Защита арматуры железобетонных конструкций от коррозии
Проектирование типовых сборных железобетонных конструкций (главным образом с целью снижения веса, а также экономии материалов при их изготовлении) сопровождалось уменьшением сечений элементов и соответственно защитных слоев бетона. Этому способствовало повышение прочности бетона на цементах более высоких марок, рост прочности арматурных сталей, совершенствование расчета конструкций.
К сожалению, не достаточно высокая культура производства железобетонных конструкций приводит к значительному снижению их долговечности. Недостатки системы экономического стимулирования в строительной промышленности мешали созданию устойчивого контингента квалифицированных кадров на предприятиях сборного железобетона и стройках. Длительное отставание в развитии индустриальной базы строительства, ее производственной мощности приводило к снижению требований к качеству сборного железобетона. В результате качество некоторых железобетонных конструкций заметно ухудшилось.
В таких массовых конструкциях, как плиты покрытий промышленных зданий, толщина защитного слоя сведена к минимуму, а в полках плит этот слой иногда отсутствует вовсе. Плотность и однородность бетона снижается из-за использования некондиционных, нефракционированных заполнителей. Форсирование режимов тепловлажностной обработки резко увеличивает проницаемость бетона. Неосторожное использование добавок-ускорителей твердения в виде хлористых солей вызывает коррозию арматуры даже под толстым защитным слоем бетона.
К тому же в настоящее время массовое распространение получили бетоны с пониженными защитными свойствами по отношению к арматуре: бесцементные, автоклавные, ячеистые, на пористых заполнителях с повышенной межзерновой пустотностью и др.
Опасность коррозии арматуры предварительно напряженных конструкций усугубляется наличием в ней весьма высоких напряжений, резким снижением пластичности высокопрочной стали при коррозионных поражениях, а также коррозионным растрескиванием напряженной термически упрочненной арматуры.
Следует учесть, что армированные стеновые панели из бетонов с пониженными защитными свойствами, предварительно напряженные конструкции и тонкостенные плиты покрытий в массовых масштабах используются при строительстве зданий ряда отраслей промышленности с агрессивными средами.
Современные методы расчета строительных конструкций, как правило, позволяют учесть все возможные неблагоприятные комбинации нагрузок. Исключения вызываются главным образом ошибками при проектировании п изготовлении конструкций, реже — нарушением расчетного режима эксплуатации. Одной из возможных ошибок является недоучет опасности коррозии арматуры.
Как показывает практика, коррозия арматуры предварительно напряженных конструкций вызывает их внезапное обрушение. Это происходит вследствие особенностей коррозии под напряжением высокопрочной проволоки и термически упрочненных стержней, часто используемых в качестве напрягаемой арматуры.
Язвенная коррозия при небольшом сечении проволоки делает ее хрупкой, но не ведет к образованию в защитном слое бетона продольных трещин, которые обычно служат сигналом опасности. Термически упрочненная арматура при коррозии под напряжением может подвергнуться растрескиванию, которое не связано обычно с образованием на ее поверхности толстого слоя ржавчины, т. е. разрушение конструкций с такой арматурой также оказывается внезапным.
Таким образом, если не исключить возможность коррозии арматуры, то нельзя гарантировать безотказности работы предварительно напряженных железобетонных конструкций.
Убытки от ремонта поврежденных конструкций и в особенности от их замены могут быть очень велики; до сих пор не разработаны эффективные способы ремонта конструкций, пострадавших вследствие коррозии арматуры.
Серьезным недостатком современного строительства с применением железобетона является использование недостаточно стойких, долговечных и надежных конструкций. Характерным случаем применения нестойких конструкций в тяжелых условиях эксплуатации является использование типовых ребристых плит покрытий в промышленных зданиях с агрессивным режимом. Эти до предела облегченные конструкции запроектированы для неагрессивных условий. При тщательном изготовлении они могли бы еще, как показывает расчет времени карбонизации защитного слоя, служить без существенных повреждений в слабоагрессивной среде 15— 18 лет. Но изготавливают их без должного контроля толщины защитного слоя.
Такие плиты покрытии монтировались, например, в 1966 г. па строительстве Ждановской аглофабрики. До этого уже хорошо известен был опыт Дарпнцкого, Новочеркасского и других заводов искусственного волокна, где через 4—5 лет эксплуатации прядильных цехов встал вопрос о замене плит покрытий. На Дарпицком заводе пришлось устроить подвесной потолок по нижним поясам ферм, чтобы приостановить разрушение покрытия.
В течение нескольких лет идет ремонт покрытии зданий крупнейших фильтровальных станций, который приходится начинать после 5—6 лет пх эксплуатации. Стоимость ремонта (очистка бетона и ржавой арматуры с последующим торкретированием всех поверхностен в 3 слоя общей толщиной 15 мм) равна стоимости новой плиты — 3 р. 27 к. за 1 м!. Как показало обследование на Кальмнусской фильтровальной станции, спустя 2—4 года после ремонта коррозия арматуры, сопровождающаяся отслоением и растрескиванием торкрета, продолжается там, где арматура не была тщательно очищена от ржавчины.
Наблюдается массовое повреждение ребристых плит покрытий во влажных цехах заводов железобетонных изделий после 8—10 лет их эксплуатации. На комбинате № 2 Главмоспромстройматериалов отдельные большие участки покрытия разобраны и заменены монолитной плитой.
Другим типичным примером является использование крупных панелей из ячеистых бетонов в стеновых ограждениях и покрытиях промышленных н сельскохозяйственных зданий с влажным режимом. Результаты обширных обследований, выполненных Е. С. Силаенковым и Р. А. Зариным, убедительно показали непригодность ячеистобстонных конструкций для влажного режима. Нормами также не предусмотрено их использование в таких условиях. Очевидно, этому должна предшествовать тщательная проверка на опытных объектах.
Характерен пример из области применения предварительно напряженных железобетонных конструкций. Строители предприятий нефтехимической промышленности Башкирии добились разрешения использовать в строящихся цехах с сильноагрессивной средой предварительно напряженные фермы с проволочной арматурой, так как технология изготовления этих конструкций ими хорошо была освоена. Имеются сведения, что в настоящее время там наблюдается коррозия арматуры. Обрушения предварительно напряженных балок с проволочной арматурой пролетом 21 м имели место в Беслане, Паэсклле, Коростепс, где дефекты изготовления сочетались с эксплуатацией в агрессивной среде. В Пензе вследствие коррозионного растрескивания стержневой арматуры из стали класса A-IV марки 20ХГ2Ц произошла авария фермы пролетом 18 м.
Таким образом, коррозия арматуры в бетоне — достаточно часто встречающееся и еще малоизученное явление. Трудность изучения его обусловлена большим числом одновременно действующих факторов и в первую очередь сложностью структуры бетона, как непосредственной среды для арматуры, особенностями его взаимодействия с окружающей средой, вызывающими и обратимые, и глубокие необратимые изменения в нем.
Особенности современных высокопрочных арматурных сталей и их напряженное состояние в конструкциях делают весьма опасными последствия их коррозии. Для возможного повышения их коррозионной стойкости под напряжением необходимо глубоко изучить условия и области безопасного применения армированных ими конструкций. Необходимо также тщательно исследовать защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре и их изменения во времени.
Много нерешенных вопросов п в использовании армированных конструкций из различных бетонов с пониженными и недостаточными защитными свойствами по отношению к арматуре. От принципиального решения этих вопросов зависит решение технологических задач, связанных с защитой арматуры в этих бетонах.
Практические рекомендации должны быть основаны на углубленных теоретических и тщательных экспериментальных исследованиях. Рекомендации должны проходить длительную проверку.
Проводимые в настоящее время разными организациями работы в области коррозии п зашиты арматуры железобетонных конструкций в основном охватывают главные направления исследований Об этом свидетельствуют сведения, собираемые регулярно в порядке координации, и доклады на совещании по защите от коррозии строительных конструкций.
В. П. Бабушкин, Л. П. Мокрнцкая и С. В. Гонтовой доложили о результатах интересных физикохимических исследований тонкого механизма электрохимической коррозии и пассивации стали в бетоне. Исследования авторов доклада убедительно подтвердили, что наилучшим способом защиты арматуры от коррозии является ее пассивация, которая достигается при pH поровой жидкости не ниже 11,8. Достигнуты успехи в изучении пассивирующих пленок, состав которых связан с pH и окислительно-восстановительным потенциалом.
В секторе защиты арматуры НИИЖБ Н. К. Розенталь добился значительных успехов в электрохимических исследованиях, объясняющих различные механизмы ограничения коррозионного процесса арматуры в бетоне в зависимости от его плотности и влажности.
Интересно обоснована Ю. В. Целебровским трактовка анодной поляризационной кривой стали в бетоне.
В докладе Е. П. Горбоноса, С. Г. Енишсрловой, Р. У. Загирова, П. А. Починской и В. Б. Ратинова сообщалось о всесторонне изученных свойствах новой полифункциональной добавки, ускоряющей твердение бетона и сообщающей ему свойство защищать от коррозии арматуру в присутствии хлор- ионов. Добавка, введенная в количестве 2% веса цемента, компенсируетагрессивное действие в бетоне хлористого кальций (в том же количестве) при сохранении целостности и высокой щелочности защитного слоя. Исследован механизм пассивирующего действия добавки и доказано, что в малых количествах добавка не стимулирует коррозии.
В. И. Новогородский и В. Н. Парусимов представили интересные данные о коррозии арматуры в зоне трещин бетона под влиянием агрессивной
К сожалению, не было представлено докладов по вопросу коррозии высокопрочных арматурных сталей под напряжением. Однако имеющиеся публикации по исследованиям Э. А. Гуревича и С. Н. Алексеева и новые результаты исследований, проводимых в Центральной лаборатории коррозии НИИЖБ, устанавливают серьезную опасность коррозионного растрескивания не только термически упрочненных сталей, но и некоторых высокопрочных горячекатаных, и подтверждают правильность ограничений в их использовании для армирования конструкций, предназначенных для агрессивных условий.
Необходимо дальнейшее энергичное развертывание исследований в этом направлении с привлечением новых методов. Необходимо утог"ить условия, вызывающие коррозионное растрескивание, п степень его опасности для арматуры в различных средах; разработать сплавы для получения термически упрочненной арматуры с резко пониженной склонностью к растрескиванию, а также методы упрочнения без появлении склонности к растрескиванию. Естествен по, последние задачи не могут быть решены без активного участия исследовательских институтов металлургического профиля.
Р. А. Зарин в своем докладе подытожил многолетнюю работу по определению условий сохранности арматуры в конструкциях из ячеистых бетонов. Обследования и значительный объем экспериментов позволили ему сделать ценные предложения по влажности конструкций, увеличению толщины защитного слоя п др. Нельзя согласиться с отрицательной оценкой защитных покрытий армокаркасов, сделанной в докладе явно без учета низкого качества их приготовления н нанесения, которое до сих пор, к сожалению, имеет место на практике. Механизация технологии защиты арматуры может способствовать ликвидации этих недостатков производства Удачным решением, как показал опыт, является способ электроокраски арматуры для ее защиты Механизированная установка для нанесения защитного цементно-битумного покрытия на армокаркасы внедрена при помощи НИИЖБ иа заводе треста Стройдеталь-70 в Свердловске. В настоящее время идет подготовка к внедрению этого способа еще на нескольких заводах.
Другим радикальным средством является защита арматурных сеток оцинковкой на метизных заводах. Оцинковку, очевидно, целесообразно использовать и в других сложных случаях, в частности для защиты высокопрочной проволоки и пряден в конструкциях с натяжением арматуры на бетон.
Выводы
В области защиты от коррозии стальной арматуры железобетонных конструкций важнейшими направлениями исследований на ближайшие годы должны быть следующие.
Развитие теории коррозии арматуры и защитного действия бетона.
Разработка способов определения, повышения и производственного контроля защитных свойств плотного бетона, а также методов расчета длительности их сохранения.
Исследование и разработка способов повышения защитных свойств конструктивных легких бетонов.
Исследование влияния на развитие коррозии арматуры напряженного состояния и трещин в бетоне.
Выявление особенностей коррозии высокопрочных арматурных сталей под напряжением, в частности, термически упрочненной стержневой арматуры, холоднотянутой проволоки, прядей и канатов.
Разработка способов повышения коррозионной стойкости термически упрочненной арматуры в металлургическом процессе.
Тщательное изучение условий эксплуатации основных видов массовых конструкций (плит покрытий, стеновых панелей, опор ЛЭП и контактной сети, шпал и др.).