Влияние карбонизации CO2 на свойства пассивирующей пленки арматуры в цементных матрицах

Почему важна экологичная защита бетона

Современные города опираются на железобетон, где скрытая внутри арматура воспринимает значительную часть нагрузок. Со временем эти стержни могут ржаветь, что представляет угрозу для мостов, зданий и морских ограждений. В то же время цементная промышленность является крупным источником диоксида углерода (CO2). В этом исследовании рассматривается технология карбонизации CO2, которая могла бы решить обе проблемы одновременно: она «запирает» CO2 в свежем бетоне и, как показывает работа, может дополнительно улучшать защиту находящейся внутри стали от коррозии.

Насыщение CO2 для более прочного бетона

Вместо того чтобы давать новому бетону твердать лишь во влажном воздухе или паре, карбонизация CO2 подвергает его воздействию высокой концентрации диоксида углерода на ранней стадии. Газ реагирует с цементным раствором, образуя твердые карбонатные минералы, которые заполняют поры у поверхности. Эта реакция не только закрепляет CO2 в материале, но и формирует более плотную внешнюю оболочку. Поскольку большинство бетонных конструкций армированы стержнями, авторы сосредоточились на том, как изменённая среда влияет на тонкий защитный слой — так называемую пассивирующую пленку — которая естественным образом формируется на стали в щелочной среде бетона и предотвращает её ржавление.

Наблюдая образование и потерю пассивности стали

Команда отливала небольшие цилиндры раствора с арматурой и выдерживала половину из них с CO2, а половину — в стандартных влажных условиях. Затем они отслеживали переход стали из активного, незащищённого состояния в пассивное с помощью нескольких электрохимических методов, фиксирующих микротоки на поверхности стали. Эти измерения показали, что в обычном растворе сталь достигала стабильного пассивного состояния примерно за три недели, тогда как в образцах, выдержанных при CO2, это происходило примерно вдвое быстрее. Авторы связывают такое ускорение с временно повышенной концентрацией кислорода вокруг стали, вызванной реакцией CO2 и уплотнением внешнего слоя раствора, что вытесняет растворённый кислород внутрь и стимулирует более быстрое формирование защитной пленки.

Тонкая, но более прочная защитная пленка

На первый взгляд пассивирующая плёнка в образцах, обработанных CO2, может показаться хуже: она немного тоньше — около 4,06 нанометра против 4,73 нанометра при стандартной выдержке. Но те же тесты показали, что она сильнее сопротивляется переносу заряда, то есть коррозионным реакциям труднее протекать. Микроскопия поверхности стали объяснила это: в карбонизированном растворе пленка более однородна и тонко упорядочена, образуя непрерывную вертикальную зернистую структуру, блокирующую пути для ионов хлора и кислорода. Химический анализ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии дополнительно показал, что пленка содержит большую долю железа в более низком состоянии окисления (Fe2+) по сравнению с Fe3+. Такое соотношение, по-видимому, плотнее упаковывает пленку и обеспечивает ей большую способность к самозаживлению мелких дефектов, что объясняет неожиданное сочетание меньшей толщины и лучшей защиты.

Длительная отсрочка повреждений от солей

Реальные конструкции часто подвергаются воздействию солей из морской воды или противообледенительных реагентов, которые со временем разрушают пассивирующую пленку. Чтобы смоделировать это, исследователи подвергали образцы циклам повторного замачивания в солевом растворе и высушивания. В стали в растворе со стандартной выдержкой защитное состояние исчезло после 18 таких циклов, что сопровождалось резким ростом коррозионных токов. Напротив, сталь в образцах, карбонизированных CO2, оставалась пассивной до примерно 30 циклов, то есть начало серьёзной коррозии было отложено примерно на две трети больше циклов. Это улучшение обусловлено двойной выгодой: карбонизированный внешний слой раствора замедляет доступ ионов хлора, а усовершенствованная пассивирующая пленка сама по себе более устойчива и менее склонна к образованию дефектов при атаке.

Что это значит для будущих конструкций

В совокупности результаты указывают, что карбонизация CO2 делает не только вклад в улавливание парникового газа в бетоне, но и изменяет микроскопический щит, защищающий сталь внутри. Ускоряя формирование более плотной, химически устойчивой пассивирующей пленки и сочетая это с более плотной структурой пор на поверхности, карбонизированный CO2 бетон лучше противостоит коррозии, вызванной солями, с течением времени. Для инженеров это означает, что замена традиционной паровой выдержки для сборных элементов на карбонизацию CO2 может продлить срок службы мостов, морских сооружений и другой значимой инфраструктуры, одновременно способствуя использованию CO2 — редкое выигрышное сочетание долговечности и климатической выгоды.

Цитирование: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

Ключевые слова: карбонизация CO2, железобетон, коррозия стали, пассивирующая пленка, воздействие хлоридов