Коррозионная стойкость арматуры в полимербетонах
Известно, что стальная арматура в плотном железобетоне не корродирует в течение длительного времени. Отсутствие коррозии стали в цементных бетонах объясняется ее пассивностью в щелочной среде таких бетонов. Основные условия пассивности стали в цементных бетонах — ее постоянный контакт с норовой жидкостью, имеющей рН 12, при этом наблюдается полное торможение анодного процесса. Коррозия арматуры в цементных бетонах обычно начинается в карбонизированном бетоне, когда создаются условия для более или менее свободного протекания анодного процесса растворения металла.
В полимербетонах механизм защитного действия и возможные процессы коррозии арматуры будут существенно отличаться от аналогичных процессов в цементных бетонах.
В технической литературе сравнительно мало данных о коррозионной стойкости арматуры в полимербетонах, к тому же некоторые из этих данных противоречивы. Поэтому необходимо привести хотя бы краткие результаты исследований, выполненных в этой области.
По методике, разработанной в лаборатории полимербетонов, прямые испытания на коррозионную стойкость арматуры проводили на шлифованных до 7 класса чистоты, обезжиренных стальных стержнях из стали класса Ст 5, которые укладывались по три стержня в полимербетонные образцы с толщиной защитного слоя у арматуры 7, 15, 20, 25, 30 и 35 мм. Диаметр стержней составлял 6 и 8 при длине 100 мм. Защитный слой толщиной 7 мм был принят для получения количественной оценки за сравнительно короткие сроки.
Полностью отвержденные полимербетонные образцы устанавливали на коррозионные испытания в наиболее характерных средах: воздушно-сухой, атмосферной, воде, растворах кислот и производства электролиза меди. В ряде жидких сред испытания проводили при повышенных температурах. По истечении намеченных сроков полимербетонные образцы тщательно осматривали, разбивали и извлекали из них арматурные стержни.
Состояние стальной арматуры оценивали по следующим показателям: площади распространения коррозии — визуально, % к площади образца; потери массы от коррозии — взвешиванием стержней на аналитических весах с точностью до 0,001 г; глубине проникания коррозии мкм, определяемой на измерительном микроскопе, при значительной глубине язв, индикатором с иглой; скорости коррозии, г/м2.
Перечисленные показатели одновременно определялись не менее чем на 3 параллельных образцах арматуры.
В отличие от стальной коррозионная стойкость стеклопластиковой арматуры (СПА) характеризовалась коэффициентом стойкости, который показывает изменение прочности при изгибе стеклопластиковых арматурных стержней диаметром 6 и длиной 100 мм после испытания в полимерных образцах по сравнению с прочностью контрольных образцов.
При определении концентрации водородных ионов рН в водных вытяжках растворной части различных полимербетонов установлено, что полимербетоны на полиэфирных и эпоксидных смолах имеют значения рН, соответствующие нейтральным растворам. Значение рН растворной части полимербетонов на фурановых смолах имеет кислый характер. При этом с увеличением количества вводимого отвердителя БСК рН уменьшается.
Прямые испытания в агрессивных средах показали, что в полимербетонах на полиэфирных и эпоксидных смолах при толщине защитного слоя более 20мм коррозия арматуры практически отсутствует во всех исследованных средах, кроме горячей кислоты. В растворах горячей кислоты, обладающих высокой проникающей способностью и агрессивностью по отношению к стали, наблюдается коррозия, которая примерно соответствует коррозии арматуры в полимербетонах ФАМ, испытанных в растворах кислот при обычной температуре.
В полимербетонах ФАМ, испытанных в воздушно-сухих условиях, коррозии арматуры не наблюдалось. В жидких средах обнаружено поражение стальной арматуры независимо от вида среды. Однако величина коррозионного поражения колеблется в очень широких пределах и зависит от следующих причин: состава полимербетона, толщины защитного слоя и температуры агрессивной среды.
Испытания показали, что с увеличением толщины защитного слоя происходит существенное замедление коррозионных процессов стальной арматуры, а с повышением температуры агрессивной среды коррозионные процессы протекают более интенсивно, так как при этом повышается скорость диффузии жидких сред через защитный слой полимербетона.
В полимербетонах с кислыми отвердителями существенное влияние на коррозию арматуры в жидких агрессивных средах оказывает вид наполнителей и заполнителей. Наиболее высокими защитными свойствами по отношению к арматуре обладают полимербетоны на гранитном и андезитовом наполнителях и заполнителях. Введение в состав полимербетонов пористых заполнителей приводит к некоторому увеличению коррозии арматуры.
Исходя из опасения, что у полимербетонов на пористых заполнителях коррозия арматуры будет проходить значительно интенсивнее, чем у тяжелых полимербетонов, длительность испытаний арматуры в образцах полимербетонов на пористых заполнителях была увеличена до 36 мес. Испытания показали, что при одинаковых условиях агрессивного воздействия скорость коррозии стальной арматуры у термообработанных образцов в среднем на 18—30% меньше соответственно для толщин защитного слоя 25 и 15 мм, чем у полимербетонов, отверждаемых в нормальных условиях.
Скорость коррозии у полимербетонов ФАМ на аглопоритовом щебне и кварцевом песке в 1,5 раза ниже, чем у полимербетонов ФАМ на аглопоритовом щебне и пористом песке.
При испытании армированных образцов третьего состава в 30%-ном растворе серной кислоты в течение 3 лет у арматурных стержней с толщиной защитного слоя 25 и 35 мм обнаружены слабые следы коррозии металла (~0,5 г/м2).
Такая незначительная величина коррозионного разрушения после 3 лет испытаний в весьма жестких условиях убедительно показывает, что полимербетоны ФАМ на пористых заполнителях при правильно подобранном составе также обеспечивают вполне надежную защиту арматуры.
Наибольшему разрушению подвергается стальная арматура в полимербетонах при наличии в их составе графита, хотя стойкость самих полимербетонов с графитом весьма высока. Это объясняется тем, что графит в сочетании с арматурной сталью образует электрохимическую пару, в которой графит является катодом, а сталь — активным анодом. Коррозия протекает в основном за счет образования локальных микроэлементов на поверхности арматуры, приводя к интенсивной язвенной коррозии и, в конечном итоге, к полному разрушению арматурной стали.
Результаты испытаний свидетельствуют, что в воздушно-сухих и атмосферных условиях среда полимербетонов, в том числе при использовании кислых отвердителей, не влияет на прочность стеклопластиковой арматуры.
При испытании полимербетонных образцов со стальной и стеклопластиковой арматурой в жидких агрессивных средах было установлено, что полимербетонные образцы, армированные стальной арматурой, имеют большие повреждения. Это объясняется нарушением сплошности полимербетона продуктами коррозии стали, которые образуются на поверхности арматуры с увеличением ее объема и создают значительные расклинивающие усилия. После испытания полимерных образцов в жидких средах снижение прочности стеклопластиковой арматуры менее значительно, чем под действием щелочной среды в цементных бетонах.
При испытании полимербетонных образцов, армированных стеклопластиковой арматурой, в среде электролизных ванн было установлено, что стойкость такой арматуры, обладающей диэлектрическими свойствами, значительно выше, чем стальной.
Таким образом, существующие в настоящее время полимербетоны по виду отвердителей можно разбить на три основные группы : отверждаемые различными кислотами; отверждаемые перекисями; отверждаемые аминами и щелочами.
У третьего вида полимербетонов стальная арматура находится в наиболее благоприятных условиях, так как щелочная среда отвердителя должна способствовать пассивации стали, а высокая плотность полимербетона достаточно надежно защищает ее от контакта с агрессивными средами. В наименее благоприятных условиях будет находиться арматура в полимербетонах, отверждаемых различными кислотами. Вторая группа полимербетонов занимают по этим признакам промежуточное положение.
Принятая классификация полимербетонов по виду отвердителя и стойкости арматуры в зависимости от вида отвердителя и вида наполнителя и заполнителя позволяет прогнозировать поведение арматуры и в зависимости от условий эксплуатации более правильно выбирать вид полимербетона в каждом конкретном случае.
Прямыми коррозионными испытаниями было установлено, что коррозия стальной арматуры начинается через некоторое время (время запаздывания) после контакта армополимербетона с агрессивной жидкостью. При этом скорость коррозии можно условно разделить на три области. В первой области наблюдается увеличение скорости коррозии в связи с диффузионным накоплением агрессивной жидкости и увеличением ее концентрации у поверхности металла.
Для второй области характерно снижение во времени скорости коррозии, что связано с возрастанием электрохимического торможения коррозионного процесса за счет образования плотного слоя продуктов коррозии на арматуре и экранирования ими поверхности металла.
Третья область, характерная в основном для полимербетонов низкой стойкости и для малых толщин защитного слоя, — область вновь возрастающей скорости коррозии за счет язвенного поражения арматуры.
Для полимербетонов с графитовым наполнителем характерно отсутствие второй области. У полимербетонов на гранитном заполнителе и андезитовом наполнителе отсутствует третья область. Для таких полимербетонов при толщине защитного слоя 30 мм и постоянном действии 10%-ной серной кислоты при 20°С скорость коррозии во второй области составляет примерно 0,003—0,004 мм/год. При такой скорости коррозии арматура может вполне надежно эксплуатироваться не менее 25 лет.