CC BY
49УДК 693.542.53
Н.К. РОЗЕНТАЛЬ, д-р техн. наук (rosental08@mail.ru),
В.Ф. СТЕПАНОВА, д-р техн. наук; Г.В. ЧЕХНИЙ, канд. техн. наук
АО «Научно-исследовательский центр «Строительство» (АО «НИЦ «Строительство») (109428, г. Москва, 2-я Институтская ул., 6)
О максимально допустимом содержании хлоридов в бетоне
Дан краткий обзор нормативных документов, посвященных допустимому содержанию хлоридов в бетоне. Приведен расчет количества хлоридов в бетоне при максимально допустимом количестве хлоридов в исходных материалах. Расчет выполнен для двух составов бетона -с низким и высоким содержанием цемента. Показано, что критическое содержание хлоридов, выше которого возникает опасность коррозии стальной арматуры, зависит от большого числа факторов, в том числе от содержания хлоридов, минералогического состава клинкера, содержания щелочей, наличия минеральных добавок, водоцементного отношения, условий твердения бетона. Ввиду трудности определения количества несвязанных хлоридов в бетоне предлагается сочетать определение содержания хлоридов с электрохимическими и коррозионными испытаниями стальной арматуры в бетоне.
Ключевые слова: бетон, хлориды, щелочь, минеральная добавка, депассивация стальной арматуры, коррозионная активность хлоридов.
Для цитирования: Розенталь Н.К., Степанова В.Ф., Чехний Г.В. О максимально допустимом содержании хлоридов в бетоне // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 82-85.
N.K. ROZENTAL, Doctor of Sciences (Engineering) (rosental08@mail.ru), V.F. STEPANOVA, Doctor of Sciences (Engineering), G.V. CHEKHNY, Candidate of Sciences (Engineering)
JSC Research Center of Construction (6, 2nd Institutskaya Street, Moscow, 109428, Russian Federation)
About Maximum Admissible Content of Chlorides in Concrete
A brief review of regulating documents devoted to the maximum admissible content of chlorides in the concrete is presented. The calculation of chlorides quantity in the concrete at the maximum admissible content of chlorides in the initial materials is given. The calculation is made for two compositions of the concrete: with a low and high content of cement. It is shown that the critical content of chlorides, higher of which there is a danger of corrosion, depends on a large number of factors including the content of chlorides, mineralogical composition of a clinker, content of alkalines, presence of mineral additives, water-cement ratio, conditions of concrete hardening. Due to the difficulty of determining the amount of free chlorides in the concrete, it is proposed to combine the determination of chlorides content with electro-chemical and corrosion tests of steel reinforcement in the concrete.
Keywords: concrete, chlorides, alkaline, mineral additive, depassivation of steel reinforcement, corrosion activity of chlorides.
For citation: Rozental N.K., Stepanova V.F., Chekhny G.V. About maximum admissible content of chlorides in concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 82-85. (In Russian).
Вопросу агрессивного воздействия солей хлоридов на стальную арматуру в отечественных и зарубежных публикациях посвящено весьма большое число работ [1—7]. Тем не менее следует вновь вернуться к этому вопросу. Необходимость этого связана со следующими обстоятельствами.
Согласно СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии» и европейским нормам EN 206. «Concrene — Part 1: Specification, performance, production and conformity» максимально допустимое количество хлоридов в расчете на ионы Cl- не должно превышать 0,4% массы цемента в бетоне железобетонных конструкций и 0,1% в бетоне предварительно напряженных железобетонных конструкций. Действующими в РФ стандартами установлено следующее максимально допустимое содержание хлоридов в исходных материалах для приготовления бетона:
- в цементе - 0,1%* (ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия» и
ГОСТ 22266—2013 «Цементы сульфатостойкие. Технические условия»);
- в песке - 0,15% (ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»);
- в щебне и гравии - 0,10% (ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»);
- в воде - 0,05-0,12%** (ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия»).
Рассчитаем количество хлоридов в бетоне при максимально допустимом количестве хлоридов в исходных материалах. Расчет выполним для двух составов бетона - с низким и высоким содержанием цемента (табл. 1, 2).
При содержании максимально допустимого количества хлоридов в исходных материалах их общее содержание в бетоне превышает нормированное количество в бетоне железобетонных конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения, рав-
Таблица 1
Состав бетона и количество хлоридов, вносимое в бетон при максимально допустимом количестве хлоридов в исходных материалах
Материал Цемент, кг/м3 Песок, кг/м3 Щебень, кг/м3 Вода, л/м3 В/Ц
Бетон № 1 287 725 1106 172 0,6
Бетон № 2 464 811 938 186 0,41
Количество хлоридов, кг/м3,
в бетоне № 1 0,287 1,087 1,106 0,206
в бетоне № 2 0,464 1,216 0,938 0,223
* В ГОСТ 31108-2003 в цементах ЦЕМ III допускается более 0,1% С1-.
** В ГОСТ 23732-2011 в бетоне предварительно напряженных железобетонных конструкций допускается 0,05% С1-; в бетоне железобетонных конструкций - 0,12% С1-.
научно-технический и производственный журнал
Таблица 2 Общее содержание хлоридов в бетоне
Общее содержание хлоридов
кг/м3 % массы цемента
В бетоне № 1 2,686 0,94
В бетоне № 2 2,841 0,61
Таблица 3
Минералогический состав портландцемента
№ цемента Тип цемента Содержание минералов, %
C3S C2S C3A C4AF
1 Белитовый низкоалю-минатный 3,72 73,16 5,25 15,14
2 Белитовый высокоалю- минатный 12,78 64,54 9,96 9,91
3 Алитовый высокоалю- минатный 73,76 5,7 10,3 7,6
4 Алитовый низкоалю- минатный 66,29 9,24 4,8 17,94
Таблица 4
Наличие свободных хлоридов и состояние арматуры в зависимости от количества хлоридов и состава цемента
Добавка, % массы цемента СаС12/С1 Наличие свободных хлоридов в образцах на цементах №
1 2 3 4
0/0 -/- -/- -/- -/-
0,5/0,32 -/- -/- -/- -/-
1/0,64 -/+ -/- -/- -/-
1,5/0,96 +/+ -/- -/- -/+
2/1,28 +/+ -/- -/- +/+
2,5/1,6 +/+ +/+ +/нет данных +/+
3/1,92 +/+ +/+ -/- +/+
Наличие продуктов коррозии на стальной арматуре
0/0 -/- -/- -/- -/-
0,5/0,32 -/+ -/- -/- -/-
1/0,64 +/+ -/+ -/- -/-
1,5/0,96 +/+ +/+ -/+ -/-
2/1,28 +/+ +/+ -/+ -/-
2,5/1,6 +/+ +/+ +/+ -/+
3/1,92 +/+ +/+ +/+ -/+
Примечание. Перед чертой - образцы с В/Ц=0,5, за чертой - с В/Ц=0,6; «+» - хлориды или продукты коррозии стальной арматуры имеются; «-» - хлориды или продукты коррозии стали не обнаружены.
ное соответственно 0,1 и 0,4% массы цемента. Однако практика эксплуатации железобетонных конструкций показывает, что в отсутствие карбонизации защитного слоя стальная арматура в плотном бетоне, изготовленном без добавок хлоридов, не подвергается коррозии. Коррозия начинается в случае карбонизации защитного слоя или при проникновении в бетон дополнительного количества хлоридов из окружающей среды. Частично это объясняется тем, что реальное содержание хлоридов в материалах для приготовления бетона существенно ниже максимально допустимого. Анализ портландце-ментов 18 российских заводов показал, что содержание хлоридов в цементах 16 заводов составляет 0,001—0,05% и лишь у двух заводов количество хлоридов в цементе приближается к 0,1%. Повышенное содержание хлоридов в заполнителях обнаруживается в материалах, добытых из моря и из карьеров, находящихся на территории ныне не существующих древних морей.
Другой требующий объяснения факт — депассива-ция стальной арматуры при низком содержании хлоридов в насыщенном растворе гидроксида кальция и в жидкости, отжатой из бетона. Ранее выполненный анализ отечественных и зарубежных материалов [8, 9] показал следующие результаты. В насыщенном растворе Са(ОН)2 коррозию стали вызывали хлориды при концентрации 0,002—0,0035% С1—. В вытяжке из портландцемента пассивность стали нарушалась при содержании №С1 4-6 мг/л.
Отсутствие коррозии стальной арматуры в бетоне, содержащем ограниченное количество хлоридов, объясняют связыванием части хлоридов продуктами гидратации цемента - алюминатами, ферроалюминатами, гидроксидом кальция — в малорастворимые соединения. Хлориды могут связываться продуктами гидратации трехкальциевого силиката [10]. При этом в воде, находящейся в контакте с содержащими хлориды минералами цементного камня, образуется раствор, концентрация которого находится в определенной зависимости от вида минерала.
Наши исследования коррозии стальной арматуры в бетонах на цементах различного минералогического состава (табл. 3) показали следующее.
Образцы готовили из цементно-песчаных растворов состава 1:2 с В/Ц=0,5 и 1:3 с В/Ц=0,6. Добавку СаС12 вводили в количестве от 0,5 до 3% от массы цемента. Образцы испытывали во влажной среде в возрасте 180 сут. Наличие свободных хлоридов определяли качественно — раствором азотнокислого серебра (метод позволяет определять наличие хлоридов около 0,4% и более); состояние стальной арматуры оценивали в зависимости от наличия продуктов коррозии на поверхности стальной арматуры после вскрытия образцов. Результаты приведены в табл. 4.
Наибольшее содержание хлоридов — 1,28% С1—, не вызвавшее коррозии стальной арматуры, показали образцы, изготовленные на алитовом цементе с высоким содержанием C4AF. Наименьшее количество хлоридов, при котором развивался процесс коррозии стали, показали образцы на белитовых цементах с низким содержанием С3А. Коррозия начиналась уже при содержании С1— 0,32% от массы цемента. Испытания показали, что все основные минералы цементного клинкера оказывают влияние на коррозионную активность ионов С1— в бетоне.
В выполненных испытаниях количество хлоридов, вызывающих коррозию стальной арматуры, зависело от минералогического состава цемента, количества цемента в бетоне, величины водоцементного отношения. В плотных бетонах на алитовых цементах с учетом высокого и низкого содержания алюминатов опасность коррозии стальной арматуры возникала при содержании ионов С1— более 1% массы цемента, в бетонах на белито-вых цементах — более 0,3—0,6%.
Коррозионные испытания стальной арматуры [8] армированных образцов в морской среде показали:
— в бетоне с расходом цемента 450 кг/м3 в морской атмосфере через 3,2 года арматура подвергалась коррозии при содержании ионов С1— 1% массы цемента;
научно-технический и производственный журнал
- в бетоне с В/Ц=0,5 с воздухововлекающей добавкой в зоне переменного уровня моря при толщине защитного слоя 30 мм после 30 мес испытаний арматура коррозировала при содержании ионов C1- 1,2% массы цемента.
В публикациях о влиянии хлоридов на коррозию стали в бетоне, помимо химического связывания хлоридов в малорастворимые соединения, отмечается влияние сорбции хлоридов гидратированными соединениями портландцементного клинкера, роль отношения С1-/ОН-. Указано, что на связывание хлоридов влияют: минералогический состав цемента; количество щелочей в цементе; количество введенного в состав бетона хлорида; вид катиона, связанного с ионом C1-; водоцемент-ное отношение бетонной смеси; температурные условия твердения бетона; условия эксплуатации бетона (выщелачивание, карбонизация). В различных источниках сообщается о связывании от 30 до 95% введенных хлоридов, в основном 60-85%. При этом результаты получены на образцах из бетона разного состава, на различных цементах разными методами - от анализа цементного камня до анализа вытяжек и жидкой фазы, отжатой при высоком давлении из бетона. Сказанное не позволяет сделать однозначных выводов о критическом содержании хлоридов в бетоне, а существующие критерии можно принять как ориентировочные.
В России отсутствует стандарт на метод определения хлоридов в бетоне. В ГОСТ 5382-91 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа» даны методы определения общего содержания хлоридов и количества растворимых хлоридов в цементе. В ГОСТ 8269.1-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа» приведены методы определения общего содержания и количества растворимых хлоридов в заполнителях. В обоих случаях (экстракция водой и растворением в азотной кислоте) анализ выполняется на тонкоразмолотых пробах, просеянных через сито № 008 по ГОСТ 6613-86 «Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. Технические условия» с ячейками
0.08.мм в свету. Водная вытяжка приготавливается при соотношении 1:10 массы сухой пробы и дистиллированной, не содержащей углекислоты воды перемешиванием в течение 10 мин.
В работе [11] показано, что при экстракции этанолом из бетона извлекали 7,5-9,4% введенных хлоридов, а водой - 65,5-74,9%, считая, что в первом случае извлекаются свободные хлориды, а во втором - свободные и слабосвязанные.
Для анализа бетона приемлем метод определения общего содержания хлоридов в бетоне с растворением тонкоразмолотой пробы в азотной кислоте с последующим титрованием. Однако разделить эти хлориды на связанные и несвязанные не представляется возможным. Причины этого в том, что при экстракции водой в раствор могут переходить сорбированные цементным
Список литературы
1. Смоляго Г.А., Крючков А.А., Дрокин С.В., Дронов А.В. Исследование аспектов хлоридной коррозии железобетонных конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 2. С. 22-24.
2. Больцони Ф., Бренна А., Фумагалли Г., Гойданич С., Лазари Л., Ормеллезе M., Педеферри M. Ингибиторы коррозии для железобетонных конструкций // Коррозия: материалы, защита. 2015. № 2. С. 14-27.
3. Леонович С.Н., Степанова А.В. Моделирование хло-ридной агрессии на высококачественный бетон для
камнем хлориды и неопределенная часть хлоридов, химически связанных с соединениями цементного камня.
Отмечается зависимость критического содержания хлоридов от содержания щелочей. По данным [12], с увеличением рН раствора, например 11,6; 12,6; 13,2, критическая концентрация хлоридов увеличивается соответственно 72, 710, 890 мг/л. В качестве критерия им предложено отношение 0-/ОН-, которое не должно быть более 0,60. Объясняется это конкурирующей сорбцией на поверхности стальной арматуры ионов Cl- и ОН-.
Количество ионов ОН- зависит от содержания щелочей Na+ и K+ в цементе, т. е. в бетонах на цементах с высоким содержанием щелочей опасность хлоридной коррозии стальной арматуры ниже.
Минеральные добавки, связывающие гидроксид кальция и отчасти щелочи, понижают значение рН бетона и тем способствуют развитию хлоридной коррозии стальной арматуры. В то же время минеральные добавки могут уменьшать диффузионную проницаемость бетона и замедлять поступление хлоридов в бетон из окружающей среды [9].
Определение содержания хлоридов в бетоне имеет целью оценить защитное действие бетона на стальную арматуру. Однако для этой цели можно использовать прямой метод определения пассивирующего действия бетона электрохимическими методами. В России указанные методы приведены в ГОСТ 31383-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний».
Следует обратить внимание еще на одну особенность воздействия хлоридов на коррозионное состояние арматуры в бетоне. При обследовании железобетонных конструкций, находившихся в хлоридной среде, с помощью индикатора — азотнокислого серебра в образовавшихся коррозионных язвах на поверхности арматуры под слоем продуктов коррозии обнаруживается накопление хлоридов, которые хорошо фиксируются названным индикатором в виде образования белых пятен осадка хлорида серебра. Причина концентрации хлоридов в коррозионных язвах очевидна - перемещение анионов C1- в анодные зоны гальванических пар на поверхности коррозирующей стали в бетоне.
Таким образом, коррозионная активность хлоридов по отношению к стальной арматуре зависит от большого числа факторов, в том числе от содержания хлоридов, минералогического состава клинкера, содержания щелочей, условий твердения бетона и других факторов. Определение количества сорбированных и химически связанных хлоридов и соответственно свободных хлоридов в бетоне представляет собой достаточно сложную задачу. Для выявления агрессивности хлоридов, вносимых в бетон с исходными материалами, представляется целесообразным дополнять результаты химических анализов коррозионными, в том числе электрохимическими, испытаниями стальной арматуры в бетоне.
References
1. Smolyago G.A., Kryuchkov A.A., Drakin S.V., Dronov A.V. Research of aspects of chloride corrosion of steel concrete designs. Vestnik Belgorodskogo gosudarst-vennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukho-va. 2014. No. 2, pp. 22-24. (In Russian).
2. Boltsoni F., Brenna A., Fumagalli G., Goydanich S., Lazzari L., Ormellez M., Pedeferri M. Corrosion inhibitors for steel concrete designs. Korroziya: materialy, zash-chita. 2015. No. 2, pp. 14-27. (In Russian).
3. Leonovich S.N., Stepanova A.V. Modeling of chloride aggression on high-quality concrete for providing esti-
научно-технический и производственный журнал
обеспечения расчетного срока эксплуатации // Системные технологии. 2016. № 2 (19). С. 75—85.
4. Иванников В.В., Николаев А.Г., Шварц В.М., Рябов О.Б., Степанов В.Н. Коррозия арматуры в железобетонных изделиях // Химическая техника. 2015. № 1. С. 10.
5. Раткин В.В., Кокодеев А.В. Модель воздействия хло-ридсодержащей среды на железобетонную балку пролетного строения моста // Ресурсоэнергоэффек-тивные технологии в строительном комплексе региона. 2015. Т. 2. № 6. С. 103-106.
6. Морозов Н.М., Красиникова Н.М., Боровских И.В. Факторы, влияющие на разрушение бетона дорожных плит // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 7 (59). С. 30-38.
7. Овчинников И.И., Чэнь Т., Овчинников И.Г. Вероятностное моделирование железобетонной сваи при совместном действии нагрузки и хлоридсодер-жащей среды // Региональная архитектура и строительство. 2016. № 4 (29). С. 55-61.
8. Алексеев С.Н., Ратинов В.Б., Розенталь Н.К., Кашурников Н.М. Ингибиторы коррозии стали в железобетонных конструкциях. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.
9. Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и особо низкой проницаемости. М.: ФГУП ЦПП, 2006. 520 с.
10. Richartz W. Die Bindung von Chlorid bei der Zementerhärtung // Zement-Kalk-Gips. 1979. Vol. 22, рр. 10-12.
11. Gouda K., Mourad H. Galvanic cells encountered in the corrosion of steel reinforcement. Differential salt concentration cells // Corrosion Science. 1975. V. 15, pp. 112-115.
12. Hausman D.A. Corrosion of steel in concrete // Materials protection. 1967. V. 6. № 19, pp. 370.
mated useful life. Sistemnye tekhnologii. 2016. No. 2 (19), pp. 75—85. (In Russian).
4. Ivannikov V.V., Nikolaev A.G., Schwartz V.M., Ryabov O.B., Stepanov V.N. Corrosion of an armature in concrete goods. Khimicheskaya tekhnika. 2015. No. 1, pp. 10. (In Russian).
5. Ratkin V.V., Kokodeev A.V. Model of impact of the hlo-ridsoderzhashchy environment on a steel concrete beam of a flying structure of the bridge. Resursoenergoeffektivnye tekhnologii v stroitel'nom komplekse regiona. 2015. T. 2. No. 6, pp. 103-106. (In Russian).
6. Morozov N.M., Krasinikova N.M., Borovskikh I.V. The factors influencing destruction of concrete of road plates. Inzhenemo-stmitel'nyizhurnal. 2015. No. 7 (59), pp. 30-38. (In Russian).
7. Ovchinnikov I.I., Chen T., Ovchinnikov I.G. Probabilistic modeling of a steel concrete pile in case of combined action of loading and the hloridsoderzhashchy environment. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo. 2016. No. 4 (29), pp. 55-61. (In Russian).
8. Alekseev S.N., Ratinov V.B., Rosenthal N.K., Kashur-nikov N.M. Ingibitory korrozii stali v zhelezobetonnykh konstruktsiyakh [Inhibitors of corrosion became in steel concrete designs]. Moscow: Stroyizdat, 1985. 272 p.
9. Rosenthal N.K. Korrozionnaya stoikost' tsementnykh betonov nizkoi i osobo nizkoi pronitsaemosti [Corrosion resistance of cement concrete of low and especially low permeability]. Moscow: FGUP TsPP, 2006. 520 p.
10. Richartz W. Die Bindung von Chlorid bei der Zementerhärtung. Zement-Kalk-Gips. 1979. Vol. 22, pp. 10-12.
11. Gouda K., Mourad H. Galvanic cells encountered in the corrosion of steel reinforcement. Differential salt concentration cells. Corrosion Science. 1975. V. 15, pp. 112-115.
12. Hausman D.A. Corrosion of steel in concrete. Materials protection. 1967.V.6 No. 19, pp. 370.
БЕЛГОРОДСКАЯ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПАЛАТА
% БЕЛЭКСПОЦЕНТР
¡15 -17 марта 2017
Межрегиональные специализированные выставки
БЕЛЭКСПОСТРОИ
и
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЖКХ
Т/ф,; (4722) 58-29-40, 58-2М8, 58-29-65, 58-29-68, 58-2941 E-mail: belexpo@mail.fu; www.belexpocentr.ru; г. Белгород, ул. Победы, 147а
rJ научно-технический и производственный журнал
ft ' :
fxPí'.UjJlijJ0 январь/февраль 2017 85
