Влияние степени коррозионного поражения арматуры на совместную работу с бетоном

Введение

В производстве железобетонных конструкций около 30 % по массе составляет арматура. Очень часто арматуру к месту строительства доставляют морским или речным транспортом и хранят на открытых складах. Такой транспорт и длительное хранение арматуры на строительной площадке способствуют интенсивному развитию атмосферной коррозии. Интенсивность атмосферной коррозии зависит от продолжительности соприкосновения влаги с поверхностью, от метеоусловий, прежде всего от влажности воздуха, длительности пребывания электролита на металлической поверхности, состава атмосферы, температуры воздуха, физико-химических свойств продуктов коррозии. Разрушение арматуры в бетоне может иметь характер язвенного поражения ее отдельных участков либо равномерного уменьшения сечения по всей поверхности. Последнее более характерно и возникает вследствие перехода слоев металла в продукты коррозии в результате образования микропар, имеющих катодные участки меньшей площади, чем анодные. Такое явление наблюдается в карбонизированном бетоне или при воздействии на него других агрессивных сред. В тех случаях, когда площадь катодных участков превышает площадь анодных, на арматуре появляются отдельные пятна – язвы. Язвенная коррозия арматуры образуется при неравномерном проникновении в бетон хлоридов, разрушающих пассивирующую пленку на поверхности арматуры. Более опасна язвенная коррозия арматуры, так как при ней местное уменьшение сечения арматуры происходит значительно быстрее. Особенно опасна язвенная коррозия в предварительно напряженных конструкциях, где для армирования бетона используют высокопрочную арматуру [1–3].

Монолитное строительство, как правило, не имеет возможности организовать условия для хранения арматуры и не может прогнозировать длительность ее хранения. Такое положение приводит к развитию коррозии на стальной арматуре, что в свою очередь приводит к изменению ее состояния в зависимости от степени поражения. Изменение состояния поверхности арматуры, подвергшейся коррозии, играет большую роль в ее совместной работе с бетоном. Прочность сцепления между арматурой и бетоном в основном определяется химической адгезией, сцеплением и трением на поверхности арматуры. Когда арматура начинает подвергаться коррозии, на поверхности арматуры постепенно образуется ржавчина, которая изменяет характеристики поверхности гладкого арматурного стержня. Трение между арматурой и прочность бетона значительно повышаются, поэтому адгезия может увеличиться в 2–3 раза после того, как арматура начнет подвергаться коррозии [4]. Также было установлено, что средний уровень коррозии не оказал существенного влияния на прочность сцепления, но имеет место существенное снижение сцепления, когда после этого коррозия увеличилась до более высокого уровня [5]. Неопределенность в определении безопасной степени коррозионного поражения арматуры просматривается, и разные трактовки этого отражены в нормативных документах. Так, в СП 229.1325800.2014 [2], СП 28.13330.2017 [6], ГОСТ 10922-2012 [7] установлены различные пределы степени коррозионного поражения стальной арматуры. В связи с этим проведение комплекса уточняющих исследований по данной тематике является актуальным и имеет значительный практический интерес.

Цель: проведение экспериментальных исследований по оценке влияния степени коррозионного поражения арматуры на совместную работу с бетоном, выявление предпосылок для совершенствования системы градостроительной деятельности в части уточнения и дополнения действующих нормативных документов по защите строительных конструкций от коррозии.

Материалы и методы

В 2023 году в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева выполнена работа по исследованию влияния степени коррозионного поражения арматуры на свойства железобетона.

Для экспериментальных исследований были изготовлены и испытаны 60 образцов арматуры А500 и 60 образцов арматуры А800 с различной толщиной ржавчины (степенью коррозии): 0, 150, 250, 300 мкм. Так как в естественных условиях стальная арматура коррозирует недостаточно быстро, для ускоренной коррозии была использована камера солевого тумана – модель DСТСТ 1200Р. На основании многолетнего опыта за величину поражения арматуры коррозией принята толщина слоя ржавчины на поверхности арматурного стержня. В проведенных исследованиях применен способ измерения слоя ржавчины на поверхности стальной арматуры периодического профиля без нарушения слоя с помощью прибора МТ АКАSСАN 20.07, область применения которого – измерение тонких диэлектрических пленок на поверхности электропроводных ферромагнитных материалов. Показания прибора МТ АКАSСАN 20.07 проверены и согласуются с показаниями нескольких методов определения толщины слоя ржавчины: механическая очистка, весовой метод с химической очисткой.

Определение физико-механических характеристик арматуры с различной толщиной слоя коррозии проводили по методике ГОСТ 12004-81 [8]. Для испытаний были изготовлены образцы арматуры одной партии класса А500 диаметром 12 мм, длиной 400 мм в количестве 12 шт. и образцы арматуры одной партии класса А800 диаметром 12 мм, длиной 400 мм – 12 шт. Три образца арматуры каждого класса, контрольные, не подвергали коррозии. Остальные подвергали ускоренной коррозии. Для каждого образца арматуры были определены физико-механические характеристики. Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод о том, что слой ржавчины на поверхности арматуры толщиной до 150 мкм не влияет на физико-механические характеристики арматуры. Увеличение толщины слоя ржавчины приводит к снижению физико-механических характеристик арматурной стали, по некоторым показателям – ниже нормативных.

Определение стойкости арматурной стали к коррозионному растрескиванию проводили по методике ГОСТ 31383-2008 [9]. Для испытаний были приготовлены образцы арматуры одной партии класса А500 диаметром 12 мм, длиной 400 мм в количестве 12 шт. и образцы арматуры одной партии класса А800 диаметром 12 мм, длиной 400 мм в количестве 12 шт. Шесть образцов арматуры каждого класса, контрольные, не подвергали коррозии. Остальные подвергали ускоренной коррозии. Все образцы арматуры были испытаны на стойкость к коррозионному растрескиванию.

Контрольные образцы и образцы с толщиной слоя ржавчины 150 мкм арматуры класса А500 показали хорошую стойкость к коррозионному растрескиванию, все указанные образцы выдержали напряжение R = 0,9 × σ_0,2 в течение 100 часов. Измерение прочностных показателей арматуры после испытаний показало, что слой ржавчины толщиной до 150 мкм не влияет на стойкость арматурной стали к коррозионному растрескиванию, временное сопротивление уменьшилось незначительно (1 %). Дальнейшее увеличение толщины слоя ржавчины привело к значительному уменьшению стойкости арматурной стали к коррозионному растрескиванию. По одному образцу с толщиной слоя ржавчины 250 и 300 мкм не выдержали 100 ч испытаний при напряжении R = 0,9 × σ_0,2. У образцов, выдержавших 100 ч, прочностные показатели, определенные после испытаний, значительно снизились, временное сопротивление уменьшилось на 20–25 % по сравнению с контрольными образцами.

Контрольные образцы арматуры класса А800 с толщиной слоя ржавчины 150 мкм показали одинаковую стойкость арматурной стали к коррозионному растрескиванию – 46–48 ч. Образцы арматуры класса А800 с толщиной слоя ржавчины 250 и 300 мкм показали значительное снижение стойкости арматурной стали к коррозионному растрескиванию – 20–30 ч, что ниже контрольных образцов на 40–50 %.

По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод о том, что слой ржавчины на поверхности арматуры толщиной до 150 мкм не влияет на стойкость арматурной стали к коррозионному растрескиванию. Увеличение толщины слоя ржавчины приводит к значительному снижению стойкости арматурной стали к коррозионному растрескиванию.

Определение пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре проводили по методике ГОСТ 31383-2008 [9]. Для испытаний были изготовлены образцы арматуры одной партии класса А500 диаметром 12 мм, длиной 120 мм в количестве 72 шт. и образцы арматуры одной партии класса А800 диаметром 12 мм, длиной 120 мм в количестве 72 шт. Восемнадцать образцов арматуры каждого класса, контрольные, не подвергали коррозии. Остальные подвергали ускоренной коррозии. Для испытаний были приготовлены два вида бетонной смеси. Из бетонной смеси двух составов были изготовлены контрольные образцы-кубы с ребром 100 мм по 6 шт. для испытаний по ГОСТ 10180-2012 [10] и образцы для испытаний по ГОСТ 31383-2008 [9] – призмы размерами 70 × 70 × 140 мм с арматурным стержнем в центре. Класс бетона был определен по ГОСТ 18105-2018 [11]. Таким образом были изготовлены образцы для испытаний. Все образцы были испытаны на пассивирующее действие бетона по отношению к стальной арматуре.

Результаты испытаний приведены в табл. 3–6.

Контрольные образцы (без следов коррозии) арматуры бетона обоих классов имеют на момент электрохимических испытаний неустойчивое пассивное состояние по плотности тока при потенциале +300 мВ и пассивное состояние по потенциалу через (60 ± 5) секунд после отключения тока.

Образцы арматуры обоих классов стали со слоем ржавчины 150 мкм в бетоне обоих классов на момент электрохимических испытаний имеют также неустойчивое пассивное состояние по плотности тока при потенциале +300 мВ и пассивное состояние по потенциалу через (60 ± 5) секунд после отключения тока.

Образцы арматуры обоих классов со слоем ржавчины 250 и 300 мкм в бетоне обоих классов на момент электрохимических испытаний имеют состояние интенсивной коррозии по плотности тока при потенциале +300 мВ и активное состояние коррозии по потенциалу через (60 ± 5) секунд после отключения тока.

Определение сцепления арматуры с бетоном проводили по методике ГОСТ 31938-2012 [12]. Для испытаний были изготовлены образцы арматуры одной партии класса А500 диаметром 12 мм, длиной 500 мм – 48 шт. и образцы арматуры одной партии класса А800 диаметром 12 мм, длиной 500 мм – 48 шт. Шесть образцов арматуры каждого класса, контрольные, не подвергали коррозии. Остальные подвергали ускоренной коррозии. Для испытаний были приготовлены два вида бетонной смеси. Из бетонной смеси составов № 1 и 2 были изготовлены контрольные кубы с ребром 100 мм по 6 шт. для испытаний по ГОСТ 10180-2012 [10] и образцы для испытаний по ГОСТ 31938-2012 [12] – кубы с ребром 150 мм с арматурным стержнем в центре. Класс бетона был определен по ГОСТ 18105-2018 [11]. Таким образом были изготовлены образцы для испытаний. Все образцы были испытаны на сцепление арматуры с бетоном. Результаты испытаний приведены в табл. 7–10.

Только образцы арматуры класса А500 с бетоном класса В20 имеют тенденцию к снижению сцепления при увеличении толщины слоя ржавчины на поверхности арматуры. В остальных трех сериях образцов зависимость между сцеплением и толщиной слоя ржавчины на поверхности арматуры не наблюдается.

По результатам испытаний на сцепление стальной арматуры с бетоном можно сделать вывод, что сцепление арматуры с бетоном остается на одном уровне для разных классов арматуры и бетона и не зависит от степени коррозионного поражения арматуры до толщины ржавчины 300 мкм.

Заключение

Проведены испытания арматуры с различной степенью коррозионного поражения, определена зависимость физико-механических свойств арматуры от степени ее коррозионного поражения и на зависимость сцепления с бетоном арматуры с различной степенью коррозионного поражения.

Показано, что слой ржавчины на поверхности арматуры толщиной до 150 мкм не влияет на физико-механические характеристики арматуры и стойкость к коррозионному растрескиванию, арматура в бетоне находится в неустойчивом пассивном состоянии. Увеличение толщины слоя ржавчины свыше 150 до 300 мкм приводит к снижению физико-механических характеристик и стойкости к коррозионному растрескиванию арматурной стали для двух исследованных классов арматуры А500, А800, также арматура переходит в активное состояние интенсивной коррозии. Экспериментально не установлено влияние степени коррозионного поражения арматуры на сцепление ее с бетоном.