1841

Плотность тока в процессе эксплуатации может меняться из-за нарушения изоляции металлической конструкции или при образовании на катодных поверхностях металлоосадка. Осадки металлов возникают в прикатодном слое вследствие подщелачивания раствора. Это приводит к смещению основного карбонатного равновесия в сторону образования карбонатов:

HCO3 + H+ ↔ CO32 + 2H+.

Вследствие переноса электротока в прикатодном слое в электролите увеличивается концентрация катионов Ca2+ и Mg2+, и на поверхности катода образуются труднорастворимые соединения CaCO3 и Mg(OH)2, которые формируют катодные осадки. В данном случае такие соединения CaCO3 и Mg(OH)2 являются неорганическими катодными ингибиторами. Наличие на катодных участках труднорастворимых осадков затрудняет прохождение коррозионного тока и требует меньшей плотности защитного тока.

В табл. 3.5.2 представлена защитная плотность тока для стальных конструкций.

Появление катодных осадков позволяет применять периодическую поляризацию: в момент отсутствия защитного тока защита обеспечена катодными осадками. Электрохимическую защиту металлоконструкций в водной среде применяют в сочетании с защитными покрытиями или в сочетании с ингибиторами.

Электрохимическую защиту в сочетании с протекторами используют преимущественно тогда, когда нужен ток небольшой силы. Достоинство протекторной защиты – независимость от источника тока, простота монтажа, возможность применения локальной защиты, а недостаток – безвозвратная потеря материала протектора.

152

Таблица 3 . 5 . 2 Защитная плотность тока для стальных конструкций, эксплуатируемых

в природных коррозионных средах

Электрохимическая защита наложением тока от внешнего источника отличается высокой эффективностью (почти до 100%), возможностью регулировки поляризующего тока и поддержания определённого значения потенциала. Недостатки – высокая стоимость установки и необходимость систематического контроля, а также профилактического ремонта.

3.6.Электрохимическая коррозия стальной арматуры

вжелезобетонных конструкциях

3.6.1. Общие с ведения о стальной арматуре

Бетон в чистом виде для строительства применяется не очень часто. Обычно бетон армируют с помощью металлических стержней, в результате чего получаются железобетонные конструкции. Именно они и подвергаются электрохимической коррозии, а точнее разрушается электрохимически стальная арматура.

Коррозия арматуры в бетоне не всегда совпадает по причинам с коррозией бетонного камня. Обычно бетон защищает арматуру от коррозии, но если в бетоне появляются трещины, куда попадает влага,

153

сернистые газы, О2, СО2 и содержащийся в атмосфере хлор, сероводород и др., то разрушается и стальная арматура. При углекислотной коррозии стойкость бетонного камня повышается вследствие карбонизации, в то время как арматура подвергается коррозии. Грунтовые минерализованные воды являются агрессивными как по отношению к бетонному камню, так и к арматуре. Обычно железобетонные конструкции выходят из строя быстрее, чем бетон, вследствие коррозии и арматуры и бетона. Длительный опыт эксплуатации железобетонных конструкций, зданий, сооружений показывает, что одной из причин их преждевременного разрушения является коррозия стальной арматуры, вызываемая коррозией самого бетона. В настоящее время при изготовлении ненапряженных железобетонных конструкций для армирования применяют обычную углеродистую сталь – пластичную или низколегированную. Для предварительно напряженных конструкций используется высокопрочная сталь. Однако применение в обычных железобетонных конструкциях высокопрочных сталей нецелесообразно. Однако, если до приложения эксплуатационных нагрузок в растянутых зонах железобетона за счет натяжения арматуры предврительно сжать бетон, то опасность трещинообразования резко снизится. Такие конструкции получили название предварительно напряженных (преднапряженных). Так как в преднапряженных конструкциях растяжение арматуры до момента исчезновения искусственного созданных сжимающих напряжений в бетоне не может вызвать образование трещин в бетоне, то использование несущей способности арматурной стали и бетона значительно возрастает. Таким образом, роль стальной арматуры в бетоне заключается в предотвращении трещинообразования в бетоне при изгибе и других нагружениях.

3.6.2. Классификация стальной арматуры

Существует несколько классификаций стальной арматуры:

1. По механическим характеристикам арматуры сталь делают на следующие классы:

а) А – I – А – VII; B – I (низкоуглеродистую) – B – II (углеродистую); Термически упрочненную сталь дополнительно обозначают индексом «т», а упрочненную вытяжкой сталь обозначают индексом «в» (например,

AIIIв; Ат-IV).

Для обозначения арматурной проволоки периодического профиля к индексу «В» добавляют «р», что означает «рифленая» (например, Вр-II).

Количество проволок в арматурных прядях обозначают цифрой после индекса (например, П-7 – семипроволочная арматурная прядь). К индексу арматурных канатов «К» добавляют две цифры, первая из которых соответствует количества прядей, а вторая – числу проволок в одной пряди (на-

154

пример, К2 7 – двухрядовый канат, каждая прядь которого состоит из 7 проволок). Стержни арматурной стали класса А-I изготавливают круглыми, гладкими, а других классов – периодического профиля. Сталь периодического профиля классов А-II и Aт-IV прокатывают с выступами: двумя продольными и поперечными, расположенными по винтовой линии, а сталь классов A-III, A-IV, A-V и Ат-VII – с поперечными выступами, размещенными «елочкой». Арматурные стали разных классов с одинаковым рисунком периодического профиля различают по проводу окрашенных концов: для классов A-IV и Ат-V – синий; для Ат-VI – зеленый и для Ат-VII – желтый.

На рис. 3.6.2.1 представлены виды арматурной стали.

Рис. 3.6.2.1. Виды арматурной стали:

а – периодического профиля классов А-II и Aт-IV; б – то же классов A-III и A-IV, Ат-VI и Ат-VII; в – проволока высокопрочная периодического профиля;

г – пряди; д – канаты

В табл. 3.6.2.1 представлена характеристика арматурных сталей.

По условиям применения арматура делится на напрягаемую и на ненапрягаемую. Напрягаемую арматуру получают предварительно ее натягивая. Натяжение служит для увеличения прочности железобетонной конструкции путем предотвращения образования трещин, уменьшения прогибов и снижения собственной массы конструкции, поскольку по весу требуется значительно меньше арматуры.

155

156

157

марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. В стали присутствуют фазы: α-железо с небольшим содержанием углерода, фосфора и кремния в виде твёрдого раствора – феррит; карбид железа Fe3C – цементит; эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлит; твёрдый раствор углерода в γ-железе – аустенит; эвтектическая смесь цементита и аустенита – ледебурит; дисперсный раствор углерода в α-железе – мартенсит; дисперсный раствор цементита в α-железе – троостит; грубая дисперсия цементита в α-железе – сорбит и различные неметаллические включения в виде сульфидов, нитридов, фосфидов, а также растворённые газы. Все стали имеют кристаллическую структуру, состоящую из многих отдельных кристаллов, имеющих неправильную форму. Кристаллы ориентированы по отношению друг к другу произвольно под большими углами. Это приводит к образованию поверхностей раздела между ними. Химическое различие отдельных зёрен, наличие в структуре примесей и включений являются причиной неоднородности поверхности стали. Кроме того, на поверхности стали могут находиться плёнки, а в структуре возможно образование воздушных пузырей и микротрещин. Главными фазами в стали являются феррит, аустенит и цементит. Самой химически активной фазой является феррит. Его стационарный электрохимический потенциал такой же, как и у чистого железа, то есть φ°= –0,44В.

Структурная неоднородность или гетерогенность стали при соприкосновении с электролитами приводит к возникновению микрогальванических коррозионных пар. Катодами являются оксидные плёнки, а анодами – всегда феррит.

Термодинамическая неустойчивость железа объясняется большой отрицательной величиной изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса) ∆G его взаимодействия с водой и кислородом воздуха с образованием соответствующих гидроксидов:

Данные таблицы подтверждают, что железо в присутствии воды и кислорода очень неустойчиво и переходит в Fe(OH)2 и Fe(OH)3.

159

Приведенные выше реакции невозможны только при отсутствии воды и при парциальном давлении кислорода, равном 10–80,2 атм, так как в воздухе всегда присутствуют пары воды, а парциальное давление кислорода равно только 0,21 атм и, следовательно, предотвратить протекание реакций (3.1) и (3.2) является трудной технической задачей. Введение в состав стали легирующих добавок может сильно затормозить коррозию. Для изготовления арматуры для железобетона используются обычные углеродистые и низколегированные стали, содержащие не более 3% легирующих компонентов. Коррозионная стойкость таких сталей в обычных условиях невысока. В результате термической обработки на поверхности арматурной стали появляется слой окалины, состоящей из оксидных плёнок. Электродный потенциал стали под этими плёнками становится более электроположительным, что увеличивает разность потенциалов между катодом и анодом и ускоряет коррозию. Процессы электрохимической коррозии стимулируют также следы ржавчины на поверхности арматурной стали, образовавшейся при хранении на складах

(рис. 3.6.2.2).

Процессы, протекающие на анодных и катодных участках, в нейтральной среде выражаются уравнениями электродных реакций:

анод: 3Feо - 8ē + 8OH¯ → Fe3O4 + 4H2O; катод: O2 + 4ē + 2H2O → 4OH¯.

Электроны движутся от анода к катоду внутри арматурной стали, а ионы OH¯ – от катода к аноду через раствор, с которым он контактирует. Чтобы протекали анодные и катодные процессы, необходим постоянный приток кислорода, а поверхность стальной арматуры должна быть влажной.

Цементный камень железобетона – структура пористая. Поры заполнены водой, в которой растворяются щелочные компоненты камня, Ca(OH)2, хлориды и другие соединения. Поэтому коррозия стальной арматуры зависит от pH порового раствора. Если pH выше 11,5, а ионы Cl¯ отсутствуют, то оксид осаждается в виде тонкой защитной плёнки, которая практически непрерывна, а скорость коррозии очень низка. Стальная арматура становится пассивной. При более низких значениях pH оксид или оксигидроксид железа образуют рыхлые структуры и коррозия ускоряется. Если в поровом электролите железобетона присутствуют ионы хлора Cl¯, то они вызывают местные разрывы пассивной плёнки даже при высоких значениях pH, то есть в щелочной среде. Открытые зоны стальной арматуры становятся анодами, а незатронутые области – катодами. Как правило, области разрывов пассивной плёнки малы, поэтому плотность коррозионного тока на анодах может быть очень высокой, вызывая образование раковин и локализованное уменьшение pH, что усиливает коррозию. Высокие отношения Cl¯/OH¯ в поровом растворе благоприятствуют образованию раковин.

160