Главная / Статьи / Повышение эксплуатационной надежности и долговечности железобетонных конструкций методом поверхностной пропитки ингибиторами

Повышение эксплуатационной надежности и долговечности железобетонных конструкций методом поверхностной пропитки ингибиторами

Строительство транспортных сооружений повышенной эксплуатационной надежности и долговечности важнейшая задача, которую необходимо постоянно решать транспортным строителям.

При эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействиям внешней среды, которые во времени приводят к нарушению структуры бетона и коррозии арматуры, часто среда является агрессивной по отношению к арматуре и бетону.

В плотном бетоне, изготовленном на портландцементе, в котором находится арматурная сталь, рН поровой жидкости характеризуется величинами 12 – 12,5; при этом структура бетона не предотвращает поступление кислорода из атмосферы к поверхности арматуры. При проектной толщине защитного слоя сталь становится пассивной и остается пассивной до тех пор пока процесс карбонизации углекислотой воздуха (СО2) или диффузия ионов хлора (Cl-) агрессивной среды не достигнет в бетоне поверхности стали (1,2).

Механизм возникновения продуктов коррозии связан с образованием на поверхности стали анодных и катодных участков (3), на которых происходит переход ионов металла в раствор и их гидратация; при этом освобождаются избыточные электроны, движущиеся к катодным участкам, на которых кислород превращается в ион гидроксила (ОН-). Такой процесс коррозии стали называют коррозионным процессом с кислородной деполяризацией. Процессы разрушения металлов в атмосфере, воде, в почвах, а также коррозия стали в бетоне протекают, в большинстве случаев, с кислородной деполяризацией.

Термодинамические расчеты, выполненные Пурбэ (4), позволили в координатах рН – Еh (в) (электродный потенциал металла) выделить участки с пассивным состоянием стали, термодинамической стабильностью, а также процессами коррозии.

Были выполнены исследования по повышению способности бетона защищать арматуру в железобетонных конструкциях с помощью введения в бетон при его изготовлении добавок-ингибиторов коррозии, также и в случае присутствия в агрессивной среде хлорид- ионов (5,6).

Применение добавок нитрита натрия с хроматом натрия, нитрита натрия с бензоатом натрия, нитрита натрия с другими поверхностно-активными добавками при содержании в бетоне хлорид-иона, препятствовало коррозии арматуры. Было установлено, что при содержании хлорид-иона в бетоне более 0,6% потенциалы арматуры имеют отрицательные значения, близкие к равновесному потенциалу анодного процесса растворения железа, равного 0,440 в. Было установлено влияние также на процесс коррозии плотности цементного раствора, равновесной влажности, толщины защитного слоя, концентрации кислорода. Повышение защитных свойств бетона по отношению к арматуре достигалось возрастанием катодного ограничения коррозионного процесса стальной арматуры. В цементных растворах при введении добавки этилсиликоната натрия скорость коррозии стали снижалась в 2,5 – 3 раза, при этом ограничивался не только катодный процесс, но также и анодный процесс вследствие образования на поверхности металла в бетоне гидрофобизирующих пленок (6).

В работе (7) было показано, что в растворах гидроксида натрия (NaOH) при рН больше 12 потенциал железа в течение 35 - 40 часов сдвигается к плюсу до стационарного значения в диаграмме от -25 до +150 мв. Поверхность электрода находится в пассивном состоянии, анодный процесс резко замедляется. В разбавленных растворах гидроксида натрия (рН меньше 11,3) потенциал железа в начальный период сдвигается к минусу до стационарного значения в диапозоне от -300 до -350 мв.

Авторы пришли к выводу, что сталь не пассивируется в щелочных растворах при рН со значениями ниже 11,3 – 11,8. По термодинамическим расчетам (8) гидроксид железа (Fe(OH)2), образующий пассивную пленку на поверхности железа, оказывается неустойчивым соединением. В бетоне, в котором поровая жидкость имеет рН больше 12 арматура находится в пассивном состоянии благодаря полному анодному торможению коррозионного процесса.

В работе (9) было показано, что сталь теряет пассивность и начинает корродировать в бетоне при частичной карбонизации, когда рН меньше 11. Ионы хлора (Cl-) депассивируют пассивную пленку Fe(oH)2 на поверхности арматуры в бетоне; ионы (SO42-) депассививуют также, но оказывают более слабое действие попадая в бетон. В то же время ионы NO2-, Cr2O72- и другие способствуют сохранению пассивных пленок. По требованию экологов соединения хрома должны быть исключены из практического применения.

В последние годы ученые и инженеры США и РФ развивают направления по обработке поверхности нового или разрушающегося бетона специальными составами, ограничивающими развитие процесса коррозии, обеспечивая повышение сохранности арматуры в бетоне, придавая бетону гидрофобизирующие свойства и его упрочнение.

Для повышения стойкости и долговечности железобетонных конструкций следует применять защитные составы проникающего действия, обработка которыми бетона и арматуры приводит к предотвращению коррозии арматуры и повышает сопротивляемость бетона внешним атмосферным воздействиям.

Система защиты от коррозии арматуры и бетона является проникающая коррозионная ингибирующая система (ПКИС). Она обеспечивает три основных химических процесса:

- пенетрация ингибитора ионно-анодного типа,

- пенетрирующего органического ингибитора, действующего в паровой фазе,

- образование защитной пленкой на поверхности металла.

Действие ПКИС заключается в одном или обоих анодных и катодных механизмах на участках поверхности металла в бетоне при пенетрации к поверхности металла ингебиторов. Возможно нанесение ингебиторов при ремонте непосредственно на поверхность арматурной стали.

Активные ингредиенты солей органических аминов пенетрируют через поры геля в паровой фазе прямо на поверхность арматурной стали без взаимодействия с цементом. Оба анодных ингибитора реагируют с первоначально образовавшимися пленками оксидов на металле изолирующих его на воздухе и в воде.

Наибольшее значение такая обработка имеет для удлинения срока службы арматуры при эксплуатации бетона в агрессивной среде, содержащей хлор-ионы.

В качестве составов для такой обработки применили:

Surtreat TPS II - многофазный ингибитор коррозии, содержащий водорастворимую смесь силикатов одновалентных металлов с добавками,

Surtreat TPS IV – водорастворимые силикаты с добавками,

Surtreat TPS XII – ингибитор коррозии, содержащий органические соли аминов,

Surtreat Repel WB – кремнийорганическая жидкость: диметилфенилсилоксан.

По разработанной технологии указанные материалы наносятся на поверхность бетона железобетонных конструкций методом распыления, валиком или кистью; при ремонте железобетонных конструкций могут быть нанесены на поверхность обнаженной арматуры с последующей укладкой свежеприготовленной бетонной смеси. Подготовка поверхности может производиться без удаления разрушенного бетона, только промывкой его водой под высоким давлением.

К положительным свойствам, продукта TPS II, следует отнести его хорошую растворимость в воде, не препятствует диффузии паров воды из бетона, не является пленкообразующим веществом, приводящим к пароизоляции, позволяет немедленно продолжать необходимые строительно-монтажные работы, в том числе передвижение людей, транспортных средств по обработанной бетонной поверхности.

После нанесения и проникновения в бетон TPS IV защищает бетон, арматурную сталь в результате химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента в затвердевшем бетоне. Заполняет микротрещины и поры, связывает до 40% ионов хлора, приводит к увеличению прочности бетона на сжатие.

TPS XII формирует пассивирующие пленки на поверхности стали, снижает скорость коррозии металла, а также предотвращает дальнейшее разрушение. Механизм действия TPS XII объясняется участием продукта в электрохимических реакциях на анодных и катодных участках арматурной стали. Защита арматурной стали достигается в условиях действия на бетон углекислоты воздуха, вызывающего процесс карбонизации бетона и ухудшения его защитных свойств по отношению к арматуре, а также при действии агрессивных сред, содержащих ион-хлора (Cl-).

Технология нанесения TPS XII на поверхность защищаемого бетона и арматуры такая же как при использовании TPS II и TPS IV.

Surtreat Repel WB поставляется в виде органического раствора, наносится на поверхность бетона также как продукты TPS II, TPS IV и TPS XII.

В заключении следует отметить, что предложенные нами материалы, технология их применения после нанесения на бетон позволяют поддерживать арматуру в пассивном состоянии в бетоне, тормозить процесс коррозии арматуры и бетона, в результате повысить стойкость железобетонных конструкций транспортного назначения.

Применение ингибиторов позволяет существенно уменьшить скорость коррозии арматуры в 3 – 4 раза и увеличить прогнозируемую долговечность железобетонных конструкций на десятки лет.

Предложенная технология является инновационной. Ее следует применять для обработки новых железобетонных конструкций в транспортных сооружениях, эксплуатируемых в непосредственной близости от морских и океанских акваторий, а так же в других агрессивных условиях эксплуатации.