Mechanizmy poprawiające odporność na korozję prętów zbrojeniowych HRB400 zawierających Cr i pierwiastki ziem rzadkich w roztworze porowym betonu z chlorkami

Dlaczego zardzewiałe pręty mają znaczenie

Ukryte w większości mostów, tuneli i obiektów nadbrzeżnych znajdują się stalowe pręty, które dyskretnie przenoszą obciążenia. Gdy te pręty zaczynają rdzewieć, otaczający beton może pękać, odspajać się i w efekcie zawieść — czasem dziesięciolecia wcześniej niż przewidywano. W tym badaniu przedstawiono nowy sposób zwiększenia odporności tych prętów na korozyjne działanie soli poprzez modyfikację samej stali, zamiast jedynie stosowania lepszych powłok czy grubszego betonu.

Sól, stal i rozkruszający się beton

W środowiskach morskich oraz w konstrukcjach narażonych na sole odladzające jony chlorkowe stopniowo przenikają przez beton, aż docierają do zbrojenia. W normalnych warunkach stal chroniona jest cienką, stabilną warstwą pasywną tworzoną w silnie alkalicznym roztworze porowym betonu. Chlorki jednak podważają tę warstwę i wywołują miejscowe ataki, które zaczynają się od drobnych ubytków i mogą przekształcić się w poważne uszkodzenia korozyjne. Konwencjonalne środki zaradcze koncentrują się na betonie lub na powłokach zewnętrznych, co poprawia warunki wokół stali, ale nie zmienia sposobu, w jaki sama stal reaguje w agresywnym, zasolonym środowisku.

Projektowanie bardziej inteligentnej stali

Naukowcy zbadali trzy warianty powszechnej stali konstrukcyjnej HRB400: standardowy gatunek, wersję wzbogaconą w chrom oraz trzeci wariant zawierający zarówno chrom, jak i śladowe ilości pierwiastków ziem rzadkich (cer i lantanu). Skupili się na mikroskopijnych inkluzjach w stali — drobnych niematalicznych cząstkach pozostałych po obróbce, które często stają się punktami inicjacji korozji. W stali standardowej inkluzje są bogate w siarczek manganu i złożone tlenki, które łatwo rozpuszczają się w roztworach bogatych w chlorki, tworząc szczeliny na styku stal–inkluza i mikrośrodowiska sprzyjające szybkiemu powstawaniu i rozwojowi dołów korozyjnych.

Oswajanie słabych punktów wewnątrz stali

Dodatek chromu i pierwiastków ziem rzadkich zmienia zarówno mikrostrukturę, jak i charakter inkluzji. Chrom zmniejsza udział niektórych faz mikrostrukturalnych i pomaga w tworzeniu bardziej ochronnej warstwy powierzchniowej. Pierwiastki ziem rzadkich przekształcają inkluzje w tlenki ziem rzadkich z aluminium, często otoczone cienką otoczką z siarczku manganu, i znacznie redukują liczbę odsłoniętych cząstek siarczku manganu. Szczegółowa mikroskopia elektronowa pokazuje, że w stali modyfikowanej ziemiami rzadkimi najpierw rozpuszczają się powłoki siarczkowe, natomiast jądra z tlenków ziem rzadkich rozpuszczają się tylko powoli. Te twardsze inkluzje działają mniej jak otwarte drzwi dla ataku chlorków, a bardziej jak bariery spowalniające rozwój dołów wokół nich, nawet przy wysokim stężeniu chlorków.

Pomiary szybkości rozprzestrzeniania się uszkodzeń

Aby porównać właściwości, zespół zanurzył wszystkie trzy stale w symulowanych roztworach porowych betonu zawierających różne ilości soli i zastosował testy elektrochemiczne do śledzenia podatności na korozję. Stal z chromem i ziemiami rzadkimi konsekwentnie wykazywała największą odporność: jej film pasywny ulegał zniszczeniu przy wyższych potencjałach, prądy korozyjne były mniejsze, a wykresy impedancji tworzyły większe łuki — oznaki silniejszej bariery dla przepływu ładunków i jonów. Po kilku dniach w roztworze bogatym w chlorki, testy utraty masy i trójwymiarowe mapy powierzchni wykazały, że ta stal rozwijała najpłytsze doły i miała najmniejsze obszary uszkodzeń. W rzeczywistości po siedmiu dniach szybkość korozji stali z chromem i ziemiami rzadkimi wynosiła około jednej trzeciej w porównaniu ze standardowym HRB400, a jej doły były mniej ostre i mniej penetrujące.

Jak zachowuje się warstwa ochronna

Analiza powierzchni rdzy i warstw pasywnych potwierdziła, że chrom i pierwiastki ziem rzadkich włączają się do zewnętrznej warstwy, gdzie tworzą stabilne tlenki, zatykając defekty i utrudniając wnikanie chlorków. Pomiary elektryczne ukazały, że stal z chromem i ziemiami rzadkimi miała najniższą gęstość nośników ładunku w warstwie, co wskazuje na bardziej uporządkowaną, mniej defektową powłokę tlenkową. Nawet wraz ze wzrostem stężenia soli i rosnącą podatnością wszystkich gatunków stali, stop ten konsekwentnie utrzymywał najgrubszą, najbardziej ochronną barierę i najmniej ścieżek dla wędrówki korozyjnych jonów.

Co to oznacza dla przyszłych konstrukcji

Mówiąc prościej, badanie pokazuje, że ostrożne dopracowanie składu stali zbrojeniowej — poprzez dodanie niewielkich ilości chromu i pierwiastków ziem rzadkich — może istotnie spowolnić mechanizm niszczenia przez sól od wnętrza. Zamiast polegać wyłącznie na lepszym betonie czy powłokach, inżynierowie mogą stosować stale, których wewnętrzne słabe punkty zostały przeprojektowane tak, że doły powstają później i rosną wolniej. Dla mostów, nabrzeży i budynków nadbrzeżnych takie stale mogą oznaczać dłuższą żywotność, mniej napraw i bezpieczniejsze konstrukcje w niektórych z najbardziej wymagających środowisk, z jakimi musi się mierzyć nasza infrastruktura.

Cytowanie: Zhu, R., Chen, T., Hao, L. et al. Enhancement mechanisms of Cr and RE on the corrosion resistance of HRB400 rebar in chloride-containing concrete pore solution. npj Mater Degrad 10, 36 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00746-3

Słowa kluczowe: trwałość betonu zbrojonego, korozja prętów zbrojeniowych, ataki chlorków, stal mikrostopowa, stopowanie pierwiastkami ziem rzadkich