ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИИ АРМАТУРЫ В КЛАДОЧНЫХ РАСТВОРАХ

АННОТАЦИЯ

В статье исследуется проявление коррозионных свойств арматуры, расположенной в стыках кладки. Испытания проводились в отношении двух агрессивных сред, с хлорид-ионами и без них, в течение трех периодов: три, шесть и тридцать три месяца. Использовались два вида стали: обычная и оцинкованная. Кроме того, было исследовано защитное действие стали на ингибитор коррозии, нитрит натрия. Был использован подход качественного сравнения с опытными бетоноподобными растворами.

Исследование. Арматурные стержни включаются в каменные конструкции, для улучшения поведения их в условиях эксплуатации, главным образом против сейсмического воздействия [1; 2]. Армирование в каменной кладке размещается в горизонтальных швах раствора (горизонтальное армирование) и в специальных отверстиях, выполненных в вертикально перфорированных глиняных или бетонных элементах (вертикальное усиление); эти отверстия заполнены раствором. В случае горизонтального армирования толщина перекрывающего раствора особенно мала, даже когда толщина шва составляет 15 мм. В свою очередь, вертикальная арматура обычно покрыта соответствующим раствором. Следовательно, существует более высокая необходимость в тщательном подборе состава строительного раствора, а не состава раствора вертикальных отверстий.

Но как сталь, покрытую раствором, разъедает? На начальных этапах строительный раствор обеспечивает усиленную пассивную защиту благодаря щелочной среде из-за присутствия гидроксида кальция (значение pH около 13,5). Затем образуется тонкий защитный оксидный слой, прочно прикрепленный к поверхности стержней. По мере того, как СО₂ из окружающей среды проникает в стыки и при одновременном присутствии соответствующего количества влаги, растворные карбонаты и значение рН снижаются, защитный слой разрушается, и начинается электрохимический коррозийный процесс (для реализации которого требуется одновременное присутствие O₂ и H₂O). Депассивация стержней также может быть достигнута, если ионы хлорида проникают при одновременном присутствии O₂ и H₂O в структуру [3; 4]. Если отношение ионов Cl^– к OH^– становится больше порогового значения, может начаться коррозия. Cl^– может присутствовать в окружающей среде в морских районах или в растворах и растворных добавках или даже в смеси воды [5].

Скорость реализации коррозионного процесса зависит от скорости проникновения агрессивных агентов окружающей среды через капилляры и через незначительные трещины раствора. На эту скорость в основном влияет проницаемость растворной смеси, которая обусловлена несколькими факторами, такими как химический состав составляющих его материалов, используемое соотношение воды и связующего, его пористость, условия уплотнения и отверждения, и, наконец, наличие исходных мелких трещин [5].

Из-за высокого отношения воды к связующему, которое обычно встречается в кладочных растворах, считается, что растворы не могут одновременно обеспечивать хорошую удобоукладываемость и высокие механические характеристики. Однако, возможно, это связано с неправильным выбором составляющих материалов и неудачными составами исследованных растворов. Основываясь на предыдущем опыте в отношении долговечности бетона и легкого бетона [6], авторы считают, что можно приготовить растворы, которые будут демонстрировать свойства прочности, аналогичные свойствам бетона.

Экспериментальная часть. Было выбрано семь составов (Таблица 1), 3 цементных раствора (M1, M2, M3) и 4 известково-цементных раствора (ML1, ML2, ML3 и ML4). Первые два цементных раствора (M1, M2) представляют собой эталонные растворы, с которыми проводились сравнительные испытания, поскольку они имеют составы, аналогичные составам обычного бетона, и, следовательно, считается, что имеют аналогичные характеристики прочности. Известково-цементные растворы были исследованы для того, чтобы проверить, улучшит ли присутствие гидратной извести свойства долговечности из-за чрезмерного количества Ca(OH)₂ в смеси [7]. Важно отметить, что растворы M3, ML1, ML2, ML3, ML4 имеют разные пропорции песка и воды по сравнению с содержанием цемента, но имеют идентичные пропорции по сравнению с содержанием цемента и извести.

Все составы растворов демонстрируют определенный уровень обрабатываемости, спад 175 ± 10 мм. Следует отметить, что для получения как можно более низких соотношений воды и связующего во все цементные смеси добавляли суперпластификатор (Daracem 140) в дозировке 1,5% на массу цемента. Для приготовления смесей использовался портландцемент (содержащий до 55 % пуццолановых компонентов). Использовали гашеную известь в сухом и пастообразном виде (с 55 % свободной воды) и мраморный дробленый песок (с максимальным диаметром зерна 4 мм). Для оценки механических характеристик строительных растворов три призматических образца были испытаны в возрасте 28 суток на изгиб и, следовательно, на сжатие.

Результаты испытаний приведены в таблице 3. Кроме того, для каждой композиции раствора готовили призматический образец для измерения общей пористости, среднего радиуса пор и насыпной плотности сухих растворов в возрасте 6 месяцев. Измерения проводились на небольших порциях этих образцов с помощью ртутного порозиметра Milestone 2000. Результаты испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 1

Растворы и пропорции материала в сухой смеси

Таблица 2

Средний радиус пор, общая пористость (%) и объемная плотность сухого вещества (кг/м³) каждого раствора

Таблица 3

Средняя прочность на изгиб и сжатие растворов в течение 28 дней

Выводы. 1. Пять исследованных композиций растворов показали худшую долговечность по сравнению с двумя опытными растворами, особенно в среде MX4.

2. Известково-цементные растворы с низким содержанием извести могут проявлять аналогичные свойства по сравнению с коррозионно-чистыми цементными растворами с одинаковыми пропорциями песка и воды.

3. Добавление анодного ингибитора коррозии (нитрита натрия), по-видимому, существенно не улучшает характеристики прочности растворов.

4. Оптимальное содержание извести в смеси по отношению к содержанию воды и песка требует дальнейшего изучения.

5. Для каменных конструкций в тяжелых условиях с высокой концентрацией хлорид-ионов предлагается использовать сталь с защищенным покрытием, такую как оцинкованная сталь.

Список литературы:

1. Klingner, R.E. (2006) Behavior of Masonry in the Northridge (US) and Tecoman-Colina (Mexico) Earthquakes: Lessons Learned and Changes in US Design Provisions. Construction and Building Materials, №20 - P. 209-219.
2. Priestley, M.J.N. (1986) Seismic Design of Concrete Masonry Shear Walls. ACI Journal, №83 - P. 58-68.
3. Broomfield, J.P. (1994) Assessing Corrosion Damage on Reinforced Concrete Structures. Proceedings of Corrosion and Corrosion Protection of Steel in Concrete. International Conference, Sheffield, 24-28 July 1994, Volume 1- P. 1-25.
4. Wheat, H.G. and Eliezer, Z. (1984) Some Electrochemical Aspects of Corrosion of Steel in Concrete. Corrosion NACE, №41- P. 640-645.
5. Tassios, T.P. and Aligizaki, K. (1993) Durability of Reinforced Concrete. Fivos. Athens.
6. Batis, G. and Psila, N. (1996) Durability of Reinforced Masonry Mortars in Corrosive Environment with and without Chloride Ions. 12th Hellenic Concrete Conference, №1- P. 159-166.
7. Mira, P., Papadakis, V.G. and Tsimas, S. (2001) Effect of Lime Putty Addition on Structural and Durability Properties of Concrete. Cement and Concrete Research, №32- P. 683-689.