Моделирование коррозии арматуры в бетоне с помощью биметаллических пакетных датчиков - основа про-активного подхода к продлению жизненного цикла железобетонных конструкций

Показана возможность применения биметаллических пакетных датчиков в качестве системы непрерывного неразрушающего мониторинга за коррозионным состоянием арматуры в железобетоне. При этом могут быть получены количественные характеристики процесса коррозии металла. Предложена методика определения эффективности вторичной защиты железобетона при использовании гидрофобизаторов и мигрирующих ингибиторов коррозии. Изучено защитное действие гидрофобизатора на основе изобутилтриэтоксисилана и мигрирующего ингибитора коррозии на основе замещенных фосфоновых кислот и аминов.

Цель работы: обоснование применения биметаллических пакетных датчиков для идентификации активно/пассивного перехода на стальной арматуре под защитным слоем бетона, а также оценки эффективности методов вторичной защиты железобетона гидрофобизаторами глубокого проникновения и мигрирующими ингибиторами коррозии.
Задачи работы: 1. Разработка методики применения биметаллических пакетных датчиков для идентификации активно/пассивного перехода на низколегированной стали в поровой жидкости и под защитным слоем бетона в присутствии хлоридов.
2. Моделирование процесса коррозии арматуры с помощью биметаллических пакетных датчиков в течение циклов увлажнения / высыхания бетонов с различной концентрацией хлоридов.
3. Разработка методики определения эффективности вторичной защиты бетона гидрофобизатором на основе ИБТЭС и мигрирующим ингибитором коррозии на основе фосфоновых кислот и аминов с применение биметаллического пакетного датчика.

Основная причина разрушения железобетона - коррозия стальной арматуры, в частности, под воздействием хлоридов. Хлориды широко используются для удаления льда на транспортных сооружениях и присутствуют в морской атмосфере. Проникая в поровую жидкость бетона, хлориды вызывают локальную коррозию арматуры. 

Неразрушающие методы мониторинга железобетонных конструкций позволяют обнаружить коррозионные процессы с участием стальной арматуры на начальной стадии, при отсутствии видимых последствий этого явления. Электрохимические методы нашли широкое применение в качестве основы неразрушающих методов мониторинга.

Для моделирования процесса коррозии стальной арматуры в бетоне применили биметаллический пакетный датчик. Устройство представляет собой пакет пластин меди и низкоуглеродистой стали, разделенных слоем диэлектрика – слюды.

Датчики монтировали в бетонные призмы размером 160х40х40 мм таким образом, чтобы толщина слоя над рабочей поверхностью сенсора составляла 20 мм. Бетон на основе цементно-песчаной смеси из цемента марки М500 производства «Осколцемент» по ГОСТ 10178-85. Водоцементное отношение - 0,4; соотношение массы цемента и песка - 1/3. Твердение образцов происходило в течение 28 суток при 100%-ной влажности. 

Эксперимент состоял из циклов принудительного увлажнения / высыхания в естественных условиях. В течение восьми часов бетон насыщали дистиллированной водой набрызгом из распылителя с периодичностью в один час. В интервалы между увлажнением образцы размещались в эксикаторе со 100 %-й относительной влажностью воздуха. Затем бетонные призмы оставляли в эксикаторе на 12-15 часов, после чего извлекали в воздушно-сухую атмосферу лаборатории. В течение всего опыта производили фиксацию параметров: потенциал свободной коррозии металла на поверхности бетона, удельное электрическое сопротивление бетона с поверхности, ток коррозионного элемента. При достижении исходных значений измеряемых параметров цикл увлажнения повторяли.

1. Показано, что биметаллические пакетные датчики могут использоваться в качестве сенсоров активно/пассивного перехода на стальной арматуре в железобетоне. С помощью вышеуказанных сенсоров можно получать количественные характеристики процесса коррозии в процессе мониторинга состояния железобетонных конструкций в непрерывном режиме.
2.  Показано, что скорость изменения степени заполнения пористой структуры в цикле увлажнения не зависит от концентрации хлорид-ионов в бетоне и значительно выше, чем соответствующие величины в цикле высыхания. В цикле высыхания процесс может быть охарактеризован двумя значениями скорости, на начальном и конечном участках. Длительность начального участка – в пределах 10 часов, конечного – от 10 часов до окончания эксперимента. Скорость высыхания на конечном участке определяется закономерностями испарения влаги из пористой структуры. Скорость испарения на конечном участке для образцов без хлорид-ионов более чем в три раза превышает соответствующую величину для образцов, содержащих хлориды. Это объясняется гигроскопичностью хлорида натрия.
3.  При интерпретации результатов неразрушающего мониторинга коррозионного состояния стальной арматуры в железобетоне, основанного на измерениях электрохимических и электрических параметров на поверхности защитного слоя (потенциал свободной коррозии арматуры, удельное электрическое сопротивление бетона), необходимо учитывать кинетические закономерности заполнения пористой структуры бетона влагой в циклах увлажнения/высыхания. Следовательно, необходимо знать влажностный режим эксплуатации конструкции в период, непосредственно предшествующий обследованию.
4. Вторичная защита с применением гидрофобизатора на основе силанов многократно повышает удельное электрическое сопротивление бетона и обеспечивает пассивное состояние арматурной стали при содержании хлоридов до 0,40 _мас%, при содержании хлоридов более 1,00 _мас% зафиксировано снижение скорости коррозии на 75-90% от контрольного значения.
5. Мигрирующие ингибиторы коррозии на основе замещенных фосфоновых кислот и аминов снижают скорость коррозии стали в бетоне. Пассивация металла при содержании хлоридов более 1,00_мас% не достигается. Ингибирующее действие осложнено доставкой ингибитора к поверхности металла через защитный слой бетона.

Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М., Изд-во АН СССР, 1959, 593с.
Tuutti K. Corrosion of Steel in Concrete. Stockholm, Swedish Cement and Concrete Research Institute, 1982, 468 p.
Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования: ГОСТ 31384-2008. М., Изд-во стандартов, 2009, 65 с.
Рекомендации по диагностике активной коррозии арматуры в железобетонных конструкциях мостовых сооружений на автомобильных дорогах методом потенциалов полуэлемента: ОДМ 218.3.001-2010. - Введ. 2011.01.01. - М.: РОСАВТОДОР, 2010. - 32 с.
Polder R. Test methods for on site measurement of resistivity of concrete / R. Polder [et al.] // Materials and Structures. – 2000. – Vol. 33. - P. 603-611.
Archie G.E. The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics // Transactions of the AIME. – 1942. – pp. 54-62.

The possibility of bimetallic package sensor usage as a system of continuous non-destructive monitoring for corrosion of steel in reinforced concrete was shown. With regard to the above mentioned quantitative characteristics of metal corrosion can be obtained. The method of determining of protection of reinforced concrete effectiveness by using of repellents and migrating corrosion inhibitors was proposed. The protective effect of repelling agent based on isobutyltrimethoxysilane and migrating corrosion inhibitor on the basis of substituted amines and phosphonic acids was examined.