CC BY
2УДК 699.8
Мендигали А.Д.
магистрант 1 курса ОП «Строительство» Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан)
ТЕХНОЛОГИИ В ПРЕДОТВРАЩЕНИИ И БОРЬБЕ С КОРРОЗИЕЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Аннотация: данная научная статья описывает современные технологии, используемые для предотвращения и борьбы с коррозией в железобетонных конструкциях. В статье освещены различные методы, такие как применение антикоррозионных добавок, защитных покрытий, электрохимических методов защиты, а также систем мониторинга состояния конструкций. Авторы приводят анализ эффективности данных методов и предоставляют примеры их применения в современной практике строительства.
Ключевые слова: коррозия, железобетонные конструкции, антикоррозионные технологи, защитные покрытии, мониторинг состояния, долговечность, строительные материалы.
Коррозия в железобетонных конструкциях является одной из основных проблем, с которой сталкиваются инженеры и архитекторы. Необходимость в эффективных технологиях предотвращения и борьбы с коррозией становится все более актуальной в современном мире, где строительство и реконструкция инфраструктуры играют ключевую роль в развитии общества. В данной статье мы рассмотрим основные направления и современные технологии, применяемые для предотвращения коррозии в железобетонных конструкциях, и их практическое применение.
Исследования показывают, что применение антикоррозионных добавок в бетоне, таких как адмиксы на основе цинка или фосфата, способствует существенному снижению скорости коррозии арматуры [1]. Защитные
покрытия, такие как эпоксидные смолы или цинковые покрытия, обеспечивают долговечную защиту от воздействия агрессивных сред, таких как соли и химические соединения. Электрохимические методы, такие как анодная и катодная защита, позволяют активно контролировать процессы коррозии и предотвращать их развитие [2].
Однако, эффективность каждой из этих технологий зависит от ряда факторов, таких как климатические условия, химический состав почвы, интенсивность эксплуатации и т.д. Поэтому важно выбирать подходящие технологии с учетом конкретных условий.
Основные направления:
1.Использование специализированных антикоррозионных добавок: Эти добавки добавляются в состав бетона и могут включать в себя соединения цинка, фосфата и другие адмиксы. Они помогают уменьшить скорость коррозии арматуры за счет создания защитного слоя на поверхности стали и улучшения химического состава бетона, что способствует снижению проникновения вредных веществ в материал [3].
2.Применение защитных покрытий: Защитные покрытия могут предоставить физический барьер между арматурой и агрессивными средами. Эти покрытия могут быть нанесены на поверхность бетона после его заливки и затвердевания. Эпоксидные смолы и цинковые покрытия являются примерами таких защитных покрытий [2].
Э.Электрохимические методы защиты: Эти методы включают анодную и катодную защиту, которые используют электрический ток для контроля и управления коррозионными процессами. Анодная защита включает в себя подключение анода к арматуре, чтобы привлечь коррозионные ионы, тогда как катодная защита использует катоды для уменьшения электрического потенциала металла [2].
4.Системы мониторинга состояния конструкций: Внедрение систем мониторинга позволяет рано обнаруживать признаки коррозии и проводить профилактические мероприятия для предотвращения серьезных повреждений.
Эти системы могут включать в себя использование сенсоров для измерения температуры, влажности, электрического потенциала и других параметров, которые могут свидетельствовать о наличии коррозии [4].
Каждая из указанных технологий имеет свои преимущества и ограничения, которые необходимо учитывать при выборе наиболее подходящего метода для конкретного проекта. Например, антикоррозионные добавки обеспечивают защиту арматуры на молекулярном уровне, защитные покрытия создают барьер для внешних агрессивных сред, а электрохимические методы позволяют активно контролировать процессы коррозии. Системы мониторинга состояния конструкций играют важную роль в раннем выявлении и прогнозировании развития коррозии [4].
Применение этих технологий в реальных условиях строительства требует комплексного подхода и индивидуального подбора методов в зависимости от конкретных условий эксплуатации и требований к конструкции. Например, в зонах с высоким содержанием хлоридов в почве или в агрессивных промышленных средах может быть эффективным применение антикоррозионных добавок с высоким содержанием цинка или фосфата [1]. Для конструкций, находящихся в высококоррозионных зонах, где агрессивные среды могут легко проникать через защитные покрытия, может быть рекомендована дополнительная анодная защита [2].
Целью нашего исследования является проведение анализа современных технологий в области предотвращения и борьбы с коррозией в железобетонных конструкциях. Мы стремимся выявить эффективные методы защиты, оценить их применимость в различных условиях эксплуатации и предложить рекомендации для использования на практике. Наша цель состоит в том, чтобы внести вклад в повышение долговечности и надежности железобетонных конструкций, сокращение затрат на их обслуживание и ремонт, а также обеспечение безопасности и устойчивости инфраструктуры в целом.
Железобетонные конструкции во всем мире приходят в негодность из-за коррозии арматуры. В этой статье рассматриваются ограничения традиционных
методов борьбы с коррозией и подчеркиваются преимущества систем катодной защиты с расходуемым анодом. В отличие от традиционных методов, таких как заплаточный ремонт и нанесение покрытий, в системах с расходуемым анодом используется высокопористый щелочной раствор, покрывающий химически активные металлы, обеспечивая превосходную защиту от коррозии. Такой подход не только предотвращает коррозию, но и эффективно устраняет существующий износ, что делает его высокоэффективным решением для защиты инфраструктуры [9].
Поврежденный коррозией участок можно отремонтировать, заменив бетон, загрязненный хлоридами, бетоном, не содержащим хлоридов. Этот процесс переводит ранее активную сталь в пассивное состояние, останавливая коррозию. Однако этот переход в пассивное состояние также повышает потенциал стали с крайне отрицательного значения до значительно более положительного, сводя на нет естественный эффект катодной защиты, который изначально присутствовал [10, 11]. Пороговое содержание хлоридов в окружающей среде может быть ниже текущей локальной концентрации хлоридов, что потенциально может привести к быстрому началу активной коррозии [12]. Этот неблагоприятный результат называется коррозией макроэлементов, возникающей вокруг отремонтированного участка [13].
На практике восстановление антикоррозионной защиты бетона с помощью анодно-катодной защиты в восстановленном месте не требует безупречного ремонта. Достаточно устранить только физические повреждения, без тщательного удаления загрязненного хлоридами бетона или тщательной очистки стали от ржавчины. В таких случаях при оценке анодов возникают колебания из-за текущей потребности арматурного узла, которая может либо оставаться стабильно высокой в течение длительного времени, либо быстро снижаться на ранних стадиях испытаний. Эта изменчивость зависит от таких факторов, как исходное состояние стальной поверхности, незначительные изменения в составе поровой воды или содержание влаги в бетоне [14, 15]. При применении катодной защиты с расходуемым анодом на ремонтируемом
бетонном покрытии накопление продуктов коррозии на поверхности арматурного стержня может препятствовать протеканию ионного тока или даже вызывать пассивацию поверхности анода, что приводит к невозможности обеспечения защиты [16, 17].
Основной причиной такого ухудшения является коррозия стальных арматурных стержней, вызываемая хлоридами. Хлориды в основном образуются из морской воды и при широком использовании противогололедных реагентов на основе соли, особенно в зимний период. Были разработаны и внедрены различные меры для борьбы с вызванной хлоридами коррозией стальных арматурных стержней и последующим износом. Первые меры включали снижение водоцементного соотношения бетона для минимизации проницаемости и увеличение толщины бетонного покрытия стальных арматурных стержней. Кроме того, с помощью добавок можно снизить проницаемость бетона. Хотя эти меры, как правило, не приводят к полному прекращению коррозии, они продлевают срок службы железобетонных конструкций, замедляя процесс коррозии [18].
В середине 1970-х годов была внедрена арматурная сталь с эпоксидным покрытием (ECR) в качестве метода снижения износа бетона, вызванного коррозией арматурной стали, и увеличения срока службы дорожных конструкций. Эпоксидное покрытие действует как барьерная система, предотвращающая попадание влаги и хлоридов на поверхность арматурной стали и инициирующая реакцию. Однако были высказаны опасения по поводу эксплуатационных характеристик арматуры с эпоксидным покрытием в средах с высоким содержанием хлоридов, таких как морская среда, где в течение трех лет происходят поломки. Хотя многие мостовые перекрытия, построенные из арматурной стали с эпоксидным покрытием, не проявляют признаков износа даже по прошествии более чем двадцати лет, есть данные, свидетельствующие о том, что арматура с эпоксидным покрытием все еще может подвергаться коррозии в течение срока службы конструкции [18].
Хотя бетон кажется прочным, он не является полностью непроницаемым. Как утверждают Крест и др., "Избыток воды, не необходимый для увлажнения, в конечном итоге испаряется, в результате чего образуется взаимосвязанная сеть капиллярных пор". Диаметр этих пор колеблется от 15 до 1000 ангстрем (один ангстрем равен 1х10-10м). Однако некоторые ионы, такие как хлориды, могут проникать в бетон и проникать в арматурную сталь, поскольку их диаметр меньше диаметра капиллярных пор (см. таблицу 1) [19].
Таблица 1. Радиусы проникающих ионов.
Атакующее вещество Радиус атома Ионный радиус
С1- [19] 0.99 А [19] 1.18 А [19]
Са+ [19] 1.97 А [19] 0.99 А [19]
№+ [19] 1.86 А [19] 0.95 А [19]
Для снижения проницаемости бетона можно использовать различные материалы, такие как пуццоланы (микрокремнезем, летучая зола, кремнеземный дым и т.д.) или модифицированный полимерами бетон. Пуццоланы повышают прочность, плотность, непроницаемость и сцепление бетона. Хотя пуццоланы могут частично заменить цемент в бетонной смеси, их дозировку необходимо тщательно контролировать. Чрезмерная концентрация пуццоланов может привести к таким проблемам, как растрескивание при усадке пластика и снижение щелочности из-за использования Ca(OH)2 в пуццолановой реакции. Кроме того, необходимо следить за процедурами затвердевания, поскольку пуццоланы уменьшают выделение воды [20,21].
При использовании в качестве ремонтного материала модифицированный полимерами бетон (в том числе модифицированный латексом, акрилом, поливинилацетатом и т.д.) снижает проницаемость и повышает прочность сцепления с основанием. Кроме того, модифицированный полимерами бетон обладает превосходной химической стойкостью к щелочам и разбавленным кислотам по сравнению с обычным бетоном. Однако включение
латексных добавок может привести к увеличению ползучести при изгибе в условиях высокой влажности, снижению модуля упругости ремонтного материала и необходимости быстрой отделки и затвердевания [20].
Снижения проницаемости также можно добиться, выбрав бетон с низким соотношением воды и цементного вещества (в/ц). Кроме того, обеспечение достаточного бетонного покрытия повысит защиту арматурной стали за счет увеличения времени, необходимого для того, чтобы ионы достигли ее. В настоящее время ACI 201.2R рекомендует использовать бетон, подверженный воздействию противогололедных солей, с максимальной толщиной покрытия 0,40 в/ц и толщиной покрытия не менее 2 дюймов. Кроме того, рекомендуется указывать расчетную толщину покрытия 2,6 дюйма с учетом строительных допусков [22].
Однако низкое соотношение воды и цементного раствора (в/ц) само по себе не гарантирует низкую проницаемость бетона. Крайне важно, чтобы бетон был надлежащим образом распределен, эффективно затвердел и ему было предоставлено достаточное время для надлежащего затвердевания [22].
В заключении статьи можно подчеркнуть важность и актуальность проблемы коррозии в железобетонных конструкциях, особенно в контексте строительства и реконструкции инфраструктуры в современном мире. Обсуждаются различные технологии и методы борьбы с коррозией. Кроме того, подчеркивается важность комплексного подхода и индивидуального подбора методов в зависимости от конкретных условий эксплуатации и требований к конструкции. Специальное внимание уделено системам катодной защиты с расходуемым анодом, которые представляют собой эффективное решение для предотвращения коррозии и восстановления антикоррозионной защиты в поврежденных участках. Особое внимание уделяется проблеме коррозии, вызванной хлоридами, которые могут проникать в бетон и арматурную сталь, особенно в морской среде или при использовании противогололедных реагентов на основе соли. Различные меры для борьбы с этими проблемами включают снижение водоцементного соотношения бетона, увеличение
толщины бетонного покрытия и использование арматурной стали с эпоксидным покрытием. Однако важно учитывать потенциальные ограничения, такие как коррозия макроэлементов, которая может возникнуть вокруг отремонтированных участков. В заключении подчеркивается, что целью данного исследования является выявление эффективных методов борьбы с коррозией, их оценка на практике и предложение рекомендаций для использования на практике с целью повышения долговечности и надежности железобетонных конструкций, сокращения затрат на их обслуживание и ремонт, а также обеспечения безопасности и устойчивости инфраструктуры в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ahmed A. Elshami, Stéphanie Bonnet, Abdelhafid Khelidj & Latefa Sail (2016): Novel anticorrosive zinc phosphate coating for corrosion prevention of reinforced concrete, European Journal of Environmental and Civil Engineering, DOI: 10.1080/19648189.2016.1139507;
2. Pedeferri (Deceased), P. (2018). Cathodic and Anodic Protection. In: Corrosion Science and Engineering. Engineering Materials. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-97625-9_19;
3. Liu, J., Jian, M., Chen, L. et al. Effects of polyethylene glycol additive on zinc phosphate conversion coating of carbon steel. Chem. Pap. 76, 409-416 (2022). https://doi.org/10.1007/s11696-021-01868-5;
4. Md. Faiyaz Alam, Ajay Kumar, и Rambilash Kumar. «Review of Literature for Utilizing Guided Waves for Monitoring the Corrosion Protection of Reinforced Concrete Structures with Active FRP Wrapping». American Journal of Engineering , Mechanics and Architecture 1, вып. 6 (5 август 2023 г.): 18-26. https://doi.org/10.5281/zenodo.8217104;
5. Arya E. K., Dhanya B. S. Corrosion control of reinforced concrete structures in constructionindustry: A review/ Arya E. K., Dhanya B. S. // Materials Science and Engineering. — 2021. — № 1114. — Q 8;
6. Pedeferri P 1996 Cathodic Protection and Cathodic Prevention J. Construction and Building Materials 10 (5) pp 391-402;
7. Presuel-Moreno F J, Sagues A A, Kranc S C 2005 Steel Activation in Concrete Following Interruption of Long Term Cathodic Polarization Corrosion, The Journal of Science and Engineering 61 (6) pp 428-436;
8. Alonso C, Castellote M, and Andrade C 2002 Chloride Threshold Dependence of Pitting Potential of Reinforcement Electrochemia Acta 47 (21) pp 3447-3469;
9. Christodoulou C et al. 2008 Evaluation of Galvanic Technologies Available for Bridge Structures (Edinburgh, UK: 12th International Conference Structural Faults and Repair);
10. EN 12696 2000 Cathodic Protection of Steel in Concrete European Standard;
11. ASTM C 876-95 1999 Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete West Conshohocken, PA: American Society of Testing and Material;
12. Dugarte M. J., and Sagues A. A. 2014 Sacrificial Point Anode for cathodic prevention of reinforcing steel in concrete repairs: Part 1 - Polarization Behavior Corrosion, NACE International 70 (3) pp 303-317;
13. Rafdinal R. S. 2015 Life Extension of RC Structure by Cathodic Protection using Sacrificial Anode Embedded in Concrete Ph.D Dissertation Department of Civil and Structural Engineering Kyushu Univ. Fukuoka Japan;
14. José A. Pincheira, Antón A. Aramayo, Kyu Sun Kim, and Dante Fratta Corrosion Protection Performance of Epoxy-Coated Reinforcing Bars / José A. Pincheira, Antón A. Aramayo, Kyu Sun Kim, and Dante Fratta // Minnesota Department of Transportation. — 2008. — № 47. — Q 224;
15. Chrest, Anthony P., Smith, Mary S. and Bhuyan, Sam. Parking Structures: Planning, Design, Construction, Maintenance, and Repair (Second Edition). New York : Chapman and Hall, 1996. 0-412-99671-5;
16. Newman, Alexander. Structural Renovation of Buildings: Methods, Details, and Design Examples. New York : McGraw-Hill, 2001. 0-07-047162-2;
17. American Concrete Institute Committee 222. ACI 222R-01: Protection of Metals in Concrete Against Corrosion. s.l. : American Concrete Institute, 2001;
18. American Concrete Institute Committee 201. ACI 201.2R-01: Guide to Durable Concrete. s.l. : American Concrete Institute, 2001
Mendigali A.D.
Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
TECHNOLOGIES IN PREVENTION AND CONTROL OF CORROSION IN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
Abstract: scientific article describes modern technologies used to prevent and combat corrosion in reinforced concrete structures. The article highlights various methods, such as the use of anticorrosive additives, protective coatings, electrochemical protection methods, as well as structural condition monitoring systems. The authors provide an analysis of the effectiveness of these methods and provide examples of their application in modern construction practice.
Keywords: corrosion, reinforced concrete structures, anti-corrosion technologies, protective coatings, condition monitoring, durability, building materials.
