Nitcal Ингибитор коррозии металлов
Ингибитор коррозии в бетоне. Доктор, адъюнкт-профессор Гарольд Джастнес.
Доктор Гарольд Джастнес - руководитель исследовательских работ в SINTEF Бетон, Тронхейм, Норвегия
Область его интересов - химия цемента, бетона, примесей, добавок (включая полимеры) начиная с производства
исследования реакционной способности и заканчивая вопросами долговечности (износостойкости)
Также является адъюнкт-профессором в Институте Технологии Материалов (Institute of Materials Technology)
"Химия Цемента и Бетона", Норвежский Университет Науки и Технологии
(Norwegian University of Science and Technology), Тронхейм
Краткий обзор:
Коррозия арматуры в железобетонных конструкциях - это, наиболее частая причина разрушений и восстановительных работ, а доступ хлоридов - это более частая причина, чем карбонизация. Добавление ингибитора в состав бетонной смеси для объектов, подверженных действию хлоридов - это способ увеличить срок службы или отсрочить необходимый дорогостоящий ремонт. Были кратко рассмотрены ингибиторы коррозии для железобетона с акцентом на анодных ингибиторах. Подробно рассмотрена специально спроектированная программа, где действие обычного анодного ингибитора - азотистокислого кальция, Са(NO2)2, сравнивается с действиеем более нового анодного ингибитора - азотнокислого кальция (нитрата кальция), Са(NO3)2.
В ходе проведения длительных испытаний было доказано, что нитрат кальция замедляет процесс коррозии арматурной стали, вызванный хлоридами как добавленными непосредственно в воду для затворения, так и добавленными позднее, а также превосходит нитрит кальция в испытаниях по коррозии (ускоренная электрическая миграция) (метод "леденца"). Также сравнивается действие этих двух добавок на свойства бетона.
Из проведенного теоретического анализа следует, что механизм действия нитрата и нитрита как ингибиторов коррозии схожи в щелочных средах, таких как бетон. Кинетика действия нитрата медленнее, чем нитрита, но это важно только в краткосрочных испытаниях, поскольку на практике процесс коррозии - это довольно длительный процесс. Как следует из теории, нитрат кальция обеспечивает больший резервный запас, чем нитрит кальция.
Другими преимуществами использования в качестве ингибитора коррозии нитрата кальция, а не нитрита является то, что он более безопасный. Нитрат кальция в количестве 3-4 % от массы цемента защищает арматурную сталь от коррозии, обусловленной хлоридами из окружающей среды или хлоридами из загрязнённого заполнителя и т.д.
|
|
|
|
| Рис.1 Стальной стержень, подвергнувшийся действию коррозии (внизу), и след от него в бетоне (вверху), бетон - без добавок с примесью 3.2% NaCl, находился на крыше на протяжении 3-х лет |
Рис.2
Железная арматура, извлеченная из бетонных цилиндров с добавлением 3.2 % NaCl. Цилиндры хранились 3 года при температуре 38°C и относительной влажности 90%. Верхний стержень- бетон без добавок, средний - бетон с добавлением 2% Ca(NO3)2, нижний - бетон с добавлением 4% Ca (NO3)2
|
Рис.3
Железная арматура, подвергнутая действию хлоридов, извлеченная из 2-х бетонных цилиндров без добавок (сверху), цилиндра с добавлением 2% Ca(NO3)2 (в середине) и цилиндра с добавлением 4% Ca(NO3)2 (снизу) после хранения в течение 4 лет при температуре 38°C и относительной влажности 90%
|
Введение
Коррозия арматурной стали, обусловленная хлоридами, вероятно, - наиболее часто встречающееся повреждение железобетона. Процесс проникновения хлоридов в бетон с высокими эксплуатационными свойствами (например, мосты), подверженный влиянию морской среды, на практике может быть гораздо быстрее, чем показывают испытания в лаборатории. Дорожный бетон также страдает от действия коррозии вследствие использования солей, предотвращающих обледенение. Добавление ингибитора в состав бетонной смеси для объектов, подверженных разрушающему действию хлоридов - это средство, которое может увеличить срок службы или отсрочить необходимый дорогостоящий ремонт.
Ингибитор коррозии должен либо а) уменьшить уровень хлоридов, необходимых для инициации коррозии, либо б) снизить скорость протекания коррозийного процесса, если таковой начался или сочетать оба действия. Тоесть ингибитор мог бы или отсрочить начало коррозии, либо замедлить ее распространение, или и то, и другое. Поскольку он не обязательно предотвращает коррозию, некоторые предпочитают использовать такие словосочетания как замедлители коррозии, а не ингибиторы. В соответствии с представленным выше определением, в этой работе будет использоваться термин "ингибитор".
Схема образования кородийного процесса представлена на рис.4. Процесс коррозии состоит из катодного полупревращения, вследствие которого кислород превращается в гидроксильные ионы;O2+2H2O+4e- =4OH- (1)
и анодного, вследствие чего происходит окисление иона железа в гидрат закиси железа
Fe (s) + 2 OH- = Fe(OH)2 + 2 e- (2)
Гидрат закиси железа умеренно растворим в щелочной среде из-за составных ионов с гидроксидом, и еще более растворим с хлоридами. Таким образом, он может продиффузировать (распространиться) на некоторое расстояние от стержня перед тем, как он подвергнется дальнейшему окислению кислородом и выпадет в виде нерастворимого осадка гидрата окиси железа;4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3 (3)
Гидрат окиси железа в различных формах может иметь молярный объем в 2-4 раза больший, чем объем металлического иона, подвергнувшегося действию коррозии. Поэтому развивающийся коррозийный процесс (т.е. окисление) приведетк появлению трещин в бетонном покрытии и, в конечном счете, к разрушению.
Таблица 1 Свойства образца "леденец"
|
Параметр
|
Контрольный состав (без добавок)
|
Нитрат Кальция
|
Нитрит Кальция
|
| Бетон на ранней стадии (1, 28 сут.): | |||
| Усадка (мм) | |||
| Плотность (кг/м3) | 140 | 160 | 135 |
| Воздух вовлеченный (объем %) | 2425 | 2395 | 2420 |
| σсж, 1сут (МПа) | 2.1 | 3.1 | 2.3 |
| σсж, 28сут (МПа) | 28.9±0.1 | 21.1±0.2 | 25.9±0.6 |
| На 90 сут.: | 54.5±0.6 | 60.3±0.6 | 77.3±0.5 |
| σсж, 90сут (МПа) | 66.1±0.9 | 70.5±0.4 | 84.0±1.3 |
| ρ (кг/м3) | 2691±4 | 2690±5 | 2688±4 |
| ρсух (кг/м3) | 2389±26 | 2367±12 | 2394±12 |
| ε кап (объем %) | 10.1±0.7 | 10.5±0.3 | 9.9±0.3 |
| ε mаk (объем %) | 1.2±0.2 | 1.5±0.06 | 1.0±0.03 |
Таблица 2 Обзор дополнительных добавок (в % от массы цемента) для всех смесей.
| Порядковый № состава, вид и дозировка добавок в нем в % | ||||||||||||||
| Вводимая добавка в бетон | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| A-Ca(NO3)2 (Нитрат кальция) | - | 3 | 4 | - | 3 | 4 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| K-Ca(NO3)2 (Нитрат Кальция) | - | - | - | - | - | - | - | 3 | 4 | - | 3 | 4 | - | - |
| Ca(NO2)2 (Нитрит Кальция) | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 2.7 | 2.7 |
| NaNO2 (Нитрит Натрия) | - | - | - | - | - | - | 2 | - | - | 2 | - | - | - | - |
| NaCl (Хлорид натрия) | - | - | - | 3.2 | 3.2 | 3.2 | - | - | - | 3.2 | 3.2 | 3.2 | - | 3.2 |
Таблица 3 Свойства смесей №1-7
| № Смеси | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Усадка (мм) | 170 | 180 | 180 | 180 | 180 | 190 | >140 |
| Воздух (объем %) | 3.7 | 3.2 | 4.5 | 6.1 | 3.1 | 4.7 | 6.5 |
| ρf (кг/м3) | 2,390 | 2,390 | 2,360 | 2,320 | 2,395 | 2,355 | 2,320 |
| σсж, 1сут (МПа) | - | - | - | - | - | - | 27.7 |
| σсж, 28сут (МПа) | 53.3 | 55.0 | 51.9 | 48.9 | 56.0 | 52.3 | 44.7 |
| ε кап (объем %) | 9.9 | 9.7 | 9.7 | 9.1 | 9.6 | 9.6 | 9.9 |
| ε mаk (объем %) | 1.9 | 2.1 | 2.4 | 2.6 | 1.8 | 1.9 | 2.6 |
| ρd (кг/м3) | 2,184 | 2,187 | 2,177 | 2,187 | 2,201 | 2,195 | 2,177 |
Таблица 4 Свойства смесей №8-14
|
№ Смеси
|
8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Усадка (мм) | 180 | 180 | 180 | 190 | 190 | 180 | 165 |
| Воздух (объем %) | 3.1 | 4.9 | 6.6 | 4.8 | 4.8 | 4.2 | 5.0 |
| ρf (кг/м3) | 2,395 | 2,355 | 2,320 | 2,365 | 2,360 | 2,375 | 2,355 |
| σсж, 1сут (МПа) | 24.2 | 22.4 | 24.8 | 27.4 | 24.5 | 20.0 | 27.4 |
| σсж, 28сут (МПа) | 54.5 | 57.3 | 47.3 | 54.5 | 55.2 | 67.9 | 58.8 |
| ε кап (объем %) | 10.1 | 10.0 | 9.8 | 10.0 | 10.1 | 9.3 | 10.1 |
| ε mаk (объем %) | 1.4 | 2.1 | 2.7 | 1.9 | 2.2 | 2.3 | 1.4 |
| ρd (кг/м3) | 2,201 | 2,178 | 2,166 | 2,181 | 2,174 | 2,191 | 2,167 |
Таблица 5 Сравнение свойств бетона
| Характеристики | Без добавок | Нитрат Кальция | Нитрит Кальция |
| Бетон на ранней стадии Плотность (кг/м3) Воздух (объем %) |
2,384 5.2 |
2,344 4.8 |
2,380 3.0 |
| 1 сутки σсж (МПа) |
22.1±0.2 |
19.0±0.3 |
24.4±0.3 |
| 7 сутки σсж (МПа) |
45.3±0.1 |
47.8±0.6 |
61.9±0.4 |
| Cутки σсж (МПа) |
35 56.9±0.7 |
34 58.3±0.5 |
28 73.5±0.6 |
| 1 год σсж (МПа) ρ (кг/м3) С0, Сl (%) DСl (10-12м2/c) ρr (Ω·m) |
65.2±0.3 2412±5 0.89±0.07 7.8±1.0 73±1 |
65.5±1.0 2397±2 0.96±0.01 9.9±1.3 70±2 |
85.4±2.4 2457±2 0.99±0.07 6.4±0.5 69±2 |
 |
|
|
Рис.4 Изображение корозийного процесса на поверхности стали. (а) Реакции на аноде и катоде, электрический ток. (б) Поток электрических зарядов в цепи во время процесса коррозии. Уравнения полных катодной (1) и анодной (2) полуреакций даны выше |
Рис.5 |
Рис.6 |
Перейти на страницу описания Нитрата Кальция NITCAL