Коррозионная стойкость арматуры в силикатных бетонах —
В связи с широким развитием производства крупных строительных конструкций и деталей из силикатных бетонов автоклавного твердения важное значение приобретает вопрос о коррозионной стойкости арматуры в этих бетонах.
Силикатные бетоны являются мелкозернистыми. Плотность их ниже, чем классических цементных. Автоклавная обработка снижает величину водородного показателя — pH (щелочности)—силикатных бетонов, что не может не отразиться на их защитных свойствах в отношении металлов.
В связи с этим вопрос о коррозионной стойкости арматуры -в силикатных бетонах требует тщательного изучения. В значительной мере именно стойкость арматуры определяет качество и долговечность деталей и конструкций, изготовленных из бетонов автоклавного твердения.
На протяжении ряда лет в РОСНИИМСе ведутся исследования поведения стальной арматуры в силикатных бетонах, разрабатываются мероприятия по защите ее от коррозии. Для изучения коррозии арматуры из стали Ст.5 изготовляли полированные стержни, обезжиривали их в спирте, взвешивали на аналитических весах, затем закладывали в бетонную смесь, уплотняемую вибрированием в течение 1 мин. на виброплощадке ЦНИПС (при амплитуде колебании 0,4—0,5 мм и частоте 2850 кол/м). Толщина защитного слоя (бетона) составляла 20 мм. Образцы подвергались автоклавной обработке по режиму: подъем давления до 8 атм — 3 часа, выдержка под этим — 8 час., снижение давления — 3 часа.
Образцы с заложеной в них арматурой хранили при относительной влажности воздуха: до 60% 60-70%, 75—85%, 90—98%, а также при систематическом попеременном увлажнении и высыхании (переменный режим).
Коррозионная стойкость арматуры определялась в разные сроки после автоклавной обработки: сразу же после нее, через 3 и 6 мес., через год и более.
По истечении заданного срока хранения из образцов извлекали арматуру, очищали ее от остатков бетона и удаляли продукты коррозии с поверхности путем травления металла в 10%-ном растворе соляной кислоты, содержащей 1% ингибитора (ПБ-8).
Величина коррозии определялась по потере веса металла (г/м2 в сутки), глубине поражения (в микронах), а также по величине площади поражения металла (в %). Значение pH водной вытяжки из силикатного бетона находилось в пределах 9,510.
Испытания показали, что коррозия арматуры в плотном силикатном бетоне подчиняется закономерностям, свойственным процессам электрохимической коррозии металлов, и протекает в тонкой пленке влаги при недостатке кислорода.
Величина коррозии арматуры в бетонах зависит главным образом от скорости поступления кислорода и влаги к поверхности металла. В связи с этим большое значение для сохранности арматуры имеют такие факторы, как плотность и целостность бетонных изделий, а также режим их эксплуатации. Понятно, что с повышением плотности бетона стойкость арматуры значительно возрастает, так как затрудняется доступ влаги и кислорода к поверхности металла.
Коррозия арматуры, начавшаяся v процессе автоклавной обработки, либо в период хранения изделий на открытом складе, может постепенно затухать, если они не будут эксплуатироваться в условиях высокой или переменной влажности.
Влияние условий хранения силикатного бетона на коррозию арматуры показано на рис. 1 и 2. Для изготовления образцов использовались известково-песчаное вяжущее совместного помола (по кипелочной схеме), рядовой песок (заполнитель) и в качестве замедлителя схватывания — двуводный гипс. Содержание активной окиси кальция в смеси составляло 9%. Объемный вес бетона этой серии образцов превышал 1800 кг/м3 (в высушенном состоянии)- предел прочности его при сжатии был 400—450 кг/см2.
При хранении образцов в условиях сухого и нормального режима (относительная влажность воздуха до 60%) была установлена полная коррозионная стойкость арматуры. Если во время автоклавной обработки изделий возникали незначительные коррозионные поражения, то они, как правило, не развивались. Арматуру при таком воздушном режиме эксплуатации изделий из плотного силикатного бетона защищать от коррозии не требуется.
В условиях повышенной влажности воздуха (60— 75%) коррозия арматуры развивается во времени, однако, величина ее незначительна, и она не представляет опасности для сохранности конструкций. Максимальная глубина проникновения коррозии в толщу металла не превышает при этом 60—70 мк за год хранения. В дальнейшем скорость коррозии снижается.
При переменном режиме выдержки образцов коррозия арматуры развивается интенсивно. Потеря веса металла в первые три месяца хранения (бетон объемным весом более 1800 кг/м3) составляет в данном случае 0,45—0,50 г/м2 в сутки. После одного года эта величина снижается до 0,15—- 0,18 г/м2 в сутки. Максимальная глубина коррозии за год хранения доходит до 200—280 мк. В силикатном бетоне объемным весом 1600 кг/м3 (в высушенном состоянии) коррозия арматуры при переменном режиме хранения развивается интенсивнее. Глубина ее достигает 500 мк и более. Поражения здесь имеют вид изъязвлений и глубоких пор. При этом образовавшиеся продукты коррозии могут нарушить целостность защитного слоя — бетона. Кривая б на рис. 2 характеризует скорость проникновения коррозии в толщу металла, уложенного в бетон, слон которого у арматуры при изготовлении образцов был в экспериментальных целях нарушен в нескольких местах. После автоклавной обработки глубина коррозии на этих участках достигала 100 и более мк, а после 6 месяцев хранения при переменном режиме она превысила 500 мк. Продукты коррозии проникли в толщу бетона, вызвав появление трещин в защитном слое вдоль арматуры.
Таким образом, при эксплуатации изделий из плотного силикатного бетона в условиях высокой влажности воздуха (выше 75%) и, особенно, при переменном увлажнении и высыхании бетона арматуру необходимо защищать от коррозии. Точно также требует защиты арматура, укладываемая в силикатный бетон малой плотности, если конструкции и детали из него будут эксплуатироваться при влажности воздуха выше 60%
Влияние содержания молотого песка в бетонной ставило 10,25. Следовательно, повышение содержания молотого песка не влияет на агрессивность среды, а часть песка, не вступившего в реакцию вестью, играет роль мелкодисперсного нейтральго заполнителя.
Как показывают кривые на рис. 3 и 4, с увеличением содержания молотого песка стойкость возрастает. Уменьшение величины и скорости разрушения металла в этом случае объясняется тем, что добавка молотого песка способствует получению более плотного материала. В бетонах, не содержащих молотого песка, разрушение арматуры происходит значительно интенсивнее.
Увеличение содержания активной окиси кальция в смеси (в пределах от 9 до 11 %), так же как добавка тонкомолотого песка (10—25%) делает бетон более плотным и снижает скорость коррозии арматуры. И, наоборот, повышение содержания воды затворения (выше расчетного) отрицательно влияет на коррозионную стойкость арматуры.
Опыты показали, что арматура, уложенная в силикатный бетон, приготовленный на извести-пушонке, корродирует значительно больше, чем в смеси на извести-кипелке Это объясняется тем, что бетоны, полученные по гидратной схеме, обладают меньшей плотностью, имеют дефекты структуры (в частности, наблюдается расслоение бетонной смеси, особенно вдоль арматуры).
Для получения сопоставимых данных, коррозия арматуры изучалась и в мелкозернистых бетонах на основе портландского цемента марки 400, а также на вяжущем из смеси цемента с известью и молотым песком. В состав цементно-песчаного вяжущего входило: 65% цемента и 35% молотого песка (уд. поверхность 3000 г/см2), цементно-известково-песчаное вяжущее содержало: 35% цемента, 30% извести и 35% молотого песка. В состав бетонной смеси вводилось 15, 25 и 30% вяжущего (остальное— немолотый песок).
Контрольные образцы изготовлялись на чистом цементе, часть из них обрабатывали в автоклаве, а остальные твердели в естественных условиях.
Водоцементное отношение для бетонов, содержащих 15% вяжущего, равнялось единице; по мере увеличения содержания вяжущего В/Ц уменьшалось до 0,5. Подвижность бетонной смеси по конусу СтроиЦНИЛа была 2—2,1 см. Объемный вес мелкозернистых бетонных образцов составлял: при содержании 15% цемента (или смешанного вяжущего» — 1700, при 22,5% вяжущего— 1750 кг/м2, а при 30% —1800 кг/м3.
Значение pH водной вытяжки бетонной смеси (до запаривания) было 12,5—13,5. У образцов, подвергшихся автоклавной обработке, значение pH, независимо от содержания и состава вяжущего, составляло 
При переменном режиме хранения во всех случаях содержание щелочи в поверхностном слое образцов снижалось, так как она вымывалась водой на глубину 0,4—0,5 см. Однако значение pH на участках бетона, прилегающих к поверхности арматуры, почти не менялось.
Экспериментальные данные о коррозии арматуры в мелкозернистых цементных и силикатных бетонах приведены на рис. 5 и 6. Кривые на этих рисунках свидетельствуют, что коррозия металла ь цементных мелкозернистых бетонах, не подвергавшихся автоклавной обработке, в первые 12 месяцев хранения протекает крайне медленно. Это объясняется, по-видимому, тем, что образцы удерживают больше влаги, затрудняя тем самым диффузию кислорода к поверхности металла. Высокая щелочность цементного бетона (pH—13) естественного твердения, как отмечалось В. М. Москвиным , положительно влияет на коррозионную стойкость арматуры в монолитных плотных бетонах.
При наличии трещин в образцах цементных бетонов естественного твердения коррозия арматуры развивается с большой интенсивностью, несмотря на высокое значение pH.
При хранении образцов в условиях, когда влажность воздуха не превышает 60%, разрушений металла, так же как и в силикатных бетонах, не наблюдалось. С повышением влажности воздуха, а также при переменном режиме скорость коррозии увеличивается. Однако глубоких пор или изъязвленных участков поверхности металла в цементных бетонах автоклавного твердения не наблюдалось. Коррозионное поражение металла имело более равномерный характер, чем в силикатном бетоне.
В мелкозернистых бетонах автоклавного твердения, изготовленных на цементе или смешанном вяжущем, как это видно на рис. 5 и 6, коррозия протекает приблизительно с такой же скоростью, как в (силикатных бетонах (рис. 5, кривые 3 и 4). Увеличение содержания вяжущего в бетонной смеси понижает скорость коррозии вследствие повышения плотности бетона.
Максимальная глубина коррозии при переменном режиме хранения в образцах с объемным весом 11700 кг/м3 составляла 300—350 мк. В плотных бетонах (объемный вес более 1800 кг/м3) глубина корозии не превышала 200 мк за год.
Необходимо отметить, что добавка цемента в известково-песчаное вяжущее оказывает незначительное влияние на коррозионную стойкость арматуры.
Таким образом, проведенные нами исследования (свидетельствуют, что арматуру при применении изделий из плотного силикатного бетона в условиях сухого и нормального режима (относительная влажность воздуха до 60%) защищать от коррозии не гребуется. В условиях повышенной влажности воздуха (60—75%) коррозия арматуры развивается |во времени, однако величина ее незначительна, и она не представляет опасности для сохранности конструкций. При эксплуатации же изделий из автоклавных бетонов, независимо от вида применяемого вяжущего, в условиях высокой влажности и переменного режима службы арматуру необходимо защищать.
В институте РОСНИИМС с 1957 г. изучаются способы защиты арматуры от коррозии путем введения добавок в бетонную смесь и нанесения защитных покрытий .
Как показали опыты, введение в состав бетонной смеси (в воду затворения) кремнийорганических соединений — ГКЖ-94 и метилсиликоната натрия в количестве 0,05—0,5 от веса вяжущего не стимулирует коррозии арматуры и не снижает величины ее, хотя водопоглощение бетона уменьшается при этом fia 15—20%.
Добавка в бетонную смесь бензоата натрия в количестве 2—3% от веса вяжущего, при хранении бразцов в условиях относительной влажности воздуха до 75%, отодвигает начало коррозии на 3—4 месяца, затем коррозия развивается с некоторым замедлением (по сравнению с контрольными образцами). При переменном режиме хранения изделий бензоат натрия является малоэффективной добавкой.
Поливинилацетат, добавленный в воду затворения силикатобетонной смеси в количестве 5—10% от веса вяжущего, несколько увеличивает стойкость арматуры, однако прочность бетона при этом снижается. Добавки же поливинилацетата в меньших количествах не снижают коррозии арматуры. Поливиниловый и особенно фуриловый спирты, введенные в состав бетонной смеси, даже стимулируют коррозию.
Добавка в бетонную смесь нитрита натрия в количестве 2% от веса вяжущего защищает арматуру от коррозии при нормальном и влажном режимах. При переменном режиме хранения эта добавка служит защитным средством лишь в первые 6—8 месяцев (после этого срока коррозия протекает с некоторым замедлением).
Добавка нитрита натрия защищает арматуру только при полном отсутствии трещин в защитном слое.
Наиболее надежным, хотя и трудоемким способом, является защита арматуры обмазками.
В РОСНИИМСе разработаны новые виды защитных покрытий. Наиболее эффективной оказалась обмазка металла цементно- полистирольным составом. Он защищает арматуру от коррозии, хорошо сцепляется с бетоном и металлом. Эта обмазка высыхает в течение 15—20 мин.
Автоклавная обработка армированных образцов увеличивает сцепление обмазки с бетоном. Цементно-полистирольная обмазка была применена для защиты арматуры в балконных и карнизных плитах, а также в плитах покрытия санузлов в опытном 80-квартирном доме из силикатобетонных конструкций, построенном в пос. Красково (Моск. обл.).
Составы, содержащие фуриловые смолы, наполненные цементом, также обладают высокими защитными свойствами и хорошей сцепляемостью с арматурой и бетоном.
Обмазка арматуры цементно-поливинилацетатным составом (разработанным РОСНИИМСом совместно с ВНИИНСМом АСиА СССР) показала удовлетворительные защитные свойства.
Дальнейшей задачей исследований по защите арматуры является изыскание более эффективных и дешевых добавок к бетонной смеси, новых составов обмазок, а также механизация нанесения покрытий на поверхность металла.