Железобетон менее долговечен, чем бетон, так как в нем в дополнение к цементному камню появляется еще одно «слабое звено»: стальная арматура, которая может подвергаться коррозии. Поэтому защитное действие бетона по отношению к арматуре имеет важное значение.
Механизм защитного действия бетона
Условиями коррозии стали являются наличие пленки влаги на ее поверхности и в то же время доступ к ней кислорода. Арматура отделена от окружающей среды защитным слоем бетона. Она контактирует с цементным камнем, пронизанным капиллярными порами. Они выходят и на поверхность арматуры. Обычно часть капиллярных пор заполнена водой, остальные — воздухом. Соотношение зависит от влажности окружающего воздуха Ф. Условия для коррозии арматуры создаются при рH > 50—60% . Таким образом, защитный слой сам по себе не обеспечивает ее коррозионной стойкости.
В то же время в цементных бетонах арматура не подвергается коррозии при любой влажности окружающей среды, так как бетон защищает ее химическим путем. Тот самый Са(ОН)2, который ухудшает свойства бетона (малопрочен, растворим), является в то же время «гарантом» коррозионной стойкости арматуры. Его кристаллы содержатся в цементном камне в количестве 10-15%. Влага, находящаяся в порах, представляет собой раствор Са(ОН)2 и имеет рН = 12—13. Этот раствор и пассивирует поверхность стали, предотвращая ее коррозию. Минимальное значение рН, необходимое для пассивации, составляет 11,8.
Следует отметить удачное стечение обстоятельств: портландцемент, полученный в двадцатых годах XIX столетия, выделяет при гидратации Са(ОН)2, который и обеспечивает защиту арматуры в железобетоне, изобретенном через тридцать лет.
Но защитное действие бетона может быть нарушено вследствие его карбонизации. Углекислый газ, содержащийся в воздухе, диффундирует в поры бетона.
Реакция идет во влажном бетоне , так как СO2 должен предварительно раствориться в воде. Карбонизация происходит при влажности окружающего воздуха более 30%, ее наибольшая скорость наблюдается при ср = 60%.
Если арматура попадает в карбонизированную зону, начинается ее коррозия. Она протекает при ср = 60—95%, наибольшая скорость коррозии достигается при ф = 80%. В то же время при влажности воздуха менее 60% с поверхности арматуры исчезает водная пленка, а при заполнении пор бетона водой прекращается диффузия кислорода в бетон. В обоих случаях нарушается одно из необходимых для коррозии условий, поэтому она не происходит.
Так как предусловием коррозии является карбонизация, то наиболее вероятна коррозия арматуры в конструкциях, эксплуатируемых при переменной влажности в диапазоне 50-90%. При меньших ее значениях наибольшую скорость имеет карбонизация, а при больших—коррозия арматуры в карбонизированном бетоне. В присутствии хлористых солей гигроскопичность бетона увеличивается (при той же влажности воздуха он сорбирует больше влаги). В этом случае коррозия арматуры может происходить i при меньшей влажности окружающего воздуха.
Карбонизация бетона протекает в поверхностных слоях и носит затухающий характер. Ее конечная глубина зависит от плотности бетона и составляет обычно менее 1-2 см. Поэтому принцип защиты арматуры от коррозии заключается в назначении и обеспечении толщины защитного слоя бетона, превышающей конечную глубину его карбонизации.
Но поверхностный слой бетона сам является уязвимой частью железобетонных конструкций. При формовании вследствие процессов расслоения он может обогащаться растворной составляющей и содержать больше воды. Это приводит к росту его пористости. Он также раз уплотняется при действии мороза, коррозионных или истирающих воздействиях, подвержен трещинообразованию вследствие усадки или температурных напряжений. В растянутой зоне конструкций (где и находится рабочая арматура) допускаются и являются неизбежными трещины. Их ширина раскрытия ограничивается (в пределе 0,3 мм). Считается, что коррозии арматуры при таком раскрытии не происходит. Но в сочетании с другими отрицательными факторами роль трещин может оказаться негативной.
Разрыхление поверхностного слоя по указанным выше причинам, возникновение трещин могут увеличивать глубину карбонизации бетона. Этому же способствует и повышение содержания СO2 в воздухе, особенно в промышленных зонах. Кроме того, фронт карбонизации имеет пики, примерно вдвое превышающие его средний уровень. Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к увеличению толщины защитного слоя бетона при проектировании железобетонных конструкций. Вторым важным условием коррозионной стойкости арматуры в бетоне является обеспечение проектной толщины его при производстве конструкций.
Таким образом, защитное действие бетона на портландцементах по отношению к арматуре определяется в первую очередь наличием в нем щелочной среды. Поэтому важна и его достаточная плотность, препятствующая распространению карбонизации вглубь бетона, и сохранение при эксплуатации качества защитного слоя. Нов ряде случаев этих условий оказывается недостаточно.
