CC BY
68
УДК 624.2/8
ПІДВИЩЕННЯ ЗАХИСНОЇ ДІЇ БЕТОНУ МОСТОВИХ КОНСТРУКЦІЙ ПО ВІДНОШЕННЮ ДО АРМАТУРИ
С.О. Бугаєвський, доцент, к.т.н., О.Г. Кіслов, доцент, к.т.н.,
С.А. Чугуєнко, асистент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Показано, що стан бетону найбільш впливає на стан арматури у залізобетоні. Розглянуто деякі добавки, що перешкоджають корозії арматури.
Ключові слова: арматура, бетон, залізобетонні конструкції, корозія.
Вступ
Поширеною проблемою для залізобетонних мостових конструкцій є втрата стійкості та міцності конструкції у зв’язку з втратою міцності сталі, що пов’язано з корозією арматури у бетоні. Розповсюджено також кородування арматури внаслідок руйнування захисного шару в конструкції. На корозійну стійкість арматури впливають різні фактори.
Аналіз факторів, що впливають на стан арматури у бетоні
Швидкість корозії визначається ходом більше загальмованого елементарного процесу (анодного розчинення - іонізації заліза, катодного - деполяризації) або ж омічним опором електроліту. Отже, кінетика корозії буде залежати як від потенціалів анода й катода, що встановлюються з урахуванням явища поляризації, так і омічного опору системи. Анодний процес істотно гальмується за рахунок концентраційної поляризації, пов’язаної з утрудненням дифузії іонів металу, особливо якщо електроліт нерухомий, як наприклад, у капілярно-пористих тілах, типовим представником яких є бетон мостової конструкції.
Найбільш значне гальмування (практично повне) анодного процесу спостерігається при виникненні анодної пасивності, коли зсув потенціалу залізного електрода в позитивну сторону досягає 1 В [1].
Основний вплив на катодний процес робить звичайно концентраційна поляризація, пов’язана, зокрема, з утрудненням дифузії деполяризатора - кисню в електроліті.
Для арматури у бетоні нормальної щільності (2300 - 2500 кг/м3) катодне обмеження процесу корозії в повітряно-вологих умовах малоефективне через значну газопроникність пористої структури. Якщо ж вона заповнена водою, тобто бетон перебуває постійно в стані насичення (підводні конструкції або частини їх), то його дифузійна проникність для кисню різко знижується (до трьох порядків у порівнянні з повітряно-вологим станом) і може практично повністю загальмувати розвиток корозії арматури, що перебуває в активному стані. Цим пояснюється схоронність арматур у підводній частині залізобетонних конструкцій мостів.
Омічний опір електроліту в корозійній гальванічній парі (для арматур у бетоні -порової рідини) залежить в основному від товщини плівок вологи, що для гідрофільного капілярно-пористого тіла визначається його адсорбційною вологістю або відносною вологістю навколишнього повітря. При відносній вологості повітря менше 60 %, як правило, омічний опір порової рідини бетону настільки значний, що практично порушується іонна провідність зовнішнього ланцюга корозійної пари, тобто припиняється розвиток корозії арматури, навіть якщо вона перебуває в активному стані.
Однак можливості практичного використання омічного контролю корозії арматури обмежені різними причинами.
До першої причини відноситься підвищена електропровідність і гігроскопічність бетону, що містить добавки - електроліти (особливо хлориди - найсильніші стимулятори корозії). Не зважаючи на те, що кількість добавки-електроліта обмежена при бетонуванні залізобетонних конструкцій мостів, однак хлориди потрапляють у тіло бетону в період експлуатації споруд. Для боротьби із зимовою слизькістю застосовують розчини хлоридів, які з поверхні проїзної частини мостів при зруйнованій гідроізоляції проникають в бетон прольотної будови.
Друга причина обмеження полягає в можливості періодичного підвищення вологості бетону конструкцій у зв’язку із сезонними коливаннями температури й вологості повітря, зволоженням
атмосферними опадами, конденсатом і т.ін. Для підвищення гідрофобних властивостей бетону мостових конструкцій необхідно передбачити виконання захисту поверхонь нанесенням різних матеріалів, наприклад «Сілол», петралатум та ін.
Вид в’яжучого істотно впливає на стійкість сталі арматури до корозії. Переважна більшість в’яжучих для сучасних бетонів становлять клінкерні цементи. При гідролізі й гідратації клінкерних мінералів, в основному трьохкальцієвого сіліката-аліта, утвориться велика кількість гідроксиду кальцію, що не тільки насичує рідку фазу, але й становить до 15 % твердої фази цементного каменю. Крім цього вільного вапна, частина її втримується в негідратованих зернах клінкера - так званому клінкерному фонді, що забезпечує тривалу підтримку стану насичення рідкої фази цементного каменю вапном і відповідно стійкість основних його гідратних з’єднань, що створюють міцність бетону і стан пасивності сталевих арматур.
Під час відсутності іонів - стимуляторів корозії заліза - для стійкої пасивації сталі в бетоні рН рідкої фази повинне бути не менш 11,8. Отже, надійна робота залізобетонної конструкції буде забезпечена, якщо рН не опуститься до такого рівня як у процесі тривалого твердіння в’язкого, так і в результаті впливу навколишнього середовища.
Наявні дані [1, 2] показують, що рН рідкої фази цементного каменю, утвореного в’яжучими на основі портландцементного клінкеру при нормальній температурі, звичайно перевищує 12,5. При використанні змішаних в’яжучих, що утримують тонкодисперсні кремнеземисті компоненти, останні зв’язують вапно й тим інтенсивніше, чим вище температура твердіння.
За даними В.А. Кинда, через 28 діб після затворення вміст вільного вапна в цементному камені на чистому клінкері становить 9,37 %, а на клінкері, розведеному вдвічі трепелом, 0,85 %. Нескладний
розрахунок показує, що для повного зв’язування вапна, що втримується в 1г клінкера, потрібно 1,2 г трепелу [1]. Практично ж трепелу для цього недостатньо, тому що його вміст не перевищує 0,5 г на 1 г клінкера. У більш тривалих процесах зв’язування вапна активними добавками компенсується її виділенням за рахунок гідратації й гідролізу зерен клінкера й переходу високоосновних гідросилікатів у низькоосновні, тому якщо виключити вплив середовища, то стан рідкої фази, близький до насичення вапном у цементному камені на пуцолановому портландцементі, буде необмежено тривалим.
Гідравлічна активність мелених доменних шлаків мінімальна, тому
шлакопортландцемент утворить цементний камінь із більшим запасом вапна, чим пуцолановий.
При пропарюванні й особливо автоклавній обробці зв’язування вапна прискорюється. Однак розрахунок за даними [1] свідчить про те, що після запарювання в автоклаві в’яжучих з 25 % трепелу залишок Са(ОН)2 був достатній для насичення рідкої фази цементного каменю, при добавці ж до клінкера 30 % меленого піску рН був лише трохи вище критичного 11,8.
Цемент на основі клінкера (портландцемент, пуцолановий портландцемент,
шлакопортландцемент) забезпечують
лужність міжфазної рідини в бетоні, достатню для пасивування сталі. Однак бетони на останніх двох цементах карбонізуються швидше, ніж бетон на портландцементі при рівній щільності
(проникності) і витраті цементу через менший вміст оксиду кальцію.
Основне істотне для збереження арматур розходження заповнювачів бетону
визначається їхньою пористістю. Важкий заповнювач із щільних гірських порід можна практично вважати непроникним для рідин і газів. Проникність важкого бетону визначається структурою цементного каменю, на яку заповнювач майже не впливає.
Для бетонів на пористих заповнювачах характерний знижений (у порівнянні з бетонами на щільних заповнювачах) вміст гідроксиду - аж такий, при якому не забезпечується пасивація арматури.
Запас Са(ОН)2 у бетоні залежить від кількості пористого матеріалу, його здатності зв’язувати гідроксид кальцію, що визначається як природою матеріалу, так і крупністю частинок, а також від витрати цементу й умов твердіння бетону. У якості однієї з додаткових заходів захисту арматури в бетонах мостових конструкцій передбачається використання добавок-інгібіторів [1 - 4].
Для підвищення захисної дії бетону щодо сталевої арматури мостових конструкцій, які призначені для експлуатації в умовах дії агресивних хлоридних та інших середовищ, у склад бетонної суміші згідно з ДБН В.2.7-64-97 слід вводити інгібітори корозії сталі: нітрит натрію (НН) - поставляється у вигляді кристалічного NN02 білого кольору з жовтуватим відтінком, а також у вигляді водяних розчинів; нітрит-нітрат кальцію (ННК) - суміш нітрита Са^02)2 і нітрата Са^03)2 кальцію у співвідношенні 1:1 в вигляді водного розчину або пасти; тетраборат натрію (ТБН) - безбарвні кристали складу №2В407 10Н2О, добре розчинні у воді; біхромат натрію (БХН) -червоні кристали складу №2Сг07-2Н20, дуже добре розчинні у воді; біхромат калію (БХК)
- оранжево-червоні кристали складу К2СЮ7, добре розчинні у воді; катапін-інгібітор КИ-1
- прозора гелеподібна злегка мутна рідина
від жовтого до коричневого кольору, що представляє собою солянокислий розчин катапіну та уротропіну, добре змішується з водяними розчинами
солей.
Для слабоагресивних середовищ згідно з ДБН В.2.7-64-97 рекомендується використання добавок НН або ННК, для середньоагресивних середовищ - НН + (ТБН, БХН, БХК) та КИ-1. Для регулювання технологічних властивостей бетонної суміші та фізико-механічних властивостей бетону у складі комплексних добавок разом з інгібіторами використовуються
пластифікатор - лігносульфонат технічний ЛСТ та повітровтягувальна добавка - смола нейтралізована повітровтягувальна СНВ. Оптимальна кількість добавок-інгібіторів корозії та комплексних добавок визначається експериментально при підборі складу цементного бетону з урахуванням рекомендацій з їх застосування [4].
Висновки
Перелік добавок-інгібіторів корозії сталевої арматури, які стандартизовані і рекомендовані до застосування відповідними нормативними документами України, наведено в [4].
Однак застосування інгібіторів корозії арматури в залізобетоні мостових конструкцій потребує урахування деяких обставин:
- хімічні умови в бетоні залежать як від його складу й технології, так і від численних факторів навколишнього середовища, і тому не визначені в достатній мірі;
- кількість і вид агресивних речовин для тривалого періоду служби мостів, як правило, заздалегідь не відомі, так що неможливо визначити дозування інгібіторів, що відповідають кількості агресивних речовин;
- час служби залізобетону становить десятки років, а додаткове введення інгібіторів, що враховує їхнє вимивання, можливо тільки за рахунок поверхневої обробки мостових конструкцій.
Література
1. Ингибиторы коррозии стали в железобе-
тонных конструкциях / С.Н. Алексеев,
В.Б. Ратинов, Н.К. Розенталь, Н.М. Ка-шурников. - М.: Стройиздат, 1985. -272 с.
2. Долговечность железобетона в агрессив-
ных средах: Совм. изд. СССР - ЧССР -ФРГ / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов,
С. Модры, П. Шиссль. - М.: Стройиздат, 1990. - 320 с.
3. Ратинов В.Б., Розенталь Н.К. Ингибиторы
коррозии стальной арматуры в бетоне // Бетон и железобетон. - 1983. - № 8. -
С. 5 - 7.
4. ТР 218-02071168-368:2005 На
застосування інгібіторів корозії
арматури для ремонту мостових
конструкцій. - К.: Укравтодор, 2005. -41 с.
Рецензент: В.К. Жданюк, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 травня 2007 р.
