Коррозия арматуры и повышение защитного действия бетона
Все более частые повреждения железобетонных конструкций вследствие коррозии арматуры нельзя объяснить только быстрым ростом их объема в зданиях и сооружениях развитых стран. К основным причинам повреждений относятся также использование все более тонкостенных конструкций (как результат применения все более прочных сталей и бетонов); ошибочная оценка при проектировании зданий реальных воздействий среды и использование конструкций в пенокоррозионностойком исполнении; дефекты (в том числе скрытые) при массовом производстве конструкций.
Современная номенклатура включает конструкции из бетонов легких и ячеистых, на бесцементных вяжущих и мно- ine другие. На коррозионное состояние арматуры могут повлиять вид вяжущего и заполнителей, режим твердения и т. д. Мы ограничимся конструкциями из тяжелого бетона на портландцементе, а также средами, практически не вызывающими коррозии бетона.
В настоящее время можно считать установленным, что плотный цементный бетон обеспечивает первоначальную защиту стальной арматуры от коррозии благодаря пассивации поверхности стали в результате ее контакта с щелочной поровой жидкостью (рН=12,5...13). Известно, что при пониженной щелочности ()Н<11,8) состояние пассивности стали неустойчиво, а его нарушение приводит к началу процесса коррозии арматуры. Пассивность стали в щелочной среде не устанавливается или нарушается в присутствии некоторых активирующих ионов, в частности хлор-ионов, критическое содержание которых зависит от величины pH и парциального давления кислорода у поверхности стали, г. с. от степени затруднения его доступа к арматуре.
Таким образом, если при изготовлении железобетонной конструкции обеспечено значение щелочности выше критического и концентрация хлоридов ниже критического значения, арматурная сталь пассивна и не корродирует. Чтобы такое благоприятное состояние стали было устойчивым во времени, необходимо не только первоначальное, но и длительное защитное действие бетона. Суть его в том. чтобы достаточно долго сохранить у поверхности арматуры высокую щелочность бетона и низкое содержание хлоридов в нем.
Если по той или иной причине сталь в бетоне активна, скорость коррозии арматуры и ее последствия оказываются самыми различными в зависимости от множества факторов. Конечным результатом коррозии может быть постепенное или внезапное разрушение конструкций.
Постепенное разрушение характерно для конструкций с ненапрягаемой арматурой из высокопластичных сталей. В результате развития коррозии арматуры под давлением растущего слоя ржавчины защитный слой бетона растрескивается, а затем отпадает. Эти симптомы легко заметить и осуществить ремонт или усиление, несущей способности конструкции из-за уменьшения сечения арматуры и потери ее сцепления с бетоном.
Опасность внезапного обрушения присуща конструкциям с напрягаемой арматурой из высокопрочных сталей, которая при коррозии имеет склонность к хрупкому обрыву.
Для общей характеристики ситуации необходимо отметить, что коррозию арматуры часто вызывают воздействия среды неагрессивной или слабоагрессивной к неармированному бетону — влажный воздух, атмосферные осадки, периодическое увлажнение в зоне переменного горизонта воды в естественных условиях и во многих производственных ситуациях. Примером может служить весьма распространенное и неоднократно описанное f 1, 2) повреждение сборных ребристых плит покрытий зданий с влажным режимом; формовочные цеха заводов железобетонных и асбестоцементных изделий, животноводческие помещения.
Применение в слабо- и среднеагрессивных к железобетону условиях рядовых конструкций, при изготовлении которых не выдержаны минусовые допуски толщины защитного слоя и ограничение проницаемости бетона, приводит к быстрой карбонизации защитного слоя и интенсивной коррозии арматуры. В результате через 10...12 лет эксплуатации здания приходится заменять часть или все плиты покрытий, так как их нельзя отремонтировать. При этом заменяют все элементы кровли — паро- изоляцию. утеплитель, кровельный ковер; расходы превышают нормы амортизационных. отчислений на капитальные ремонты.
Различию с два основных периода эксплуатации железобетонной конструкции, соответствующие пассивному и активному состояниям стали в бетоне. Первый период условно можно назвать инкубационным (скрытым), в течение него под действием среды бетон защитного слоя постепенно теряет способность пассивировать сталь. При этом конструкция может не снижать свою несущую способность и другие эксплуатационные свойства.
Второй период является периодом развития процесса коррозии арматуры и сопутствующих ему растрескивания и откалывания защитного слоя. Бетон теряет сцепление с арматурой, на поверхности конструкции появляются ржавые пятна, свидетельствующие о снижении ее несущей способности и других эксплуатационных свойств. Схематически эти периоды представлены на рисунке. Конечная стадия наступает, когда превышен некоторый предел повреждений, который определяется с учетом вида и назначения конструкций, способа армирования и условий эксплуатации.
Плохая пригодность к ремонту обычных конструкций, арматура которых подвергается коррозии, опасность внезапного обрушения по этой причине предварительно напряженных являются серьезным основанием считать при проектировании их предельным состоянием момент потери пассивности арматуре»:. Ввиду многообразия, сложности и недостаточной изученности особенностей защитного действия различных бетоноз. коррозионного поведения резных видов арматуры, а также изменчивости свойств названных материалов было бы неоправданным риском при проектировании допускать какую-то степень коррозии арматуры за исключением некоторых случаев. Наиболее надежная долговечность железобетонной конструкции может быть достигнута только за счет обеспечения достаточной длительности первого — инкубационного периода ее взаимодействия со средой.
Исследования [I, 3, 4] позволили установить основные закономерности такого взаимодействия как для карбонизации бетона углекислым газом воздуха, так и диффузионного проникания в него хлоридов из водных растворов.
Для определения глубины карбонизации получено П1 выражение, из которого следует, что продолжительность карбонизации защитного слоя бетоца пропорциональна квадрату его толщины, т. е. защитный слой увеличенной вдвое толщины в 4 раза дольше защищает арматуру. Такой же эффект может дать четырехкратное уменьшение диффузионной проницаемости бетона б3 увеличения толщины слоя. Влияние фракционной емкости бетона ограничено содержанием окисн кальция в цементе и его расходом, и в целом может дать удвоение длительности защитного действия бетона.
Нельзя забывать, конечно, что снижение проницаемости бетона достигается ц надлежащим подбором его состава с использованием чистых фракционированных заполнителей, тщательным уплотнением смеси и влажным режимов выдерживания.