Коррозия бетона и её основные виды

Являясь естественным процессом электрохимического/химического окисления, коррозия может начаться в любом месте строительного элемента, а именно там, где размеры и взаиморасположение пор в бетоне облегчают активный доступ к нему молекул воздуха или кислорода. Определить момент зарождения этого явления, даже пользуясь суперсовременными методами неразрушающего контроля и сканирования конструкций (см. рис.2), весьма проблематично.

Чем опасна коррозия бетонных конструкций

В железобетоне критически важной проблемой считается коррозия стальной арматуры. Она вызывает трещины и отслаивание бетонного покрытия. По мере ржавления арматура увеличивается в объеме до шести раз (по сравнению с исходным объёмом), создавая внутреннее давление, которое и является причиной растрескивания бетона (см. рис.3). Это увеличивает риски безопасности, часто заканчивающиеся конструктивным обрушением строительного объекта или его части. Для восстановления работоспособности потребуется. как минимум, дорогостоящий ремонт.

Нарушение структурной целостности бетона

Главная опасность — уменьшение поперечного сечения арматурной стали и потеря сцепления с бетоном, что снижает несущую способность строительного элемента и может привести к катастрофическим последствиям. Коррозионная деградация бетона, вызванная увеличением объема арматуры, приводит также к падению обломков конструкций, что создает опасность для пешеходов и транспортных средств (см.рис.4).

Развивающиеся трещины позволяют воде, кислороду и хлоридам проникать глубже в толщу бетона, ускоряя процесс коррозии и сокращая срок службы конструкции на десятилетия. Коррозия бетона требует масштабных и дорогостоящих ремонтов или преждевременной замены инфраструктуры.

Риски безопасности чаще всего возникают в определённых конструкциях, например, в мостах с постнатяжением или виадуках, где коррозию сложнее обнаружить. Неконтролируемая коррозия превращает бетон из прочного материала в угрозу безопасности. Ранние признаки кислотной коррозии бетона включают появление пятен ржавчины, трещин вдоль арматурных прутьев и отслаивание поверхности. Ухудшаются также прочностные характеристики материала. Рассмотрим эти факторы более подробно.

Снижение прочности и обуславливающие ее факторы

Анализ данных существующих исследований данной проблемы дает возможность составить объективный обзор структурных последствий коррозии бетона, преимущественно вызванной хлоридами. Причинами коррозии бетона считаются:

• Растрескивание, завершающееся неполным разделением бетонного изделия на фрагменты;
• Ослабление структурных связей;
• Ухудшение показателей прочности на изгиб и особенно на сдвиг;
• Снижение предельной устойчивости в осевом направлении.

Определение текущей и будущей несущей способности корродированной бетонной конструкции ведут в такой последовательности. Вначале устанавливают степень износа материалов, затем определяют структурные эффекты и далее оценивают фактическую нагрузку по пропускной способности (сейчас и в будущем).

На растрескивание бетона, окружающего арматурный стержень, влияют:

1. Механические показатели бетона - предел прочности на растяжение и модуль упругости, а также степень расширения арматурного стержня, что и вызывает растрескивание. При этом второй фактор зависит от первого, поскольку степень расширения увеличивается с увеличением прочности бетона и с уменьшением модуля его упругости.
2. Степень коррозии, необходимая для возникновения трещин. Она увеличивается линейно с увеличением предельной устойчивости арматурного стержня.
3. Потеря площади сечения в связи с коррозией металла.
4. Ширина трещины.
5. Скорость коррозии (при более низких скоростях коррозии интенсивность коррозии, необходимая для возникновения трещин, больше, чем при более высоких скоростях).
6. Степень пористости структуры бетона. Часто продукты коррозии наблюдаются в бетоне, окружающем корродирующий стержень.
7. Состояние прилегающей арматуры («эффект домино», когда коррозия соседних стержней может привести к образованию горизонтальной плоскости расслоения в зависимости от относительного расстояния между стержнями и покрытием).
8. Направление распространения первой трещины (см. рис.5). Для одиночных стержней вначале оно происходит в направлении меньшего по площади покрытия. Но направление раскрытия второй трещины может изменяться на 900, в зависимости от расстояния между стержнями и относительных размеров покрытия. В случае нескольких стержней трещины сначала распространяются либо в направлении меньшего покрытия, либо в направлении расстояния между соседними стержнями, в зависимости от относительного размера двух стержней.

Наибольшую сложность при оценке причин коррозии бетона представляет степень коррозии, которая необходима для возникновения растрескивания. Проще всего степень коррозии определить по потере веса арматурным стержнем (см. рис.6).

Правила проектирования основаны на предположении, что деформации бетона и арматуры одинаковы, и между двумя материалами существует идеальная связь. Однако коррозия может снизить прочность соединения. В таких случаях для расчета несущей способности могут потребоваться проверки прочности сцепления.

В начале предварительного растрескивания появляющимся продуктам коррозии противостоит окружающий бетон. При этом прочность сцепления даже растет – потому, что коррозия приводит к дополнительному ограничению перемещения стержня, и потому, что легкая ржавчина на поверхности увеличивает сопротивление трения. Обычно это увеличение может достигать 40…50% по сравнению с некорродированной арматурной сеткой.

Но с появлением первой трещины ситуация меняется: преобладающая часть удержания теряется, и наблюдается падение прочности соединения по сравнению с пиком перед растрескиванием. Характерно, что обычные стержни показывают более интенсивное снижение прочности, чем ребристые.

На прочность корродированного соединения влияют:

• Степень коррозии;
• Относительная длина стержня (ее увеличение обычно приводит к росту периода времени до растрескивания и, следовательно, времени до потери прочности соединения);
• Место расположения стержня в арматуре;
• Прочность бетона на растяжение;
• Приложенное поперечное напряжение;
• Скорость коррозии, причем ее рост первоначально приводит к увеличению прочности соединения, но дальнейшее увеличение скорости коррозии (при той же интенсивности) приводит к снижению прочности соединения;
• Тип стержня; при начальной стадии растрескивания ребристые стержни показывают меньшее падение прочности соединения, чем простые, но при установившемся процессе интенсивность падения прочности соединения для ребристых стержней резко возрастает. Причем падает как прочность на изгиб, так и прочность на сдвиг.

Интересно, что продольные коррозионные трещины влияют на несущую способность только тогда, когда крепление или соединение элементов арматуры недостаточное. Когда продольные трещины находятся в области изгиба и предотвращается разрушение/сдвиг соединения, то способность к изгибу полностью контролируется поперечным сечением арматуры.

Последний из ключевых механизмов передачи нагрузки — это осевая нагрузка, выражающаяся в предельных усилиях на армированные колонны (см. рис.7). Сама по себе осевая нагрузка в реальных конструкциях не является обычным явлением, поскольку всегда сочетается с изгибающими моментами. Они всегда присутствуют из-за сочетания неравномерности коррозии и несовершенства режима работы каркаса (особенно на более поздних стадиях отслаивания бетона).

Виды коррозии бетона

Источники появления

Как уже отмечалось, коррозия бетона в первую очередь связана с разрушением стальной арматуры, , что приводит к структурным трещинам и растрескиванию. Основными видами коррозии бетона являются:

• Хлоридная (ее еще называют локальной или питтинговой);
• Карбонизированная (равномерная);
• Сульфатная коррозия;
• Микробная;
• Кислотная коррозия бетона;
• Коррозия под напряжением.

Чаще возникают первые два вида коррозии бетона. Оба процесса происходят вследствие окисления в присутствии влаги и кислорода, уменьшающих сечение стали. Хлоридная (питтинговая) коррозия, см. рис.8, вызывается противообледенительными солями или морской средой. Ионы хлорида разрушают защитный слой стали, вызывая интенсивные, локализованные и глубокие повреждения в виде лунок.

Причиной коррозии бетона, вызванной карбонизацией (см. рис.9) является окись углерода СО, которая в небольших количествах присутствует в атмосфере. Снижая щелочность бетона, СО способствует более обширной коррозии стали.

Микробная (разновидность кислотной коррозии бетона) коррозия встречается реже. Вызывается бактериями, образующими кислую среду, которая разрушает бетон. Коррозия стресса/напряжения возникает, когда сталь находится под высокими удельными нагрузками. В тяжелых внешних условиях высокие механические напряжения всегда инициируют начало растрескивания бетона.

Последствия

Следствием сульфатной коррозии бетона считаются такие явления:

Расширение. Вызывается сульфатами и хлоридами в грунтовых водах или почве, а также другими химическими веществами, которые могут реагировать с гидроксидом кальция в бетоне, приводя к образованию обширных трещин. Ржавчина при сульфатной коррозии бетона увеличивает объем стальных элементов; в результате они прижимаются к основному материалу и провоцируют его растрескивание.

Электрохимический процесс. При появлении окислов железа высвобождаются электроны, после чего ионы гидроксида начинают разрушать пассивный слой стали. Химическая атака происходит, когда реактивные вещества в окружающей среде взаимодействуют с компонентами бетона, приводя к разрушению. Бетон подвержен воздействию кислых (кислотная коррозия бетона) или щелочных веществ (выщелачивание), которые могут ослаблять материал, растворяя кальциевые соединения и вызывая поверхностное, часто более сильное разрушение.

Воздействие окружающей среды. Бетон, подвергающийся циклам замерзания и оттаивания, разрушается, поскольку, вода в порах бетона замерзает и расширяется. Инфильтрация воды вызывает коррозию арматуры, что приводит к росту давления, вызывающему отслаивание. Бетон, не имеющий достаточных воздушных карманов для расширения замёрзшей воды, более подвержен повреждениям при замерзании и оттаивании. Сопутствующей причиной коррозии бетона считается постоянное чередование сжимающих и растягивающих напряжений. Со временем конструкции могут испытывать чрезмерную внешнюю нагрузку, что приводит к трещинам или разрушению.

Как предотвратить коррозию бетона?

Общее описание способов

Предотвращение коррозии бетона предполагает сочетание разумных методов строительства, стратегического выбора материалов и постоянного технического обслуживания. Принимая превентивные меры, мы можем защитить наши бетонные конструкции от разрушительного воздействия коррозии. Рассмотрим некоторые эффективные профилактические стратегии.

1. Качество бетона. Основой предотвращения коррозии является использование высококачественного бетона. Используя правильные методы смешивания и отверждения, а также соответствующие заполнители, можно повысить долговечность и коррозионную стойкость бетона. Часто в бетонную смесь добавляются химикаты для замедления процесса выщелачивания (см. рис.10). Они действуют путём образования защитной пленки на арматуре или химически нейтрализующих коррозионных агентов. Хотя эти ингибиторы эффективны в задержке возникновения коррозии, они обеспечивают лишь временную защиту, особенно в агрессивных условиях.
2. Эпоксидные покрытия. Они создают отличный защитный слой для бетонных поверхностей. Эти покрытия действуют как барьеры, защищая бетон от воздействия агрессивных элементов. Эпоксидные покрытия не только предотвращают коррозию, но и обеспечивают дополнительные преимущества, такие как повышенная химическая стойкость и эстетичность. Кроме того, эпоксидную затирку можно использовать для ремонта и укрепления поврежденного бетона, продлевая срок его службы.
3. Полимерная/композитная арматура и/или волокна. Включение полимерных волокон в бетонную смесь позволяет контролировать растрескивание при усадке, которое является распространенным путем проникновения коррозионных агентов в бетон. Эти волокна повышают общую прочность и долговечность бетона, снижая риск возникновения коррозии.
4. Надлежащее качество изготовления. Квалифицированные и осторожные методы строительства играют жизненно важную роль в предотвращении коррозии стали в бетоне, особенно важно для предотвращения коррозии стали в бетоне. Правильное уплотнение, адекватное покрытие арматуры и внимание к деталям во время строительства сводят к минимуму вероятность появления коррозионных дефектов и трещин.
5. Использование покрытий. Нанесение защитного покрытия обеспечивает дополнительный слой, который предохраняет конструкцию от выщелачивания и внешних повреждений. Эти покрытия могут варьироваться от антикоррозионных красок до герметиков, которые предотвращают проникновение воды и коррозионных агентов в бетон.
6. Катодная защита. Дорогостоящая, но эффективная технология, которая превращает активные участки на поверхности арматуры в пассивные, делая их «катодом» электрохимической ячейки. Существует два типа: защита от тока и гальваническая защита. Первая использует внешний источник питания для защиты металла, а гальваническую защиту обеспечивает искусственный анод из жертвенного металла, который защищает исходную арматуру.

Обязательными составляющими успеха являются регулярный осмотр и техническое обслуживание. Эти мероприятия необходимы для своевременного мониторинга состояния бетонной конструкции и предотвращения ее возможной коррозии.

Сравнительная антикоррозионная стойкость стальной и композитной арматуры

Композитная арматура (в частности, армированный волокном полимер) обеспечивает превосходную коррозионную стойкость по сравнению с традиционной сталью, поскольку материал коррозионно стоек, невосприимчив к солям, влаге, окислению, имеет низкий коэффициент объемного расширения и не проводит ток.

Композитная арматура (см. рис.11) чрезвычайно устойчива к суровым климатическим условиям, включая соленую воду, химикаты и кислоты. Полимер, армированный стекловолокном, не ржавеет. Композитные стержни углеродного типа демонстрируют скорость коррозии менее 10% от скорости коррозии стали, а композиты с применением стекловолокна — менее 1%.

Для сравнения:

• Стальная арматура подвержена коррозии (ржавлению) под воздействием влаги, хлоридов и кислорода, что приводит к растрескиванию бетона;
• Сталь с эпоксидным покрытием обеспечивает лучшую защиту, чем обычная сталь, но все же подвержена коррозии при разрывах покрытия;
• Арматура из нержавеющей стали обеспечивает высокую коррозионную стойкость (в 1500 раз выше, чем у углеродистой стали), но стоит дорого.

Гибридный композит (сталь-стеклопластик): сочетает в себе прочность стали с коррозионной стойкостью стеклопластика; исследования показывают, что они гораздо более долговечны, чем традиционный железобетон.

Ключевые различия:

1. Вес: композиты в 4 раза легче стали, что облегчает транспортировку и обработку.
2. Долговечность: композиты обеспечивают значительно более длительный срок службы в морской и прибрежной инфраструктуре.
3. Структурное поведение: хотя композиты обладают превосходной прочностью на разрыв, они более хрупкие, чем сталь. Перед разрушением сталь проявляет пластичность и податливость.
4. Техническое обслуживание: конструкции, армированные композитами, с точки зрения коррозии не требуют дополнительного обслуживания.
5. Температуростойкость: сталь выдерживает гораздо более высокие температуры (до 700…1100 °C) по сравнению с стеклопластиком (до 130 °C).

Сценарии применения:

Используйте композит для морской среды, мостовых настилов, парковочных конструкций и фундаментов, подвергающихся воздействию противообледенительных солей, где коррозия является основным риском (см. рис. 12).

Используйте сталь для конструкций, где высокая пластичность, огнестойкость или особые структурные требования требуют использования традиционного металла, а также в менее агрессивных средах.

Примеры удачного применения конструктивно-технологических решений композитной арматуры, обеспечивающих высокую коррозионную стойкость бетона

Композитная арматура в неструктурных применениях:

Фасады и архитектура. Проектировщики часто выбирают стеклопластик, поскольку он принимает сложные формы и предлагает широкий спектр отделки. Например, панели из стекловолокна улучшают современные здания своей эстетической привлекательностью и легкостью.

Коммунальные и промышленные трубопроводы. Коррозионная стойкость и долговечность стеклопластика делают его предпочтительным выбором для труб (см. рис.13), работающих и в агрессивных средах или там, где важна простота установки.

Примеры бетонных конструкций и методы их защиты от коррозии.

Морские и береговые сооружения (причалы, пирсы, сваи):

• Цементные покрытия: из-за сложности очистки стали в приливных зонах покрытия на цементной основе (например, Flexcrete Cementitious Coating 851) наносятся на влажный бетон, чтобы предотвратить попадание хлоридов и доступ кислорода.
• Гальванические аноды (например, Sika Galvashield), встраиваемые в ремонтируемый бетон для защиты окружающей стали от начинающейся анодной коррозии.
• Ингибиторы коррозии для поверхностного нанесения (SACI). Мигрирующие ингибиторы наносятся на бетонную поверхность, чтобы достичь и защитить сталь в зонах приливных брызг.
• Эпоксидные покрытия: используются для высокоуровневой защиты свай и причалов (см. рис.14).

Мосты и инфраструктура (см. рис. 15):

• Гидрофобная пропитка: для герметизации пор бетона от воды и хлоридов, которые часто встречаются на настилах мостов используются силаны и/или силоксаны.
• Армирование из нержавеющей стали: используется в зонах повышенного риска, таких как прибрежные мосты (например, мост Бродмидоу в Уорчестере, Великобритания).
• Антикарбонатные покрытия: на потолочные перекрытия и колонны мостов наносятся специальные краски (например, Sikagard-675 W GB), чтобы блокировать проникновение CO2 и воды.

Парковочные гаражи и площадки (см. рис. 16):

• Покрытия настилов, пригодных для движения транспорта: на настилы и пандусы наносятся полиуретановые или эпоксидные покрытия, обеспечивающие водонепроницаемый барьер, перекрывающий мелкие трещины;
• Ингибиторы коррозии. Нитрит кальция или органические ингибиторы используются в бетонных смесях (или в качестве средства обработки поверхности) для борьбы с хлоридами из противообледенительных солей;
• Катодная защита: используется в подземных парковочных сооружениях высокого риска, загрязненных хлоридами, для управления всей площадью паркинга.

Промышленные объекты и дымоходы:

• Высокоэффективные эпоксидные покрытия: наносятся на внутренние стенки промышленных дымоходов для обеспечения устойчивости к высоким температурам и воздействию кислот;
• Покрытия на основе смол: используются на химических заводах для защиты бетона от агрессивного химического воздействия.

Перспективным инновационным решением является применение гибридных металлокомпозитных материалов (CMH™). Инновационные гибридные компоненты, сочетающие в себе сильные стороны обоих видов материалов, уже производят революцию в строительстве и машиностроении. Одним из наиболее известных примеров в этой области является интеграция армированного волокном полимера и стали, позволяющая создавать композитные системы, обеспечивающие превосходные характеристики и эффективность. Наиболее известна уже действующая в Индианаполисе (США) непрерывная изоляция GreenGirt CMHᵀᴹ (композитный металлический гибрид) и системы ограждений зданий SMARTci® с Z-образными балками GreenGirt CMH.