Антикорозионна защита на бетонни и стоманобетонни конструкции

Дълготрайността, надеждността и качеството на бетонните и стоманобетонните конструкции, се определелят от проектирането, особеностите на експлоатационната среда и правилния избор на строителните материали, технологията на строителното изпълнение. От значение са компетентните решения на проблеми, свързани с появяването на корозия във вътрешността на конструкциите. Проблемът с повишаването на корозионната им устойчивост е един от най-актуалните в момента.

Текст: списание Строители

В статията ще разкажем за структурата и корозията на бетона, за видовете корозионни процеси в бетона, за методите за защита на бетона, за видовете хидроизолации за защита на бетона, за структурата и корозията на стоманобетона, за корозионните процеси в стоманобетона, за антикорозионната защита на стоманобетонната арматура.

Съществуването на огромна част от гражданското строителство зависи от способността на бетонните и стоманобетонните конструкции да носят предвиденото натоварване, да издържат на екстремни външни натоварвания. По време на експлоатацията им, върху тях оказват влияние вятърът, температурните промени, свързани с годишните времена - пролет, лято, есен, зима, климатичните въздействия - дъжд, мъгла, сняг, лед, високата влажност на въздуха. Въздействието на горните фактори води до появяването корозионни процеси във вътрешността на бетонните и стоманобетонните конструкции. Свойствата на засягащите ги агресивни среди, са изключително разнообразни. Най-сериозният проблем, за бетонните и железобетонните конструкции, е влиянието на атмосферния химичен фактор - ефектът на съдържащите се в атмосферата агресивни вещества - карбонати, сулфати, хлориди, както и честите цикли на замръзване-размразяване.

Бетонът и железобетонът, като строителни материали, се характеризират с минерална капилярно-пореста структура. В резултат на агресивното атмосферно действие вътре в порестата структура се образуват кристали, чиито растеж води до появата на пукнатини. Така в резултат от въздействието на водата, солите и въглеродния диоксид, се получава корозия на бетона и железобетона и разрушаване на строителни конструкции. Затова защитата на бетонните и железобетонните повърхности е глобална задача при проектирането, изграждането и експлоатацията на строителните конструкции, използвани в съвременното строителство.

Структура и корозия на бетона

Бетоните са строителни материали получени в резултат на втвърдяване на внимателно смесена и уплътнена бетонна смес, състояща се от свързващи вещества - цимент, пясък, трошен камък и вода. В допълнение към основните компоненти, в бетонната смес могат да бъдат въведени допълнителни специални добавки. Бетоните са сред най-широко използваните материали в строителството, поради тяхната висока якост, надеждност и дълготрайност, при работа в сградни конструкции. След втвърдяване, бетонната смес образува бетон-конгломерат, където част от обема се заема от пори и капиляри с различна големина и в различни количества. Практиката, при експлоатация на бетонни конструкции, е показала, че в някои случаи, под влияние на физико-химичното действие на течните и газовите среди, бетонът може да бъде разрушен. Корозията на бетона се получава в резултат на проникване на агресивно вещество в неговата дебелина. Корозията е особено интензивна с постоянно филтриране на такова вещество през пукнатини или пори от бетон. Най-често агресивно влияние на външната среда върху бетона оказва прясната и минерализирана вода, комбинираното действие на вода и замръзване, редуващо овлажняване и изсушаване.

Видове корозионни процеси в бетона

В зависимост от вида на външното влияние, корозионните процеси в бетона се делят на физически, физико-химически и електрохимични. Физическите процеси са овлажняване и изсушаване, разтваряне на циментовия камък, под действието на течни среди, дехидратация и намаляване на якостта на циментовия камък, под въздействието на високи температури, циклично замръзване и размразяване. Към физико-химичните се отнасят влиянията на ниско минерализирана вода, на разтворите на киселини, основи, соли, на разтворените във вода съединения, които реагират с минералите от циментовия камък, взаимодействието на циментовите алкални съединения със сиилициевия диоксид. Получените реакционни продукти се разтварят и се отстраняват от структурата, в резултат на дифузия на влага или се отлагат под формата на аморфна маса.

Типичен случай е действието върху бетона на разтвори на киселини и магнезиеви соли. Друг вид физико-химични процеси са проникването на разтвори на соли и други съединения в бетона и кристализацията на реакционните продукти в порите с голямо увеличение на обема на твърдата фаза. Кристализацията на тези продукти създава вътрешни напрежения, които увреждат структурата на бетона. Типичен пример за корозия от третия тип е взаимодействието на бетона с разтвори на сулфати. Електрохимичните процеси, са свързани с нарушаване на сцеплението на бетона с армировката при стоманобетона.

Методи за защита на бетона

Според времето на въздействие, методите за защита на бетона се делят на първични и вторични. Първичните включват - компетентен избор на марка-клас, на бетон за изграждане на конструкции, които да са устойчиви на агресивна среда, правилно изчисляване на натоварванията върху конструкцията. Използване на химически добавки, които модифицират свойствата на бетона, с цел повишаване на корозионната му устойчивост и неговата защитна способност, по отношение на стоманената армировка, стоманени вградени части и свързващи елементи. Добавките могат да бъдат пластифициращи - увеличаващи, стабилизиращи-предотвратяване на разслояване, задържащи вода, както и регулиращи втвърдяването, плътността, порьозността и др. Използването на хидроизолационни добавки може да намали водо-циментовото съотношение и в резултат на това да намали обема на порите в бетона, като по този начин повиши плътността, якостта, водоустойчивостта, а също и дълготрайността на бетона.

Вторичните методи за защита включват прилагане на мерки за хидроизолация на бетонни конструкции, чрез нанасяне на защитни покрития върху повърхността им. Като такива се използват следните. биоцидни материали, унищожаващи и потискащи гъбичните образувания върху бетонните конструкции. Принципът им на действие, е проникване на химически активни елементи в бетонната конструкция и запълване на микропукнатини и пори. Залепващи покрития, прилагащи се, когато са изложени на течни среди. Например, ако бетонен пилот(греда) е наводнен от подземни води, в почви, а също и като непроницаем подслой с облицовъчни покрития, -използване на се използват ролонни материали, полиетиленово фолио, полиизобутиленови плочи и др. Уплътняващи хидрофобни импрегнации - придаващи на бетона високи хидрофобни свойства. Те рязко повишават водоустойчивостта и намаляват водопоглъщането на материала-използват се в условия на висока влажност, и ако е необходимо, за осигуряване на специални санитарни и хигиенни изисквания.

Ефективен тип защита на бетона, от увлажняване с водни агресивни разтвори, е хидрофобизирането на повърхността му със силоксанови материали. Лаково-бояджийски и акрилни покрития- образуващи устойчива на атмосферни влияния, издържлива и дълготрайна защита, включително предотвратяване появата на гъбички и микроорганизми на повърхността.  Системите на защитните покрития трябва да отговарят на изискванията на БДС EN 1504 - "Продукти и системи за предпазване и възстановяване на бетонни конструкции“. Основната цел на стандарта е нормативно да се регулира защитата на бетона от контакт с агресивни среди.

Вторичната защита на бетона се използва в случаите, когато корозионната защита не може да бъде осигурена чрез мерките на първичната му защита, и изисква периодично подновяване. Корозионно-устойчивите покрития могат да се прилагат навсякъде, където бетонът има подобна нужда. При избора на защитни средства трябва да се вземат предвид характеристиките на въздействие на околната среда, възможните физични и химични ефекти.

Видове хидроизолации за защита на бетона

Съвременният пазар на хидроизолационни материали предлага широка гама от състави за защита на бетон, като всеки циментов материал изпълнява специфична функция. Обмазваната/щата хидроизолация се използва за хидроизолиране на бетон, стоманобетон, газобетон. Дебелината на хидроизолацията е 2-6mm. Хидроизолационните състави се произвеждат в два варианта, твърда циментова хидроизолация - суха смес, и гъвкава полимер-циментова хидроизолация - двукомпонентен състав от суха смес и водна полимерна дисперсия. Полимер-циментовата хидроизолация се използва за хидроизолиране на конструкции с повишено образуване на пукнатини, подложени на температура и механична деформация, слягане и вибрации. Хидроизолацията-мазилка е суха смес за хидроизолиране на бетон, стоманобетон. Тя се използва, ако е необходимо за допълнително изравняване на повърхността.

Дебелината на хидроизолацията е 5-50mm. Уплътнителната хидроизолация, е суха смес за хидроизолиране на фуги, шевове, съединения, входове на строителни комуникации в статично натоварени сглобяеми и монолитни бетонни конструкции. Ремонтните смеси, са циментови състави с подсилващи влакна, които се използват за локално възстановяване на повърхности (отломки, дупки, пукнатини, ерозия) на бетон, стоманобетон, пенобетон, газобетон. Водната тапа, е бързосвързващ се циментов състав, използван за бързо отстраняване на течовете под налягане през пукнатини, фуги и отвори в бетонни и стоманобетонни конструкции.

Проникващата хидроизолация, е суха смес също за хидроизолиране на бетон и стоманобетонни конструкции. Този тип циментова хидроизолация не е предназначена за пенобетон и газобетонни конструкции, поради големия размер на порите. Основната разлика, между проникващата хидроизолация и всички други циментови хидроизолации, е образуването на водоустойчиво покритие не върху бетонната повърхност, а в значителната є дебелина-до 400mm за определени проникващи материали. Може да се използва и върху мокри повърхности, отвътре и отвън, при положително и отрицателно налягане на водата. Ефектът от проникваща хидроизолация продължава да се засилва след нанасяне на състава върху повърхността.

Окончателното решение, за вида на защитата и материалите за защита от корозия на конструкциите, трябва да бъде взето въз основа на сравнение на технически и икономически показатели на различни варианти за технически решения. Техническите и икономическите изчисления на защитните мерки трябва да отчитат инвестицията, средногодишните разходи за защита от корозия на бетонни и стоманобетонни конструкции и разходите за нейното периодично възстановяване. Корозионният процес е много сложен и опасен за бетонните или стоманобетонните конструкции. Ако се пренебрегне корозията на бетона и не се прави опит за нейното предотвратяване, тогава всяка сграда може напълно да се срути след определен период от време.

Структура и корозия на стоманобетона

Стоманобетонът се състои от два материала - бетон и армировка, направена от стоманени пръти. Така двата материала взаимно се допълват, и стоманобетонната конструкция е едновременно устойчива на натиск и на опън. Ако единият от двата компонента загуби своите качества, цялата система започва да се руши. По-слабото място са стоманените армировъчни пръти. Ако те не бъдат защитени със специални покрития, корозират. Ръждата бавно ги разрушава от периферията към центъра на пръта. Те постепенно изтъняват, докато станат негодни да поемат натоварването на строителната конструкция. Корозията на стоманобетонната конструкция най-често е невидима отвън. Процесът протича в дълбочина, под повърхността на бетонната конструкция.

След време, когато прътите се намират близо до повърхността, върху нея избиват ръждиви петна. Те стават все по-ярко оцветени и площта им постепенно нараства. Следва напукване и разрушаване на бетонната повърхност. Това се дължи на механичния натиск на увеличаващата обема си, ръжда. Тя разпуква бетона по посока на най-малкото съпротивление - пластът, който отделя армировъчния прът от повърхността. Така стоманобетонните пръти се оголват. Достъпът на влагата и въздуха до тях се улеснява. Корозията се активизира все повече и повече. При неспазване на изискването, за минимална дебелина на бетоновия пласт между повърхността и армировъчните пръти, корозията се появява още по-бързо. За минимална дебелина на пласта се приема разтоянието от 40mm.

Корозионни процеси в стоманобетона

Агресивното химическо въздействие се състои от два едновременно протичащи разрушителни процеса. Първият се дължи на постепенно протичащата карбонизация на бетона, под въздействие на съдържащия се във въздуха въглероден диоксид. Реагирайки с алкалните продукти в бетона, той образува карбонатни съединения, което от своя страна води до понижаване на алкалността и снижаване на водородния фактор под границата - pH 9. С намаляване на pH под 11,5, пасивиращият слой започва да се разрушава и се създават условия за развитие на корозия при наличие на влага и кислород. Оптималните условия за това са относителна влажност на въздуха 50-70% и околна температура 20-40°С. По-високата относителна влажност на въздуха е благоприятна за развитие на корозия в разположените на открито стоманобетонни конструкции. Същото се отнася и за конструкциите в сутерена на сгради. Там поради течове има периодичен разлив на води и се поддържа висока влажност.

Процесът на взаимодействие на бетона с въглеродния диоксид-карбонизация, протича бавно. Поради тази причина няма опасност скоро след построяване на сградата да възникнат сериозни повреди в носещата конструкция. Скоростта на проникване на карбонизацията в дълбочина силно зависи и от марката по якост на бетона. Вторият, атакуващ стоманобетонната конструкция химически агент, са хлорните йони, които се съдържат в бетона още при неговото изливане. Когато те се разтвореният във водата достигнат до защитния пасивиращ слой и енергично го разрушават. Проникването на хлорните йони е по-опасно и разрушително. Корозията настъпва по-бързо, включително и при по-висока алкалност - pH по-голям от 11,5, отколкото под въздействие само на карбонизацията. Тези два процеса протичат паралелно. Карбонизацията може допълнително да повиши нивото на свободните хлорни йони и така общото разрушително въздействие се активизира още повече.

В резултат на корозията, стоманата се превръща в ръжда. Този процес известно време "работи“ в дълбочина без видими следи върху повърхността. Когато ръждата избие, процесът е вече силно напреднал. Образувалата се ръжда разширява обема си 2-5 пъти, което рано или късно предизвиква напукване и разрушаване на бетона около засегнатите армировъчни пръти. Това е сигнал, който алармира, че ремонтът повече не бива да се отлага. Необходим е спешен ремонт, със специализирани съвременни материали за работа в система, при стриктно спазване на предписаната от производителя технология за полагане.

Антикорозионна защита на армировката

През порите в циментовия камък към армировката проникват въздух и влага. Проникването им към металната повърхност не е равномерно, поради което в различни нейни части, се наблюдава появата на различни потенциали, т. е. протича електрохимична корозия. Последната е резултат от работата на много микроскопични късосъединени галванични елементи, които се появяват на повърхността на метала в контакт с въздуха и влагата. Тяхното възникване се дължи на хетерогенността на околната среда. По този начин електрохимичната корозия предполага наличие на електрически ток - корозионен ток, който възниква по време на корозионния процес и не се нуждае от външна причина.

Скоростта на корозия, изразена в тегловни загуби на метал на единица повърхност за единица време, ще зависи от величината на корозионния ток, т. е. от разликата в потенциала на анода и катода и омичното съпротивление на вътрешната верига на корозионния елемент. Ако има външна причина под формата на блуждаещи токове, корозията обикновено се засилва. Има няколко начина за защита на стоманената армировка в бетона от корозия. Едните, са използване на висококачествен бетон със специален състав, въвеждане на неорганични инхибитори на корозия-нитрити хромати, фосфати, борати, силикати. Другите, са допълнителна защита на стоманената армировка от корозия - покриващи лаково-бояджийски филми, листове и други, подобряване характеристиките на стоманата, чрез въвеждане на полезни компоненти и отстраняване на вредни примеси, т. е. легиране, електрохимична защита-налагане на външен ток.

Около армировката е самият бетон, така че именно той е средата, заобикаляща метала. За удължaване експлоатационния срок на армировката, е необходимо да се подобри ефектът на бетонния камък върху стоманата. На първо място е необходимо да се изключат или, ако това не е възможно, да се сведат до минимум веществата в състава на бетона, които допринасят за интензифицирането на корозионния процес на армировката. Такива вещества са хлорните йони. 

Добрият плътен бетон на порландцемент с пореста алкална течност - рН-12-12,5, има първоначален пасивиращ ефект върху армировката. Образуват се оксидни защитни филми, под въздействието на водната алкална среда от бетонния камък. Стоманената армировка в бетона е защитена, докато не се наруши пасивното є състояние. Стоманата губи пасивност и започва да корозира в бетона по време на дифузия на хлорни йони и частична карбонизация, когато стойността на pH е 11. Защитният пасивиращ филм на армировката, се засилва чрез въвеждане на пасиватори в бетонната смес. За целта често се използва натриев нитрит в количество от 2 до 3% от първоначалното тегло на цимента.

В днешно време, съвременните наноматериали на базата на силани в комбинация с различни органофункционални молекули, имат способността да проникват в дълбочина, да възстановяват и поддържат за дълъг период от време защитния пасивиращ слой върху стоманените пръти. Молекулата на силана е с големина 1 нанометър, т. е. три пъти по-малка и от най-фините пори в бетона. Благодарение на това, активните компоненти на нанопрепаратите проникват дълбоко и ограничават процеса на корозия в стоманата. По този начин многократно се удължава експлоатационния срок на стоманобетонните конструкции.