Коррозия стальной арматуры железобетонных конструкций

2.10.1 Теория процесса коррозии стали в бетоне

2.10.1.1 Электрохимическая природа коррозии

Коррозия металла – это постепенное физико-химическое разрушение под действием окружающей среды.

Для электрохимического механизма коррозии металла характерны следующие условия:

условие 1 - наличие разности потенциалов (φ) между отдельными участками поверхности металла (т.е. электрохимическая неоднородность);

условие 2 - наличие электрохимической связи между этими участками;

условие 3 - активное состояние поверхности на анодных участках, где металл растворяется по реакции: nН₂О+Ме Ме⁺·nН₂О+ē;

условие 4 - наличие достаточного количества деполяризатора, в частности кислорода, необходимого для ассимиляции на катодных участках поверхности металла избыточных электролитов: 4ē+О₂+2Н₂О →4ОН^–.

Схема электрохимической коррозии железа следующая:

Поскольку существует электрохимическая неоднородность (неоднородность собственно стали и контактной с бетоном поверхности), то условие 1 выполняется. Выполняются так же условие 2 и условие 4 (бетон электропроводен и кислородопроницаем), то отсутствие коррозии обусловлено невыполнением условия 3.

Практическое отсутствие коррозии объясняется пассивностью стали в щелочной среде. Гомашов Н.Д. определяет пассивность, как состояние повышенной коррозионной устойчивости металла, вызванное торможением анодного процесса. Наступление пассивности характеризуется обычно резким облагораживанием электродного потенциала металла.

Граница пассивирующего действия Са(ОН) проходит около рН=12 при свободном и рН=11,5 при ограниченном доступе воздуха.

Если есть активирующие ионы (СI^–), то явление пассивности не наступает вовсе, даже и при больших значениях рН.

Существует две основные теории пассивности стали в бетоне:

1. Адсорбционный механизм – наступление пассивности связывается с адсорбцией кислорода (или других атомов), изменяющих химические свойства поверхности, вследствие насыщения свободных валентностей металла атомами, или при изменении строения двойного электрического слоя, в результате чего затрудняется протекание электрохимической реакции растворения металла.

2. Пленочный механизм – наступление пассивности связывается с образованием на поверхности металла фазовой защитной пленки, представляющей собой кислородное соединение металла.

Эти теории взаимно дополняют друг друга. Так, по мере того, как адсорбционная пленка, утолщаясь, переходит в фазовую, анодный процесс испытывает дополнительное торможение при прохождении ионов непосредственно через защитную пленку. Образовавшиеся пленки представляют собой γ Fе₂О₃ или Fе₂О₄, толщиной 20-100 À.

2.10.2 Процессы и основные химические реакции, протекающие в бетоне.

Как известно, на катоде протекают восстановительные реакции, на аноде – окислительные.

Анодный процесс (коррозия) – переход металла в раствор в виде гидратированных ионов или его окисление; при этом в металле остается соответствующее число электронов.

Анодная реакция:

Fе →Fе²⁺+2е или Ме→Меⁿ⁺+nе

Катодный процесс: поглощение появившихся в металле избыточных электронов с помощью так называемых деполяризаторов, которыми могут явиться атомы, молекулы, ионы раствора, подвергающиеся восстановлению на всей поверхности металла или отдельных ее участках;

Катодная реакция:

2Н⁺+2е→2Н→Н₂↑восстановление водорода при рН<4

О₂+2Н₂О+4е→4ОН^– восстановление кислорода с превращением его в ион гидроксила Д+е→Д^– (в щелочной и нейтральных средах).

Скорости обоих процессов взаимосвязаны. Происходят и вторичные реакции. В растворе ионы металла вступают в реакцию с продуктами катодных реакций. При этом образуются гидроокиси металлов:

Fе²⁺+2ОН^– →Fе(ОН)₂

Труднорастворимая гидроокись железа (II) выпадает в осадок.

При избытке кислорода гидроокись (II) окисляется в гидроокись Fе (III)

4Fе(ОН)₂+О₂+Н₂О→4Fе(ОН)₃ – нестабильна и разлагается, образуя гидратированный окисел Fе₂О₃·Н₂О

Если О₂ мало, то образуется 6Fе(ОН)₂+О₂→6Н₂О+2Fе₃О₄ – магнетит

 

Газовая коррозия бетона

2.11.1 Описание механизма коррозии

Термин «газовая коррозия бетона» носит условный характер, т.к. по существу элементарных процессов коррозия бетона в газовых средах не отличается от коррозии в жидкостях. Химические реакции между кислыми газами и минералами цементного камня протекают в пленках влаги. Газ вначале растворяется, а затем вступает в реакцию.

Самый распространенный вид газовой коррозии бетона – это коррозия карбонизации или воздействие углекислого газа (СО₂). Углекислый газ содержится в атмосфере. Его содержание составляет приблизительно 0,03% по объему. Также возможна коррозия и при действии других газовых сред. Например, в производственных помещениях присутствуют SО₂, НСI, CI₂, НF, NО₂ и др. кислые газы, а также пары и аэрозоли кислот.

Коррозия арматуры в случае газовой коррозии возможна в трех случаях, если:

- защитный слой полностью разрушен;

- защитный слой нейтрализован (карбонизирован);

- защитный слой проницает для солей – активаторов.

2.11.2 Классификация газовых сред.

Газы разделяют на группы:

I группа - газы, образующие практически нерастворимые и малорастворимые соли кальция. Объем твердой фазы при этом несколько увеличивается, а проницаемость уменьшается. Малая растворимость продуктов реакции исключает их диффузию в глубь бетона. Прочность бетона при этом практически не изменяется. Коррозия арматуры начинается после нейтрализации защитного слоя. К ним относят: двуокись углерода, фтористый водород, фтористый кремний, фосфорный ангидрид, пары щавелевой кислоты.

II группа - газы, образующие слаборастворимые соли, содержащие значительное количество кристаллизационной воды, что сопровождается увеличением V твердой фазы и уплотнением бетона. При этом возможна дегратация защитного слоя или его нейтрализация. К ним относят: сернистый и серный ангидрит, сероводород.

III группа - газы, образующие хорошо растворимые гигроскопические соли (хлористый водород, хлор, двуокись хлора, поры брома и йода; окислы азота, поры азотной кислоты и др.) При повышении относительной влажности воздуха гигроскопические соли образуют растворы, проникающие за счет капиллярного всасывания либо диффузия в глубину бетона. Образующиеся соли могут быть агрессивными (например: СаСI) или нейтральными (например: Са(NО₃)₂) по отношению к арматуре.

Таблица 17 – Классификация газовых сред

Группа	Вид газа, пара	Химическая формула соли
I	Двуокись углерода Фтористый водород Фосфорный ангидрид Щавелевая кислота (пары) Фтористый кремний	СаСО3 СаF2 Са3(РО4)2 СаС2О4; СаС2О4·Н2О СаF2+Si(ОН)4
II	Сернистый ангидрид   Серный ангидрид Сероводород Сероуглерод	СаSО3·2Н2О переходит в СаSО4·2Н2О СаSО3·2Н2О СаS переходит в СаSО4·2Н2О СаSО4·2Н2О; СаSО3
IIIа	Хлористый водород Хлор Йод (пары) Бром (пары) Уксусная кислота (пары) Муравьиная кислота (пары)	СаСI2·6Н2О СаСI2·6Н2О СаI; СаI·6Н2О СаBr2; СаBr2·6Н2О Са(С2Н3О2)2; Са(С2Н3О2)2·2Н2О Са(НСО2)2
IIIб	Окислы азота Пары азотной кислоты	Са(NО2)2 Са(NО2)·4Н2О Са(NО3)2 Са(NО3)2·4Н2О

 

2.11.3 Кинетика нейтрализации (карбонизации) бетона

Опасность нейтрализации бетона связана в первую очередь с тем, что снижение рН среды вызывает депассивацию стальной арматуры. Также следует учитывать, что при карбонизации электропроводность бетона снижается в 3-4 раза.

Процесс карбонизации включает следующие стадии:

– диффузию СО₂ в порах и капиллярах бетона, заполненных воздухом;

– растворение СО₂ в жидкой фазе с образованием угольной кислоты: СО₂+Н₂О Н₂СО₃

– взаимодействие кислоты с образование карбоната и бикарбоната кальция

Са(ОН)₂+ Н₂СО₃→СаСО₃+2Н₂О

СаСО₃+Н₂СО₃→Са(НСО₃)₂

– кристаллизация карбоната кальция.

Общая формула для расчета кинетики карбонизации бетона имеет вид:

Х = или Х =А

где Х – толщина карбонизированного слоя;

D – эффективный коэффициент диффузии, характеризующий проницаемость;

m₀ – способность бетона поглощать углекислоту, зависящий от расхода цемента, степени гидратации, структуры пор;

С₀ – концентрация СО₂

t – время

При известных сроках эксплуатации (t), и глубине нейтрализации (Х ₁) легко рассчитать глубину нейтрализации бетона (Х ₂) в любой другой срок:

Х ₂= Х ₁ ;

Существуют зависимости, связывающие глубину карбонизации бетона (Х) с технологическими параметрами. Например, формула Кашитами:

T=

2.11.4 Влияние вида вяжущего на глубину нейтрализации бетона

Относительная глубина карбонизации для различных вяжущих:

Портландцемент 1

БТЦ 0,6

ШПЦ (30-40% шлака) 0,6

Цемент с 20% золы 1,9

 

Пуццолановый ПЦ с

5% 0,7

10% 0,78

15% и добавки 1,14

Без добавки 1

0,15% ССБ 0,75

0,08% милонифт 0,25

0,05% ГКЖ-94 0,25

2,5-4% ННК 0,35-0,40