CC BY
39
УДК 620.193.2 : 699.822 : 624.012
В. I. МАРУХА, I. П. ГНИП, М. П. ВОЛОШИН (ДПЩ «Техно-ресурс» НАН Укра!ни)
ОПТИМ1ЗАЦ1Я СКЛАДУ 1НГ1Б1ТОРА ДЛЯ РЕМОНТУ ПОШКОДЖЕНИХ ТР1ЩИНАМИ ЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦ1Й ЗА 1Н'еКЦ1ЙНИМИ ТЕХНОЛОГ1ЯМИ
Розробленi та виготовленi оригiнальнi модельш 6eTOHHi зразки-чарунки для корозiйно-електрохiмiчних дослщжень, як1 забезпечують iдентичнiсть умов випробувань для 6 зразк1в арматури. Дослвджеш поляриза-цiйнi характеристики, кiнетика та частотш залежностi характеристик iмпедансу модельних зразшв, витри-маних у середовищi слабокислого дощу з добавленням сумiшi iнгiбiторiв. Встановлено, що найефективш-шою для антикорозiйного захисту сталево! арматури е сумiш iнгiбiторiв, яка мютить натрiю молiбдат i каль-щю нiтрат у рiвному спiввiдношеннi по май. Ефектившсть розроблено! нами шпбувально! сумiшi в 10-12 разiв вища, нiж и компонентiв, взятих кожного зокрема, що вказуе на прояв ефекту синергiзму. Використан-ня ефекту синерпзму при розробцi сумiшей шпбувальних речовин дозволяе багаторазово зменшити вмют неорганiчних матерiалiв у полiмернiй основi i вiдповiдно iстотно полiпшити технолопчшсть застосування iнгiбованих iн'екцiйних композицiй для ремонту трщин i трiщино подiбних дефектiв у залiзобетонних конструкцях тривало! експлуатацп.
Ключовi слова: залiзобетонна конструкция, iнгiбiтор, трiщина, iн'екцiя, арматура
Разработаны и изготовлены оригинальные модельные бетонные образцы-ячейки для коррозийно-электрохимических исследований, которые обеспечивают идентичность условий испытаний для 6-и образцов арматуры. Исследованы поляризационные характеристики, кинетика и частотные зависимости характеристик импеданса модельных образцов, выдержанных в среде слабокислого дождя с добавкой смеси ингибиторов. Установлено, что самой эффективной для антикоррозийной защиты стальной арматуры является смесь ингибиторов, которая содержит натрия молибдат и кальция нитрат в ровном соотношении по массе. Эффективность разработанной нами ингибиторной смеси в 10-12 раз выше, чем ее компонентов, взятых каждого в отдельности, что указывает на проявление эффекта синергизма. Использование эффекта синергизма при разработке смесей ингибиторных веществ позволяет многоразово уменьшить содержание неорганических материалов в полимерной основе и соответственно существенно улучшить технологичность применения ингибированных инъекционных композиций для ремонта трещин и трещино подобных дефектов в железобетонных конструкциях длительной эксплуатации
Ключевые слова: железобетонная конструкция, ингибитор, трещина, инъекция, арматура
Special model concrete cells, providing identity of tests for six armature samples, were prepared. Polarisation characteristics and impedance dependencies of the model cells, exposed to acid rain solution, were studied. It was established, that the inhibitor blend, containing sodium molibdate and calcium nitrate at equal mass ratio, is most effective for corrosion protection of steel armature. Inhibition efficiency of the blend is in 10-12 times higher than efficiencies of its single components. This clearly indicates a synergistic effect. An addition of the inhibitor to polyurethane injection composition, used for concrete construction repair, increases the adhesion between concrete and reinforcement exposed in corrosion environment. The use of synergism effect in the development of inorganic inhibitor mixtures allows significantly to reduce consumption of materials and to improve manufacturability of injection polymer compositions for reinforced concrete repair.
Keywords: reinforced concrete structure, inhibitor, crack, injection, armature
У зал1зобетонних конструкщях та спорудах тривало! експлуатацп виникають трщини шд сукупним впливом навколишнього середовища i мехашчних чинниюв[1, 2]. Внаслщок взаемо-дп бетону з вуглекислим, йрчистим, азотистим i шшими газами, слабо кислими опадами [3] показник pH бетону знижуеться до значень, за яких i починаеться процес корозп арматури, який проходить з1 збшьшенням об'ему продукта корозп зал1за в 2.. .7 раз1в щодо початкового металу. Це спричиняе розтрюкування бетонно! матриц та !! вщшаровування вщ арматури. За-
стосування шпбггор1в може ютотно зменшити корозда стал1 i зберегти цшсшсть зал1зобетон-но! конструкци [4].
Сучасш методи ремонту включають техно-лопю реновацп (вщновлення працездатносп) бетонних i зал1зобетонних конструкцш i споруд введенням тд тиском у порожнини трщин i 1нших короз1йно-механ1чних пошкоджень в'язкотекучих пол1уретанових композиц1й [5, 6].
Високий ступ1нь заповнення об'ему порож-нин короз1йно-механ1чних тр1щин р1дкими по© Маруха В. I., Гнип I. П., Волошин М. П., 2011
л1уретановими композищями досягаеться шляхом подач1 вщновних матер1ал1в у бетонну ма-трицю шд високим тиском. Через пробуреш отвори (рис. 1). Взаемод1я пол1уретанових ком-позицш !з поверхнями бетону на стшках тр1-щин { дефектов призводить до формування ком-позицшних з'еднань типу «бетон - пол1мер -бетон».
Вимiрювання проводили автоматичним мостом змшного струму Р-5083 за частоти змiнного струму 0,1 kHz при юмнатнш температурь Для цього розробили орипнальну конструкщю бе-тонних чарунок у виглядi цилiндрiв заввишки 100 мм i дiаметром 100 мм з шютьма просверд-леними отворами 0 12 мм i завглибшки 80 мм -для прутюв сталево! арматури та центральним наскрiзним отвором 0 20 мм - для допомiжно-го протиелектрода (рис. 2). Рiвновiддаленi вiд центру, зовшшньо! i нижньо! стiнок цилiндра i мiж собою 6 зразюв арматури в бетош знаходи-лися в максимально щентичних умовах випро-бувань, що дозволило з бшьшою точнiстю ран-жирувати якiсть iнгiбiторiв одночасно в шести чарунках. Робоча площа поверхнi зразка арматури в чарунщ складала 35 см2.
Рис. 1. Схема вщновлення зруйнованого трщиною зал1зобетону за методом ш'ектування р1дкою поль уретановою композищею
Така технолопя забезпечуе пдро1золящю арматури в зал1зобетонних конструкщях з тр> щинами, але вимагае додаткового захисту вщ корози. У лтоератур! вщом1 шпбтоорш компо-зицп для просочення зал1зобетону [7], яю, од-нак, мають недостатш захисш властивосто.
Дана робота присвячена пошуку { оптим1за-ци сумш1 шпб1тор1в з ефектом синерпзму за-хисно! дп для м1шм1зацл И вмюту в ш'екцшних композищях на пол1уретановш або пол1акрило-вш основа
Матерiали i методи до^джень. Для ко-розшно-електрох1м1чних дослщжень викорис-товували арматурну стал1 А500С (ГОСТ 376098) у сташ постачання. Корозивним середови-щем слугував слабокислий розчин з рН ~ 4,5 (3,18 mg/l Н2804 + 4,62 амошю сульфату + 3,20 натрш сульфату + 1,58 НК03 + 2,13 натр1ю ш-трату + 8,48 mg/l натр1ю хлориду), що !мтоуе атмосферш опади в промислових районах Укра!ни. У цей розчин додавали шпбтоори - 1 g/l кальщю штрату, 1 g/l натр1ю мол1бдату та !х сумшей в певних пропорщях. Потенцюдинам> чш поляризацшш крив1 зшмали на триелектро-днш електрох!м1чнш ком1рщ з насиченим ка-ломельним електродом пор1вняння { платино-вим допом1жним електродом за допомогою по-тенцюстата 1РС-РгоМ, з'еднаного з комп'ютером. Струми корози стал1 визначали екстраполящею тафелевських д1лянок поляри-зацшних кривих.
Захисш властивосто шпбованих ш'екцшних композицш вивчали методом ¡мпедансу [8].
Рис. 2. Схема вимiрювання iмпедансу стержнiв сталево! арматури, закршлених iн'eкцiйними компози-щями з рiзними iнгiбiторами у бетоннш чарунцi
Поверхневий анал1з захисних пл1вок, утво-рених на арматурнш стал1 тсля витримки в до-слщжуваних розчинах, здшснювали на сканую-чому електронному мшроскош EVO 40XVP з системою ренгенм1кроанал1зу INCA Energy 350.
Для дослщження адгези (мщносто зчеплен-ня) арматури з бетоном нами розроблено спещ-альний тип зразюв (рис. 3) розм1рами 100^100x300 мм, як виготовляли з тих же ма-тер1ал1в i за тих же умов, що й чарунки для еле-ктрох1м1чних дослiджень. Зразки арматури 0 12 мм iз стат А500С, виготовлених iз прут-кiв тое! ж парто!, що i для електрохiмiчних дослщжень, розмiщували упоперек велико! осi зразюв у вершинi вузького концентратора -iмiтатора трiщини, тобто, в зош максимальних напружень розтягу. Завдяки розмщенню прут-кiв арматури в зош старту трщини досягалась
максимальна чутливють методу до змши зна-чень адгезп за вар!аци зовшшшх чинниюв.
Рис. 3. Еск1з бетонного зразка для визначення адгезп арматури шляхом випробування на згин:
1 - бетонна призма; 2 - пруток 1з арматурно! сталц 3 - щшина - концентратор напруження
Випробування зразюв проводили на машиш ЕИ8-20 зосередженим згином з розташуванням навантажуючого шдентора в площиш трщини (рис. 4). Швидюсть навантаження складала 5-10-3-ЫРа/8.
Рис. 4. Випробування бетонного зразка з прутком арматури зосередженим згином на установщ ЕИ8-20
Напруження руйнування зразюв з ураху-ванням глибини концентратора розраховували за формулою: ок = 3РЬ/2Ь(к - кк )2, де Р - зу-силля руйнування, Ь - вщстань м1ж опорами, Ь - ширина, к - висота зразюв, кк - глибина концентратора напружень.
До^дження ефективностi iнгiбування корози арматурное сталi за залежностями по-тенщалу 1 густини струму корози вщ вщносно-го вмюту натрда мол1бдату за сумарно! концен-трацп 1 g/l кальщю штриту { натрда мол1бдату в розчиш.
Максимальш значення потенщалу (а) та м> шмум густини струму корози стал! (Ь) спосте-рпаеться за сшввщношення натрда мол1бдату /
кальцда штрату, р1вного 50/50 мас % у робочо-му середовищ! для вс1х часових витримок [9].
За даними мшрорентгеноспектрального ана-л1зу продукти корози мютять атоми мол1бдену, кальцда, кисню. Можна припустити, що коро-зшна пл1вка формуеться на основ! натрда мол> бдату [10].
1мпеданст до^дження модельних систем бетон - ш'екцшна композищя - сталева арматура проводили у бетоннш чарунщ (див. рис. 2). Шють стержшв арматури ущшьнювали ш'екцшними композищями р1зного складу. До чисто! пол1уретаново! композици Webac 1403 ¿з розрахунку на сумарний об'ем полюльно! (А) та ¿зощанатно! (В) складових додавали натрда мол1бдат + кальцда штрит в наступних пропор-щях масових часток: 1) 6 мас. ч. натрда мол1б-дату; 2) 6 - кальщю штриту Са(К03)2; 3) 3 -кальщю штриту + 3 натрда мол1бдату; 4) 2 -натрда мол1бдату + 4 кальцда штриту; 5)- 4 натрда мол1бдату + 2 кальщю штриту; 6) композищя Webac 1403 без добавлення шпб!тор!в - контрольний зразок.
Дослщженнями встановлено, що отр змш-ному струму модельно! системи бетон -ш'екцшна пол1уретанова композищя - стержень арматурно! стал! в перш! дш витримки в слабокислому дощовому розчиш р!зко знижу-еться для вшх склад!в !нг!б!торних композиц!й. Це свщчить про набухання пол!мерного шару м!ж ст!нкою бетонного зразка та стержнем арматури. Така кшетика питомого опору е типовою для пол!мерних матер!ал!в. Надал! значення опору модельних систем стабшзуються ! протягом 125 д1б витримки в середовищ! дещо зростають.
На часових залежностях емност! впродовж 40...50 д1б витримки в слабокислому середовищ! спостерпаеться зростання, що, очевидно, спричинено проникненням молекул води ! !он!в розчину в !н'екц!йний шар. Пюля 50 д1б експо-зицп емн!сть модельних систем починае зни-жуватися, що най!мов!рн!ше викликане пасива-ц!ею поверхн! арматурних стержн!в шд впли-вом !нг!б!тор!в. У раз! пол!уретаново! компози-ц!!' з сумшшю н!тратного ! мол!бдатного !нг!б!тор!в, емшсть модельно! системи е най-нижчою, що св!дчить про утворення на поверх-н! стержня арматури суцшьно! пасивуючо! пт-вки. На основ! анал!зу даних досл!джень зале-жностей електродного потенц!алу ! густини струму корози та !мпедансних характеристик вщ сп!вв!дношення вм!сту натр!ю мол!бдату та кальщю штрату в !нг!бувальн!й сумш! встановлено, що максимальний ефект синерпзму ефе-
ктивност шпб^орного захисту сталi вiд корози в середовищi штучного слабокислого дощу спостерiгаeться за рiвноl (50/50) масово! конце-нтраци вказаних хiмiчних сполук [9].
На основi отриманих результата досл> джень запропоновано ш'екцшну композицiю для захисту арматури в затзобетош, на яку отримано патент Украши [11].
До^дження впливу розробленого iнгiбi-тору на мехатчт властивостi бетонних зразтв з арматурними прутками. Одну серда призматичних бетонних зразюв витримували в середовищi штучного слабокислого дощу, другу серда - в тому ж середовищ^ шпбованою
сумiшшю натрiю молiбдату i кальщю нiтрату при спiввiдношеннi 1:1, третю, контрольну, се-рiю зразкiв витримували в середовищi лабораторного пов^ря. Час витримування в шпбова-ному та нешпбованому середовищах складав 60 дiб, тобто бiльше вiд часу пасивацп армату-рно! сталi за наявност iнгiбiтору. Середовище слабокислого дощу бшьшою мiрою знижуе м> цнють зразкiв (№ 6-10) нiж те ж середовище з шпбггором ( № 11-15), що складаеться з рiвних частин кальцiю нiтрату та натрда молiбдату в порiвняннi з випробуваннями контрольних зра-зкiв (№ 1-5), якi не пiдпадали тд вплив середо-вища (табл. 1, 1-а колонка).
Таблиця 1
Даш випробувань бетонних зразкш з арматурними прутками у вершинах концентраторiв напруження
№ зразка Мщтсть зразюв ст, МРа Вщно-шення СТк2/СТк1
Вихщний стан СТк0 Перше склею-вання СТк1 Друге склею-вання СТк2
1 3.9 4.1 5.2
2 4.2 4.3 5.1
3 3.5 3.6 4.9
4 3.7 3.9 4.7
5 3.4 3.7 4.3
Середне 3.7 3.9 4.8 1.3
6 3.1 3.3 3.8
7 3.8 3.9 4.1
8 2.9 3.2 3.7
9 3.3 3.5 3.9
10 3.0 3.3 3.6
Середне 3.2 3.4 3.8 1.2
11 3.6 3.9 4.2
12 3.6 3.8 4.3
13 3.8 4.2 4.5
14 3.5 3.9 4.1
15 3.7 3.7 3.9
Середне 3.6 3.9 4.2 1,2
Примггка
Витримка на повир1, склейка без шпбггор1в
Витримка у середовищ1 слабо кислого дощу 60 д1б, склейка без шпбгтора
Витримка у середовищ1 слабокислого дощу 60 д1б, склейка з шпбгтором
Меншi значення мщност зразкiв, витрима-них у середовищi слабокислого дощу без шпб> тору е, мабуть, наслiдком бшьшого об'ему продуктiв корози, утворених на поверхш арма-турних стержнiв.
Трщини утворилися на межi роздiлу округло! арматури i бетону, де реалiзуеться складно напружений стан - розтяг зi зсувом пiд час зги-
ну зразка, розповсюджувались по контуру арматури ^ далi в бетонi до розлому зразка (рис.
5, а).
Злами випробуваних зразюв висушували в середовищi лабораторного пов^ря i склеювали парнi половинки ш'екцшною композицiею, iмi-туючи заповнену щiлину трiщин пiд час ремонту бетонних конструкцш.
а) Ь) с)
Рис. 5. Вигляд розломiв вихвдного (а), один раз склееного (Ь) i двiчi склееного (с) бетонних призматичних зразк1в
Парш половинки розламаних зразюв, ви-триманих на пов1тр1 i в середовищ1 без шпб™-ру склеювали ш'екцшною композищею без вмюту шпбггору, а половинки зразюв, яю були витримаш в середовищ1 з шпб^ором склеювали ш'екцшною композищею з додаванням шп-б1тору. 1нпбггор висушували протягом 1 год. за температури 125 °С охолоджували i додавали в полюльну складову.
Пюля склеювання зразки витримували протягом 7 д1б у лабораторних умовах для пол1ме-ризаци пол1уретану i знову занурювали в коро-зивш розчини. Через 20 д1б склееш зразки повторно випробовували на мщнють зосередже-ним згином. Трщини зароджувалися i розповсюджувалися на протилежнш вщ склеено! поверхш прутка арматури (рис. 5, Ь), а мщ-шсть склеених зразюв ус1х серш була дещо вищою, шж така у вихщному сташ (див. табл. 1, 11-га колонка). Збшьшення мщносп можна пояснити тим, що в першому випадку зразки руйнувалися по слабшш ланщ. Зруйноваш шс-ля першого склеювання зразки висушували i склеювали повторно парш половинки за вище-описаною технолопею i знову занурювали у вщповщш корозивш розчини на 20 д1б.
Випробування зразюв, склеених дв1ч1, коли арматура була приклеена до бетону по колу, показали, що !х мщнють зросла вщ тако! зраз-юв у вихщному сташ в 1,2...1,3 рази. Максима-льне шдвищення мщносп зразюв характерне для зразюв, що не шддавалися ди корозивного середовища, дещо менше в середовищ1 слабокислого дощу. Виявлений суттевий вплив шп-б1тору на шдвищення мщносп зразюв по вщ-ношенню до нешпбованих розчину та ш'екцшно! композицп (див. табл. 1, колонка 4) е очевидно наслщком зменшення товщини iржi на поверхнi арматури.
Отриманi нами результати узгоджуються з вiдомими [12], коли мщшсть зразкiв пiсля ре-
монту по методу ш'екцшних технологш збшь-шувалася в 1,4 рази.
Пщвищення мiцностi двiчi склеених зразюв вiдносно тако! вихiдних i один раз склеених зразюв пояснюеться змшою траектори трiщини (в обхiд стержня арматури, див. рис. 5, с) з по-зицш механiки руйнування [13].
Висновки
1. Розробленi та виготовлеш оригiнальнi модельнi бетоннi зразки-чарунки для корозш-но-електрохiмiчних дослiджень, яю забезпечу-ють iдентичнiсть умов випробувань для 6-ти зразкiв арматури. Дослщжеш поляризацiйнi характеристики, кiнетика та частотш залежнос-тi характеристик iмпедансу модельних зразкiв, витриманих у середовищi слабокислого дощу з добавленням сумiшi iнгiбiторiв.
2. Встановлено, що найефективнiшою для антикорозшного захисту сталево! арматури е сумш iнгiбiторiв, яка мiстить натрда молiбдат i кальцiю нiтрат у рiвному спiввiдношеннi по масi. Ефектившсть розроблено! нами шпбува-льно! сумiшi в 10...12 разiв вища, шж li компо-нентiв, взятих кожного зокрема, що вказуе на прояв ефекту синерпзму.
3. Використання ефекту синерпзму при розробщ сумiшей шпбувальних речовин до-зволяе багаторазово зменшити вмiст неоргашч-них матерiалiв у полiмернiй основi i вiдповiдно ютотно полiпшити технологiчнiсть застосуван-ня шпбованих iн'екцiйних композицiй для ремонту трщин i трiщино подiбних дефекпв у залiзобетонних конструкцiях тривало! експлуа-таци.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Алексеев, С. Н., Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной пром. среде [Текст] / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. - М.: Стройиздат, 1976. - 132 с.
2. Москвин, В. М. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры [Текст] / В. М. Москвин, С. Н. Алексеев, Г. П. Вербецкий, В. И. Новгородский. - М.: Стройиздат, 1971. -144 с.
3. Acid Rain, A review of the phenomenon in EEC and Europe [Текст] / Acid Rain. - A report prepared for the Commission of the European Communities. Brussels and Luxemburg. Graham and Trofman Lim. 1983.
4. Алексеев, С. Н., Ингибиторы коррозии стали в железобетонных конструкщях [Текст] / С. Н. Алексеев, В. Б. Ратинов, Н. К. Розенталь. - М.: Стройиздат, 1985. - 272 с.
5. Лучко, Й. Й., Методи шдвищення корозшно! стшкосп та довговiчностi бетонних i залiзобе-
тонних конструкцш i споруд [Текст] / Й. Й. Лучко, I. I. Глагола, Б. Л. Назаркевич. - Львiв: Ка-меняр, 1999. - 229 с.
6. Розробка ш'екцшних технологш та створення комплексу пересувного устаткування для дiаг-ностики та вiдновлення працездатностi бетон-них i залiзобетонних конструкцiй i споруд, що експлуатуються в умовах корозшно-механiчного руйнування [Текст] / В. I. Маруха та ш. // Наука та шновацп. - 2007. - № 5. - С. 26-33.
7. United States Patent № 6174461. C04B41/45. Concrete sealers with migrating corrosion inhibitors [Текст]. B.A.Miksic, C.M. Suchy, M. Kharshan. Publ. 01.16.2001.
8. Карякина, М. И. Испытание лакокрасочных материалов и покритий [Текст] / М. И. Карякина. -М.: Химия, 1988. - 272 с.
9. Синерпчний вплив нггратного та молiбдатного iнгiбiторiв на корозш арматурно1 сталi [Текст] / В. I. Похмурський та iн. // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала. - ПГТ Славское, Львовской обл., февраль 2009. - С. 110-112.
10. Saraswathy, V., Improving the durability of concrete by using inhibitors [Текст] / V. Saraswathy, H.-W. Song // Building and Environment. - 2007. - 42. - P. 464-472.
11. Патент на корисну модель № 40707. 1н'екцшна композищя [Текст] / Похмурський В. I., Зшь I. М., Маруха В. I., Гнип I. П., Бший Л. М. - бюл № 8 вад 27.04.2009 р.
12. Просочувально -штукатурно -iH' екцшно -фарбувальна технологш санаци залiзобетонних конструкцш, що мають пошкодження та дефек-тнi зони. „Проблеми ресурсу i безпеки експлуа-тацii конструкцiй, споруд та машин" [Текст] / £. В. Лебедев, В. М. Коляда, С. В. Коляда. - IE3 iм. Е.О.Патона, Кшв: 2006. - С. 470-473.
13. Мщшсть пошкоджень трiщинами елеменпв конструкцiй, залiкованих за iн'екцiйними тех-нологiями [Текст] / В. В. Панасюк, В. I. Силова-нюк, В. I. Маруха // Фiз.- хiм. механiка матерiа-лiв. - 2005. - № 6. - С. 60-64.
Надшшла до редколегп 14.04.2011.
Прийнята до друку 28.04.2011 р.
