Защита строительных конструкций от коррозии

Процесс поглощения бетоном различных веществ может  быть обратимым и необратимым (в  зависимости от формы их связей с  составляющими цементного камня). Вода, например, имеет 4 формы связи: химическую, адсорбционную (физико-химическую), капиллярную и осмотическую. Две последние являются физическими формами связи. Вода, поглощаемая капиллярно-пористым телом бетона, может иметь в нем все 4 формы связи, причем при обычных температурах (до 100°С) химическая и физико-химическая связи необратимы. Вода связывается химически в процессе гидратации минералов клинкера, которая может длиться многие годы. Химическая связь воды в бетоне разрушается при температурах значительно выше 100°С. Адсорбционные связи воды в бетоне также весьма прочны и в пределах до 100°С не разрушаются.

Практически в  сформировавшейся структуре бетона в широких пределах может меняться содержание капиллярной воды, которая  в зависимости от парциального давления водяных паров в окружающей среде заполняет поры и капилляры разной величины — от мельчайших пор геля при малой относительной влажности воздуха до капилляров с радиусом 1 х 10-5 см при высокой влажности. Несвязанная вода, механически заполняющая крупные поры, трещины и пустоты, также может появиться в бетоне, если он будет находиться под гидравлическим давлением либо если в теле бетона образуется точка росы и происходит конденсация паров воды. Для капилляров с радиусом более 1 х10-5 см, которые обычно называют макрокапиллярами, давление насыщенного пара над мениском воды практически равно давлению пара над плоской поверхностью. Такие капилляры заполняются водой только при непосредственном соприкосновении с ней и отдают ее в атмосферу, насыщенную водяными парами.

При полной гидратации вода, не испаряющаяся до температуры 105°С, составляет около 25% веса цемента. Это вода, находящаяся в химической и

физико-химической связи с цементным камнем, электролитически непроводящая. Поэтому она не влияет на процессы коррозии стали в бетоне. Испаряющаяся вода заполняет капиллярные поры и поры геля. В порах геля, по Пауэрсу , может содержаться до 15% воды от веса цемента. Эта вода в

отличие от воды, заполняющей капиллярные поры, испаряется при более низкой относительной  влажности. Например, при среднем расчетном диаметре пор геля вода испаряется только при относительной влажности ниже 65%. Следовательно, если бетон не соприкасается с водой, капиллярная вода может полностью испариться, но при этом останется вода в порах геля. Ее количество будет зависеть от относительной влажности воздуха и величины пор геля.

Опыты в Управлении по испытанию материалов в Мюнхене  показали, что бетон при относительной  влажности воздуха 65% содержит испаряющуюся воду в количестве около 15% веса цемента, или, в зависимости от содержания цемента в бетоне, 1—2% веса последнего.

Для стали в  бетоне, так же как и для открытого  металла, должна быть некоторая критическая  влажность, ниже которой пленки влаги  на ее поверхности не могут служить  электрическим проводником для  перемещения зарядов между анодными и катодными участками поверхности и, следовательно, наступит омическое торможение коррозионного процесса.

Практика и  эксперименты показывают, что такое  критическое значение относительной  влажности воздуха находится  в пределах 50—60%. Наиболее интенсивно развивается процесс коррозии при повышенной влажности, составляющей около 80%. При этом пленки адсорбционной влаги на поверхности арматуры и в прилегающих порах бетона обладают достаточной ионной проводимостью, и электрохимические реакции коррозии начинают протекать с диффузионным контролем катодного процесса ионизации кислорода. При насыщении бетона влагой диффузия кислорода к катодным участкам сильно замедляется. Поэтому процесс коррозии арматуры практически останавливается при влажности воздуха, близкой к 100%. Последнее справедливо лишь для плотного бетона. В недостаточно плотном бетоне многочисленные крупные сквозные поры не закрываются влагой, кислород продолжает свободно поступать к поверхности арматуры, и процесс коррозии не замедляется.  

4. ЗАЩИТА АРМАТУРЫ  В КОНСТРУКЦИЯХ  ИЗ ЛЕГКИХ, ЯЧЕИСТЫХ  И АВТОКЛАВНЫХ  СИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ  

4.1 Особенности коррозии  арматуры и ее  защита в легких  бетонах

В настоящее  время в строительстве широко применяются конструкции из бетонов  на легких пористых заполнителях. Бетоны эти отличаются большим разнообразием по-виду заполнителей и вяжущих, а также по структуре, определяемой степенью заполнения плотным раствором пространства между зернами пористого заполнителя.

Опыт показывает, что состояние арматуры в легких бетонах определяется главным образом  их структурой, а также пористостью  заполнителя. Исследования состояния  арматуры в легких бетонах на клинкерных цементах проводились неоднократно. В. М. Москвин установил, что для предохранения арматуры от коррозии в пемзобетоне расход цемента должен быть не менее 220 кг/м³, а лучше 250 кг/л³. При этом в состав бетона вводили диатомит в количестве от 20 до 40% веса цемента. В. О. Саакян при кратковременных испытаниях во влажной среде арматуры в пемзобетоне плотной структуры с расходом цемента 160 кг/м и более наблюдал коррозию лишь в тех местах, где были раковины.

На основании  проведенного в 1936 г. М. 3. Симоновым в Тбилиси обследования ряда жилых, общественных и производственных зданий из легкого железобетона было установлено, что состояние арматуры не отличается от такового в сооружениях из обычного железобетона.

Для сооружений, нодвергающихся действию атмосферных или других факторов,вызывающих коррозию металла, минимальное содержание портландцемента установлено 150 кг на 1м³ пемзо или туфобетона.

При этом сумма  весов пылевидных частиц и портландцемента  должна быть равна 250 кг/м³.

В. Г. Довжик и  Л. А. Кайсер считают, что плотность  структуры является основой защиты арматуры в конструктивно-теплоизоляционном  керамзитобетоне. По их данным, в конструкциях для жилищного строительства  из керамзитобетона объемным весом 800-1000 кг/м³ на керамзитовом песке при расходе цемента не менее 200 кг/м³ арматура надежно защищена от коррозии.

При недостаточно плотной структуре (плотность 0,95-0,97) или при пониженном расходе цемента (примерно 150 кг/м³) для предупреждения местной коррозии арматуры рекомендуют вводить в бетонную смесь нитрит натрия в количестве 2% веса цемента, а в случае неплотной структуры (плотность менее 0,9) и низкого расхода цемента (примерно 100 кг/м ) покрывать арматуру цементно-казеиновой обмазкой. При этом изделие должно иметь фактурные слои из плотного цементно-песчаного раствора.

Согласно нормам ФРГ , при изготовлении полых плит настилов из пемзобетона защитный слой бетона плотной структуры должен быть не менее 1 см в сухих условиях и не менее 1,5 см на открытом воздухе, а расстояние от стержней до внутренней поверхности бетона в пустотах должно быть не менее 1 см. Арматуру рекомендуется укладывать в цементное тесто (в некоторых случаях с добавкой мелкого песка или трасса): при этом арматура втапливается в предварительно уплотненный пемзобетон и затем обильно заливается цементным тестом. Для уменьшения межзерновой пустотности пемзовый щебень дробят до крупности 6—8 мм и добавляют фракцию 0—3 мм. Рекомендуется вводить песок, в количестве 10%,.но не более 20%. При выполнении этих требований в бетоне марки 80—100 пористость минимальная не опасная для арматуры. Если конструкция подвергается воздействию паров воды, то необходимо нанесение цементной штукатурки (плотный фактурный слой), а при действии паров кислот нужна дополнительная покраска поверхности конструкции.

В отечественной  нормативной литературе отмечается недостаточная четкость и противоречивость рекомендаций для обеспечения сохранности арматуры в конструкциях из легких бетонов. СНиП предусматривают, что антикоррозийная защита арматуры железобетонных конструкций из легких, ячеистых и других пористых бетонов производится путем нанесения цементно-казеиновой, цементно-полистирольной или других видов обмазки.

Указания по проектированию антикоррозионной защиты строительных конструкций предусматривают, что в промышленных зданиях легкие бетоны на пористых заполнителях могут  применяться для армированных конструкций  только при плотной структуре. При этом в случае воздействия агрессивных сред требуется обязательная защита поверхности конструкций.

В ГОСТ на керамзитобетонные  панели указано, что они применяются  в конструкциях зданий с сухим, нормальным и влажным режимом. При относительной влажности выше 60% требуется защита внутренней поверхности панелей пароизоляционным покрытием. Указывается, что керамзитобетон должен иметь плотную и однородную структуру. Межзерновое пространство должно быть целиком заполнено раствором. Изготовление керамзитобетона с неплотной структурой допускается при условии защиты арматуры от коррозии обмазками или покрытиями и защиты всех поверхностей панелей от промокания. Толщина защитного слоядолжна быть не менее 20 мм.

По ГОСТ на методы испытания бетонной смеси плотная структура легких бетонов характеризуетсяобъемом межзерновых пустот в уплотненной бетонной смеси, не более 3. Наиболее обоснована рекомендация о защите арматуры путем использования легких бетонов плотной структуры на цементном вяжущем, которые уступают тяжелым бетонам только в длительности сохранения защитных свойств. При этом предполагаемое вредное действие содержащихся в некоторых заполнителях соединений серы и частиц несгоревшего угля не должно иметь места, так как заполнители и арматура целиком обволакиваются цементным тестом.

Защита арматуры в таких бетонах специальными покрытиями исключается, а если возникает  необходимость в усилении защитных свойств бетона (например, в агрессивных  средах), то это должно достигаться  либо использованием фактурных слоев из плотных бетонов или растворов, либо окрасочной, пропиточной или оклеечной изоляцией той поверхности конструкций, которая испытывает агрессивное воздействие.

Известно, что  лучше всего защищает арматуру плотный  бетон. Однако в практике часто используются бетоны (главным образом, конструктивно-теплоизоляционные) с различной степенью неплотности структуры, где имеется реальная угроза развития коррозии арматуры.

Исследования  защитных свойств некоторых составов легких бетонов и антикоррозионных покрытий арматуры в этих бетонах показали:

1. Коррозия незащищенной  арматуры наблюдалась во всех  составах бетона, которые считались  плотными. Изучение структуры и  глубины карбонизации этих бетонов  показало, что они имеют межзерновую  пустотность, которая и является причиной развития коррозии арматуры. Поэтому для надежной защиты арматуры необходимо при подборе составов плотных бетонов напористых заполнителях контролировать межзерновую пустотность по методике, указанной в ГОСТ.

2. В крупнопористых  бетонах развивается коррозия арматуры в тех местах, где нет контакта ее поверхности с цементным камнем. Поэтому необходимо либо ограничивать применение армированных конструкций из таких бетонов сухими условиями эксплуатации, когда при быстром снижении технологической влажности процесс коррозии затухает, либо защищать арматуру антикоррозионными покрытиями.

3. В поризованных  золобетонах на пористых заполнителях  арматура корродирует наиболее  интенсивно (аналогично арматуре  в ячеистых бетонах), что объясняется  быстрой карбонизацией легкопроницаемого поризованного раствора, который к тому же содержит золуунос, имеющую в своем составе компоненты, агрессивные но отношению к стали. В таких бетонах защита арматуры покрытиями является обязательной.

4. Толщина защитного  слоя имеет значение только в истинно плотных бетонах, где с ее увеличением уменьшается возможность развития коррозии арматуры. При пониженном расходе цемента 80 кг/м³ в керамзитобетоне наблюдается усиленная коррозия арматуры. Очевидно, что снижение расхода цемента без ущерба для защитной способности бетона возможно только при замене части цемента уплотняющими тонкомолотыми добавками с тщательным подбором состава бетона и контролем плотности свежеуложенной смеси.

6. В воздушно-сухих  условиях коррозия арматуры в бетонах любой структуры имеет резко затухающий характер. Коррозия развивается только в период сохранения бетоном технологической влажности и не достигает опасной степени. Поэтому в конструкциях, предназначенных для эксплуатации в сухих условиях, исключающих конденсационное сверхсорбционное увлажнение бетона, арматуру можно не защищать даже в бетонах пористой структуры.

7. Из проверенных  защитных покрытий полностью  надежным оказалось цементно-битумное, которое и следует в первую  очередь рекомендовать для защиты арматуры в необходимых случаях, т. е. в бетонах с межзерновой пустотностью, превышающей 3%, и в поризованных. Защитные свойства цементно-кузбасслакового покрытия можно улучшить, если увеличить его толщину (например, путем нанесения в два слоя). Для улучшения защитных свойств цементно-полистирольного покрытия необходимо, очевидно, уточнение его рецептуры.

В последнее  время находят широкое применение поризованные легкие бетоны.Их защитные свойства по отношению к арматуре близки к защитным свойствам безавтоклавных ячеистых бетонов. Известно, что в первые годы эксплуатации у поверхности арматуры изделий из безавтоклавных ячеистых бетонов сохраняется щелочная пассивирующая среда. Поэтому их повышенная первоначальная влажность не вызывает значительной коррозии арматуры, если бетон не содержит агрессивных компонентов в виде зол, шлаков и добавок хлористых солей. Через несколько лет эксплуатации ячеистый бетон карбонизируется и перестает пассивировать сталь, но к этому времени бетон обычно (при сухом режиме помещений) настолько просыхает, что коррозия практически прекращается.