CC BY
29
УДК 502/504:691.3
В. Б. СЕМЕНОВ, А. Н. КЛЮЕВ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ЩЕЛОЧЕСИЛИКАТНОГО БЕТОНА ПО ОТНОШЕНИЮ К СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЕ
Приведена методика и представлены результаты исследования защитных свойств щелочесиликатного бетона по отношению к арматурным сталям железобетонных конструкций.
Щелочесиликатный бетон, стальная арматура, автоклавное производство, защита арматуры, электрохимический метод, коррозия, анодные поляризационные кривые.
There are given methods and research results of protective properties of alkaline-lime concrete in relation to reinforcing steel of reinforced concrete structures.
Alkaline - silicate concrete, reinforcing steel, autoclave production, protection of reinforcing steel, electrochemical method, corrosion, anode polarization curves.
Способность коррозиестойкого щелочесиликатного бетона (ЩСБ) автоклавного производства на основе жидкого стекла и перлита проявлять защитные свойства по отношению к арматуре в условиях агрессивных сред во многом определяет область его применения*. Известно, что защита арматуры в бетоне на цементных вяжущих обусловлена высоким значением рН, которое создается за счет кальциевых соединений клинкера. В бетоне из щелочесиликатных вяжущих подобные соединения отсутствуют, и пассивность стали обеспечивается избытком свободных щелочей, а также плотной структурой.
Плотный коррозиестойкий бетон на основе растворимых силикатов натрия может являться защитной средой по отношению к стальной арматуре.
Защитные свойства бетона по отношению к арматуре изучались с помощью электрохимического метода на основе визуальной оценки коррозии
*Семенов, В.Б. Коррозионная стойкость щелочесиликатного бетона [Текст] / В. Б. Семенов, А. Н. Клюев // Эффективные строительные конструкции: теория и практика : сб. статей IV Международной научно-технической конференции. — Пенза, 2005. — С. 316-319.
№ 1' 2009
стальной арматуры и пластинок-шлифов в бетонных образцах.
Для визуальной оценки изготавливали серию кубов (24 шт.) размером 70,7х70,7х70,7 мм с заложенными в них металлическими пластинами-шлифами (20х30х3 мм) и серию призм (24 шт.) размером 70,7х70,7х280 мм с заложенными в них стальными стержнями диаметром 3 мм. Образцы испытывали так: а) сразу после автоклава, б) после хранения в течение 1, 3, 6, 12 и 24 мес. соответственно на воздухе и в воде; в) в 5 и 20%-ном растворах соляной кислоты.
Продолжительность выдержки форм залитых бетоном, на воздухе — 16...18 ч, после чего их запаривали в автоклаве при давлении 0,8 МПа, температуре 174 °С. Режим выдержки 2 + 8 + 2 ч.
После раскалывания образцов пластины и стержни извлекали из бетона и обрабатывали для определения глубины пропитки. Количественные характеристики коррозии определяли следующим образом. Пластины и стержни, изготовленные из стали класса В-11 с чистой полированной поверхностью, перед закладкой в бетон измеряли штангенциркулем. Затем 10.15 мин
5
обрабатывали в 5%-ном растворе HCl, ингибированном уротропином из расчета 3 г уротропина на 1 л кислоты, после чего вынимали и тщательно отмывали в струе воды. Отмытые шлифы погружали на 5 мин в 5% -ный раствор щелочи, снова тщательно отмывали, насухо вытирали и сушили в сушильном шкафу при 105 °C в течение 30...40 мин. После охлаждения в эксикаторе измеряли с точностью до 0,1 мм, после чего обезжиривали спиртом с последующей обработкой в серном эфире, взвешивали на электронных весах с точностью до 0,0001 г и до момента испытаний хранили в эксикаторе.
К моменту испытаний пластины и стержни извлекали из бетона, очищали от налетов ржавчины и обрабатывали в течение 10 мин в 5%-ном растворе HCl, ингибированном уротропином, затем промывали водой.
Полностью очищенный от продуктов коррозии шлиф или стержень насухо вытирали, высушивали, охлаждали, замеряли площадь коррозии и взвешивали на электронных весах. Итоговые количественные характеристики: потеря в весе и площадь коррозии.
О пассивированном действии ще-лочесиликатного бетона с добавкой обожженной глины по отношению к стальной арматуре судили по результатам визуальных наблюдений и по характеру анодных поляризационных кривых (таблица). Результаты испытаний оформлены в виде графиков в координатах: по оси абсцисс — плотность электрического тока, мкА/см2, по оси ординат — потенциал электрический, мВ.
Для проведения электрохимических испытаний из щелочесиликат-ного бетона были изготовлены образцы-призмы (30 шт.) размером 40х40х160 мм. В образцы закладывали по два электрода из арматурной стали класса В-11 (диаметр — 5 мм, длина — 120 мм). Поверхность электродов предварительно очищали тонкой шкуркой и обезжиривали растворителем.
О пассивированном действии щело-
чесиликатного бетона по отношению к стальной арматуре судили по характеру анодных поляризационных кривых, снятых на стали в бетоне: а) сразу после термообработки; б) через 3 и 6 мес. попеременного увлажнения в 5% -ном водном растворе ЫаС1; в) после высушивания образцов (соответственно 3 + 21 ч).
Электрохимические испытания проводили в соответствии с методикой СТ СЭВ 4421-83 «Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний». Метод основан на следующем явлении — при погружении стального электрода в раствор электролита ионы железа переходят в раствор, а электроны остаются в металле. Появляется двойной электрический слой с разностью потенциалов на границе «металл — жидкость». Скорость коррозии стали в бетоне определяется скоростью анодного процесса. По анодным поляризационным кривым можно определить степень торможения коррозионного процесса (см. таблицу).
Перед началом исследований торец образца скалывали, обнажался стержень длиной около 15...20 мм, место выхода стали из бетона изолировали масляной краской. Подготовленный образец устанавливали в электрохимическую ячейку и определяли величину стационарного потенциала. Затем с помощью потенциостата в автоматическом режиме потенциал изменялся со скоростью 6 В/ч. Величину тока измеряли через каждые 50.100 мВ изменения потенциала. Результаты испытаний оформлены в виде графиков: по оси абсцисс — плотность тока, мкА/см2, по оси ординат — электрический потенциал, мВ.
Из методики СТ СЭВ 4421-83 «Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний» известно, что сталь в бетоне пассивна, если при потенциале +300 мВ плотность тока не превышает 10 мкА/см2. Если плотность тока равна 10.25 мкА/см2, сталь находится в неустойчивом состоянии и
Результаты испытаний армированного щелочесиликатного бетона
с добавкой обожженной глины
Условия испытаний Толщина защитного слоя, мм Срок, испытаний, мес. Глубина проникновения, мм РН водной вытяжки Коррозионное состояние арматуры
Потеря массы, % Внешний вид арматурных стержней
Нормальные, температурно- влажностные 10 24 - 10,75 Нет Блестящая поверхность без каких-либо признаков коррозии
Вода 10 12 по всему сечению 10,70 Нет Без признаков коррозии
Серная кислота 20% -ный раствор 5 12 7...8 4,30 27,80 Разрушение стержней
10 24 8...Э 9,7 0,012 Налеты ржавчины на стержне со стороны контакта с кислотой, противоположная поверхность блестящая
20 24 8...Э 10,75 Нет Блестящая поверхность Без каких-либо признаков коррозии
Серная кислота 5% -ный раствор 15 12 14...15 8,65 0,02 След коррозии со стороны контакта с кислотой
20 12 14...15 10,75 Нет Блестящая поверхность. Без каких-либо признаков коррозии
начинает корродировать. При плотности тока более 25 мкА/см2 процессы коррозии идут интенсивно.
После окончания электрохимических испытаний из образцов были извлечены арматурные стержни. С целью определения характера коррозионных поражений был проведен визуальный осмотр.
Анализ полученных анодных поляризационных кривых, приведенных на рис. 1 и 2, показал, что стальные стержни в образцах из щелочеси-ликатного и щелочесиликатного с добавкой обожженной глины бетона находятся в пассивном состоянии. Плотность тока не превышает 10 мкА/см2. В процессе изучения поверхности стержней, извлеченных из образцов, после снятия поляризационных кривых подтвердились результаты электрохимических испытаний (коррозии стали не наблюдалось). Таким образом, данные таблицы и результаты исследований электрохимическим методом позволяют сделать вывод, что исследуемый бетон защищает от коррозии арматуру, что, по-видимому, достигается плотным защитным слоем вокруг арматуры и высоким рН поровой воды.
№ 1' 2009
Данные ускоренных испытаний были подтверждены также результатами длительных коррозионных испытаний образцов через 12 мес. и через 12 лет попеременного увлажнения 5% -ным водным раствором хлористого натрия.
Длительное воздействие растворов кислоты на армированные образцы из исследуемого бетона свидетельствуют о том, что коррозия стальных стержней происходит лишь при непосредственном контакте стержня с кислотой, находящейся в пропитанном слое бетона.
В связи с этим для обеспечения расчетного срока службы железобетонных конструкций большое значение приобретает правильное назначение толщины защитного слоя бетона.
Процесс проникания растворов серной кислоты в бетон имеет затухающий характер. При этом проникающая способность кислоты возрастает с понижением ее концентрации. Глубину проникания (12.14 мм) к 720 сут наблюдали у 5%-ной серной кислоты, к этому же времени глубина проникания у 20% -ной серной кислоты составила 8.9 мм. Проведенный химический анализ испытуемых образцов
(89
Рис. 1. Поляризационные кривые (исходное состояние): 1 — цементный бетон; 2 — щелочесиликатный бетон; 3 — щелочеси-ликатный бетон с глиной
Рис. 2. Поляризационные кривые (через
6 месяцев): 1 — цементный бетон; 2 — щелочесиликатный бетон; 3 — щелочеси-ликатный бетон с глиной
показал, что сульфат-ионы проникли в бетон на большую (до 5 мм) глубину сверх затемненного пропитанного слоя. В этом же слое по его толщине отмечено понижение содержание В04-2.
Проведенные исследования показали, что процесс проникания кислоты в бетон имеет диффузионный характер. Глубина проникания кислоты зависит от ее концентрации, продолжительности воздействия и проницаемости бетона.
Выводы
Исследованиями защитных свойств щелочесиликатного бетона с добавкой обожженной глины по отношению к арматурным сталям железобетонных конструкций установлено, что проникание кислоты в бетон имеет диффузионный механизм. Эффективный коэффициент диффузии серной кислоты в щелочеси-ликатном бетоне зависит от концентрации кислоты и времени ее контакта с бетоном. Глубина проникания кисло-
ты в бетон обратно пропорциональна ее концентрации.
Коррозия стали в щелочесиликат-ном бетоне начинается лишь при непосредственном контакте кислоты с арматурой. Действие воды в течение 360 сут не повлияло на пассивное состояние арматуры в бетоне.
Экспериментально установлено, что защитный слой щелочесиликат-ного бетона толщиной 35 мм практически непроницаем для 5%-го и более концентрированных растворов серной кислоты.
Материал поступил в редакцию 11.03.2008.
Семенов Валерий Борисович, канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой инженерных конструкций Тел. 8 (495) 976-26-43
Клюев Александр Николаевич, канд. техн.
наук, доцент, декан факультета довузовского
образования
Тел. 8 (495) 976-14-36
