Инновационные технологии снижения интенсивности коррозии арматуры железобетонных конструкций

№102-1,

технические науки

Рассмотрены новейшие технологические методы уменьшения коррозионных процессов в стальной арматуре железобетона. Из разнообразных подходов антикоррозионной защиты наиболее технологичным является направленное структурообразование нанокомпозитов, которое обеспечивается оптимальным подбором нановяжущих и заполнителей.

Похожие материалы

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.

Схема электрохимической коррозии стальной арматуры в железобетоне
Рисунок 1. Схема электрохимической коррозии стальной арматуры в железобетоне

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.

Список литературы

  1. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. – М.: Стройиздат, 1980. – 536 с.
  2. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 416 с.
  3. Войтович В.А., Хряпченкова И.Н., Яворский А.А. Гидрофобизация как способ повышения срока службы зданий // Строительные материалы. 2013. № 12. С.15-17.
  4. Халиков Р.М. Инновационные подходы управления структурообразованием строительных композитов с повышенной коррозионной устойчивостью // NovaInfo.Ru. 2018. №90. С.40-43.
  5. Алексеев С.Н., Ратинов В.Б., Розенталь Н.К., Кашурников Н.М. Ингибиторы коррозии стали в железобетонных конструкциях. – М.: Стройиздат, 1985. – 272 с.
  6. Page C.L., Sergi G. Development in cathodic protection applied to reinforced concrete // J. Mater. Civ. Eng. 2000. V.12. P.8-15.
  7. Синицин Д.А., Халиков Р.М., Булатов Б.Г. и др. Технологичные подходы направленного структурообразования нанокомпозитов строительного назначения с повышенной коррозионной устойчивостью // Нанотехнологии в строительстве. 2019. Т.11. №2. С.106-117.
  8. Bertolini L., Elsener B., Pedeferri P., Polder R. Corrosion of steel in concrete, prevention, diagnosis, repair. – New York: Wiley-VCH, 2004. – 394 р.
  9. Галеев Р.Д., Синицин Д.А., Халиков Р.М. Конструирование антикоррозионной защиты трубопроводов нефтегазовой отрасли полимерными композиционными покрытиями // Сб. материалов IV Всерос. конф. «Совр. технологии композ. материалов». – Уфа: РИЦ БашГУ, 2019. С. 124-128.
  10. Зиновьев В.М., Зрайченко Л.И., Горшкова Л.М. Полиуретановые и эпоксиуретановые покрытия для антикоррозионной защиты металлических конструкций // Инновации. 2014. №6(188). С.118-120.
  11. Андреев Н.Н., Гедвилло И.А., Жмакина А.С. и др. Физико-химические принципы создания мигрирующих ингибиторов коррозии стальной арматуры в бетоне // Вестник Тамбовского университета. 2013. Т.18. №5. С.2269-2274.
  12. Пузанов А.В., Улыбин А.В. Методы обследования коррозионного состояния арматуры железобетонных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2011. №7. С.18-24.
  13. Elsener В., Andrade C., Gulikers J. et al. Half-cell potential measurements –Potential mapping on reinforced concrete structures // Materials and Structures. 2003. V.36. Р.461-471.
  14. Черепашкин С.Е., Латыпов О.Р., Кравцов В.В. Методы коррозионных исследований. – Уфа : УГНТУ, 2014. - 86 с.
  15. Иофа З.А. О механизме действия сероводорода и ингибиторов на коррозию железа в кислых растворах.// Защита металлов. 1980. Т.16. №3. С.275-280.
  16. Vedage H., Ramanarayanan Т., Mumford J.D., Smith S.N. Electrochemical growth of iron sulfide films in H2S–saturated chloride media // Corrosion (USA). 1993. V.49. N.2. P.114-121.