Электрическая непрерывность стали в бетоне

В процессе службы железобетонных конструкций сталь может становиться все более подверженной коррозии из-за попадания хлоридов и атмосферного углекислого газа[1]. Для измерения коррозии и для ее контроля можно использовать электрохимические методы. Карта распределения потенциалов электрода сравнения для определения степени и риска коррозии широко используется на мостах, подверженных воздействию противообледенительных составов, и сооружениях, эксплуатируемых в морских условиях[2].

Катодная защита, наряду с менее распространенными методами, такими как повторное подщелачивание и выделение хлоридов, — все это научно доказанные методы обработки, соответствующие стандартам ISO и европейскими стандартами[3,4,5]. Все эти процессы требуют, чтобы в исследуемой или обрабатываемой области был прямой контакт металл-металл между всеми стальными стержнями в арматурном каркасе, который оценивается или защищается. При отсутствии таких соединений при катодной защите могут возникать блуждающие токи, приводящие к образованию анодов; при этом ток покидает отсоединенный арматурный стержень, что приводит к коррозии. При проведении электрохимических измерений любое разделение между арматурными стержнями может привести к образованию ячейки с собственным потенциалом, что приведет к ошибочному измерению потенциала стали относительно потенциала электрода сравнения.

Это измерение может показаться простым, но в полевых условиях с ограниченными возможностями оборудования важно, чтобы у операторов и инженеров были четкие инструкции по методике проведения измерений и критерии для определения непрерывности, будь то карта распределения потенциалов стали с использованием электрода сравнения и вольтметра с высоким импедансом или установка системы катодной защиты.

Проблема в том, что бетон — это влажная среда с высоким удельным сопротивлением, а между арматурными стержнями имеется множество параллельных соединений. Прежде чем стальной каркас или другая конструкция будут забетонированы или погружены в воду, легко точно измерить электрическую непрерывность с помощью цифрового мультиметра или измерителя сопротивления, такого как мегаомметр или измеритель Нильсона. После бетонирования, и особенно когда начинается коррозия, труднее быть уверенным в наличии контакта металла с металлом. Стальные хомуты вокруг основных стержней в балках могут стать особой проблемой, когда начинается коррозия. Некоторые старые конструкции имеют очень легкую арматуру и даже электрически разделенные стальные сетки. Могут потребоваться значительные усилия для обеспечения непрерывности как при оценке, так и при использовании катодной защиты.

Этот вопрос был рассмотрен в 1990 году Джеком Беннеттом. Наряду со многими другими продуктами, он изобрел аноды Elgard для катодной защиты стали в бетоне. В рамках опытно-конструкторских работ он провел лабораторные и полевые исследования, чтобы убедиться в том, что стальные стержни были правильно скреплены при использовании катодной защиты наложенным током. Беннетт представил свое исследование и полученные выводы на заседании комитета конференции NACE в начале 1990-х годов, но так и не опубликовал его, однако он распространил внутренний документ Eltech об этой работе.

Изучая литературу, я узнал, что больше никто ничего не публиковал на эту тему, но выводы Джека Беннетта использовались в стандартах по катодной защите стали в бетоне, таких как BS EN ISO 12696. Я связался с Джеком, который сейчас вышел на пенсию, и он вместе со своими бывшими работодателями согласился с тем, что документ должен быть опубликован. Поэтому я переписал его в техническую записку Structural Concrete Alliance[6].

В записке говорится, что Беннетт обнаружил, что при использовании измерителя Нильсона были получены неточные измерения, указывающие на непрерывность там, где ее не было. Это была случайность, так как, используя высокоимпедансный мультиметр Fluke, он получил более точные измерения. Высокоимпедансные измерители всегда доступны на месте при измерении потенциала электрода сравнения в исследовательских целях и при установке систем катодной защиты.

Интересно отметить, что Беннетт обнаружил, что наиболее точным методом определения непрерывности является измерение разности потенциалов постоянного тока между стержнями, которая должна быть меньше 1 мВ. Несколько менее точным методом было измерение сопротивления (постоянного тока), которое должно быть менее 1 Ом. В обоих случаях провода следует поменять местами, а показания повторить. В стандарте BS EN 12696 метод измерения сопротивления, по-видимому, имеет приоритет перед методом измерения потенциала, что не соответствует рекомендациям Беннетта. Я бы рекомендовал всегда использовать оба метода, особенно если есть какие-либо сомнения в непрерывности.

В стандартах обсуждался вопрос о том, должен ли критерий разности потенциалов или сопротивления быть выше или ниже. Мое мнение таково, что, если кто-то может предложить достоверные данные, мы должны рассмотреть их, но пока кто-то этого не сделает, мы должны использовать именно эти критерии. Было бы хорошо увидеть, как кто-то повторит или улучшит работу Беннетта, но до тех пор мы должны придерживаться установленных процедур, чтобы обеспечить электрическую непрерывность в арматурных каркасах.

Список использованных источников

1. Дж. П. Брумфилд, Коррозия стали в бетоне, 2-е издание, Taylor and Francis, 2007 г.
2. ASTM C876 (2015) Стандартный метод испытания для определения потенциалов коррозии стальной арматуры в бетоне.
3. BS EN ISO 12696 (2016), Катодная защита стали в бетоне.
4. BS EN 1504-1 (2016) Электрохимическое подщелачивание и выделение хлоридов при обработке железобетона. Часть 1. Повторное подщелачивание.
5. BS EN 1504-2 (2021) Электрохимическое подщелачивание и выделение хлоридов при обработке железобетона. Часть 2. Выделение хлоридов.
6. Дж. П. Брумфилд (2021 г.) Измерение обрыва в электрической цепи для стали в бетоне после применения катодной защиты и других видов электрохимической обработки. Техническая записка 29 Structural Concrete Alliance, Бордон, Суррей.