CC BY
33
УДК 666.972.16
Н. А. Н1К1ФОРОВА (ДПТ)
ВПЛИВ КОМПЛЕКСНИХ ПОЛ1ФУНКЦ1ОНАЛЬНИХ МОДИФ1КАТОР1В НА КОРОЗ1ЙНУ СТ1ЙК1СТЬ АРМАТУРИ В БЕТОН1
В стати розглянуто мехашзм корози металу та вплив комплексних полiфункцiональних модифiкаторiв на корозiйну стiйкiсть арматури в 6eTOHi.
В статье рассмотрен механизм коррозии металла и влияние комплексных полифункциональных модификаторов на коррозионную стойкость арматуры в бетоне.
In the article the mechanism of metal corrosion and the influence of complex polyfunctional modifiers on corrosion resistance of steel framework in the concrete is examined.
Численш роботи присвячеш питанням якос-т i довговiчностi будiвельних конструкцш як в техшчному, так i в економiчному аспекта Слiд зазначити, що залiзобетоннi конструкци при значних корозiйних пошкодженнях, особливо якщо кородуе арматура, стають практично не-ремонтопридатними. Тому, звичайно, е еконо-мiчними деякi первиннi дорожчання конструк-цil за рахунок розрахованих i обгрунтованих заходiв при 11 проектуваннi i виготовленнi.
Корозiя металу найчаспше вiдбуваеться за електрохiмiчним мехашзмом, для дil якого не-обхщш наступнi умови: наявнiсть рiзницi поте-нцiалiв мiж окремими дiлянками поверхш металу, тобто електрохiмiчна неоднорщшсть йо-го; наявнiсть електролiтичного зв'язку мiж ци-ми дiлянками; активний стан поверхш на анодних дшянках, де метал розчиняеться; наяв-шсть достатньо1 кiлькостi деполяризатора, зок-рема кисню, необхiдного для асимiляцii на ка-тодних дiлянках на поверхш металу надмiрних електронiв [1]. Схематично це можна зобразити таким чином:
е ^ [Ме+е] °Н2° > Ме+пН20 ;
Н + + е ^ Н i поим Н + Н ^ Н 2;
О2 + 2Н2О + 4е ^ 4ОН- .
Корозiйнi процеси в бiльшостi випадюв по-в'язанi з вiдновленням молекулярного кисню. Такому виду руйнування метали шддаються при корозii у вод^ атмосферi, грунтi. Корозiя сталi в бетош також iде з кисневою деполяри-зацiею.
Катодний i анодний процеси звичайно йдуть на рiзних дiлянках поверхнi металу, i електро-ни, надмiрнi у анодiв, пересуваються в металi
до катодiв. У розчиш вiдбуваeться направлене перемiщення юшв. Виникае електричний струм, званий струмом корози. При такому ме-ханiзмi корозii руйнуються лише аноднi дшян-ки поверхнi металу. Продукти корози утворю-ються в результатi вторинних реакцш в елект-ролiтi:
Fe2+ + 2OH- ^ Fe(OH)2;
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 ^ 4Fe(OH)3.
В цшому швидкiсть корозii сталi визнача-еться тим процесом, який протшае з найбшь-шим гальмуванням. У багатьох випадках швид-кiсть корози d^i в бетонi визначаеться швид-кiстю анодного процесу. Анодна поляризащя виникае головним чином за рахунок збшьшен-ням концентрацii iонiв металу, що розчиняеться, в прилеглому шарi електрол^у. Рух елект-ролгту, що вiдносить вiд поверхнi анода юни металу, зменшуе анодну поляризащю. Другою причиною анодноi поляризацii е виникнення на анодi нерозчинних i непроникних для катiонiв плiвок - пасиващя.
Катодна поляризацiя виникае за рахунок не-достатньо швидкого зв'язування електронiв, що поступають з анодних дшянок, в результатi недостатку деполяризатора. Характер катодного процесу залежить вщ концентрацii iонiв водню в електролт. При корозii в кислих середови-щах (рН < 4) на катодi видiляеться водень, в нейтральних i лужних середовищах поглина-еться кисень.
Вмiст вiльних юшв водню в електролт ха-рактеризують величиною рН, яка е негативним десятковим логарифмом концентраци цих iонiв.
Уявлення про стшюсть системи «метал -електролт> можна одержати з дiаграм Пурбе, складених на пiдставi термодинамiчних даних (рис. 1).
Рис. 1. Д1аграма пол1в стшкосп зал1за в координатах БИ - рН
Якщо розчин не повнiстю iонiзований або якщо система окислення - вщновлення не по-внiстю дисоцiйована, з'являеться додаткова залежнiсть вiд рН. Дiаграма показуе областi термодинамiчноl стабiльностi стат та значення рН i потенщалу, при яких вона стае нестабшь-ною.
Роботи [2, 3] достатньо глибоко розкрива-ють суть корозшно1 стшкосп арматури в бето-нi. Висока довговiчнiсть залiзобетонних конс-трукцiй великою мiрою залежить вiд здатностi цементного бетону захищати сталеву арматуру вщ корози. Спостереження за тривалою повед> нкою залiзобетонних конструкцiй дозволили встановити, що корозiя арматури практично можлива не тiльки коли зруйнований (або вщ-сутнiй) з тих або шших причин захисний шар бетону, але i за його наявносн, тобто пiд ним. Стiйкiсть бетону залежить вщ виду в'яжучого, заповнювачiв, добавок, пористостi - проникно-сн, значною мiрою визначуваних складом су-мiшi. Ц чинники впливають i на здатнiсть бетону тривало захищати сталеву арматуру. Про-те, на довговiчнiсть конструкцiй, крiм того, дь ють товщина захисного шару, однорщнють структури бетону, наявнiсть локальних дефекта, перш за все трщин.
До корозшно! стiйкостi арматурних сталей нормативних вимог немае, хоча наявш даш про корозiйну поведiнку високомщних арматурних сталей примусили обмежити 1х застосування. Вiдсутнiсть нормативних вимог до стшкосп
арматурних сталей очевидно пов' язана з тим, що сама iдея залiзобетону заснована на захистi сталi бетоном, коли корозiя арматури е виклю-ченням. Пiдвищення ж корозшно1 стшкосп арматури шшими засобами, о^м захисту И бетоном, враховуючи величезну витрату армату-рних сталей, пов' язано з дорожчанням конс-трукцiй.
Особливютю цементного бетону е лужнiсть рщко! фази, нормально насиченого гiдратом окислу кальщю. Практична вiдсутнiсть корози арматури в бетош пояснюеться пасивнiстю ста-лi в лужному середовищi. А вс вiдомi випадки корози арматури пов'язаш з тим, що з не! або шшо1 причини И поверхня залишаеться активною або не повнютю пасивуеться при виготов-леннi конструкцiй, або втрачае пасившсть в процесi експлуатаци. Кородуючий метал за пе-вних умов може покриватися безпористим шаром продукнв реакцп, наприклад оксидом, який перешкоджатиме безпосереднш взаемодп металу i електролiту, тобто наступить пасивний стан металу. Питання про склад, умови виник-нення i рiвноваги захисних плiвок на сталi, за-безпечуючих И пасивнiсть в бетош, вивчене недостатньо [3]. Враховуючи, що не вс бетони характеризуються високим значенням рН рщко1 фази i що воно з часом може зменшуватися, важливим е питання про критичне значення рН, нижче за яке сталь не пасивуеться. Це значення рН електролiту знаходиться в межах 11,5...11,8. Межа пасивуючо1 ди Са(ОН)2 проходить в районi рН = 12 при вшьному i при рН = 11,5 при обмеженому доступ повiтря. Разом з тим, рН середовища не може однозначно характеризувати стан стат в бетош, оскшьки в ньому можуть знаходитися активуючi iони (наприклад, хлорид-юни). Таким чином, при зни-женому рН (менше 11,5) сталь може бути активною, а високе рН (бшьше 12) необхщне, але ще не досить для пасивност сталi.
Розглянуто вплив додатково1 кшькосп вапна (1Т; 1П) i комплексних полiфункцiональ-них модифiкаторiв на основi вапна, низькомо-лекулярних кальцiевих солей дшарбонових кислот i високомолекулярних лiгносульфонатiв (МПДКи) на властивостi цементних компози-цiй. При цьому проведет дослщження за ви-значенням величини рН водних розчинiв добавок. Величина рН водних розчишв дослщжува-них комплексiв представлена в табл. 1.
З наведено1 таблицi виходить, що величина рН водних розчишв комплексних полiфункцiо-нальних модифiкаторiв складае 12,3.12,9, а водних розчинiв добавок ПДК i ПДК + ЛСТ -
3,4...3,7. Застосування МПДКи не може викли-кати корозда арматури в бетош.
Таблиця 1 Величина рН водних розчишв добавок
Склад комплексу Юльюсть, % в1д маси води в пере-рахунку на сухий продукт рН водного розчину з добавкою
1Т + ЛСТ 1,75 + 0,05 12,9
1Т + ЛСТ 1,75 + 0,125 12,9
1Т + ЛСТ + МПДКи 1,75 + 0,125 + 0,5 12,3
1П + ЛСТ 1,75 + 0,05 12,9
1П + ЛСТ 1,75 + 0,125 12,9
1П + ЛСТ + МПДКи 1,75 + 0,125 + 0,5 12,3
1Т + ЛСТ + МПДКи 1,75 + 0,125 + 0,5 12,3
ПДК 0,3 3,6
ПДК 0,4 3,4
ПДК + ЛСТ 0,3 + 0,125 3,7
ПДК + ЛСТ 0,4 + 0,125 3,5
мВ -600 --500 н -400 -300
Р
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
-•-Без добавки -•-0,6% МПДКи --*-0,8% МПДКи "
5 10 15 20 25
м кА / см2
1
V
мВ -600 -500 -400 -300
Р
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
II -■-Без добавки -•-2,5% вапно + 0,5% МПДКи + 0,15% ЛСТ
\
\\
\ V
\ \
5 10 15 20 25
м |кА / см 2
1
V
Прим1тка: 1Т - вапняне тюто; 1П - вапно-пушенка.
Корозiйна стшюсть арматури в бетонi, що мютить комплекснi модифiкатори, визначалася за методикою зняття анодних поляризацiйних кривих стат в бетонi. На графiках (рис. 2 i 3) показанi анодш поляризацiйнi кривi сталi в бетош на портландцемент Криворiзького заводу iз застосуванням добавок 0,6 % МПДКи, 0,8 % МПДКи i 2,5 % вапно + 0,5 % МПДКи + 0,15 % ЛСТ.
Рис. 2. Анодш поляризацшш крив1 стал1 в бетош, що мютить комплексний пол1функцюнальний модифжатор МПДКи
Рис. 3. Анодш поляризацшш крив1 стал1 в бетош,
що мютить комплексний пол1функцюнальний модифжатор вапно + МПДКи + ЛСТ
Судити про стутнь гальмування анодного процесу можна по анодних поляризацшних кривих, що виражають залежнiсть густини струму бетону вщ потенцiалу [4]. Сталь в бето-нi пасивна, якщо при потенцiалi +300 мВ по насиченому каломельному електроду густина струму не перевищуе 10 мкА/см2; якщо густина струму дорiвнюе 10.25 мкА/см2, сталь знахо-диться в нестшкому пасивному станi, можлива корозiя; при густиш струму бiльше 25 мкА/см2, можлива штенсивна корозiя сталi.
Як показали дослщження, застосування добавок не змшюе пасивуючо1 дii на сталь у важ-кому бетош. При цьому густина струму при потенцiалi +300 мВ не перевищуе 10 мкА/см2. Вiзуальний огляд арматурних стрижшв в бетонi при введення добавок показав вщсутнють корози сталi. Пасивуюча дiя на сталь добавок у важкому бетонi можна пояснити пластифшую-чою дiею добавок i створенням щiльноi струк-тури, що шдтверджуеться приведеними досл> дженнями реологiчних характеристик (ппл та т0) портландцементного тiста, що мiстить ком-плекснi модифiкатори (табл. 2).
Структуроутворююча здатнiсть добавки МПДКи показана на графшу (рис. 4).
Як показали дослщження, введення добавок уповiльнюе швидюсть осадження цементно1 суспензii, а також скорочуе перюд структуроу-творення цементного тюта.
Висновки
1. Встановлено, що модифшащя плава дiка-рбонових кислот вапном дозволяе одержати комплексну добавку полiфункцiональноi дii з пластифiкуючою i iнтенсифiкуючою твердiння дiею.
2. Встановлено, що комплексна полiфункцi-ональна добавка на основi вапна, низькомоле-кулярних кальцiевих солей дiкарбонових кислот i високомолекулярних лiгносульфонатов характеризуеться високим пластифшуючим ефектом (до ОК = 23 см). Величина рН водних розчинiв добавки складае 12,3.12,9, що не може викликати корози арматури в бетош.
Таблиця 2
Реолопчш характеристики портландцементного ткта, що мктить комплексш модификатор!!
Наймену-вання добавки Юльюсть, % маси цементу в перераху-нку на сухий продукт Динам1чна напруга зрушення , Ппл , Па Коефщент структурно! (пластично!) в'язкосп , т0 , МПа-с
Без добавки - 10,4 29,1
МПДКи 0,25 7,3 27,2
МПДКи 0,6 5,9 25,0
МПДКи + ЛСТ 0,6 + 0,15 4,1 21,1
6,00
5,00 -
.0 (3
Ц 4,00 ■
г»
га §
5 £ 3,00 ■
Г
С 2,00 -
1,00 -0,00 4
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
1,час
Рис. 4. Структуроутворення портландцементного тюта з комплексними х1м1чними добавками
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Алексеев, С. Н. Коррозия и зашита арматуры в бетоне [Текст] / С. Н. Алексеев. - М.: Стройиз-дат, 1968. - 232 с.
2. Долговечность железобетона в агрессивных средах [Текст] / под ред. С. Н. Алексеева. - М.: Стройиздат, 1990. - 320 с.
3. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты [Текст] / под общ. ред. В. М. Москвина. - М.: Стройиздат, 1980. - 536 с.
4. Розенталь, Н. К. Защитные свойства бетона с добавкой С-3 [Текст] / Н. К. Розенталь // Исследование и применение бетонов с суперпластификаторами. - М.: НИИЖБ, 1982. - С. 74-79.
Надшшла до редколеги 18.06.2008.
