Betonacél korróziója vasbeton szerkezetekben

Az acélkorrózió elektrokémiai mechanizmusa betonban

A betonacél korróziója alapvetően egy elektrokémiai folyamat, amely négy egyidejű feltétel meglétét igényli. Ezt a négy elemet a mérnökök korróziós cellának nevezik. Az ACI 222R-01 (Fémek védelme betonban a korrózió ellen) szerint a négy alapvető összetevő: az anód — az aktívan korrodáló acélfelület, ahol a vas oxidációja és elektrontermelés történik; a katód — egy passzív vagy nemesebb acélfelület, ahol az oxigénredukció elektronokat fogyaszt; az elektrolit — a beton pórusvize oldott ionokkal, amely ionokat szállít az anód és katód között; valamint az elektromos kapcsolat — maga a betonacél, amely lehetővé teszi az elektronok áramlását az anódtól a katód felé. Ha e négy elem közül bármelyiket eltávolítjuk, az aktív korrózió teljesen leáll.

A lejátszódó kémiai reakciók jól ismertek. Az anódos helyen a vasatomok vas(II)-ionokká oxidálódnak: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Erősen oxidáló környezetben a vas(II)-ionok tovább oxidálódnak vas(III)-ionokká: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Ezek az ionok ezután hidroxil-ionokkal és oldott oxigénnel reagálva létrehozzák az ismert korróziós termékeket — a rozsdát. A katódos helyen az oldott oxigén és víz a rendelkezésre álló elektronokkal egyesül: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4(OH⁻). Ez a katódos reakció hidroxil-ionokat termel, amelyek a beton pórusoldatán keresztül az anód felé vándorolnak, fenntartva az elektrokémiai áramkört. A teljes reakció úgy foglalható össze, hogy vas plusz víz plusz oxigén vas-hidroxidokat és -oxidokat — a betonfedést végül tönkretevő rozsdát — eredményez.

A korrózió két különböző formában jelentkezik, az anód és katód közötti térbeli viszonytól függően. Makrocellás korrózió akkor lép fel, amikor az anód és a katód nagy távolságra — centiméterektől méterekig — van egymástól. Ez jellemző kloriddal szennyezett szerkezetekben, ahol a lokalizált lyukkorrózió intenzív anódos zónákat hoz létre, amelyeket nagy passzív katódos területek vesznek körül, agresszív galvanikus áramokat táplálva. A makrocellás áramok közvetlenül mérhetők nullaellenállású ampermérős technikákkal, és ezek a domináns mechanizmusok az olvasztó sóknak kitett hídpályákban. Mikrocellás korrózió akkor következik be, amikor az anód és a katód lényegében ugyanazon a helyen található, csak milliméterek választják el őket. Ez jellemző az egyenletes, karbonátosodás által kiváltott korrózióra, ahol a teljes acélfelület egyidejűleg válik aktívvá.

Az ép, nem karbonátosodott betonban a magas lúgosságú pórusoldat (pH 12,5–13,5) elősegíti egy szorosan tapadó passzív réteg kialakulását az acél felületén — egy vas-oxidokból (Fe₃O₄ és Fe₂O₃) és -hidroxidokból álló, csak nanométer vastagságú réteget. Ez a réteg áthatolhatatlan gátként működik a további oxidációval szemben, a korróziós sebességet elhanyagolható szintre csökkentve. A passzív állapotot 0,1 μA/cm² alatti korróziós áramsűrűség jellemzi, ami évi 0,001 mm-nél kisebb acél-keresztmetszet-veszteségnek felel meg. Az aktív korrózió akkor kezdődik, amikor a korróziós áramsűrűség meghaladja az 1,0 μA/cm²-t — ez tízszeres növekedés a passzív állapothoz képest. A Pourbaix-diagram (potenciál a pH függvényében) feltérképezi a vas stabilitási tartományait vizes környezetben, és egyértelműen mutatja, hogy 12,5 feletti pH-n a vas a passzivációs zónában található, ahol a védő oxidok termodinamikailag stabilak. Körülbelül 9,5 pH alatt a passzív réteg instabillá válik, és az aktív korrózió termodinamikailag lehetségessé válik. A 9,5–10,5 közötti köztes pH-n a réteg átmeneti állapotban van, és a korróziós állapot a potenciáltól függ.

Klorid-indukált korrózió

A klorid-indukált korrózió a legelterjedtebb és legagresszívabb vasalási károsodási forma a modern betoninfrastruktúrában. A kloridionok (Cl⁻) nem közvetlen kémiai oldással támadják a passzív réteget. Ehelyett lokalizált lebontást okoznak egy többlépcsős mechanizmuson keresztül. A kloridionok a betonfedésen keresztül a betonacél felületéhez vándorolnak koncentrációgradiensek (Fick-féle diffúzió) és kapilláris abszorpció által hajtva. Az acél felületén a Cl⁻ a passzív rétegre adszorbeálódik a hibás helyeken, például zárványoknál, hengerléshártya-folytonossági hiányoknál vagy szemcsehatárokon. Helyi savasodás következik be a vas(II)-ionok hidrolízise miatt: Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)⁺ + H⁺. Az így létrejövő alacsony pH-jú környezet helyileg oldja a passzív réteget, létrehozva egy aktív korróziós gödröt, amely anódként működik. A környező passzív acél katódként szolgál, agresszív makrocellát alkotva. A lyukkorrózió egy autokatalitikus mechanizmuson keresztül halad előre — a korróziós gödör alacsony pH-ja elektromigráció révén több kloridiont vonz, ami tovább gyorsítja az oldódást. A korróziós gödör növekedési sebessége súlyos tengeri környezetben elérheti a 0,5–1,0 mm/év értéket, ami gyors lokalizált keresztmetszet-veszteséghez vezet, amely szerkezetileg veszélyesebb, mint az egyenletes korrózió, mivel feszültségkoncentrációkat hoz létre az acélban.

A kritikus kloridküszöb (CTL) az a kloridmennyiség a betonacél mélységében, amely elegendő a korrózió elindításához. A küszöbérték jelentősen változik a cementkémiától, a betonminőségtől és a környezeti feltételektől függően. Az ACI 222R általános tartományként 0,15–0,40 tömegszázalék kloridot ad meg a cement tömegére vonatkoztatva hagyományos vasbeton esetében. Az európai gyakorlat (CEB/Eurocode alapok) jellemzően 0,40 tömegszázalékot alkalmaz a cement tömegére vonatkoztatva. Betontérfogatra átszámítva az amerikai gyakorlat küszöbértéke körülbelül 0,6–0,9 kg/m³ (1,0–1,5 lb/yd³). Hausmann (1967) és Gouda (1970) kutatásai megállapították, hogy a klorid-hidroxil arány (Cl⁻/OH⁻) a pórusoldatban a meghatározó paraméter — pH 12,6-nál a maximális elviselhető Cl⁻/OH⁻ arány 0,29, míg pH 13,3-nál enyhén 0,30-ra emelkedik. A cement C₃A (trikalcium-aluminát) tartalma jelentősen befolyásolja a küszöbértéket, mivel a C₃A kémiailag megköti a kloridokat kalcium-kloroaluminát (Friedel-só, 3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O) képződésével, eltávolítva azokat a pórusoldatból és növelve az effektív küszöbértéket. A 8 százalék feletti C₃A-tartalmú cementek lényegesen jobb kloridkötést biztosítanak, mint az alacsony C₃A-tartalmúak.

A kloridok belső és külső forrásokból egyaránt bejuthatnak a betonba. Belső források közé tartozik a kalcium-kloridot tartalmazó gyorsító adalékszerek (a legtöbb szabványban ma már legfeljebb 0,1–0,5 tömegszázalék kloridion a cement tömegére vonatkoztatva), kloriddal szennyezett adalékanyagok és a keverővíz. Az ACI 318 építési szabályzat 1977 óta tiltja a kalcium-klorid használatát vasbetonban ezen ok miatt. Külső források sokkal jelentősebbek a használatban lévő szerkezetek esetében. Az olvasztó sók (nátrium-klorid NaCl, kalcium-klorid CaCl₂, magnézium-klorid MgCl₂) hídpályákra, parkolóházakra és úttestekre történő kiszórása hozza létre a legagresszívebb klorid-expozíciót a mérsékelt égövi éghajlaton. A havas régiókban lévő hídpályák téli szezononként 100–500 kg sót kaphatnak sávkilométerenként. A tengeri expozíció — tengeri permet, sóköd, árapályos nedves-száraz ciklusok — a part menti szerkezeteket érinti, ahol a fröcskölési zóna a legsúlyosabb környezet, ahol a kloridkoncentráció éveken belül elérheti a cement tömegének 1–3 százalékát. A tengervíz alá merülő szerkezetek lassabb kloridbehatolást tapasztalnak a folyamatos telítettség miatt, ami korlátozza az oxigén elérhetőségét a betonacélnál, de korrózió még mindig előfordulhat, ha oxigén jelen van.

A kloridos korróziókezelés egyik kritikus fogalma a kloridkötés. Nem az összes klorid járul hozzá a korróziós kockázathoz a betonban. A kémiai kötés akkor következik be, amikor a kalcium-aluminátok reagálnak a kloridokkal Friedel-só képződése közben, immobilizálva a teljes kloridmennyiség körülbelül 40–60 százalékát a hagyományos portlandcement-betonban. A fizikai kötés magában foglalja a kloridok adszorpcióját a kalcium-szilikát-hidrát (C-S-H) gél felületein és a nem összekapcsolódó pórusokba történő bezáródást. A kiegészítő cementanyagok (SCM-ek), mint a pernye és az őrölt granulált kohósalak, növelik a kötőképességet magasabb alumináttartalmuk miatt. Kritikus fontosságú, hogy a karbonátosodás felszabadítja a megkötött kloridokat — amikor a CO₂ reagál a Friedel-sóval, lebontja a kloroaluminát-vegyületeket, és a korábban immobilizált kloridokat felszabadítja a pórusoldatba a karbonátosodási frontnál. Ez a szinergikus hatás azt jelenti, hogy a karbonátosodott betonnak magasabb lehet a szabad kloridkoncentrációja a betonacél mélységében, mint a nem karbonátosodott betonnak, még akkor is, ha a teljes kloridtartalom azonos.

Karbonátosodás által kiváltott korrózió

A karbonátosodás a légköri szén-dioxid (CO₂) és a hidratált cementpép lúgos összetevői közötti kémiai reakció. Az elsődleges reakció a portlandit — kalcium-hidroxid Ca(OH)₂ — és az oldott CO₂ között megy végbe: Ca(OH)₂ + CO₂ (vizes) → CaCO₃ (kalcit) + H₂O. Másodlagos reakciók során a kalcium-szilikát-hidrát (C-S-H) gél, a kalcium-aluminátok és a kalcium-aluminoferritek is elfogyasztódnak, bár lassabban. A kalcium-karbonát kicsapódása helyileg kitölti a pórusokat, átmenetileg csökkentve a permeabilitást a karbonátosodási frontnál — ezt az előnyt azonban ellensúlyozza a progresszív pH-csökkenés. A reakció a beton pH-értékét a szokásos 12,5–13,5 tartományból körülbelül 8,3-ra csökkenti a teljesen karbonátosodott betonban. Az acél depasszivációs küszöbértéke körülbelül pH 9,5 — ezen érték alatt a passzív vas-oxid réteg már nem termodinamikailag stabil, és oldódni kezd.

A helyszíni ellenőrök a fenolftaleines indikátortesztet használják a karbonátosodás gyors kimutatására. Egy 1%-os fenolftalein oldatot etanolban frissen feltört betonfelületre permeteznek. Lúgos betonban (pH kb. 8,0–9,5 felett) az indikátor rózsaszínűvé vagy bíborvörössé válik. Karbonátosodott betonban (pH a küszöbérték alatt) az oldat színtelen marad. A színtelen zóna mélysége a kitett felülettől mérve a karbonátosodási mélységet jelenti. Ezt a tesztet frissen feltört felületen kell elvégezni, nem vágott vagy fűrészelt felületen, mert a vágási folyamat elkenheti a lúgosságot, és pontatlan eredményeket adhat. A teszt azonnali, olcsó, és egyértelmű vizuális határvonalat biztosít a karbonátosodott és nem karbonátosodott beton között.

A karbonátosodás mélysége négyzetgyökös időfüggést követ: d = k × √t, ahol d a karbonátosodási mélység milliméterben, k a karbonátosodási sebességi együttható mm/√év egységben, t pedig az idő években. A k sebességi együttható erősen függ a beton minőségétől és a környezeti feltételektől. A tömör, jól megtervezett, alacsony víz-cement tényezőjű (0,40 alatti) beton k értéke 1–3 mm/√év, ami azt jelenti, hogy 70–625 év kellene a karbonátosodásnak a tipikus 25 mm-es fedésvastagság eléréséhez. Közepes minőségű beton (v/c 0,45–0,55) esetén k = 3–5 mm/√év, ami 25–70 év alatt éri el a 25 mm-t. Gyenge minőségű, magas v/c tényezőjű (0,60 feletti) és alacsony cementtartalmú beton esetén k = 5–10 mm/√év, ami mindössze 6–25 év alatt éri el a 25 mm-t. Nagyon gyenge minőségű beton esetén az érték meghaladja a 10 mm/√év értéket, ami 6 éven belül eléri a kritikus fedésvastagságot. Ezek a modellek állandó környezeti feltételeket feltételeznek — a tényleges helyszíni karbonátosodást felgyorsíthatják a repedések, a ciklikus nedvesedés és a megnövekedett CO₂-koncentráció városi vagy ipari környezetben.

A karbonátosodás szempontjából legagresszívabb relatív páratartalom-tartomány az 50–70 százalék. 40% RH alatt a pórusvíz mennyisége nem elegendő a CO₂ oldódásához és az iontranszporthoz. 80% RH felett a vízzel telt pórusok hálózata akadályozza a CO₂ gáz diffúzióját, mert a gáznak fel kell oldódnia és vízen keresztül kell diffundálnia, ami 10 000-szer lassabb, mint a gázfázisú diffúzió. A nedves-száraz ciklusok jelentősen felgyorsítják a karbonátosodást azáltal, hogy felváltva elősegítik a CO₂ diffúzióját a száraz időszakokban, és biztosítják a szükséges vizet a karbonátosodási reakcióhoz a nedves időszakokban. Az árnyékolt, időszakosan nedvesedő helyeken lévő szerkezetek — mint a hídpályák alsó oldala, parkolóházak födém alatti felületei és belső épületoszlopok — különösen érzékenyek a karbonátosodás által kiváltott korrózióra.

Ellentétben a lokalizált és lyukkorróziós jellegű klorid-indukált korrózióval, a karbonátosodás által kiváltott korrózió egyenletes (általános) korrózió nagy területeken. Mivel a depassziváció széles körben elterjedt — a teljes acélfelület a karbonátosodott zónán belül elveszti a védelmét —, az anódos és katódos helyek mikroszkopikus skálán keverednek. A korróziós sebesség a karbonátosodott betonban jellemzően alacsonyabb, mint a kloriddal szennyezett betonban, ritkán haladja meg a 0,1 mm/év keresztmetszet-veszteséget. Az érintett nagy terület azonban továbbra is jelentős szerkezeti következményekkel járhat a kumulatív keresztmetszet-veszteség és a fedőbeton tágulásos repedezése révén.