Антикоррозионные покрытия арматуры

Антикоррозионные покрытия арматуры — это защитные слои из полимерных, металлических или комбинированных материалов, наносимые на поверхность стальных арматурных стержней перед их укладкой в бетон. Основная функция таких покрытий — создание физического и химического барьера между сталью и агрессивными компонентами окружающей среды (хлорид-ионами, углекислым газом, влагой), предотвращающего электрохимическую коррозию. В железобетонных конструкциях бетон обеспечивает физико-химическую защиту стальной арматуры благодаря щелочной среде (pH = 12...12,5), которая предохраняет сталь от анодного растворения. Однако в ряде случаев, например при воздействии газообразных агрессивных сред, содержащих хлорид-ионы, или при наличии усадочных и силовых трещин, защита бетоном не обеспечивается.

Актуальность проблемы

Коррозия арматуры является одной из основных причин преждевременного разрушения железобетонных конструкций. Прямые и косвенные убытки вследствие потери несущей способности исчисляются миллиардами рублей. В условиях воздействия противогололедных реагентов, морской воды или промышленных выбросов (например, паров серной кислоты) стандартной защиты бетоном может быть недостаточно. Накопление продуктов коррозии на поверхности арматуры формирует внутреннее давление, являющееся причиной растрескивания защитного слоя бетона, что приводит к полной потере работоспособности несущего элемента.

Применение активных методов защиты позволяет увеличить срок безаварийной эксплуатации ответственных конструкций (мосты, эстакады) в 5–6 раз. Практика показывает, что уже через 3–4 года эксплуатации дорог и мостов в России возникает необходимость проведения ремонта из-за коррозии арматуры. Расходы на восстановительные работы часто превышают первоначальные расходы на строительство. Несмотря на это, в России на 2023–2026 гг. методы активной защиты арматуры применяются ограниченно из-за отсутствия специализированных нормативных документов.

История развития

Зарубежный опыт

Широкое применение эпоксидных покрытий началось в США в начале 1970-х гг. (штат Пенсильвания). Заводское нанесение порошковых покрытий методом диффузного напыления стартовало в 1976 г. Опыт эксплуатации в США, Канаде, странах Ближнего Востока составляет более 40 лет. Объем рынка таких покрытий только по США оценивается более чем в 250 000 т в год. Технология широко применяется в странах, где используются антигололедные реагенты и ведется строительство в прибрежных районах.

Отечественная практика

В 1960–1970-х гг. в СССР проводились работы по защите арматуры битумными, полистирольными, полиэтиленовыми и эпоксидными составами, наносимыми распылением и методом окунания. Наиболее широкое применение такая защита нашла для арматуры в ячеистом и конструкционно-теплоизоляционном бетонах. В дальнейшем при развитии технологии производства перестали производить такие бетоны с армированием.

В 2000-х гг. начаты совместные работы с зарубежными компаниями (например, 3М) по внедрению технологий для мостовых конструкций. В 2015 г. создана рабочая группа специалистов НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ЗАО «3М Россия» по внедрению технологии эпоксидного покрытия Scotchkote® 413. На 2023–2026 гг. в России отсутствуют специальные нормативные документы, регламентирующие активную защиту арматуры покрытиями, что сдерживает их широкое внедрение.

Классификация покрытий

По типу материала

• Эпоксидные и полимерэпоксидные: Наиболее распространены в мировой практике. Обладают высокой адгезией, сплошностью и устойчивостью к хлоридам. Составы на основе эпоксидной смолы наиболее эффективны при долговременной защите стали от воздействия ионов хлора.
• Горячее цинкование: Нанесение слоя цинка толщиной 50–300 мкм. Эффективно в средах без хлоридов. Слой обладает высокой твердостью, но хрупок при изгибе. Формируемый слой цинка обеспечивает защиту стали при температурах до 250 °С.
• Нержавеющая сталь: Использование арматуры из легированных сталей. Наилучшие показатели сопротивляемости стимуляторам коррозии (после 7 лет в среде с 4,8% хлорида следов коррозии не обнаружено), но высокая стоимость.

По способу нанесения

• Заводское (диффузное напыление): Обеспечивает однородность толщины и высокое качество (порошковые покрытия в электростатическом поле). Предпочтительный метод согласно международному опыту. Заводское диффузное порошковое покрытие лучше обеспечивает защиту по сравнению с покрытием, нанесенным малярными средствами в построечных условиях.
• Строительное (малярное): Нанесение эмалей на площадке. Характеризуется риском дефектов, неоднородности толщины и сниженной защитной способностью.

Ключевые параметры покрытий

• Толщина эпоксидного слоя: оптимальный диапазон 0,1–0,3 мм. Увеличение до 0,5 мм и более снижает сцепление с бетоном.
• Толщина цинкового слоя: 50–300 мкм.
• Допустимое количество дефектов: не более 6 макроскопических дефектов на 1 погонный метр (по аналогии с ASTM A775).
• Для предварительно напряженной арматуры: покрытие должно выдерживать нагрев до 400–450 °С.

Технологии нанесения

Электростатическое напыление

Используется для порошковых составов. Арматура заряжается в электростатическом поле, порошок осаждается на поверхности. Расход порошка для покрытия составляет 80–100 г/м².

Для термонапрягаемой арматуры покрытие должно выдерживать нагрев до 400–450 °С. Базовое покрытие на основе эпоксидной краски ЭК-201 модифицируется добавкой полифениленсульфида (ПФС-Л) и порошкового ингибитора коррозии. Температура полимеризации такого модифицированного покрытия доходит до 450–500 °С, что соответствует температуре электротермического напряжения. Время формирования покрытия составляет 5–10 минут при электротермическом натяжении. Формирование предварительно нанесенного при комнатной температуре покрытия происходит в период электротермического натяжения арматурных стержней.

Горячее цинкование

Процесс представляет собой погружение стальной арматуры в резервуар с горячим цинком (около 450 °С) с последующей выдержкой от 1,5 до 5 мин. Это позволяет достичь толщины защитного слоя 50–300 мкм с очень твердым покрытием.

• Ограничения: Не рекомендуется применять до гибки арматуры из-за риска растрескивания хрупкого слоя цинка при механическом изгибе. Способ защиты применяют после подготовки рабочей детали (изгиб, резка) или производства каркаса.
• Влияние на сцепление: Химическая реакция цинка с цементом может сопровождаться выделением водорода, что требует контроля во избежание хрупкого разрушения. Горячее цинкование практически не влияет на физико-механические характеристики арматурной стали.

Свойства и характеристики

Адгезия и сцепление с бетоном

Эпоксидные покрытия обеспечивают высокое сцепление со сталью, предотвращая подпленочную коррозию. Эпоксидный слой за счет высоких характеристик сцепления обеспечивает необходимый уровень сопротивления усилиям сдвига арматуры в бетоне.

Сопротивление выдергиванию арматуры с покрытием может снижаться на 10–20% по сравнению с незащищенной арматурой (данные испытаний в Великобритании). Стержни в сжатой зоне конструктивного элемента обладали сопоставимыми значениями сопротивления выдергиванию по сравнению с необработанной сталью. Компенсация снижения сцепления: увеличение длины анкеровки растянутых стержней на 25% (рекомендации стандартов проектирования США). При толщине эпоксидного покрытия в диапазоне от 0,1 до 0,3 мм обработанная арматура по значению сопротивления сцепления сопоставима с арматурой без покрытия. Большая толщина антикоррозионного покрытия (от 0,5 мм) приводила к существенному снижению сопротивления сцеплению в растянутой зоне.

Коррозионная стойкость

В средах с содержанием хлоридов 0,6–1,2% эпоксидные покрытия показывают высокую эффективность. При концентрации хлоридов 4,8% возможно коррозионное поражение через дефекты покрытия (глубокая язвенная коррозия). Высокая концентрация агентов коррозии в точках дефектов приводит к глубокой язвенной коррозии с высокой динамикой развития.

Горячее цинкование не всегда позволяет достичь желаемого эффекта в хлоридных средах; при содержании хлорида 1,2% и 4,8% показана существенная коррозия стальных элементов. Армирование на основе эпоксидных смол показало хороший уровень сопротивления стимуляторам коррозии в бетоне с содержанием 0,6 и 1,2% хлорида, однако существенный уровень коррозионного поражения наблюдался при выдержке в агрессивной среде с уровнем 4,8% хлорида.

Результаты лабораторных испытаний

Лабораторные исследования модифицированных порошковых покрытий показали следующие характеристики:

• Переходное сопротивление покрытия: до 10^10 Ом·м² (при 20 °С).
• Эластичность по Эриксену: не менее 9 мм.
• Прочность при ударе: не менее 8 Н·м.
• Стойкость в насыщенном растворе Ca(OH)₂ при 95–100 °С: адгезия не снижается (1 балл).
• Предел деформации при изгибе: 90 град.

Эксперименты с образцами, экспонированными 2 года в агрессивной среде (шламовый цех), показали, что на арматуре с порошковым покрытием следов коррозии нет, даже когда защитный слой бетона был полностью нейтрализован (pH водной вытяжки бетона около 6,7).

Нормативные документы

Российские стандарты

В нормативных документах России предусматривают меры первичной защиты арматуры бетоном, а также вторичной защиты бетона конструкций специальными покрытиями. Действующие нормативные документы фактически никак не регламентируют мероприятия по активной защите арматурной стали от агентов коррозии.

Прочие стандарты

За рубежом вопросы применения защитных покрытий арматурной стали составами на основе эпоксидной смолы регламентируются многочисленными стандартами:

• ASTM A775 / A775M (США) — Стандартные технические условия на эпоксидное покрытие арматурных стержней.
• ASTM A934 (США) — Эпоксидное покрытие на сборных арматурных каркасах.
• ASTM A767 (США) — Стандарт для горячего цинкования.
• ISO 14654, ISO 14656 — Международные стандарты на защиту арматуры.
• Zelassungshescheid № 215 100-8 (Германия), NF A35-025 (Франция), UNI 10622 (Италия), BS ISO 14657 (Великобритания), CAN/CSA G164 (Канада), IS 12594 (Индия).

Области применения

• Транспортное строительство: Мосты, эстакады, автодорожные развязки (воздействие противогололедных реагентов). Применение арматуры с эпоксидным покрытием наиболее целесообразно в транспортном строительстве и на гидротехнических объектах – в средах с высоким содержанием ионов хлора.
• Гидротехнические сооружения: Конструкции в морской зоне приливов и отливов, портовые сооружения.
• Промышленные здания: Цеха с агрессивными газовыми средами (пары серной кислоты, хлориды).
• Предварительно напряженные конструкции: Требуется специальная термостойкость покрытия для электротермического натяжения (до 450 °С).

См. также

• Коррозия бетона и железобетона
• Арматура для железобетона
• Долговечность строительных конструкций
• Ингибиторы коррозии
• Оцинкованная сталь

Литература

{{safesubst:#invoke:Su|main}} Защита стальной арматуры от коррозии порошковыми покрытиями // Известия вузов. — 2012. — № 6. — С. 53-56. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Защита арматуры от коррозии специальными покрытиями // Промышленное и гражданское строительство. — 2023. — № 2. — С. 20-28. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Компания «3М Россия» и НИИЖБ им. А.А. Гвоздева: старт новой технологии // Технологии бетонов. — 2015. — № 7-8. — С. 2. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Коррозия и защита арматуры в бетоне. — Издательство литературы по строительству, 1968. — 230 с. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Долговечность бетона в агрессивных средах. — Стройиздат, 1990. — 320 с. — ISBN 5-274-00923-9. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. — Стройиздат, 1980. — 536 с. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Строительные материалы (Материаловедение. Технология конструкционных материалов). — АСВ, 2007. — 520 с. — ISBN 978-5-93093-041-2. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Химия в строительстве. — АСВ, 2010. — 344 с. — ISBN 978-5-93093-503-5. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Армирование железобетонных конструкций. — МГСУ, 2014. — 114 с. — ISBN 978-5-7264-0808-8. {{safesubst:#invoke:Su|main}} Прогнозирование долговечности конструкционного бетона при агрессивных воздействиях. — ИНФРА-М, 2019. — 211 с. — ISBN 978-5-16-014361-3.