Коррозия стали в бетоне

РЕЗЮМЕ. Как ограничить коррозию

1. Используйте воздухововлеченный бетон с водо-цементным соотношением 0,4 или ниже.
2. Заливайте минимум 4 сантиметра в высоту и минимум на 2 сантиметра больше максимального размера щебня в бетоне над армированием.
3. Увеличьте минимальную высоту поверхностного слоя до 5 сантиметров для противогололедных сред и до 6 сантиметров для морской среды.
4. Убедитесь, что бетон выдерживается в правильной температуре и влажности.
5. Используйте золу уноса, печно-доменные шлаки, микрокремнезем и/или проверенный ингибитор коррозии.

ЧТО такое коррозия стали?

Терминология ASTM (G 15) определяет коррозию как «химическую или электрохимическую реакцию между материалом, обычно металлом, и его средой, которая вызывает разрушение материала и его свойств». Для стали, находящейся в бетоне, коррозия означает образование ржавчины, которая больше исходного объема в 2-4 раза и не имеет никаких из полезных свойств. Коррозия также вызывает появление ямок и дырок на поверхности армирующей стали, уменьшая потенциал прочности из-за ухудшения сцепления с бетоном.

ПОЧЕМУ важна коррозия в бетоне?

В железобетоне (бетоне с арматурой) используется сталь для придания материалу эластичных свойств, необходимых в конструкциях. Это предотвращает повреждения бетонных структур, подверженных нагрузкам на растяжение и изгиб из-за ветров, веса конструкции и температурных циклов. Однако, когда сталь корродирует, образование ржавчины приводит к потери сцепления между сталью и бетоном и последующим расслоению и откалыванию. Если это оставить неисправленным, ухудшится целостность структуры. Уменьшение сцепления приводит к снижению потенциала прочности. Это особенно пагубно при нагрузках на растяжение в преднапряженном железобетоне.

ПОЧЕМУ сталь в бетоне корродирует?

Обычно сталь в бетоне находится в некорродирующей, пассивной среде. Однако, армированный сталью бетон часто используется в агрессивных средах, с морской водой или противогололедными реагентами. Когда хлориды проникают в бетон, они разрушают пассивный слой, заставляя сталь корродировать и образовывать ямки.

Карбонизация бетона - еще одна причина коррозии стали. Когда бетон карбонирует до уровня стальной арматуры, обычная щелочная среда, защищающая бетон от коррозии, замещается более нейтральной средой. В этих условиях сталь не пассивна, и начинается стремительная коррозия. Скорость коррозии из-за карбонизации бетона, меньше, чем для коррозии, вызванной проникновением хлоридов.

Иногда недостаток кислорода, окружающего стальную арматуру, заставит металл разлагаться, оставляя жидкость с низким уровнем pH.

КАК избежать коррозии?

Качественный бетон - бетонные практики

Первая защита от коррозии стали в бетоне - это качественный бетон и надлежащая толщина бетонного слоя над арматурой. Качественный бетон имеет низкое водоцементное отношение (В/Ц), чтобы не позволить хлоридам проникать внутрь и препятствовать карбонизации. В/Ц должно быть 0,5, чтобы уменьшить скорость карбонизации, и меньше 0,40, чтобы минимизировать проникновение хлоридов. Бетоны с низким в/ц можно получить с помощью:

• увеличения содержания вяжущих,
• уменьшением объема воды за счет замещения ее пластификаторами и водопоглотителями,
• использованием большего объема золы уноса, шлаков или других вяжущих.

В дополнение к этому, в исходных материалах бетона должно быть минимизировано содержание хлоридов. Свод строительных правил ACI 318 содержит ограничения по содержанию растворимых хлоридов в бетонной смеси.

Другой компонент, влияющий на качество бетона - это вовлеченный воздух. Требуется защитить бетон от рисков замораживания и оттаивания. Вовлечение воздуха также снижает выделение воды и проницаемость по каналам выделения воды. Откалывание может ускорить коррозию содержащейся внутри арматуры. Требуется надлежащее планирование операций по выравниванию, чтобы убедиться, что бетон не откалывается и не ломается.

Правильный объем стали способствует сдерживанию трещин. ACI 224 помогает проектировщику минимизировать образование трещин, которые могут разрушительно воздействовать на содержащуюся сталь. В общем случае, максимальный допустимый размер разломов - 0,18 мм для противогололедных областей и 0,15 мм для морской воды.

Адекватный слой бетона над армированием - также существенный фактор. Проникновение хлоридов будет проходить через поверхностный слой даже низкопроницаемых бетонов. Увеличение слоя отсрочит возникновение коррозии. Например, время, необходимое ионам хлоридов для достижения 5 сантиметров от поверхности, в 4 раза больше времени для 2,5 см. ACI 318 рекомендует минимум 3,8 см для большинства структур и его увеличение до 5 см, если используются противогололедные реагенты. ACI 257 рекомендует слой минимум в 6,3 см для водных условий. Чем больше размер заполнителей - тем больше требуется слой. Для заполнителей крупнее 20 мм рекомендуется добавить еще 20 мм к наибольшему размеру наполнителя для противогололедных сред, и 45 мм для морской среды. Например, для бетона с крупностью наполнителя в 25 мм следует иметь слой в 70 мм.

Бетон должен быть надлежащим образом уплотнен и выдержан. Влажное выдерживание минимум на 7 дней требуется для бетона при температуре 21 °C с В/Ц 0,4, в то время как для В/Ц 0,6 - уже 6 месяцев для достижения сопоставимых показателей. Отдельные исследования показывают, что пористость бетона существенно уменьшается с увеличением времени на выдерживание бетона, что, соответственно, увеличивает сопротивляемость коррозии.

Специфические бетоны и системы защиты от коррозии

Увеличенная сопротивляемость коррозии также может быть достигнута использованием добавок в бетон. Микрокремнезем, зола уноса, и печно-доменные шлаки снижают проницаемость бетона к проникновению ионов хлоридов. Ингибиторы коррозии, такие как хлорид кальция, предотвращают коррозию при достижении ионами хлоридов уровня армирования. В любом случае, они добавляются в бетон при уровне В/Ц не больше 0,45.

Гидрофобные присадки уменьшают проникновение жидкости и до определенного уровня и хлоридов в их числе. Однако, ACI 222 показывает, что они неэффективны в обеспечении долговременной защиты. Поскольку качественный бетон уже имеет высокую водонепроницаемость, дополнительные добавки уже не столь важны.

Другие способы включают в себя защитные мембраны, катодную защиту и покрытие арматуры эпоксидом.