Коррозия стали в бетоне

Ремонт повреждений, вызванных коррозией металла в армированных бетонных конструкциях, в том числе из ячеистых бетонов обуславливает многомиллиардные потери бюджетов разных стран, причем не всегда нарушения целостности железобетонных панелей или плит обходятся без человеческих жертв. Особенно опасными остаются предварительно напряженные конструкции, арматура в которых чувствительна к коррозионному растрескиванию, что определяет большую скорость разрушения, малую его прогнозируемость и высокие риски травматизма и смерти находящихся в здании/сооружении людей. Нормативная база по защите закладных и армирующих элементов в бетоне определена рядом стандартов и СНиП (ГОСТ 9.101-2002, СН 277-80 и т.д.) и сегодня наиболее полно сведена в действующий ГОСТ 31384-2008 (Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии). ГОСТ 31384-2008 регламентирует обязательную защиту арматуры в бетонных конструкциях способами горячего оцинкования, термодиффузионной обработки в сухой среде, где доминирующим является цинковый порошок (пыль или пудра), газотермического напыления (распыляемая потоком воздуха разогретая до парообразного состояния цинковая проволока), холодного оцинкования цинкнаполненными красками, или комбинированием этих способов при эксплуатации в агрессивных средах.

При нормальных условиях бетон имеет щелочную среду из-за присутствии гидроксида кальция, практически не вызывающую сколь значимых коррозионных процессов. Однако диффузия в бетоны солевых растворов из осадков и окружающего воздуха, выщелачивание, или сатурация приводит к тому, что система становится коррозионно активной. Причем присутствие ионов хлора в бетоне может влиять на процесс коррозии по двум направлениям - изменяя оксид железа, в результате чего активизируется точечная (питтинговая) коррозия, особенно при наличии блуждающих токов, а также ускоряя карбонизацию бетона, что увеличивает кислотность среды и способствует повышению скорости коррозии.

Продукты коррозии железа, образующиеся на поверхности арматуры, имеют гораздо больший объем, чем сам прореагировавший металл. Это увеличение объема около арматурных стержней вызывает значительные по величине растягивающие напряжения в самом бетоне. Образующиеся микро и макротрещины облегчают доступ влаге к арматурным стержням, что ускоряет процесс и увеличивает внутренние напряжения по экспоненте. Когда внутренние растягивающие напряжения превышают предел прочности бетона – происходит разрушение. В случае предварительно напряженной арматуры ее растрескивание может произойти значительно раньше, чем на наружной поверхности панели или перекрытия появятся сквозные трещины и сколы. И в этой ситуации целостность плиты будет определяться только ее весом, нагрузкой и пределом прочности бетона.

Оцинкованная стальная арматура выдерживает воздействие концентраций хлорид-ионов в несколько раз выше (от 4 до 5 раз), чем арматура из обычного черного проката. Причем защита цинкового покрытия, по сути двухуровневая при горячем оцинковании или термодиффузионном покрытии цинка. Основной протекторный барьер составляют слои интерметаллидов, а наружная защита обеспечивается пассивированным слоем чистого цинка. Однако здесь нужно понимать, что самопассивация цинка в бетонной среде занимает определенное время и поэтому бетонные армированные конструкции лучше выдерживать в помещениях складов с нормальной или слабощелочной средой перед монтажом для завершения пассивации. Зависимость устойчивости чистого цинка и пассивированного слоя через 15 дней выдержки от концентрации ионов хлора представлена на рисунке ниже.

Видно, что пассивированный при реакции с гидроксидом кальция цинк уже через пятнадцать дней имеет более низкий электрохимический потенциал в сравнении с чистым цинком, а значит и более высокую устойчивость к воздействию ионов хлора.

Большое значение в отношении устойчивости к коррозии имеет прочность сцепления арматуры и бетона. Наличие несплошностей в местах примыкания бетона к арматуре, дефектов, трещин и пор облегчает доступ влаги к металлу и запускает механизм коррозии.

В свою очередь адгезия бетонной смеси к металлу тем более высокая, чем больше шероховатость поверхности. Именно это определяет преимущественное использование способа горячего оцинкования, которое дает более пористую поверхность покрытия в сравнении с термодиффузионным оцинкованием или нанесением цинка газотермическим напылением.

Отдельно стоит отметить, что несмотря на выделение водорода при образовании нерастворимых солей цинка охрупчивания металла не происходит из-за присутствия в цементах определенных долей хроматов, снижающих скорость образования свободного водорода, а также паропроницаемости бетонов, играющей в этой ситуации позитивную роль. В западных странах и США зачастую долю хроматов в смеси увеличивают внесением небольших количеств хромовых смесей в цементное тесто или непосредственно в затворную воду.

Опубликовано 21.07.2010