Бетон — самый расходуемый строительный материал в мире. Он прочен при сжатии, но слаб при растяжении. Чтобы преодолеть естественную слабость бетона при растяжении, в бетон встраивается стальная арматура, что позволяет возводить сложные железобетонные системы, такие как длинные консольные конструкции, более тонкие секции и плиты с меньшей опорой. Таким образом, железобетонные конструкции стали самым популярным конструкционным материалом на протяжении более столетия. Важным фактором, учитывающим строительные стандарты и политику, является необходимость того, чтобы конструкция прослужила несколько десятилетий. Однако износ железобетонных конструкций может начаться всего через 10 лет; даже если эти конструкции построены в соответствии с положениями кодекса. Основной причиной преждевременного разрушения железобетонных конструкций является коррозия стальной арматуры, и это можно рассматривать как серьезную проблему для долговечности железобетонных конструкций.
Почему возникает коррозия в железобетонных конструкциях?
рН раствора в порах бетона колеблется между 12,4 и 13,5, что делает железобетон высокощелочным композитом. Это щелочное свойство бетона помогает ингибировать коррозию арматурной стали, которая встроена в железобетон и делает сталь пассивной. Однако хорошо соединенная структура цементной матрицы с открытыми порами позволяет агрессивным веществам проникать в сыпучий материал, тем самым инициируя коррозию стали при благоприятных условиях. Одним из основных факторов возникновения коррозии стали является загрязнение хлоридами. Накопление хлорид-ионов на поверхности арматуры из-за попадания хлоридов может разрушить защитную пассивную пленку стали, таким образом, в стальной арматуре начинается коррозия. Загрязнение хлоридом в большей степени снижает щелочность цементной матрицы за счет гидролиза продуктов коррозии, делая ее более кислой, и это способствует распространению коррозии. Продукты коррозии арматурной стали занимают примерно в 3-8 раз больше первоначального объема стальной арматуры, заделанной в цементирующую матрицу. Это увеличение объема создает значительные силы расширения вблизи стальной арматуры, в конечном счете вызывая растрескивание бетона. Наличие коррозии уменьшает эффективное поперечное сечение стали и снижает прочность ее сцепления с бетоном. Следовательно, коррозия увеличивает потенциальный риск быстрого разрушения конструкции.
Наряду со структурными и фатальными воздействиями, последствия коррозии можно определить и в экономических терминах. Коррозия стали в конструкциях наносит значительный ущерб обществу из-за потребностей в техническом обслуживании и ремонте. Значительный процент бетонных конструкций имеют структурные дефекты из-за коррозии и подвергаются ремонту и реабилитации для восстановления функциональных и конструктивных характеристик. Стоимость ремонта и реабилитации напрямую влияет на стоимость коррозии. Кроме того, косвенные затраты, которые включают потерю производительности, задержки в движении транспорта и т.д., примерно в 10 раз превышают прямые затраты на коррозию. Согласно отчету NACE, около 15% бетонных мостов, включая как обычные, так и предварительно напряженные, имеют конструктивные дефекты из-за коррозии. Общая прямая стоимость коррозии оценивается в 276 миллиардов долларов в год. Таким образом, совокупность прямых и косвенных затрат на коррозию в три раза превышает мировой ВВП.
Большинству вновь возводимых конструкций в ближайшем будущем грозит коррозия. Коррозия влияет на прочность, жесткость и стабильность железобетонных конструкций и, следовательно, на их безопасность и работоспособность. Вместе со структурными и фатальными последствиями коррозия также приведет к увеличению связанных с ней затрат. Поэтому защита железобетонных конструкций и продление срока службы конструкций является неизбежной необходимостью. На практике применяются различные методы защиты для уменьшения коррозии арматурной стали в бетонных конструкциях, такие как использование накладного ремонта, защитного покрытия, метода принудительного тока и расходуемых анодов. Однако проводятся ограниченные исследования этих методов защиты и их влияния на коррозию железобетонных конструкций в режиме реального времени. Поэтому необходима более методичная работа для изучения того, как защитить конструкции от коррозии.