Защита строительных материалов и конструкций от коррозии

УДК 691
ББК 38.3; 38.5
С30
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В.В. Строкова, 
заведующая кафедрой материаловедения и технологии материалов 
Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова;
кандидат технических наук Д.А. Зорин, 
доцент кафедры строительных материалов и материаловедения НИУ МГСУ
 
Семенов, В.С.
С30  		
Защита строительных материалов и конструкций от коррозии [Электронный ресурс] : [учебное пособие для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство и 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений] / В.С. Семенов, 
О.В. Земскова, И.В. Козлова ; Министерство науки и высшего образования Российской 
Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра строительных материалов и материаловедения. — Электрон. дан. и прогр. (3,2 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2021. — Режим 
доступа: http://lib.mgsu.ru. — Загл. с титул. экрана.
	
	
ISBN 978-5-7264-2829-1 (сетевое)
	
	
ISBN 978-5-7264-2830-7 (локальное)
В учебном пособии рассмотрены виды, механизмы, факторы коррозионных процессов различных классов строительных материалов и конструкций, а также основные способы защиты от 
коррозионного разрушения металлических, каменных (природных и искусственных), деревянных, полимерных и полимерсодержащих строительных изделий и конструкций.
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство и 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений.
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2021

Редактор Е.Б. Махиянова
Корректор Л.В. Светличная
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 02.02.2021. Объем данных 3,2 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.
............................................................................................................................................................   6
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРРОЗИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ....................................   7
1.1. Стойкость и долговечность строительных сооружений.
................................................................   7
1.2. Коррозия. Потери от коррозии строительных материалов............................................................   9
1.3. Классификация коррозионных процессов.
....................................................................................... 10
1.3.1. Классификация коррозионных процессов по механизму протекания.
............................... 10
1.3.2. Классификация коррозионных процессов по условиям протекания.................................. 11
1.3.3. Классификация коррозионных процессов по характеру разрушения................................ 13
1.4. Прямые и косвенные показатели коррозии...................................................................................... 16
1.5. Классификация способов защиты строительных конструкций от коррозии.
............................. 17
Глава 2. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и СПЛАВОВ............................................................................................... 18
2.1. Общие сведения о металлах и сплавах. Металлические материалы и изделия.
......................... 18
2.2. Химическая коррозия металлов и сплавов...................................................................................... 20
2.2.1. Химическая коррозия в газообразных средах.
....................................................................... 20
2.2.2. Механизм и факторы, влияющие на газовую коррозию...................................................... 23
2.2.3. Защитные свойства оксидных пленок..................................................................................... 25
2.2.4. Химическая коррозия в жидких неэлектролитах .
................................................................ 27
2.2.5. Химическая коррозия в жидкометаллических средах.
......................................................... 28
2.3. Электрохимическая коррозия металлов и сплавов......................................................................... 28
2.3.1. Процесс окисления и восстановления. Уравнение Нернста................................................. 28
2.3.2. Теория электрохимической коррозии.
..................................................................................... 35
2.3.3. Коррозия металла в результате неравномерного доступа кислорода ................................ 39
2.3.4. Контактная коррозия металлов................................................................................................ 40
2.3.5. Коррозия металлов под механическим напряжением.
.......................................................... 41
2.3.6. Коррозия металлов под действием блуждающих токов ...................................................... 41
2.3.7. Методы защиты от электрохимической коррозии................................................................. 42
Глава 3. КОРРОЗИЯ БЕТОНА, ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И ПРИРОДНОГО КАМНЯ.......................................... 48
3.1. Коррозия бетона и железобетона....................................................................................................... 48
3.1.1. Состав и структура цементного камня.................................................................................... 48
3.1.2. Агрессивные среды, воздействующие на бетон.
.................................................................... 51
3.1.3. Коррозия первого вида (коррозия выщелачивания).
.............................................................. 53
3.1.4. Коррозия второго вида............................................................................................................... 55
3.1.5. Коррозия третьего вида.
............................................................................................................. 58

3.1.6. Биологическая коррозия бетона.
............................................................................................... 59
3.1.7. Физическая коррозия бетона..................................................................................................... 60
3.1.8. Коррозия железобетона.
............................................................................................................. 61
3.2. Коррозия природного камня.
.............................................................................................................. 63
3.3. Методы защиты бетона и железобетона от коррозии.
.................................................................... 64
3.3.1. Методы защиты бетона от коррозии........................................................................................ 64
3.3.2. Методы защиты природного камня от коррозии.
.................................................................. 67
Глава 4. КОРРОЗИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
.................. 69
4.1. Защита от коррозии материалов и конструкций из древесины..................................................... 69
4.1.1. Древесина и ее свойства............................................................................................................. 69
4.1.2. Коррозия древесины.
.................................................................................................................. 72
4.1.3. Защита древесины от коррозии.
................................................................................................ 74
4.2. Коррозия полимерных материалов................................................................................................... 77
4.2.1. Виды деструкции полимеров.
................................................................................................... 79
4.2.2. Защита полимеров от старения................................................................................................ 81
ГЛОССАРИЙ.......................................................................................................................................................... 83
Библиографический список.
................................................................................................................................. 87

ВВЕДЕНИЕ
Строительные материалы и конструкции нуждаются в повышении долговечности, обеспечение которой определяет эффективность строительства. При эксплуатации жилых и промышленных зданий, транспортных сооружений и  объектов специального строительства 
строительные материалы и  конструкции из них подвергаются агрессивному коррозионному воздействию окружающей среды: атмосферных осадков, газов, пыли, попеременного увлажнения и высыхания, резких перепадов температур, сильных морозов, солнечного нагрева, 
ультрафиолетового (УФ) излучения, выветривания, электролитов и неэлектролитов и т.п. В 
этих условиях снижаются сроки службы (долговечность) строительных материалов, изделий 
и конструкций из них, происходит деградация эксплуатационных свойств материалов. 
В настоящий момент выбор путей защиты от коррозии — насущная и существенная проблема. Исходя из масштабной практики эксплуатации, технического обслуживания и ремонта 
зданий и сооружений, очевидно, что необходимы широкие знания и наличие навыков, которые относятся к эксплуатации и сохранению разнообразных и дорогостоящих строительных 
конструкций, зданий, сооружений. Защита строительных материалов и конструкций из них 
от коррозии для того, чтобы повысить их стойкость, надежность, долговечность, — комбинированная задача проектирования и технической эксплуатации строительных объектов. Теоретические знания, полученные при изучении способов защиты строительных материалов 
и конструкций от коррозии, основ природы коррозионных процессов и явлений, причин их 
возникновения, коррозионных свойств материалов, механизма разрушения строительных материалов при использовании их в агрессивных средах позволяют корректно и плодотворно реализовывать меры защиты от коррозии и выбирать правильные решения относительно защиты, профилактики и предупреждения разрушений строительных объектов.

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРРОЗИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Стойкость и долговечность строительных сооружений
Стойкость строительных материалов — это способность сохранять прочность, структурные качества и другие свойства при физических, химических и биологических воздействиях. 
Стойкость материалов к воздействиям температуры, влаги, электрического поля, света, к действию электролитов и другим воздействиям можно определить лабораторными методами.
Морозостойкость — свойство материала в водонасыщенном состоянии выдерживать циклы многократного попеременного замораживания и оттаивания без внешних признаков разрушения, снижения массы и прочности ниже нормативных значений. Количественно морозостойкость оценивается маркой по морозостойкости  — гарантированным числом циклов 
попеременного замораживания-оттаивания, которое выдерживает водонасыщенный образец 
материала в условиях стандартного испытания.
Теплостойкостью, или жаростойкостью, называется свойство материала к  продолжительному сопротивлению воздействию высоких температур с сохранением прочности и других эксплуатационных свойств. 
Понятие жароупорности рассматривают по отношению к металлическим материалам — 
это свойство противостоять химическому разрушению поверхности под действием окислительной газовой среды при высоких температурах. 
Под огнеупорностью следует понимать свойство материала к сопротивлению действию 
высоких температур свыше 1580  °С. При высоких температурах металлы деформируются 
и плавятся, каменные изделия и конструкции дегидратируют, что может привести к разрушению; органические материалы (древесина, асфальт, пластмассы) подвергаются деструкции.
Водостойкость — свойство материала сохранять прочность в водонасыщенном состоянии, характеризуется коэффициентом размягчения — отношением предела прочности водонасыщенного образца материала к пределу прочности сухого образца. К водостойким относят 
материалы, имеющие коэффициент размягчения от 0,8 и выше. 
Воздухостойкость — свойство материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и снижения прочности.
При проектировании гидротехнических, портовых сооружений, мостов и набережных необходимо учитывать способность материала, контактирующего с потоком жидкости, сопротивляться разрушению при воздействии гидравлических ударов. Это комплексное свойство 
характеризует кавитационную стойкость материала.
Биостойкость материалов определяется как устойчивость к действию микроорганизмов, 
вызывающих процессы гниения и разрушения. Это важно, особенно для древесины и каменных материалов.
Устойчивость к старению материалов под действием света и солнечных лучей называется светостойкостью. 
Если строительный материал сохраняет структуру и физико-механические свойства в результате действия ионизирующих излучений, то он обладает радиационной стойкостью, а в 
особых случаях важна стойкость материалов против излучений разной природы (рентгеновских, гамма-лучей, нейтронов).
На материалы часто действуют агрессивные среды — жидкие и газообразные (влажные 
газы). В этом случая важна химическая стойкость. Основными видами этой стойкости являются кислотостойкость и щелочестойкость. Кислотостойкость определяют в лаборатории 
кипячением в течение 1 ч размельченной пробы материала в концентрированной H2SO4 (ус7

ловный метод). Однако есть металлы, не стойкие в разбавленных кислотах, но стойкие к действию концентрированных кислот, так как на металле образуется оксидный слой, его защищающий. Агрессивны по отношению к металлам и многим пластмассам и сильные окислители: 
азотная, хромовая и некоторые другие кислоты, а также газы — O2, O3, Cl2. Материалы, обладающие способностью противостоять воздействию щелочной среды, щелочестойки. Щелочная среда может создаваться за счет растворов Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3, NH3, а также щелочей — NaOH и KOH.
Для цементных бетонов существенную роль играет — сульфатостойкость, т.е. стойкость 
бетона к образованию в его порах гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), увеличивающегося в объеме примерно в 2,5 раза при контакте бетона со средами, содержащими сульфатионы. Достигается это за счет применения сульфатостойких цементов нормированного минерального состава.
Важной характеристикой для материалов на органической основе  — асфальтобетонов, 
термопластиков и др. — является стойкость к неполярным растворителям (бензину, бензолу — C6H6, толуолу — C6H5CH3 и т.п.), зависимая от величины растворимости материалов 
в этих жидкостях.
Долговечность — способность материала (изделия) сохранять требуемые свойства до предельного состояния, заданного условиями эксплуатации. За предельное состояние принимается то 
минимально (или максимально) допустимое значение показателей свойств, ниже которых материал (изделие) уже не может применяться в заданном эксплуатационном режиме. Долговечность материала зависит, с одной стороны от состава, структуры и качества (совокупности свойств) самого 
материала, с другой — от совокупности воздействующих на него в период эксплуатации факторов: режима и уровня нагрузок, температуры, влажности и агрессивности среды и т.п. 
Долговечность строительных материалов оценивается по важнейшим эксплуатационным показателям, экспериментальным и расчетным данным и количественно измеряется временем (в годах) от начала эксплуатации в заданном режиме до момента достижения предельного состояния. 
Для материалов несущих и ограждающих конструкций она должна быть не менее срока службы 
здания и сооружения. Долговечность отделочных материалов может быть ниже, поскольку она 
корректируется сроками морального старения отделки. Кроме морального старения, определяющего технико-экономическую и эстетическую целесообразность дальнейшей эксплуатации материала, изделия и конструкции, различают физическое старение (или просто старение). 
Старение — изменение структуры и свойств материала при эксплуатации или длительном хранении. Ряд строительных материалов практически не стареет. На тысячелетия сохранил природный камень произведения древней архитектуры, многие столетия существуют 
постройки из древесины, керамики, бетона. Старение происходит в материалах с повышенным уровнем внутренней энергии, находящихся в неустойчивом (метастабильном) состоянии 
и стремящихся самопроизвольно перейти в более устойчивое (стабильное) состояние. Внешние атмосферные и иные воздействия могут значительно ускорить сложный физико-химический процесс этого перехода. Довольно быстро стареют с заметным ухудшением эксплуатационных свойств многие пластмассы (например, полиэтиленовая пленка со временем мутнеет, 
теряет прозрачность, гибкость), резиновые материалы; подвержены старению и некоторые металлические сплавы (дюралюмины и др.) [1].
Надежность — одно из основных комплексных свойств материала, определяющее его способность выполнять свои функции в течение заданного времени и при данных условиях эксплуатации, сохраняя при этом в определенных пределах установленные характеристики. Надежность 
материала зависит от совокупности многих факторов, определяющих условия производства, 
транспортирования, хранения, обработки, применения и эксплуатации. Основное значение надежности состоит в исключении отказов — внезапного ухудшения свойств материала ниже уровня браковочного показателя, которым обусловлена его работоспособность. Высокая надежность 
особенно важна для конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях (большие нагрузки, температура, агрессивная среда и т.п.) и при малых запасах прочности [1].
8

1.2. Коррозия. Потери от коррозии строительных материалов
Коррозия — самопроизвольное разрушение материалов вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой (агрессивной атмосферой, морской водой, растворами кислот, щелочей, солей, различными газами и т.п.). К числу наиболее опасных следствий, 
вызываемых коррозией, относится потеря строительными материалами важных эксплуатационных свойств: прочности, пластичности, твердости и др. 
Необходимо бороться с коррозией строительных материалов за их надежность и долговечность. Невозможно влиять на термодинамическую устойчивость металла и бетона, только зная основные закономерности коррозионного процесса, можно повлиять на скорость коррозии и затормозить ее.
Прямые потери от коррозии:
–
– стоимость заменяемых подвергшихся коррозии изделий из стали, бетона, материалов на 
органической основе;
–
– затраты на меры защиты (гальванические и лакокрасочные покрытия, применение ингибиторов, строительство складских помещений и т.п.);
–
– окончательные потери металла (коррозионное распыление). Например, безвозвратные 
потери металла составляют около 10–15 % мировой продукции стали.
К косвенным потерям от коррозии относят:
–
– простои, например, замена поврежденного коррозией котла или конденсатора на электростанции может вызвать недовыработку электроэнергии на миллионы рублей в день;
–
– потери готовой продукции, например, в межремонтный период происходят утечки нефти, газа и воды вследствие коррозионных повреждений технических систем; коррозия автомобильного радиатора ведет к потере антифриза;
–
– потеря мощности, например, вследствие отложения продуктов коррозии ухудшается теплопроводность поверхностей теплообмена; уменьшение проходных сечений трубопроводов 
за счет отложения ржавчины требует повышения мощности насосов; 
–
– загрязнение продукции, например, оборудование из свинца нельзя использовать для приготовления и хранения пищевых продуктов из-за токсичности солей свинца; мягкая вода, проходящая по свинцовым трубопроводам, непригодна для питья.
–
– допуски на коррозию, которые делают при проектировании оборудования из конструкционных материалов, подземных трубопроводов, резервуаров для воды и морских конструкций.
Потери, связанные c авариями, взрывами, разрушением химического оборудования, или вызванные коррозией катастрофы транспортных средств, приводящие к потере здоровья или гибели 
людей, существенному экологическому ущербу, не могут быть выражены в денежных единицах.
На строительные материалы и строительные конструкции агрессивно воздействует внешняя среда. Разрушения от агрессивных воздействий внешней среды по оценкам специалистов 
составляют от 15 до 75 % среди объектов различного назначения.
Процессы коррозии строительных материалов, влияющие на более быстрое разрушение 
зданий и сооружений, вызваны химическим и физико-химическим взаимодействием составляющих строительных материалов с окружающей средой.
Целесообразно проводить коррозионный мониторинг, который позволяет предсказать развитие коррозионных процессов и их последствий. Полученная информация дает возможность 
обоснованно решать проблемы по уменьшению коррозии и отложений, создавать условия для 
обеспечения безопасной эксплуатации оборудования, конструкций, сооружений, повышать 
срок службы и уменьшать эксплуатационные затраты на обслуживание.
Коррозионный мониторинг состоит из четырех основных этапов:
–
– мониторинг на стадии проектирования;
–
– мониторинг на стадии изготовления;
–
– мониторинг во время эксплуатации;
–
– мониторинг в период реновации.
9

На стадиях проектирования и изготовления требуется мониторинг правильного выбора 
конструкционных материалов, который должен учитывать особенности эксплуатации материалов и расчета долговечности конструкции.
Из-за неудачного конструирования возникают застойные зоны, зазоры, концентрации напряжения и др., которые вызывают коррозию.
Например, опасность появления контактной коррозии возникает, если в конструируемом объекте есть детали из различных металлических конструкционных материалов. 
Во избежание этой коррозии контактирующие металлические детали следует изготавливать с разной величиной электродного потенциала поверхности. Деталь с наименьшей 
поверхностью должна быть выполнена из металла с более высоким электродным потенциалом. Если это выполнить нельзя, то детали из разных металлов изолируются друг от 
друга. Материал для изоляции используется инертный по отношению к рабочей среде, 
выдерживающий температурные воздействия и механические нагрузки, с высокой износостойкостью. 
В период эксплуатации в мониторинг входят периодическая диагностика работающей аппаратуры, оборудования, сооружений с использованием методов визуального осмотра с помощью телеметрических систем, методов определения технологических свойств коррозионной 
среды и электродного потенциала металла, ультразвуковая, магнитометрическая и акустическая дефектоскопия.
В период реновации, т.е. в период реконструкции и ремонта, мониторинг включает в себя 
контроль технических решений по конструкционным и восстановительным работам, прогнозирование дальнейшей эксплуатации объекта с учетом этих работ. 
Коррозионные процессы необходимо моделировать для повышения эффективности мониторинга. Например, существующие математические модели способны прогнозировать коррозионную стойкость бетона в различных агрессивных средах и при знакопеременных температурах. Моделирование позволило создать методы и критерии оценки стойкости бетона, 
арматурных сталей, защитных покрытий при воздействии на них агрессивных природных 
и техногенных сред. Эти разработки применяются для обследования коррозионного состояния эксплуатируемых строительных объектов.
1.3. Классификация коррозионных процессов
Коррозионные процессы строительных материалов различаются по механизму, условиям 
протекания, характеру разрушения.
1.3.1. Классификация коррозионных процессов по механизму протекания
Химическая коррозия заключается во взаимодействии между средой и материалом с образованием новых веществ. Химическая коррозия не сопряжена с появлением электрических 
токов. Поэтому химическая коррозия, например металлов, происходит в сухих газовых средах 
и растворах неэлектролитов.
Электрохимическая коррозия — это окислительно-восстановительная деструкция металлов с примесями и сплавов в электропроводящих средах, сопровождающаяся появлением 
электрического тока. 
Действие агрессивных сред на металлы вызывает электрохимический процесс переноса электронов анода — слоя металла с более низким электродным потенциалом, к катоду — 
слою с более высоким электродным потенциалом и восстановление положительно заряженных ионов с последующей деструкцией поверхностности металла. На поверхности металла 
образуются микрогальванические элементы, или участки. Коррозия проявляется только на 
участке металла с низким электродным потенциалом — аноде.
10