Коррозия арматуры в бетоне
Под коррозией металлов понимается процесс их разрушения, вызванный химическим или электрохимическим воздействием среды.
Защитный слой бетона затрудняет доступ к арматуре влаги, кислорода, воздуха или кислотообразующих газов, однако с увеличением пористости бетона и разрушений в нем, происходящих под действием агрессивных сред, его защитные свойства резко снижаются.
Коррозия арматуры в бетоне является электрохимическим процессом. Для понимания сущности электрохимического процесса разрушения арматуры ниже кратко изложена электрохимическая теория коррозии металлов, разработанная С.Н. Алексеевым.
Коррозия металлов в воде, водных растворах электролитов сейчас рассматривается как совокупность многих микрогальва-нических элементов, возникающих на поверхности металла вследствие его неоднородности или окружающей среды.
Известно, что при погружении в электролит двух электродов из разнородных металлов они приобретают различные по величине электрические потенциалы. При замыкании электродов между ними возникает ток. Прохождение тока сопровождается растворением электрода с более электроотрицательным потенциалом — анода.
Важными разновидностями катодного процесса являются реакции восстановления иона водорода в газообразный водород и кислорода в ион гидроксила (кислородная деполяризация).
Большое число коррозионных процессов связано с поглощением кислорода. В растворе происходит направленное перемещение ионов, возникает электрохимический ток, называемый током коррозии. При этом разрушаются только анодные участки металла. Продукты коррозии образуются в результате вторичных реакций в электролите:
Бе2+ + 20Н- -> Бе(ОН)2;
4Бе(ОН)2 + 2Н20 + 02 -> 4Бе(ОН)3.
Описанные процессы взаимосвязаны и протекают в несколько стадий. Скорость коррозии зависит от скорости того процесса, который в данных условиях протекает более медленно.
Скорость процесса коррозии выражается в весовых потерях металла на единицу поверхности в единицу времени. Она зависит от величины тока коррозии, т.е. от разности потенциалов анодных и катодных участков и омического сопротивления внутренней цепи коррозийного элемента.
Наличие ряда веществ в среде, окружающей металл, влияет на скорость коррозии. Вещества, повышающие скорость коррозии, называют стимуляторами, а снижающие ее скорость — ингибиторами.
Кислород является одновременно стимулятором и ингибитором. С одной стороны, он способствует образованию защитной окисной пленки, т.е. уменьшает коррозию, с другой — повышает скорость коррозии в начавших корродировать точках — коррозионных центрах. Ионы хлора действуют разрушающе на защитные окисные пленки. Соли щелочных и щелочноземельных металлов в нейтральных и щелочных средах тормозят коррозионный процесс, но они опасны в случае недостаточной концентрации.
Поскольку арматурная сталь неоднородна по структуре, как и контактирующая с ней среда, создаются необходимые условия для протекания электрохимической коррозии.
Коррозия арматуры в бетоне может возникнуть: а) при уменьшении щелочности окружающего арматуры электролита до pH, равного или меньше 12 при карбонизации или коррозии бетона; б) при активирующем действии хлорид- и сульфат-ионов, которые могут проникнуть к арматуре через трещины в бетоне.
Для большинства конструкций, соприкасающихся с воздухом, карбонизация является характерным процессом, который ослабляет защитные свойства бетона.
Карбонизацию бетона может вызвать не только углекислый газ, имеющийся в воздухе, но и другие кислые газы, содержащиеся в промышленной атмосфере. При карбонизации углекислый газ воздуха проникает в поры и капилляры бетона, растворяется в поровой жидкости и реагирует с гидроалюминатом окиси кальция, образуя слаборастворимый карбонат кальция:
Са(ОН)2 + С02 = СаС03 + Н20.
Этот процесс может продолжаться до полного связывания Са(ОН)2 в карбонизированном слое и разложения гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
Связывание С07 происходит в основном в тонком слое бетона (толщиной в несколько миллиметров) с постепенным перемещением в глубь бетона. Утолщающийся со временем карбонизированный слой продолжает связывать углекислоту, но уже в значительно меньшем количестве; по мере утолщения такого слоя растет сопротивление прониканию С02 и его продвижение в бетон замедляется.
Способ защиты стальной арматуры в бетоне основан на так называемом пассивирующем (защитном) действии щелочных сред. В щелочных растворах коррозия уменьшается вследствие образования защитной пленки из гидрата окиси железа. При гидратации портландцемента образуется в значительном количестве гидрат окиси кальция, растворенный во влаге, содержащейся в порах цементного камня, что обеспечивает полную пассивацию поверхности стали.
В плотном бетоне арматура может находиться в полной сохранности на протяжении длительного срока эксплуатации конструкций.
Карбонизация снижает щелочность содержащейся в бетоне влаги. Скорость распространения процесса карбонизации в глубь бетона зависит от его проницаемости и концентрации углекислоты в воздухе.
Содержащиеся в атмосфере цехов целого ряда производств газы (сернистый и хлористый водород, хлор) также поглощаются бетоном и, реагируя с гидратом окиси кальция, резко понижают щелочность бетона. Бетон, лишенный естественной щелочности, перестает оказывать защитное воздействие на стальную арматуру. При определенном влажностном состоянии бетона арматура начинает корродировать, причем скорость коррозии будет зависеть от воздухопроницаемости бетона.
Следовательно, процесс коррозии арматуры зависит от состояния бетона и активизируется с увеличением пористости бетона и степени его разрушения.
Технологические мероприятия по защите арматуры и железобетона от коррозии заключаются в обеспечении высокой плотности, однородности и, как следствие, непроницаемости бетона. Эти же цели преследуют при создании защитного слоя у арматуры бетона достаточной толщины. Увеличить непроницаемость бетона можно введением поверхностно-активных добавок, позволяющих снизить водоцементное отношение. Снижение же водоцементного отношения дает возможность повысить прочность, долговечность, морозостойкость и водонепроницаемость бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
