Name: why concrete can fail around rebar
Uploaded: 2024-11-07T14:48:46.000Z
Duration: 1 min 27 s
Channel: JoVE

Внутри бетонной массы высокая щелочность гидроксида кальция с pH около 13 защищает стальную арматуру от коррозии, создавая защитный слой оксида железа, состояние, известное как пассивность.
Из-за изменения электрохимических потенциалов на поверхности стали образуются анодные и катодные области.
Эти области соединяются с помощью раствора соли в гидратированном цементе, действующего как электролит.
Положительно заряженные ионы железа из анода растворяются в солевом растворе.
Напротив, отрицательно заряженные электроны движутся к катоду, поглощаются электролитом и вступают в реакцию с водой и кислородом с образованием гидроксильных ионов.
Гидроксид железа образуется, когда гидроксильные ионы связываются с ионами железа. Последующее окисление гидроксида железа приводит к образованию ржавчины.
Кроме того, ионы хлора в окружающей цементной пасте образуют соляную кислоту в анодных пятнах, разрушая защитный слой стали и вызывая точечную коррозию.
После того, как сталь ржавеет, она увеличивается в объеме и оказывает давление, которое может привести к растрескиванию и отколам бетона.
Использование стали с эпоксидным или оцинкованным покрытием или снижение проницаемости бетона может уменьшить коррозию стали.

Коррозия стальной арматуры

Corrosion of Reinforcement

Коррозия стальной арматуры в бетоне — это процесс, на который влияют внутренние свойства материала и внешние факторы. Высокий уровень pH, около 13, обеспечиваемый гидроксидом кальция, присутствующим в бетоне, изначально защищает стальную арматуру, способствуя образованию защитного пассивного слоя оксида железа на ее поверхности.

Однако со временем и при определенных условиях, таких как карбонизация, проникновение хлоридов и растрескивание, это защитное состояние может быть нарушено. Сталь имеет области с различными электрохимическими потенциалами, известные как анодные и катодные области. Гидратированное цементное тесто, содержащее соли, действует как электролит, который соединяет эти области. В анодных областях железо из стали растворяется в виде положительно заряженных ионов в электролите, тогда как в катодных областях электроны расходуются в реакциях, в которых участвуют вода и кислород из окружающего бетона, для получения гидроксильных ионов.

Эти гидроксильные ионы соединяются с растворенным железом, образуя гидроксид железа, который далее окисляется и превращается в ржавчину. Присутствие хлоридных ионов усугубляет этот процесс, что приводит к локальной точечной коррозии, образуя соляную кислоту, которая атакует защитный слой оксида железа. Эта коррозия может расширять сталь, вызывая трещины и отколы бетона.

Профилактические меры против коррозии стальной арматуры включают использование защитных покрытий, таких как эпоксидная смола или цинк, на самой стали или улучшение качества бетона для снижения его проницаемости, тем самым препятствуя проникновению коррозионных агентов.

Внутри бетонной массы высокая щелочность гидроксида кальция с pH около 13 защищает стальную арматуру от коррозии, создавая защитное ...

Education

JoVE Core

Civil Engineering

Unit 1

Раздел 1

Permeability of Concrete

Проницаемость бетона

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

why concrete can fail around rebar

Steel reinforcement in concrete can corrode when its protective environment changes. Fresh concrete is highly alkaline because of calcium hydroxide, with a pH of about 13. That high pH helps form a passive iron oxide layer on the steel surface, which slows corrosion.

Over time, carbonation, chloride ingress, and cracking can weaken this protection. Concrete contains hydrated cement paste with salts, and it acts as an electrolyte. Different areas of the steel then behave as anodic and cathodic regions, which creates a small electrochemical cell.

At the anodic regions, iron dissolves into the electrolyte as positively charged ions. At the cathodic regions, electrons are used in reactions with water and oxygen in the surrounding concrete to form hydroxyl ions. These hydroxyl ions combine with the dissolved iron to make ferric hydroxide, which then oxidizes into rust.

Chloride ions make the problem worse. They can cause localized pitting corrosion by forming hydrochloric acid that attacks the protective iron oxide layer. As rust builds up, the steel expands and can crack the concrete, leading to spalling.

Corrosion can be reduced in a few ways. Protective coatings such as epoxy or zinc can be applied to the steel. Another option is to improve concrete quality so it is less permeable and slows the entry of corrosive agents.

Why Concrete Can Fail Around Rebar

permeability of concrete

Concrete Durability and Water Penetration

Concrete durability depends partly on how easily water and gases can move through it. This property, called permeability, is important for judging water-tightness and resistance to chemical attack in concrete structures. Permeability is measured with comparative lab tests. In a typical test, the sides of a concrete specimen are sealed, water pressure is applied to the top surface, and the amount of water that passes through is measured. The test is often run for about ten days until a steady...

sulfate attack on concrete

Concrete Damage from Sulfate Exposure

Concrete damage from sulfate exposure starts with a whitish discoloration, often first seen at the edges and corners. As the attack continues, the concrete can crack and spall. This deterioration happens when sulfates react with hardened concrete and create new compounds that take up more space than the materials they replace. Sulfates may enter concrete from soil, groundwater, or industrial effluents. Inside the concrete, they can form calcium sulfate and calcium sulfoaluminate. The reaction...

effect of sea water on concrete

Seawater Damage and Concrete Durability

Seawater can damage concrete by changing its chemistry, increasing porosity, and lowering strength. In marine settings, concrete is exposed to dissolved salts and repeated wetting, so its durability depends on how much water can enter the material. One major form of damage is the breakdown of ettringite and gypsum, two concrete minerals that can dissolve in seawater. As these materials are lost, the concrete becomes more porous. Salt can also crystallize inside pores, especially above the...

acid attack on concrete

Concrete Damage from Low pH Water

Concrete damage from low pH water happens when acids react with the hydrated cement paste. This reaction dissolves the paste, so the concrete becomes softer and weaker. The problem is often seen in chimneys, sewers, and industrial settings. The amount of damage depends on how acidic the water is. When pH falls below 6.5, the attack becomes more severe. A pH below 4.5 can cause major concrete damage. The rate of damage also depends on how fast hydrogen ions move through the cement gel. This...

alkali aggregate reaction in concrete

How Moisture Cracks Alkali-Reactive Concrete

Alkali-aggregate reaction in concrete can weaken a structure when siliceous minerals in the aggregate react with alkaline hydroxides from cement. The reaction makes an alkali-silica gel, which pulls in water and swells. As the gel expands inside the rigid cement paste, it creates pressure that can crack and disrupt the concrete. The damage comes from both osmotic hydraulic pressure and the swelling of the solid reaction products. Particle size also matters. Fine siliceous particles can cause...

corrosion of reinforcement

Steel reinforcement in concrete can corrode when its protective environment changes. Fresh concrete is highly alkaline because of calcium hydroxide, with a pH of about 13. That high pH helps form a passive iron oxide layer on the steel surface, which slows corrosion. Over time, carbonation, chloride ingress, and cracking can weaken this protection. Concrete contains hydrated cement paste with salts, and it acts as an electrolyte. Different areas of the steel then behave as anodic and cathodic...

key terms and concepts

Learn how concrete’s high pH protects steel rebar, why carbonation and chlorides trigger rust, and how coatings and dense concrete help prevent cracking.

Why Concrete Can Fail Around Rebar | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

civil engineering

Why Concrete Can Fail Around Rebar

Description

Transcript

Tags