Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности работы железобетонных элементов транспортных сооружений с учётом влияния внешних агрессивных сред 19
1.1. Дефекты, повреждения или аварии конструкций транспортных сооружений, вызванные совместным влиянием коррозии и нагрузки 19
1.1.1. Методы и средства диагностики элементов железобетонных мостов при проведении обследования 19
/. 1.1.1. Определение величины защитного слоя 20
1.1.1.2. Определение ширины раскрытия и глубины трещин 20
/. /. 1.3. Определение прочностных характеристик бетона 21
/. /. 1.4. Определение глубины карбонизации бетона 23
1.1.1.5. Определение содержания хлоридов в бетоне 24
L1.2. Примеры дефектов и повреждений железобетонных мостовых конструкций 26
1.2. Эксплуатационные факторы деградации железобетонных элементов конструкций транспортных сооружений 35
1.3. Требования нормативных документов по обеспечению долговечности и коррозионной стойкости железобетонных конструкций транспортных сооружений 41
1.3.1. Учет долговечности в нормативных документах 41
1.3.2. Классификация агрессивных воздействий на бетон и железобетон в нормативных документах и требования к защитным свойствам материалов 52
1.4.Существующие методы прогнозирования долговечности же лезобетонных конструкций транспортных сооружений 63
1.4.1. Классификация методов прогнозирования 65
1.4.2. Методы прогнозирования сроков службы мостов 66
1.4.2.1. Методы прогнозирования, основанные на теории надежности 66
1.4.2.2. Метод прогнозирования, основанный на показателях износа конструкций 71
1.4.2.3. Прогноз сроков службы для железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах 75
1.4.2.4. Экономические методы прогнозирования срока службы железобетонных мостов 77
1.4.2.5. Комбинированные методы прогнозирования срока службы железобетонных мостов 78
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 96
2. Моделирование влияния карбонизации на железобетонные элементы транспортных сооружений 97
2.1.Факторы, влияющие на карбонизацию 98
2.1.1. Влияние характеристик бетона на скорость карбониза
ции 98
2.1.1.1. Влияние водоцементного отношения на карбонизацию 99
2.1.1.2. Влияние вида и состава цемента на карбонизацию 103
2.1.1.3. Влияние трещин в бетоне на карбонизацию 107
2.1.2. Влияние внешней среды на скорость карбонизации 108
2.1.2.1. Влияние влажности на карбонизацию бетона 108
2.1.2.2. Влияние температуры, ветра и места расположения конструкции на карбонизацию бетона ПО
2.2.Влияние карбонизации на характеристики бетона 112
2.3. Физико-химический процесс карбонизации 122
2.4.Модели проникания фронта карбонизации 126
2.5. Построение математической модели процесса карбонизации. 131
2.6. Построение модели деформирования бетона, подверженного карбонизации 136
2.6.1. Нелинейнаяразномодульная модель деформирования бетона без учета воздействия карбонизации 136
2.6.2. Учет влияния карбонизации при построении модели деформирования бетона 139
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 155
3. Моделирование совместного влияния хлорид-ной коррозии и карбонизации на железобетонные элементы транспортных сооружений 157
ЗЛ.Кинетика проникания хлоридсодержащей среды в железобе тонные конструкции 157
3.1.1. Экспериментальные данные по кинетике проникания хлоридсодержащей среды в железобетонные конструктивные элементы 157
3.1.2. Моделирование кинетики проникания хлоридсодержащей среды в железобетонные конструктивные элементы 159
3.2.Влияние хлоридсодержащей среды на механические характе ристики бетона 161
З.З.Влияние хлоридсодержащеи среды на механические характе ристики стальной арматуры 174
3.4.Деформирование бетона в условиях воздействия хлоридсо держащеи среды 178
3.4.1. Модель деградации механических свойств бетона, вызванной воздействием хлоридсодержащеи среды 179
3.4.2. Идентификация модели деформирования бетона по экспериментальным данным 181
3.5.Деформирование стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащеи среды 184
3.5.1. Модель деформирования стальной арматуры в железобетонной конструкции, подверженной воздействию хлоридной коррозии 184
3.5.2. Характеристики коррозионного поражения стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащеи среды 187
3.5.3. Модели коррозионного износа материала конструкции 190
3.5.4. Модель коррозионной поврежденности стальной арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащеи среды 195
3.5.5. Влияние коррозионного поражения на работу армирующего элемента 200
3.6. Совместное воздействие карбонизации и хлоридной коррозии на железобетонные элементы транспортных сооружений 204
3.6.1. Обзор работ, посвященных совместному влиянию карбонизации и хлоридной коррозии на железобетонный конструктивные элементы 204
3.6.2. Построение модели деформирование железобетона в условиях совместного воздействия хлоридсодержащеи среды и карбонизации 214
3.6.2.1. Модель деформирования бетона в условиях совместного воздействия хлоридсодержащей среды и карбонизации 214
3.6.2.2. Модель деформирования арматуры в условиях совместного воздействия хлоридсодержащей среды и карбонизации 215
3.6.2.3. Модель коррозионной поврежденности стальной арматуры в условиях совместного воздействия хлоридсодержащих сред и карбонизации 215
3.6.2.4. Случаи воздействия агрессивной среды (на примере хлоридов и углекислого газа) на железобетонный конструктивный элемент транспортного сооружения 216
Выводы по главе 3 238
4. Расчет напряженно-деформированного состояния железобетонных конструктивных элементов транспортных сооружений, подвергающихся воздействию карбонизации и хлоридной коррозии 240
4.1. Характерные типы железобетонных элементов конструкций транспортных сооружений и варианты воздействия на них карбонизации и хлоридной коррозии 240
4.2. Особенности работы балок, подверженных воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды 241
4.3. Модель деформирования сжимаемого железобетонного конструктивного элемента транспортного сооружения, подвергающегося воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации 242
4.3.1. Вывод уравнений деформирования железобетонной стойки опоры, подвергающейся воздействию нагрузки, агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации 243
4.3.2. Методология и результаты расчета железобетонной стойки опоры при действии нагрузки, хлоридной коррозии и карбонизации 247
4.3.2.1. Результаты расчета железобетонной стойки опоры при действии нагрузки, хлоридной коррозии и карбонизации 249
4.3.2.2. Верификация построенной модели сжимаемой железобетонной стойки опоры 250
4.4. Модель деформирования изгибаемого железобетонного элемента транспортного сооружения, подвергающегося воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации 250
4.4.1. Вывод уравнений деформирования железобетонной балки, подвергающейся воздействию нагрузки, агрессивной хлорид содержащей среды и карбонизации 252
4.4.1.1. Вывод уравнений деформирования железобетонной балки, подвергающейся воздействию нагрузки, хлоридсодержащей среды и карбонизации для случая, когда агрессивная среда проникает с боковых поверхностей балки 252
4.4.1.2. Вывод уравнений деформирования железобетонной балки, подвергающейся воздействию нагрузки, хлоридсодержащей среды и карбонизации для случая, когда хлориды и углекислый газ проникают с верху и с низу сечения 256
4.4.1.3. Вывод уравнений деформирования железобетонной балки, подвергающейся всестороннему воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды, карбонизации и нагрузки 258
4.4.2. Методология и результаты расчета железобетонной балки при действии нагрузки, хлоридной коррозии и карбониза ции 262
4.4.2.1. Результаты расчета железобетонной балки при действии нагрузки, хлоридной коррозии и карбонизации 264
4.4.2.2. Верификация построенной модели изгибаемого железобетонного конструктивного элемента 266
4.5. Уравнение деформирования изгибаемой железобетонной плиты проезжей части, подвергающейся воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации 266
Выводы по главе 4 292
Основные результаты и выводы по диссертации... 293
Литература
- Методы и средства диагностики элементов железобетонных мостов при проведении обследования
- Влияние водоцементного отношения на карбонизацию
- Моделирование кинетики проникания хлоридсодержащей среды в железобетонные конструктивные элементы
- Вывод уравнений деформирования железобетонной стойки опоры, подвергающейся воздействию нагрузки, агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации
Введение к работе
Актуальность темы.
В процессе эксплуатации железобетонные транспортные сооружения подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок, но также и агрессивных сред При проникании в бетон пролетных строений и других элементов мостовых конструкций и взаимодействии с ним агрессивная среда вызывает изменение механических свойств, коррозионный износ арматуры и т д В результате происходит значительное снижение несущей способности и долговечности железобетонных конструкций мостов, что может вызвать необходимость их преждевременного ремонта или замены Моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонных мостовых пролетных строений с учетом коррозионных эффектов позволит прогнозировать наступление неблагоприятных ситуаций и тем самым избежать возможного наступления аварийного состояния и организовать проведение ремонта в наиболее оптимальное время
Коррозионное разрушение железобетонных конструкций, особенно мостовых сооружений, в основном, происходит из-за таких факторов, как карбонизация и хлоридная коррозия, причем часто эти факторы действуют совместно Карбонизация происходит в результате диффузии углекислого газа, который в необходимом количестве содержится в воздухе Хлориды попадают в бетон в результате использования солей-антиобледенителей, эксплуатации конструкции в приморской атмосфере
К сожалению, до настоящего времени, хотя в процессе обследования сооружений эти факторы диагностируются, но оценка их влияния на несущую способность и тем более долговечность конструкций носит скорее качественный, чем количественный характер
Вопросами прогнозирования и обеспечения долговечности железобетонных конструкций занимались И Ю Белуцкий, В М Бондаренко, А И Васильев, Л И Иосилевский, В М Круглое, В О Осипов, А М Подвальный, А А Потапкин, И Д Сахарова, А Р Соловьянчик, А П Сычев, А А Цернант, В П Чирков, В И Шестериков, С Bob, A Paeglitis и другие ученые Проблема прогнозирования долговечности транспортных сооружений с учетом воз-
действия эксплуатационных агрессивных сред рассматривалась в работах И Г Овчинникова и В В Петрова с учениками и сотрудниками
Проведенный анализ публикаций показывает, что в научных центрах России и за рубежом ведется определенная работа по разработке методов прогнозирования состояния железобетонных конструкций пролетных строений и других элементов мостов с учетом вчияния агрессивных сред, но публикаций, посвященных учету совместного влияния и карбонизации и хлоридной коррозии на напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов конструкций мало, хотя такое сочетание агрессивных сред весьма широко распространено
Эти обстоятельства и определяют актуальность диссертационной работы
Цель и задачи диссертационной работы:
Целью работы является разработка моделей и методик расчета нагруженных железобетонных пролетных строений и других элементов мостов с учетом совместного действия карбонизации и хлоридной коррозии
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи
анализ изменений, вызываемых воздействием карбонизации и хлоридсо-держащих сред на железобетонные пролетные строения мостов,
разработка моделей деформирования и разрушения поврежденных железобетонных элементов мостовых конструкций, с учетом совместного влияния карбонизации и хлоридной коррозии при одновременном действии нагрузки,
разработка методик идентификации построенных моделей деформирования и разрушения железобетонных мостовых пролетных строений при работе их в агрессивных средах по экспериментальным данным,
разработка методик расчета железобетонных стержневых, балочных, пластинчатых элементов мостовых конструкций с учетом совместного воздействия карбонизации и хлоридной коррозии, проведение численных экспериментов и исследование влияния совместного воздействия карбонизации и хлоридсодержащих сред на изменение напряженно-
деформированного состояния и долговечности указанных элементов
конструкций
Научная новизна работы заключается в следующем:
проведен выборочный анализ мостового парка РФ с точки зрения коррозионных повреждений, вызванных влиянием хлоридной коррозии и карбонизации,
приведен анализ экспериментальных данных по хлоридной коррозии и карбонизации, полученных на реально действующих мостах и в лабораторных условиях, которые позволили отметить степень и интенсивность коррозионного поражения железобетонных конструкций,
на основании анализа экспериментальных данных по кинетике этих процессов предложена модель, учитывающая одновременное влияние и хлоридной коррозии и карбонизации на напряженно-деформированное состояние несущих мостовых конструкций в процессе эксплуатации и основанная на использовании деформационного подхода к моделированию поведения железобетонных конструкций,
- получены уравнения, описывающие поведение железобетонных мосто
вых конструкций при совместном влиянии на них карбонизации и хло
ридной коррозии, разработана методика расчета этих конструкций и
проведено численное исследование и сопоставление с экспериментом,
подтвердившее возможность использования построенных моделей для
прогнозирования поведения железобетонных пролетных строений мос
товых сооружений в агрессивных условиях эксплуатации
Практическая значимость работы заключается в том, что разработан
ные модели и методики расчета могут быть применены при диагностике для
прогнозирования напряженно-деформированного состояния нагруженных
мостовых и строительных конструкций, работающих в условиях совместного
воздействия карбонизации и хлоридной коррозии
Реализация работы.
Результаты работы приняты к использованию ФГУП «Росдорнии», ОАО «Мостострой-11» для диагностики, прогнозировании поведения, оценки остаточного ресурса железобетонных мостовых конструкций и своевременного планирования мероприятий по обследованию и ремонту В Саратовском го-
сударственном техническом университете (СГТУ), Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете (ВолгГАСУ) результаты работы используются при проведении занятий со студентами специальностей «Мосты и транспортные тоннели» и «Автомобильные дороги и аэродромы»
Достоверность результатов работы обеспечивается, сопоставлением результатов численного моделирования с имеющимися экспериментальными данными, а также с некоторыми результатами численного моделирования, произведенного другими авторами, и решением ряда тестовых задач
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на студенческой научно-практической конференции «Молодые специалисты железнодорожному транспорту» (г Саратов, 2002 г), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы строительного материаловедения» (г Саранск, 2002 г), на ряде Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства» (г Саранск, 2002, 2003, 2005 гг), на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (г Волгоград, 2003 г ), на I и III Всероссийских научно-технических конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (г Самара, 2004, 2006 гг), на Международном научно-методическом межвузовском семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г Могилев, 2005 г), на II Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (г Воронеж, 2005 г), на IV Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 2006 г ), на II Международной научно-технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве» (г Саранск, 2006 г), на Ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (г Волгоград, 2006 г), на VII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г Тула, 2006 г), на I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (г Омск, 2006) Работа докладывалась на заседании кафедры «Мосты
и транспортные сооружения» СГТУ в январе 2007 г , а также на расширенном заседании кафедры «Мосты и сооружения на дорогах» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ) в марте 2007 г
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 публикациях, в том числе в двух учебных пособиях и методических указаниях Одна статья опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ
Объем работы.
Диссертация объемом 196 страниц машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 191 наименования, 6 приложений и включает 118 рисунков и 70 таблиц
На защиту выносятся:
результаты выборочного анализа состояния мостового парка РФ с учетом повреждений, вызванных хлоридной коррозией и карбонизацией,
результаты анализа экспериментальных данных по хлоридной коррозии и карбонизации на реально действующих мостах и в лабораторных условиях, которые позволили отметить степень и интенсивность коррозионного поражения железобетонных пролетных строений,
расчетная модель железобетонных элементов мостовых конструкций, учитывающая одновременное влияние и хлоридной коррозии и карбонизации на напряженно-деформированное состояние конструкций в процессе эксплуатации и основанная на использовании деформационного подхода к моделированию поведения железобетонных конструкций,
уравнения, описывающие поведение железобетонных мостовых конструкций при совместном влиянии на них карбонизации и хлоридной коррозии, методика расчета этих конструкций и результаты численного прогнозирования поведения железобетонных конструкций с учетом воздействия карбонизации и хлоридной коррозии, подтвердившие возможность использования построенных моделей для моделирования и прогнозирования поведения элементов железобетонных мостовых пролетных строений в агрессивных условиях эксплуатации
Автор приносит свого глубокую благодарность д.т.н., проф. Овчинникову И.Г. за постоянное внимание и неоценимую помощь в работе над диссертацией, к.т.н. Раткину В.В. за консультации и ценные советы, данные в ходе выполнения работы. Также автор благодарит НТЦ Госстроя России ООО «Институт Проектиосторекопструкцня» (г. Саратов) за предоставленную возможность ознакомиться с результатами обследований ряда железобетонных мостов.
Методы и средства диагностики элементов железобетонных мостов при проведении обследования
Величина защитного слоя является одним из параметров, влияющих на прочность и долговечность конструкции - при недостаточной толщине защитного слоя возможно проникновение атмосферных факторов внутрь бетона и возникновение процессов коррозии арматуры.
Толщину защитного слоя можно определить визуально путем его вскрытия, но существуют и неразрушающие способы его определения: на основе экспериментально установленной зависимости между показаниями прибора и указанными контролируемыми параметрами конструкции ГОСТ 22904-93 [26]. Этот метод также позволяет приблизительно оценить диаметр арматуры, расположение её верхнего ряда и закладных деталей в конструкции.
Для определения толщины защитного слоя бетона и расположения стальной арматуры в железобетонной конструкции применяют магнитные, электромагнитные или вихревые приборы.
Самыми распространенными приборами для определения толщины защитного слоя магнитным методом в нашей стране являются приборы Поиск 2.3/2.4/2.5, ИПА-МГ4, ИЗС-10Н и другие [35, 87]. Суть метода приведена в приложении П. 1.1.
К недостаткам этого метода относится невозможность проведения контроля через арматурную сетку, имеющую небольшой шаг, а также влияние на показания прибора сильного электромагнитного поля, которое могут создавать силовые трансформаторы, антенны и другие устройства, расположенные вблизи участка проведения работ.
Трещины - это один из основных дефектов, влияющих на долговечность, надежность сооружения.
При диагностике трещин следует определить положение, форму, направление, распространение по длине, ширину раскрытия, глубину, а также установить, продолжается или прекратилось их развитие. Ширину раскрытия трещин обычно определяют с помощью микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,02 мм, пределом измерения 6,5 мм и микроскопа МИР-2 [87] с пределами измерений от 0,015 до 0,6 мм, а также лупы с масштабным делением (лупы Бринеля) или других приборов и инструментов, обеспечивающих точность измерений не ниже 0,1 мм.
Глубину трещин устанавливают, применяя иглы и проволочные щупы, а также при помощи ультразвуковых приборов типа УКБ-1М, бетон-ЗМ, УК-ЮПидр. [87].
Прочностные свойства бетона при обследовании также определяют с помощью неразрушающих методов - механических и ультразвуковых. Они основаны на едином принципе: сначала измеряют какую-либо физико-механическую характеристику, а затем переходят к определению прочности бетона на сжатие на основании соответствующей зависимости между этой характеристикой и прочностью бетона на сжатие.
Механические методы неразрушающего контроля базируются на ГОСТ 18105-86 [24] и ГОСТ 22690-88 [25].
В зависимости от применяемого метода и измерительных приборов косвенными характеристиками прочности являются: - значение отскока бойка от поверхности бетона (или прижатого к ней ударника); - параметр ударного импульса (энергия удара); - размеры отпечатка на бетоне (диаметр, глубина) или соотношение диаметров отпечатков на бетоне и стандартном образце при ударе индентора или вдавливании индентора в поверхность бетона; - значение напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве приклеенного к нему металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска; - значение усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции; - значение усилия местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.
Основной принцип испытания бетона в сооружении импульсным ультразвуковым методом заключается в том, что бетон как упругий материал проводит продольные и поперечные волны. Скорость распространения этих волн в бетоне зависит от его плотности, которая, в свою очередь, может быть соотнесена с прочностью бетона.
При использовании данного метода необходимо обращать внимание на ряд факторов, существенно влияющих на скорость прохождения звуковых импульсов через бетон. По данным Томсетта [81, 184, 185, 186], к ним относятся тип заполнителя и его гранулометрический состав, вид и расход цемента, водоцементное отношение, степень уплотнения бетона, температура выдерживания. Арматура также оказывает влияние на скорость распространения импульсов, поэтому целесообразно, насколько это возможно, обеспечивать передачу импульсов в бетоне вне мест расположения арматурных стержней.
Влияние водоцементного отношения на карбонизацию
Для оценки влияния водоцементного отношения и расхода цемента на скорость карбонизации авторами работы [4] проводились испытания бетонных образцов размерами 7x7x7 и 10x10x10 см, которые изготавливались на портландцементе марки 600 Ново-Здолбуновского завода (составы бетона приведены в табл. 2.2. Подготовленные образцы карбонизировали ускоренно в камере с относительной влажностью 75 % и концентрацией углекислого газа 10 % по объему. где х - глубина карбонизации бетона (в мм) в возрасте т = 50 лет; Х\ - глубина карбонизации бетона (в мм) за время испытаний в течение Ті лет; с - концентрация углекислого газа в воздухе в условиях эксплуатации в относительных величинах (в обычной атмосфере с = 3-Ю"4 %); с\ - концентрация углекислого газа в воздухе во время испытаний.
По [60] глубина карбонизации в естественных условиях пропорциональна водоцементному отношению при постоянном составе раствора (рис. 2.2, а) и близка к линейной зависимости при переменном составе и постоянной пластичности (рис. 2.2, б).
В книге С.Н. Алексеева и др. [2] также сделан вывод, что глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного отношения. На рис.2.3 показаны данные для образцов из бетона в возрасте 8 лет, хранившихся при температуре 20 С и относительной влажности 65 %. Эта зависимость объясняется тем, что вместе с увеличением водоцементного отношения растет капиллярная пористость, т.е. доля наиболее крупных пор в бетоне, которые образуются потому, что в бетонную смесь вводят, как правило, и больше воды, чем требуется для реакции с цементом. С увеличением пористости возрастает также коэффициент диффузии кислорода.
В работе [147] проводился анализ ускоренных испытаний бетонных образцов. Концентрация С02 составляла 1 % и 10 %, температура окружающей среды 20 С, относительная влажность 55 %. Образцы имели водоцементное соотношение 50 %, 60 % и 70 %. Результаты показаны на рисунке 2.4.
Японскими учеными [149] было проведено сравнение результатов ускоренных испытаний бетона на карбонизацию и реальных условий. Ранее предполагалось, что процесс карбонизации будет аналогичен реальным условиям среды. Чтобы исследовать подобия или различия в глубине карбонизации при высоких и низких концентрациях СОг, используется модель (2.4). Уа=ае-Гі (2.4) где, yd - глубина карбонизации, мм, и / - время экспозиции, годы.
На рисунке 2.5 показаны процессы карбонизации бетона, при концентрации СОг 10 % (рис. 2.5, а) и 0,07 % (рис. 2.5, б) при постоянной температуре и относительной влажности (20 С, относительная влажность 55 %). Анализировались три различных водоцементных отношения, В/Ц = 40 %, 60 %, и 80 %. В качестве связующего компонента использовался только обыкновенный портландцемент. Независимо от окружающих концентраций, показано, что глубина карбонизации увеличивается при более высоком водоцементным отношением. Для прямого количественного сравнения между двумя случаями, были получены коэффициенты скорости карбонизации ас (рис. 2.5 и табл. 2.4).
В табл. 2.4 приведены коэффициенты скорости карбонизации, а} для С02 - Ю%, ас для С02 = 0,07 %, и отношение ас к ас, которое позволяет преобразовать масштаб времени для ускоренных испытаний в масштаб времени для обычного состояния. Как показано в таблице, отношения асх I ас2 имеют почти одни и те же значения, приблизительно 7-8. Но необходимо отметить, что отношение асх I ас2 немного увеличивается в случае более низкого водоцементного отношения и означает, что ускоренные испытания недооценивают устойчивость к карбонизации бетона с более низким В/Ц.
Приведённый в [149] анализ показывает, что к использованию ускоренных методов испытаний следует относиться весьма осторожно и учитывать корректно ли отражает выбираемая модель реальные условия эксплуатации.
В итоге можно сделать вывод о влиянии водоцементного отношения на карбонизацию, который совпадает с [120]. Глубина карбонизации линейно зависит от водоцементного отношения. С увеличением В/Ц глубина карбонизации увеличивается. При жестких бетонах (В/Ц 0,3) карбонизация практически может быть исключена. Вид и содержание цемента в бетоне влияют как на способность связывать, так и на диффузионное сопротивление углекислого газа. Глубина карбонизации обратно пропорционально расходу цемента.
Моделирование кинетики проникания хлоридсодержащей среды в железобетонные конструктивные элементы
Достаточно подробно экспериментальные данные по кинетике проникания хлоридсодержащих сред (как газообразных, так и жидких) в железобетонные конструктивные элементы приведены в монографиях [68, 74], Поэтому в данном разделе рассмотрим лишь некоторые из них, характерные для конструктивных элементов инженерных транспортных сооружений.
В работе [172] представлены графики зависимости концентрации хлоридов от глубины их проникания в бетон на портландцементе с добавкой золы-уноса после 2 и 3 лет экспозиции (рис. 3,1).
В работе [125] приводятся экспериментальные данные по кинетике проникания хлоридов из морской воды (концентрация хлор-ионов 17,8 кг/м ) в железобетонные сваи (В/Ц = 0,40) квадратного поперечного сечения размером 356x356 мм при температурах 12 и 21 С после 75 лет эксплуатации. На рис. 3.2 представлены кривые распределения хлоридов вдоль диагонального сечения сваи для разных температур и указанного срока службы.
В этой же работе авторы приводят подобного вида кривую для причальной стенки из железобетона (В/Ц= 0,35) после 50 лет эксплуатации в зоне брызг морской воды (концентрация хлор-ионов 17,8 кг/м3) при температуре 18 С (рис. 3.3).
В работе [177] приводятся экспериментальные данные по содержанию хлористых солей в сечениях квадратных свай 406x406 мм опор моста San-Mateo Howard Bridge, находившихся в морской воде в течение 40 лет (рис. 3.4). Количество хлоридов в бетоне свай определялось посредством химического анализа отобранных с помощью алмазной дисковой пилы образцов. При этом исследовались сечения свай, непосредственно контактирующие с морской водой, а также сечения свай, которые находились в илистом грунте дна пролива. Нетрудно заметить, что во втором случае количество хлоридов, проникших в бетон, значительно меньше, чем в первом.
В работе [125] приводятся экспериментальные данные по проницаемости хлоридов в материале конструкций плиты проезжей части моста и покрытия автомобильного паркинга. Плита проезжей части моста эксплуатировалась при среднегодовой температуре 10 С и умеренном количестве приме-няемых солей-антиобледенителей (0,7ч-14,8 кг/м ). Конструкции покрытия паркинга, находящиеся в суровом климате (среднегодовая температура ниже 10 С), подвергались постоянному воздействию значительного количества солей-антиобледенителей (17,8 кг/м3). На рис. 3.5 (а, б) приведены результаты исследования содержания хлоридов в материале указанных конструкций после различных сроков эксплуатации.
В работе [177] исследовалось содержание хлоридов в плитах проезжей части железобетонных мостов различной конструкции, эксплуатируемых в США. В результате исследований выяснилось, что минимальная толщина защитного слоя бетона в плитах проезжей части мостов составляла 3,18-3,25 см. Плиты проезжей части мостов были изготовлены из бетона с расходом цемента 335-390 кг/м3 и водоцементным отношением 0,534. Из плит проезжей части 16 мостов вырезались цилиндрические образцы диаметром 10 см, при этом число образцов для каждого моста составляло от 6 до 22. Авторы отмечают, что определение количества солей, которое расходовалось для борьбы с наледями в каждом конкретном случае, было затруднительным. Однако, для ряда мостов, с 1 по 9 и с 12 по 14, было установлено, что средний расход соли для них составлял 50 т/год, т.е. около 0,976 кг/м2. На мостах 15 и 16 было израсходовано в среднем 1000 т/год или 4,88 кг/м2. Средняя величина содержания хлористых солей в единице объема бетона приведена на рис. 3.6.
Вопросы моделирования кинетики проникания хлоридсодержащей среды в композитные конструктивные элементы достаточно подробно рассматривались в работах [68, 74]. В этих работах сделан вывод, что при одномерном процессе диффузии распределение концентрации агрессивной среды по сечению конструктивного элемента по форме близко к треугольному (за исключением хвостовой части), то изменяющееся во времени концентрационное поле можно аппроксимировать функцией вида (так называемым размытым фронтом, рис. 3.7): х а 1± (3.1) C(x,t) = Сс ДО 2Д0_ в которой: Л; - координата рассматриваемой точки; t - время; Со - концентрация агрессивной среды на поверхности конструктивного элемента; а - размер элемента вдоль оси х; L(t) - закон продвижения границы размытого фронта вглубь конструктивного элемента (глубина проникания агрессивной среды): L{t) = at\ (3.2) где а, п - коэффициенты, определяемые из экспериментов.
Вывод уравнений деформирования железобетонной стойки опоры, подвергающейся воздействию нагрузки, агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации
При сроке службы конструкций, равном или большем моменту времени образования коррозионных трещин в защитном слое, глубина разрушения бетона монолитных конструкций аналитически описывается зависимостью: Ар = (ab+d)aix - ть)0 7-Ь-еф-хЪ), (3.33) где аь - толщина защитного слоя, мм; d - диаметр рабочей арматуры, мм; ть -момент времени образования коррозионных трещин, годы.
Экспериментально установлено, что момент времени образования коррозионных трещин в защитном слое бетона, возникающих под действием продуктов коррозии арматуры может быть определен из эмпирических выражений: - для монолитных конструкций ть= 0,055а 1 7, (3.34) - для сборных конструкций Tb=0,W 7, (3.35) где 0,055; 0,1 и 1,7 - эмпирические коэффициенты.
При достижении фронтом опасных для арматуры концентраций хлоридов (0,3 % и более массы цемента) последняя начинает корродировать. На основе статистического анализа многомерных данных установлена зависимость: где 8 - глубина коррозии арматуры, мм; А - множитель, зависящий от параметров газовоздушной среды и свойств арматурной стали (для сильноагрессивной среды - 0,25); т0 - время отработки защитного слоя бетона опасными для арматуры концентрациями хлоридов. Время т0 находится из выражений: - для монолитных конструкций
Согласно [96], долговечность изделий, эксплуатирующихся в условиях совместного действия хлора и углекислого газа, по фактору пассивирующего действия защитного слоя бетона при решении вопросов ремонтов и технической эксплуатации может быть определена по формулам (3.37) и (3.38).
По фактору совместности работы бетона и арматуры срок службы изделий не должен превышать времени ть появления трещин в защитном слое бетона вдоль арматуры (3.34), (3.35). Время эксплуатации т5 по фактору коррозии арматуры определяется из выражения: , =- + т -(т -т0)ехр (3.39) где А - скорость коррозии, мм/год; 8 - допустимое коррозионное уменьшение диаметра рабочей арматуры.
В статье [19] описано совместное влияние карбонизации и хлоридной агрессии на эксплуатируемую железобетонную мостовую конструкцию. Поскольку в основе обоих процессов лежит диффузионных механизм проникновения коррозионных агентов через защитный слой бетона к арматуре, функ ции, описывающие оба процесса, имеют подобные по характеру графики, но карбонизация начинается с момента строительства (условно - ввода в эксплуатацию) моста, а достаточно высокий хлоридный потенциал, приводящий к проникновению хлоридов в бетон в опасной концентрации, создается через несколько лет с момента начала эксплуатации в результате накопления в поверхностном слое концентрации хлорид-иона СГ порядка 0,6-0,8 % от массы цемента. На скорость обоих процессов влияет большое число различных факторов и, следовательно, может реализоваться большое число частных случаев; один из них представлен на рис.3.32.
В конструкции происходит постепенное накопление хлоридов в приар-матурном слое, но коррозия арматуры начинается, когда содержание СГ достигает критического значения, например 0,4 %. Но если в результате продвижения фронта карбонизации приарматурный слой бетона оказывается про-карбонизированным, критическая концентрация СГ меняется скачком и оказывается равной 0,2 %. В реакцию сразу вступают, включаются в работу те хлориды, которые содержались в бетоне, но вследствие высокой щелочности жидкой фазы бетона находились в неактивном состоянии (рис. 3.32). Коррозия стали резко интенсифицируется, она происходит на достаточно протяженных участках арматуры. Быстрое, следующее за этим, отслоение защитного слоя в течении 1-2 лет, наблюдаемое между двумя обследованиями, действительно отмечается на эксплуатируемых мостах.
Анализ показывает, что скачкообразному изменению критической концентрации СГ способствует относительно малая толщина защитного слоя {amin 1,5-2,0 см), сравнительно высокий коэффициент диффузии СГ (D 1,0 см /год) (т.е. параметры конструкции невысокого качества) и относительно низкая концентрация С0 ( 0,5 %).
