Механизмы улучшения стойкости к коррозии HRB400 арматуры в содержащем хлорид растворе пор бетона за счет Cr и редкоземельных элементов

Почему ржавая арматура имеет значение

Внутри большинства мостов, туннелей и прибрежных зданий скрыты стальные стержни, которые незаметно несут нагрузку. Когда эти стержни начинают ржаветь, окружающий бетон может трескаться, крошиться и в конечном счете потерпеть отказ — иногда на десятилетия раньше запланированного срока. В этом исследовании рассматривается новый подход к повышению стойкости стержней к солевой коррозии путем изменения состава самой стали, а не только применения более эффективных покрытий или увеличения толщины бетона вокруг неё.

Соль, сталь и разрушающийся бетон

В морских условиях и в сооружениях, подвергающихся воздействию антиобледенительных солей, ионы хлорида постепенно проникают через бетон, пока не достигнут арматуры. В нормальных условиях сталь защищена тонкой, стабильной пленкой, образующейся в сильнощелочном растворе пор бетона. Хлорид, однако, подрывает эту пленку и запускает локальную атаку, которая начинается с крошечных ямок и может перерасти в серьёзное ржавление. Традиционные меры борьбы направлены на улучшение свойств бетона или внешних покрытий, что улучшает условия вокруг стали, но не меняет её ответ на агрессивную солёную среду.

Проектирование более умной стали

Исследователи изучили три варианта распространённой конструкционной стали HRB400: стандартную марку, обогащённую хромом версию и третий вариант, содержащий и хром, и следы редкоземельных элементов (церий и лантан). Они сосредоточились на микроскопических включениях в стали — крошечных неметаллических частицах, образующихся при обработке, которые часто становятся начальной точкой коррозии. В стандартной стали эти включения богаты сульфидом марганца и сложными оксидами, которые легко растворяются в растворах, насыщенных хлоридами, образуя щели на границе сталь–включение и создавая микроокружения, где ямки могут быстро образовываться и расти.

Укрощение слабых мест внутри стали

Добавление хрома и редкоземельных элементов преобразует как микроструктуру, так и сами включения. Хром снижает долю некоторых микроструктурных фаз и способствует формированию более защитной поверхностной плёнки. Редкоземельные элементы реорганизуют включения в редкоземельно-алюминиевые оксиды, часто окружённые тонкой оболочкой из сульфида марганца, и существенно уменьшают число голых частиц сульфида марганца. Детальная электронная микроскопия показывает, что в модифицированной редкоземельными элементами стали сульфидные оболочки растворяются первыми, тогда как ядра из редкоземельных оксидов растворяются значительно медленнее. Эти более прочные включения ведут себя скорее как барьеры, замедляющие рост ямок вокруг них, а не как открытые двери для хлоридной атаки, даже при высоких уровнях хлоридов.

Измерение скорости распространения повреждений

Для сравнения эффективности команда погружала три стали в имитированные растворы пор бетона с различным содержанием соли и использовала электрохимические испытания, чтобы отслеживать склонность к коррозии. Сталь с хромом и редкоземельными элементами последовательно показывала наивысшую стойкость: её пассивная плёнка разрушалась при более высоких потенциалах, через неё протекали меньшие коррозионные токи, и она имела большие импедансные дуги — признаки более сильного барьера для переноса заряда и ионов. После нескольких дней в растворе, богатом хлоридами, испытания на потерю массы и 3D‑карты поверхности показали, что эта сталь развивала самые мелкие ямки и наименьшие повреждённые площади. Фактически, через семь дней скорость коррозии хром-редкоземельной стали была примерно в три раза ниже, чем у обычной HRB400, а её ямки были менее острыми и менее проникающими.

Как ведёт себя защитная плёнка

Анализ поверхности ржавчины и пассивных слоёв подтвердил, что хром и редкоземельные элементы включаются в наружную плёнку, где они образуют стабильные оксиды, закрывающие дефекты и затрудняющие проникновение хлорида. Электрические измерения полупроводниковых свойств плёнки показали, что хром-редкоземельная сталь имела наименьшую плотность носителей заряда, что указывает на более упорядоченный, менее дефектный оксидный слой. Даже при росте концентрации соли и повышении уязвимости всех сталей этот модифицированный сплав последовательно сохранял самый толстый, наиболее защитный барьер и наименьшее число путей для движения коррозионных ионов.

Что это означает для будущих сооружений

Проще говоря, исследование показывает, что аккуратная корректировка состава арматурной стали — добавлением небольших количеств хрома и редкоземельных элементов — может значительно замедлить внутреннюю солевую атаку. Вместо того чтобы полагаться исключительно на улучшенный бетон или покрытия, инженеры могут применять стали, в которых внутренние слабые места переработаны так, что появление ямок отодвигается, а их рост замедляется. Для мостов, причалов и прибрежных зданий такие стали могут означать более долгий срок службы, меньше ремонтов и более безопасные сооружения в одних из самых суровых условий, с которыми сталкивается наша инфраструктура.

Цитирование: 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

Ключевые слова: долговечность железобетона, коррозия арматуры, хлоридная агрессия, микролегированная сталь, легирование редкоземельными элементами