Профилактика и управление коррозией арматуры в железобетоне

Коррозия стальных арматурных стержней в бетоне

Железобетон (ЖБ) — композит: стальные арматурные стержни (арматура) в бетонной массе. Арматура воспринимает основную растягивающую нагрузку и придает трещиноустойчивость бетону, который работает на сжатие. Сталь в бетоне обычно в некорродирующем пассивном состоянии. Однако пассивность не всегда достигается на практике → коррозия арматуры. Физические последствия: снижение предельной прочности и эксплуатационной пригодности конструкций. Коррозия арматуры — глобальная проблема. Повреждения от коррозии в значительной степени снижают эксплуатационную пригодность и несущую способность ЖБ. Коррозионные повреждения требуют раннего ремонта или полной замены конструкции.

При коррозии арматуры продукты коррозии увеличивают объем. Все формы оксидов и гидроксидов железа имеют удельный объем больше стали. Расширительные силы от коррозии вызывают растяжные трещины и ржавые пятна на бетоне. Это снижает эксплуатационную пригодность и несущую способность, ухудшает эстетику. Как только коррозия началась, накопленный ущерб неизбежно приведет к отказу конструкции задолго до расчетного срока службы.

Основные причины коррозии арматуры

Две главные причины: (i) локальный разрыв пассивной пленки на стали хлорид-ионами; (ii) общий потерю пассивности за счет нейтрализации щелочности бетона реакцией с атмосферным CO₂ (углекислым газом). Основные факторы: (i) потеря щелочности от карбонизации, (ii) потеря щелочности от хлоридов, (iii) трещины от механических нагрузок, (iv) паразитные токи, (v) атмосферное загрязнение, (vi) влажные пути, (vii) водоцементное отношение, (viii) низкая растяжная прочность бетона, (ix) электрический контакт с разнородными металлами, (x) коррозия от разницы сред.

Электрохимическая природа коррозии стали в бетоне

Коррозия — разрушение материала реакцией со средой. Электрохимический процесс (Рис. 1), требующий электрического тока и химических реакций. Пример — гальванический элемент. Для работы нужны три элемента: (i) анод, (ii) катод, (iii) электролит. Анод — источник электронов, катод — потребитель. Электролит — среда для ионного переноса. Типичные реакции при коррозии железа: (i) анодная Fe = Fe²⁺ + 2e⁻ (окисление), (ii) катодная 2H⁺ + 2e⁻ = H₂ (восстановление), (iii) деполяризация 2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂ = H₂O.

На аноде металлическое железо окисляется, выделяются электроны. Для электронного равновесия равное количество электронов поглощается на катоде с образованием H₂. Водород склонен оставаться у поверхности арматуры — реакция самоингибируется. Катод поляризуется, дальнейшая реакция невозможна, пока защитная H₂-пленка не удалена (деполяризация). H₂ может уходить как газ, но медленно. Важнее — разрушение H₂-пленки деполяризующим действием кислорода (O₂). O₂ потребляет свободные электроны, предотвращая накопление H₂. После разрыва пленки коррозионные реакции продолжаются свободно.

Так как Na⁺ и Cl⁻ не участвуют в реакции, общая реакция — сумма анодной и деполяризации. Используя H₂O = H⁺ + OH⁻, получаем главную реакцию коррозии: Fe + H₂O + ½O₂ = Fe(OH)₂. Осаждается гидроксид железа (II) — белая ржавчина. В окисленных растворах Fe(OH)₂ дальше окисляется до Fe(OH)₃ — знакомая красновато-коричневая ржавчина.

Типы коррозии арматуры

Два типа в бетоне: (i) щелевая коррозия, (ii) точечная (питтинг).

Щелевая коррозия — локализованная, ассоциируется с застарелым раствором на микроуровне. Такие микросреды возникают в щелях (защищенных зонах). O₂ в жидкости глубоко в щели потребляется реакцией с металлом. У входа в щель O₂ больше. Образуется локальный элемент: анод (зона атаки) — поверхность в контакте с O₂-обедненной жидкостью.

Питтинг — теории пассивности: (1) адсорбция, (2) тонкая оксидная пленка. По первой: вредные/активаторные виды (хлорид-ионы) конкурируют с O₂ или OH⁻ за поверхностные центры. По второй: вредные виды встраиваются в пассивную пленку → местное растворение или проводимые пути. После инициирования ямы автокаталетично распространяются → закисление активной зоны и ускоренная коррозия.

Механизм коррозии

В идеально однородной среде коррозия маловероятна. Но ЖБ не гомогенно — коррозионные элементы формируются при определенных условиях. Много причин негомогенности: бетон может быть ракуластостью, пористым, неравномерно влажным/сухим. Трещины → различия в напряжениях стали, дифференциальная аэрация, выпадение солей. Есть врожденные негомогенности в арматуре: остаточные напряжения, особенности производства. В результате — зоны низкого потенциала становятся анодами, высокого — катодами. Влажный бетон — электролит, действие ускоряется при наличии ионов соли. Коррозия в ЖБ делится на две группы: (i) растрескавшийся бетон, (ii) нерастрескавшийся бетон.

В свежем нерастрескавшемся бетоне обычно высокая стойкость к коррозии. Бетонный защитный слой над арматурой эффективно препятствует проникновению коррозионных агентов к стали. Очевидно: толще и плотнее слой — выше защита. Свежий бетон имеет высокий pH (~13) за счет Ca(OH)₂, ингибируя коррозию. pH — индекс кислотности/щелочности: 0–7 кислота (коррозия ускорена), 7–14 щелочь (коррозия заторможена). Последняя защита — синяя оксидная пленка (калибровочный накип) на арматуре. Она предотвращает контакт коррозионных агентов с голым металлом. Калибровочный накип дает локальную защиту.

Со временем условия меняются. Вода, соль, O₂, CO₂, промышленные газы медленно проникают в бетон (скорость зависит от проницаемости слоя). CO₂ через поры/трещины реагирует с Ca(OH)₂ → карбонат кальция. pH и защитные качества падают. Общий механизм коррозии в бетоне — Рис. 2.

Вероятность коррозии высока при pH ≤8. Кристаллизующаяся соль и циклы заморозки/оттаивания создают внутренние силы, ухудшающие долговечность защитного слоя. При достижении коррозионной среды стали атака концентрируется в дефектах оксидной пленки. Важнее: если соль есть, она разрушает пассивность оксидной пленки → коррозия активируется.

Очевидно: при больших трещинах проникновение короче, коррозия быстро начинается под трещинами. В нерастрескавшемся бетоне та же последовательность, но медленнее. Коррозия инициируется, когда коррозионная среда проникает через бетон до уровня стали.

Наличие соли — важный фактор. Ионы соли разрушают пассивность стали, формируют коррозионные элементы, повышают проводимость электролита. Без ионов соли коррозия арматуры может ингибироваться долго. Тогда скорость контролируется карбонизацией. Если слой непроницаем и толст, коррозия в нерастрескавшихся зонах может не произойти вовсе. Но трещины не теряют значения — локальная коррозия возможна под ними.

Продукты коррозии могут ингибировать дальнейшие реакции: запечатывают базовый металл от диффузии O₂ и H₂ — самолимитирующаяся коррозия. Возможна при высоких C/D (толщина слоя / диаметр арматуры), определяющих продольное растрескивание вдоль арматуры. Растрескивание от растягивающих сил продуктов коррозии (объем в ~3 раза больше стали). Если слой не выдерживает силы — продольные трещины, через них O₂ и агенты получают доступ к стали. На этом этапе вопрос времени до опасного состояния — ремонт или замена. Повторные нагрузки могут ломать защитный эффект ржавчины, но нужно больше изучений.

Сталь термодинамически нестабильна в атмосфере — стремится к низкоэнергетическому состоянию (оксид/гидроксид) реакцией с O₂ и водой. Процессы идут постоянно. Задача — контролировать их в практике. К счастью, только поверхностные атомы стали контактируют с атмосферой. Для Ø15 мм — ~1 из 40 млн атомов. Любое покрытие уменьшает это число еще сильнее.

Для стали в бетоне сам бетон — покрытие, ограничивающее доступ воды и O₂. Второй плюс — раствор в порах цементного камня имеет высокую щелочность. По диаграмме Пурбе (Рис. 3) при pH бетона продукты коррозии нерастворимы. Образуют тонкую (нм) защитную пленку (пассивную), ограничивающую потерю металла 0,1–1,0 мкм/год. При таких пассивных скоростях сталь в бетоне не деградирует заметно за 75 лет, объем продуктов недостаточен для разрушительных напряжений. Пассивная пленка не образуется мгновенно, а начинается, когда pH смесительной воды растет при гидратации цемента, стабилизируется за первую неделю, защищая сталь от активной коррозии.

Коррозия (пассивная или активная) — электрохимический процесс с анодными/катодными полуреакциями на микро/макроуровне. В высокощелочных растворах без хлоридов анодное растворение железа уравновешивается катодной реакцией: Fe²⁺ + OH⁻ → стабильная пассивная пленка.

И анодная, и катодная реакции необходимы одновременно. Анод и катод могут быть рядом (микроклеточная коррозия) или разделены (макроклеточная). Коррозия арматуры может быть комбинацией микро- и макроклеточной. Рис. 4 — оба типа.

Хлорид-индуцированная коррозия

Механизм разрушения пассивной пленки хлорид-ионами не полностью понятен: пленка слишком тонка, события внутри бетона. Гипотеза 1: Cl⁻ встраиваются в пассивную пленку, снижая сопротивление. Встраивание неравномерно → там, где оно есть, реакция быстрее, образуется анодная зона, остальная сталь остается пассивной (Рис. 5b).

Гипотеза 2: Cl⁻ «конкурируют» с OH⁻ за Fe²⁺. Cl⁻ образуют растворимые комплексы с Fe²⁺ → пассивная пленка не формируется, стимулируется дальнейшее растворение металла. Растворимые Fe-Cl комплексы диффундируют от стали, распадаются → объемные продукты коррозии + свободные Cl⁻, мигрирующие обратно к аноду для новой реакции. В процессе OH⁻ потребляются, локально pH падает (среда закисляет) → усиливается растворение. Cl⁻ не потребляются — атака автокаталетична. В итоге поперечное сечение арматуры и несущая способность серьезно снижаются.

Обе гипотезы объясняют локальный характер атаки. Активные зоны — аноды, пассивные — катоды (восстановление растворенного O₂). Гальванические элементы могут быть макро- или микроскопическими.

Временная зависимость коррозии арматуры

Процесс имеет три стадии (Рис. 6): (i) инициирование, (ii) депассивация, (iii) пропагация (распространение). Инициирование предшествует депассивации, за которой следует пропагация до конечного состояния. После инициирования появляется трещина на внешней поверхности бетона, распространяется, наносит ущерб. Срок службы определяется моментом достижения конечного состояния — начала отслаивания бетона.

Продукты коррозии

Наиболее вредное последствие хлоридной коррозии — накопление объемных нерастворимых продуктов в бетоне → внутренние напряжения → трещины и отслаивание защитного слоя. Как только ущерб визуален, арматура подвергается быстрому дальнейшему нападению — доступ O₂ и влаги не ограничен диффузией через слой. Все оксиды/гидроксиды Fe имеют удельный объем > стали арматуры (Рис. 7). Степень ущерба зависит от конкретных продуктов, их распределения в слое, пористости и прочности бетона.

Иногда предполагают продукты = ржавчина Fe₂O₃·3H₂O (оранжевая, на поврежденном бетоне) → >6-кратный объем. На самом деле анализ показывает другие продукты (Рис. 7) с удельным объемом 2,2–3,3 от стали. Только после трещин/отслаивания и контакта с атмосферой они превращаются в привычную ржавчину.

Параметры, влияющие на коррозию стали в бетоне

Параметры на Рис. 8. Сталевые: металлургические свойства, предварительная ржавеет, размер стержня, компоновка арматуры.

Металлургические свойства

Известно: многие легирующие элементы повышают коррозионную стойкость. Главные ингибиторы: Cu, Ni, Cr — в арматурной стали в пренебрежимо малых дозах. Конкретные комбинации улучшают стойкость, но практически мало влияют на применение арматуры в бетоне.

Локальные металлургические различия в атомной структуре создают дифференциальные энергетические поля → анодные/катодные зоны для электрохимической коррозии. Это, фактически, разные материалы в контакте. Источники полей: дислокации, несовпавшие границы зерен, включения, примеси, межфазные границы. Пример: феррит легко атакуется, цементит стойок. При соседстве — цементит = катод, феррит = анод → коррозионный элемент.

Признать: источники дифференциальных полей есть во всех коммерческих сталях → способ ингибирования коррозии ищем не в гомогенизации (непрактично, эффект сомнителен). К счастью, влияние этих полей на коррозию арматуры минимально, пока pH бетона высок (10–13).

Поверхность арматуры дает доп. возможности для образования элементов. Шероховатость, царапины, надрезы, особенно калибровочный накип часто инициируют коррозию. Если накип от горячей прокатки не сплошной — участки с накипом становятся катодами по отношению к нагоым смежным зонам.

В некоторых применениях металлические покрытия защищают сталь. Но катодные покрытия (Ni, Cu) неэффективны для арматуры: дорогие, повреждаются при строительстве → серьезные локальные коррозии. Кадмий (Cd) и цинк (Zn) — анодны к стали, могут быть жертвенными покрытиями. Оцинкованная арматура, возможно, практична, но покрытие должно быть достаточной толщины.

Предварительная ржавеет арматуры

Состояние арматуры до укладки существенно влияет. Некоторые стандарты требуют удаления рыхлой «чешуйчатой» ржавчины, нормальная грубая обработка обычно удаляет вредную ржавчину. Другие стандарты менее строги — допускают prerusted арматуру, если соблюдены высота профиля, размеры, масса зачищенного стержня.

Сообщается: нормальная ржавчина увеличивает адгезию. Для 14-дневного бетона prerusted сваренная сетка дала меньше проскальзывания адгезии vs чистая проволока. Но долгосрочные эффекты prerusted арматуры не 잘 определены. Критично для открытых конструкций. Предлагалось: prerusted пресс-натяжные тросы могут вызывать серьезную коррозию после обкладки бетонным раствором. Тоже справедливо для prerusted арматуры в открытых элементах.

Размер стержня и компоновка арматуры

Мало исследований коррозии с переменными размером стержня и компоновкой. В одном: сварная сетка арматуры не более подвержена коррозии, чем изолированные стержни. В другом: связь между шагом арматуры и коррозионным трещинобразованием. Арматура с шагом 300 мм давала ровные выбоины, при 150 мм — ослабленные плоскости.

Профилактические меры

Для снижения/предотвращения коррозии арматуры в бетоне применяют методы: связанные с бетоном и с качеством/составом/покрытием стали арматуры. Выбор обычно по стоимости. Покрытия арматуры: (i) горячее оцинкование, (ii) термоэкранированное эпоксидное покрытие (fusion bonded epoxy), (iii) нержавеющая обкладка (cladding). Также используют арматуру из нержавеющих сталей. Покрытия имеют недостаток: могут быть механически повреждены или электрохимически пробиты → базовая сталь снова уязвима для обычной коррозии. Специальные составы стали для стойкости к коррозии тоже пробовали. Заводы экспериментировали с разными составами коррозионностойких (weathering) сталей. После обширных тестов: последовательно плохая работа weathering сталей при залегании в грунт. Производство такой арматуры прекратили большинство производителей.