Коррозионные процессы

показатели коррозии – потеря массы, снижение прочности, глубина фронта коррозии.
Фронт коррозии – поверхность, отделяющая повреждённый материал от неповреждённого.
Степень агрессивности среды оценивается только по отношению к конкретному материалу.

характеру разрушения

сплошная

местная

два разных металла в электропроводящей среде

В результате структурной неоднородности материалов

электрического тока:
4Al + 3O2 = 2Al2O3.
Для алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и не дает дальнейшего доступа кислорода к металлу (пассивация).
Железо окисляется только при высокой температуре (свыше 100оС)
2Fe + O2 = FeO, 4FeO + 3O2 = 2Fe2O3
Окисление металлов, соприкасающихся с газовой средой, происходит в котлах, дымовых трубах и т.д.
При нагревании стальных конструкций поверхностный слой обезуглероживается, становится мягким, сталь приобретает свойство текучести:
2Fe3C + O2 = 6Fe + 2CO
Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO
Fe3C + H2O = 3Fe + CO + H2

необходимо наличие кислорода и воды (влаги), а также неоднородностей (грязь, капли).

Материал анода растворяется

На катоде появляется ржавчина (продукты коррозии).
Катодом становится та часть поверхности, которая лучше всего обеспечена притоком кислорода

Схема электрохимической коррозии железа без контакта с другими металлами

Участки поверхности металла, к которым доступ кислорода ограничен, а приток электролита обеспечен, становятся анодными

Образующиеся электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода.

В восстановлении кислорода участвуют ионы Н+. Если их концентрация понижается (при повышении рН), восстановление затрудняется: в щелочной среде (рН выше 9–10), сталь не корродирует

энергетической характеристикой связи между ионами металла и электронами.

Величина электродного потенциала зависит от природы металла, электролита и от температуры

Контактная коррозия: менее благородный металл становится анодом, более благородный – катодом.
Чем больше отношение площади катода к площади анода, тем интенсивнее протекает разрушение элементов конструкций из менее благородного материала.

при контакте низколегированной стали различных марок (в том числе в сварных швах), если одна из них легирована медью или никелем;
при воздействии на конструкции пыли, содержащей тяжелые металлы или их оксиды, гидрооксиды, соли;
при попадании на конструкции потеков воды с корродирующих медных деталей;
при попадании на поверхность конструкций из оцинкованной стали или алюминиевых сплавов графитовой либо железорудной пыли, коксовой крошки

Примеры контактной коррозии:

Нержавеющая сталь

Алюминиевые сплавы

Углеродистая или низколегорованная сталь

Оцинкованная сталь

целостности покрытия. В этом случае железо в процессе коррозии играет роль катода, потому что цинк окисляется легче железа.
цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.
Наиболее сильно разрушение наблюдается в местах несплошности покрытия (на кромках).

обычно имеют кислую реакцию (рН = 3-4) в результате растворения хлористых и сернистых примесей

Понижение температуры до точки росы

Адсорбирование водяных паров на загрязнённой поверхности

Примеси в воздухе
сильно загрязнённая примесями воздушная среда города

Наличие в атмосфере 0,1% диоксида серы SO2 ускоряет коррозию в 6 раз

Наличие паров раствора хлорида натрия ускоряет коррозию в 9 раз

Влага на поверхности конструкций может конденсироваться даже из относительно сухой атмосферы.
Отличительной чертой атмосферной коррозии является неравномерный характер (из-за капель влаги).
Наибольшие повреждения наблюдаются при концентрации влаги 2-3 г/дм2.
Коррозионный процесс активизируется попеременным высушиванием и увлажнением.

на Шаболовке ни разу не реставрировалась, а лет двадцать назад ее даже перестали красить

вызвано тем, что в зимний период они являлись «снегосборниками» и значительно большее время находились в контакте с водой

(за исключением узловых соединений, где они не избежали т.н. щелевой коррозии).

соединение двух или нескольких металлических деталей в заклепочном или болтовом соединении длительное время подвергается воздействию воды. При таком соединении вода из-за свойств ее капиллярного проникновения вглубь узла надолго там задерживается

коррозии. За счет их гидролиза возможно изменение кислотности электролита внутри зазора, и процесс становится уже электрохимическим, что приводит к ускорению и усилению разрушающего эффекта

если бы башня регулярно окрашивалась и осматривалась, что, к сожалению, не выполнялось в нужном объеме и в необходимые сроки и если бы была организована активная электрохимическая (катодная) защита конструкций

бластинга, в отличие от традиционной пескоструйной очистки кварцевым песком, заключается в том, что бикарбонат натрия (сода), подаваемый на деталь посредством сжатого воздуха, создаёт микровзрывы, не нарушая при этом целостность поверхности очищаемого материала: поверхность быстро, легко и без повреждений очищается даже от самых сложных и стойких загрязнений

Польше)

Анализ металла, использованного при строительстве Шаболовской башни, показал, что по содержанию примесей (углерода от 0,05 до 0,36%; серы от 0,018 до 0,065%; фосфора) превышает норму в двух третях элементов башни. Сталь подобного типа не подлежит сварке, но зато она покрылась естественно образовавшейся оксидной плёнкой, играющей защитную роль (пассивирование) для основного объёма металла.

плотности или влажности грунтов, нарушения изоляционного покрытия

Участок, хуже омываемый кислородом, становится анодом

Кислые грунты (рН < 3) вызывают сильную коррозию металлоконструкций

Чем больше водорастворимых солей, тем выше электропроводность грунта и сильнее коррозия

Максимальная скорость коррозии отмечается при влажности грунтов 15-25%

Эл. сопротивление

Характер среды

Влажность

Процессы коррозии активизируются деятельностью микроорганизмов

в год.
В большинстве случаев срок службы свай устанавливается 50 лет

отрицательным потенциалом (из магниевого сплава, цинковые, реже алюминиевые).
Защищаемый металл играет роль катода. Протектор в паре с защищаемым сооружением играет роль анода и заведомо будет разрушаться («жертвенный анод»).

Радиус действия – до 50 м

Протектор из магния в морской воде требует замены через 2 года

лом, графит) через внешний источник тока.
При этом защищаемую конструкцию подключают к (-), а электрод – к (+) источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод разрушается, а на катоде (защищаемой конструкции) происходит восстановление окислителя.

Радиус действия – до 2 км

Засыпка (гипс + хлорид натрия) – снижает локальное сопротивление слоя почвы, находящегося вблизи анода, а также пассивирующего слоя на поверхности анода

Чем больше скорость коррозии, тем больше должна быть плотность тока

контактный провод; 2 – питающая линия; 3 – тяговая подстанция; 4 – дренажная линия; 5 – рельсы; 6 – трубопровод

Блуждающие токи –эл. токи в почве, ответвляющиеся от своего основного пути.
Для коррозии существенны источники постоянного тока.
Переменный блуждающий ток также коррозионноопасен, но в гораздо меньшей степени, чем постоянный.
Источники блуждающих токов: электрифицированный транспорт, сварочные агрегаты, линии электропередачи, устройства электрохимической защиты сооружений и пр.
Блуждающие токи могут достигать десятков ампер и действовать в радиусе нескольких десятков километров.

Такие токи приводят к появлению на подземных металлических сооружениях, трубопроводах участков входа и выхода постоянного тока. Вследствие этого на металле образуются катодные и анодные зоны, причем анодные зоны, т.е. места выхода тока, подвергаются коррозии.

слабую коррозию у подземных изделий из стали и сильную у изделий из цветных металлов.

Несовершенная изоляция рельсов от земли вызывает утечку тока в окружающий грунт.
Участок сооружения входа тока или выхода электронов является катодом. Участок сооружения выхода тока или входа электронов является анодом (разрушается).
Скорость коррозии пропорциональна протекающему току.
Отличительным признаком коррозии от действия блуждающих токов является более высокая скорость.

блуждающего тока проводником с низким сопротивлением. Коррозия полностью прекращается.

Протекторная защита – параллельно рельсам в грунт закапывают анод из чугунного лома и с помощью медного проводника подсоединяют его в точке В к защищаемой конструкции. Блуждающие токи вызывают коррозию только этого анода.

Катодная защита. Если применение вспомогательного анода не уменьшает коррозию, в цепь подключают источник постоянного тока, чтобы ток проходил в направлении, противоположном блуждающему току.

Анодный участок по отношению к рельсам. На нём возникают коррозионные разрушения.

Участок катодной защиты, не подвергается коррозии

При нанесении неметаллического покрытия на данный участок коррозия усиливается, так как все блуждающие токи проходят только через дефекты в изоляционном покрытии.

углекислым газом, приводящий к изменению структуры и свойств бетона (снижению щёлочности).

Прочность карбонизированного слоя может повышаться до 20%.

Уравнение кинетики карбонизации, устанавливающее зависимость глубины карбонизированного слоя x от времени t, может быть принято в виде степенной функции:

или

где m = 0,5;

К – коэффициент, характеризующий скорость карбонизации, мм/год0,5.

защищена от коррозии благодаря электрохимической пассивации стали, которая является следствием щёлочности бетона (показатель рН обычно превышает 12,5).
На поверхности арматуры образуется оксидный (пассивационный) слой, и коррозия при этом невозможна.
Разрушение пассивационного слоя (депассивация) может произойти в результате:
снижения щёлочности бетона вследствие карбонизации (до значений рН ≤ 9);
повышения содержания в бетоне агрессивных к стали солей (хлоридов) до критической величины.
Время до начала депассивации (инкубационный период) можно повысить за счёт увеличения толщины и плотности защитного слоя бетона или пассивирующих добавок (нитрит натрия).

«диаграмма Эванса»

1 – «мягкие» стали, 2 – «твёрдые» стали

добавок при затворении бетонной смеси (ускоритель твердения CaCl2), либо из окружающей среды, содержащей хлор (морская среда, противогололёдные реагенты).
Коррозия стальной арматуры в бетоне носит электрохимический характер: растворяется материал анода, свободные электроны перемещаются к катодным участкам.
Для коррозии арматуры необходима достаточная влажность (75-85%) и присутствие кислорода.
При влажности свыше 85% коррозия замедляется, так как поры и капилляры в бетоне заполняются водой, перекрывая доступ кислорода. При низкой влажности для коррозии недостаточно воды.
Особенно благоприятно для коррозии периодическое увлажнение и высыхание. Коррозия тем интенсивнее, чем длиннее сухие периоды.

Процесс депассивации происходит локально (обычно в местах дефектов укладки бетона), на арматуре образуются точки ржавчины, в которых происходит быстрое окисление стали. Точечная коррозия может привести к хрупкому разрыву арматуры, поэтому наиболее опасна.

коррозия, при которой повреждения находятся между зёрнами (кристаллами) металла.

Точечная коррозия арматуры характеризуется значительной глубиной проникания и проходит без достаточно явных признаков, так как при малых по площади участках поражения продукты коррозии не могут оказать давления, достаточного для разрыва защитного слоя бетона.

Внешние признаки коррозионного повреждения арматуры в бетоне:
Пятна ржавчины на поверхности бетона вдоль расположения стержней;
Трещины, ориентированные по направлению арматуры;
Отколы защитного слоя бетона вследствие давления продуктов коррозии.

Стремление уменьшить диаметр арматуры приводит к более существенным коррозионным потерям её поперечного сечения.

условий эксплуатации

от ширины их раскрытия.
Первое время коррозия арматуры в сечении с трещиной проходит более интенсивно, чем для стержня, не окруженного бетоном.
С течением времени коррозия затухает вследствие заполнения трещины продуктами коррозии.

Глубина коррозионного повреждения арматуры для открытого стержня (1) и стержня в сечении с трещиной при различной ширине раскрытия: (2) – 0,7 мм, (3) – 0,4 мм, (4) – 0,3 мм, (5) – 0,2 мм, (6) – 0,1 мм

в атмосферных условиях г. Москвы

при периодическом увлажнении образцов

в воде и вынос из структуры бетона растворённых компонентов цементного камня, что приводит к снижению прочности бетона

Виды коррозии бетона в жидких средах (по В.М. Москвину)

2-й вид
химическое взаимодействие компонентов цементного камня с растворами кислот и кислых солей с образованием новых соединений без увеличения объёма

3-й вид
образование в цементном камне новых соединений с увеличением объёма, приводящее к разрушению структуры бетона

Кислотная коррозия

Сульфатная коррозия

Умеренное сжатие уменьшает коррозионную повреждаемость цементного камня.

железобетонных емкостей, предназначенных для хранения химических реагентов при разрушении или повреждении внутренней химической изоляции

Выщелачивание – процесс растворения и выноса гидроокиси кальция Са(ОН)2 из тела бетона фильтрующейся через его толщину водой.
Наиболее опасно, когда вода фильтруется через тело бетона под напором.
Снижается плотность бетона, а следовательно, и его прочность.
При бетонах нормальной плотности, высокой жесткости воды, медленном ее поступлении к открытой поверхности конструкции в бетоне часто происходит постепенное затухание процесса фильтрации из-за и отложения в его порах мельчайших взвешенных в воде минеральных частиц (кальматации пор).

Характерные признаки коррозии выщелачивания - образование белых потеков, хлопьев или сталактитов на внутренней, не соприкасающейся с водой поверхности бетона.

подвальных помещений, увлажняемые агрессивными сточными водами через разрушенные или поврежденные участки водоотводящих каналов, лотков и приямков и при повышении уровня агрессивных грунтовых вод. На каркас кислоты попадают при утечке их из баков кислотных растворов, через неплотности фланцевых соединений трубопроводов и при производстве работ. Сильной кислотной коррозии подвергаются также полы насосных и реагентных отделений

Между кислотами и кислыми солями, содержащимися в агрессивной среде, и цементным камнем протекают химические реакции, в результате которых образуются легкорастворимые соли и аморфные малорастворимые продукты. И те и другие не обладают вяжущей способностью, нарушается сцепление между компонентами бетона, последний становится рыхлым, теряет свою прочность.
Сульфаты и особенно хлористый кальций, образующиеся при воздействии на цементный камень соответственно серной и соляной кислот, рыхлые, нестойкие и легко вымываемые водой продукты, значительно ослабляют бетон и способствуют его быстрому разрушению.

Визуально пораженный кислотами бетон имеет шероховатую и рыхлую структуру вследствие потери вяжущих свойств, чаще всего бурого или грязно-белого цвета. Наружные поверхности конструкций шелушатся и отслаиваются от основной массы бетона кусками или лещадками

полы помещения мерников кислоты и щелочи, складов хранения реагентов

В бетоне под действием агрессивных вод, содержащих сульфаты - сернокислые соединения (CaSО4, Nа2SO4, MgSO4 и др.), разрушение проявляется в виде разбухания и искривления конструктивных элементов.
В этом случае не только не происходит удаления составляющих из объема цементного камня, а наоборот, в результате химических реакций между ним и веществами, поступающими из внешней среды, образуются новые соединения, объем которых превышает объем твердой фазы компонентов цементного камня.
Типичный пример такой коррозии - образование "цементной бациллы" - гидросульфоалюмината кальция. Гидросульфоалюминаты кальция занимают объем, в два с половиной раза больший, чем исходный алюминат кальция. В результате появляются внутренние напряжения, которые могут превысить предел прочности бетона при растяжении и тем самым вызвать появление трещин

Результатом этого вида коррозии иногда бывают образования на поверхности бетона пузырей - явление местного расслаивания. Оно состоит в том, что от бетона начинают отскакивать плоские круглые осколки

агрессивности окружающей среды
2) Выбор материалов, чтобы сооружение могло выдерживать воздействия окружающей среды в течение обоснованного жизненного цикла

влажно
умеренная влажность
циклы «влажно-сухо»
присутствие антиобледенителей (XF)

Требования
Минимальная толщина защитного слоя
Минимальный класс прочности бетона
Максимальное В/Ц (0,40/0,50/0,55/0,65)
Минимальный расход цемента Ц (380/340/320/300/280/260) кг/м3

зависит от плотности, качества и толщины защитного слоя и наличия трещин. Плотность и качество защитного слоя достигаются ограничением водоцементного отношения, требованием к минимальному содержанию цемента и могут быть обеспечены при минимальном классе прочности бетона

бетоном швы между ребристыми плитами

Несоблюдение проектных температурно-влажностных условий эксплуатации, неудовлетворительное состояние кровли