Одним из существенных недостатков железобетона является коррозия арматурной стали. Она носит преимущественно электрохимический характер и протекает на границе металл — раствор электролита.
Поровое пространство бетона частично заполнено водой с растворенными в ней солями, щелочами, газами, т.е. является электролитом, способным проводить электрический ток. Свободная часть заполнена воздухом. По современным представлениям металл состоит из ион-атомов М е +, связанных с электронами е, способных перемещаться внутри кристаллической решетки от одного атома к другому. Преодолеть электростатическое притяжение электронов, вырваться из кристаллической решетки и оторваться от поверхности металла ион-атом может только при наличии необходимой энергии. Эта энергия возникает в результате реакции гидратации (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема гидратации и перехода в раствор ионов металла: а-b линия поверхности металла
Электроны не переходят в раствор, и на поверхности металла остается их эквивалентное количество:
М е • е + nН2О ® М е + nН2О = е.
На границе металл – электролит образуется равновесный двойной слой из отрицательных электрических зарядов на поверхности металла и положительных ионов раствора (рис. 7.2) с возникновением между ними разности потенциалов.
Рис. 7.2. Схема двойного слоя: а - при выходе иона металлов в раствор б- при выходе катиона из раствора на металл
Коррозионный процесс заключается в растворении металла. Избыточные электроны на поверхности металла ассимилируются ионами, атомами или молекулами электролита (деполяризаторами), которые при этом восстанавливаются:
е + D®D e.
Коррозия возможна при наличии деполяризации металла. Участок металла, который растворяется, называется анодом, а на котором происходит разряд избыточных электронов, — катодом. Анодный и катодный процессы в результате проводимости металла и электролита могут существовать раздельно на разных участках поверхности металла. При нехватке энергии гидратации для разрыва связи между ион-атомами и электронами на поверхности металла адсорбируются катионы из раствора, и поверхность металла приобретает положительные заряды, которые с ионами раствора также образуют двойной слой (рис. 7.2 б). Устанавливается равновесие, коррозии не происходит.
Анодная реакция арматурной стали в бетоне представляет собой реакцию окисления железа с переходом двухвалентного железа в водный раствор с освобождением двух электронов:
F e 0 ®F e 2 + 2 e.
Катодная реакция в бетоне в сильно щелочной среде протекает с кислородной деполяризацией. Кислород восстанавливается и превращается в присутствии воды в ион-гидроксил;
1/2O2 + Н2О + 2 е = 20Н–.
Для защиты арматуры в железобетоне следует ограничить поступление к ней в первую очередь кислорода воздуха и воды. Эту функцию выполняет защитный слой бетона толщиною 10–20 мм и более.
рН поровой жидкости бетона составляет 12–14. Кислотообразующие газы нейтрализуются щелочными составляющими бетона. На поверхности стали образуется нерастворимая пленка, которая находится в пассивном состоянии, и коррозии не будет. При рН меньше 11,8 происходит окисление железа с образованием Fe2О3 и Fe3О4. Продуктом коррозии может быть ржавчина.
Ускоряют коррозию стали ионы Сl- и SO2-4 поровой жидкости, которые повышают коррозионную активность и разрушают защитную пленку на арматуре.
Предотвратить коррозию можно способами, обеспечивающими рН поровой жидкости бетона выше 11,8. Плотность бетона должна быть такой, чтобы в течение всего срока эксплуатации конструкций защитный слой не был нейтрализован кислыми газами и жидкостями.