Особливості корозійних процесів залізобетону в агресивних середовищах і способи захисту від корозії будівельних споруд
Заголовок (англійською):
Features of reinforced concrete corrosion processes in aggressive environments and methods of corrosion protection of building structures
Автор(и):
Макаренко В.Д.
Савенко В.І.
Гоц В.І.
Макаренко Ю.В.
Чигиринець О.Е.
Автор(и) (англ):
Makarenko V.D.
Hots V.I.
Maistrenko A.A.
Azutov V.P.
Chyhyrynets O.E.
Ключові слова (укр):
сульфатна корозія, хлориди, кислоти, руйнування, бетонні споруди
Ключові слова (англ):
sulfate corrosion, chlorides, acids, destruction, concrete structures
Анотація (укр):
В статті розглянуті питання виготовлення бетону високої корозійної стійкості в найбільш розповсюджених середовищах і в сульфатних хлоридних кислих і ін. Показано що корозійна стійкість бетону визначається двома головними показниками – незначною проникливістю для агресивного середовища і позитивною реакційною здатністю з компонентами агресивного середовища наведені кількісні значення названих показників Використання бетонів високої корозійної стійкості дозволяє створити бетонні і залізобетонні конструкції володіючі високою довговічністю ав агресивних середовищах без застосування додаткового (вторинного ) захисту від корозії. Встановлена максимально допустима концентрація хлоридів в агресивних середовищах експлуатації бетону, зокрема при товщина захисного шару бетону в зоні арматури, максимальна концентрація хлоридів відповідно в середньому складає 1300 1850 і 2700 мг/дм3 . Крім гого, ці величини можуть змінюватися в залежності від коефіцієнту дифузії хлор-іонів. Показано, що зі зміною рН середовища (від 3.5 до 1.0) , яке контактує з арматурою бетону, швидкість корозії бетону змінюється відповідно від 0.3 до 20 мм/рік. Сутність корозійних процесів в сульфатному середовищі полягає в в структурі бетону, гіпсу і гвдросульфоалюмінатів зі збільшеним об’ємом твердих фаз, що спричиняє появу внутрішніх напружень, перевищуючих міцність бетону, що веде неминуче до руйнування бетону. Сульфатна корозія спостерігається при дії різних розчинів сульфатів чи при застосуванні заповнювачів, які містять домішки гіпсу (сульфідмісний заповнювач в бетоні). Класичнии заходами попередження сульфатної корозії є використання сульфатостійких цементів, які містять невелику кількість алюмінатів і трьохкальцієвого силікату, використання мінеральних домішок, зв’язуючих гідроксид кальцію цементного каменя в низькоосновні силікати кальцію. Ефективним засобом захисту від сульфатної корозії є зниження прониклості бетону для іонів SO42-, поступаючих із агресивного середовища. Досягається це вводом комплексів домішок в склад бетону, в тому числі водоредукуючих і мінеральних. Прикладом може служити використання модифікаторів бетону серії МБ. Такі подібні комплекси дозволяють отримувати високо сульфатостійкі бетони на рядових середньоалюмінатнихпортландцементах, що виключає необхідність застосування дефіцитного сульфатостійкого портландцементу, що забезпечує високу корозійну стійкість бетону. Підвищення марки бетону по водонепроникності до W8 і вище пеопереджує корозійні ушкодження бетону. Однак, це відноситься до сильно розбавлених розчинів кислот. У рядових бетонів марок по водонепрониклостіW4 помітна корозія спостерігалася при рН 6.5 і нижче, у бетонів особо низької проникності марокW10 – W12 – при рН 3.5 і нижче. В останні десятиріччя увагу дослідників привертають два деструктивні процеси – пізне утворення еттрингиту і таумаситу. Пізне утворення еттрингиту (в затвердівшому бетоні) у відсутності впливу агресивного сульфатного середовища спостерігали в цементних бетонах при незбалансованому вмісті в цементі алюмінатів і сульфатів. У випадку, коли бетон твердів при підвищеній температурі утворюється переважно моносульфатна форма гідросульфоалюмінату. У наступному моменті моносульфатна форма може перетворюватися в трьохсульфатну з приєднанням додаткової кількості води і збільшенням об’єму.
Анотація (англ):
The article deals with the production of concrete with high corrosion resistance in the most common environments and in sulfate, chloride, acid, etc. It is shown that the corrosion resistance of concrete is determined by two main indicators - a slight permeability to an aggressive environment and positive reactivity with the components of an aggressive environment. Quantitative values of these indicators are given. The use of concrete with high corrosion resistance makes it possible to create concrete and reinforced concrete structures with high durability in aggressive environments with out the use of additional (secondary) protection against corrosion. Respectively, on average it is 1300, 1850 and 2700 mg/dm3. In addition, these values may vary depending on the diffusion coefficient of chlorine ions. It is shown that with a change in the pH of the environment (from 3.5 to 1.0), which is in contact with the concretere inforcement, the rate of concrete corrosion changes from 0.3 to 20 mm/year, respectively. The essence of corrosion processesin a sulfate environment lies in the structure of concrete, gypsum and hydrosulfoaluminates with an increased volume of solid phases, which causes the appearance of internal stresses exceeding the strength of concrete, which inevitably leads to the destruction of concrete. Sulfate corrosion is observed under the action of various sulfate solutions or when using aggregates that contain gypsumim purities (sulfide-containing aggregate in concrete). Classic measures to prevent sulfate corrosion are the use of sulfate-resistantce ments that contain a small amount of aluminates and tricalcium salt, the use of mineralad mixtures that bind the calcium hydroxide of the cement stone into low-base calcium silicates. Reducing the permeability of concreteto SO42-ions coming from an aggressive environment is an effective means of protection against sulfate corrosion. This is achieved by introducing admixture complexes into the composition of concrete, including water-reducing and mineral iones. An example can be the use of concrete modifiers of the MB series. Such similar complexes make it possible to obtain highly sulfate-resistant concreteon or dinary medium-aluminate portlandcements, which eliminates the need to use deficient sulfate-resistant portlandcement, which ensures high corrosion resistance of concrete. Increasing the water proofing grade of concreteto W8 and above prevents corrosion damage to concrete. However, this applies to highly diluted solutions of acids. Notice able corrosion was observe din ordinary concretes of W4 water proofing grades at pH 6.5 and below, in particularly low-permeability concretes of W10 - W12 grades at pH 3.5 and below. Inrecent decades, two destructive processes have attracted the attention of researchers – the late formation of ettringite and taumansite. Late formation of ettringite (in hardened concrete) in the absence of exposure to an aggressive sulfate environment was observed in cement concrete with an unbalanced content of aluminates and sulfates in the cement. In the case when the concrete hardens at an elevated temperature, the monosulfate form of hydrosulfoaluminate is mainly formed. At the next moment, the monosulfate form can be transformed into the trisulfate form with the addition of an additional amount of water and an increase in volume.
Публікатор:
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр):
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ):
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті:
Українська
Формат документа:
application/pdf
Дата публікації:
05 Июнь 2025
Номер збірника:
Університет автора:
Київський національний університет будівництва і архітектури, Національний університет «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Литература:
1. Андрейкiв О.Є., Никифорчин Г.М., Ткачов B.I. Miцнiстнi руйнування металiчних матерiалiв i елементiв конструкцiй у водневомiсних середовищах // Фiзико-механiчнийiнститут: - Пiд ред. В.В. Панасюка, НАН Украіни, Фiзико-механiчнийiнститутiм. Г.В. Карпенка. - Львiв: Простiр-М, 2001. - С. 248-286.2. Василенко И.И., Мелехов Р.К. Коррозионное растрескивание сталей. – Киев: Наук, думка, 1977. - 265 с.3. Дмитрах I.М., Панасюк В.В. Вплив корозiйних середовищ на локальне руйнування металiв бiля концeнтpaтopiв напружень. - Львiв: Львiвська обласна книжкова друкарня, 1999. - 342 с.4. Крижанiвський Є.I., Цирульник О.Т., Петрина Д.Ю. Вплив наводнювання та попереднього пластичного деформування сталi на її тріщиностiйкiсть // Фiз.-хiм. мexaнiкaматерiалiв. - 1999. - № 5. - С. 67-70.5. Радкевич O.I., П'ясецький О.C., Василенко I.I. Корозiйно-механiчна тривкiсть трубної сталi в сiрководневому середовищi // Фiз.-хiм. мexaнiкaматерiалiв. -2000. -.№3. -С. 93-97.6. NACE Standard TM01-77(90). Standard Test Method. Laboratory Testing of Metals Resistance to Sulfide Stress Cracking in H2S Environments // NACE. – Houston. P.O. BOX 218340. 1990.-22 p.7. Okada T., Hattori S. Relation Between Concentration of Salt Water and Corrosion Fatique Strength on 0.37 Percent Carrbon Structural Steel, Fukui Univeersity, Япония: Теоретические основы инженерных расчетов (Труды Американского общества инженеров-механиков); изд-во Мир, 1985, №3, S.98-107.8. Ткачов В.І. Проблеми водневої деградації металів// Фіз.-хім. механіка матеріалів. -2000.-№4.—С.7-149. Борисова Н.C., Амосова Л.М. К вопросу об аномальном поведении водорода в сталях при низких температурах// Физ.-хим. механика материалов. –Львов. -1986.-№12.-С.10-1310. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Харин В.С. Модель роста трещин в деформированных металлах при воздействии водорода// Фіз.-хім. механіка матеріалів.-1987.-№2.-С.3-1711. Швачко В.И.Макромеханические аспекты обратимой водородной хрупкости// Физ.-хим. механика материалов. -2000.- №4.-С.36-4012. Макаренко В.Д., Крижанівський Є.І., Чернов В.Ю. Проблеми корозійної стійкості промислових трубопроводів// Нафтова і газова промисловість. -2002.-№6.-С.42-44.13. Самойленко М.І., Функціональна надійність трубопровідних транспортних систем// Харків: ХНАМП. – 2009.-184с14. Насоніна Н.Г., Антоненко С.Є. Аналіз пошкодженості водопровідних і каналізаційних мереж// Сучасне промислове та цивільне будівництво. -2019.-Том15.-№1.-С23-34.15. Макаренко В.Д., Гоц В.І., Аргатенко Т.В. і ін. Дослідження аварійних трубопроводів// Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки,вип.42. -2023.-С.49-58.16. Бриду А., Лафранс М., Прову И. Разработка новых сортов стали с повышенными характеристиками для транспорта кислого газа и нефти// Нефтегаз-Франция –ЮзичорАсье, 1986. -19с17. Исследование отечественных и зарубежных низколегированных сероводоролдостойких сталей длнефтегазопроводного оборудования / А.И.Радкевич, Р.К.Мелехов, Я.И.Спектор, Р.В.Яценко// Межотраслевая науч-конф. Конструкционные стали – прогрессивные процессы производства и эффективность применения. Днепропетровск, 1995. – С.58-59.18. Василенко І.І., Шульте О.Ю., Радкевич О.І. Вплив хімічного складу і технології виробництва сталей на їх чутливість до водневого тріщино утворення та сірководневого корозійного розтріскування//Фіз-хім механіка матеріалів. -1990.-№4.-С.8-22.19. Порівняльний аналіз корозійно-механічних властивостей вітчизняної трубної сталі 20ЮЧ з іноземними аналогами /О.Чапля,О.Радкевич,О.П’ясецький, Я.Cпектор//Машинознавство. -1999.-№8.- С52-56.20. Oсновнi закономiрностi наводнювання та поверхневого пухирiннятрубно'iсталi в сiрководневих середовищах / О. Радкевич, Г. Чумало, I. Доминюк i iн. // Фiз.-хiм. мexaнiкaматерiалiв. - 2004. - Спец. вип. № 4, т. 1. - С. 446-449.21. Tyson W.R. Hydrogen Embrittlement and Hydrogen Dislocation Interactions // Corrosion. - 1980. Vol. 36, No. 8. - Рр. 441-443.22. Rodriques A. A neu accelerated montar bar test to asseress the potential deleteriaes effect of Sulfide – beatinqaqqreqate in concrete// Cement andConereteResearc.- 2015 ,vol.73, p.96-11023. Mideires –Junior Ronaldo A. Servise life of conerete structures cousiderinq the effects of temperature and relatixe humidity on chloride transport// Enxironment Dev. Sustapnability,2015, vol.17,№5, p. 1103-1119.24. Silva M.R.Біопошкодження бетонних конструкцій в прибережній зоні // Third International. Conference on Systainable Construction Materials and Technoliqies.- Kyoto, Japan, 2013, p.418-423.25. Макаренко В.Д., Гоц В.І., Савенко В.І. і ін. Експериментальні дослідження кінетики росту тріщин та несучої здатності трубних сталей підземних систем водовідведення // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2023. – Вип. 110. – С. 469-482.
References:
1. Andreikiv O.Ie., Nykyforchyn H.M., Tkachov B.I. Mitsnist I ruinuvannia metalichnykh materialivi elementiv konstruktsii u vodnevomisnykh seredovyshchakh (Strength and destruction of metallic materials and structural elements in hydrogen-containing environments ) // Fizyko-mekhanichnyi instytut: - Pid red. V.V. Panasiuka, NANUkrainy, Fizyko-mekhanichnyiinstytutim. H.V. Karpenka. - Lviv: Prostir-M, 2001. - S. 248-2862. Vasilenko I.I., Melekhov R.K. Korrozionnoe rastreskivanie stalej (Stress corrosion cracking of steels) – Kiev: Nauk, dumka, 1977. - 265 s.3. Dmytrakh I.M., Panasiuk V.V. Vplyv koroziinykh seredovyshch na lokalne ruinuvannia metaliv bilia kontsentratoriv napruzhen (The influence of corrosive environments on the local destruction of metals near stress concentrators)//Lviv: Lvivskaoblasnaknyzhkovadrukarnia, 1999. - 342 s.4. Kryzhanivskyi Ye.I., Tsyrulnyk O.T., Petryna D.Yu. Vplyv navodniuvannia ta poperednoho plastychnoho deformuvannia stali na yii trishchynostiikist (The influence of water treatment and preliminary plastic deformation of steel on its crack resistance) // Fiz.-khim. mexanikamaterialiv. - 1999. - № 5. - S. 67-70.5. Radkevych O.I., Piasetskyi O.C., Vasylenko I.I. Koroziino-mekhanichna tryvkist trubnoi stali v sirkovodnevomu seredovyshchi (Corrosion-mechanical durability of pipe steel in a hydrogen sulfide environment )// Fiz.-khim. mexanikamaterialiv. -2000. -.№ 3. -S. 93-97.6. NACE Standard TM01-77(90). Standard Test Method. Laboratory Testing of Metals Resistance to Sulfide Stress Cracking in H2S Environments // NACE. – Houston. P.O. BOX 218340. 1990.-22 p.7. Okada T., Hattori S. Relation Between Concentration of Salt Water and Corrosion Fatique Strength on 0.37 Percent Carrbon Structural Steel, Fukui University, Japan: Theoretical foundations of engineering calculations //izd-vo Mir, 1985, №3, S.98-107.8. Tkachov V.I. Problemy vodnevoi dehradatsii metaliv (Problems of hydrogen degradation of metals )// Fiz.-khim. Mekhanika materialiv. -2000.--№4.—S.7-149. Borisova N.C., Amosova L.M. K voprosu ob anomal'nom povedenii vodoroda v stalyakh pri nizkikh temperaturakh (On the issue of anomalous behavior of hydrogen in steels at low temperatures )// Fiz.-khim. Mekhanika materialov. –L'vov. -1986.-№12.-S.10-1310. Panasyuk V.V., Andrejkiv A.E., Kharin V.S. Model' rostatreshchinvdeformirovannykhmetallakhprivozdejstviivodoroda (Model of crack growth in deformed metals under the influence of hydrogen) //Fiz.-khim. mekhanika materialiv.-1987.-№2.-S.3-1711. Shvachko V.I. Makromekhanicheskie aspekty obratimoj vodorodnoj khrupkosti (Macromechanical aspects of reversible hydrogen embrittlement )// Fiz.-khim. Mekhanika materialov. -2000.- №4.-S.36-4012. Makarenko V.D., Kryzhanivskyi Ye.I., Chernov V.Iu. Problemy koroziinoi stiikosti promyslovykh truboprovodiv (Problems of corrosion resistance of industrial pipe lines )// Naftova i hazovapromyslovist. -2002.-№6.-S.42-4413. Samoilenko M.I. Funktsionalna nadiinist truboprovidnykh transportnykh system (Functional reliability of pipeline transport systems )// Kharkiv: KhNAMP. – 2009.-184s14. Nasonina N.H., AntonenkoS.Ie. Analiz poshkodzhenosti vodoprovidnykh i kanalizatsiinykh merezh (Analysis of damage to water supply and sewage networks )// Suchasne promyslove ta tsyvilne budivnytstvo. -2019.-Tom 15.-№1.-S23-3415. Makarenko V.D., Hots V.I., Arhatenko T.V. i in. Doslidzhennia avariinykh truboprovodiv (Investigation of emergency pipelines) // Problemy vodopostachannia, vodovidvedennia ta hidravliky, vyp. 42. -2023.-S.49-5816. Bridu A., Lafrans M., Provu I. Razrabotka novykh sortov stali s povyshennymi kharakteristikami dlya transporta kislogo gaza I nefti (Development of new grades of steel with improved characteristics for the transport of acid gas and oil )// Neftegaz-Franciya –YuzichorAs'e, 1986. -19s17. A.I. Radkevich, R.K. Melekhov, Ya.I. Spektor, R.V. Yacenko. Issledovanie otechestvennykh I zarubezhnykh nizkolegirovannykh serovodoroldostojkikh stalej dlia neftegazoprovodnogo oborudovaniya (Research of domestic and foreign low-alloy hydrogen sulfide-resistant steels for oil and gas pipeline equipment)//Mezhotraslevaya nauch-konf. Konstrukcionnyestali – progressivnyeprocessyproizvodstvaiehffektivnost' primeneniya. Dnepropetrovsk, 1995. – S.58-5918. Vasylenko I.I., Shulte O.Iu., Radkevych O.I. Vplyv khimichnoho skladu I tekhnolohii vyrobnytstva stalei na yikh chutlyvist do vodnevoho trishchynoutvorennia ta sirkovodnevoho koroziinoho roztriskuvannia (The influence of the chemical composition and production technology of steels on their sensitivity to hydrogen cracking and hydrogen sulfide corrosion cracking)// Fiz-khimmekhanikamaterialiv. -1990.-№4.-S.8-2219. O. Chaplia, O. Radkevych, O. Piasetskyi, Ya. Cpektor. Porivnialnyi analiz koroziino-mekhanichnykh vlastyvostei vitchyznianoi trubnoi stali 20YuCh z inozemnymy analohamy (Comparative analysis of corrosion-mechanical properties of domestic pipe steel 20YuCh with foreign analogues) //Mashynoznavstvo. -1999.-№8.- S52-5620. O. Radkevych, H. Chumalo, I. Domyniuk i in. Osnovni zakonomirnosti navodniuvannia ta poverkhnevoho pukhyrinnia trubno'i stali v sirkovodnevykh seredovyshchakh (The main regularities of water logging and surface blistering of pipe steel in hydrogen sulfide environments )// Fiz.-khim. mexanikamaterialiv. - 2004. - Spets. vyp. № 4, t. 1. - S. 446-449. 21. Tyson W.R. Hydrogen Embrittlement and Hydrogen Dislocation Interactions // Corrosion. - 1980. Vol. 36, No. 8. - Рр. 441-443.22. Rodriques A. A Neu accelerated montar bar test to assess the potential deleterious effect of Sulfide –Cement and Concrete Researc.- 2015 ,vol.73, p.96-11023. Mideires–Junior Ronaldo A. Servise life of concrete structures considering the effects of temperature and relatixe humidity on chloride transport// Environment Dev. Sustainability,2015, vol.17,№5, p.1103-1119.24. Silva M.R. Biodamage of concrete structures in the coastal zone// Third Inter national. Conference on Systainable Construction Materials and Technoliqies.- Kyoto, Japan, 2013, p.418-423.25. Makarenko V.D., Gots V.I., Savenko V.I., Vladimirov O.V., Makarenko Y.V. Experimental studies of crack growth kinetics and bearing capacity of steel pipes of underground water distribution systems // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – K.: KNUBA, 2023. – Issue 110. – P. 469-482.