СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ АРМАТУРНЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В СРЕДЕ, МОДЕЛИРУЮЩЕЙ ПОРОВУЮ ЖИДКОСТЬ БЕТОНА

Матвиенко Мария Александровна

аспирант кафедры «Технология электрохимических производств», Ангарская государственная техническая академия

E-mail: matvienkom@inbox.ru

Ковалюк Елена Николаевна

канд. хим. наук, доцент кафедры «Технология электрохимических производств», Ангарская государственная техническая академия

E-mail: ken.agta@mail.ru

Макарова Александра Михайловна

студент кафедры «Технология электрохимических производств», Ангарская государственная техническая академия

Теоретические исследования в области защиты от коррозии, изучения физико-химических свойств материалов служат базой для снижения металлоемкости конструкций, увеличения их срока службы в жестких условиях эксплуатации.

Железобетон в настоящее время является одним из самых распространенных строительных материалов. По долговечности и надежности его можно сравнить с природными каменными материалами.

Однако опыт эксплуатации конструкций из железобетона показывает, что  часто наблюдаются случаи разрушения объектов задолго до окончания проектного срока эксплуатации. Распространенная причина этого —коррозия стальной арматуры. Арматура в железобетоне под действием щелочной среды пассивируется. Выход из пассивного состояния происходит при снижении толщины защитного слоя бетона, появлении трещин и в результате проникновения в поры бетона влаги и паров, имеющих кислую реакцию. 

При создании различного вида конструкций, используемых в строительных сооружениях, магистральных трубопроводах, резервуарах, мостах применяют строительные стали. С учетом условий эксплуатации, материалы должны воспринимать статические и динамические нагрузки при различных температурах, сопротивляться образованию трещин, сохранять структуру и высокие механические свойства, иметь высокие прочность, свариваемость, сопротивление вязкому разрушению. Основным критерием, определяющими марку, является величина предела текучести либо предела прочности. Эти значения признаны определяющими расчетными и эксплуатационными показателями сталей при производстве строительных конструкций [3, с. 18].

В СНГ установлены 7 основных типов прочности, которым соответствуют пределы текучести: не менее 225, 285, 325, 390,440, 590 и 735 Н/мм². Стали первого типа принято называть сталями нормальной прочности, трех следующих —повышенной прочности. А трех остальных —высокой прочности.

Стальные конструкции обычно бывают сварными, поэтому для них применяют хорошо свариваемые малоуглеродистые  низколегированные стали с добавлением дешевых легирующих элементов —кремния и марганца [5, с. 110]. В качестве легирующих используются вещества, упрочняющие материал, такие как кремний, марганец, хром, медь и в меньшей степени элементы, образующие специальные карбиды и нитриды [3, с. 26]. Более высокое легирование сдерживается ухудшением свариваемости, снижением сопротивления хрупкому разрушению и главное, удорожанием материалов.

Легированные стали используют для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения, так как они обладают более высокими механическими характеристиками.

Легированные стали отличаются более высокой коррозионной стойкостью, широким температурным интервалом применения (применимы при температурах от ‑40 ^оС до 1000 ^оС) [2, с. 22].

Целью нашей работы было проведение сравнительных испытаний широко применяемых арматурных сталей А240 и А400 и ряда легированных сталей, в числе которых недавно разработанная немагнитная нержавеющая сталь 12Х15Г9НД.

Объектамиисследований были следующие марки сталей:

·            А240(сталь 3);

·            А400 (25Г2С) 0,29% углерода, 0,90% кремния, 1,2 % марганца, 0,045% серы, 0,040% фосфора.

·            03Х17Н14МЗ —0,03% углерода, 17% хрома, 14% никеля, 3% молибдена;

·            12Х18Н10Т — 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля, <1% титана

·            12Х15Г9НД 0,12% углерода, 15% хрома, 9% марганца, 1% никеля, 1% меди.

Значения пределов текучести и прочности для изученных сталей представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения пределов текучести и прочности для изученных сталей

По сообщениям производителей, немагнитная нержавеющая сталь 12Х15Г9НД является весьма перспективным конструкционным материалом. Введение марганца в сталь в основном преследует цель частичной замены никеля и образование аустенитной структуры. По многим параметрам эта сталь близка к стали 12Х18Н10Т и в ряде коррозионных сред успешно заменяет дорогие хромоникелевые стали при цене на 30-40 процентов ниже. [4, с. 2].

Процесс коррозии стали в бетоне имеет электрохимическую природу, что позволяет применять электрохимические методы исследования [1, с. 123]. Эти методы позволяют ускорить коррозионные испытания и оценить устойчивость металлических материалов к локальным видам коррозии.

На практике для приготовления бетонных смесей используется техническая вода, которая может быть загрязнена хлоридами или хлориды используют в качестве добавок для повышения морозостойкости бетонов. Поэтому вышеперечисленные марки сталей были испытаны в водной вытяжке, приготовленной из образцов бетона двух видов: без добавок и с добавкой хлорида кальция (концентрация 2% от массы  цемента). Образцы бетона получали из цемента, песка и воды в соотношении 1:3,5:0,8 (по массе).

Приготовление раствора, моделирующего поровую жидкость бетона (водную вытяжку бетона), проводили в соответствии с п. 3.2. стандарта СЭВ4421 — 83«Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре» [6, с. 2].

После двукратной фильтрации определяли рН полученной суспензии, и проводили электрохимические исследования. Использовали трехэлектродную ячейку: рабочий электрод из исследуемой марки стали, вспомогательный электрод — из стали 12Х18Н10Т, каломельный электрод сравнения.

Для выявления всех характерных точек кривой пассивации, регистрировали полную поляризационную кривую: предварительно проходили катодный диапазон поляризации от стационарного потенциала до минус 1000 мВ и после этого получали анодную часть поляризационной кривой при поляризации до плюс 1000 мВ. На поляризационной кривой, полученной потенциодинамическим методом, находили характерные точки (установившийся потенциал, потенциал пассивации, потенциал разрушения и плотность тока пассивации).

Полученные поляризационные кривые представлены на рисунках 1, 2; характерные точки —в таблицах 2 и 3.

Рисунок 1. Поляризационные кривые, полученные для различных марок сталей в водной вытяжке бетона без хлорида кальция (1 — 12Х18Н10Т, 2 — А240, 3 — 03Х17Н14М3, 4 — 12Х15Г9НД, 5 — А400).

Рисунок 2. Поляризационные кривые, полученные для различных марок сталей в водной вытяжке бетона с добавкой  хлорида кальция (1 — 12Х18Н10Т, 2 — А240, 3 — 03Х17Н14М3, 4 — 12Х15Г9НД, 5 — А400).

Таблица 2.

Результаты испытаний различных марок сталей электрохимическим методом в водной вытяжке бетона без хлорида кальция

Таблица 3.

Результаты испытаний различных марок сталей электрохимическим методом в водной вытяжке бетона с добавкой хлорида кальция

Потенциалы электродов в таблицах и при обсуждении результатов приведены относительно насыщенного каломельного электрода.

Выяснено, что все легированные стали в среде, моделирующей поровую жидкость бетона без добавления хлоридов, имеют достаточно протяженную область пассивности. Только арматурная сталь А240 имеет короткую область пассивности, потенциал разрушения ее равен 123 мВ.

Арматурная сталь А240 показала недостаточную коррозионную стойкость. Значения плотности тока, полученные при испытаниях этой стали, свидетельствуют о высокой скорости их коррозии в водной вытяжке бетона содержащей и не содержащей хлориды и опасности применения этой арматурной стали в условиях уменьшения защитного слоя бетона и повышения его влажности.

Присутствие хлорида кальция в бетонной смеси отрицательно сказывается на коррозионной стойкости образцов. В хлоридсодержащей среде только стали, легированные титаном и молибденом имеют область устойчивой пассивности, у остальных сталей выход из пассивного состояния происходит при потенциалах отрицательнее 450 мВ.

Минимальное значение плотности тока пассивации вдвух изученных средах имеет сталь 03Х17Н14М3. Присутствие молибдена в сталях увеличивает устойчивость пассивного состояния и обеспечивает более высокую стойкость в восстановительных средах и средах, содержащих хлор-ион [7, с. 276], что подтвердилось во время лабораторных испытаний.

Стали аустенитного класса 12Х18Н10Т, 12Х15Г9НД не могут быть рекомендованы в качестве арматурных —они будут подвергаться локальным видам коррозии.

Список литературы:

1.Алексеев С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. — М.: Стройиздат, 1968. 281 с.

2.ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.

3.Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. Марочник сталей и сплавов. 2-е издание, переработ. и дополн. М.: Машиностроение, 2003 — 782 с.

4.Мельников Д. В. Новые металлические материалы для российской промышленности, «Арматуростроение» №2/53/8, 2008.

5.Рыбьев И. А. Строительное материаловедение.(3-е изд.) — М.: Высшая школа, 2008. 701 с.

6.Стандарт Совета Экономической Взаимопомощи 4421–83 «Защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Электрохимический метод испытаний».

7.Туфанов Д. Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов. Справочник, 5-е изд. перераб. и дополн. М.: Металлургия, 1990. 320 с.