Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние агрессивных сред на железобетонные конструкции и способы учета этого влияния при расчете конструкций 13
1.1. Влияние различных агрессивных сред на деформирование и разрушение железобетонных конструкции 13
1.1 Л. Влияние хлоридов 13
1.1.2. Влияние сульфатов 16
1.2. Влияние агрессивных сред на механические свойства бетона и арматуры 19
1.2.1. Случай хлоридсодержащих сред 19
1.2.1.1. Проникание хлоридсодержащей среды в железобетонные конструктивные элементы 19
1.2.1.2. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики бетона 23
1.2.1.3. Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики стальной арматуры 34
1.2.2. Случай сульфатсодержащих сред 40
1.2.2.1. Проникание сульфатсодержащих сред в
железобетонные конструктивные элементы 40
1.2.2.2. Влияние сульфатсодержащей среды на механические характеристики бетона 44
1.2.2.3. Влияние сульфатсодержащей среды на механические характеристики стальной арматуры 54
1.2.3. Учет влияния длительных процессов 58
1.3. Способы учета влияния агрессивных сред на иоведение железобетонных конструкций 66
Выводы по 1 главе 95
2. Построение моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных сред 97
2Л. Феноменологический подход к моделированию поведения железобетонных элементов конструкций в агрессивных средах 97
2.2. Модель сопротивления железобетонного конструктивного элемента воздействию хлоридсодержащей среды и ее идентификация 112
2.2.1. Моделирование кинетики проникания хлоридсодержащей среды в конструктивные элементы 112
2.2.2. Модель сопротивления бетона деформированию в условиях воздействия хлоридсодержащей среды 114
2.2.3. Модель деформирования и разрушения арматуры в условиях воздействия хлоридсодержащей среды 120
2.3. Модель сопротивления конструктивного железобетонного элемента воздействию сульфатсодержащей среды и ее
2.3.1. Моделирование кинетики проникания сульфатсодержащей среды в железобетон и химического взаимодействия ее с бетоном 135
2.3.2. Модель сопротивления бетона деформированию в условиях воздействия сульфатсодержащей среды 140
2.3.3. Модель деформирования и коррозионного разрушения арматуры в условиях воздействия сульфатсодержащей среды.. 148
2.4. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в агрессивной среде с учетом ползучести и накопления повреждений 153
Выводы по 2 главе 160
3. Сопротивление железобетонных элементов конструкций воздействию различных эксплуатационных сред 162
3.1. Исследование влияния хлоридсодержащей среды на поведение железобетонных элементов конструкции 162
3.1.1. Модель деформирования изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного поперечного сечения 162
3.1.1.1. Вывод уравнений деформирования балки для первого случая 163
3.1.1.2. Вывод уравнений деформирования балки для второгослучая 173
3.1.2. Методология и результаты расчета балки при совместном действии нагрузки и хлоридсодержащей среды 189
3.1.3. Модель деформирования материала пластинки, находящейся в плоском напряженном состоянии 198
3.1.4. Уравнения деформирования железобетонной пластины с учетом влияния хлоридсодержащей среды 202
3.1.5. Методология и программа расчета пластины при совместном действии нагрузки и хлоридсодержащей среды... 211
3.1.6. Исследование напряженно-деформированного состояния прямоугольной пластины при воздействии хлоридсодержащей среды 215
3.2. Исследование влияния сульфатсодержащей среды на поведение железобетонных элементов конструкций 227
3.2.1. Модель деформирования железобетонного конструктивного элемента, подвергающегося воздействию сульфатсодержащей среды 227
3.2.2. Методика расчета нагруженного железобетонного конструктивного элемента с учетом воздействия агрессивной сульфатсодержащей среды 231
3.2.3. Моделирование деформирования сжато-изогнутого железобетонного конструктивного элемента, подвергающегося воздействию сульфатсодержащей среды 233
3.3. Влияние эффектов ползучести на деформирование и разрушение железобетонных элементов конструкций в агрессивных средах 243
3.3.1. Модель, описывающая поведение изгибаемого железобетонного армированного элемента при ползучести и воздействии агрессивной среды 243
3.3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонного конструктивного элемента 248
Выводы по 3 главе 255
Основные результаты и выводы по диссертации 257
Список литературы
- Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики стальной арматуры
- Модель сопротивления железобетонного конструктивного элемента воздействию хлоридсодержащей среды и ее идентификация
- Модель деформирования изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного поперечного сечения
- Исследование влияния сульфатсодержащей среды на поведение железобетонных элементов конструкций
Влияние хлоридсодержащей среды на механические характеристики стальной арматуры
Широко распространенными средами, с которыми контактируют элементы железобетонных конструкций в процессе эксплуатации и которые агрессивны по отношению к бетону и железобетону, являются среды, содержащие сульфаты. На практике встречаются сульфатсодержащие среды как природного, так и техногенного происхождения.
В работе [89] приводится систематизированный обзор публикаций, содержащих данные обследований и натурных наблюдений, позволивших установить основные разрушающие коррозионные воздействия, наиболее часто встречающиеся в практике эксплуатации зданий и сооружений в сульфатсодержащих природных и промышленных средах.
В работе [126] приводятся данные о быстром разрушение устоев моста при периодическом увлажнении бетона водами, содержавшими 1,8-2,3 г/л сульфат-иона и 0,3 - 0,5 г/л иона магния. Случаи быстрого разрушения сооружений при фильтрации вод, содержащих сульфаты описываются в работе [154]. Например, в туннеле Корбо (Бельгия) в результате фильтрации воды, содержавшей 23,3 г/л сульфат-иона, быстро разрушилась тоннельная обделка. Причиной разрушения, кроме действия агрессивной воды, был также неудовлетворительный состав цемента бетона тоннельной обделки.
Как отмечается в работе [4], различная степень повреждения железобетонных конструкций сернистым газом наблюдалась при обследовании главного корпуса крахмального завода спустя 46 лет после постройки (1912 г.). Сильно поврежденным оказалось ребристое монолитное перекрытие над первым этажом, причем наибольшее разрушение наблюдалось над емкостями отделения замочки зерна горячим раствором сернистой кислоты. Бетон балок был сплошь разъеден на глубину, превышающую толщину защитного слоя, обнажен крупный заполнитель и арматура, которая на большом протяжении покрыта слоем рыхлой ржавчины толщиной 2-4 мм. По мере удаления от емкостей степень разрушения конструкции перекрытия уменьшалась. В коррозирующем бетоне балок наблюдались протяженные трещины вдоль стержней рабочей арматуры. Коррозия бетона происходила лишь в зоне значительной концентрации сернистого газа и при высокой влажности воздуха. Коррозия арматуры в этих условиях являлась вторичным процессом. При малых концентрациях SO2 и невысокой влажности шла нейтрализация бетона без явного разрушения и потери прочности. В работе [77] приводится случай, когда в 120-метровой трубе магниевого завода при вполне удовлетворительной прочности и плотности бетона (водопоглощение за 7 суток было около 5%) арматура почти повсеместно корродировала что привело к отслаиванию и обрушению крупных участков защитного слоя бетона толщиной 8-12 см. Выбрасываемые газы через неплотности футеровки и из окружающей атмосферы проникают в бетон. При температуре 30-50С газы содержат 0,017% S02 и 1,54% НС1. Содержание хлористого кальция в бетоне составляло от 0,56 до 1,84%, рН водной вытяжки - от 10,8 до 9,7.
В статье [141] приводят результаты обследования железобетонных конструкций производственного корпуса стекольного завода постройки 1942-1947 гг. Наличие на поверхностях конструкций осевших компонентов стекольной шихты слоем до 1,5 см, а именно соды и сульфата натрия предопределило коррозию бетона III вида. На состояние обследованных конструкций значительное влияние оказало наличие в окружающей среде сернистого ангидрида SO2 и углекислого газа С02 концентрацией 46 мг/м3 и 56 мг/м соответственно. Дефекты значительно снизили долговечность железобетонных конструкций и после 25 лет эксплуатации эти конструкции находились в аварийном состоянии.
В работе [69] приводятся результаты натурных обследований 30 предприятий углеобогащения, которые показали, что жидкие технологические среды содержат повышенное количество сульфатов и являются средне- и еильноагрессивными по отношению к бетону на обычных цементах. Скорость коррозии арматуры в несущих конструкциях в помещениях с повышенной влажностью и агрессивными выделениями достигала 0,25 мм/г. В работе [120] описаны данные обследований строительных конструкций зданий и сооружений промышленных предприятий Хабаровского края и отмечается, что наибольшее число аварийных и сильно разрушенных конструкций было выявлено на объектах химических производств, особенно на Амурском целлюлозно-картонном комбинате (ЦКК). По данным лаборатории комбината, в атмосфере кислотного цеха преобладающим химическим реагентом является сернистый ангидрид содержание которого находится в пределах 1 3...332 мг/м при норме мг/м .
Модель сопротивления железобетонного конструктивного элемента воздействию хлоридсодержащей среды и ее идентификация
Видно, что воздействие растворов NaгS04 приводит к увеличению деформации ползучести с ростом уровня нагружения г\.
В [134] исследовался щелочесиликатный бетон (ЩСБ) с прочностью на сжатие до 110 МПа, на растяжение до 12 МПа, высоким химическим сопротивлением воздействию растворов кислот (до 97%), минеральных масел. Авторами работы были проведены исследования прочностных и деформативных свойств ЩСБ при совместном воздействии: воды и растворов солей различных концентраций. Изучение прочностных и деформативных свойств ЩСБ при длительно действующей нагрузке и коррозионных процессах в структуре бетона, происходящих вследствие действия жидких агрессивных сред, производилось на образцах, представляющих, собой полые цилиндры. В качестве агрессивных сред были приняты 10- и 25%-ные растворы хлористого калия. В качестве эталонной среды была принята вода и состояние естественной влажности (ср = 75-80%) бетона. В исследованиях деформации ползучести были приняты 3 уровня напряжения в бетоне от длительно действующей нагрузки: 0,3RJ; 0,5Ri; 0,7Rj. Образцы, предназначенные для исследования на совместное воздействие жидкой среды и сжимающей нагрузки, предварительно перед загружением насыщались при полном погружении в соответствующую агрессивную среду и выдерживались в течение 1 мес. После загружения во внутреннюю часть полых цилиндрических образцов подавался раствор соли или вода. Результаты исследований ползучести бетона, характеризуемой полными деформациями ползучести и мерой ползучести, являющейся деформацией ползучести при действии постоянного единичного напряжения, приведены на рис. 1.28. Из рисунка видно, что совместное воздействие жидкой агрессивной среды и сжимающей нагрузки приводит к увеличению деформаций ползучести по сравнению с воздушно-сухим бетоном, но характер деформирования во времени одинаков для всех видов воздействия среды. Деформации ползучести бетона, насыщенного водой, увеличились на 5 - 8% по сравнению с бетоном воздушно-сухого состояния в пределах принятых уровней напряжения. Деформации ползучести ЩСБ насыщенного 10- и 25%-ными растворами КС1 на 10-20 % больше по сравнению с воздушно-сухим и на 5-12 % больше по сравнению с водонасыщенным бетоном. Из опытов можно сделать вывод о том, что изученные агрессивные среды и режимы их воздействия вызывают некоторое увеличение деформаций ползучести ЩСБ, однако процесс носит затухающий во времени характер даже при относительно высоком уровне нагружения 0 7R;.
В работе [63] приводятся данные о деформациях ползучести растянутого полимербетона ФАМ. Исследования производились при напряжениях 11 и 16,5 кгс/см2 и относительной влажности 20, 60 и 90% (рис. 1.33). В первые два дня после приложения постоянной нагрузки развитие деформаций на всех установках происходило одинаково, но после прохождения двух дней стало заметно влияние относительной влажности окружающей среды. Образцы, выдерживающиеся при относительной влажности 97% набухали. Полученные данные указывают на то, что влажность окружающего воздуха существенно влияет на деформативность полимербетона.
Ползучесть нагруженных полимербетонов в жидких агрессивных средах исследуется в работах [137, 138, 139, 140]. Одной из наиболее распространенных жидких агрессивных сред, оказывающих влияние на полимербетонные материалы, является вода. Как показывают экспериментальные данные [11], ее воздействие может значительным образом влиять на поведение полимербетона. На рис. 1.29 [11] приводятся кривые ползучести фуранового полимербетона для случаев сухого и водонасыщенного состояния при различных напряжениях. Из этих данных следует, что воздействие среды привело к 4-х кратному увеличению деформативности с одновременным снижением длительной прочности.
В работе [127] приводятся данные об исследованиях ползучести и релаксации эпоксидных и полиэфирных композиций, применяемых в качестве связующих для полимербетонов. Характерные кривые ползучести полиэфирных полимербетонов в воде и водном растворе едкого натра показаны на рис. 1.30. Кривые ползучести нолимербетонных образцов в агрессивных средах качественно ничем не отличаются от кривых ползучести в нормальных условиях, а количественное отличие состоит в том, что условное затухание процесса ползучести происходит при более низких уровнях действующей нагрузки. На рис. 1.31 приведена схема нагружения и данные релаксационных испытаний образцов в виде разрезанных колец из эпоксидных и полиэфирных полимербетонов. Образцы выдерживались в различных средах: кислоте щелочи воде и на воздухе Для каждой комбинации материала и среды было изготовлено 12 колец из них 3 испытывались в среде без напряжения а остальные при различных уровнях начального напряжения (фиксировалось перемещение торцов кольца). Долговременные испытания образцов на воздухе стабилизации оказался одинаков для начальных усилий, составляющих 30, 60 и 90% от разрушающего. При действии воды и едкого натра усилие R(0) релаксировало до нуля. В агрессивных средах стабилизация усилия на уровне R О возможна, если реакционно способные компоненты полимербетона не взаимодействуют с данной агрессивной средой. Из графиков на рис 1.32 видно, что при выдерживании полимербетонных колец под напряжением на воздухе их жесткость почти не меняется. При совместном действии напряжений и агрессивных сред характер изменения жесткости поперечных сечений колец такой же, как и у релаксирующей силы.
Модель деформирования изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного поперечного сечения
Анализ экспериментальных данных, приведенных в предыдущей главе, позволяет считать, что для рассмотренных случаев воздействия агрессивных сред (хлоридсодержащей и сульфатсодержащей) процесс взаимодействия нагруженного железобетонного элемента конструкции с агрессивной средой сводится к следующей схеме.
В составляющих материалах конструктивного железобетонного элемента под действием нагрузки протекают два взаимосвязанных взаимовлияющих процесса - деформирование и разрушение. Причем деформирование может происходить как за счет ползучести материалов, так и за счет роста микродефектов, микротрещин и других повреждений, которые оказывают влияние на механические характеристики материалов и приводят к развитию деформаций. Агрессивная среда, проникая в объем конструктивного элемента, оказывает физическое влияние на материал (или вступает в химические реакции с составляющими компонентами), приводя к изменению механических свойств и влияя тем самым на процессы деформирования и разрушения. В свою очередь, развитие процессов деформирования и разрушения оказывает влияние на кинетику проникания агрессивной среды в конструктивный элемент и скорость ее взаимодействия с составляющими материалами.
Такая расчетная физическая модель явлений, происходящих в элементе конструкции, позволяет использовать для построения моделей сопротивления железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных сред методы механики сплошной среды и, в частности, метод, основанный на использовании теории структурных параметров. Анализ работ, посвященных вопросам расчета элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных эксплуатационных сред, выполненный в предыдущей главе, также показывает [89, 100], что наиболее перспективным с точки зрения моделирования является подход, основанный на использовании теории структурных параметров.
Согласно теории структурных параметров для любого процесса, происходящего в сплошной среде, может быть построено некоторое уравнение состояния, из которого характеристики процесса определяются как функции параметров внешнего воздействия и структурных параметров. Для структурных параметров составляются кинетические уравнения, по которым их можно определить в зависимости от истории нагружения, температуры и других внешних воздействий. При построении таких уравнений обычно полагается что структурные параметры макроскопические и их можно вводить формально но при необходимости им можно придать некоторый физический смысл. Используя эти уравнения и исключая внутренние параметры можно определить характеристики процессов деформирования и разрушения не исследуя при этом миКПоСТПУКТУПУ В обтттем случае СТРУКТУПНЬТЄ пяпаметры вводятся для
Для описания процесса деформирования широко используется система параметров, включающая напряжение т, деформацию б, температуру Г, поврежденность П и время t [108]. Для того, чтобы описать процесс деформирования и разрушения конструктивного элемента в агрессивной среде, в систему определяющих параметров следует добавить дополнительные параметры qt (I = 1,...п), учитывающие характерные особенности воздействия агрессивной среды. Тогда реологическое уравнение состояния, связывающее все параметры, в общем виде может быть записано:
Для того, чтобы построить кинетические уравнения, описывающие изменение параметров qi,...qn, нужно идентифицировать эти параметры. Рассмотренная выше расчетная физическая модель явлений, происходящих в железобетонном элементе конструкции, позволяет следующим образом идентифицировать эти параметры: 7/ = С - параметр, характеризующий распределение влияния агрессивной среды по объему конструктивного элемента; q2 = ju - параметр химического взаимодействия, характеризующий уровень химических превращений при взаимодействии материалов конструкции с агрессивной средой; q$ = ц/ - параметр сплошности, характеризующий уровень коррозионного поражения армирующего компонента в железобетонном конструктивном элементе.
Так как концентрация агрессивной среды С в точке конструктивного элемента изменяется с течением времени и зависит от положения точки по отношению к поверхности конструктивного элемента, то уравнение, описывающее изменение параметра С, должно иметь форму уравнения массопереноса: cC/dt = div (D grad С) - g(C), (2.2) Здесь D = D(G, Є, Т, П, С, JU) - коэффициент диффузии, g(C) - фуунцияя учитывающая связывание агрессивной среды в процессе химических превращений.
Исследование влияния сульфатсодержащей среды на поведение железобетонных элементов конструкций
Как уже отмечалось в п.3.1 для описания процесса проникания сульфатсодержащей среды в железобетон можно использовать следующие модели: уравнение диффузии, проникание четким фронтом, проникание размытым фронтом и другие модели.
В данном параграфе в качестве модели проникания сульфатсодержащей среды в конструктивный элемент принимаем модель размытого фронта в следующем виде: где х - координата сечения, , / время, С0 - концентрация ягресссвннй среды нн поверхности конструктивного элемента, a, j3 - коэффициенты, L(t) - закон продвижения границы размытого фронта вглубь конструктивного элемента (глубина проникания агрессивной среды): Щ = т/Ґ , (2.58) где т, п - эмпирические коэффициенты, 7=1 - для растянутой зоны сечения, 7=2 - для сжатой. Значения коэффициентов а, /3 определим из постановки граничных условий. Из условия равенства нулю концентрации на границе размытого фронта: X-L,С(L,t) = 0; l-a + J3L = 0, (2.59) Из условия равенства нулю производной на границе размытого фронта, так как касательная к графику размытого фронта в этой точке горизонтальна: dC = 0; -а- + 20 = 0. (2.60) dx Из совместного решения уравнений (2.59) и (2.60): a = 2,j3 = \/L. Тогда модель проникания примет вид:
Процесс коррозии бетона в условиях воздействия сульфатсодержащей среды можно представить в виде ряда элементарных процессов: растворение исходной фазы; конвективный и диффузионный перенос ионов растворенного вещества, агрессивной внешней среды и продуктов химической реакции; химическая реакция нейтрализации между ионами исходного и агрессивного веществ [116]. По предложению И.Г. Овчинникова, согласно результатам, полученным в работе [129], кинетику сложных химических реакций можно приближенно описать суммарным кинетическим уравнением, составленным относительно некоторого определяющего параметра. Поэтому всю совокупность элементарных процессов взаимодействия сульфатов с бетоном, приводящих к изменению механических свойств, можно интегрально описать уравнением химического взаимодействия, составленным относительно параметра /л. Этот параметр можно идентифицировать со скоростью выделения новообразований или с количеством (концентрацией) связанных цементным камнем сульфат-ионов, и соответствующим образом нормировать в пределах 0 ц 11 Параметр химического взаимодействия // характеризует уровень химических превращений при взаимодействии сульфатов с бетоном и является функцией концентрации сульфат-ионов и времени //=//(С /). Таким образом, в процессе проникания в тело конструктивного элемента концентрация сульфат-ионов достигает величины, при которой становится возможной взаимодействие сульфат-ионов с цементным камнем, сопровождающееся выделением новообразований. Причем этот период весьма мал [66], так как уже через 1-гЗ суток после начала воздействия сульфатсодержащей среды на экспериментальные образцы в бетоне удается обнаружить связанный цементным камнем сульфат-ион. По мере накопления новообразований (увеличения количества (концентрации) связанных цементным камнем сульфат-ионов) в какой-либо точке объема бетона сначала происходит его упрочнение с последующим разупрочнением и разрущением (LI=1\ Другими словами свойства бетона изменяются таким образом что но мере деградации бетон постепенно теряет способность воспринимать нагрузку и в конечном итоге перестает ее воспринимать (разрушается). Решение уравнения (2.62) имеет вид, весьма корректно описывающий экспериментальные данные по кинетике накопления новообразований.
Идентификация предлагаемых моделей проникания и последующего химического взаимодействия представляет определенные сложности вследствие того, что в результате анализа имеющихся экспериментальных данных по кинетике проникания и химическому взаимодействию сульфатсодержащей среды с бетоном [89] не удалось выявить одновременно все необходимые данные для идентификации кинетики проникания границы фронта агрессивной среды, распределения проникающих сульфат-ионов по глубине проникания, а также соответствующее распределение уровня химического взаимодействия (распределение связанных цементным камнем сульфат-ионов). Однако, учитывая, что распределение концентрации сульфат-ионов по глубине проникания, моделируемое уравнением (2.57), зависит только от кинетики проникания границы фронта агрессивной среды L(t) (не считая концентрации агрессивной среды на поверхности элемента), задачу идентификации будем выполнять по этому параметру.
Похожие диссертации на Сопротивление железобетонных элементов конструкций воздействию агрессивных сред
