Одним из наиболее значимых факторов технического состояния железобетонных конструкций и долговечность сооружений нефтегазовой отрасли обусловлены физико-химическими процессами коррозии стальной арматуры. Коррозионное повреждение арматурной углеродистой стали приводят к негативным последствиям: возможности хрупкого разрушения в случае развития питтинговой коррозии; образованию трещин и разрушению защитного слоя бетона и др. [1].
Целью данной работы является рассмотрение технологичных подходов уменьшения коррозионных разрушений железобетона.
Основой защитного действия бетонов по отношению к горячекатаной стали для армирования является щелочной характер среды (рН>12) в капиллярно-микропористой структуре бетона, способствующий сохранению пассивности арматурной поверхности. При значительной плотности бетона, надлежащей величине защитного слоя и отсутствии повреждений (трещины, сколы и т.д.) стальная арматура сохраняется в пассивном состоянии в железобетонных конструкциях десятилетиями.
Коррозионное разрушение арматурной стали железобетона носит преимущественно электрохимический характер [2] и протекает на границе металл — агрессивный реагент. Одним из основных факторов, способствующих коррозии арматурной стали, является карбонизация: нейтрализация за счет взаимодействия гидроксида кальция цементной вяжущей с диоксидом углерода (углекислым газом) воздуха щелочной среды бетона. Другим фактором коррозионного разрушения арматуры железобетонных конструкций является локальная депассивация арматурной стали при воздействием хлорид-ионов (Cl–), которые выступают в качестве активаторов в среде кислорода и влаги (рис. 1). Диффузионная миграция ионов хлора, которые присутствуют в противогололедных смесях, грунтовой и морской воды, вглубь железобетона приводит к существенному ускорению коррозии арматурной стали.
В результате электрохимических процессов в стальной арматуре индуцируется коррозионный ток за счет протекания анодных и катодных реакций: в этом случае измеряя потенциал, можно неразрушающим методом определить участки возникновения хлоридной коррозии. В дальнейшем продукты коррозионного разрушения накапливаются вокруг стальной арматуры железобетонных конструкций и приводят к образованию трещин и отслоению защитного слоя бетона.
Нарушение пассивной плёнки, защищающей горячекатаную арматурную сталь периодического профиля, возможно также по следующим причинам:
- снижение рН поровой жидкости бетона до величин ниже 12;
- проникновение к поверхности арматурной стали агрессивных реагентов;
- ускорение анодных процессов растворения стали.
На сегодняшний день традиционно используют следующие подходы антикоррозионной защиты стальной арматуры железобетонных конструкций:
- обработка поверхности строительных конструкций гидрофобными полимерами и сеалантами (уплотняющими герметиками) [3];
- технологическая обработка железобетонных конструкций полимерными композитами, которые образуют в микропорах уплотненную кристаллическую наноструктуру [4], уменьшающую диффузию агрессивных агентов;
- добавление в состав железобетона ингибиторов коррозии [5];
- электрохимическая защита с использованием протекторов [6];
- при формировании устойчивых к коррозии нанокомпозиционных стройматериалов следует привлекать фрактальную концепцию структурообразования [7] и это направленно приводит к существенному улучшению их эксплуатационных характеристик в агрессивных средах;
- покрытие стальной арматуры эпоксидным композитом, обеспечивающим адгезивную прочность с последующей антикоррозионным полиуретановым слоем и др. [8-10].
Арматурная сталь периодического профиля с равномерно расположенными на поверхности под углом к продольной оси стержня поперечным рифлением для улучшения сцепления с бетоном не будет подвержена коррозии, если агрессивный электролит при контакте с ее поверхностью имеет достаточно высокий рН, чтобы пассивировать поверхность металла. Для повышения коррозионной устойчивости арматуры в бетон вводят ингибиторы коррозии: биполярные молекулы ингибитора коррозии образуют на поверхности стальной арматуры антикоррозионную защиту.
Современные комплексные ингибиторы коррозии для защиты стальной арматуры в железобетоне создаются на базе лигносульфонатов, таннинов, аминоспиртов и т.п. Мигрирующие ингибиторы [11] коррозии, которые обладают способностью диффундировать через слой бетона и адсорбироваться на поверхности стальной арматуры, образуют с катионами железа труднорастворимые комплексы и существенно замедляют скорость коррозии.
Ингибиторная защита значительно уменьшает скорость коррозионных процессов, тем не менее не останавливает полностью: уменьшение скорости разрушения арматурной стали не всегда адекватно снижению вероятности ее растрескивания; в этом случае коррозионные проявления носят аддитивный характер. Именно поэтому даже при эффективности ингибиторной защиты в случае вероятности коррозионного растрескивания должна сочетаться с правильным выбором арматурных сталей железобетонных конструкций.
Следует отметить, что в настоящее время существуют ряд методов, позволяющих произвести оценку интенсивности и определить характер коррозионных повреждений [12-14]. На диагностической практике наибольшее распространение имеют гравиметрический метод, метод электрического сопротивления и метод линейной поляризации. Измерение скорости коррозии методом электрического сопротивления является способом автоматического контроля и позволяет измерять электрохимические и механические виды коррозии, такие как эрозия.
Коррозионные проявления в присутствии сероводорода и других агрессивных реагентов [15, 16] не ограничиваются просто разрушением арматурной стали в форме питтингов и язв, что приводит к сероводородному растрескиванию стали, находящейся под напряжением. Наиболее подвержены сероводородному коррозионному разрушению высокопрочные углеродистые стали, что актуально для нефтегазовой отрасли.
В заключение можно сделать вывод, что многофакторность коррозионных процессов определяет и сложность всего цикла исследований и испытаний, связанных с разработкой и внедрением новейших подходов антикоррозионной защиты стальной арматуры железобетона.