Сульфатная коррозия бетона состоит в том, что в жидкой фазе цемента всегда присутствуют и могут активно взаимодействовать с агрессивной средой ионы кальция (Са") и гидроокисла (ОН'). Имеются и другие ионы, но они обычно подавляются большим количеством извести.
Действие катионов среды оказывается наиболее агрессивным в том случае, если они способны образовывать с ионами гидроокисла плохо растворимые или малодиссоциированные соединения, удаляемые из сферы реакции в осадок, воду или газ. Сюда относятся катионы металлов, образующие слабые основания (гидраты окислов магния, цинка, алюминия, железа, меди, аммония).
Образование этих соединений типа Mg(OH)2 и других приводит к резкому понижению щелочности в бетоне и далее к растворению твердой извести, а затем к гидролизу устойчивых до этого силикатов и алюминатов.
Действие катионов натрия, калия, кальция и бария незначительно.
Анионы, образующие нерастворимые кальциевые соли (СО3"; С2О4" ; PO4"; SiO3";), будут уплотнять поры бетона и, следовательно, играть положительную роль.
Особое положение занимают сульфатные анионы (SO4"). При известной концентрации они могут образовать с ионами кальция двуводный гипс, а вместе с высокоосноными алюминатами и гидросульфо-алюминат:
Са" + SO4 + 2Н20 — CaS04 • 2Н20;
3CaS04 + ЗСаО • Аl2O3 + 31Н20 — СаО •Аl2O3 • 3CaS04 • 31Н20.
Особенностью этих реакций является то, что и гипс и гидросульфо-алюминат кристаллизуются с большим количеством воды при значительном увеличении объема.
Если такое образование происходит в порах уже сложившейся структуры цементного камня, то создаются большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев.
Гидросульфоалюминат кристаллизуется в виде характерных игл, что послужило поводом назвать его «цементной бациллой».
Описанные разрушения бывают не всегда. Если образование гидросульфоалюмината протекает еще до формирования структуры бетона в жидкой фазе или в растворе присутствуют в значительном количестве ионы хлора, усиливающие растворимость алюминатов и сульфоалюмината, опасных напряжений может не возникать. Этим объясняется относительно невысокая агрессивность к цементному бетону морской воды, в которой содержится большое количество сульфатов, но еще большее количество хлоридов.
Если анионы хлора присутствуют в воде совместно с катионами магния, то последние, образуя с известью Mg(OH)2 и СаСl2, понижают концентрацию извести, а вместе с этим создают возможность существования высокоосновных гидроалюминатов и образование сульфоалюминатов в опасной форме.
Наличие в растворе хлористого кальция приводит к образованию неопасных хлоралюминатов и плохо растворимых хлорокисей кальция. На этом основаны специальные приемы введения в бетон большого количества хлоридов. При этом сильно понижается точка замерзания воды, что позволяет работать с бетоном в зимнее время, а самый бетон уплотняется (получается так называемый «холодный» бетон). Однако одновременно с этим было установлено, что в таком бетоне ионы хлора усиливают коррозию арматуры и поэтому широкого применения, особенно в армированных конструкциях, «холодный» бетон не получил.
Сульфатная коррозия бетона может усиливаться в том случае, если одновременно с катионами кальция цемента будут связываться и анионы гидроксила:
Са" + 20Н' - Са (ОН)2.
Поэтому наиболее опасными являются сернокислые соли, образованные слабыми основаниями, особенно сульфат аммония
Са (ОН)2 + (NH4)2 S04 = CaS04 • 2Н20 + NH3.
При увеличении концентрации растворимых сульфатов сульфо ллюминатная коррозия переходит в гипсовую. Степень агрессивности, а также и скорость разрушения цементного камня при этом сильно возрастают.
При наличии значительных концентраций катионов магния происходит обменная реакция с разрушением структурной гидроокиси кальция и образование гипса:
Са (ОН)2 + MgS04 + 2Н20 = Mg (ОН)2 + CaS04 • 2Н2О.
Рассмотрение механизма сульфатной коррозии бетона позволяет понять и практикуемые мероприятия по ее смягчению:
