Устойчивост на армиран с фибри бетон – Корозия

Един от основните фактори, влияещи върху издръжливостта на бетона, е корозията на стоманената армировка. През 2016 Националната асоциация на инженерите проучващи корозията (NACE) публикува обширен доклад, оценяващ годишните глобални разходи заради корозия на 2,5 трилиона долара, като само в САЩ разходите се оценяват на 451 милиарда щатски долара (Koch et al. 2016).

Това показва, че независимо от конструктивната оценка и опитите за превенция (които имат съществено значение), вероятността от корозия на стоманената армировка в бетона е изключително висока. Основните причини за това са:

• Образуване на пукнати по бетона;
• Карбонизация и неутрализация на защитната бетонна обвивка;
• Проникване на хлориди или други химикали в бетона, намалявайки алкалността и спомагайки за образуването на корозия, с течение на времето;
• Комбинация от горните.

След въвеждането на метода за усилване на бетон с помощта на стоманени фибри са проведени многобройни проучвания за устойчивостта им на корозия. Ранните изследвания (Aufmuth et al. 1974, Morse и Williamson 1977) за Американския армейски корпус на инженерите подчертават, че характеристиките на бетон, армиран със стоманени фибри са силно повлияни от процесите на образуване на корозия. Aufmuth et al., (1974) заявява:

                „Фибрите, изложени на агресивна среда, корозират много бързо. Скоростта и степента на корозията са функция от размера на пукнатината ... Образуването на корозия върху явните влакна е много бързо – необходими са по-малко от 30 дни (245 часа) при директно излагане в околната среда.“

Kosa и Naaman (1990) провеждат изпитания върху повече от 1200 образци от бетон армиран с фибри, като ги подлагат на условия на циклично излагане в околната среда. Резултатите показват:

• Корозията на стоманените фибри довежда до намаляване на техният диаметър, което е основната причина за намаляване на тяхната якост.
• Стандартните образци, показват средно намаляване на диаметъра на фибрите с 5-11% за 6 месеца, и увеличение до 12-29% след 10 месеца.
• Наблюдавано е, че намаление на диаметъра с около 30% на стоманените влакната води до намаляване на тяхната издръжливост с 40-50%.

Изследователите отбелязват, че ефектът от корозията върху фибрите постепенно променя вида им и води до повреди – лесно изтръгване или скъсване на влаганата по-известно като „придобита крехкост в следствие на корозия“.

Фиг.1 Връзка между намаляване на диаметъра на фибрите и периода на излагане в околната среда (Kosa и Naaman 1990).

Прочуванията са продължени от Kosa, Naaman и Hansen (1991), в които се правят сравнения на трайността на четири, армирани с фибри бетонни образци, изложени на разтвор с нарастваща концентрация на натриев хлорид. Един от образците е армиран с полипропиленови синтетични фибри. Това е едно от първите сравнителни изследвания на стоманени и полипропиленови влакна. Потвърждавайки предишното проучване, резултатите показват, че:

• След излагане на образците, за период от 6 месеца, якостните качества на бетонните образци армирани със стоманените фибри намаляват с 5 – 20%, съответно - 8 – 27% след 10 месеца.
• Всички образци, армирани със стоманени фибри, изложени на разтвор на натриев хлорид в продължение на 6 месеца демонстрират намаляване на диаметъра на стоманените фибри от 5 – 70%.
• На повърхността не образците са се отчитат признаци на напукване, причинени в резултат на корозия на стоманените влакна. Това предполага, че външният вид на повърхността не е добър индикатор за състоянието на бетона.

За сравнение, „бетонни образци, армирани с полипропиленови, синтетични фибри, изложени на същите лабораторни условия, не показват признаци на корозия и намаляване на якостните качества на бетона“.

През 2000 година, се провежда изследване за издръжливостта на армиран с фибри бетон, в реални условия. Nordström (2000, 2001) извършва тестове с излагане на армирани с фибри бетонни образци в пътни тунели, при условия на пръскане на вода от трафика. Nordström потвърждава предишните си изследвания, че корозията на стоманени влакна води до намаляване на техният диаметър след „отваряне“ на пукнатини и че корозията се увеличава с нарастване на ширината на пукнатините. При увеличаване на разстоянието от пукнатината, корозията по фибрите намалява. Локална корозия около пукнатини значително намалява якостните характеристики на бетона. Отбелязва се, че при ширина на пукнатини <0,1 mm, стоманените фибри не са засегнати от корозия.

Фиг.2 Намаляване на диаметъра на стоманените фибри, в резултат на корозия (Nordström, 2001).

Bernard (2004) разглежда по какъв начин ширината на пукнатините в армиран с фибри бетон се отразява върху якостта му при натоварване. Извършени са изпитвания върху проби пръскан бетон (торкрет) армирани със стоманени и полипропиленови синтетични фибри. Образците са разположени по крайбрежието и във вътрешната част на Великобритания, за период от две години. Изпитванията показват, че:

• В торкрет, армиран със стоманени фибри се наблюдават процеси на корозия. Това показва, че наличието на кислород, хлориди или и двете имат значителен ефект върху якостните характеристики на бетона армиран със стомана.
• При образуване на пукнатини с ширина по-голяма от 0,1 mm, в торкрет армиран със стоманени фибри се наблюдава значителен спад на якостта и капацитетът за абсорбиране на натоварване (енергия).
• Подобно на Kosa и Naaman (1990), Bernard отбелязва, че корозията на стоманените фибри влошава експлоатационните им характеристики. С течение на времето, характерът на типичната „повреда“ на стоманени фибри се променя от изтръгване, към „скъсване“ или счупване в зоната на образуване на корозия.

За разлика от пробите със стоманени фибри, тези армирани със синтетични не демонстрират загуба на експлоатационни (якостни) характеристики, независимо от околната среда.

 
Фиг.3 Сравнение на якостните характеристики на пръскан бетон армиран със стоманени и макро синтетични фибри BarChip. За разлика от армиран с макро фибри пръскан бетон, този със стоманени демонстрира значително понижение на в капацитета за абсорбиране на енергия само след 7 месеца след появата на пукнатина (Bernard, 2004).

 Заключения:

1. Висококачествените полипропиленови макро-синтетични фибри BarChip не корозират и запазват експлоатационните си характеристики, независимо от условията, на които са изложени.
2. Характеристиките на полипропиленовите фибри BarChip не се повлияват от ширината на пукнатини до 5 mm.
3. Стоманените фибри в ненапукан, пръскан бетон не корозират, но след образуване на първите пукнатини се наблюдава бърз спад в експлоатационните им характеристики, в следствие на бързо настъпваща корозия.
4. Корозията на фибри около и в пукнатини, води до изтъняване и намаляване на диаметъра им. Корозията се увеличава, с нарастване на ширината на пукнатините и намалява при увеличаване на разстоянието от повърхността на пукнатината.
5. Пукнатини по-широки от 0,1 mm водят до значително увреждане на стоманените фибри, тъй като ширината на пукнатините влияе на скоростта на корозиране.
6. Корозията на стоманени фибри влошава експлоатационните им качества. Изстъргването им като възможност за повреда е заменена от много по-безпрепятствено „скъсване“, което причинява бърза загуба на якост на бетона, известно като „придобита крехкост в следствие на корозия“.

Използвана литература:

1. Koch, K., Varney, J., Thompson, N., et al., 2016. “International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies Study”, National Association of Concrete Engineers.
2. Bernard, E.S., 2013. “A review of shotcrete testing requirements for the Cheves hydro-electric project, Peru”. Report Reference: 13 – EMS -012 Cheves Hydro, prepared for Barchip South America Ltd.
3. Aufmuth, R.E., Naus, D.J., Williamson, G.R., 1974. “Effect of aggressive environments on steel fiber reinforced concrete”, Construction Engineering Research Laboratory, Technical Report M-113, Champaign, Illinois, November 1974.
4. Morse, D.C., Williamson, G.R., 1977. “Corrosion behaviour of steel fibrous concrete”, Department of the Army, Construction Engineering Research Laboratory, Technical Report M-217, Champaign, Illinois, May 1977.
5. Kosa, K. and Naaman, A.E., 1990. “Corrosion of Steel Fiber Reinforced Concrete”, ACI Materials, 87 (1), Jan-Feb, pp. 27-37.
6. Kosa, K., Naaman, A.E. and Hansen. W., 1991. “Durability of fiber reinforced mortar”, ACI Materials, 88 (3), May-Jun, pp. 310-319.
7. Nordström, E., 2000. “Steel fiber corrosion in cracks – Durability of sprayed concrete”, Licentiate Thesis, Lulea University of Technology.
8. Nordström, E., 2001. “Durability of steel fiber reinforced shotcrete with regard to corrosion”, Shotcrete: Engineering Developments, Bernard (ed.), pp213-217, Swets & Zeitlinger, Lisse.
9. Bernard, E.S., 2004. “Durability of cracked fiber reinforced shotcrete”, Shotcrete: More Engineering Developments, Bernard (ed.), pp. 59-66, Taylor & Francis, London.
10. Westerberg, R. (2016). “Durability of Fiber Reinforced Concrete. Part 1 – Corrosion”. Available at: https://barchip.com/durability-of-frc-part-1-corrosion/