Вызванная хлором коррозия арматуры

Опыт использования ускорителей твердения насчитывает более ста лет. В качестве ускорителей используют ряд растворимых неорганических и органических веществ, а также нерастворимых твердых соединений. Наибольшее распространение получили удобные при использовании водорастворимые соединения – неорганические хлориды, нитриты и нитраты, карбонаты, тиоционаты, тиосульфаты, силикаты щелочных и щелочноземельных металлов, органические – кальциевые соли муравьиной, уксусной кислот, а также алканоамины [1, 2 и др.]. Ускорители действуют благодаря интенсификации процесса гидратации цемента. По эффективности ускоряющего действия на гидратацию C3S соответственно катионы и анионы растворимых неорганических солей расположены в следующем порядке: Ca²⁺ >Sr²⁺ >Ba²⁺ >Li⁺ >K⁺ >Na⁺ ≈ Cs+ >Rb⁺,
Br− ≈ Cl^- >SCN^- >I^- >NO₃^- >ClO₄^- [3]. Исходя из этого ряда самым эффективным ускорителем является хлорид кальция. Эта добавка стала эталоном дешевого эффективного ускорителя с предсказуемым действием на подавляющем большинстве цементов.

Первое свидетельство о применении хлорида кальция CaCl₂ как добавки для бетона относится к 1886 году [4]. Однако в дальнейшем на основании наблюдения за реальными конструкциями было обнаружено, что введение в железобетон хлорида кальция вызывает коррозию арматуры. Уже в 50-е годы XX века было введено понятие «пороговое содержание хлоридов» – содержание хлор-ионов, при котором арматура переходит из пассивного состояния в активное, т.е. наступает коррозия.

Теоретически бетон – это вечный материал, он не гниет, как дерево, и не корродирует, как металл. Предполагается, что арматура в бетоне надежно укрыта защитным слоем: благодаря высокому рН поровой жидкости, который обеспечивается растворенными в ней гидроксидами кальция, натрия, калия, арматура находится в пассивном состоянии. Однако на практике все чаще встречаются случаи, когда железобетонные конструкции выходят из строя из-за коррозии арматуры через 5-10 лет эксплуатации [5]. Особенно это опасно для конструкций с различного рода преднапряжением.

Основная причина коррозии арматуры – разрушение пассивирующей пленки в силу:

– понижения pH поровой жидкости;

– наличия ионов хлора в бетоне выше порогового содержания.

Сложность прогнозирования коррозионных процессов в бетоне заключается в том, что и содержание хлоридов в бетоне, и пороговое содержание хлоридов – это переменные величины для каждой конструкции. Диаграмма 1 [6] наилучшим образом отображает факторы, влияющие на коррозионное состояние арматуры в бетоне. Как видно из графика, важнейшее значение имеет качество защитного слоя бетона, что определяется его проницаемостью, которая зависит от расхода цемента, водовяжущего отношения, наличия или отсутствия влажностного ухода. Даже достаточная толщина защитного слоя не обеспечит сохранность арматуры при наличии трещин, дефектов поверхности. Критическое содержание хлоридов в бетоне, указываемое в большинстве литературных источников, – 0,4% от массы цемента, и зависит в том числе от рН поровой жидкости бетона. Основной причиной понижения рН является химическое связывание гидроксида кальция, которое происходит в первую очередь за счет карбонизации, введения в бетон пуццолановых добавок (шлак, микрокремнезем, зола-унос), обработки поверхности бетона силикатными, кремнефторидными пропитками. Следует отметить, что в отличие от российских норм евростандарт EN 206 содержит ограничения по количеству пуццолановых добавок, вводимых в бетон. Так, содержание микрокремнезема ограничено 11%, а золы-уноса – 33% от массы цемента. Данное ограничение необходимо для обеспечения заданной долговечности железобетонных конструкций.

Хлориды, которые могут попадать в бетон с загрязненными инертными материалами или химическими добавками, частично реагируют с C₃A c образованием водонерастворимых соединений и в дальнейшем не влияют на коррозионные процессы [7]. Поэтому, даже зная содержание хлоридов в компонентах бетона, нельзя точно спрогнозировать содержание хлоридов в бетоне, изготовленном из этих компонентов. Кроме того, содержание коррозионно-активных хлоридов постоянно меняется из-за химических реакций в бетоне и возможного поступления хлоридов извне, например, при воздействии на бетон морской воды или солей-антиобледенителей.

Таким образом, невозможно сделать достоверный теоретический прогноз коррозионного состояния арматуры в бетоне. Защитное действие бетона с добавками определяют в лабораторных условиях различными методами: потенциометрическим, методом снятия поляризационных кривых. Однако даже положительные результаты лабораторных испытаний не могут быть перенесены на реальную конструкцию, так как нельзя судить о скорости коррозии в долгосрочной перспективе [8].

Нормативные ограничения по содержанию хлоридов в добавках и в бетонах

Учитывая невозможность долгосрочного прогноза коррозионного состояния арматуры, единственным способом увеличения долговечности конструкции остается жесткое ограничение содержания хлоридов в компонентах бетона, что отражено в нормативной документации разных стран (табл. 1).

Следует отметить, что одним из наиболее частых путей попадания хлоридов в бетон является введение химических добавок. При этом в национальных стандартах разных стран отсутствуют ограничения по хлоридам в добавках (табл. 2), однако производитель обязан указывать количества хлоридов в нормативных документах на добавку. Эта величина в дальнейшем может использоваться при проектировании состава бетона для предварительной оценки содержания хлоридов в бетоне.

Несмотря на отсутствие требований по содержанию хлоридов в химических добавках для бетона, российские стандарты содержат ограничения по содержанию хлоридов в других компонентах бетона. Требования приведены в табл. 3.

Если принять за основу контрольный состав бетона по ГОСТ 30459-2008 [17] (Ц=350 кг/м³, Щ=1115 кг/м³, П=750 кг/м³, В=175 кг/м³) и допустить, что все компоненты бетона (без учета химдобавок) содержат максимально возможное допустимое количество хлора, то его суммарное содержание в бетоне составит ∑Cl^- = 0,765% от МЦ, т.е. больше допустимого уровня для конструкций с любым типом армирования. Использование хлорсодержащих химических добавок усугубляет данную ситуацию. И хотя, как было сказано ранее, частично хлориды связываются в водонерастворимые соединения и не влияют в дальнейшем на коррозионные процессы, это не отменяет необходимости контроля содержания хлора в компонентах бетона в соответствии с требованиями СП 28.13330.2017. Данный контроль является обязательным условием обеспечения долговечности железобетонных конструкций.

Результат применения хлоридов в бетоне

На постсоветском пространстве случаи обрушения конструкций из-за хлоридной коррозии часто не расследуются или не афишируются. Один из примеров разрушения преднапряженных ж/б конструкций из-за коррозии арматуры в результате введения в состав бетона хлоридных добавок показан в [5]. Авторы статьи приводят результаты обследования плит пустотного настила, которые эксплуатировались в сухой и влажной среде.

Выводы:

Нормативная база Российской Федерации, европейских стран и США жестко ограничивает использование хлористых солей в бетоне. Однако бездумное стремление любой ценой удешевить железобетон привело к тому, что нормы игнорируются и используются самые дешевые компоненты для бетона. Использование хлорсодержащих материалов (умышленное или нет) может привести к разрушению конструкций из-за коррозии арматуры. Особенно это касается преднапряженных конструкций, которые эксплуатируются во влажной среде, когда коррозия арматуры вплоть до потери несущей способности может происходить за считаные годы. Привлекательность добавок на основе хлора (эффективность и дешевизна) не отменяет тяжелейших последствий их применения.

Библиографический список
1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г. Батраков.– 2-е изд. – М.: АО «Астра семь», 1998. – 768 с.
2. Рамачадран В.С. [и др.] Добавки в бетон: справочное пособие / Под ред. В.С. Рамачадрана. – М.: Стройиздат, 1988. – 575 с.
3. Тейлор Х. Химия цемента / Х. Тейлор; пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 560 с.
4. Dodson V. Concrete Admixtures, Chapter 4 / V. Dodson. – Van Nostrand Reinhold, NY, 1990. – 211 р.
5. Деркач В.Н. К вопросу долговечности железобетонных конструкций изготовленных из бетона, модифицированного добавками, содержащими коррозионно-активные компоненты / В.Н. Деркач, Н.С. Ступень, Н.М. Жерносек // Строительная наука и техника. – 2009. – №6. – С. 23-28.
6. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14). Commentary on Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318R-14). – ACI Committee 318, 2014. – 524 р.
7. Protection of Metals in Concrete Against Corrosion. – ACI 222R-01, 2001. – 41 р.
8. Алексеев С.Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. – М.: Стройиздат, 1990. – 320 с.
9. Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85: СП 28.13330.2017. – Введ. 2017-08-28. – М.: Стандартинформ, 2017.
10. Concrete. Specification, performance, production and conformity: BS EN 206:2013. – 31.12.2013. – 106 p.
11. Добавки для бетонов и строительных растворов: ГОСТ 24211-2008. – Введ. 01.01.2011. – 12 с.
12. Admixtures for concrete, mortar and grout. Common requirements: EN 934-1:2008. – 31.03.2008.– 14 p.
13. Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete: C494/C494M-13. – 01.01.2004. – 9 p.
14. Песок для строительных работ. Технические условия: ГОСТ 8736-2014. – 01.04.2015. – 7 с.
15. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия: ГОСТ 8267-93. – Введ. 01.01.1995. – 11 с.
16. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия: ГОСТ 23732-2011. – Введ. 01.10.2012. – 13 с.
17. Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности: ГОСТ 30459-2008. – Введ. 01.01.2011. – 14 с.