Россия
сотрудник
Россия
В статье представлен новый индикаторный способ выявления зон карбонизации (нейтрализации) бетона, который можно успешно применять в практике обследований строительных конструкций из бетона и железобетона (на полевой и лабораторной стадиях работ). Рассмотрены аспекты возникновения и протекания процесса карбонизации (нейтрализации), а также проанализированы случаи её влияния на долговечность бетонных и железобетонных строительных конструкций различных объектов (промышленных, транспортных, гражданских, гидротехнических, линейных). Карбонизация способна в определенных условиях приводить к выщелачиванию бетона, что влечет повреждение арматуры в железобетонных конструкциях. Рассмотрены объекты, на которых возможно проводить обследования с применением нового метода, а также приведено сравнение эффективности указанного метода с методом фенолфталеиновой пробы. Недостаток метода фенолфталеиновой пробы (МФФП) состоит в том, что он не позволяет понять полную картину распределения рН бетона по слоям, поскольку индикатор имеет 1 рабочий интервал перехода окраски. Отличие нового метода состоит в более высокой точности (метод позволяет выявить зоны, в которых процесс коррозии бетона, связанный с массопереносом целевого компонента при карбонизации только начинается или полноценно протекает, а также оценить состояние защитного слоя бетона в текущий момент времени). Новый метод является перспективным, т.к. позволяет оценивать состояние обследуемых железобетонных конструкций на предмет их долговечности и степени повреждения. Полученные результаты исследования можно использовать при организации ремонта бетонных и железобетонных строительных конструкций.
бетон, железобетон, коррозия, карбонизация, нейтрализация, выщелачивание, обследование, фенолфталеиновая проба, универсальный индикатор
Введение. Процесс обследования бетонных и железобетонных строительных конструкций, эксплуатируемых в условиях атмосферного воздуха и влаги, зачастую сопровождается выявлением участков карбонизации бетона (дополнительно могут определяться и другие распространенные виды коррозии бетона). От степени развития процесса карбонизации прямо зависит состояние железобетонных конструкций гражданских, промышленных, транспортных сооружений, например, опор и плит покрытий мостов, эстакад и др. (рис. 1) [1, 2].
Рис. 1. Ребристые плиты покрытия в транспортном сооружении (Московская область).
Срок эксплуатации плит – более 30 лет. Совместное действие карбонизации и хлоридной коррозии.
Оголение и коррозия продольной арматуры
Процесс карбонизации вызывает снижение долговечности железобетонных конструкций, особенно используемых в качестве опорных и изгибаемых элементов, вследствие уменьшения рН бетона, его пассивирующих свойств по отношению к стальной арматуре и снижению площади поперечного сечения арматуры в результате образования продуктов коррозии.
Другое название процесса карбонизации – нейтрализация, поскольку процесс коррозии связан с химической реакцией одного из основных компонентов цементного камня – свободного гидроксида кальция (согласно терминологии академика Российской академии архитектуры и строительных наук, С. В. Федосова) [1–4]. Согласно классификации профессора В.М. Москвина и его соавторов, карбонизация относится к процессам коррозии бетона 2-го вида и представляет собой один из подвидов химической коррозии цементного камня [2]. Процесс карбонизации представляет собой реакцию щелочных компонентов бетона (в основном, свободного гидроксида кальция Са(ОН)2), происходящей при диффузии углекислого газа или угольной кислоты (содержащегося в атмосфере) в порах цементного камня.
Процесс можно условно разделить на 2 стадии:
1) Образование карбоната кальция
Са(ОН)2 + Н2СО3 → СаСО3↓+ 2Н2О (1)
2) Образование и унос в среду гидрокарбоната кальция
СаСО3↓ + Н2СО3 → Са(НСО3)2 (2)
Развитие первой стадии (1) связано с особенностью микроструктуры цементного камня, который является пористым материалом. В ходе взаимодействия с атмосферным воздухом (в том числе и во влажной среде) происходит насыщение пор бетона углекислым газом (СО2) или раствором углекислоты (Н2СО3), что ведет к образованию углекислого кальция (СаСО3) [1-4]. Углекислый кальций (СаСО3) является нерастворимым соединением, благодаря чему он остается в структуре железобетонной конструкции [2, 3, 4].
Вторая стадия процесса (2) протекает при условии избытка углекислого газа или угольной кислоты. В случае атмосферной эксплуатации данное условие полностью выполняется – углекислый газ содержится в воздухе. В результате в растворе образуется гидрокарбонат кальция (Са(НСО3)2), который является растворимым соединением. В дальнейшем, при увлажнении конструкции происходит диффузия гидрокарбоната кальция с образованием раствора, который уносится во внешнюю среду [1–4], а цементный камень бетона теряет один из ценнейших компонентов.
Именно поэтому выявление и определение карбонизации бетона является актуальной задачей в области строительного материаловедения и обследования строительных конструкций (как для отечественных, так и зарубежных научных школ), подкрепленной также в нормативных документах РФ. Например, согласно
ГОСТ 31384-2017 (п. 7.4.3) необходимо предусматривать защиту бетонных и железобетонных конструкций от карбонизации, путем введения специальных добавок в бетон или благодаря устройству защитных покрытий [3, 4].
Процесс карбонизации сопровождается снижением рН защитного слоя бетона [3–5]. По данным различных исследований [4, 5], при снижении рН бетона ниже 10÷9, начинается процесс химической и электрохимической коррозии арматуры, поскольку пассивирующие свойства бетона по отношению к металлической арматуре могут быть утрачены [4, 5]. Следует отметить, что зачастую карбонизация воздействует на бетонные и железобетонные конструкции совместно с другими видами коррозии (хлоридной коррозией [1, 4, 5, 10, 13] и биологической коррозией [5, 7, 9]). Биокоррозия бетона является серьезной глобальной проблемой, ущерб от которой оценивается в размере миллиардов долларов в год [1]. Кроме того, исследование микробиологического воздействия на цементные материалы имеет санитарно-гигиеническое значение. Биодеструктивные процессы затрагивают структурную целостность многих наземных и морских конструкций, мостов, зданий и сооружений, в результате чего бетон подвергается разрушению. Биодеструкция бетонных конструкций способствует увеличению пористости бетона и ускорению диффузионных процессов в нем, тем самым стимулируя коррозионные процессы. Основным компонентом, ускоряющим общий процесс коррозии в бетоне, является смесь органических кислот (C₆H₈O₇, C₄H₆O₅ и др.), которая является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов [7]. Своевременная защита бетонных и железобетонных конструкций от биологического обрастания позволяет значительно сократить экономический ущерб от последствий коррозионных разрушений, повысить надежность конструкций, эксплуатирующихся в условиях повышенной влажности, снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций. И если исследования по влиянию карбонизации и хлоридной коррозии, а также по их выявлению на полевой и лабораторной стадии обследования строительных конструкций в литературе встречаются достаточно часто [6, 7], то вот вопросы выявления и исследования биологической коррозии отражены недостаточно широко. До настоящего времени предотвращение биообрастания подводных бетонных и железобетонных сооружений проводилось в основном за счет обработки поверхностей биоцидами для уничтожения или предотвращения оседания потенциальных загрязняющих веществ. Однако экологическая безопасность ряда биоцидов против биообрастания вызывает серьезные опасения, возникает необходимость поиска альтернативных методов защиты [7].
Таким образом, процесс карбонизации непосредственно влияет на долговечность бетонных и железобетонных конструкций [1–5,7,8, 10, 13–15], из-за чего его необходимо учитывать при проведении обследований.
Материалы и методы. Выявление карбонизации на полевой или лабораторной стадии – важный аспект обследования бетонных и железобетонных строительных конструкций на предмет коррозии. Наиболее известным и применяемым как в зарубежных странах, так и в РФ, является метод фенолфталеиновой пробы (МФФП). Данный метод успешно используется как на полевом этапе обследования, так и на лабораторном [4, 6, 15]. Выполнить фенолфталеиновую пробу можно не только на объекте обследования при помощи нанесения раствора индикатора на свежие сколы (спилы) бетона или в недавно подготовленные контрольные отверстия, но также и в лабораторных условиях на заранее отобранных образцах (кернах) (рис. 2а) цилиндрической формы (рис. 2б) [4, 6].
Суть МФФП состоит в изменении окраски раствора фенолфталеина, в зависимости от величины рН бетона в реальном времени. Например, при значениях рН=8÷10 (щелочная среда) окраска раствора фенолфталеина переходит из бесцветной в малиновую (1 рабочий интервал перехода). При значении рН<8 окраска раствора фенолфталеина бесцветная, что позволяет понять границы зон карбонизированного бетона и определить глубину карбонизации (рис.2) [4,6] эксплуатируемой конструкции.
(а) (б)
Рис. 2. (а) – участок алмазного бурения на ж/б конструкции, выбранный для отбора образца-керна;
(б) – фенолфталеиновый тест на определение карбонизации бетона образца-керна в лаборатории
Основная часть. Благодаря простоте и доступности МФФП успешно применяется в практике обследований, но, к сожалению, он не лишен своих недостатков [4–6], которые могут способствовать лишним временным затратам или недостаточной точности полученных результатов. В качестве примера рассмотрим незащищенную (без мероприятий первичной и вторичной защиты) бетонную конструкцию [4, 6]. При значениях рН бетона более 10,5, окраска раствора фенолфталеина практически бесцветная и переход индикатора, особенно в полевых условиях, может быть незаметным [4, 6]. К сравнению, рН свежеприготовленного бетона составляет примерно 13÷14 (сильнощелочная среда), а рН бетона недавно возведенной (1–3 года или 3–5 лет) бетонной или ж/б конструкции может составлять 11,5÷12,5. В таком диапазоне окраска раствора фенолфталеина также бесцветная [4, 6]. Таким образом, если процесс нейтрализации бетона уже начался и происходит постепенное снижение рН от начальных значений, раствор индикатора в МФФП не позволит понять динамику протекания процесса и оценить границы наиболее уязвимых зон к карбонизации, в особенности если поврежденный коррозией бетон визуально абсолютно не отличается от целого [4, 6].
Помимо фенолфталеина есть другие индикаторы и их смеси, работающие в большем диапазоне рН бетона. Именно поэтому, помимо раствора фенолфталеина ведется поиск растворов других индикаторов, которые смогут дать понимание показателей значений рН бетона и понять границы зон их распределения [4, 6].
В качестве такой альтернативы было предложено использование спиртового раствора универсального индикатора ЗИВ-1 [6]. Поскольку универсальный индикатор представляет собой смесь различных индикаторов, в отличие от фенолфталеина он имеет несколько рабочих интервалов перехода (рис. 3) [6]. Каждому интервалу перехода соответствует своя уникальная окраска раствора (окраска значительно контрастирует по сравнению с исходной), что упрощает определение рН в указанном участке (рис. 3) [6]. Благодаря данному индикатору можно получить представление о границах зон бетона с конкретными показателями его рН (рис. 5 а, б). В качестве примера показаны участки свежих сколов бетона одной и той же строительной ж/б конструкции, на поверхность которых нанесены спиртовые растворы универсального индикатора ЗИВ-1 и фенолфталеина (рис. 5 а, б) [6].
Раствор индикатора наносится на стенки недавно подготовленных контрольных отверстий (КО) на поверхности железобетонных конструкций, которые располагаются с определенным шагом (рис.4 а, б). Шаг КО определяется в зависимости от основных габаритов конструкции (длина, ширина, высота, толщина) [6]. Отверстия в конструкции предварительно подготавливаются с помощью перфоратора, при этом их полости тщательно очищаются от бетонной пыли и грязи, а также промываются дистиллированной водой (рис. 4 а, б). Очистка отверстий необходима от бетонной пыли, которая способствует загрязнению и может помешать работе индикатора. КО производятся в заранее определенных местах и представляют собой шпуры, диаметром 16÷24мм и максимальной глубиной до 80 мм (в зависимости от толщины защитного бетонного слоя в железобетонных конструкциях). Рекомендуемая глубина отверстий составляет 1,5 диаметра. При обследовании бетона морских и речных гидротехнических сооружений, бомбоубежищ, подземных толстостенных и специальных конструкций, допускается выполнение отверстий глубиной до 180 мм. Места и разметка нанесения контрольных отверстий предварительно определяются магнитным детектором, для минимального шанса попадания в арматуру при сверлении. Шаг контрольных отверстий принимается 300 мм в горизонтальном направлении и 200 мм в вертикальном направлении. Раствор индикатора допускается наносить и на свежие сколы (спилы) бетона (рис. 5 а, б), в случае если имеются трудности с выполнением контрольных отверстий (рис. 5) [6]. Такая ситуация, например, характерна для тонкостенных ж/б конструкций. Поскольку раствор индикатора имеет несколько интервалов перехода окраски, то за основную окраску зоны рН принимается наиболее крупная зона с однородной насыщенной окраской. В случае если таких зон сразу несколько, предполагается равномерное усреднение показателей, с составлением подробной карты зон рН бетона.
При использовании метода необходимо иметь с собой качественные световые приборы, которые будут подсвечивать контрольные отверстия (освещение необходимо для точного определения различных рН зон в бетоне). Также необходимо наличие перфоратора с бурами необходимых диаметров (рекомендуемые диаметры буров от 16÷ 24 мм).
Новым методом исследовано более 10 участков железобетонной конструкции (ребристая плита покрытия автомобильнодорожного моста), которая длительное время (более 30 лет) эксплуатируется в условиях воздействия атмосферного воздуха и влаги. Конструкция выполнена без первичной и вторичной защиты бетона [2, 3, 14]. Автомобильнодорожный мост находится в Ивановской области. Результаты сравнения приведены в таблице 1.
Рис. 3. Основные рабочие интервалы перехода раствора универсального индикатора ЗИВ-1.
(а) (б)
Рис. 4. (а) – выполненные контрольные отверстия глубиной 30÷50мм на поверхности железобетонной
конструкции;(б) – пример обследуемой железобетонной конструкции. Конструкции находятся на открытом
воздухе более 15 лет
(а) (б)
Рис.6. Сравнение показаний спиртовых растворов индикаторов, нанесенных на сколы бетона:
а) - универсальный индикатор ЗИВ-1; б) -фенолфталеин. В зонах бесцветной окраски фенолфталеина
карбонизированный бетон, рН которого можно определить с помощью раствора универсального индикатора
Таблица 1
Сравнение показаний предлагаемого метода с методом фенолфталеиновой пробы
|
№ участка |
Предлагаемый метод |
Метод фенолфталеиновой пробы |
||
|
Окраска |
Значение рН |
Окраска |
Значение рН |
|
|
1 |
Светло-зеленая |
9÷9,5 |
Малиновая |
8÷10 |
|
2 |
Салатово-зеленая |
7,5÷7,9 |
Блекло-малиновая |
~8 |
|
3 |
Светло-зеленая |
~9,5 |
Малиновая |
8÷10 |
|
4 |
Синий |
~12,5 |
Бесцветная |
<8 |
|
5 |
Желтая |
~6 |
Бесцветная |
<8 |
|
6 |
Желто-салатовая |
6,5÷7,0 |
Бесцветная |
<8 |
|
7 |
Темно-зеленая |
~10,5 |
Темно-малиновая |
8÷10 |
|
8 |
Салатово-зеленая |
7,5÷7,9 |
Блекло-малиновая |
~8 |
|
9 |
Синий |
~12,5 |
Бесцветная |
<8 |
|
10 |
Желтая |
~6 |
Бесцветная |
<8 |
В участках №4 и №9 окраска фенолфталеина бесцветная, т.е. по данным фенолфталеиновой пробы, предполагается, что рН бетона на данном участке менее 8 (визуально бетон схож с поврежденными коррозией участками). Однако раствор универсального индикатора ЗИВ-1 дает понимание, что рН бетона там превышает 12, что означает, что участок полностью «здоров» [6] – при ремонте железобетонной конструкции его не нужно удалять с последующим восстановлением ремонтными составами [2, 3].
В участках №2 и №8, где цвет окраски раствора фенолфталеина практически бесцветный (т.е. рН бетона ≈ 8), раствор универсального индикатора ЗИВ-1 позволяет получить практически полностью точные значения (табл. 1). Сходная ситуация наблюдается и в участках №5, №6, №10, где при показателях рН<8 новый метод позволяет с большей точностью определить границы зон полностью нейтрализованного бетона [6].
В качестве примера приведено исследование влияния добавок-ускорителей твердения на рН бетона с помощью предполагаемого метода.
Недостаток метода фенолфталеиновой пробы состоит в том, что фенолфталеина не даёт представления о рН бетона выше границы своего применения. На рис. 7, 8 приведены снимки окраски фенолфталеина на бетонных кубиках 10×10×10см с добавкой ускорителя твердения (на основе фтористых солей, рис. 7) и кубика из обычного бетона (без добавок, рис. 8).
Предлагаемый метод позволяет определить рН бетона в случае применения подобных добавок. Например, на рис. 9-11 показаны карбонизированные бетонные кубики 3×3×3см (2шт) и кубик 10×10×10 см (1шт), в которые 3 года назад были добавлены различные добавки (ускоритель твердения на основе неорганических фтористых солей, нитрит натрия и ускоритель твердения на основе орг. фтористых солей). Как видно из фотографий, в участках бетона, где окраска фенолфталеина была бы бесцветной, раствор универсального индикатора окрашивает бетон. Это позволяет понять зоны бетона с различным рН, а также даёт представление о влиянии различных добавок на рН бетона при дальнейшей эксплуатации.
Выводы
- Новый индикаторный метод определения зон карбонизации (нейтрализации) бетона является перспективным и более точным, по сравнению с методом фенолфталеиновой пробы, а также позволяет определить динамику процесса (границы зон бетона с различными показателями его рН).
- Также этот метод в полевых условиях, с учетом факторов эксплуатации железобетонных конструкций, дает возможность оценить распределение наиболее уязвимых к карбонизации зон бетона и определить моменты возможного начала химической и электрохимической коррозии арматуры в данных участках.
- Метод возможно использовать не только при оценке долговечности бетонных и железобетонных конструкций, но также и применять при испытаниях новейших добавок в бетон (неорганических кислотных, щелочных и солевых, органических), поскольку он даст понимание по их влиянию на рН свежеприготовленного бетона. Таким образом, постепенно решается задача по накоплению практического опыта в этой области научных знаний.
1. Раткин В.В., Черных В.К. Хлоридная коррозия и ее влияние на свойства бетона // XVII междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Сборник трудов конф. 2016. С. 150-151.
2. Павлова И.Л., Мосюкова Н.О. Повышение долговечности железобетонных конструкций при их реконструкции и восстановлении // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2015. № 6. С. 200-203.
3. Гнам П.А. Анализ методик технического обследования объектов с целью определения их физического износа // AlfaBuild. 2019. № 4 (11). С. 7-22.
4. Федоров П.А., Анваров Б.Р., Латыпова Т.В., Анваров А.Р., Латыпов В.М. Карбонизация бетона. По какой формуле рассчитывать глубину коррозии? // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2010. № 4-5 (16). С. 54-60.
5. Румянцева В.Е., Логинова С.А., Карцева Н.Е. Математическое моделирование коррозии бетонных конструкций в биологически агрессивных средах // Вестник Череповецкого государственного университета. 2021. № 3 (102). С. 56-67. DOI:https://doi.org/10.23859/1994-0637-2021-3-102-4
6. Пат. 2755246 C1, Российская Федерация. Способ определения долговечности железобетонных конструкций / Д.С.Рыбнов, И.Н.Гоглев, К.Ю. Соколов. № 2020127659; заявл. 19.08.2020, опубл.14.09.2021.
7. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Логинова С.А., Гоглев И.Н. Выявление сульфатной и хлоридной коррозии бетона на полевой и лабораторной стадиях обследования строительных конструкций зданий и сооружений // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2021. № 10 (1046). С. 29-31.
8. Сороканич С.В., Бочковский Д.Ю., Корж А.А. Сульфатная коррозия бетона при фильтрационном влагопереносе // Вестник Луганского государственного университета им. Владимира Даля. 2020. № 12 (42). С. 131-134.
9. Строганов В.Ф., Сагадеев Е.В. Биоповреждение строительных материалов // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 5-9.
10. Бондаренко В.М., Мигаль Р.Е., Ягупов Б.А. Резервы и экспозиция конструктивной безопасности зданий, эксплуатирующихся в агрессивной среде // Строительство и реконструкция. 2014. № 1 (51). С. 3-10.
11. Etteyeb N., Sanchez M., Dhouibi L., Alonso C., Andrade C., Triki E. Corrosion protection of steel reinforcement by a pre-treatment phosphate solution. Assessment of passivity by electrochemical techniques. //Corrosion Engineering Science and Technology. 2006. V. 41(4). Pp. 336-341. DOI:https://doi.org/10.1179/174327806X120775
12. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т.О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Academia. Архитектураистроительство. 2015. № 1. С. 93-102.
13. Cao C., Cheung M. Non-uniform rust expansion for chloride-induced pitting corrosion in RC structures // Constr. Build. Mater. 2014. №51. Pp. 75-81. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.10.042
14. Лесная В.И. Карбонизация бетона в конструкциях зданий // Вологдинские чтения. 2003. № 37. С. 86-87.
15. Васильев А.А., Шевченко Д.Н. Математическая расчетно-экспериментальная модель начальной карбонизации бетона // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: наука и транспорт. 2016. № 2 (33). С. 176-179.
16. Goglev I.N. A new promising method for detecting carbonization of reinforced concrete building structures during inspections // Smart Comprosite in Construction. 2021. V. 2. № 4. Pp. 35-45.DOI:https://doi.org/10.52957/27821919_2021_4_35
