Защита морских сооружений от коррозии с помощью CFRP-обёртывания

Обёртывание повреждённой коррозией морской колонны или сваи CFRP — проверенный способ восстановить её несущую способность и пластичность — но это конструктивный ремонт, а не средство от коррозии, и он требует честности в отношении того, что обёртывание делает, а чего не делает. В этом руководстве рассматриваются механика обжатия, специфические для морской среды расчётные коэффициенты, гальваническая ловушка и ограничения по влажности, которые определяют, возможно ли вообще приклеивание в приливной зоне — на основе ACI 440.2R и данных продукции FidStrong. Подробнее о механизме старения см. в статье долговечность усиления CFRP.

Что на самом деле разрушает морской бетон?

Проникновение хлоридов — основная причина. Хлориды морской воды проникают через защитный слой бетона и вместе с карбонизацией и циклами замораживания–оттаивания депассивируют и вызывают коррозию заложенной арматуры. Корродирующая сталь увеличивается в объёме, растрескивая и отслаивая защитный слой («эффект ржавого клина») и теряя сечение — это стандартный механизм разрушения морских и прибрежных сооружений. Наиболее сильное воздействие — в приливной зоне и зоне заплеска, где чередование смачивания, высыхания и доступ кислорода дают коррозии всё необходимое. В результате колонны, сваи, оголовки причалов и волноломы теряют несущую способность, которую нужно восстанавливать.

Что CFRP-обёртывание действительно делает — а чего не делает?

Проясним обе стороны. Что оно делает: кольцевое CFRP-обёртывание обжимает бетон, переводя ядро в трёхосное сжатие, что повышает обжатую прочность и, что важно, пластичность — задокументированный случай применения — именно «обжимающий ремонт растрескавшихся, отслоившихся от коррозии колонн» (ACI 440.2R, гл. 12). Чего оно не делает: не останавливает коррозию. Ничто в ACI 440.2R не подтверждает утверждение, что CFRP-обёртывание останавливает или обращает вспять вызванную хлоридами коррозию арматуры — в руководстве по проектированию нет положений о катодной защите, ингибиторах коррозии или пороговых значениях хлоридов. Обёртывание устраняет конструктивное следствие, а не электрохимическую причину.

Как на самом деле работает обжатие?

Пассивно. Когда обжатый бетон нагружается и стремится расшириться в поперечном направлении, он растягивает обёртывание по окружности, которое противодействует этому обжимающим давлением fℓ = 2·Ef·n·tf·εfe / D. Это поперечное давление повышает обжатую прочность на сжатие до f′cc = f′c + ψf·3.3·κa·fℓ и, что не менее ценно, позволяет сечению достичь гораздо более высокой предельной деформации перед разрушением — превращая хрупкую, отслоившуюся колонну в пластичную. Обёртывание задействуется только по мере расширения бетона, поэтому его называют пассивным обжатием. О подборе числа слоёв см. в статье как рассчитать слои CFRP для обжатия колонны.

Какую расчётную прочность можно использовать в морской среде?

Начните с коэффициента снижения по условиям эксплуатации CE, на который умножаются характеристическая прочность и деформация волокна (ACI 440.2R, таблица 9.4). Для углеволокна он одинаков — 0.85 — независимо от того, классифицируется ли воздействие как «наружное» (мосты, причалы) или «агрессивное» (химическое, сточные воды), поэтому причал в зоне заплеска в любом случае получает 0.85. Это настоящее преимущество углеволокна: для стекловолокна значение падает с 0.65 до 0.50 при том же переходе между классификациями. Florida DOT — прибрежная юрисдикция с 20+ годами опыта наружного приклеивания CFRP на повреждённых коррозией и ударами мостах — самостоятельно устанавливает обязательное CE = 0.85 для работ на мостах.

Долгосрочный сценарий укрепляет этот выбор: углеволокно сохраняет около 0.90 своей прочности при длительной нагрузке в течение 50 лет, против примерно 0.30 для стекловолокна (ACI 440.2R, разд. 4.4.1) — это решающий фактор для конструкции, рассчитанной на десятилетия службы в морской воде.

Почему CFRP не корродирует — и в чём ловушка?

Незащищённое углеволокно устойчиво как к щелочным, так и к кислым средам, и именно поэтому ACI 440.2R рекомендует углеволокно вместо стекловолокна для эксплуатации в условиях высокой щёлочности и высокой влажности — незащищённое стекловолокно деградирует в щёлочи, и его защищает только смола. Но за эту долговечность углеволокно расплачивается опасностью: оно электропроводно, поэтому прямой контакт между CFRP-обёртыванием и сталью (открытая арматура, стальные анкерные пластины, нагели) создаёт гальваническую пару, ускоряющую коррозию стали. ACI 440.2R, разд. 9.3, и Приложение JA Еврокода оба запрещают прямой контакт CFRP–сталь. Там, где стальные крепёжные элементы неизбежны, стандартной мерой является прослойка из стекловолокна, выступающая диэлектрическим барьером — стекловолокно и арамидное волокно непроводящие и не несут гальванического риска.

Можно ли вообще приклеить CFRP на влажное основание в приливной зоне?

Только в определённых пределах, и здесь всё решает выбор момента. Полная эпоксидная система требует влажности основания ниже 4% (ASTM D4263); сама по себе грунтовка может наноситься на влажную (но не мокрую) поверхность, но систему нельзя наносить на стоячую или свободную воду. Ошибка здесь приводит к тому, что водяной пар, мигрирующий из основания через неотверждённую смолу, вспучивает ламинат и разрушает адгезию — этот механизм разрушения прямо назван в ACI 440.2R-23, §6.2, а средством является проверка влажности (ACI 503.4) и влагостойкая грунтовка (§6.4.2.1). На практике это означает работу в окно отлива, чтобы поверхность в зоне заплеска успела высохнуть до порогового значения, и никогда не наносить смолу вслед за отступающим приливом. Влажные или сырые условия эксплуатации также снижают эффективную температуру стеклования эпоксидной смолы, поэтому температуру эксплуатации нужно держать существенно ниже Tg − 15°C. См. подготовка поверхности для оптимальной адгезии.

А как насчёт некорродирующей арматуры для нового морского строительства?

Есть два связанных, но различных варианта, которые не следует путать с наружным обёртыванием. Для новой или заменяемой внутренней арматуры — стенок причалов, пирсов, волноломов, плит в зоне заплеска — выбирают стеклопластиковую арматуру (GFRP) именно потому, что она невосприимчива к воздействию хлоридов, карбонизации и щёлочи; это внутренний стержень для новых заливок, а не обёртывание существующей колонны. А там, где влажное основание или пожароопасность делают условия отверждения эпоксидной смолы предельными, применяется система FRCM (на цементной матрице) — углеродная сетка в минеральном растворе — которая наносится на насыщенное водой поверхностно-сухое основание и имеет документально подтверждённую стойкость при погружении (≥85% сохранённой прочности через 1,000 h, ≥80% через 3,000 h в воде, солёной воде и щёлочи). Это другое семейство продукции, отличное от эпоксидного CFRP-обёртывания, на котором сосредоточена эта статья, но законная альтернатива в тех случаях, когда проблемой является влажность при отверждении.

Часто задаваемые вопросы

Если обернуть корродированную морскую сваю CFRP, остановит ли это коррозию?

Нет. Обжатие CFRP восстанавливает несущую способность и пластичность сечения (ACI 440.2R, гл. 12); это не метод остановки коррозии. Ничто в руководстве по проектированию не подтверждает утверждение, что обёртывание останавливает вызванную хлоридами коррозию арматуры — если беспокоит активная коррозия, требуется отдельная оценка и обработка, например катодная защита.

Какой коэффициент условий эксплуатации использовать для CFRP-обёртывания морского причала?

CE = 0.85 для углеволокна. Таблица 9.4 ACI 440.2R даёт 0.85 как для «наружного» (мосты, причалы), так и для «агрессивного» (химическое, сточные воды) воздействия, поэтому причал в зоне заплеска получает 0.85 независимо от того, к какой категории вы его отнесёте. Если бы вместо этого использовалось стекловолокно, классификация имела бы большое значение — 0.65 для наружного против 0.50 для агрессивного.

Может ли CFRP-обёртывание касаться открытой корродированной арматуры или стальной анкерной пластины?

Нет — избегайте прямого контакта. Углеволокно электропроводно, и контакт CFRP со сталью образует гальваническую пару, ускоряющую коррозию стали; ACI 440.2R, §9.3, и Приложение JA Еврокода оба это запрещают. Там, где стальные крепёжные элементы неизбежны, используйте непроводящий слой стекловолокна как диэлектрический барьер между углеволокном и сталью.

Можно ли устанавливать CFRP на влажный бетон приливной зоны или зоны заплеска?

Только в определённых пределах. Полная эпоксидная система требует влажности основания ниже 4% (ASTM D4263); сама по себе грунтовка может наноситься на влажную (но не мокрую) поверхность, но никогда на стоячую воду. Влажность на стадии отверждения вызывает вспучивание, разрушающее адгезию (ACI 440.2R-23, §6.2), поэтому работайте в окно отлива и при любых сомнениях используйте влагостойкую грунтовку.

Почему для морской конструкции стоит выбрать углеволокно, а не стекловолокно?

Из-за долговечности при длительной нагрузке и в щелочной среде. Углеволокно сохраняет около 0.90 своей прочности через 50 лет против примерно 0.30 для стекловолокна (ACI 440.2R, разд. 4.4.1), и ACI рекомендует углеволокно вместо стекловолокна для эксплуатации в условиях высокой щёлочности и высокой влажности. Компромисс заключается в электропроводности углеволокна, что требует исключения его контакта с открытой сталью.

Является ли стеклопластиковая арматура (GFRP) тем же самым, что и CFRP-обёртывание, для морского ремонта?

Нет — это разные задачи. Арматура GFRP — некорродирующая внутренняя арматура для новых или заменяемых заливок (стенки причалов, волноломы, плиты в зоне заплеска). CFRP-обёртывание — это наружное обжатие, применяемое к существующей, уже корродированной колонне или свае. Не заменяйте одно другим.

FidStrong производит углеродную ткань FSC с влагостойкими грунтовками и подобранными пропиточными эпоксидными смолами, а также системы из стекловолокна и FRCM для морской эксплуатации, в рамках систем ISO 9001, 14001 и 45001. Приведённые здесь расчётные значения соответствуют ACI 440.2R; CFRP-обёртывание восстанавливает несущую способность конструкции, а не защиту от коррозии. Проверяйте каждое значение по действующему нормативному документу и проекту квалифицированного морского инженера, а активную коррозию рассматривайте как отдельную оценку.