, на которых мы добираемся до дома или работы, и смартфоны, без которых многие из нас не представляют жизнь. Почти всё, что нас окружает состоит из металлов, но, к сожалению, как и всё в этом мире, они не вечны и под действием внешней среды разрушаются - корродируют.

Почему коррозия «выгодна» для металлов? Дело в том, что большинство из них существуют в природе в химически связанном состоянии, например, в виде оксидов (корунд) или сульфидов (пирит). В чистом виде почти все металлы неустойчивы и чтобы выделить их из соединений приходится затрачивать немалую энергию. Обратный же процесс, когда металлы переходят в связанное состояние, всегда термодинамически более выгоден. Поэтому он происходит самопроизвольно, а металлы при любой возможности стремятся вступить в реакцию со своим окружением и перейти в более устойчивую форму. Иллюстрация этого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема восстановления металла из руд с последующей коррозией (окислением). Э – условный уровень энергии.

Коррозия приводит к огромным экономическим затратам, а её следствием становятся глобальные экологические катастрофы. Потеря металлофонда от коррозии составляет порядка 12% в год.

Помимо прямых потерь существуют и косвенные потери, вызываемые коррозией:
• из-за простоя оборудования вызванных авариями;
• из-за снижения мощностей оборудования;
• из-за снижения качества продукции;
• на ликвидацию последствий аварии;
• на ремонт оборудования;
• на дальнейшую защиту от коррозии.

2. Классификация коррозионных процессов по определяющему механизму.

2.1 Химическая коррозия металлов.

Химическая коррозия – это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой. Такая коррозия не сопровождается протеканием электрического тока и обычно идет при отсутствии влаги.

Химическая коррозия подчиняется законам кинетики гетерогенных реакций. Пример - окисление магния на воздухе:

Термодинамическую устойчивость металла можно оценить по изменению свободной энергии Гиббса в коррозионной реакции. Коррозия возможна, если энергия Гиббса меньше нуля ∆G <0.

Например, для окисления железа на воздухе по реакции:

изменение энергии Гиббса имеет вид:

∆ G_х 0 – изменение энергии Гиббса отдельных компонентов, кДж/моль;
υ – стехиометрический коэффициент реакции.

∆G 0 = 1*(-244,3) +1*(-740,3) – 3*0 – 2*0 = -984,6 кДж/моль.
∆G 0 = -984,6 кДж/моль, из чего можно сделать вывод, что реакция окисления железа протекает самопроизвольно.

Примеры изменения ∆G для некоторых других металлов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Изменение энергии Гиббса при ионизации металлов.

В зависимости от условий эксплуатации устойчивость металлов может существенно меняться. Для большинства из них с ростом температуры термодинамическая вероятность окисления снижается.

2.2 Электрохимическая коррозия металлов.

Электрохимическая коррозия – это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (электролитом), сопровождающийся окислением металла и восстановлением акцептора из коррозионной среды.

Электрохимическая коррозия подчиняется законам электрохимической кинетики. Она представляет собой переход металла из свободного состояния в связанное с потерей электронов. Скорость такой коррозии зависит от электродного потенциала самого металла.

Современная теория, объясняющая электрохимическую коррозию, была предложена советским учёным, доктором химических наук Яковом Михайловичем Колотыркиным.

В основе этой теории лежит предположение, что вся поверхность металла равнодоступна и для катодной для анодной составляющей процесса коррозии.

Электрохимическая коррозия включает в себя 4 основных стадии (рисунок 2):
1. Растворение металла Me (ионизация) и высвобождение электронов (е);
2. Перенос электронов по металлу (количество их в элементарной стадии - z);
3. Восстановление деполяризатора D (присоединение е);
4. Перенос ионов по раствору электролита.

Рисунок 2 – Схема работы коррозионного элемента.

Электрохимическая коррозия представляет собой совокупность двух протекающих реакций:

Термодинамическая возможность протекания электрохимической коррозии определяется равновесным потенциалом, если он больше 0, то коррозия возможна.

Из формулы можно сделать вывод, что реакция возможно тогда и только тогда, когда потенциал деполяризатора больше потенциала металла Е_D > E_Ме.

Деполяризаторы в водных растворах:

• в кислых средах:

• в нейтральных и щелочных:

Если в качестве деполяризатора выступает гидроксил ион или вода, то принято говорить, что коррозия идёт с водородной деполяризацией, если деполяризатором выступает кислород – кислородная деполяризация. Очень часто бывают случаи смешанной деполяризации, при ней одновременно восстанавливаются и водород, и кислород.

2.3 Биологическая коррозия металлов.

Биокоррозия – это разрушение металла, вызванное непосредственно или косвенно жизнедеятельностью бактерий, плесени и грибов.

Данному типу коррозии подвержены абсолютно все материалы и изделия известные человеку. Это обусловлено образованием окислительных ферментов, вызывающих разрушение различных субстратов с образованием органических кислот. Данные кислоты также оказывают разрушающее действие на материалы.

Например, вырабатываемые грибками органические кислоты вызывают питтинговую коррозию углеродистой стали в трюмах или алюминиевых топливных баков.

2.4 Кавитационная коррозия металлов.

Кавитационная коррозия – это разрушение, возникшее вследствие удара под воздействием текучей среды (потока жидкости или газа). Проявляется при схлопывании на поверхности металла пузырьков газа, сопровождающееся гидравлическим ударом.

2.5 Эрозия.

Эрозия – износ и выбивание частиц металла с поверхности под влиянием твёрдых частиц, находящихся в потоке жидкости. Эрозия металла ускоряется коррозионным действием среды. Иными словами, потеря материала происходит не только вследствие механического действия потока, но и в результате некоторого электрохимического процесса. Иллюстрация процесса эрозии приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Пример эрозионной коррозии.

3. Классификация коррозионных процессов по условиям протекания коррозии.

• Газовая коррозия протекает в газовой фазе с минимальным количеством влаги. Данная коррозия возникает при контакте металлов с агрессивными газами (галогены, кислород, оксид серы).
• Атмосферная коррозия протекает в атмосфере воздуха или другого влажного газа.
• Жидкостная коррозия – это коррозия, протекающая в различные рода жидкостях.
• Подземная коррозия – это коррозия металла, возникающая в следствии неоднородностей почвы, грунта.
• Коррозия в условиях криптоклимота происходит в условиях замкнутого пространства.
• Радиационная коррозия вызвана действием радиационного излучения.
• Морская коррозия возникает из-за депассивирующего свойства ионов хлора.
• Структурная коррозия связанна со структурной неоднородностью металлов.
• Коррозия, возникающая под действием блуждающих токов.

4. Классификация коррозионных процессов по характеру коррозионного разрушения.

4.1 Контактная коррозия.

Контактная коррозия образуется при контакте разных металлов в присутствии электролита или влажного воздуха. В образовавшейся гальванопаре, металл с более электроотрицательным потенциалом становится анодом и разрушается в первую очередь, тогда как более электроположительный металл – катодом.

В качестве примера можно рассмотреть железо (рисунок 4). Цинк, алюминий и кадмий (последний - в солевой среде) являются анодами для стали, а значит именно они будут окисляться в первую очередь, тогда как олово, хром, медь, свинец, никель – катодами, а значит железо будет подвержено глубокой локальной коррозии, пример изображён на рисунке.

Рисунок 4 – Примеры контактной коррозии на стали.

4.2 Щелевая коррозия.

Щелевая коррозия – это коррозия, возникающая в случаи, если часть металла изолирована от основного участка неметаллическим материалом (резиной, деревом, пластиком и т.д.). Пример такой коррозии можно наблюдать в трубах в месте соприкосновения с сальником (рисунок 5). Образование полости под сальником вызывает протечки в трубах. При наличии таких неровностей коррозионная жидкость застаивается в щели, где и происходит бурная коррозия металла.

Причиной щелевой коррозии является пониженная концентрация окислителей в зазорах по сравнению с объёмом раствора и замедленный отвод продуктов коррозии. В результате их накопления меняется pH раствора в щели, что так же ускоряет коррозию.

Металл в щели и металл открытой поверхности образуют макропару:

Me - 2е = Me 2+ (внутри щели)
0,5О₂ + H₂O + 2е = 2ОН - (на поверхности металла)

Поскольку площадь открытой поверхности гораздо больше, чем внутри щели, плотность тока коррозии внутри щели оказывается чрезвычайно высокой.

Рисунок 5 – Кислородная концентрационная ячейка под сальником.

По мере протекания коррозии внутри щели накапливается избыточный положительный заряд. Ионы ОН- устремляются в щель, чтобы нейтрализовать этот заряд. В результате, на внутренней поверхности щели осаждается гидроксид металла, что ещё больше сокращает эффективную площадь анода.

4.3 Питтинговая коррозия.

Питтингом называют глубокие поражения (точечные язвы) на поверхности металла (рисунок 6). Питтинговая коррозия, вследствие своей локализованности и малой заметности, является одним из наиболее опасных видов коррозионного разрушения. Не следует путать питтиговую коррозию с питтингом на никелевых покрытиях.

Так как пассирующий слой на поверхности металла не является гомогенной системой, то коррозия возникает из-за наличия анодных и катодных участков на поверхности. В возникшей гальванопаре анодом является питтинг, а катодом – остальная часть поверхности. На аноде происходит высвобождение электронов, которые восстанавливают кислород на катодной пассивированной части поверхности.

Рисунок 6 – Виды питтингов: а – открытый с защитным слоем на окружающей поверхности; б – закрытый, без окружающего защитного слоя; в – закрытый, с окружающим защитным слоем. 1 – металл; 2 – раствор; 3 – защитный слой; 4 – пористые продукты коррозии; 5 – крышка над питтингом; 6 – отверстия в крышке.

Развитию питтинга способствуют различного рода дефекты на поверхности пассивной плёнки, например, царапины, сколы, поры, посторонние включения. Также для возникновения питтинга необходимо, чтобы в растворе одновременно находились активаторы питтинговой коррозии (Cl - , Br - , J - , CN - ) и пассиваторы металла (OH - , SO₄ 2- , NO₃ - ,ClO₄ - ).

4.4 Межкристаллитная коррозия.

Межкристаллическая коррозия возникает из-за разницы потенциалов на границе зерна и в его матрице (рисунок 7).

На воздухе на границе зерна образуется карбидная фаза, что сдвигает потенциал в область более электроотрицательных значений. Таким образом граница зерна является анодом по отношению к их матрице.

Наиболее опасен данный тип коррозии для сплавов, так как в месте скопления более электроотрицательного металла будет образовываться анод, а основного – катод. Например, для нержавеющих сталей, содержащих хром, вблизи границ зёрен содержание хрома оказывается ниже, чем на остальной поверхности, что делает их менее пассивированными. Вследствие этого такие места становятся анодами по отношению к матрице зерна.

Рисунок 7 – Межкристаллическая коррозия нержавеющей стали: 1 – катод; 2 – анод; 3 – карбидная фаза; 4 – зона, обеднённая хромом; 5 – граница зёрен.

4.5 Фреттинг-коррозия.

Фретинг-коррозия происходит между двумя поверхностями, находящимися в непрерывном контакте друг с другом и совершающими малые колебания. Поверхности никогда не отрываются друг от друга, поэтому в точках механического контакта происходит накопление осколков продуктов коррозии.

Данная коррозия возникает при незначительных колебаниях, циклических или возвратно-поступательных движений с малыми амплитудами и скоростями.
Этой коррозии подвергаются болты, заклёпки, шарниры, муфты, клапаны, детали двигателей и пр.

4.6 Коррозионное растрескивание под напряжением.

Коррозионное растрескивание под напряжением возникает, когда металлическое изделие подвержено растяжению в коррозионной среде. Тогда даже при напряжениях ниже напряжения разрушения происходит растрескивание, в конце концов, приводящее к разрушению конструкции или изделия.

На растянутых участках металла идёт коррозия, поскольку они оказываются анодами по отношению к нерастянутой части. Это явление наблюдается на любых металлах и сплавах, а также в любых средах.

4.7 Коррозионная усталость.

Коррозионная усталость возникает вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механической нагрузки.

Коррозионная усталость часто бывает причиной «неожиданного» разрушения металлических деталей, так, если деталь, находящаяся в коррозионном окружении, подвержена непрерывным вибрациям, её разрушение происходит при напряжении гораздо ниже предела выносливости.

5. Коррозия отдельных металлов.

Скорости годовой коррозии некоторых металлов и сплавов в различных средах приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Скорости коррозии мм/год конструкционных металлов в различных средах.

5.1 Коррозия железа и сталей.

Самыми распространёнными конструкционными металлами были и остаются сплавы на основе железа - стали (С < 2,14% от общей массы) и чугуны (C > 2,14% от общей массы). Железо наиболее подверженный атмосферной коррозии металл по причине выделения водорода и кислородной деполяризации. Для стали наиболее опасна питтинговая коррозия.

Коррозия железа начинает протекать при относительной влажности более 75%. Если необходимый для деполяризации кислород отсутствует, то в качестве акцептора электронов могут выступать ионы железа (III), восстанавливаясь до железа (II), которые затем взаимодействуют с кислородом и окисляются снова до железа (III).

2Fe 2+ + 2H + + 0.5O₂ = 2Fe 3+ + H₂O

Таким образом ионы железа (III) выступают в роли переносчика кислорода, ускоряя коррозию.
Реакция коррозии железа в атмосферном воздухе приведена в начале статьи.

Образование оксидной защитной плёнки на поверхности железа возможно только в присутствии сильного окислителя, например, азотная кислота. В обычных же условиях окисная пленка на железе рыхлая и пористая, т.е. не способна защитить его от коррозии.

Для защиты от коррозии сталь легируют добавлением некоторых компонентов. Их влияние можно обобщить следующим образом:
• Медь до 0,2% повышает коррозионную стойкость в атмосферных условиях.
• Фосфор до 0,1% в комбинации с медью также повышает коррозионную стойкость, но никак не защищает от питтинга.
• Хром и никель снижают скорость коррозии благодаря тому, что образуют на поверхности стали защитную плёнку. Хром в количестве 13% существенно замедляет скорость коррозии. При легировании хромом более 30% сталь становится также устойчива и к питтинговой коррозии.
• Кремний повышает стойкость против питтинговой коррозии, но увеличивает вероятность межкристаллической коррозии.

При использовании материалов на основе железа в прибрежной атмосфере следует применять катодную защиту. В промышленности, поверхность сталей следует защищать от коррозии защитными покрытиями, а также применять подходящие ингибиторы коррозии. Чаще всего в качестве защитного покрытия применяют цинк и его сплавы, кадмий, порошково-полимерные и цинкнапоолненные краски.

5.2 Коррозия алюминия и его сплавов.

Вторым по популярности конструкционным материалом являются сплавы на основе алюминия. Потенциал алюминия -1,66 В, что свидетельствует об его высокой активности и реакционноспособности. Несмотря на это, алюминий имеет большую склонность к пассивации и обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии. В пассивном состоянии поверхность алюминия покрыта тонкой плёнкой оксидов (байерит). Однако данная плёнка устойчива только в нейтральных средах (4,5 < pH < 8,5). В концентрированных кислотах неокислительного характера или в щелочах алюминиевые изделия подвергаются сильной коррозии.

Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:

Реакция взаимодействия алюминия с водой:

Чистый алюминий проявляет высокую коррозионную стойкость и пластичность, но обладает низкой механической прочностью. Для повышения прочности и способности к тепловой обработке добавляют легирующие компоненты.

Добавление легирующих компонентов, потенциал которых более электроположительный чем потенциал алюминия, приводит к образованию катодных и анодных зон. Например, при добавлении в сплав меди образуется интерметаллидная фаза CuAl₃. Являясь катодом по отношению к основному металлу, CuAl₃ осаждается на границе зерна, из-за чего области вблизи этих границ оказываются обеднёнными медью и будут являться анодами по отношению к самим границам зёрен, вызывая межкристаллитную коррозию.

Частным случаем коррозии алюминия с участием интерметаллидов являются так называемые "черные точки". Коррозия такого типа идет в три этапа:
• появление черных точек на поверхности алюминия в зонах локальной концентрации интерметаллидов;
• чёткое проявление границ интерметаллидов,
• растворение интерметаллидов и образование несплошностей в виде глубоких питтингов и язв.

На крупногабаритных деталях этот эффект проявляется особенно сильно. Часто точки могут возникать при травлении и анодировании алюминия. Сразу после травления точки могут быть не видны, т.к. они скрыты под слоем травильного шлама. Но если деталь промыть и дать высохнуть на воздухе, то со временем шлам желтеет и черные точки становятся легко различимы невооруженным глазом (рисунок 8).

Рисунок 8 - Пример черных точек на травленом алюминии Д16.

Стандартные электродные потенциалы различных сплавов алюминия и некоторых интерметаллидов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Стандартные электродные потенциалы сплавов алюминия и интерметаллидов.

Сплав или интерметаллид

Стационарный потенциал, мВ

* За стационарные потенциалы принимали потенциал, установившийся через 24 часа в 3%-м рас-творе хлорида натрия по хлорид-серебрянному электроду.

Добавление более электроотрицательных компонентов, таких как магний, увеличивает пассивацию алюминия, благодаря чему коррозионная стойкость возрастает.

Наиболее популярными покрытиями для защиты алюминия и его сплавов от коррозии являются анодирование, химическое никелирование и многослойные покрытия на основе меди, никеля, серебра и олова.

5.3 Коррозия меди и её сплавов.

Чистая металлическая медь имеет потенциал 0,337 В, благодаря чему в обычной атмосфере обладает неплохой коррозионной стойкостью. Она не разрушается под действием неокисляющих кислот или в присутствии депассиватора. Разрушение меди начинается в присутствии окисляющих кислот (азотная кислота и пр.), органических кислот, а также комплексообразователей.

Несмотря на то, что медь практически не взаимодействует с кислородом, при контакте с влажным воздухом медь начинает разрушаться. Образовавшиеся продукты коррозии нерастворимы и предотвращают дальнейшую коррозию металла.

Из-за высокой теплопроводности и неплохой коррозионной стойкости в воде медь популярна в конструкциях теплообменников или трубопроводов. Однако медь подвержена кавитационной и эрозийной коррозии. Чтобы предотвратить данную коррозию медь легируют.

В большинстве случаев легирующие элементы придают меди не только более высокую коррозионную стойкость, но и улучшают её механические свойства. Наиболее распространёнными легирующими элементами являются цинк, никель, олово, алюминий и кремний.

Сплавы меди с цинком, при содержании последнего в диапазоне от 15% до 50%, называются латунями. Латунь обладает высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью и стойкостью к действию сульфидов. Цинк, будучи более реакционноспособным металлом по сравнению с медью, легко подвергается селективному выщелачиванию. В этом случае на поверхности латуни можно наблюдать отложения меди характерного красного цвета.

Среди прочих сплавов меди особое значение имеет сплав с оловом. Добавка олова значительно повышает предел усталости и в то же самое время позволяет сохранить коррозионную стойкость.

5.4 Коррозия других металлов.

Титан является катодным металлом по отношению большинству прочих металлов и сплавов. На нём легко образуется оксидная плёнка, устойчивая к действию большинства кислот, в том числе соляной. Благодаря сочетанию своих свойств: высокой прочности, низкому удельному весу, высокой коррозионной стойкости, стойкости к высокотемпературному окислению и высокой точке плавления, титан получил применение в самолётостроении.

Никель обладает рядом физических и механических свойств сравнимых с малоуглеродистой сталью. В то же самое время никель обладает более высокой коррозионной стойкостью. В качестве легирующего элемента никель повышает коррозионную стойкость таких металлов, как железо и медь. Чистый никель почти не подвержен контактной коррозии, поскольку благодаря образованию защитной оксидной плёнки является катодом по отношению к большинству металлов. Оксидная плёнка никеля устойчива к действию щелочей.

Кобальт во многих отношениях схож с никелем. В сочетании с хромом кобальт образует сплавы, обладающие превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению. Подобно никелю кобальт может быть легко запассивирован, особенно при добавлении в него хрома.

Свинец демонстрирует высокую коррозионную стойкость к серной кислоте. Свинцом покрывают ёмкости и трубы, находящиеся в контакте с этой кислотой. Добавление 3-6% сурьмы повышает механическую прочность свинца. Однако слишком большая доля сурьмы нежелательна, поскольку она ухудшает коррозионные свойства свинца, сурьма легко подвергается действию серной кислоты.

Цинк и его сплавы нельзя применять в коррозионных атмосферах. Этот металл является слишком анодным и не образует практически никакой защитной плёнки.

Почти все благородные металлы демонстрируют высокую коррозионную стойкость в любых кислых и щелочных средах. Серебро и его сплавы растворяются в окисляющих кислотах, но являются устойчивыми по отношению к восстанавливающим. Золото и платина устойчивы к действию даже окисляющих кислот. Они растворимы в так называемой царской водке.

1.2. Виды разрушения фундаментов в процессе эксплуатации (ч. 2)

В одном из электролизных цехов [16] предприятия цветной металлургии через 5—6 лет после его реконструкции оказались в аварийном состоянии фундаменты, стены подвалов и подземные конструкции. Защитный слой бетона полностью разрушился, оголив прокорродированную арматуру. Железобетонные подземные колонны почти полностью потеряли несущую способность и их пришлось заменить кирпичными столбами.

Весьма опасными являются случаи, когда насыщенный солями грунт становится электролитом и в него проникают блуждающие токи электролизных цехов. Так, на одном алюминиевом заводе грунтовая вода под электролизерами, имевшими недостаточно надежную изоляцию, нагрелась до 100°С, в результате чего были разрушены все фундаменты. На другом заводе нагрев основания под ваннами достиг 60°С.

На одном из комбинатов искусственного волокна здание с камерами для кристаллизации серы, поставленными на грунт, разрушилось через 3 года. При этом ускоренному разрушению способствовали проливы раствора серной кислоты,

В электролизных цехах наибольшие разрушения отмечаются в фундаментах свайного типа, имеющих большую длину и малое поперечное сечение. Объясняется это неравномерным отеканием тока по глубине.

Разрушение ступенчатых фундаментов опор контактной сети и электролизных цехов в первую очередь происходит в зоне, которая расположена выше обреза верхней ступени, а затем распространяется вниз. При этом трещины в фундаментах могут соединять анкерные болты, расположенные в противоположных углах фундамента.

Воздействие смазочных материалов на фундамент также может явиться причиной его разрушения. Так, железобетонные фундаменты под наружные масляные трансформаторы и разъединители на подстанциях систематически обливают маслом, что вызывает их интенсивную коррозию [14]. Разрушению подвергаются фундаменты компрессоров, на которые систематически воздействуют проливы смазочных материалов.

Нарушение режима работы технологического оборудования часто приводят к перераспределению нагрузок на фундаменты и, как следствие, к их разрушению. Разрушение фундаментов от нарушения режима работы технологического оборудования (динамического, подъемно-транспортного и др.) проявляется настолько разнообразно, что установить определенные закономерности причин, вызывающих эти нарушения, не всегда удается полностью. Характерные случаи разрушений фундаментов машин с динамическими нагрузками рассмотрены в работе [7].

Причиной разрушения фундаментов могут явиться неучтенные при проектировании нагрузки. В этом отношении поучительным является разрушение железобетонного фундамента неподвижной анкерной опоры транспортной галереи [17], которое произошло в результате воздействия неучтенной горизонтальной нагрузки, вызванной температурным изменением длины транспортной галереи в зимнее время при жесткой заделке конца галереи на фундаменте.

Наиболее распространенными являются разрушения фундаментов из-за некачественного выполнения строительных работ [5, 6, 7, 9, 10, 11 и др.]. В отдельных случаях это влечет за собой аварию сооружения. В качестве примера можно привести аварию элеватора (рис. 1.2, а), состоящего из четырех рабочих корпусов (24x36 м) и главной рабочей башни высотой 62 м. Железобетонные колонны подсилосного этажа сечением 500×500 мм и шагом 3 м были установлены в стаканы, выполненные на монолитной железобетонной плите толщиной 450 мм (рис. 1.2, б). Спустя 2 года после начала эксплуатации при полной загрузке элеватора под одним из корпусов крайние колонны продавили плиту и на разную глубину (до 3 м) вдавились в грунт — маловлажный практически непросадочный лессовидный суглинок. Колонны имели отклонение от вертикали в сторону обрушения (рис.1.2, в), часть из них была разрушена. Как показало обследование, фактическая марка бетона фундаментной плиты была ниже проектной. Причина того, что бетон был низкой марки, состояла в том, что бетонная смесь готовилась на месте в кустарных условиях, без соблюдения точной дозировки составляющих компонентов. Бетонирование плиты выполнялось в зимнее время без прогрева бетона.

Электрохимическая коррозия – почему разрушаются металлы?

Электрохимическая коррозия представляет собой процесс разрушения металла в результате воздействия на него гальванических элементов, образование которых становится возможным в коррозионной среде.

1 Немного информации о коррозии металла

Обычно под коррозией металла понимают его окисление под влиянием кислот, которые присутствуют в растворах, контактирующих с металлическим изделием, либо кислорода воздуха. Коррозия наиболее часто поражает металлы, находящиеся левее водорода в так называемом ряду напряжений. Впрочем, коррозионному разрушению подвержены и многие другие материалы (неметаллические), например строительный бетон.

Коррозия возникает в результате какого-либо электрохимического или химического процесса. По этой причине ее принято подразделять на электрохимическую и химическую.

Коррозия приводит к различным разрушениям материала, которые могут быть:

неравномерными и равномерными;
местными и сплошными.

Если металл испытывает механические напряжения в дополнение к негативному влиянию внешней среды, наблюдается активизация (и существенная) всех коррозионных проявлений, что вызвано разрушением на поверхности изделий оксидных пленок и уменьшением показателя термоустойчивости материала.

Стоит сказать, что в некоторых случаях коррозионные процессы вызывают восстановление, а не окисление компонентов, входящих в различные металлические сплавы. Ярким примером этого является восстановление водородом содержащихся во многих сталях карбидов (такой нестандартный процесс происходит при высоких температурах и давлениях).

2 Электрохимическая коррозия и коррозионный элемент – что это?

Такая коррозия признается наиболее распространенной. Появляется она в том случае, когда среда, характеризуемая электролитической проводимостью, взаимодействует с металлом. Другими словами, ее первопричиной можно смело называть неустойчивость (термодинамическую) металлов в средах, где они находятся. Известные любому человеку примеры такой коррозии – ржавление на открытом воздухе конструкций и изделий из чугуна и разных марок стали (высоколегированной стали, углеродистые стали и так далее), днищ судов в морской воде, инженерных коммуникаций и трубопроводов, по которым транспортируются разнообразные жидкости и агрессивные составы.

Коррозионный элемент (его обычно называют гальваническим) образуется тогда, когда два металла, имеющие разные потенциалы (окислительно-восстановительные), соприкасаются. Такой элемент – это обычная гальваническая ячейка замкнутого типа. В указанной ячейке металл с меньшим потенциалом медленно растворяется, а второй компонент (с большим потенциалом) обычно не изменяет своего состояния.

Подобным изменениям чаще всего подвергаются металлы, у которых величина отрицательного потенциала высока. В них процесс ржавления (формирования коррозионного компонента) начинается уже тогда, когда на поверхность попадает малый объем постороннего включения.

3 Гальванические элементы и электродные процессы в них

Описанные гальванические элементы образуются по разным причинам. Прежде всего, они могут формироваться из-за неоднородности сплава, что приводит к:

неравномерности распределения пленок оксидов на поверхности материала;
неоднородности металлической фазы;
присутствию кристаллов на границах зерен;
различиям в процессе формирования вторичных продуктов ржавления;
анизотропности кристаллов.

Также гальванические ячейки возникают в силу следующих причин:

неоднородности температуры, влияний внешних токов и облучения;
наличия зон, в которые окислитель поступает ограниченно.

Всегда нужно помнить о том, что электрохимическое ржавление подразумевает протекание в один и тот же момент времени двух процессов – анодного и катодного. С точки зрения кинетики они напрямую связаны между собой. Основной металл всегда растворяется на аноде (окислительная реакция).

Под катодным процессом понимают ситуацию, когда "лишние" электроны поглощаются атомами либо молекулами электролита. После чего происходит восстановление электронов. Катодный процесс замедляется, если отмечается замедление анодного процесса. Как видим, механизм электрохимической коррозии совсем несложен для понимания. Разобраться с ним может любой человек.

4 Что представляет собой химическая коррозия?

Под таким явлением понимают разрушение металла, вызываемое контактом коррозионной среды и материала. Причем при подобном взаимодействии наблюдается сразу два процесса:

коррозионная среда восстанавливается;
металл окисляется.

Электрохимическая коррозия металлов отличается от химической тем, что последняя протекает без электротока. А первопричина этих видов коррозии, коей является термодинамическая неустойчивость, остается неизменной. Металлы легко переходят в разные состояния (включая и более устойчивые), причем в этом случае отмечается снижение их термодинамического потенциала.

Существуют далее приведенные виды химкоррозии:

в жидких составах, которые не причисляются к электролитами;
газовая.

К жидкостям-неэлектролитам относят составы неспособные проводить электроток:

неорганические: сера в расплавленном состоянии, жидкий бром;
органические: бензин, керосин, хлороформ и иные.

Неэлектролиты в чистом виде с металлами не контактируют. Но при появлении в жидкостях совсем малого числа примесей сразу же "стартует" химическая коррозия металлов (причем весьма бурная). В тех ситуациях, когда реакция проходит еще и при повышенных температурах, ржавление будет происходить намного интенсивнее. А если в неэлектролитические жидкости попадает вода, запускается механизм электрохимической коррозии, описанный нами выше.

Процесс ржавления (химического) чаще всего идет в пять этапов:

сначала к поверхности металла подходит окислитель;
на поверхности стартует хемосорбция реагента;
после этого начинает формироваться оксидная пленка (взаимодействие металла и окислителя);
отмечается десорбция материала и оксидов;
фиксируется диффузия в жидкость-неэлектролит оксидов.

Два этапа, указанные последними, отмечаются не каждый раз.

5 Газовая коррозия – какими особенностями она описывается?

Под воздействием газов металлические поверхности могут разрушаться в том случае, когда имеется высокая температура. Данное явление специалисты именуют газовой коррозией, которая признается самым распространенным вариантом химического ржавления. Известная всем вариация подобного процесса – контакт кислорода и металлической поверхности, которая характеризуется двумя показателями:

давлением при конкретной температуре диссоциации оксидных паров;
давлением (парциальным) кислорода.

Если давление кислорода меньше давления диссоциации, появляется чистый металл, если больше – образуется окисел. При равных величинах реакция будет полностью равновесной. Учитывая это, можно без труда рассчитать, при каких температурах возникнет опасность коррозии.

Химическая коррозия протекает с разной скоростью. Конкретная величина последней находится в зависимости от далее приведенных факторов:

Как влияет влага на фундамент

Вода в природе встречается повсеместно: это и осадки, и грунтовые воды, поверхностные стоки. Влияние этих факторов негативно сказывается на долговечности строительных конструкций и может привести к полному или частичному разрушению элементов зданий. Поэтому так важно позаботиться о своем будущем строении еще на этапе разработки котлована (например, может понадобиться водоотлив, если в яме «стоит» вода) и заложении фундамента. Правильная гидроизоляция — залог длительной эксплуатации здания.

Виды негативного воздействия влаги на фундамент

Вода замерзая, то есть, переходя в твердое состояние, увеличивается в объеме. При проникновении воды в микроотверстия и трещины любой даже сверхпрочной конструкции и последующем снижении температуры воздуха ниже 0°С наблюдается их расширение и увеличение, вплоть до разрушения фундамента в таких местах на отдельные части. Увеличение объема грунта (за счет содержащейся в нем воды) называют силами морозного пучения. Последствия воздействия таких сил серьезны: от появления трещин в фундаменте до его раскола и дальнейшего разрушения.

Не менее пагубное действие на фундамент оказывает наличие примесей в воде, находящейся в верхних грунтовых слоях, в том числе той, которая выпадает в виде дождя и снега. Такая вода содержит агрессивные химические соединения. Это могут быть производственные технические выбросы, химикаты, использующиеся в сельском хозяйстве, отработанные нефтепродукты, выхлопы автомобилей и пр. Их влияние проявляется в виде поверхностной эрозии бетона, что приводит к потере прочности и крошению конструкции.

Химическая «агрессия» совместно с растворенным в воде кислородом стимулируют коррозию защитного слоя арматуры в фундаменте. При этом помимо уменьшения прочностных свойств армированной конструкции происходит формирование внутренних углублений в материале и последующее отслоение верхних бетонных слоев.

Вымывание. При постоянном воздействии воды, пусть даже полностью чистой, происходит градационное смывание с поверхности конструкции крупиц материала, что приводит к формированию поверхностных дефектов (пор, каверн).

Классификации влаги и ее влияние на фундамент

В зависимости от условий залегания воды можно классифицировать на поверхностные (фильтрационные), почвенную влагу и грунтовые воды. Каждый вид обладает уникальными особенностями, которые стоит знать и учитывать при гидроизоляции фундамента.

Верхний (фильтрационный) слой

Верхний фильтрационный слой влаги – это вода, представляющая собой выпавшие осадки, результат снеготаяния или наружного разлива (применение воды в сельском хозяйстве или в быту, непредвиденные порывы водопроводных сетей и пр.). Если на пути воды встретился влагонепроницаемый участок почвы, имеющий подобное свойство за счет высокого расположения, то этот земной пласт образует довольно устойчивый горизонт, называемый верховодкой.

Наполненность фильтрационного слоя всегда зависит от погодных условий, сезона, количества выпавших осадков. Концентрацию этого слоя нельзя назвать постоянной величиной. Для снижения уровня влияния верхнего слоя воды на фундамент необходимо позаботиться о сооружении не только хорошей гидроизоляции, но и качественной системы ливневки.

Почвенная влага

Грунтовая (почвенная) вода находится в верхних слоях почвы. Удерживает этот вид влаги капиллярность грунта или способность его поверхности сцепляться с различными телами. Насыщенность грунтовой влаги – величина постоянная, не зависящая от количества выпавших осадков, сезона и пр. Динамическое и вымывающее действие нагрузок на фундамент почвенная влага не оказывает. Ее негативное влияние сводится к капиллярному проникновению в толщу материала и воздействию химических соединений.

Чтобы защитить основание дома от негативного воздействия грунтовой влаги, достаточно создать влагонепроницаемый слой гидроизоляции фундамента. Если имеются чересчур влажные участки грунта, с предрасположенностью к нарастающему переувлажнению почвогрунта и изменению почворастительного покрова, то нужно провести дренаж фундамента и отвод воды от дома.

Подземные грунтовые воды

Подземные грунтовые воды представляют собой верхние аквиферы, типичные для определенного региона и совокупности неровностей его земной поверхности. Глубина залегания этих водоносных горизонтов зависит от местонахождения водоупорных пластов почвы. Концентрация аквифер зависит от сезонных факторов. Речь идет об обильности снеготаяния, продолжительности дождей или, наоборот, установившегося бездождия.

Для наглядного ознакомления с глубиной залегания таких аквифер и связанных с погодными изменениями разных времен года ее колебаниями можно прибегнуть к наблюдению состояния колодца, который имеется поблизости. Это может быть как обычный, так и дренажный колодец. Верхние водоносные слои могут не только проникать внутрь конструкции основания здания, но и оказывать давление столба воды над условным уровнем на ту часть фундамента, которая заглублена. Если такие слои залегают высоко, то нужно выполнить весь объем гидроизоляционных работ, включая монтаж результативной качественной дренажной системы по периметру всего дома.

Деформация фундамента: причины, виды

С течением времени любое сооружение, его конструктивные части подвержены физическому износу. Нередко процессы постепенного разрушения, в том числе деформация фундамента, начинают проявляться значительно раньше расчетного срока службы строения. Причина - воздействие на фундамент и основание многих негативных факторов одновременно, поэтому сложно выделить основную причину, сокращающую срок эксплуатации сооружения.

Причины деформации фундаментов и сооружений

Грунты - структура нестабильная. В процессе строительства, в период эксплуатации объектов под влиянием многотонной нагрузки, других воздействий в их основании происходят процессы, которые не были спрогнозированы при строительстве. Можно выделить несколько причин, в числе которых:

использование некачественных стройматериалов;
нарушение строительных технологий;
ошибки в конструкторских расчетах (чрезмерная нагрузка на фундамент);
избыточное водонасыщение грунта в основании;
появление полостей (промывов) под строением;
химическое воздействие на фундамент;
нарушение правил эксплуатации и ремонта сооружения;
увеличение статической нагрузки (достройка этажа, внутреннее переоснащение объекта тяжелым оборудованием);
динамическое воздействие на фундамент сторонних объектов и процессов.

Наиболее распространенной причиной деформации фундаментов зданий, сооружений является водонасыщение грунта в основании (подтопление при авариях коммунальных сетей, дождевыми стоками).

ВНИМАНИЕ! Опасность воздействия аварийных коммунальных стоков не только в изменении прочностных и деформационных свойств породы, но и в их химической активности, что приводит к разрушению бетона, а затем и связующей его арматуры.

Кроме того, зачастую аварии на водопроводе сопровождаются вымыванием грунта в основании строения, образованием промывов (полостей).

Деформация фундаментов зданий может быть вызвана увеличением нагрузки на грунт вследствие строительства рядом нового объекта. Причиной также может стать разрыхление и снижение прочностных свойств породы при рытье рядом котлована, а также вследствие вибрационных (ударных) нагрузок при вбивании свай по соседству.

В расположенных на склоне зданиях деформации основания, фундаментов могут появиться после оползневых подвижек грунта.

Виды деформации фундаментов зданий, сооружений

В зависимости от того, какого рода воздействие претерпевает грунт и опорные конструкции здания, возможно различное проявление деформации фундаментов и сооружений. Это трещины в стенах и цоколе строения, перекосы оконных, дверных проемов (затруднен процесс открывания-закрывания), разрушение штукатурки, появление щелей в местах сопряжения конструкций (плит), крен лестничных проемов, других конструктивных элементов здания. Что может вызвать появление этих дефектов?

Перекос.
Прогиб.
Крен.
Осадка, просадка.

ВАЖНО! Правильно определить причину и вид деформации основания, фундаментов могут только специалисты после осуществления технической инспекции сооружения.

Способы исправления деформации основания, фундаментов

Любое проявление дефектов в здании требует профессионального исследования. Для установления причин деформации фундаментов зданий, сооружений, принятия верных технических решений по упрочнению основания и фундамента, к проведению дефектации необходимо привлекать опытных профильных специалистов.

Наша компания «Изыскания МСК» много лет работает в сфере инженерных изысканий, в том числе на грунтах, претерпевающих техногенное воздействие активной хозяйственной деятельности в промышленных районах области и жилых массивах. Подготовленные нашими специалистами отчеты о проведенных исследованиях позволяют выбрать оптимальный вариант исправления ситуации: осушение, сооружение дренажа, поверхностное, глубинное уплотнение грунта, подводка дополнительных свай, блоков, армирование, закрепление грунта (силикатизация, цементация, смолизация), устройство дополнительных опор.

Не полагайтесь на собственную смекалку, обращайтесь к специалистам при любых дефектах вашего строения. Это может быть сигналом об активно протекающих процессах в грунте.

Читайте также: