Коррозия стальной арматуры в бетоне – причины и защита

Коррозия стальной арматуры в бетоне – сложный процесс, но в основном это электрохимическая реакция, подобная той, что происходит в простой батарейке. Состав низкоуглеродистой стали меняется по ее длине, и в различных точках могут образовываться анодные (более отрицательно заряженные) и катодные (положительно заряженные) участки.

С давних времен, когда были построены великие пирамиды Египта или висячий сад Вавилона, человечество искало строительный материал, способный противостоять капризам природы без какого-либо обслуживания. В поисках такого материала человечество в конце концов нашло чудо-материал “портландцемент”.
В течение последних полутора веков цементный бетон широко использовался для строительства различных сооружений, о которых человек мог только мечтать, заблуждаясь, что они будут стоять вечно. Большинство отказов или неработоспособности конструкции до желаемого состояния в основном объясняется непониманием состояния окружающей среды и отсутствием надлежащего, систематического и научного обслуживания.
Ценные активы страны создаются благодаря строительству. Строительство играет жизненно важную роль в экономическом развитии. Оно является предтечей и отличительной чертой процесса развития любой страны.
Стальная арматура, которая используется в RCC, хотя с одной стороны и дополняет бетон за его слабость при растяжении (растягивающее напряжение), она также ухудшает прочность и долговечность бетона из-за его подверженности коррозии.
Ремонт и восстановление бетонных конструкций, который в последнее время стал деятельностью, сравнимой с самим строительством во всем мире, происходит в основном из-за ухудшения состояния бетона вследствие коррозии встроенной стали.
В начале этого века, когда железобетонные конструкции начали широко использоваться, почти полностью заменив ранее используемые строительные материалы, такие как дерево, (каменная) кладка, стальные профили и т.д., срок службы конструкций из железобетона составлял порядка 100 лет. Однако, на рубеже веков мы видим, что эти ожидания не оправдались, и, по иронии судьбы, более новые конструкции, скажем, 20-25 летней давности, демонстрируют серьезный износ и разрушение.
Долговечность бетона стала широко обсуждаемой темой в мировом развитии. Несмотря на то, что за раннее разрушение железобетонных конструкций ответственны несколько факторов, в большинстве случаев оно происходит из-за коррозии стали.
Коррозия, похоже, является всепроникающим явлением, вызывающим широкомасштабное разрушение всех типов конструкций во всех странах мира и стала называться “раком” для бетона.
В идеале, хороший бетон должен обеспечивать адекватную защиту встроенной стали. Это связано с защитной щелочной средой (значение pH достигает 12,5), которую обеспечивает свежий бетон, что приводит к образованию защитного покрытия на поверхности стали, которое пассивирует ее от дальнейшей коррозии.
Однако с течением времени, вследствие карбонизации или попадания хлорид-ионов, значение pH начинает медленно снижаться, и щелочное окружение арматурного стержня теряется, предвещая процесс коррозии, который, в свою очередь, вызывает трещины и сколы бетона. Таким образом, становится ясно, что решающим фактором, обеспечивающим качество и долговечность бетона, является его непроницаемость, которая может быть обеспечена за счет достаточного содержания цемента, низкого соотношения в/ц, полного уплотнения и твердения. То же самое может быть дополнительно улучшено путем использования соответствующих добавок и обеспечения повышенной укрывистости бетона.
Однако эти меры, во-первых, трудно полностью реализовать на практике, а во-вторых, они недостаточно эффективны в агрессивной среде. Таким образом, возникает необходимость в дополнительной защите арматурной стали, особенно из-за коррозии, вызванной хлоридами (хуже, чем карбонатная коррозия), которая может развиваться даже в бетоне хорошего качества.
Большинство разрушений конструкций из РСС происходит в основном из-за коррозии арматуры. Поэтому базовое понимание технологии коррозии как для обеспечения долговечности конструкции, так и для восстановительных работ является обязательным.
Сталь, погруженная в гидратирующую цементную пасту, быстро образует тонкий пассивный слой оксида, который прочно прилипает к нижележащей стали и обеспечивает ей полную защиту от реакции с кислородом и водой, то есть от образования ржавчины или коррозии. Такое состояние стали известно как пассивация.
Сохранение пассивации зависит от достаточно высокого pH поровой воды в контакте с пассивирующим слоем. Таким образом, когда фронт низкого pH достигает поверхности арматурной стали, защитная оксидная пленка удаляется и может произойти коррозия, при условии наличия кислорода и влаги, необходимых для реакций коррозии.

Причины коррозии стальной арматуры в бетоне

Коррозия стали в бетоне – это электрохимический процесс. Электрохимические потенциалы для образования коррозионных ячеек могут быть сформированы двумя способами:
(a) Ячейки состава могут образовываться при внедрении в бетон двух разнородных металлов, таких как стальная арматура и алюминиевые трубы, или при наличии значительных различий в поверхностных характеристиках стали.
(b) Концентрационные ячейки могут образовываться из-за различий в концентрации растворенных ионов вблизи стали, таких как щелочи, хлориды и кислород.
Различия в электрохимическом потенциале могут возникать из-за различий в окружающей среде бетона. Электрохимические ячейки образуются также из-за изменения концентрации солей в поровой воде или из-за неравномерного доступа кислорода.
Таким образом, один из двух металлов (или некоторые части металла, если присутствует только один металл) становится анодным, а другой – катодным. Основные химические изменения, происходящие в анодной и катодной областях, заключаются в следующем.
Когда существует разность электрических потенциалов вдоль стали в бетоне, создается электрохимическая ячейка: образуются анодная и катодная области, соединенные электролитом в виде поровой воды в затвердевшем цементном растворе.
Положительно заряженные ионы железа Fe++ на аноде переходят в раствор, а отрицательно заряженные свободные электроны e- проходят через сталь в катод, где они поглощаются компонентами электролита и соединяются с водой и кислородом, образуя гидроксильные ионы (OH)-. Они проходят через электролит и соединяются с ионами железа, образуя гидроксид железа, который в результате дальнейшего окисления превращается в ржавчину. Реакции протекают следующим образом:

Анодные реакции:

Fe -> Fe++ + 2e-
Fe++ + 2(OH)- -> Fe(OH)2 (гидроксид железа)
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 -> 4Fe(OH)3 (гидроксид железа)
(Вода) (Воздух) 2Fe(OH)3 -> Fe2 × O3 × H2O + 2H2O – гидратированный оксид железа (ржавчина).

Катодная реакция:

4e- + O2 + 2H2O -> 4(OH)-.
Видно, что кислород расходуется, а вода регенерируется, но она необходима для продолжения процесса. Таким образом, коррозия не происходит в сухом бетоне, вероятно, при относительной влажности ниже 60 процентов; также не происходит коррозия в бетоне, полностью погруженном в воду, за исключением случаев, когда вода может захватывать воздух, например, под действием волн.
Превращение металлического железа в ржавчину сопровождается увеличением объема, который, в зависимости от степени окисления, может достигать 600 процентов от первоначального объема металла. Считается, что это увеличение объема является основной причиной расширения и растрескивания бетона. Следует отметить, что анодная реакция, включающая ионизацию металлического железа, не продвинется далеко, если поток электронов к катоду не будет поддерживаться за счет потребления электронов на катоде; для этого абсолютно необходимо присутствие как воздуха, так и воды на поверхности катода.
Считается, что в отсутствие хлорид-ионов в растворе защитная пленка на стали остается стабильной, если pH раствора держится выше 11,5. Обычно в системе достаточно щелочности для поддержания pH выше 12. В исключительных условиях (например, когда бетон имеет высокую проницаемость, а щелочи и большая часть гидроксида кальция либо карбонизированы, либо нейтрализованы кислым раствором) рН бетона вблизи стали может быть снижен до менее чем 11,5, что разрушает пассивность стали и создает условия для процесса коррозии.
В присутствии хлорид-ионов, в зависимости от соотношения C1- / OH-, сообщается, что защитная пленка может быть разрушена даже при значениях pH значительно выше 11,5.
Для начала коррозии необходимо проникновение в пассивный слой. Хлорид-ионы активируют поверхность стали, образуя анод, а пассивированная поверхность является катодом. Реакции протекают следующим образом:
Fe++ + 2Cl- -> FeCl2
FeCl2 + 2H2O -> Fe(OH)2 + 2HCl

Карбонизация встроенной стали

Известно, что сталь, помещенная в сильно щелочную среду со значением pH от 9 и выше, не ржавеет. Во время схватывания бетона цемент начинает гидратироваться, эта химическая реакция между цементом и водой в бетоне приводит к образованию гидроксида кальция из цементного клинкера. Это обеспечивает щелочность бетона, создавая значение pH более 12,6, что делает стальную поверхность пассивной.
Таким образом, защита арматуры от коррозии обеспечивается щелочностью бетона, что приводит к пассивации стали. Запас гидроксида кальция очень высок, поэтому нет необходимости ожидать коррозии стали, даже если вода проникает в арматуру из бетона. Поэтому даже появление небольших трещин (шириной до 0,1 мм) или дефектов в бетоне не обязательно приведет к повреждению.

Карбонизация приводит к общей коррозии по всей длине стержня.

На рисунке выше показано, что первым внешним признаком общей коррозии является поверхностное растрескивание бетона вдоль линии стали.

На рисунке выше показано, что по мере развития коррозии бетон полностью растрескается и обнажит сталь.

Воздействие окружающей среды, в частности углекислого газа, снижает значение pH бетона (карбонизация) и, таким образом, устраняет пассивирующий эффект, в сочетании с существующей влажностью, результатом чего является коррозия арматуры.
Карбонизация – это эффект CO2 из атмосферы, реагирующего со щелочным компонентом в бетоне Ca(OH)2 в присутствии влаги, тем самым преобразуя гидроксид кальция в CaCO3. Карбонат кальция слабо растворим в воде.
Значение pH поровой воды обычно составляет от 12,5 до 13,5, но в результате карбонизации pH снижается до менее чем 9. Таким образом, арматура больше не находится в пассивирующем диапазоне, и происходит коррозия. Коррозия ускоряется в присутствии дополнительной влаги и кислорода.
Ca(OH)2 + CO2 + H2O = CaCO3 + 2 H2O
Процесс карбонизации достигает глубины покрытия.

Факторами, влияющими на глубину карбонизации, являются:

• Глубина покрова
• Проницаемость бетона
• Марка бетона
• Время
• Защищенный или незащищенный бетон
• Влияние окружающей среды.

Конечный результат растрескивание, откол и коррозия.

Хлориды

Хлориды обычно имеют кислотную природу и могут поступать из различных источников, наиболее распространенными из которых являются антиобледенительные соли, использование немытых морских заполнителей, брызги морской воды и некоторые ускоряющие добавки (их использование в настоящее время запрещено).
В присутствии хлоридов возникает локализованная точечная коррозия, которая не всегда сопровождается ранними признаками поверхностного растрескивания.
Коррозия, вызванная хлоридами, потенциально более опасна, чем коррозия, возникающая в результате карбонизации. Как и большинство аспектов долговечности бетона, ухудшение состояния из-за коррозии арматуры может проявляться в течение многих лет (от 5 до 20).

Факторы, влияющие на коррозию стальной арматуры

Факторами, которые обычно влияют на коррозию арматуры в RC-конструкциях, являются:

Повреждения бетона из-за коррозии стальной арматуры

Процесс коррозии, начавшись, приводит к разрушению и повреждению арматуры. Различные стадии разрушения выглядят следующим образом:

Стадия 1: Образование белых пятен

Если арматура заделана в бетон, который достаточно проницаем, чтобы пропускать воду и углекислый газ, то карбонизация продвигается от поверхности к внутренней части бетона. Углекислый газ вступает в реакцию с гидроксидом кальция в цементной пасте, образуя карбонат кальция. Свободное движение воды выносит нестабильные карбонаты кальция на поверхность и образует белые пятна. Белые пятна на поверхности бетона свидетельствуют о возникновении карбонизации.

Стадия 2: Коричневые пятна вдоль арматуры

Когда арматура начинает корродировать, на поверхности арматуры образуется слой оксида железа. Этот коричневый продукт, образующийся в результате коррозии, может проникать вместе с влагой на поверхность бетона без растрескивания бетона. Обычно он сопровождает растрескивание или растрескивание бетона происходит вскоре после этого.

Стадия 3: Появление трещин

Продукты коррозии обычно занимают гораздо больший объем, примерно в 6-10 раз превышающий объем материнского металла. Увеличение объема оказывает значительное разрывное давление на окружающий бетон, что приводит к образованию трещин.
Волосяная трещина на поверхности бетона, расположенная непосредственно над арматурой и идущая параллельно ей, является положительным видимым признаком коррозии арматуры. Эти трещины указывают на то, что расширяющаяся ржавчина выросла настолько, что расколола бетон. Даже на этой стадии арматура выглядит так, как будто она свободна от ржавчины, если отколоть бетон.

Стадия 4: Образование многочисленных трещин

По мере развития коррозии на арматуре образуются многочисленные слои оксида железа, которые, в свою очередь, оказывают значительное давление на окружающий бетон, что приводит к расширению волосяных трещин. Кроме того, образуется несколько новых волосяных трещин. Сцепление между бетоном и арматурой значительно снижается. При постукивании по поверхности бетона легким молотком раздается полый звук.

Стадия 5: Отслаивание покровного бетона

Из-за потери связи между сталью и бетоном и образования нескольких слоев чешуек, бетон покрытия начинает отслаиваться. На этом этапе происходит значительное уменьшение размеров прутка.

Стадия 6: Разрушение стержней

Продолжающееся уменьшение размеров прутков приводит к их защелкиванию. Обычно защелкивание происходит сначала в стяжках / стременах. На этой стадии также происходит значительное уменьшение размера основных прутьев.

Стадия 7: Смятие стержней и вспучивание бетона

Отслоение бетона покрытия и защелкивание стяжек (в компрессионных элементах) вызывает смятие основных стержней, что приводит к выпучиванию бетона в этой области. Это приводит к обрушению конструкции.

Минимизация риска коррозии стальной арматуры

Качество и глубина бетона в зоне покрытия играют важную роль в минимизации риска коррозии, как показано на рис. ниже.

Качество бетона

Качество контролируется в основном за счет минимизации проницаемости.

Глубина покрытия из арматурной стали

Рекомендации по минимальной глубине покрытия приведены в сводах правил и основаны на условиях воздействия и минимальном содержании цемента. Более высокое содержание цемента предполагает более низкое водоцементное отношение, что приводит к допустимому уменьшению покрытия.
Ни в коем случае нормальное покрытие не должно быть меньше, чем максимальный размер заполнителей + 5 мм.

Материалы для изготовления бетона

Смешанные цементы, изготовленные из комбинаций ПЦ/ПФА и ПЦ/ГБС, могут привести к значительному снижению проникновения хлоридов. Однако в ситуациях, когда эти материалы не отверждаются должным образом, существует риск повышенной карбонизации. Необходимо следить за тем, чтобы все заполнители и добавки содержали ограниченное количество хлоридов.
Читать далее:
Как контролировать коррозию стальной арматуры в бетоне?
Измерение коррозии арматуры в бетоне
Защита арматуры от коррозии
Что такое техника армирования в железобетонных конструкциях?

• Виды трещин в свежем и затвердевшем бетоне, их причины и борьба с ними.
• Как предотвратить коррозию арматуры на стройплощадке?.
• Катодная защита железобетонных конструкций.
• Электрохимическая экстракция хлоридов [PDF]: Процесс и применение.
• Методы защиты от коррозии для подводных свай.
• Как бороться с коррозией стальной арматуры в бетоне?.
• Роль хлорида кальция в бетоне.