CC BY
12Технические науки
УДК 62
ОСОБЕННОСТИ КОРРОЗИИ АРМАТУРЫ В БЕТОНАХ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТОВ
Г.А. Авалбаев1, Д.А. Холмуминова2, З.Т. Наркулова3
Аннотация
Коррозионные процессы арматуры в бетонах, на основе различных цементах изучены многими исследователями. Поведение арматуры по отношению к коррозии в бетонах сульфатированными цементами оптимального состава на основе различных отходов, считается недостаточно изученными.
Ключевые слова: сульфатированные цементы, пассивные состояния, электрохимическая коррозия.
Важной особенностью бетона является щелочность кальция. Пористость бетона способствует активному воздействию его средой.
Многочисленные исследования показывают, что практическое отсутствие коррозии арматуры в бетоне объясняется пассивностью стали в щелочной среде, т.е. неспособностью к растворению по реакции:
пН О + Ме ^ МепН О + е~
2 2
Все случаи коррозии арматуры связаны с тем, что по той или иной причине ее поверхность остается активной или не полностью переходит на пассивное состояние при изготовлении конструкции, либо теряет пассивность в процессе эксплуатации.
По Н.Д.Томашову, пассивность считается как состояние повышенной коррозионной устойчивости металла или сплава, вызванное торможением анодного процесса.
Пассивное состояние металла характеризуется обычно резким облагораживанием электродного потенциала металла. Так, железо, имеющее в активном состоянии потенциал около -0,4 В, можно в пассивном состоянии приобрести потенциал до +1 В по отношению к нормальному водородному электроду.
На коррозирующей поверхности может устанавливаться устойчивый во времени потенциал, который является смешанным, т.е. имеет промежуточное значение между равновесным потенциалом реакции ионизации металла и потенциалом окислительно-восстановительной реакции.
При определенных условиях коррозирующий металл может покрываться беспористым слоем продуктов реакции, например окислам, который будет препятствовать непосредственному взаимодействию металла и электролита, т.е. наступит пассивное состояния металла. Это состояние возникает при потенциалах выше некоторого определенного значения, которое зависит от природы и состава электролита, особенно от значения рН .
Вопрос о составе, условиях образования и равновесия защитных пленок на столе, обеспечивающих ее пассивность в бетоне, изучен недостаточно.
В твердеющей бетонной смеси смещение потенциала стали в положительную сторону происходит не сразу. Первоначальное падение потенциала объяснить разрушением окислов и продуктов коррозии на поверхности образца, которое предшествует образованию пленки, которая находится в пассивном
1Авалбаев Гаффар Абирович - старший преподаватель, Джизакский политехнический институт, Узбекистан.
2Холмуминова Дилором Анваровна - ассистент, Джизакский политехнический институт, Узбекистан.
3Наркулова Захида Ташбаевна - старший преподаватель, Джизакский политехнический институт, Узбекистан.
состоянии. По опытным данным, при температуре 20±50С пассивация стали в бетоне завершается через 30-35 часов. При этом переходит на пассивное состояние не только сталь с чистой поверхностью, но и имеющая легкий налет ржавчины.
Гидролиз и гидратация клинкерных цементов обеспечивают насыщения жидкой фазы бетона гидроксида кальция. Состояние насыщения поддерживается длительное время благодаря наличию значительного количества (до 15%) Са(ОИ\ в твердой фазе цементного камня. Это позволило В.Н.Юнгу утверждать, что цементный камень бетона, приготовленный на цементе без добавок, в наибольшей степени способен противодействовать коррозии арматуры.
В образцах бетона с расходом портландцемента 300 кг/м3 и В/Ц=0,6, коррозионное поведение арматуры не зависит от режима твердения, однако тепловая обработка, снижая содержание свободной окиси кальция и повышая проницаемость, уменьшает длительность защитного действия бетона.
Пассивное состояние бетона на стальную арматуру является основой защиты ее от коррозии в железобетонной конструкции. Опыт и исследования показывают, что длительность пассивного состояния бетона зависит в основном от его плотности и толщины защитного слоя у арматуры.
Капиллярно-пористая структура бетона предполагает неизбежность его взаимодействия с окружающей средой. Из большого числа разновидностей взаимодействия будут рассмотрены также, которые, не разрушая явно бетона, мешают его перехода на пассивное состояние стали. Снижение рИ может быть результатом коррозии первого вида, т.е. выщелачивания фильтрующейся мягкой водой. Меры его предотвращения соответственно регламентированы, и при их выполнении опасность для арматуры исключается.
Достижение состояния пассивности при помощи анодной поляризации основано на том, что равновесный потенциал анодной реакции растворения металла отрицательнее равновесного потенциала металла на нем окисла. Пассивность наступает тогда, когда металл поляризован до такого значения потенциала, когда начнется образование окисла. Для достижения такого потенциала, которая приводит к пассивации арматуры, применяют сильные окислители, например, хроматов, нитритов и других. Во всех случаях пассивация наступает в результате торможения анодного процесса образующейся на поверхности ее защитной пленкой.
По Н.Д.Томашову, для возникновения электрохимической пассивности металла необходимо, чтобы пленки продуктов коррозии возникало в непосредственно на реагирующей поверхности. Вопрос о составе, условиях образования и равновесия защитных пленок на стали, обеспечивающих ее пассивное состояние в бетоне, изучен недостаточно.
Как показали опыты, проведенные в бетонных образцах на основе нами изучаемых цементах, наиболее пассивное состояние арматуры наблюдается при значении рН=12,1^12,7.
Неоднозначность потенциала стали объясняется тем, что на него влияет не только концентрации собственных ионов, но и окислительно-восстановительный потенциал раствора, его рИ , а также различные процессы,
происходящие на ее поверхности. Потенциал стали в электролитах, например, КС1, могут изменяться с течением времени, отражая процессы ее пассивирования.
Кривую, отражающую зависимость между плотностью наложенного тока и потенциалом образца, снимают при погружении образца в водную вытяжку либо непосредственно на образце стали в бетоне.
Анодная кривая дает информацию об электрохимическом состоянии стали в бетоне. Пассивное состояние стали в отличие от активного состояния характеризуется с высокой поляризуемостью. Для выяснения пассивирования стали в бетоне в присутствии агрессивных ионов, были сняты поляризационные кривые в водных вытяжках и сульфатированного цемента.
Нами проведены исследования по изучению коррозионной стойкости сульфатированных цементов на основе отхода фосфорного гипса. Опыты пока-
зали, что промышленные сульфатоалюмосиликатные цементы сщ=0,6-3,0 являются вяжущими с высокой коррозионной стойкостью в 1,5% ных растворах К^О4; через 2 года хранения коэффициенты стойкости этих цементов в них выше единицы. Для этих цементов более агрессивной средой является растворы MgSO4 и MgCl2 повышенных концентраций. При ^=0,2 образцы только через 28 суток приобретают высокую стойкость (чем меньше п5, тем ниже их стойкость).
Высокая стойкость сульфатированных цементов по отношение в арматуре из среднеуглеродистой стали в растворах MgSO4 объясняется отсутствием взаимодействия между раствором и цементным камнем. Низкая коррозионная стойкость сульфатно-алюминатных цементов в MgCl2 обусловлена ускорением
гидролиза сульфосиликатной фазы цемента с выделением двуводного гипса, количество которого растет с повышением концентрации раствора.
В условиях капиллярного подсоса агрессивных вод, САС цементы отличаются высокой стойкостью. Характер образования выцветов, процесс кристаллизации солей, степень разрушения образцов и стойкость их при низком погружении в агрессивные растворы зависят от минералогического состава цемента, температуры обжига и вида растворов, чем больше в цементе сульфатирован-ных минералов, тем он устойчивее.
Процесс связывания СаС12 при гидратации с содержанием 10% СзА начинается сразу после затвердения. Уже через 15 минут концентрация хлорид ионов в растворе уменьшается на 15%. Через 200 суток влажного хранения связывается 96-97% СаС12 при 1%-ной добавке и 96%-при 2%ной. Более полное связывания СаС12 высокоалюминатными цементами было описано в работе [4].
При отсутствии же СзА отмечено [5], что возрастание концентрации хлорид ионов в результате связывания воды при гидратации.
Для понимания механизма электрохимической коррозии важно представить строгая взаимная зависимость анодного и катодного процессов, которая выражается в их одинаковой скорости. Следовательно, кинетика коррозии зависит как от устанавливающихся, с учетом явлений поляризации, потенциалов анода и катода, так и омического сопротивления системы. Существенное влияние оказывает на скорость коррозии так называемая концентрационная поляризация, связанная с затруднением диффузии ионов металла.
Наиболее значительное торможение анодного процесса наблюдается при возникновении анодной пассивности, когда наблюдается смещение потенциала железного электрода в положительную сторону.
Методы измерения стационарных потенциалов и поляризации арматуры в бетоне на основе сульфатированных алюминатных цементов позволяют установить зависимость ограничения коррозионного процесса от влажности бетона, которая влияет на проницаемость кислорода.
Наглядное представление о характере ограничения процесса коррозии дают коррозионные кривые стального электрода в бетоне.
Поляризационные кривые позволяют выявить некоторые особенности электрохимического поведения арматуры в бетоне.
Как показали результаты опытов, что в сульфоалюминатосиликатных бетонах, с высокими значениями рН среды, сталь находится в пассивном состоянии в широком диапазоне потенциалов: от +870 до - 160 мВ.
При катодной поляризации образцов, насыщенных водой, получены значения предельных диффузионного тока на три порядка меньше, чем в образцах в воздухе, соответственно меньше и расчетная скорость коррозии.
Результаты исследования показали, что коррозия арматуры в бетоне, насыщенным водой, сильно ограничивается кислородной деполяризацией катодных участков [2].
Как известно, плотность бетона, не лимитируя катодный процесс кислородной деполяризации, ограничивает электродные процессы, влияя на концентрацию поляризации.
Приведенные на исследования позволила сделать следующие выводы:
1. Во многих случаях коррозия стали в бетоне не ограничивается поступлением кислорода к катодным участкам ее поверхности. В обычном бетоне на сульфатированных цементах отсутствие коррозионных поражений арматуры связано с практически полным анодным ограничением, поскольку сталь в щелочной среде такого бетона переходит на пассивное состояние.
2. В карбонизированном бетоне и бетоне с добавкой значительного количества MgSO4 коррозия стали в воздухе с относительной влажностью ниже 80%
идет с анодно-омическим ограничением.
Роль такого ограничения растет с уменьшением влажности, поэтому оно практически может быть использовано для замедления коррозии арматуры для некоторых конструкций, эксплуатирующихся в сухих условиях.
3. Эффективное катодное ограничение в не пассивированном стали в бетоне реализуется лишь при постоянном насыщении его водой. Увеличение толщины и плотности защитного слоя не могут гарантировать защиту арматуры от коррозии в воздушно-влажных условиях эксплуатации.
4. Наиболее надежная защита арматуры от коррозии может быть достигнута только при создании условий для длительного поддержания анодной пассивности стали в бетоне.
Основой защитного действия цементных бетонов на арматурную сталь является щелочной характер влаги в капиллярно-пористом теле бетона, способствующей сохранению пассивного состояния поверхности стали.
Углекислота активно поглощает пористым телом бетона, так как между фронтом карбонизации и поверхностью бетона создается постоянная разность парциальных давлений углекислого газа, поддерживающая его диффузию. Скорость карбонизации зависит от плотности бетона и его влажности, а также от концентрации углекислоты.
По Пауэрцу, лишь при относительной влажности воздуха выше 45% содержание воды в бетоне достаточно для карбонизации. Эти данные подтверждаются Шиделером и Фербеком. Неоднократно установлено, что при влажности воздуха, близкой к полному насыщению, карбонизация плотных бетонов практически прекращается.
При полной гидратации воды, не испаряющейся до температуры 1650С, составляет около 25% веса цемента. Это вода, находящаяся в химической и физико-химической связи с цементным камнем, является электрически непроводящей. Поэтому она не влияет на процессы коррозии стали в бетоне.
Для стали в бетоне, так же как и для открытого металла, должна быть некоторая критическая влажность, ниже которой именно влага на ее поверхности не могут служить электрическим проводником для перемещения зарядов между анодным и катодными участками поверхности и следовательно наступит омическое торможение коррозионного процесса.
При насыщении бетона влагой диффузия кислорода к катодным участкам сильно замедляется. Поэтому процесс коррозии арматуры практически останавливается при влажности воздуха, близкой к 100%.
Список литературы:
1. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М., 1962.
2. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. - М., 1968.
3. Москвин В.М., Рубецкая Т.В., Любарская Г.В. Коррозия бетона в кислых средах и методы ее исследования. - Бетон и железобетон, 1971 №10.
4. Атакузиев Т.А., Таджиева Д.Ф., Мирзоев Ф.М. Портландцемент с добавками суль-фоалюмината кальция «Узбекский химический журнал», 1980, №6.
5. Атакузиев Т.А., Искандарова М.М. Влияние режима предварительного твердения на прочность сульфоалюминатно-силикатного (САС) цемента. «Строительство и архитектура Узбекистана»., 1979, №4.
© Г.А. Авалбаев, Д.А. Холмуминова, З.Т. Наркулова, 2016
UDC 62
FEATURES CORROSION OF REBARS IN CONCRETE BASED ON SULFATED CEMENTS
G.A. Avalbaev, D.A. Kholmuminova, Z.T. Narkulova
Abstract. The corrosion processes of the fixture in concrete, on the basis of various cements are investigated by many researchers. The behaviour of the fixture in relation to corrosion in concrete sulphativlu by cements of optimum structure on the basis of various waste, is considered unsufficiently investigated.
Keywords: sulphativlu cements, passive condition, polarization of the fixture, electrochemical corrosion.
© G.A. Avalbaev, D.A. Kholmuminova, Z.T. Narkulova, 2016
