Арматура в бетоне играет исключительно важную роль, так как воспринимает растягивающее напряжение от внешней нагрузки, обеспечивая прочность конструкции, поэтому коррозия арматуры недопустима.
Рассмотрим некоторые химические процессы, обусловливающие защитные и разрушительные факторы, воздействующие на арматуру.
Под влиянием щелочной среды цементного бетона (pH = 12,5 - 12,6) стальная арматура пассивируется, т.е. защищается от окисления. Однако щелочность защитного слоя бетона в результате воздействия воды и содержащихся в воздухе двуокисей углерода СО2 и серы SO2 постепенно снижается, и, если она оказывается ниже значения рН = 9,5, в арматуре начинаются окислительные процессы.
Последовательность образования агрессивной среды и депасси-вация арматуры происходит следующим образом:
образование и воздействие углекислоты
СО2 + Н2О = Н2СО3,
которая, реагируя с окисью кальция, содержащейся в бетоне, образует карбонат кальция и остаточную воду
Н2СО3СаО = СаСО3 + Н2О
31
(указанная реакция протекает в течение нескольких лет, понижая величину рН в защитном слое бетона на 2.5 - 4 ед.);
образование и воздействие серной кислоты
SO2 + H2O = H2SO4,
которая, реагируя с окисью кальция, образует гипс и остаточную воду H2SO4 + CaO = CaSO4 + H2O,
(в результате этой реакции величина рН дополнительно может снижаться на 1 - 3 ед , достигая величины рН = 6(7).
Скорость депассивации арматуры зависит главным образом от толщины защитного слоя бетона и степени агрессивности среды. Нормы [3] регламентируют эти величины также с учетом показателя проницаемости бетона [3, табл. 1] и типа арматурной стали [3, табл. 10].
Коррозия арматуры может быть вызвана разными неблагоприятными факторами, обусловливающими химическое и электрохимическое воздействие. К ним относятся растворы кислот, щелочей, солей, влажные газы, природные и промышленные воды, а также блуждающие токи.
В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (соляная кислота), стальная арматура сильно корродирует в результате образования растворимых в воде и кислоте продуктов коррозии, причем с увеличением концентрации соляной кислоты скорость коррозии возрастает.
В кислотах, обладающих окислительными свойствами (азотная, серная и др.), при высоких концентрациях скорость коррозии, наоборот, уменьшается из-за пассивации поверхности арматуры.
Скорость коррозии арматуры в щелочных растворах при рН>10 резко снижается из-за образования нерастворимых гидратов закиси железа. Растворы едких щелочей и карбонаты щелочных металлов практически не разрушают арматуру, если их концентрация не превышает 40%.
Солевая коррозия арматуры зависит от природы анионов и катионов, содержащихся в водных растворах солей.
В присутствии сульфатов, хлоридов и нитратов щелочных металлов, хорошо растворимых в воде, солевая коррозия усиливается. И, наоборот, присутствие карбонатов и фосфатов, образующих нерастворимые продукты коррозии на анодных участках, способствует
32
затуханию коррозии. На интенсивность солевой коррозии арматуры влияет кислород, который окисляет ионы двухвалентного железа и понижает перенапряжение водорода на катодных участках. С повышением концентрации кислорода скорость коррозии увеличивается.
Рассматривая воздействие газов, следует особо отметить агрессивность окислов азота NO, NO2, N2O и хлора С1, которые в присутствии влаги вызывают сильную коррозию арматуры.
Практика обследования железобетонных конструкций, соприкасающихся с грунтом, указывает на частые случаи разрушения арматуры блуждающими токами, которые появляются из-за утечек электроэнергии с рельсов электрифицированных железных дорог, работающих на постоянном токе, или других источников. В месте входа тока в конструкцию образуется катодная зона, а в месте выхода - анодная, или зона коррозии. Опыты показывают, что блуждающие токи распространяются на десятки километров в стороны от источника, практически не утрачивая силы тока, которая может достигать сотни ампер. Расчеты с использованием закона Фарадея показывают, что ток силою всего в 1-2А, стекая с конструкции, в течение года может уносить до 10 кг железа. Обычно скорость разрушения арматуры блуждающими токами заметно превышает скорость разрушения от химической коррозии. Опасной для конструкции считается плотность тока утечки свыше 0,15 Ма/дм.
При анализе агрессивных воздействий на железобетонные конструкции учитываются факторы, сопутствующие коррозии арматуры (рис. 2.7), и, кроме того, разрабатываются соответствующие защитные мероприятия.
Рис. 2.7. Классификация факторов, сопутствующих коррозии арматуры
33
В соответствии с рекомендациями [3] не допускается использование в предварительно-напряженных конструкциях, эксплуатируемых в сильноагрессивных газообразных и жидких средах, стержневой арматуры класса A-V и термически упрочненной арматуры всех классов. Нельзя также применять проволочную арматуру класс В-II, Вр-II и стержневую классов A-V, Ат-IV в конструкциях из бетона на пористых заполнителях, эксплуатируемых в агрессивной среде, если не предусмотрены специальные защитные покрытия.
Оцинкованная арматура рекомендуется к применению только в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемую плотность бетона и толщину защитного слоя.
Образование продуктов химической коррозии на арматуре увеличивает ее объем, вследствие чего бетон защитного слоя механически разрушается. Это выражается в появлении волосных трещин по направлению арматурного стержня. Со временем трещины раскрываются, бетон защитного слоя отслаивается, и корродированная арматура оголяется. Для восстановления эксплуатационных качеств необходимо с помощью металлической щетки или пескоструйного аппарата очистить арматуру от ржавчины и оценить степень ее коррозии. Если коррозией повреждено более 50% площади сечения арматурного стержня, то поврежденный участок вырезается и производится его замена на новый, равноценный по площади стержень, привариваемый электродуговой сваркой. При площади менее 50% поврежденный участок не вырезается, а на него наваривается дополнительный стержень усиления, компенсирующий разрушенное сечение.
На все оголенные участки арматуры наносится защитное покрытие из эпоксидной смолы, обладающей хорошей адгезией к бетону и стали. Состав покрытия представлен в прил. 2.
Хорошей защитой арматуры также является послойное нанесение торкретбетона толщиной слоев 1 - 1,5 см, приготовленного из смеси цемент:песок = 1:2 (1:3) и наносимого на обрабатываемую поверхность с расстояния 1 - 1,2 м.
34
Характеристики бетонного покрытия (плотность бетона, толщина защитного слоя), независимо от способа нанесения покрытия, должны соответствовать показателям и требованиям, представленным в прил. 3, табл. 1 и 2.
35
