2.4. Коррозия арматуры в надземной части железобетонных опор

Защита арматуры от коррозии в железобетонных конструкциях в значительной степени основана на пассивирующем действии щелочной среды, образующейся в процессе гидратации и твердения цементного камня. Из-за пористой структуры бетона защитный слой его не в состоянии оградить арматуру от внешней среды. Бетон проницаем для различных веществ, в том числе для воды и кислорода. В подавляющем большинстве случаев коррозия арматуры в бетоне представляет собой электрохимический процесс. Для его осуществления необходимы следующие условия [1]:

наличие на поверхности металла разности потенциалов между отдельными участками, т. е. электрохимическая неоднородность;

наличие пленки электролита для электролитической связи между участками поверхности металла с различными потенциалами;

активное состояние стали на анодных участках поверхности, где происходит растворение металла по реакции

nH₂O+Me->Me+nH₂O+e;

поступление деполяризатора, в частности кислорода, к катодным участкам поверхности для ассимиляции избыточных электронов

4e+O₂+2H₂O->4OH^-

Схематически процесс электрохимической коррозии показан на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема электрохимической коррозии железа: 1 - воздух; 2 - пленка влаги; 3 - железо

Поскольку структура стали и условия ее контакта с бетоном неоднородны, то для арматуры в бетоне первое условие протекания коррозионного процесса всегда выполнено. Второе и четвертое условия в большинстве случаев также удовлетворены, так как бетон, являясь капиллярно-пористым телом, проницаем для жидкостей и газов. К тому же ряд компонентов цементного камня содержит, кроме химически связанной, и физически связанную, легко отделяемую воду. Количество ее зависит от структуры бетона, температуры, влажности среды и условий взаимодействия ее с конструкциями.

Возникновение состояния пассивности связывают в основном с образованием на поверхности металла плотной нерастворимой пленки продуктов коррозии. Такая пленка появляется в результате прямого анодного процесса, т. е. непосредственно на реагирующей поверхности. Эта пленка имеет толщину от 20 до 100 А [33]. Состоит она из γFe₂O₃ и Fe₃O₄, кристаллические Решетки которых одинаковы.

Обусловливается пассивное состояние арматуры в бетоне содержащейся в цементном камне гидроокисью кальция Ca(OH)₂. Этот легкорастворимый компонент, так сильно влияющий на коррозионную стойкость бетона, оказывает положительное влияние на сохранность арматуры в ней. В случае связывания его в процессе химических реакций защитные свойства бетона снижаются, коррозионный процесс ускоряется.

Характеризуют пассивное состояние арматуры в бетоне pH поровой жидкости и стационарный потенциал. В свою очередь потенциал анодного процесса зависит от pH, температуры среды, а также присутствия посторонних ионов.

Наступление пассивности характеризуется обычно облагораживанием электродного потенциала металла. Так, железо, имеющее в активном состоянии потенциал минус 440 мВ, в нормальном плотном бетоне на портландцементе, находящемся в воздушно-сухом состоянии, характеризуется потенциалом минус 50-100 мВ по отношению к нормальному водородному электроду [36]. Наблюдающееся обычно повышение потенциала (рис. 2.9) в первые часы после затворения цемента водой объясняется растворением окислов на поверхности металла, после чего происходит образование новых адсорбционно-химических слоев. Пассивация стали в бетоне при температуре (20±5)°С завершается через 32-36 ч [33]. Пассивируется не только сталь с чистой поверхностью, но и имеющая легкий налет ржавчина.

Рис. 2.9. К влиянию состояния поверхности на скорость пассивации стали: 1 - очищенная проволока; 2 - проволока, находившаяся в парах HCl 3 и 7 сут; 3 - то же в парах Br₂ 3 сут; 4 - то же 7 сут

В зависимости от условий эксплуатации потенциал стали в бетоне может смещаться от равновесного значения в ту или другую сторону [1, 36]. Понижение его в сторону отрицательных значений указывает на ослабление защитных свойств бетона и химическую активность среды. Но для суждения о состоянии стали в бетоне одного лишь значения потенциала недостаточно. В плотном цементном бетоне при насыщении его пресной водой потенциал может уменьшаться до минус 600-800 мВ и при этом сталь будет находиться в пассивном состоянии [1]. В насыщенном водой бетоне диффузия кислорода к катодным участкам поверхности стали очень сильно ограничена, в результате их потенциал, а вместе с тем и общий потенциал уменьшается. Поэтому при оценке электрохимического состояния арматуры необходимо учитывать условия, в которых находится железобетонная конструкция или элемент.

Вторым показателем, характеризующим пассивное состояние арматуры в бетоне, является pH поровой жидкости. Насыщенный раствор гидроокиси кальция обычно имеет pH=12,5. При таких значениях pH сталь должна пассивироваться [6]. Критическое значение pH, ниже которого сталь не пассивируется, находится в пределах 11,5-11,8. Как показали расчеты В. И. Бабушкина, з щелочной среде при pH<11,8 контролирующим процессом является анодный. Если pH>11,8, образование и последующая сохранность защитных пленок маловероятны и контролирующим коррозию металла может оказаться катодный процесс. Для защиты арматурной стали при катодном контроле требуется очень надежная изоляция ее от воздушной среды и в первую очередь кислорода. Но осуществлять это технически трудно, выгоднее сохранять в бетоне повышенное значение pH, обеспечивая анодный контроль процесса коррозии арматуры.

Из-за значительного запаса гидрата окиси кальция в цементном камне в виде кристаллов Ca(OH)₂, а также возможного выделения его из других гидросиликатов и гидроалюминатов поддержание pH поровой жидкости в требуемых пределах осуществляется довольно длительный период. Но под влиянием внешней воздушной среды и особенно содержащихся в ней углекислого и сернистого газов pH среды уменьшается. Наиболее распространенным из них является углекислый газ CO₂. Содержание его в воздухе сельской местности составляет 0,02-0,03%. В воздухе же промышленных районов его концентрация может быть значительно больше. Углекислый газ активно реагирует, как уже отмечалось, с гидратом окиси кальция, образуя карбонат кальция, отличающийся очень слабой растворимостью в воде. Скорость карбонизации зависит от плотности бетона и влажности его, а также концентрации CO₂ в воздухе.

Процесс может продолжаться до полного израсходования Ca(OH)₂ в карбонизированном слое бетона и разложения гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Установлено, что вначале связывание CO₂ происходит в тонком наружном слое бетона толщиной в несколько миллиметров. Затем фронт карбонизации постепенно перемещается в глубь бетона. По мере утолщения карбонизированного слоя растет сопротивление диффузионному проникновению CO₂. Глубину карбонизации бетона определяют на свежем сколе фенолфталеином, который не дает при pH=10 малинового окрашивания.

Решающее влияние на скорость карбонизации оказывают плотность бетона, вид цемента, условия твердения бетона. Бетон центрифугированных опор после 20-25 лет их эксплуатации даже в сильно загазованных воздушных средах промышленных районов страны подвергается карбонизации на глубину не более 3-5 мм.

В опорах из вибрированного бетона скорость в 2-3 раза выше. Например, в районе Донбасса тонкий защитный слой (3-5 мм) на многих струнобетонных опорах полностью потерял свои защитные свойства через 5-8 лет и арматура под ним подверглась коррозии.

Пропаривание бетона, как отмечают многие исследователи, приводит к образованию сквозной пористости и ускоряет процесс карбонизации. К этому же результату приводит и повышение водоцементного отношения. Введение пластифицирующих добавок, наоборот, улучшает структуру бетона и замедляет скорость карбонизации.

Процесс карбонизации бетона зависит от его влажностного состояния. Карбонизация прекращается при относительной влажности воздуха ниже 45% и близкой к 100%. В жарком климате карбонизация существенно ускоряется по сравнению с умеренным. Полного прекращения процесса можно ожидать только зимой в суровых климатических условиях, так как вода замерзает в тонких порах и капиллярах.

По данным С. Н. Алексеева [1], карбонизация не увеличивает плотность бетона. Об этом свидетельствует примерно одинаковая паропроницаемость образцов карбонизированного и некарбонизированного бетона. Скорость высыхания после насыщения водой выше у карбонизированного бетона, что связано, по-видимому, с изменением пористой структуры цементного камня.

Ввиду многообразия влияющих факторов прогноз развития карбонизации может быть сделан лишь по результатам длительных испытаний. Как показывают наблюдения, у опор из центрифугированного бетона скорость карбонизации невелика. Есть все основания считать, что за проектный срок службы в 50 лет глубина карбонизированного слоя не превысит толщину защитного слоя, составляющую обычно у центрифугированных опор 15-20 мм. Привести к ускорению карбонизации может только морозное разрушение бетона из-за появления сети микротрещин, но и только тогда, когда оно будет интенсивно развиваться в наружных слоях бетона.

Наоборот, в двутавровых опорах, изготовлявшихся из вибрированного бетона в ряде случаев с повышенным водоцементным отношением и твердевшего в пропарочных камерах, карбонизация приводит к коррозии арматуры и тем самым лимитирует долговечность этих конструкций.

Действие сернистого газа на бетон протекает несколько иначе, чем углекислого. Продуктом реакции является обычно двуводный гипс:

Ca(OH)₂+SO₂+l/2O₂+H₂O->CaSO₄•2H₂O.

Образование гипса приводит к увеличению объема твердой фазы. Первоначально продукты коррозии заполняют поры бетона, уплотняют его структуру, приводят к замедлению проникания SO₂ в глубь бетона. Затем под давлением растущих кристаллов бетон разрушается. Внешне это выглядит как шелушение бетона, напоминающее морозное разрушение.

По сравнению с карбонизацией сульфатация протекает в естественных атмосферных условиях значительно медленнее, наблюдается редко и только в зоне расположения химпроизводств.

Из других газов, которые могут ускорять разрушение опор в надземной части, следует назвать хлористый водород. Он образует с гидратом окиси кальция аморфный гигроскопичный хлористый кальций, вызывающий интенсивную коррозию арматуры. Но в природных условиях он не встречается. Его воздействие на опорные конструкции возможно в исключительных случаях.

Попадание жидких агрессивных сред на железобетонные конструкции приводит к коррозии бетона, но еще задолго до полного разрушения бетона существенно снижаются его защитные свойства по отношению к арматуре и начинается ее коррозия. Сопровождается этот процесс отслаиванием защитного слоя под давлением растущего слоя продуктов коррозии. Часто можно (наблюдать, как в зоне периодического увлажнения морской водой или попадания брызг на опоры полностью отделяется защитный слой бетона со стороны, обращенной к водной поверхности (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Опора с отделением защитного слоя бетона, вызванного коррозией арматуры

Кроме диффузии через бетон, жидкие и газообразные среды могут попадать к арматуре сквозь трещины в бетоне. По этой причине ширина их раскрытия в зависимости от вида арматуры и назначения конструкций нормируется. В опорах со стержневой арматурой ширина раскрытия поперечных трещин не должна превышать 0,2 мм. Опоры с высокопрочной проволочной арматурой проектируются так, чтобы поперечных трещин в них при нормальных эксплуатационных нагрузках не появлялось.

Проводимые испытания этих опор подтверждают, что поперечные трещины в них появляются при нагрузках, несколько больших, чем нормативные (1,1÷1,4) M^н.

Развитие трещин приводит к (нарушению пассивного состояния металла. В зоне трещин, где доступ углекислоты и обмен воды облегчен, pH среды ниже, чем на остальной поверхности арматурного стержня. Здесь становится возможным образование гальванических коррозионных пар.

Схематическое расположение электродных участков на арматуре в зоне трещин, соответствующее современным представлениям, показано на рис. 2.11. Итак, на поверхности арматуры в зоне трещин образуется активный участок, где наряду с многочисленными (коррозионными микропарами может начать функционировать макрогальваническая пара, анодом которой служит активированная поверхность - зона A₂, а катодом - зона K₂, где сохранился плотный контакт арматуры с бетоном. Площадь анодной зоны зависит от ширины трещины, которая в свою очередь определяет длину участка потери сцепления арматуры с бетоном, именуемого зоной влияния трещины A₁. В этой зоне напряжение в арматуре выше, чем на соседних участках K₁, где часть растягивающих усилий воспринимает бетон. Вследствие различия напряжений могут также возникать макропары. Однако из-за протяженности анодного участка эффективность такой пары невелика, так как смещение потенциала незначительное, а электрическое сопротивление относительно большое.

Рис. 2.11. Схема расположения электродных участков на арматуре в зоне трещины [1]: K₁-A₁-K₁ - пара градиента напряжения; K₂-A₂-K₂ - концентрационная пара; A₃-K₃-A₃ - пара дифференциальной аэрации

В месте нахождения трещины в бетоне, т. е. на участке K₃, резко увеличивается аэрация поверхности арматуры. Это создает условия для образования макропары, так называемой дифференциальной аэрации. Эта пара должна иметь полярность, противоположную двум предыдущим парам, так как анодом становится менее аэрируемый участок - в данном случае металл под бетоном по обе стороны от трещины, т. е. на участке A₃.

В конечном итоге работа отдельных макропар суммируется. Условия эксплуатации конструкций регулируют функционирование их. Количественно оценить вклад каждой макропары в общий коррозионный процесс на современном уровне знаний пока трудно из-за большого количества факторов, действующих одновременно. Поэтому оценивается опасность трещин и прогнозируется долговечность арматуры в них в основном по результатам обследований натурных конструкций и экспериментальных работ.

Исследования показали, что коррозия стали под бетоном в зоне трещины вначале развивается быстрее, чем на открытой поверхности, но с течением времени замедляется (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Коррозионные язвы арматуры δ_к в зоне трещины (в атмосферных условиях Москвы) при ширине раскрытия: 1 - 0,7 мм; 2 - 0,4 мм; 3 - 0,3 мм; 4 - 0,2 мм; 5 - 0,1 мм [1]

В неагрессивных средах коррозия арматуры, в трещинах раскрытием до 0,2 мм через 2-3 года практически затухает. Глубина коррозионных язв δ_к при этом составляет 0,2-0,3 мм. При раскрытии трещин до 0,5 мм глубина коррозионных изъязвлений 6к даже в условиях периодического смачивания железобетонных элементов водой в течение 8-9 лет не превышает 0,5 мм (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Коррозионные язвы арматуры δ_к в образцах, периодически насыщавшихся пресной водой при ширине раскрытия поперечных трещин: 1 - 1-1,5 мм; 2 - 0,7 мм; 3 - 0,5 мм; 4 - 0,3 мм; 5 - 0,2 мм

Увеличение ширины раскрытия трещин более 0,5 мм приводит к быстрой коррозии арматуры. Так, при раскрытии трещин 1 мм (и более) глубина коррозионных язв увеличивается в год, как видно из рис. 2.13, примерно на 0,05 мм, т. е. скорость коррозии арматуры в этих условиях становится близкой к скорости коррозии незащищенного металла. В трещинах же раскрытием до 0,5 мм она не превышает 0,02-0,03 мм/год.

Затухающий характер коррозии арматуры в трещинах малого раскрытия обусловлен, с одной стороны, накоплением и уплотнением продуктов коррозии в них, замедляющих ионизацию металла, а с другой - уплотнением самих трещин продуктами гидратации. В широких трещинах и в сильно агрессивных средах, как отмечает С. Н. Алексеев [1], это затухание носит временный характер, так как под давлением продуктов коррозии защитный слой может разрушиться. Способствуют отслаиванию защитного слоя и расклинивающие напряжения в бетоне под рифами арматуры, которые увеличиваются по мере сдвига, т. е. роста ширины трещин.

С учетом изложенного можно считать, что в опорах со стержневой арматурой, имеющей диаметр 12-14 мм, при эксплуатации их в неагрессивных средах трещины раскрытием до 0,5 мм не приведут к опасным последствиям. Уменьшение сечения этой арматуры за 40-50 лет службы вряд ли может произойти более чем на 10-15% первоначального. Двадцатипятилетний опыт эксплуатации опор с трещинами раскрытием до 0,5 мм показывает, что уменьшение сечения арматуры в них произошло не более чем - на 5-7%. В то же время - при одинаковой глубине изъязвлений степень коррозионного износа тонкой высокопрочной проволочной арматуры, имевшей начальный диаметр всего 3-5 мм, оказывается несоизмеримо большей, чем стержневой, а опасность последствий их выше. Поэтому эксплуатировать струнобетонные опоры с поперечными трещинами раскрытием более 0,2-0,3 мм рискованно, особенно в агрессивных средах. Срок эксплуатации опор с такими трещинами в зависимости от агрессивности среды нужно ограничить, но имеющихся к настоящему времени данных по состоянию арматуры в них еще недостаточно, чтобы это сделать. Вскрытие арматуры у демонтированных по тем или иным причинам струнобетонных опор показывает, что после 15-20 лет эксплуатации в промышленных и сельских районах глубина язв не превышает 0,3-0,4 мм при ширине трещин не более 0,20-0,25 мм. Но она заметно увеличивается при ширине раскрытия трещин более 0,3-0,4 мм.

Опасность локального коррозионного поражения высокопрочной проволочной арматуры в зоне поперечных трещин заключается в том, что оно может привести к хрупкому разрушению. Такие явления наблюдаются при воздействии на конструкции агрессивных сред, из которых наибольшие разрушения в природных условиях вызывают хлориды и сульфаты.

При коррозии под напряжением, составляющим 0,6-0,7 от временного сопротивления, особенно в условиях воздействия солевых растворов, разрушение арматуры, как показывают исследования [33], происходит хрупко, без образования шейки, тогда как разрушение ненапряженной арматуры обычно вязкое.

Влияние механических напряжений ниже предела текучести стали на коррозию стали незначительно, так как при этом электрохимическое состояние поверхности стали не изменяется. Заметное влияние механических напряжений на уровне предела текучести и выше связано с разрушением естественных защитных пленок.

Коррозионные поражения металла влияют на его прочность аналогично концентраторам напряжений, которые сосредоточивают пластическую деформацию в небольшом объеме. В мягких сталях около очагов поражений напряжения перераспределяются. Их чувствительность к коррозионным поражениям существенно меньше, чем высокопрочных. При местном язвенном поражении предварительно напряженной арматуры нельзя ожидать заметного общего ее удлинения и прогиба конструкции даже непосредственно перед разрушением. Это осложняет наблюдение за состоянием струнобетонных опор, требует тщательного анализа среды, в которой они эксплуатируются. Наибольшее внимание следует уделять конструкциям, эксплуатируемым в засоленных грунтах, а также при попадании на них минерализованных вод. Ускоренное разрушение опор, установленных на платформах в зоне пешеходных переходов, возможно также в тех местах, где эти территории для быстрого таяния снега и льда посыпаются солью.

Обобщая все сказанное, следует отметить, что количество факторов, определяющих сохранность арматуры в бетоне, довольно велико. Действуют они по-разному. В то же время средства защиты арматуры ограничены. По сути дела функции предохранения арматуры от попадания на нее химически активных веществ, влаги, воздуха возложены на защитный слой бетона, который под влиянием этих воздействий и механической нагрузки разрушается или теряет свои защитные свойства. От его долговечности в значительной степени зависят сроки службы опор. Но требуемые толщина и плотность бетона в защитном слое выдержаны при изготовлении опорных конструкций далеко не всегда. Следствием этого является преждевременное снижение прочности конструкций из-за уменьшения сечения арматуры, охрупчивания ее, потери сцепления с бетоном в местах отслоения защитного слоя.

Наиболее слабо защищена арматура в опорах открытого профиля, где часто толщина защитного слоя не превышает 10 мм при довольно пористой структуре его. В опорах из центрифугированного бетона толщина защитного слоя также далеко не всегда выдержана. Но плотность центрифугированного бетона в наружных слоях выше, чем вибрированного. Потеря им защитных свойств происходит медленно и не будет лимитировать долговечность опор. Коррозия арматуры в опорах кольцевого сечения будет наблюдаться в основном из-за малой толщины, а иногда и просто отсутствия защитного слоя с внутренней стороны. Чаще всего он не выдерживался в вершинах опор. Причиной этого было продольное смещение бетона при центрифугировании.