Влияние коррозии арматуры на несущую способность железобетонных конструкций

Обновлено: 10.01.2025

Влияние коррозии бетона и арматуры на долговечность железобетонных пролетных строений мостов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Дубинчик О.И.

Рассмотрены вопросы работы железобетонных конструкций пролетных строений железнодорожных мостов , имеющих повреждения в виде коррозии бетона и арматуры. Предложены зависимости для определения меры накопления повреждений в процессе коррозии бетона и арматуры во времени .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF CORROSION OF CONCRETE AND REINFORCEMENT ON THE DURABILITY OF CONCRETE BRIDGE SPANS

The article examines the questions of the work of reinforced concrete span structures of railway bridges having damages in the form of corrosions of the concrete and armature and offers the dependencies for determination of the measure of damage accumulation in the process of corrosion of concrete and armature in time .

Текст научной работы на тему «Влияние коррозии бетона и арматуры на долговечность железобетонных пролетных строений мостов»

О. И. ДУБИНЧИК (ДИИТ)

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ БЕТОНА И АРМАТУРЫ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

Розглянуто питання роботи з^зобетонних конструкцш прогiнних будов залiзничних моспв, що мають ушкодження у виглядi корозiï бетону та арматури. Наведеш залежностi для визначення мiри накопичення ушкоджень в процесi корозiï бетону та арматури у часг

Рассмотрены вопросы работы железобетонных конструкций пролетных строений железнодорожных мостов, имеющих повреждения в виде коррозии бетона и арматуры. Предложены зависимости для определения меры накопления повреждений в процессе коррозии бетона и арматуры во времени.

Проблема повышения долговечности мостовых конструкций в современных условиях является одной из основных. Теория надежности определяет термин долговечности, как свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния. Для искусственных сооружений железнодорожного транспорта основным критерием долговечности является срок службы.

Долговечность конструкций из железобетона зависит от большого числа факторов, основными из которых являются: тип и конструктивные особенности сооружения, условия эксплуатации, состав железобетона.

Считается, что если принять железобетон надлежащего состава, выбрать правильно конструктивные элементы, использовать в случае необходимости защитные мероприятия и качество строительных работ при возведении сооружения будет высокое, то такие сооружения будут долговечными.

Однако железобетон - материал не универсальный. Опыт эксплуатации транспортных железобетонных конструкций показывает, что в большинстве случаев на конструкции из железобетона одновременно с силовыми нагрузками действуют различные коррозионные факторы: воздействие агрессивной атмосферы, грунтов, постоянного электрического тока, которые через какой-то промежуток времени могут привести к заметному снижению их прочности и преждевременному разрушению. Это значительно снижает эффективность их применения, а иногда даже создает опасность для движения поездов.

Бетон - многокомпонентный композитный материал, обладающий свойствами упругости, псевдопластичности и ползучести, старения и наследственности, благодаря чему в нем переплетаются многие явления сложной физической природы [2]. Неоднородность бетона проявляется на всех микро- и макроуровнях его структуры. Кроме того, структурные характеристики этого материала существенно зависят от уровня приложенной нагрузки, характера и длительности ее воздействия и многих других факторов.

Процессы деформирования и разрушения бетона при кратковременном и длительном на-гружении, во-первых, физически нелинейны, во-вторых, отчетливо зависят от времени, в-третьих, носят ярко выраженный вероятностный характер.

Бетон разрушается в местах наиболее опасных дефектов структуры. Коррозионные процессы могут одновременно с действующими нагрузками увеличивать перенапряжения, возникающие в местах наиболее опасных дефектов, и тем самым ускорять процесс разрушения, порождая новые дефекты. В структуре бетона можно условно выделить следующие основные типы дефектов: макрополости, микрополости, ослабленные участки контактов цементного камня с поверхностью заполнителей и контакты зерен заполнителей без прослойки цементного камня [7].

Макрополости образуются за счет избыточной воды затворения и есть во всех бетонах, поскольку для получения удобоукладываемых бетонных смесей воды берут на 25.. .30 % больше, чем это необходимо для гидратации цемента.

Микрополости образуются за счет контрак-ционных процессов, возникающих при гидратации цемента. После затворения цемента кон-тракционные явления вызывают появление растягивающих усилий, которые сосредотачиваются на перемычках между микрополостями. Величина возникающих при этом напряжений зависит от степени гидратации клинкерных минералов цемента и может приводить к разрыву пленок цементного камня.

Ослабленные участки контактов цементного камня с поверхностью заполнителей возникают в местах утолщения водяных пленок на поверхности заполнителей, что приводит к уменьшению плотности цементного камня в зоне контакта с поверхностью заполнителя.

Контакты зерен заполнителей без прослойки цементного камня происходят из-за недостатка цементного теста в бетонной смеси для заполнения всех пустот между зернами заполнителя. Кроме того, за счет внешнего расслаивания появляются щели и рыхлые места в верхней части бетона, а под зернами относительно крупных частиц заполнителя и арматуры - неплотности, образующиеся от внутреннего расслаивания бетонной смеси, и микротрещины усадочного характера, возникающие при значительном температурном или влажностном градиенте.

Таким образом, в бетоне еще до приложения нагрузок имеются структурные дефекты и разрывы обуславливающие его пониженную прочность по сравнению с теоретически возможной.

В зависимости от состава и структуры бетона, вида конструкции, характера и величины рабочих нагрузок и условий эксплуатации разрушающее действие на бетон оказывают такие виды коррозии: сульфатная, коррозия выщелачиванием, общекислотная, магнезиальная, коррозия за счет подсоса и кристаллизации солей, биологическая, а также многократное попеременное замораживание и оттаивание воды в порах бетона; усадка и набухание цементного камня при изменении влажности, химическое воздействие различных агрессивных газов, различные механические воздействия.

В качестве оценки меры накопления повреждений бетона можно принять априорную меру повреждений у, выразив ее через

в момент разрушения

В начале нагружения

где Щ о - прочность бетона пролетных строений в начале нагружения; Яь,п - то же после приложения п циклов повторного нагружения; Щ сг - значение расчетного сопротивления бетона сжатию перед разрушением элемента, определяемое из условия

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где - расчетное сопротивление бетона сжатию при многократно повторяющихся нагрузках, вычисляемое по формуле [5]

Яь/ = тыЯь = 0,6РьРьЯь,

где ты - коэффициент условий работы; Яь -

расчетное сопротивление бетона осевому сжатию при расчетах по предельным состояниям первой группы; Рь - коэффициент, учитывающий рост прочности бетона во времени; рь -коэффициент, зависящий от асимметрии цикла повторяющихся напряжений

Значение прочности бетона пролетных строений в начале эксплуатации берется из проектной документации. Прочность бетона после приложения п циклов нагрузки определяется во время технической диагностики нераз-рушающим методом - склерометром Шмидта.

Как показали исследования, изменение прочности бетона и количества циклов нагружения в единицу времени, является широкополосным случайным процессом. Поэтому слагаемые, входящие в функцию меры накопления повреждений, также являются случайными величинами.

Коррозия арматуры в бетоне это электрохимический процесс взаимодействия металла с окружающей средой. Электрохимическое растворение металлов в процессе коррозии представляется в виде двух сопряженных реакций: анодной, заключающейся в переходе ион-атомов металла из кристаллической решетки в раствор, и катодной, заключающейся в ассимиляции освобождающихся при анодной реакции электронов [1]: анодная реакция (4); катодная реакция (5)

Процесс коррозии в железобетонных пролетных строениях мостов может происходить по трем основным схемам:

1) коррозия арматуры начинается после разрушения защитного слоя бетона в результате механических повреждений (сколы, отколы бетона) и оголения стержней арматуры;

2) развитие коррозии начинается с арматуры, когда бетон не обладает достаточными защитными свойствами (недостаточная толщина защитного слоя), но и не разрушается под действием среды, которая не является по отношению к нему агрессивной;

3) коррозия арматуры развивается в результате атмосферных воздействий через трещины, которые появились в бетоне конструкции.

По характеру разрушения поверхности арматуры различают следующие основные виды коррозии:

- равномерная или общая коррозия, т. е. равномерно распределенная по поверхности металла;

- местная или локальная (пятнами), сосредоточенная на отдельных участках поверхности;

- точечная коррозия (питтинг), сосредоточенная на очень малых участках поверхности, но отличающаяся глубоким прониканием,

- межкристаллитная коррозия, когда разрушение сосредотачивается на границах кристаллов.

Обычно встречается одновременно несколько видов коррозийных разрушений. В начале развития процесса часто наблюдается коррозия пятнами, в дальнейшем переходящая в общую, с развитием глубоких местных изъязвлений.

Местная коррозия арматуры, несмотря на меньшие вызываемые ею весовые потери металла, более опасна, чем общая, так как приводит к быстрой потери прочности отдельных участков. Коррозийное разрушение тем опаснее, чем ограниченнее участки, на которых оно сосредоточено.

Особенно резко понижает прочность меж-кристаллитная коррозия, нарушающая связи между кристаллами, несмотря на малые весовые потери металла.

Допустимо ли использование ржавой арматуры для армирования железобетонных конструкций?

Без арматуры, не обходится ни один строительный объект. Она придаёт бетону дополнительную прочность, благодаря которой он может выдерживать действующие на него нагрузки, на скручивание, растяжение и изгиб. Важно чтобы арматура соответствовала проектным требованиям. Одно из них, это отсутствие ржавчины. Какой уровень повреждения ржавчиной считается нормой, а какой нет, разберём подробнее.

Применение ржавой арматуры при создании армирующего каркаса. Применение ржавой арматуры при создании армирующего каркаса.

Какие степени коррозии арматуры бывают?

Каждому строителю следует знать, какая арматура считается ржавой и насколько она пригодна к использованию. Для ответа на этот вопрос рассмотрим документ от 2004 года - « Рекомендации по применению в железобетонных конструкциях арматуры со следами ржавчины ».

Согласно этому документу по степени коррозии различают 4 категории:

Легкий налет ржавчины , не влияющий на цвет стали и не меняющий вес заготовок и их свойства.
Наличие на поверхности стержней плотной ржавчины , которую удается удалить ветошью или металлической щеткой, и почти полностью исчезает при вибрировании бетона. После удаления изменения сечения арматуры не происходит.
Ржавчина локально поверхностная , образовавшаяся, как правило, попаданием на её поверхность воды. Легко удаляется с поверхности тряпкой либо металлической щёткой.
Наличие ржавого покрытия, вызванного значительной коррозией металла . После очистки остаются следы язвенной коррозии, и уменьшается диаметр прута.

Пример легкого налета ржавчины на арматуре. Пример легкого налета ржавчины на арматуре.

В общем случае при обустройстве фундаментов и других железобетонных конструкций допускается применять арматурную сталь без предварительной очистки при наличии ржавчины первых 3-х категорий. Если же имеется возможность приобрести дешевую арматуру со следами коррозии 4 степени – использовать ее без предварительной очистки и проверки специалистом не рекомендуется.

Что пишется в ГОСТ о ржавчине

В ГОСТ 10922-2012 « Арматурные и закладные изделия, их сварные, вязаные и механические соединения для железобетонных конструкций. Общие технические условия », 6 пункт « Приемка » гласит:

Тонкий слой ржавчины на арматуре не является причиной для браковки армирующего каркаса. Так как во время бетонирования эта ржавчина растворяется в щелочной среде бетона.
Отслаивающуюся и пачкающеюся ржавчину на арматуре, следует очистить до приемки каркаса с помощью металлической щётки и ветоши, или промыть сильной струей воды и продуть сжатым воздухом.

Правила хранения арматуры

Чтобы исключить возможность появления ржавчины на стальных прутах, следует их хранить в сухих, закрытых, проветриваемых помещениях, с влажностью не более 70 % . При хранении на улице, следует организовать навес и исключить возможность прямого взаимодействия влаги на арматуру.

Если все же арматура хранится на открытом воздухе, то следует в обязательном порядке выполнять проверку её состояния с периодичность не менее чем 1 раз в месяц. При необходимости проводить очистку, чтобы не допустить появление ржавчины 4 степени.

От качества используемой арматуры для армирования, будет зависеть и качество железобетонной конструкции.

На этом всё, если материал был для вас полезен - ставьте « лайк! », и подписывайтесь на канал , вас ждет ещё много полезных и интересных материалов.

Можно ли бетонировать ржавую арматуру и как это отразится на конструкции дома

Арматура есть не просит и ей можно запастись задолго до начала стройки. Но любому металлу свойственно ржаветь, особенно когда он хранится под открытым небом. И здесь у многих возникает вопрос: «А можно ли использовать ржавую арматуру для фундамента и как это отразится на прочности дома?» Можно или нет — читайте далее.

Уловки маркетологов

Если вы начнёте искать ответ на этот вопрос в интернете, то обязательно наткнётесь на «экспертные» сайты продавцов преобразователей ржавчины. Они вам намекнут, что ржавое — это плохо и расскажут, как до блеска очистить арматуру чудо-средствами. Это уловки маркетологов, слишком верить в них не нужно.

Ржавчина + цемент = эффект клея

Портландцемент содержит от двух до четырёх процентов окислов железа. Высокомарочные цементы, изготовленные на основе доменных шлаков, включают в свой состав до десяти процентов этих окислов. О чём это говорит?

Ржавчина реагирует с окислами железа во время затворения цемента в бетон. Это обеспечивает эффект приклеивания арматуры к бетону по всей своей поверхности.

И также налёт ржавчины говорит об отсутствии на металле заводской технологической смазки, которая как раз и снижает адгезию прута с бетоном. Арматуру ржавую, но в меру можно не бояться!

Категории ржавления арматуры

Но эту меру нужно как-то определить. Для этого заведующий лабораторией арматуры НИИЖБ, доктор технических наук, профессор С.А. Мадатян разработал документ, в котором классифицировал и описал виды ржавчины. Всего их четыре.

Влияние различных агрессивных факторов на состояние арматуры железобетонных изделий

В представленной статье рассмотрены основные процессы, которые происходят с арматурой железобетонных изделий, подвергающийся влиянию спектра агрессивных факторов окружающей среды. Также были проведены химические опыты на выявление коррозии на металлах. В последствие были рассмотрены способы защиты от коррозии.

Ключевые слова: арматура, коррозия, железобетонные изделия, окисление, окружающая среда.

This article discusses the main phenomena that occur with reinforcing reinforced concrete products, exposed to the spectrum of aggressive environmental factors. Chemical experiments were also conducted to detect corrosion on metals. Subsequently, corrosion protection methods were considered.

Keywords: reinforcement, corrosion, reinforced concrete products, oxidation, environment.

На территории любого промышленного предприятия имеются железобетонные конструкции зданий, сооружений, сетевых конструкций, которые подвергаются различным агрессивным факторам окружающей среды. Одним из основных процессов, способствующих разрушению, является коррозия.

Коррозия (ржавление, ржа, ржавчина) — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического воздействия с окружающей средой. В связи с этим возникает вопрос, как и с помощью чего можно остановить столь губительное действие на изделия.

Проектирование типовых сборных железобетонных конструкций (главным образом с целью снижения веса, а также экономии материалов при их изготовлении) сопровождалось уменьшением сечений элементов и соответственно защитных слоев бетона. Этому способствовало повышение прочности бетона на цементах более высоких марок, рост прочности арматурных сталей, совершенствование расчета конструкций.

К сожалению, не достаточно высокая культура производства железобетонных конструкций приводит к значительному снижению их долговечности. В таких массовых конструкциях, как плиты покрытий промышленных зданий, толщина защитного слоя сведена к минимуму, а в полках плит этот слой иногда отсутствует вовсе. Плотность и однородность бетона снижается из-за использования некондиционных, нефракционированных заполнителей. Форсирование режимов тепловлажностной обработки резко увеличивает проницаемость бетона. Неосторожное использование добавок-ускорителей твердения в виде хлористых солей вызывает коррозию арматуры даже под толстым защитным слоем бетона.

К тому же в настоящее время массовое распространение получили бетоны с пониженными защитными свойствами по отношению к арматуре: бесцементные, автоклавные, ячеистые, на пористых заполнителях с повышенной межзерновой пустотностью и др.

Опасность коррозии арматуры предварительно напряженных конструкций усугубляется наличием в ней весьма высоких напряжений, резким снижением пластичности высокопрочной стали при коррозионных поражениях, а также коррозионным растрескиванием напряженной термически упрочненной арматуры.

Следует учесть, что армированные стеновые панели из бетонов с пониженными защитными свойствами, предварительно напряженные конструкции и тонкостенные плиты покрытий в массовых масштабах используются при строительстве зданий ряда отраслей промышленности с агрессивными средами.

Современные методы расчета строительных конструкций, как правило, позволяют учесть все возможные неблагоприятные комбинации нагрузок. Исключения вызываются главным образом ошибками при проектировании и изготовлении конструкций, реже — нарушением расчетного режима эксплуатации. Одной из возможных ошибок является недоучет опасности коррозии арматуры.

Как показывает практика, коррозия арматуры предварительно напряженных конструкций вызывает их внезапное обрушение. Это происходит вследствие особенностей коррозии под напряжением высокопрочной проволоки и термически упрочненных стержней, часто используемых в качестве напрягаемой арматуры.

Язвенная коррозия при небольшом сечении проволоки делает ее хрупкой, но не ведет к образованию в защитном слое бетона продольных трещин, которые обычно служат сигналом опасности. Термически упрочненная арматура при коррозии под напряжением может подвергнуться растрескиванию, которое не связано обычно с образованием на ее поверхности толстого слоя ржавчины, т. е. разрушение конструкций с такой арматурой также оказывается внезапным.

Таким образом, если не исключить возможность коррозии арматуры, то нельзя гарантировать безотказности работы предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Убытки от ремонта поврежденных конструкций и в особенности от их замены могут быть очень велики; до сих пор не разработаны эффективные способы ремонта конструкций, пострадавших вследствие коррозии арматуры.

Для предупреждения коррозии и обрушения железобетонных изделий используется комплекс противокоррозионных мероприятий, включающий защиту железобетонных поверхностей различными методами. В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.

Бетоны представляют собой искусственные каменные строительные материалы, получаемые в результате формирования и затвердевания рационально подобранной по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества (цемент и др.), крупных и мелких заполнителей и воды.

Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивного вещества в его толщу; она особенно интенсивна при постоянной фильтрации такого вещества через трещины или поры бетона. К агрессивным воздействиям внешней среды чаще всего относят следующие: пресные и минерализованные воды, совместное действие воды и мороза, попеременное увлажнение и высушивание.

В связи, с вышесказанным, нас заинтересовало, какие существуют способы защиты арматуры железобетонных изделий.

Для достижения цели исследования, в работе были поставлены и решались следующие задачи: изучить литературные источники по теме исследования; разработать и провести практическую часть исследования; проанализировать полученные результаты.

Для предотвращения коррозионного разрушения бетона и железобетона существуют следующие виды защиты:

− первичная: защита железобетонных конструкций от коррозии и протечек, реализуемая на стадии изготовления (возведения) конструкции за счет свойств бетона (добавлением в бетон различных веществ) и конструктивных мер, достаточных для сохранения эксплуатационных свойств конструкций, предусмотренных проектом;

− вторичная: защита строительных конструкций от коррозии и протечек, реализуемая после изготовления (возведения) конструкции и подразумевающая устройство оклеечной, свободномонтируемой, обмазочной, металлической и прочих видов изоляции и других мер, исключающих или препятствующих прямому контакту агрессивной среды с материалом конструкций.

Например, для защиты арматуры подземных железобетонных фундаментовот блуждающих токов, попадающих на арматуру фундаментов со стороны надземной части металлических конструкций, может быть использована экранная защита, когда арматура в бетоне вышла из пассивного состояния. Для осуществления этой защиты вокруг поверхности подземного фундамента на расстоянии 0,2–0,4 м от нее устанавливается внешний контур заземления из стержней круглой стали диаметром около 20 мм.

В процессе работы нами были проведены опыты на выявление коррозии металлов.

1) При растворении цинка в серной кислоте происходит образование соли сульфата цинка и выделение газа водорода.

Так как медь в электрохимическом ряду напряжения металлов стоит правее цинка, скорость коррозии увеличивается, поэтому, например, кровельное железо покрываются цинком, а не медью.

2) Процесс, ускоряющий выделение водорода. Взаимодействие цинка с медным купоросом и соляной кислотой происходит с выделением меди как рыхлого темного осадка. И именно на поверхности меди будет выделяться водород.

3) Взаимодействие красной кровяной крови с раствором серной кислоты на железный гвоздь.

Образующееся комплексное соединение окрашено в ярко синий цвет.

4) Взаимодействие железа и уксусной кислоты в присутствии йодида калия происходит медленно

В области защиты от коррозии стальной арматуры железобетонных конструкций важнейшими направлениями развития на ближайшие годы должны быть следующие:

− Развитие теории коррозии арматуры и защитного действия бетона.

− Разработка способов определения, повышения и производственного контроля защитных свойств плотного бетона, а также методов расчета длительности их сохранения.

− Исследование и разработка способов повышения защитных свойств конструктивных легких бетонов.

− Исследование влияния на развитие коррозии арматуры напряженного состояния и трещин в бетоне.

− Выявление особенностей коррозии высокопрочных арматурных сталей под напряжением, в частности, термически упрочненной стержневой арматуры, холоднотянутой проволоки, прядей и канатов.

− Разработка способов повышения коррозионной стойкости термически упрочненной арматуры в металлургическом процессе.

− Тщательное изучение условий эксплуатации основных видов массовых конструкций (плит покрытий, стеновых панелей, опор ЛЭП и контактной сети, шпал и др.).

Коррозия железобетонных конструкций и причины ее возникновения

Рассмотрены основные причины разрушения железобетонных конструкций производственных зданий.

Ключевые слова: коррозия, антикоррозионная защита,железобетон, бетон.

В России в больших масштабах и различных формах ведется эксплуатация производственных зданий и сооружений, построенных с применением различных материалов. Эксплуатация объектов часто происходит при неблагоприятных для материалов конструкций условиях.

Из всех строительных материалов ведущую роль имеют бетон и железобетон, которые составляют примерно 70 % из всех изделий и конструкций. Среди них наиболее широко применяется тяжелый бетон на цементной основе, важнейшим свойством которого является долговечность, выражаемая в десятилетиях. При правильном проектировании, изготовлении и применении железобетон как материал отличается многими положительными эксплуатационными свойствами, в том числе высокой коррозионной стойкостью. Однако при эксплуатации бетонные и железобетонные изделия и конструкции подвержены воздействию различных агрессивных сред. Под влиянием химических реакций и физико-химических явлений наблюдаются процессы разрушения, преждевременного коррозионного повреждения железобетонных конструкций.

К основным факторам разрушения бетонных конструкций следует отнести следующие факторы:

1) Технологический — в последнее время в силу различных причин непрерывно уменьшается толщина бетонных конструкций, в то время как качество бетона в ряде случаев оставляет желать лучшего, что выражается в высокой пористости и водопроницаемости.

2) Человеческий — ошибки в проектировании; неправильная оценка условий эксплуатации зданий и сооружений, воздействия агрессивной среды; неправильное назначение состава бетона, его проницаемости, толщины защитного слоя, конструкции.

3) Атмосферно-химический — воздействие агрессивных компонентов атмосферы (карбонаты, сульфаты, хлориды) и частые циклы мороз-оттепель. В результате химических реакций внутри пор бетона образуются кристаллы, рост которых приводит к появлению трещин и разрушению бетона. Коррозия арматуры в свою очередь, особенно в условиях повышенной вибрации, приводит к выкрашиванию бетона. Пористый бетон впитывает влагу, которая при низких температурах замерзает, увеличиваясь в объеме, что приводит к образованию трещин.

Чаще всего здания и конструктивные элементы преждевременно выходят из строя от суммарного воздействия вышеперечисленных факторов. Всё это ведет к снижению прочности, несущей способности, эстетических качеств железобетонных конструкций и, следовательно, остаточного ресурса зданий и сооружений.

Одной из основных причин разрушения железобетонных конструкций является коррозия. Возникновение и развитие коррозии зависят от состава и свойств агрессивной среды, скорости обмена среды у поверхности материала, температуры среды, плотности и состава материала, его напряженного состояния, структуры, толщины и плотности защитного слоя и условий взаимодействия материала со средой.

Коррозия бетона подразделяется на три основных вида: коррозия выщелачивания, кислотная и солевая. Основным критерием такой классификации является степень ухудшения его характеристик и свойств.

– I вид коррозии бетона — обусловлен выщелачиванием — под воздействием пресной воды (мягких вод) растворяются основные составные компоненты цементного камня и проникают сквозь толщу бетона наружу в процессе фильтрации. Характерным внешним признаком этого вида коррозии является появление белого налёта на поверхностях бетонных конструкций в местах выхода воды при фильтрации (см. рис. 1).

$Y:\Архив\легаева-ла\2012\ш. Юбилейная\Фото_Юбилейная_Насосные\Насосная №1 большая\IMG_0043.JPG$

Рис. 1. Коррозия бетона плит покрытия здания с оголением рабочей арматуры, выщелачивание

– II вид коррозии бетона происходит вследствие химических реакций (обменных процессов) между компонентами цементного камня и раствора, при этом образуются легкорастворимые компоненты, вымываемые из бетона, или продукты без вяжущих (скрепляющих) свойств, ослабляя в конечном итоге структуру цементного камня.

– III вид коррозии бетона наступает при постепенном накоплении и кристаллизации солей в капиллярах, порах и трещинах цементного камня, которые способствуют возникновению напряжению и внутреннему разрушению железобетона — наиболее часто наблюдается в морских сооружениях. В процессе развития коррозии третьего вида структура бетона претерпевает значительные изменения. Уменьшается пористость, появляются трещины параллельно поверхности.

Разрушению подвержена не только непосредственно бетонная поверхность, но и арматура бетона (см. рис. 2), поэтому при проведении обязательного периодического обследования производится комплексная диагностика железобетонного сооружения, при которой важно оценить характер и опасность повреждений, оценить уровень технического состояния конструкций.

$Y:\Архив\легаева-ла\2012\ш. Юбилейная\Фото_Юбилейная_Насосные\Насосная №1 большая\IMG_0036.JPG$

Рис. 2. Коррозия бетона, арматуры и закладных деталей

Обследование железобетонных конструкций включает: осмотр, регистрацию выявленных повреждений и дефектов; измерение величин внешних повреждений и дефектов; инструментальное или лабораторное определение прочности бетона. При визуальном обследовании выявляются: трещины, сколы, раковины, повреждения защитного слоя, участки бетона с изменением его цвета, повреждения и коррозия арматуры, закладных деталей, сварных швов и т. д. При инструментальном методе обследования железобетонных конструкций устанавливают: прочность, проницаемость, однородность и сплошность бетона; состояние антикоррозионной защиты; химический состав агрессивных сред, влияющих на состояние бетона; вид, степень и глубину коррозии; причины, характер, ширину и глубину раскрытия трещин; степень коррозии арматуры, закладных деталей и сварных швов и т. п. По результатам обследования составляется заключение о техническом состоянии конструкций, включающее сведения о дефектах и рекомендуемых мероприятиях по их устранению, а также причины их появления [2].

Преждевременное разрушение железобетонных конструкций, потеря ими герметичности, теплозащитных и других эксплуатационных качеств приводят к крайне нежелательным последствиям. Поэтому защита от коррозии всех конструкций из каменных материалов с целью обеспечения расчетных сроков их службы и поддержания требуемых эксплуатационных качеств зданий и сооружений имеет значительное практическое значение, и ни в коем случае нельзя пренебрегать данной проблемой и своевременно принимать соответствующие меры по предотвращению коррозионного разрушения бетонных и железобетонных конструкций.

Коррозия железобетонных конструкций: механизм и защита

Ключевые слова: коррозия, механизм коррозии, трещины, защита

Во всем мире коррозия является основной причиной разрушения конструкций, особенно в хлорированных средах. Устойчивое развитие коррозии является основной проблемой в определении срока службы металлических и железобетонных конструкций. Ряд мероприятий разработан для предотвращения коррозии металла с момента проектирования конструкций. Кроме того, вопросы долговечности конструкций целиком связаны с основными мероприятиями, направленными против коррозии, вызванной хлорированной средой: а) улучшение свойств защитного слоя бетона, б) использование в конструктивных элементах из нержавеющей стали, и применение технологий катодной сварки [2].

Одной из основных причин разрушения железобетонных конструкций является коррозия арматуры. Срок службы конструкций зависит от физических и химических воздействий окружающей среды, а также, от защитных свойств бетона. Коррозия будет развиваться в основном в соответствии с двумя процессами: карбонизация бетона, которая будет вызывать медленную и равномерную коррозию вдоль арматуры, и воздействие на хлориды бетона, которые вызывают коррозию арматуры. Этот процесс является быстрым и сильно локализованным [3].

Когда коррозия станет активной, механическое поведение конструкций будет серьезно изменено, и первое следствие этого — уменьшение корродирующего армирующего участка, корродированная сталь не исчезает, а превращается в ржавчину, которая будет занимать больший объем, чем здоровая сталь. Увеличение объема вызовет давление ржавчины на бетон и тем самым образует в нем трещины. Данная ситуация носит цикличный характер, который снова будет способствовать коррозии. Продольное растрескивание и накопление продуктов в результате коррозии сильно ухудшат поверхность раздела между сталью и бетоном, и состояние адгезии будет сильно изменено. В конечном итоге это, в лучшем случае, приведет к изменение внешнего вида конструкции, а, в худшем случае, к снижению механических характеристик [3] [4].

Во многих странах также были проведены значительные исследования для определения взаимозависимостей между скоростями коррозии и различными переменными в составе бетона, при его производстве и условий природно-климатического воздействия, например, тип цемента, содержание цемента, соотношение вода/цемент влажность, температура, толщина покрытия и т. д. Была также предпринята попытка обобщить влияние небольшого числа важных параметров, таких как зависимость ширины трещины от природно-климатического воздействия [5].

Существует несколько надежных методов предотвращения риска коррозии для арматуры в бетоне. Они напрямую связаны с выбором толщины покрытия и качеством бетона в конструкции. Есть примеры сильно поврежденных конструкций в агрессивных средах. [5].

На рисунке 1 представлен механизм распространения коррозии

Рис. 1. Механизм распространения коррозии

Изучение трещин вокруг арматуры показывает, что после образования сети первичных трещин, увеличенная нагрузка на бетон приведет к потере адгезии вблизи трещин, перенося нагрузку на ребра жесткости конструкции, что так же приведет к внутренним трещинам. При этом первичные трещины появятся только тогда, когда сила, воспринимаемая сталью и бетоном, превышает допустимую силу, воспринимаемую бетоном на растяжение. Тогда образуются трещины в бетоне, а вокруг арматуры развивается коррозия, общий объем арматуры увеличится в два-три раза по сравнению с нормальной арматурой, что и приводит в дальнейшем к образованию продольных трещин вдоль арматуры. Данная ситуация усилит деградацию поверхности раздела между арматурой и бетоном [4].

КОРРОЗИЯ СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ В БЕТОНЕ

Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях ограждает арматуру от внешней среды, но не изолирует ее полностью. Внешняя по отношению к железобетонным конструкциям среда воздействует прежде всего на бетон и лишь через него – на арматуру. По существу, средой, в которой находится арматура, является бетон.

Коррозия стальной арматуры происходит по электрохимическому механизму, для действия которого необходимы следующие условия:

наличие разности потенциалов между отдельными участками поверхности металла, т.е. электрохимическая неоднородность ее;

наличие электролитической связи между этими участками;

активное состояние поверхности на анодных участках, где металл растворяется;

наличие достаточного количества деполяризатора, в частности кислорода, необходимого для поглощения на катодных участках поверхности металла избыточных электронов.

Поскольку структура стали и контактного слоя бетона у ее поверхности неоднородны, то первое условие для арматуры в бетоне выполняется всегда. Так как бетон представляет собой капиллярно-пористое тело с активной и гидрофильной внутренней поверхностью, то второе и четвертое условия протекания коррозионного процесса в бетоне также выполняются. Следовательно, отсутствие коррозии стали в плотном бетоне связано с тем, что не выполняется третье условие.

Защита бетоном стальной арматуры основывается на пассивирующем действии щелочных сред. В щелочных растворах коррозия железа уменьшается, что объясняется образованием защитной пленки из гидрата окиси железа. С увеличением рН уменьшается растворимость гидроокиси и защитные свойства пленки повышаются.

При гидратации зерен портландцементного клинкера в значительном количестве образуется гидрат окиси кальция. Влага, содержащаяся в пористом теле цементного камня, твердевшего в нормальных условиях и не претерпевшего изменений по влиянием агрессивной среды, насыщена гидратом окиси кальция и имеет щелочную реакцию. Величина рН жидкой фазы такого бетона находится в пределах 12,2-13,0. В водном растворе с таким рН наступает практически полная пассивация поверхности стали.

Однако бетон представляет собой капиллярно-пористое тело. Основную массу пор и капилляров в бетоне составляют поры и капилляры цементного камня, образовавшиеся в результате испарения избыточной воды затворения. В процессе длительного твердения при полной гидратации зерен клинкера химически связанная вода составляет до 20-25% от массы цемента (в/ц = 0,2-0,25). Практически для получения удобоукладываемых смесей применяют в/ц не менее 0,4. Избыточная вода затворения образует, испаряясь, разветвленную сеть пор и капилляров - мелких в цементном камне, более крупных – на контакте цементного камня с зернами заполнителя. Капиллярно-пористое тело бетона в зависимости от плотности структуры обладает различной проницаемостью для газов, паров и жидкостей. Кроме того, в зависимости от влажностных условий окружающей среды бетон может иметь разную степень насыщения влагой.

При непосредственном длительном увлажнении бетона заполняются все поры, включая крупные, и арматура находится в условиях полного погружения в электролит. Аэрация поверхности стали в этом случае затруднена, т.к. поры закрыты влагой и в таких условиях арматура в обычном плотном бетоне не корродирует. Низкой относительной влажности окружающей среды соответствует малая степень заполнения влагой пор бетона. Несмотря на сравнительно легкий доступ кислорода воздуха к поверхности арматуры, на ней оказывается мало влаги для протекания процесса электрохимической коррозии стали. Поэтому при относительной влажности воздуха ниже 60% в обычном тяжелом бетоне коррозии арматуры не наблюдается. Коррозия арматуры в плотном бетоне обычно происходит при значениях относительной влажности воздуха 70-80%, либо при периодических увлажнениях конструкций. В этих условиях влажностное состояние бетона таково, что наряду с наличием достаточного количества влаги для работы коррозийных гальванических пар на поверхности арматуры имеется более или менее свободный доступ кислорода воздуха к ней через частично открытые поры и капилляры.

Чем больше пор в бетоне и чем они крупнее, тем более неоднородны условия на поверхности арматуры как из-за несплошного обволакивания арматуры цементным камнем и пленками щелочной влаги, так и вследствие разной степени аэрации ее поверхности. Чем больше пористость и неоднородность структуры бетона, тем выше опасность возникновения коррозии арматуры и скорость ее развития.

Другой особенностью бетона как среды для арматуры является то, что его свойства изменяются во времени. Пористый цементный камень, проницаемый для паров и газов, соприкасаясь с воздушной средой, может подвергаться интенсивной карбонизации. В процессе карбонизации углекислый газ воздуха проникает в поры и капилляры бетона, растворяется в поровой жидкости и реагирует с гидроокисью кальция, образуя слаборастворимый карбонат кальция. Карбонизация снижает щелочность содержащейся в бетоне влаги. Скорость распространения процесса карбонизации вглубь бетона зависит от его проницаемости и концентрации углекислоты воздуха.

Присутствующие в промышленной атмосфере кислые газы – сернистый газ, хлор, хлористый водород – также поглощаются бетоном и реагируют с гидратом окиси кальция, резко понижая щелочность бетона. Бетон, лишенный естественной щелочности, перестает оказывать защитное действие на стальную арматуру, и при определенном влажностном состоянии бетона арматура начинает корродировать, причем скорость коррозии будет зависеть от воздухопроницаемости бетона.

Другими факторами, влияющими на состояние арматуры в бетоне, кроме состава и влажности окружающей среды, являются: состояние поверхности и степень напряжения арматуры; структура, состав бетона и толщина защитного слоя; вид вяжущего и режим твердения бетона; различные добавки, вводимые в бетон в качестве пластификаторов и ускорителей твердения; наличие трещин в бетоне защитного слоя.

В трещинах с малым раскрытием скорость коррозии арматуры становится меньше скорости коррозии незащищенной стали. Это объясняется тем, что растущий в стесненных условиях слой ржавчины сильно уплотняется и начинает существенно ограничивать как анодный, так и катодный процессы на поверхности арматуры в зоне трещин. Этого не происходит при коррозии незащищенной арматуры, когда образуется рыхлая ржавчина. В широких трещинах и при специфической агрессивности среды это затухание коррозии может носить временный характер, так как прочность бетона на растяжение в защитном слое может оказаться недостаточной для восприятия растущего давления со стороны слоя ржавчины, произойдет раскалывание и отпадение защитного слоя бетона с последующим ускорением коррозии арматуры и распространением ее вдоль стержня. Практически такая опасность тем меньше, чем выше прочность бетона и толще защитный слой у арматуры.

Читайте также: