Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор работ по проблеме трещиностойкости железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений 11
1.1. Образование и классификация трещин в железобетоне 11
1.2. Анализ результатов исследований расстояния между трещинами в железобетоне I4
1.3. Влияние коррозионных повреждений на сопротивление образования продольных трещин при эксплуатации железобетонных конструкций 20
1.3.1. Коррозионные повреждения бетона 21
1.3.2. Коррозионные повреждения арматуры 27
1.4. Трещиностойкость железобетонных конструкций при коррозионных повреждениях 33
2. Расчет железобетонных конструкций по образованию и раскрытию трещин с учетом влияния коррозионных повреждений 39
2.1. Расчет поврежденных коррозией железобетонных конструкций по образованию трещин 39
2.2. Расчет поврежденных коррозией железобетонных конструкций по ширине раскрытия трещин 48
2.3. Расчет момента трещинообразования в растянутой зоне изгибаемого железобетонного элемента с учетом коррозионных повреждений 51
2.4. Параметры коррозионного повреждения бетона в растянутой зоне 56
2.5. Выводы 59
3. Анализ экспериментальных исследований 61
3.1. Анализ экспериментальных исследований продольных трещин на долговечность, деформационные свойства железобетонных конструкций 61
3.1.1. Методика проводимых исследований 64
3.1.2. Анализ исследования экспериментальных задач 65
3.1.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 68
3.1.4. Выводы по выполнению экспериментальных задач 75
3.2.1. Исследование по изучению влияния продольных трещин на деформационные и прочностные свойства железобетонных элементов 76
4. Учет коррозионных повреждений при оценке образования продольных трещин в железобетоне эксплуатируемой конструкции 83
4.1. Определение давления продуктов коррозии арматуры на защитный слой бетона 83
4.1.1 Определение числового значения коэффициента поперечных деформаций 86
4.2.Учет влияния глубины коррозионных повреждений бетона на его прочностные характеристики в эксплуатируемых железобетонных конструкциях
4.3. Определение растягивающих напряжений в защитном слое бетона при внутреннем давлении продуктов коррозии арматуры
4.4. Методика расчета, учитывающая влияние двухосного состояния растяжения и характер коррозионных повреждений бетона и арматуры на момент образования продольных трещин в элементах железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации 101
4.4.1. Исходные положения для расчетной модели 101
4.4.2. Предпосылки для математической модели 103
4.4.3. Алгоритм расчета
4.4.4. Расчет по определению расстояния между поперечными трещинами при коррозионном повреждении бетона, как фактор определения длины продольной трещины
4.4.5. Оценка влияния особенностей напряженно деформированного состояния на сопротивление бетона при растяжении с учетом влияния коррозии
4.5. Выводы
Заключение
Список библиографических источников
- Влияние коррозионных повреждений на сопротивление образования продольных трещин при эксплуатации железобетонных конструкций
- Расчет поврежденных коррозией железобетонных конструкций по ширине раскрытия трещин
- Выводы по выполнению экспериментальных задач
- Методика расчета, учитывающая влияние двухосного состояния растяжения и характер коррозионных повреждений бетона и арматуры на момент образования продольных трещин в элементах железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации
Влияние коррозионных повреждений на сопротивление образования продольных трещин при эксплуатации железобетонных конструкций
Именно появление продольных трещин в растянутой зоне железобетона является предвестником катастрофы типа «Экстремум» [ 125].
Данная классификация позволяет определить условие образования трещин, выделить участки (по длине элемента), на которых возможно возникновение любого из перечисленных выше типа трещин и вносит уточнения в постановку исследований и определяет круг решаемых задач [19].
По мнению Голышева А.Б. возникновение трещин в железобетонных конструкциях связано с условиями твердения бетона и силовыми, средовыми, деформационными воздействиями (внешней нагрузкой, осадкой опор, изменением температуры). Трещины от перечисленных факторов воздействия чаще всего появляются в растянутых частях конструкций [34].
Появление трещин в железобетонных конструкциях связано с малой растяжимостью бетона. Многолетняя эксплуатация, строительство железобетонных сооружений выявило то, что эти трещины не нарушают общей монолитности железобетона[34]. А. Б. Голышевым и В.И. Колчуновым [34, 52] опытным путем установлено более раннее появление трещин в конструкциях, нагруженных повторной нагрузкой разных знаков.
Процесс возникновения трещин делят на три стадии: возникновение трещин, когда они невидимы, появление трещин, когда они видимы невооруженным глазом (ширина 0,02-0,03 мм), и раскрытие трещин до предельно возможной величины.
Для наиболее распространенных конструкций с содержанием арматуры (до 1,5-2,0%) появление трещин совпадет с их возникновением, следовательно можно говорить о двух этапах образования трещин их появлении и раскрытии.
В силу неоднородности бетона трещины появляются не одновременно в зоне чистого изгиба. При эксплуатации на слабых участках конструкций расстояние между трещинами в два-три раза превышает среднее расстояние между трещинами. Напряжения в арматуре в сечениях с трещинами, при их появлении, увеличивается до aSjCrc=150...200 мПа.
При росте нагрузки возникают новые трещины. Расстояние между начальными трещинами при трещинообразования делится на 2-3 участка, так что расстояния между трещинами делаются примерно равными. Этот процесс трещинообразования, при увеличении нагрузки, имеет затухающий характер. В работе конструкции наступает период, (когда «новые» трещины уже не появляются), а рост нагрузки сопутствует раскрытием «старых» трещин. Стадия устойчивого силового сопротивления при трещинообразования наступает при напряжениях в арматуре в сечениях с трещинами в пределах, примерно, 250-300 МПа.
Обычно продольные трещины в растянутой зоне бетона образуются между поперечными трещинами в защитном слое бетона. Наиболее важной характеристикой продольной трещины, на основании которой можно судить о конструктивной безопасности железобетонной конструкции является ее длина. Длина продольной трещины чаще всего зависит от расстояния между поперечными трещинами. Целесообразным является рассмотрение вопроса по исследованию расстояния между поперечными трещинами в железобетоне. Из - за отсутствия публикаций и экспериментальный данных по данному вопросу проведем анализ исследований расстояния между нормальными трещинами в защитном слое бетона без учета влияния коррозионной среды, в работе будет рассмотрен вопрос определения расстояния между трещин в условиях влияния коррозионной среды, а также будет дана зависимость длины продольной трещины от расстояния между поперечными трещинами.
Важной задачей при установлении расстояния между трещинами является определение взаимосвязи изменения напряжений в арматуре на отрезке перераспределения усилий с арматуры на бетон между трещинами [19]. Большое количество исследований посвящено исследованию трещинообразования в элементах железобетонных конструкций. Известные предложения по определению расстояний между трещинами разделены на группы в зависимости от подхода к выводу основных зависимостей [19].
К первой группе относятся зависимости, согласно О.Я. Берга, А.С.Залесова, Е.А. Городецкого, В.А. Клевцова, Г.А. Молодченко, Л.A. Мукминева, В.И. Мурашева, Л.A. Мурашко, ЯМ. Немировского, В.А. Никитина, М.М. Холмянского [14, 15, 29, 44, 47, 83, 84, 88, 89, 90, 92, 94, 140], основанные на предпосылках теории В.И. Мурашова и вариации этих предложений.
Ко второй группе относятся работы [29, 156, 157 и др.], в которых предлагаются эмпирические, полученные на базе обширных экспериментальных исследований и учитывающие влияние различных факторов на процесс трещинообразования[20].
К третьей группе относятся методы, которые основываются на «зоне взаимодействия» арматуры и бетона, т.е. методы О.Я. Берга и СН 365-67.
К четвертой группе относятся исследования А.А. Бабаяна, А.Н. Кузнецова, А.А. Оатула, Ш.А. Хакимова [6, 55, 102, 140], в них учитывается накопление относительных взаимных смещений арматуры и бетона по оси арматуры на участке между трещинами - ejz). Хотелось бы отметить, что в предложении А.А. Веселова [10], и А.П. Школьного, который на основе энергетических посылок П.А. Школьного и В.М. Бондаренко было впервые учтено влияние режима нагружения на сцепление арматуры и бетона [19].
Согласно теории трещинообразования разработанной В.И. Мурашовым, расстояние между трещинами 1СГС определяется из условия, согласно с которыми разность усилий в арматуре в сечении с трещиной при напряжениях aSjCIC и в сечении между трещинами при напряжениях 2asRbt уравновешивается на длине 1СГС силами сцепления т между арматурой и бетоном [19]:
Расчет поврежденных коррозией железобетонных конструкций по ширине раскрытия трещин
Рассматривая коррозионную стойкость железобетонных конструкций, целесообразно раздельно изучать повреждаемость бетона и арматурной стали. Агрессивные среды можно разделить на следующие группы: жидкие среды, газообразные среды, твердо-сыпучей среды, а также органо-грибковые среды. В.М. Бондаренко [20] доказано, что по кинетическому признаку продвижения фронта коррозионных повреждений возможны три типа их кинетического развития во времени: - постепенного торможения продвижения и затухание повреждений - данный вариант является основным для эксплуатируемых железобетонных конструкций и сооружений; - фильтрационный, при котором жидкая агрессивная среда проходит сквозь бетонное тело и выносит продукты коррозии; - лавинного продвижения, сопряженными с полным разрушением бетона.
Следовательно, необходимо учитывать в исследовании проблемы продольного трещинообразования только первый тип - тип постепенного затухания и обнуления агрессивных воздействий в пределах сечения конструкции.
В приведенной расчетной модели независимо от вида агрессивной среды повреждения в теле бетона железобетонного элемента распределяются следующим образом: наибольшие разрушения наблюдаются на поверхности контакта агрессивной среды с бетоном, по мере продвижения фронта коррозии повреждения уменьшаются и на некоторой глубине тормозятся (при этом возможно полное разрушение внешних сжатых фибр бетона и перемещения поверхности контакта со средой в глубь бетонного тела).
Таким образом, по сечению железобетонного элемента, в его сжатой части выделяется три зоны: зона полного разрушения, переходная зона постепенного уменьшения повреждений (до нулевого значения) и неповрежденная зона согласно рисунку
Схема накопления коррозионных повреждений А - зона полного коррозионного разрушения бетона z ; Б - зона частичного коррозионного повреждения бетона S; В - зона неповрежденного материала р
Данная схема относится ко всем разновидностям агрессивной среды перечисленным ранее. Разница между ними заключается в различной глубине проникновения повреждений и различных скоростях движения фронта коррозии.
Соответствующие характеристики определяются для каждого конкретного случая эмпирически с учетом влияния вида бетона, наименования агрессора и как показано В.И. Селяевым [124] и В.М. Бондаренко [20] от уровня напряженного состояния.
От уровня воздействующих напряжений продвижение коррозионных повреждений в бетонное тело могут иметь затухающий характер, стремящихся к некоторой определенной глубине. Фильтрационный характер, при котором глубина повреждений не ограничена, в свою очередь скорость движения фронта повреждений стремится к некоторой величине и при напряжениях, близких к пределу длительной прочности бетона могут иметь лавинный, разрушительный характер. Другими словами, каждому уровню нагружения соответствуют свои параметры силового сопротивления и противокоррозионного сопротивления. Этим принципиально отличается применяемая модель от известных моделей.
В работе [20] рассматривается повреждения бетонного элемента, ранее нагруженного и имеющего не нулевое напряженное состояние при одностороннем по внешней фибре контакте с агрессивной средой. Исходные уравнения записываются с обобщением за счет введения изменчивости параметров кинетики повреждений, зависящих от уровня действующих напряжений: lASit)]" где Л ).М ") где, A5(t,t0)-текущая глубина повреждения, S fo)- критическое значение б, определяющее предельную глубину повреждений 5„, при кольматационном типе процесса или начало лавинного разрушения бетона в случае экстремальных физиковолновых воздействий на материал, Д5(t) - текущий относительный дефицит повреждений между предельными состояниями, t, 0 — время начала наблюдения и время текущего наблюдения1, аит- эмпирические параметры кинетики развития повреждений, зависящие от уровня действующих нагрузок они должны быть получены из специальных экспериментов для каждого возможного варианта бетона и агрессора.
Численные значения 5(оо, t0), а и m определяются по данным эксперимента или с помощью литературной информации, но ни в одной из существующих зависимостей не отмечается прямой взаимосвязи между уровнем напряжения и возникновением коррозии В.М. Бондаренко построил функцию изменения ш от уровня действующего напряжения согласно рисунку 1.5 [20]. Разделив переменные, запишем:
Выводы по выполнению экспериментальных задач
Коррозия арматурной стали была предметом изучения большого числа исследователей, в частности Г.В. Акимова, С.Н. Алексеева, Э.М. Гутмана, Г.В. Карпенко [2, 3].
Коррозионные повреждения арматуры и ее свойств, происходят как электрохимическая реакция, возможная при присутствии электрических полей, а наличие факторов переменной влажности, насыщенности кислородом и температурной среда и на поверхности контакта агрессора. Коррозия арматуры начинается после исчезновения защитного слоя пассивирующих пленок на поверхности стали, когда зона карбонизации цементного камня доходит до арматуры, а у хлориды возникнет сопряжение с металлом [23].
Продукты коррозии, скапливаясь на поверхности арматуры, образуют слой ржавчины. Объем коррозии, как правило, в 2-3 раза превышает объем замещенного металла [23]. До момента возникновения в бетоне зон трещинообразования данный процесс благоприятен для увеличения обжатия арматуры, как следствие, лучшему сцеплению ее с бетоном, а после возникновения трещинообразования продукты коррозии металла увеличиваются ухудшают сцепление арматуры с бетоном. Под влиянием давления слоя ржавчины в защитном слое бетоне могут появляются трещины согласно таблице 1.3. [106]:
Толщина раскрытиятрещин в бетоне вмм Толщинакоррозионного слояржавчины в мм Толщина раскрытиятрещин в бетоне вммрассматривается не нагруженный силовыми нагрузками железобетонный элемент - диапазон ширины трещин определяется толщиной защитного слоя бетона и диаметром арматуры определяется с учетом продолжительности влияния агрессивной среды
По характеру разрушения поверхности металла коррозию классифицируют по следующим группам [23]:
Различные виды коррозионных повреждений арматурной стали совместно появляются в одних и тех же железобетонных элементах; наконец, по причине изменений во времени комбинаций коррозионных факторов один вид коррозии может преобразовываться в другой вид. Причем, если очаговая коррозия приводит к трудно контролируемому местному уменьшению поперечного сечения арматуры и, как следствие, к увеличению в ней растягивающих напряжений вплоть до разрыва стержней, то межкристаллитная коррозия, не приводя формально к уменьшению поперечных сечений, резко снижает пределы прочности арматурной стали.
В частности, силовое растрескивание под нагрузкой стимулируется как следующими отдельными факторами, так и совокупным их воздействием: наличием значительных растягивающих напряжений, малой деформативностью высокопрочной арматуры, концентрацией напряжений в сечениях с очаговыми повреждениями, повышенной электрохимической активностью металла, испытывающего силовые напряжения [23].
В целом, на сопротивление стальной арматуры коррозионным повреждениям влияет химсостав и микроструктура стали, условия и технология применения арматуры, геометрические характеристики стержней; величины, знак и режим усилий; запас трещиностойкости или наличие трещин в конструкциях; вид, концентрация и режим воздействия агрессора; защитные качества окружающего бетона; температурно-влажностный режим эксплуатации зданий [23]. В частности, значительно интенсифицирует процесс коррозии наличие в бетоне хлоридов, которые могут поступать как при затворении бетонной смеси для ускорения твердения, так и из окружающей среды (вследствие химагрессора присутствующего в производственном технологическом процессе). Общая модель коррозионного поведения арматуры может быть представлена на рисунке 1.6.
Методика расчета, учитывающая влияние двухосного состояния растяжения и характер коррозионных повреждений бетона и арматуры на момент образования продольных трещин в элементах железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации
Оценка степени агрессивности различных сред даёт основание для разработки соответствующих мер защиты от коррозии железобетонных элементов. Технико-экономический анализ сравнительной эффективности видов первичной и вторичной защиты показывает, что вторичная защита с помощью поверхностной изоляции конструкций от агрессивной среды значительно дороже и сложнее, чем использование средств первичной защиты.
Нормативную долговечность железобетонных конструкций из тяжёлого бетона капитальных зданий и сооружений, эксплуатирующихся в агрессивных средах, определяет СНиП 2.03.11-85 [131]. Технической платформой для него явились ранее действующие нормативные и научные методические источники [64, 130, 132].
В СНиП 2.03.11-85 приняты три степени агрессивности среды: слабая, средняя и сильная. Наибольшую опасность для бетона и железобетона представляют жидкие среды, так как большинство коррозионных процессов протекают в виде химических реакций в жидкой среде. Они разделены на три основных вида. Такая классификация позволяет сгруппировать требования к бетону по показателям агрессивности среды на основании представлений о механизме коррозионных процессов.
Подход к оценке степени агрессивности твёрдых сред основан на тех же принципах, что и для жидких сред. Степень разрушения железобетона газовыми средами определяется видом и концентрацией кислоты, которая конденсируется на поверхности бетона. Особенно опасна хлористоводородная (соляная) кислота. Хлориды, мигрируя в порах цементного камня к поверхности арматуры, вызывают её коррозию и снижают несущую способность конструкции [64].
В СНиП 2.03.11-85 содержатся дополнительные требования к первичной защите железобетонных конструкций. К ним относятся распространяемая область применения арматуры из сталей разных марок, нормирование ширины раскрытия трещин и толщины защитного слоя бетона. В то же время в СНиП 2.03.11-85 при оценке степени агрессивности среды не регламентирована её продолжительность и возникающие при этом характеристики повреждений, не учитывается напряжённое состояние бетона и арматуры. Минимальная нормативная долговечность несущих железобетонных конструкций из тяжёлого бетона капитальных зданий составляет 50 лет. Фактическая долговечность железобетонных конструкций, рассчитываемых по 3-й категории трещиностойкости, в агрессивных условиях определяется коррозионным поражением арматуры в поперечных трещинах бетона и, во многих случаях, составляет в несколько раз меньше нормативной [2, 60, 126]. Одной из причин снижения их долговечности является отсутствие для железобетонных конструкций с расчётными поперечными трещинами чёткой нормативной зависимости степени агрессивности жидкой среды, содержащей хлорид-ионы, от концентрации хлорид-ионов [124]. В СНиП 2.03.11-85 также отсутствуют зависимости степени агрессивности среды от вида и диаметра арматуры.
Величина раскрытия трещин в бетоне асГС влияет на возможность и интенсивность развития коррозии арматуры. Значения асГС принимаются соответствующими нормативными документами на поверхности железобетонного элемента на уровне оси арматуры в 25 мм от её поверхности [65, 66, 127, 128].
Однако ширина раскрытия поперечных трещин на поверхности защитного слоя бетона не однозначно определяет их проницаемость. Вследствие сцепления арматуры с бетоном ширина раскрытия трещин уменьшается по направлению от поверхности конструкции к арматуре. Причиной является арматура, которая выравнивает деформации растяжения бетона вдоль стержня, равномерно их распределяет и не допускает локализации напряжения в одном сечении. В более отдалённых слоях влияние арматуры на деформацию бетона ослабевает. Поэтому стенки трещины изменяют своё направление, т. е. депланируют [60, 131]. Допустимое коррозионное поражение арматуры в СНиП 2.03.11- обеспечивается соответствующей степенью ограничения ширины раскрытия поперечных трещин а в различных агрессивных средах.
Однако это ограничение не учитывает вероятность появления продольных трещин в защитном слое бетона в результате действия на конструкции жидких агрессивных сред, содержащих хлорид-ионы. По имеющимся научным данным именно продольные трещины, во многих случаях, приводят обычные железобетонные конструкции в предаварийное состояние [65, 126, 131].
В первой стадии эксперимента можно сравнить между собой величины коррозионного поражения арматуры классов А-I и A-Ш в поперечных трещинах бетона с равными значениями асГС результате экспериментальных исследований на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементов. Обоснованием поставленной научной задачи является совместное расположение этих классов арматуры в первой группе по условию нормирования а [126].
Во второй стадии эксперимента выявляется наличие математической зависимости деформационных и прочностных свойств центрально нагружаемых кратковременной сжимающей нагрузкой прямых моделей железобетонных конструкций от геометрических характеристик продольных трещин в защитном слое бетона.
