В.Ф. СТЕПАНОВА, д-р техн.наук, проф.,ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОХРАННОСТИ АРМАТУРЫ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Вопросы качества и долговечности строительных конструкций как в техническом, так и в экономическом аспектах привлекают все больше внимания строителей. Очевидно, что во многих случаях экономически оправдано увеличение первоначальных затрат на изготовление конструкций и их надежную защиту, если это позволяет сократить число и стоимость ремонтов в процессе эксплуатации.
По различным статистическим оценкам, от 15 до 75% конструкций подвергаются воздействию агрессивных сред, около 30 % из них требуется защита. Отсутствие должных мер первичной или вторичной защиты приводит к преждевременному разрушению конструкций зданий и сооружений, нанося огромный ущерб народному хозяйству.
Работами различных авторов показано [1,2], что долговечность армированных конструкций зависит не только от стойкости самого бетона, но и от его способности длительно защищать стальную арматуру от коррозии. В практике строительства нередки случаи, когда железобетонные конструкции выходят из строя вследствие коррозии арматуры как из-за уменьшения ее сечения, так и в результате разрушения защитного слоя бетона давлением продуктов коррозии стали.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора и обобщенный научный опыт позволили разработать теоретические основы повышения защитных свойств легких и тяжелых бетонов по отношению к арматуре, в том числе с использованием нетрадиционных вяжущих материалов и заполнителей.
Развитие теории коррозии и защиты арматуры в железобетонных конструкциях получило в работах Москвина В.М., Алексеева С.Н., Бабушкина В.И., По- лака Ф.М. и др. Ими было показано, что скорость коррозии стали в бетоне зависит от степени агрессивности воды-среды, которая для случая с бетоном оценивается pH жидкой фазы цементного камня и содержанием кислорода. Термодинамическая возможность коррозии стали в бетоне наглядно иллюстрируется диаграммой Пурбэ, которая отражает влияние водородного показателя pH среды и потенциала на электрохимическое состояние стали [3].
Важнейшей особенностью цементного бетона является щелочность жидкой фазы, нормально насыщенной гидратом окиси кальция. Пористость же бетона способствует активному взаимодействию его со средой. Как показывают многочисленные исследования, практическое отсутствие коррозии арматуры в бетоне объясняется пассивностью стали в щелочной среде, те неспособностью к растворению по реакции лН20 + Ме> Me + л Н20 + 5, а все известные случаи коррозии арматуры связаны с тем. что по той или иной причине ее поверхность остается активной или теряет пассивность в процессе эксплуатации.
По теории Томашова Н.Д. [4], пассивность стали вызывается торможением анодного процесса. В отличие от этой точки зрения Фрумкин А Н. и Колотыркин Я М. развивают адсорбционную теорию. И та, и другая теории достаточно согласуются с опытом.
В настоящей работе предпочтение отдано электромеханическому механизму коррозии стали в бетоне. Опытные данные показывают, что при пониженном pH (меньше 11,5) сталь может быть активной, а высокое значение pH (больше 12) необходимо, но еще недостаточно для ее пассивации. Основываясь на теории электрохимического процесса коррозии стали в бетоне, нами был выполнен комплекс исследований, позволяющих выявить влияние на коррозию арматуры нетрадиционных легких заполнителей и вяжущих.
Учитывая возможное снижение pH жидкой фазы легкого бетона уже в процессе его твердения, были проведены исследования влияния заполнителей с различными физико-химическими свойствами на кинетику связывания гидроксида кальция. Были исследованы 2 группы заполнителей: искусственные и природные. Выбор заполнителей основывался на различии в их химическом составе, а именно на содержании активных Si02 и А1203, а также на их водопоглощении. Основные свойства крупного и мелкого пористых заполнителей приведены в табл 1 и 2
Для определения способности пористого заполнителя связывать гидроксид кальция нами была разработана ускоренная методика, приближающая условия исследования к условиям твердения бетона. В экспериментах использованы среднеалюминатный бездобавочный портландцемент различных заводов. Условный минералогический состав исходного клинкера в %: C3S - 62; C2S -17; С3А - 6; C4AF - 12.
Исследования проводили на заполнителях различных фракций с целью оценки их роли на связывание оксида кальция в объеме цементного камня. Об активности заполнителя судили по количеству СаО, связанной 1 г заполнителя Усредненные экспериментальные данные приведены на диаграмме (рис. 1).
Анализ полученных результатов позволяет констатировать, что практически все пористые заполнители могут связывать оксид кальция Способность вступать в химическое взаимодействие возрастает в зависимости от суммарного содержания Si02 и Д1203 и снижается с увеличением крупности заполнителя, что объясняется малой удельной поверхностью взаимодействия крупных фракций, по сравнению с мелкими фракциями, и большим содержанием активных составляющих в пористом песке.
Роль крупных фракций пористого заполнителя во взаимодействии с оксидом кальция незначительна и не может оказывать существенного влияния на снижение pH жидкой фазы бетона в объеме цементного камня.
Учитывая, что наибольшей способностью связывать гидроксид кальция обладают мелкие фракции (0-5 мм) пористого песка, особенно его пылевидная фракция, нами были проведены ускоренные коррозионные испытания стали в цементном камне с использованием электрохимических методов исследования. Для ускорения процесса протекания реакции образцы подвергались термообработке при температуре 85 °С, в дальнейшем они хранились при относительной влажности среды 75%. Статистически обработанные экспериментальные данные с достоверностью 0,95 позволили очертить область расположения анодных поляризационых кривых стали в цементном камне бетона (рис. 2) с различным содержанием пылевидной фракции пористых песков (<0,15 мм).
Анализ результатов показал, что при введении пылевидной составляющей в количестве 15% массы цемента стальная арматура находится в пассивном состоянии, а плотность тока при потенциале +300 мВ не превышает 15 мкА/смг. При введении 20% пылевидной составляющей происходила коррозия арматуры с добавкой пылевидной фракции вулканического туфа, вулканического шлака и шунгизита, при 30% добавки коррозия арматуры наблюдалась во всех исследуемых вариантах.
Отсутствие коррозии арматуры при 15% добавки объясняется тем, что скорость поступления оксида кальция в жидкую фазу бетона выше, чем скорость связывания его активными составляющими пылевидной фракции. При дальнейшем увеличении пылевидной составляющей до 20% скорость связывания оксида кальция в одних случаях опережает процесс поступления СаО в жидкую фазу (вулканические заполнители), в других - нет (керамзит, шунгизит), что подтверждается величиной pH жидкой среды цементного камня и связано с гидравлической активностью материала. При введении 30% пылевидной фракции скорость связывания оксида кальция пылеватыми фракциями пористых песков во всех случаях выше скорости его поступления в жидкую фазу.
Проведенный комплекс физико-химических исследований цементного камня с активными составляющими пористых песков показал, что все пылевидные составляющие пористых песков обладают способностью связывать оксид кальция, и из условия влияния на снижение пассивирующего действия бетона по отношению к стали их можно условно разделить на 4 группы: неактивные, слабо-, средне- и сильноактивные (табл. 3).
Учитывая, что способность пористых песков и их пылевидных составляющих связывать оксид кальция не является величиной постоянной и может меняться в зависимости от температуры и режима обжига искусственных заполнителей, от химического состава природных материалов, не представляется возможным установить оптимальные величины расхода цемента для обеспечения пассивности стали в легком бетоне. Наибольшая опасность начала развития коррозии арматуры в начальный период твердения характерна для конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов, поскольку расходы цемента в них невелики, а в качестве мелкого заполнителя используется пористый песок.
Кроме оценки влияния пористых песков, были проведены исследования влияния зол, золошлаковых смесей, смешанных вяжущих низкой водопотребности, тонкомолотых цементов на коррозию арматуры. На основании выполненных экспериментов с привлечением физико-химических методов установлено влияние гидравлической активности тонкомолотых компонентов на основе зол, шлаков и других природных и искусственных заполнителей на развитие коррозии арматуры в бетоне. Основными реакционноспособными оксидами также являются Si02 и А1203.
Полученные нами данные по кинетике связывания оксида кальция на основании химического анализа были обработаны с использованием уравнения первого порядка, характерного для гетерогенных реакций:
Эта зависимость впервые была предложена Дроздовым В.В. в теории прикладной электрохимии и использована Ратиновым В.Б. при изучении вопросов кинетики образования двойных солей при гидратации цемента в присутствии многокомпонентных добавок электролитов.
Результаты обработки экспериментальных данных показали, что выражение (1) пригодно для учета кинетики образования оксида кальция в присутствии гидравлически активных компонентов. Реакция протекает по схеме 2Са(ОН)2 + Si02 = Ca2Si04 • 2Н20, при этом константа скорости реакции в пределах ошибки опыта оказывается величиной постоянной, не зависящей ни от концентрации, ни от времени.
При нормальном твердении реакция взаимодействия оксида кальция с активным кремнеземом протекает с одинаковыми значениями параметров К и р для одного вида материала и не зависит от количества пылевидной составляющей. При гидротермальной обработке константа скорости реакции возрастает от 3 до 6 раз, по сравнению с кварцевым песком, и зависит от активности материала, а коэффициент торможения реакции изменяется незначительно (табл. 4).
Расчеты показывают, что процесс взаимодействия оксида кальция с кремнеземом при нормальной температуре протекает крайне медленно. Скорость реакции резко возрастает при повышении температуры в смесях на пористых песках. Полученные результаты подтверждены данными рентгенографического анализа. Показано, что скорость гидратации алита изменяется в зависимости от активности пористых песков и может быть больше или меньше скорости связывания оксида кальция активным кремнеземом.
На основании изложенного нами предложена формула корректировки расхода цемента в бетоне с использованием гидравлически активных материалов: к 1П а 100
С учетом предложенного расчета были проведены ускоренные коррозионные испытания стали в различных составах легких бетонов на природных и искусственных пористых заполнителях.
О коррозионном состоянии стали судили по характеру анодных поляризационных кривых, т.е. плотности тока при потенциале +300 мВ, и по скорости коррозии стали, определяемой методом поглощенного кислорода, а также на основании длительных коррозионных испытаний в условиях переменного увлажнения и высушивания, при различных относительных влажностях окружающей среды и в атмосферных условиях Москвы. Статистически обработанные результаты исследований с достоверностью 0,85 позволили ориентировочно установить минимально допустимый расход портландцемента в зависимости от гидравлической активности мелкого пористого заполнителя для обеспечения первоначальной пассивности стали в бетоне конструкций, предназначенных для работы в агрессивных газообразных средах (см. табл. 3).
Выполненный комплекс исследований на бетонах с использованием смешанных вяжущих, где в качестве добавки к цементу вводились зола, тонкомолотый кварцевый песок (ускоренные коррозионные испытания по оценке пассивирующей способности бетона, определение pH жидкой фазы бетона, оценка степени гидратации и расчет запаса клинкерного фонда) позволил констатировать следующее.
Смешанные вяжущие отличаются от традиционных портландцементов продуктами новообразований, а именно: для них характерна низкая основность формирующихся гидросиликатов за счет связывания оксида кальция.
Наиболее активное связывание последнего происходит в композициях смешанных вяжущих, содержащих в своем составе золу.
Как и в традиционном портландцементе, процесс гидратации у смешанных вяжущих идет активно в начальные сроки твердения (до 28 сут), после чего интенсивность процесса существенно снижается, а в 3 и 6 мес изменения степени гидратации незначительны. Наибольшая степень гидратации характерна для смешанных вяжущих, содержащих в своем составе гидравлически активные компоненты.
Цементный камень из смешанного вяжущего способен пассивировать стальную арматуру, если степень гидратации после раннего инкубационного периода стабилизируется к 6 мес и достигает значения 80- 85% с остаточным запасом клинкерного фонда 5-6%.
Способность смешанных вяжущих пассивировать стальную арматуру зависит от природы неклинкерного компонента и от общего расхода смешанного вяжущего в целом.
Полученные закономерности положены в основу проектирования составов бетона с заданными защитными свойствами по отношению к арматуре.
Бетон и железобетон, 2007 №5