Виды разрушений арматуры в бетоне

Разрушение арматуры в бетоне может иметь характер язвенного поражения ее отдельных участков либо равномерного уменьшения сечения по всей поверхности. Последнее более характерно и возникает вследствие перехода слоев металла в продукты коррозии в результате образования микропар, имеющих катодные участки меньшей площади, чем анодные. Такое явление наблюдается в карбонизированном или другом непассивирующем бетоне. В тех случаях, когда площадь катодных участков превышает площадь анодных, на арматуре появляются отдельные пятна — язвы. Язвенная коррозия арматуры образуется при неравномерном проникновении в бетон хлоридов, разрушающих пассивирующую пленку на поверхности арматуры. Более опасна язвенная коррозия арматуры, так как при ней местное уменьшение сечения арматуры происходит значительно быстрее.

Особенно опасна язвенная коррозия в предварительно напряженных конструкциях, где для армирования бетона используют высокопрочную проволоку. Вследствие малого поперечного сечения и высокой степени напряжения проволоки от язвенных поражений могут происходить ее обрывы.

Аварийное состояние конструкций от язвенной коррозии особенно часто возникает при введении в бетонную смесь большого количества добавок хлористых солей, особенно при малой толщине защитного слоя. Поэтому введение хлористых солей в бетон при использовании в качестве арматуры высокопрочной проволоки строго ограничено.

В предварительно напряженных железобетонных конструкциях был выявлен особый вид коррозии арматуры — «коррозия под напряжением». Она проявляется в виде трещин, развивающихся перпендикулярно направлению главных растягивающих напряжений, т.е. поперек элемента. Возникает эта коррозия при незначительных поверхностных поражениях бетона.

Вид коррозии стали под напряжением наблюдается не только в бетоне, но и до бетонирования при воздействии на напряженную сталь агрессивной атмосферной коррозии. Более характерен этот вид коррозии для термически упроченной арматуры.

Напряжения в арматуре ускоряют процесс коррозии. Выявлена линейная зависимость скорости коррозии от величины напряжения арматуры, когда в кислых средах происходит электрохимическая коррозия с выделением водорода. В щелочных и нейтральных средах напряжения влияют на скорость коррозии весьма незначительно.

Коррозийное растрескивание представляет собой процесс, происходящий в условиях одновременного воздействия на металл статических растягивающих напряжений и электрохимического коррозийного процесса. В этом случае коррозионная среда и механические напряжения действуют одновременно, вызывая при этом значительно большую потерю прочности металла, чем при раздельном действии.

Отмечаются случаи обрушения конструкций, вызванные внезапным обрывом напряженной арматурной стали. Детальное расследование свидетельствует о том, что коррозионное разрушение начинается обычно в виде надрывов и трещин вследствие механических дефектов стали. В результате ослабления сечения в вершинах трещин возникают значительные концентрации напряжений, которые приводят к хрупкому разрушению проволоки.

Известен случай коррозии напряженной проволочной арматуры в каналах балок пролетного строения моста в Югославии. Зафиксировано 40 случаев самопроизвольного обрыва проволок вследствие того, что предварительно напряженные пучки арматуры не были заинъецированы. Разрушение произошло через 5—6 месяцев после натяжения арматуры.

Помимо этого арматурные стали разрушаются вследствие так называемого водородного охрупчивания. Внешние признаки разрушения у рассмотренных двух видов коррозии идентичны, но природа их возникновения различна. При водородном охрупчивании образуются поперечные трещины и происходят хрупкие обрывы напряженных элементов.

Охрупчивание стали объясняется образованием при коррозионных процессах атомарного водорода, который, диффундируя в сталь и объединяясь в молекулы, теряет способность растворяться в стали. Вследствие этого в ней создается большое внутреннее давление. Водородное охрупчивание металлов возможно также вследствие выделения водорода на катоде при работе гальванических пар и при катодной защите. Возникающие при этом значительные местные напряжения вызывают быстрое развитие трещин, заканчивающееся хрупким обрывом.

Опасность снижения прочности высокопрочной арматуры велика в конструкциях тех промышленных зданий, где в процессе производства выделяется сероводород или используются растворы роданистого аммония. Поскольку эффективных мер защиты арматуры в бетоне от охрупчивания пока не разработано, в условиях этих агрессивных сред применение железобетона с предварительно напряженной арматурой недопустимо.

Если в электролите присутствуют ионы хлорида кальция, то, взаимодействуя с ионами железа, они не образуют нерастворимых соединений и не создают на поверхности трубопровода или другой конструкции защитного слоя. Ионы двухвалентного железа диффундируют в глубь раствора электролита и, соединяясь с гидроксильными группами, образуют гидроксид железа, выпадающий в виде пористого осадка на катоде:

Ее²⁺ + 20Н- -> Ре(ОН)₂.

Обычно в отопительной и питьевой воде содержится растворенный кислород, поэтому двухвалентное железо, окисляясь, переходит в трехвалентное, образуя в основном гидрат оксида железа:

4Ее(ОН)₂ + 0₂ + Н₂0 -> 4Ее(ОН)₃.

Гидроксид трехвалентного железа нестабилен и разлагается, образуя гидратированный оксид Ре^Н^О красно-коричневого цвета.

В растворах, имеющих недостаточное количество растворенного кислорода для полного окисления гидроксида двухвалентного железа Ее(ОН)₂, образуется магнетит Ре₃0₄:

6Ре(ОН)₂ + 0₂ —^ 2Ре₃0₄ + бН-,0.

При длительной эксплуатации конструкции во влажной или водной среде на ее поверхности образуется несколько слоев ржавчины. Самый глубокий — оксид типа РеО, затем магнетит Ре₃0₄, гидратированный магнетит Ре₃0₄ • Н₂0 и обычная красно-коричневая ржавчина Ре₂0₃ • Н₇0, расположенная непосредственно на границе с электролитом. Так как доступ кислорода к более глубоким слоям оболочки из продуктов коррозии затруднен, в них образуются оксиды железа высшей валентности.

При образовании оксидов железа с валентностью ниже трех также соединения осаждаются на расстоянии нескольких молекулярных диаметров от анода и представляют собой рыхлый осадок, плохо сцепленный с поверхностью металла. Образовавшийся слой ржавчины приводит к дальнейшей коррозии.

Электрохимическая коррозия возникает также при повреждении на отдельных участках оксидной или другой защитной пленки, в этом случае оксидная пленка служит катодом, на котором под действием кислорода образуются ионы гидроксида, а оголенная поверхность металла становится анодом.

Локальными коррозионными элементами могут быть микроскопические или субмикроскопические примеси на микроскопически однородной поверхности. Любое загрязнение, например чужеродный металл, осаждающийся на поверхности металлической конструкции, вызывает появление электродного потенциала и служит причиной начала коррозионного процесса.

Наиболее опасными, вызывающими точечную коррозию, являются процессы неравномерной аэрации, сопровождающие неодинаковую скорость доставки кислорода к различным участкам конструкции. Участки, плохо снабжающиеся кислородом, становятся анодами и разрушаются.

Процессы точечной коррозии характерны для неравномерной аэрации в объеме электролита, представленного каплей. Это явление, например, для стальной неоцинкованной кровли объясняется следующим. Сталь при окислении быстро поглощает растворенный в капле кислород. Соприкасающаяся с воздухом кромка капли снабжается кислородом более интенсивно по сравнению с центральной частью, куда доступ кислорода затруднен. В середине капли железо под действием сил гидратации будет переходить в раствор капли в виде двухвалентного иона:

Ре —> Ре²⁺ + 2е.

На кромках капли в это время протекает процесс

Н₂0 + 0₂ + 4е -> 40Н-.

Образующиеся гидроксил-ионы диффундируют внутрь капли, где вступают во взаимодействие с ионами двухвалентного железа. В результате реакции образуется гидроксид железа, который в дальнейшем при взаимодействии с кислородом переходит в ржавчину.

Точечная коррозия образуется также там, где анодами становятся относительно небольшие участки поверхности конструкции, покрытые адсорбированными пузырьками газа или другого инертного по отношению к материалу конструкции вещества. Под такими частичками кислород быстро иссякает, дальнейшее его поступление по сравнению с другими участками затруднено, вследствие чего образовавшиеся аноды быстро разрушаются, вызывая точечные поражения поверхности конструкций.

Все это подтверждает важность содержания поверхностей эксплуатируемых металлических конструкций в чистом состоянии. При очистке поверхностей необходимо тщательно удалять не только загрязнители, но и незначительные или весьма развитые точки ржавчины с одновременным восстановлением защитного покрытия. Если с поверхности своевременно не удалить появившуюся ржавчину, она будет влиять на ускорение процесса точечной коррозии.

Интенсивность коррозионных процессов в большинстве случаев является функцией активности ионов водорода в растворе. Увеличение активности ионов водорода равносильно снижению pH раствора и сопровождается возрастанием скорости коррозии (рис. 3.14). Растворы с высоким значением pH (щелочные среды) растворяют металлы, гидраты окислов которых амфотерны (алюминий, цинк, свинец, олово и др.). Железо относится к металлам, которые растворяются в щелочах только при высоких концентрациях гидроксил-иона.

Как отмечалось ранее, коррозия большинства металлов в растворах солей протекает с кислородной деполяризацией. В этих случаях от количества кислорода в электролите зависит скорость коррозии (рис. 3.15).

Значительное увеличение концентрации кислорода в воде приводит к образованию труднорастворимых оксидов на поверхности металлоконструкций и замедлению коррозии. С повышением температуры электролита скорость коррозии возрастает (рис. 3.16). Для открытых систем (вследствие понижения концентрации кислорода с повышением температуры) скорость кор-

Рис. 3.14. Зависимость скорости коррозии металлов от водородного

показателя pH:

а - Р, Ад, Аи; б - Тп, А1, РЬ; в - Мд, Мп, Ре, Си, №, Сг

Рис. 3.15. Зависимость скорости коррозии от концентрации кислорода

розии падает. Необходимо иметь в виду, что при температуре свыше 70°С электродный потенциал цинка повышается, а потенциал железа почти не меняется. Поэтому в гальванической паре цинк-железо в горячей воде цинк становится по отношению к железу катодом и ускоряет его разрушение.

С увеличением скорости движения электролита интенсивность коррозии увеличивается в связи с усилением доставки кислорода (рис. 3.17). Затем процесс коррозии начинает замедляться в связи с образованием защитных пленок на поверхности конструкции. При дальнейшем увеличении скорости электролита может произойти механическое повреждение защитных пленок, что вызовет усиление коррозионного разрушения.

Рис. 3.16. Зависимость скорости коррозии металла труб системы отопления от

температуры воды:

1 - в открытых системах; 2 - в закрытых системах

Рис. 3.17. Зависимость скорости коррозии металла трубопроводов от скорости

движения воды в них