Порівняльні дослідження впливу електричних потенціалів на корозійні процеси в залізничних шпалах із бетону зі сталевою та композитною арматурою

Abstract

UA: Для зниження електропровідності залізничних шпал із бетону, запобігання стіканню з рейок тягових струмів і їхнього електрокорозійного впливу на конструкції запропоновано замінити в шпалах сталеву арматуру композитною. Проаналізовано шляхи протікання електричних струмів через шпали, а також традиційні методи досліджень корозії під впливом струмів витоку. За результатами цього аналізу для порівняльних досліджень електрокорозійної поведінки шпал зі сталевою та композитною арматурою розроблено комплексну методику досліджень процесів, які протікають у бетоні та арматурі в разі впливу електричних потенціалів. Методика полягає в накладанні електричних потенціалів – постійного або пульсуючого однонаправленого – на зразки-моделі шпал і дослідженні вилучених із моделей зразків комплексом методів включно з наноіндентуванням та електронною мікроскопією з елементним мікроаналізом. Наноіндентування дає змогу отримувати величини мікромеханічних властивостей цементного каменю – модуль пружності М і мікротвердість Н, які залежать від ступеня її електроміграційного вилуговування. Експериментально встановлено, що внаслідок електроміграціного вилуговування М і H знижуються, починаючи з грані зразка, на яку під час експозиції накладали негативний потенціал. Усередині моделі зберігаються максимальні величини M і Н, а їхні залежності від відстані від зазначеної грані добре апроксимовані ступеневими рівняннями та поліномами. Встановлено величини невилуженого і максимально вилуженого цементного каменю з характерним для бетону шпал В/Ц, а також залежність характеру цих залежностей та інтенсивності електрокорозійних процесів у бетоні від характеру накладеного електричного потенціалу (постійного або пульсуючого однонаправленого) і виду арматури (сталевої чи композитної).

EN: To reduce the electrical conductivity of concrete railway sleepers, minimize the leakage of traction currents from the rails, and mitigate their electrocorrosive impact on structural elements, the replacement of conventional steel reinforcement with composite reinforcement has been proposed. An analysis of current flow paths through the sleepers and a review of conventional methods for investigating corrosion caused by stray currents were performed. Based on this analysis, a comprehensive experimental methodology was developed to comparatively evaluate the electrocorrosion behavior of concrete sleepers and other reinforced elements with steel and composite reinforcement. The methodology focuses on processes occurring in concrete and reinforcement under the influence of externally applied electrical potentials. The experimental program involves applying either direct electrical potential or pulsating unidirectional electrical potential to specimens – sleeper models and subsequently examining extracted specimens using a combination of techniques, including nanoindentation and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). Nanoindentation was employed to determine micromechanical properties of the cement paste, namely the elastic modulus (M) and microhardness (H), which are sensitive to the degree of electromigration-induced leaching. Experimental results showed that M and H decrease progressively from the surface exposed to the negative potential during the test. The highest values were retained in the core of the specimen, and their dependence on the distance from the negatively polarized surface was well approximated by power-law and polynomial functions. Baseline and maximum leaching values of M and H were established for cement paste with a water-to-cement ratio of 0.35, which is typical for sleeper concrete. It was further observed that the shape of the M and H profiles, and therefore the intensity of electrocorrosion processes in concrete, depends on both the type of applied electrical potential (constant or pulsating unidirectional) and the type of reinforcement (steel or composite).