Мы приветствуем вклад профессионалов отрасли и студентов по темам, связанным с созданием более качественных и долговечных конструкций. Все одобренные сообщения будут размещены в блоге Concrete Thoughts с признанием автора, включая портрет, краткую биографию и ссылки на социальные сети. Кроме того, блог также может быть представлен в нашем электронном информационном бюллетене.
Предотвращение коррозии железобетона
Категория
Опубликовано июня 12, 2019
Бетон является одним из наиболее широко используемых строительных материалов в мире, обладающим многими ключевыми преимуществами, такими как формуемость и долговечность[i]. Бетон также имеет высокую прочность на сжатие, которая определяется как максимальная сжимающая нагрузка, которую может выдержать тело до разрушения. Однако бетон на самом деле довольно слаб с точки зрения прочности на растяжение, а это означает, что бетон не является идеальным материалом, если конструкция подвергается растяжению.
Из-за этой присущей бетону слабости необходим другой материал для повышения прочности на растяжение и предотвращения неприемлемого растрескивания и даже разрушения. Можно добавить стальные арматурные стержни, чтобы противостоять напряжению, которое нагрузка может вызвать для конструкции. Однако с добавлением материала возникают новые проблемы, такие как коррозия стальной арматуры, что может вызвать новый набор проблем для строительного проекта.
В целом коррозия представляет собой естественный и дорогостоящий процесс разрушения, такой же, как землетрясения, наводнения и случайные разрушения, вызванные торнадо. наименее контролируемый. ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам) определяет коррозию как «химическую или электрохимическую реакцию между материалом и окружающей средой, которая приводит к порче материала»[iii]. В том же духе коррозия является естественным процессом, и все естественные процессы имеют тенденцию к минимально возможным энергетическим состояниям.
Коррозия арматурной стали в бетоне является глобальной проблемой, приводящей к износу конструкций с чрезвычайно высокой скоростью. Эта проблема составляет более 80 процентов всех повреждений железобетонных конструкций, продолжая увеличивать затраты на ремонт для стран[iv]. В отчете за 2011 год, опубликованном в Journal of Climatic Change, отмечается, что ежегодные затраты на коррозию во всем мире оцениваются в более чем 1.8 триллиона долларов[v]. При ремонте стали при подъеме по бетону невозможно обеспечить соблюдение мер по обеспечению устойчивости.
Коррозия
Когда признаки повреждения стали видны,
степень коррозии на
арматурная сталь обычно имеет
уже достиг продвинутой стадии.
Для коррозии железобетона необходимы три основных компонента: сталь, вода и кислород. Устранение любого из них предотвратит химическую реакцию и повреждения, вызванные коррозией. Вот почему в сухом бетоне нет коррозии, а бетон, полностью погруженный в воду, имеет ограниченную коррозию.
В целом, бетон является отличным носителем для арматуры. Из-за высокой щелочности бетона стальная арматура пассивируется пленкой оксида железа (Fe2O3), который обеспечивает защитный слой стали. В этом состоянии бетон обычно обеспечивает защиту арматуры от коррозии. Однако при затвердевании в бетоне образуются мельчайшие поры, которые становятся потенциальным источником проникновения в бетон коррозионно-активных веществ. Эти коррозионные агенты, попадая в бетон через пустоты, приводят к разрушению слоя пассивной защиты вокруг бетона. Без пассивной пленки оксида железа, защищающей сталь, коррозия может начаться с гораздо большей скоростью.
Пассивный слой может со временем испортиться из-за атмосферного углекислого газа ( CO2), который посредством процесса, называемого карбонизацией, снижает рН бетона до тех пор, пока пассивный слой не станет нестабильным. Пассивный слой также может быть быстро разрушен агрессивными химическими веществами, такими как хлориды, которые присутствуют в прибрежной среде или используются в химикатах для борьбы с обледенением. Как только пассивный слой нарушен, стальная арматура подвергается коррозии, когда на поверхности стали присутствуют влага и кислород.
Климатические условия местности оказывают большое влияние на скорость коррозии. В экстремальных климатических условиях в приморских районах скорость коррозии будет высокой. Например, побережье Мексиканского залива имеет чрезвычайно агрессивную среду, характеризующуюся высокой температурой и влажностью окружающей среды, сильной засоленностью грунта с высоким содержанием хлоридов и сульфатов в подземных водах. Другими факторами, ускоряющими скорость коррозии, являются низкое качество строительных материалов, особенно заполнителей, и наличие высоких концентраций сульфатных солей в среде эксплуатации.
Отрицательные эффекты
Для бетона нужна стальная арматура
для увеличения его прочности на растяжение.
Как упоминалось ранее, коррозия является естественным процессом. Сталь — это промышленный материал, полученный из оксида железа или железной руды. К сожалению, энергия, добавляемая в процессе очистки, также способствует его нестабильности. Когда возникает подходящая среда или условия, сталь высвобождает энергию и превращается в оксид железа. Это естественное состояние железа является термодинамически стабильным материалом.
Стальная арматура, используемая в бетоне, укрепляет конструкцию, обеспечивая твердую прочность на растяжение, которой обычно не хватает бетону. Когда сталь начинает ржаветь и на ее поверхности образуются ямки или отверстия, наблюдается снижение прочностных характеристик, что отрицательно сказывается на жизнеспособности конструкции.
Коррозия начинает влиять на целостность бетонной конструкции, когда продукты коррозии (т.е. ржавчина) занимают больший общий объем, чем исходная сталь. Затем это расширение создает растягивающие напряжения в бетоне, которые вызывают появление пятен, растрескивание и растрескивание бетона. К тому времени, когда признаки повреждения становятся видимыми снаружи, например, снаружи бетонной конструкции, степень коррозии арматурной стали достигает продвинутой стадии. В этот момент, независимо от того, где находится объект, затраты на реабилитацию будут дорогими, а процесс ремонта сложным. [ви]
На пути к коррозии есть несколько ступеней, начиная с агрессивных элементов, таких как ионы хлора или углекислого газа, присутствующих в окружающей среде и проникающих в бетон. Второй этап после «инициации» — это «размножение», которое происходит, когда эти агрессивные тела находятся в достаточно высокой концентрации на уровне подкрепления. Пассивный слой исчез, и коррозия повреждает структуру с гораздо большей скоростью. [vii]
В результате коррозии на внешней поверхности бетона появляются трещины. Трещины являются прямым путем для проникновения коррозионно-активных веществ в сталь. Эти трещины будут в дальнейшем прогрессировать и превращаться в сколы до момента, когда функциональный срок службы будет достигнут преждевременно. Следовательно, вода не должна проникать в железобетон и отводиться от воздействия на стальную арматуру внутри.
Традиционные методы предотвращения коррозии
Существуют некоторые методы борьбы с коррозией железобетона. Эффективная система контроля коррозии должна увеличивать время до начала коррозии или снижать скорость коррозии закладной стали, или делать и то, и другое.
Некоторые из традиционных мер, используемых для борьбы с коррозией железобетона:
- Катодная защита;
- примеси ингибиторов коррозии; а также
- Антикоррозийное покрытие.
Когда сталь начинает ржаветь и
сделать ямы или отверстия в
его поверхность, прочность снижается.
К сожалению, эти традиционные методы, предназначенные для борьбы с коррозией бетона, оказались менее эффективными, чем хотелось бы, учитывая текущее состояние ухудшающейся инфраструктуры. Толстое или плотное бетонное покрытие поверх арматурной стали поможет, но все же оставляет бетон уязвимым для растрескивания и целого ряда новых проблем. Ингибиторы коррозии обеспечивают лишь временную защиту. Катодная защита стоит дорого и имеет свои недостатки, а процедуры ремонта часто имеют короткий срок службы и могут постоянно переустанавливаться.
Постоянный ремонт железобетонной инфраструктуры приводит к высоким затратам в течение всего срока службы конструкции. В целом, недостатком традиционных мер по предотвращению коррозии является то, что они не предотвращают или не противодействуют развитию коррозионных условий в бетоне.
Как уже упоминалось, вода является одним из трех необходимых элементов для возникновения коррозии. Вода также действует как переносчик ионов хлора, что является основной причиной разрушения пассивного слоя, который в противном случае защищал бы арматуру. Следовательно, решающим фактором коррозии стальной арматуры, а также разрушения бетона в целом является проникновение в бетон воды и содержащихся в воде хлоридов.
Поэтому первая линия защиты железобетона от коррозии – это предотвращение проникновения воды. Важно использовать бетон с низкой проницаемостью и использовать соответствующее количество бетонного покрытия для применения.
Стратегии гидроизоляции
Бетон представляет собой твердый материал с сетью отверстий, таких как капилляры, поры, трещины и микротрещины. Вода может проходить через незащищенный бетон, действуя как переносчик агрессивных химикатов, таких как хлориды, вызывающие коррозию армированной стальной арматуры.
Мембрана была повреждена
во многих областях после
первичное размещение по строительству
материалы, используемые для выполнения
структуры.
За исключением механических повреждений, все неблагоприятное влияние на долговечность бетона связано с переносом жидкостей через бетон. [viii] Водопроницаемость определяет скорость разрушения, что означает, что если бетон защищен от проникновения воды, долговечность конструкции увеличится и в итоге срок службы. В результате снижение проницаемости бетона имеет ключевое значение. К сожалению, как и в случае с защитой железобетона, традиционные меры не оправдывают ожиданий.
Мембраны поверхностного нанесения или листовые мембраны являются одним из вариантов, который следует рассмотреть. Эта мембрана образует барьер против проникновения воды снаружи бетона. Другим вариантом является мембрана, наносимая жидкостью. Так же, как листовая мембрана, наносимая жидкостью мембрана образует барьер на поверхности бетона, препятствующий проникновению воды.
В обоих случаях традиционная система гидроизоляции обеспечивает барьер для бетона. Однако, гидроизоляционные мембраны, наносимые на поверхность, имеют ограничения и подвержены риску прокола и выхода из строя. Отойдя от традиции, успех был достигнут за счет замены внешней мембраны на внутреннюю мембрану, благодаря чему бетон стал гидроизоляционным барьером.
Интегральная кристаллическая гидроизоляционная добавка
Миллионы игл, похожих на кристаллы, вырастают до стебля.
течение воды внутри железобетона.
Добавка, снижающая проницаемость, подходящая для гидростатических условий (PRAH), такая как интегральная кристаллическая гидроизоляционная добавка (ICW), добавляется в бетонную смесь при замесе или непосредственно в автобетоносмеситель. Вместо установки листовой мембраны или применения жидкой мембраны ICW устраняет эту необходимость, становясь частью бетонной смеси. Добавка ICW эффективна для снижения проницаемости бетона без дорогостоящих материалов, труда или времени, необходимых для установки внешних методов.
Особенности добавки ICW обеспечивают много уникальных преимуществ для бетона, повышая долговечность свойств бетона, которые исторически приводили к плохой долговечности. Благодаря использованию кристаллической технологии добавка ICW уменьшает проникновение воды и содержащихся в воде химикатов за счет трех основных механизмов:
-
и снижение проницаемости бетона;
- уменьшение размера и количества трещин в бетоне; и микротрещины, которые образуются позже в жизни конструкции.
Эффекты ICW наблюдались не только в многочисленных проектах по всему миру, но и в уникальном долгосрочном исследовании, проведенном Гавайским университетом.
Заключение
ICW может контролировать коррозию в железобетоне, препятствуя развитию коррозионных условий, вызванных проникновением влаги. Результатом является конструкция с повышенной прочностью, более длительным сроком службы и меньшими затратами на техническое обслуживание в течение всего срока службы конструкции — все необходимое в современной практике устойчивого строительства.
[i] Всемирный совет предпринимателей по устойчивому развитию (WBCSD) «Инициатива устойчивого развития цемента – переработка бетона» на сайте www.wbcsdcement.org.
[ii] «Принципы коррозионной инженерии и борьбы с коррозией» Заки Ахмада, 2006 г.
[iv] Сэм Мэтью «Коррозия бетона, методы борьбы с этой извечной проблемой на Ближнем Востоке», 2006 г.
[vi] Дополнительную информацию см. в книге Сэма Мэтью «Коррозия бетона, методы борьбы с этой вечной проблемой на Ближнем Востоке», 2006 г.
[vii] Рашидуззафар и Курди, А., «Влияние жарких погодных условий на вероятность образования микротрещин и коррозионного растрескивания железобетона», Прочный бетон в жарком климате, Кэмерон Макиннис Эд, SP-139 (1), Американский институт бетона, 1993.
Исправление и предотвращение коррозии бетона
Если воздействие коррозии учитывается на этапе проектирования и принимаются правильные решения до начала строительства, общественные здания, такие как отели, могут быть построены на века и защищены от коррозии как можно дольше.
Коррозия в той или иной степени затрагивает все бетонные здания и конструкции по всему миру, что ежегодно обходится национальной экономике в миллиарды долларов. Коррозия гостиничного имущества часто является проблемой эстетики, а падающий бетон в местах, где происходит растрескивание, создает угрозу общественной безопасности. Гостиничные операторы не хотят, чтобы строительные леса, кабели и открытые металлические конструкции выставлялись на обозрение в течение длительного периода времени. (Для другого взгляда на государственный сектор посмотрите видео: Джон Оливер о разрушающейся инфраструктуре Америки.) Коррозия стали в бетоне ускоряется в суровых условиях, особенно в прибрежных, тропических или пустынных средах, где высокие уровни соли или экстремальные температуры могут ускорить скорость распада.
Рисунок 1. Бетонная коррозия может быстро произойти на тропических курортах в морской среде.
Обычно первыми изнашиваются наиболее открытые элементы, но основная коррозия незаметна. Активная коррозия стали под ним может занять от пяти до 15 лет, прежде чем в бетоне появятся трещины, но большая часть проржавевшей арматуры не видна.
Механизмы коррозии арматурной стали
В новом бетоне щелочная среда (высокий pH) образует пассивную пленку на поверхности стержней стальной арматуры, тем самым изначально предотвращая или сводя к минимуму коррозию. Но, в конце концов, снижение pH, вызванное карбонизацией или попаданием хлоридов (солей), приводит к разрушению пассивной пленки, что приводит к коррозии арматуры в присутствии кислорода и влаги.
Когда это происходит, между корродирующими (анодными) участками и пассивными (катодными) участками устанавливается разность потенциалов примерно 0.5 В, что приводит к образованию коррозионной ячейки, в которой электроны перемещаются через сталь от анода к катоду. Скорость реакции во многом определяется сопротивлением или удельным сопротивлением бетона. На анодном (коррозионном) участке образуется кислота, которая снижает рН и способствует коррозии стали.
Распространенные причины коррозии бетона
Двумя наиболее распространенными причинами коррозии бетона являются карбонизация и хлориды (солевое воздействие). В общих чертах, когда карбонизация, хлориды и другие агрессивные вещества проникают в бетон, они вызывают коррозию, которая приводит к растрескиванию, отслаиванию и ослаблению бетонной инфраструктуры. (Другая распространенная неисправность, расслоение бетона, обсуждается в статье «Почему происходит расслоение бетона и что с этим делать».)
По мере ржавления арматурных стержней объем продукта ржавчины может увеличиться в шесть раз по сравнению с исходной сталью, что увеличивает давление на окружающий материал, который медленно растрескивает бетон. В течение многих лет на поверхности появляются трещины, и бетон начинает отслаиваться или отслаиваться.
Рисунок 2. Отколотый бетон на стене отеля обнажает проржавевшие арматурные стержни.
Деградация арматурной стали и последующее ослабление бетона происходит изнутри и может оставаться незамеченным в течение многих лет. Его часто называют «конкретным раком».
По словам управляющего директора Infracorr Consulting PL Яна Годсона, может пройти до 15 лет, прежде чем появятся какие-либо трещины. «Это скрытая проблема, а это означает, что, когда вы ее обнаруживаете, она часто сильно развита, очень похожа на верхушку айсберга», — сказал Годсон.
Карбонизация является результатом двуокиси углерода ( CO2) растворяется в поровой жидкости бетона и реагирует с кальцием из гидроксида кальция и гидрата силиката кальция с образованием кальцита (CaCO3). В течение относительно короткого промежутка времени поверхность свежего бетона прореагирует с CO.2 из воздуха. Постепенно процесс все глубже проникает в бетон и через год может достигать глубины 1 мм для плотных малопроницаемых бетонов или до 5 мм для более пористых и проницаемых бетонов в зависимости от водоцементного отношения.
Хлориды, обычно образующиеся с морскими брызгами или ветром, со временем мигрируют в пористый бетон, вызывая коррозию, когда концентрация хлоридов достигает критического уровня в арматуре. Кроме того, в старых конструкциях во время строительства мог использоваться хлорид кальция в качестве «ускорителя схватывания» бетона, что приводило к серьезным проблемам с коррозией.
Ремонт и профилактика
Традиционный метод ремонта бетона заключается в удалении потрескавшегося и отколотого бетона на глубину 20-30 мм за арматурными стержнями, чтобы полностью обнажить ржавый материал и удалить загрязненный бетон со стали. Затем весь корродированный материал удаляется, а сталь обрабатывается или заменяется. После этого наносятся специальные ремонтные бетонные растворы и поверхность выравнивается.
Современная разработка заключается в том, чтобы ремонтные растворы были модифицированы полимером для улучшения адгезии и предотвращения дальнейшего проникновения загрязняющих веществ. Покрытия обычно используются в сочетании с заплатами для уменьшения проникновения углекислого газа или хлоридов в будущем.
Заплаточный ремонт, при котором загрязненный бетон удаляется из разрушающихся участков, часто не полностью устраняет скрытую коррозию и приводит к ускоренному износу окружающих участков, что обычно происходит снова в течение трех-пяти лет. Годсон добавил: «Одним из ограничений ремонтных работ является то, что для решения проблемы необходимо удалить большое количество прочного бетона, что вызывает значительный шум и неудобства для жителей здания».
По словам Джастина Ригби, консультанта по покрытиям в Remedy Asset Protection: «Бетон — отличный материал, обычно непроницаемый поначалу, но для повышения долговечности следует нанести покрытие». (Дополнительную информацию о выборе покрытия см. в разделе «Антикоррозионные покрытия для различных условий эксплуатации».)
Рис. 3. Эластомерная полимерная мембрана, нанесенная на крышу городского многоэтажного дома, смягчает последствия атмосферного воздействия.
Защитные эластомерные гидроизоляционные мембраны можно наносить на бетонную поверхность в рулонах или напылять. Плоские крыши позволяют наматывать мембраны, но там, где они имеют сложную геометрию, распыление является наиболее эффективным методом нанесения.
Впечатленная текущая катодная защита
Основной альтернативой заплаточному ремонту является катодная защита (КЗ). Один тип, катодная защита подаваемым током (ICCP), представляет собой метод, при котором небольшой постоянный ток пропускают через бетон к арматуре, чтобы практически остановить коррозию стали.
Основное преимущество ICCP заключается в том, что удаление и ремонт бетона значительно сокращаются, ремонт требует только отколотый и расслоившийся бетон. После установки коррозию можно контролировать в течение длительного времени, исключая будущее растрескивание и износ даже в бетоне, сильно загрязненном хлоридами или карбонизацией.
Правильный выбор анодной системы является наиболее важным фактором при проектировании долговечной и эффективной системы ICCP. Неправильный выбор и размещение анодной системы может привести к снижению производительности и значительному сокращению срока службы установки.
По словам Годсона, катодная защита теоретически относительно проста. «Вставьте аноды в бетон на заданном расстоянии, прикрепленные к положительной клемме источника питания постоянного тока, и подключите отрицательную клемму к арматурной стали. Системы ICCP обычно работают при напряжении от 2 до 5 вольт постоянного тока», — сказал он. «Недостаток заключается в том, что вам нужно много кабелей и постоянных источников питания, в результате чего эта технология в основном ограничивается гражданскими сооружениями, такими как причалы и мосты, и очень редко применяется в зданиях».
Гибридная катодная защита
Относительно недавней разработкой стала гибридная катодная защита, в которой используются цинковые аноды, устанавливаемые в просверленные отверстия. Аноды питаются в течение начального периода около десяти дней. Начальный высокий ток CP полностью пассивирует стальную арматуру, удаляя хлориды из стержней и восстанавливая щелочную среду (высокий pH) в бетоне.
Рисунок 4. Гибридная анодная установка с анодами, установленными в отверстия диаметром 30 мм, обычно расположенными на расстоянии примерно 400 мм с титановыми соединительными проводами. После этого ремонтный раствор полностью покрывает компоненты гибридной системы.
После начальной фазы подачи тока временный источник питания и кабели удаляются, а затем аноды подключаются к арматуре через расположенные на месте распределительные коробки для обеспечения постоянной гальванической защиты. Этот относительно низкий гальванический ток поддерживает постоянное пассивное состояние арматуры и предотвращает дальнейшее повреждение бетона. Гибридные системы CP обычно рассчитаны на расчетный срок службы 30 лет и более.
Hybrid CP предлагает все преимущества ICCP, включая контроль коррозии и меньшее удаление бетона, без высоких затрат и обслуживания источников питания, кабелей и систем управления. Области и структуры, которые ранее было трудно и нерентабельно обрабатывать с помощью ICCP, можно защитить с помощью гибридной технологии CP. Сюда входят небольшие и удаленные сооружения, расположенные на участках без электричества, таких как мосты и водопропускные трубы.
Для зданий гибридный CP предлагает значительные преимущества по сравнению с ICCP, устраняя необходимость в неприглядных и дорогостоящих кабелях и источниках питания. (Для получения дополнительной информации см. статью «Гибридные системы защиты от коррозии для мостов из предварительно напряженного бетона».)
В заключение, важно, чтобы владельцы дорогостоящих активов, таких как отели, учитывали финансовые последствия игнорирования воздействия коррозии на бетонные здания и конструкции. Планирование контроля и смягчения коррозии на этапе проектирования дает много преимуществ. Два основных преимущества надлежащего управления коррозией заключаются в том, что срок службы актива увеличивается, а время и затраты на техническое обслуживание сокращаются. Кроме того, меньшее техническое обслуживание увеличивает общее использование актива и может повысить его экологическую устойчивость.
