Физико-механические свойства бетона и коррозия арматуры в среде хлорида натрия: влияние аминоспиртов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.328

С.Н. ЛЕОНОВИЧ, д-р техн. наук, Белорусский национальный технический университет; Д.В. СВИРИДОВ, д-р хим. наук, С.А. КАРПУШЕНКОВ, Г.Л. ЩУКИН, А.Л. БЕЛАНОВИЧ, кандидаты хим. наук, В.П. САВЕНКО, В.Ю. ГУРИНОВИЧ, инженеры, Белорусский государственный университет (Минск, Белоруссия)

Физико-механические свойства бетона и коррозия арматуры в среде хлорида натрия: влияние аминоспиртов

Введение. Коррозия арматуры в железобетонных конструкциях начинается в результате нарушения ее пассивного состояния под воздействием активаторов коррозии. В результате происходит разрушение железобетонных конструкций вследствие коррозии арматуры. Возникновение коррозии арматуры под действием хлоридов является серьезной проблемой в нашем климате и общий полезный результат от использования ингибиторов коррозии является очевидным [1].

Следует отметить, что в последнее время в странах Европейского Союза и в Республике Беларусь существует тенденция по отказу от использования нитритов, хро-матов и молибдатов в различных сферах деятельности с целью улучшения экологической безопасности окружающей среды. Поэтому возникает проблема по замене таких ингибиторов коррозии на экологически безопасные. Ингибиторы на основе нитритов кальция и натрия использовать не рекомендуется из-за их токсичности, а в Германии и Швейцарии составы на основе нитратов и нитритов запрещены для использования при изготовлении и ремонте железобетонных конструкций [2—3].

Применение мигрирующих ингибиторов коррозии (МИК), обеспечивающих ингибиторную защиту железобетонных конструкций как вновь строящихся, так и уже находящихся в эксплуатации и подверженных коррозии, перспективно с экономической точки зрения [4—5]. Тем не менее, методология создания МИК развита слабо, а представленные на рынке Беларуси коммерческие препараты дна основе аминосоединений дороги и зачастую малоэффективны. В связи с этим существует необходимость разработки отечественного состава на основе аминосоединений, который можно было бы добавлять в бетонную смесь при изготовлении железобетонных конструкций в качестве ингибитора коррозии арматуры. Ранее [6] был разработан комплексный состав МИК на основе аминосоединений и фосфатов, который применяется для поверхностного нанесения на уже существующие бетонные конструкции. Однако использование этого состава при замешивании бетонной смеси невозможно из-за протекающих реакций между фосфатами, имеющимися в составе

МИК, и гидроксидом кальция, находящемся в сырой бетонной смеси.

В данной статье рассмотрено ингибирующее действие и влияние на основные физико-механические свойства бетона ряда наиболее известных аминоспир-тов: моноэтаноламина (МЭА), диэтаноламина (ДЭА), триэтаноламина (ТЭА), диметиламиноэтанола (ДМАЭ). Оценена принципиальная возможность использования этих соединений для разработки состава, добавляемого непосредственно в бетонную смесь для ингибирования коррозии арматуры.

Методика эксперимента. Влияние добавки аминоспиртов на физико-механические свойства бетона изучали в соответствии с ГОСТ 12730.1—78 «Бетоны. Методы определения плотности», ГОСТ 12730.2—78 «Бетоны. Метод определения влажности», ГОСТ 12730.3—78 «Бетоны. Метод определения водопо-глощения», ГОСТ 10180—90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Бетонные образцы приготовлялись на основе цементно-песчаной смеси с отношением цемент:песок=1:3 и с В/Ц=0,5. Добавку аминоспиртов вводили вместе с водой затворе-ния в количестве 0,5, 1 и 2% массы цемента.

Исследование ингибирующего действия растворов аминосоединений оценивали посредством визуального наблюдения за коррозией арматуры в 3% растворе №С1 в течение 10 сут без и с добавкой ингибитора, а также электрохимических данных, полученных из стационарных потенциостатических поляризационных измерений на стержнях из Ст. 3.

Визуальные наблюдения действия 2% ингибиторных растворов исследовали на образцах чистой стали. Перед началом испытаний образцы зачищали до металлического блеска и обезжиривали ацетоном, и в дальнейшем их переносили только с помощью чистой фильтрованной бумаги. Ингибиторное действие во времени инги-бирующих растворов на чистую сталь в коррозионной среде оценивали по пятибалльной шкале, представленной в табл. 1. Электрохимический метод основан на получении поляризационных кривых по ГОСТ 9.506—87 «Единая система защиты от коррозии и старения.

Таблица 1

Визуально наблюдаемые явления на поверхности стальных образцов Оценка коррозии, балл

Отсутствие коррозии, раствор прозрачный 0

Наросты на торцах без ржавчины, раствор прозрачный 1

Темные наросты на торцах со ржавчиной, раствор прозрачный 2

Темные наросты на торцах со ржавчиной, наблюдается пожелтение раствора 3

Наросты на торцах со ржавчиной, отдельные очаги коррозии на поверхности, наблюдается пожелтение раствора 4

Образец полностью покрыт ржавчиной, раствор окрашен в желтый цвет 5

34

научно-технический и производственный журнал

январь 2012

а 4400

4200 -

2 4000 -

о 3800 -

3600 -

| Без добавок ДМАЭ

мэа

П(ШГ ТЭА

0,5 1 2

Концентрация добавки от массы цемента, %

б 11

10 -

9 -

8 -

7 -

6 -

5 -

Без добавок ДМАЭ МЭА ДЭА гтгттг.- тэа

0,5 1 2

Концентрация добавки от массы цемента, %

3

эталон 0,5 1 2

Концентрация добавки от массы цемента, %

26 24 22 20 18 16 14 12 10

Без добавок 7 сут ДМАЭ 7 сут МЭА 7 сут ДЭА 7 сут I . ТЭА 7 сут

4

I 1

Без добавок 28 сут ДМАЭ 28 сут МЭА 28 сут ДЭА 28 сут ТЭА 28 сут

1 I 1

■

1 1 1

а |

0,5

1

2

Концентрация добавки от массы цемента, %

Рис. 1. Влияние концентрации аминоспиртов и их концентрации на плотность (а), водопоглощение (б), объемную влажность (в) и прочность при сжатии (г) бетонных образцов

4

эталон

эталон

в

8

г

7

6

5

4

эталон

Ингибиторы коррозии металлов в водно-нефтяных средах. Методы определения защитной способности». Они передают взаимосвязь между потенциалом исследуемого электрода и плотностью тока при поляризации от внешнего источника постоянного электрического тока. Производится оценка защитной способности ингибитора по плотности тока в ингибированной и неингиби-рованной средах. Поляризационные кривые регистрировали с помощью потенциостата ПИ-50-1.1. Скорость развертки потенциала составляла 30 мВ/мин в диапазоне -0,5 —+0,5 В. Испытания проводили при температуре 25оС, колебания температуры испытуемой среды не должны превышать ±2оС.

При испытаниях электрохимическая ячейка, объемом 100 мл с испытуемой средой включала в себя исследуемый электрод (арматурная сталь) с площадью рабочей поверхности 1 см2, платиновый электрод и вспомогательный насыщенный хлорсеребряный электрод сравнения. Испытуемой средой служили ингибированный и неингибированный экстракт порового раствора бетона, имитирующий поровую жидкость в бетоне, содержащий 3% №0. Раствор, имитирующий поровую жидкость в бетоне, представлял собой водный экстракт песчано-цементной смеси (соотношение песок/цемент=3/1 с отношением вода/цемент=0,5) с рН=12,5, полученный согласно [3]. Перед началом измерений электроды зачищали до металлического блеска и помещали в электрохимическую ячейку с испытуемой средой.

Поляризационные измерения проводили после установления потенциала коррозии не менее чем через 10 мин после погружения, так чтобы потенциал изменялся не более на 2—3 мВ/мин, электродов в испытуемую среду.

Результаты и их обсуждение. На рис. 1 представлены диаграммы плотности (рис. 1, а), водопоглощения (рис. 1, б), объемной влажности (рис. 1, в) и прочности при сжатии (рис. 1, г) бетонных образцов без и с добавкой аминоспиртов в количестве от 0,5 до 2% массы цемента.

Как видно из диаграммы плотности (рис. 1, а) наибольшее отличие от эталона наблюдается для бетонных образцов с добавкой 2% ДМАЭ. Их плотность меньше на 6%. В остальных случаях уменьшение плотности составляет менее 3%. Иными словами, добавка ДМАЭ оказывает наибольшее влияние на плотность бетонных образцов в сравнении с остальными аминоспиртами, и это влияние увеличивается с увеличением концентрации добавки. Следует отметить, что в случае МЭА, ДЭА и ТЭА. их влияние на плотность бетонных образцов мала и сопоставима с ошибкой эксперимента. В то же время ДМАЭ практически не влияет на водопоглоще-ние бетонных образцов (рис. 1, б), которое, как и для эталона составляет около 7%. Тогда как добавка МЭА уменьшает водопоглощение до 6%, а добавки ДЭА и ТЭЭ, наоборот, увеличивает водопоглощение до 8,5% независимо от их концентрации.

Наибольшее влияние аминоспирты оказывают на объемную влажность бетонных образцов. Как видно из

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® январь 2012 35

Таблица 2

Наименование ингибиторного раствора

Время испытания Без ингибитора Диметиламиноэтанол (ДМАЭ) Моноэтаноламин (МЭА) Диэтаноламин (ДЭА) Триэтаноламин (ТЭА)

6 ч 2 1 0 1 1

1 сут 5 1 1 1 1

2 сут 5 1 2 2 2

5 сут 5 2 2 3 2

10 сут 5 3 3 3 3

Примечание. Соответствие коррозии в баллах приведено в табл. 1.

диаграммы (рис. 1, в), объемная влажность у бетонных образцов с добавкой МЭА, ДЭА и ТЭА увеличивается в 1,3—1,4 раза, и только в случае ДМАЭ она практически не увеличивается. Иначе, МЭА, ДЭА и ТЭА способствуют незначительному удержанию влаги в структуре бетонных образцов.

При оценке прочности при сжатии бетонных образцов с добавками аминоспиртов установлено, что в течение 7 сут ДМАЭ, ДЭА и ТЭА способствуют незначительному замедлению набора прочности бетонных образцов, и только МЭА практически не оказывает никакого влияния. В то же время по истечении 28 сут прочность бетонных образцов с добавками больше на 2—5%, чем у эталонных образцов.

Помимо оценки изменения физико-механических свойств бетонных образцов проводили ускоренные испытания на предмет ингибирующего действия перечисленных выше аминоспиртов на коррозию стальной арматуры в коррозионных средах, содержащих хлорид.

В табл. 2 приведены данные визуального наблюдения ингибирующего действия растворов аминоспиртов. Степень коррозии поверхности арматурной стали оценивали в баллах в зависимости от коррозионного поражения поверхности арматуры. Из данных табл. 2 видно, что все аминоспирты подавляют коррозию стальной арматуры даже при высокой концентрации хлорида в водном растворе.

На рис. 2 представлены анодные поляризационные кривые образцов стальной арматуры в растворе-экстракте бетона, содержащем 3% №0, без и с добавлением аминоспиртов.

Как видно из рис. 2, в присутствии аминоспиртов происходит смещение анодных кривых в область положительных потенциалов. Наиболее ярко выраженный эффект подавления реакции коррозии наблюдался в присутствии МЭА и ДМАЭ. Для ДЭА и ТЭА кривые смещены не так сильно, следовательно, коррозия подавляется в значительно меньшей степени.

Заключение. Исследованные аминоспирты оказывают незначительное влияние на физико-механические свойства бетона, такие как плотность, водопоглощение, объемная влажность и прочность при сжатии. Причем, из всех выше перечисленных аминоспиртов, наименьшее влияние на физико-механические свойства оказывает диметиламиноэтанол (ДМАЭ).

Ускоренные испытания ингибирующего действия аминоспиртов в коррозионной среде показали, что все они подавляют коррозию даже в присутствии большого количества хлорида. Наибольший эффект ингибирующего действия наблюдался в случае ТЭА и ДМАЭ.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что все выше перечисленные ами-носпирты можно использовать при разработке антикоррозионных составов для стальной арматуры в бетоне, которые будут применяться непосредственно при изготовлении железобетонных конструкций.

Ключевые слова: антикоррозионные добавки в бетон, аминоспирты.

Список литературы

20

/ 5 /1 4

1

2 j 1 3 ,

-J--- | —== 1 1 1

-0,2

-0,1 0 Электродный потенциал, В

0,1

Рис. 2. Анодные поляризационные кривые, полученные на арматурной стали в растворе-экстракте бетона, содержащем 3% №С1 без и с добавлением 2% аминоспирта: 1 - без добавки; 2 - 2% ДМАЭ; 3 - 2% МЭА; 4 - 2% ДЭА; 5 - 2% ТЭА

1. Баженов Ю.М. Технология бетона. М: Высш. шк., 1987. 416 с.

2. Gaidis James M. Chemistry of corrosion inhibitors // Cement and Concrete Composites. 2004. Vol. 26. P. 181—189.

3. Jamil H.E., Montemor M.F., Boulif R., Shiri A., Ferreira M.G.S. An electrochemical and analytical approach to the inhibition mechanism of an amino-alcohol-based corrosion inhibitor for reinforced concrete // Electrochimica Acta. 2003. Vol. 48. P. 3509—3518.

4. Morris W., Vico A., Vazquez M. The performance of a migrating corrosion inhibitor suitable for reinforced concrete // Journal of Applied Electrochemistry. 2003. Vol. 33. P. 1183-1189.

5. Патент США № 6712995 Method for rehabilitative and/ or protective corrosion-inhibition of reinforcing steel embedded in hardened concrete structure by means of surface-applied corrosion-inhibiting compositions / Marazzani B., Burge T.A.

6. Щукин Г.Л. и др. Ингибирующее действие антикоррозионного состава «МИК» на коррозию стальной арматуры в присутствии хлорида натрия // Строительная наука и техника. 2008. № 6. С. 55-58.

0

научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js 36 январь 2012 M ®