Введение к работе
Актуальность темы. Сборный и монолитный железобетон был и в ближайшие десятилетия останется основным строительным материалом, о чём свидетельствуют как статистические данные об объёмах его применения в России и за рубежом, так и прогнозные оценки ведущих специалистов.
Общепризнанно, что железобетон является не статичным конгломератом, а композитным материалом, изменяющим свои свойства во времени под действием эксплуатационной среды. Эти изменения свойств происходят, как правило, в худшую сторону и в широком интервале: от относительной стабилизации на уровне, обеспечивающем восприятие эксплуатационных нагрузок (вследствие «адаптационной изменчивости бетона» - по В.Л. Чернявскому, И.Н. Заславскому, А.Г. Ольгинскому), до полной деградации композита.
Практически любая эксплуатационная среда изменяет свойства железобетона. Однако, наибольшее распространение имеет углекислый газ воздуха, прямому воздействию которого подвергаются все надземные конструкции зданий и сооружений. Кроме того, агрессивность атмосферы неуклонно возрастает вследствие техногенных выбросов, а динамика эмиссии углекислого газа такова, что на последнем (пятом) национальном конгрессе по бетону (г. Москва, октябрь 2010г.) этот вопрос обсуждался на специально созданной секции, доклады на которой сделали представители более 50 стран. В связи с этим в настоящее время карбонизация бетона является наиболее распространённой причиной резкого снижения эксплуатационного ресурса железобетонных конструкций со сроком службы более 20...30 лет вследствие депассивации арматуры и её коррозии из-за нейтрализации защитного слоя бетона и последующего его разрушения увеличивающимися в объеме продуктами коррозии стали - ржавчиной. В отдельных случаях коррозионные повреждения железобетонных конструкций наблюдаются уже в первые годы эксплуатации. Это происходит по трём основным причинам: низкому качеству бетона (его высокой пористости); малой толщине защитного слоя; высокой концентрации углекислого газа (в подвальных помещениях, резервуарах, технологических установках с повышенным выделением СОг).
С середины 20в. и до последнего времени в качестве «скрытой» расчетной модели, обосновывающей требования норм (СНиП 2.03.11-85 и ГОСТ 31384-2008), принимался «закон корня квадратного от времени». В последние годы появились работы, из данных которых следует, что карбонизация бетона в ряде случаев точнее описывается «законом корня кубического от времени». Столь большое различие приводит к разности оценок, достигающей 150...200% за 50 лет эксплуатации, что очень велико для инженерных расчётов.
В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на уточнение классических и новых расчетных зависимостей, описывающих кинетику карбонизации бетона, с целью обоснования возможности
уменьшения коэффициента запаса при назначении параметров первичной защиты железобетона.
Цель работы заключается в экспериментально-теоретическом обосновании требуемых значений параметров первичной защиты, обеспечивающих получение железобетона с проектной долговечностью при агрессивном воздействии углекислого газа воздуха.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
проведение исследований кинетики карбонизации бетона в соответствии с ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» по ускоренной методике с целью получения массива экспериментальных данных, достаточного для получения статистически обоснованных математических моделей карбонизации;
получение зависимости расчетного срока безопасной эксплуатации конструкции от плотности бетона, условий эксплуатации и толщины защитного слоя бетона;
определение значений параметров первичной защиты железобетона, обеспечивающих получение конструкций с проектной долговечностью при различных условиях эксплуатации.
Научная новизна;
установлено, что кинетика карбонизации бетона с наибольшей достоверностью описывается степенной функцией вида L=Anxt'M (где L - глубина карбонизации, Ап - коэффициент), которая может быть использована для инженерных расчетов при любом проектном сроке эксплуатации, не привязываясь к установленному в ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» одному конкретному значению Тн=50лет;
показатель степени и в зависимости L=L(t) является величиной не постоянной и зависит главным образом от плотности бетона: в пористом бетоне с маркой по водонепроницаемости W2...W4 значение и изменяется от 1,90 до 2,19; для плотных бетонов с W6... W8 получено п = 2,25...2,45; в особошютных бетонах с W12...W16 имеется практически полное торможение процесса: значение показателя степени п изменяется от п > 10 до п —> оо;
уточнены кинетические особенности процесса карбонизации особо плотных бетонов, замедление и даже стабилизация фронта коррозии в которых обусловлена сменой механизма массопереноса: от диффузии С02 в газовой среде до диффузии углекислоты в жидкой фазе -поровой жидкости.
Практическая значимость работы заключается в следующем: — разработана модифицированная экспериментальная установка, с целью уточнения методики проведения испытаний по карбонизации бетона ускоренным методом согласно ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний»;
определены требуемые значения параметров первичной защиты железобетона (толщина и плотность защитного слоя бетона), обеспечивающие достижение проектного срока службы конструкций при различных условиях эксплуатации;
разработаны «Рекомендации по назначению параметров первичной защиты железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте».
Результаты исследований были использованы:
при оценке технического состояния конструкций, прогнозе их долговечности и разработке способов ремонта повреждённых конструкций на 12 объектах МУП «Уфаводоканал» и ООО «Газпром трансгаз Уфа», а также в проектах двух новых сооружений в Республике Башкортостан: ёмкостного сооружения для хранения твердых осадков сточных вод емкостью 83 тыс. м3 и резервуара чистой воды емкостью 8 тыс. м3.
при разработке «Рекомендаций по назначению параметров первичной защиты железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте»;
в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при чтении курса «Повышение долговечности строительных конструкций зданий и сооружений» для студентов специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также для магистрантов по направлению подготовки 270100 «Строительство».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:
международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2007-2010 гг.);
всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (г. Челябинск, 2010 г.);
V Академических чтениях РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (г. Белгород, 2010 г.);
научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных ГОУ ВПО УГНТУ (г. Уфа, 2006 - 2010 гг.).
По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.
Работа выполнена в рамках исследований, проведенных лично автором по разделам отчетов исследований по гранту Минобрнауки РФ «Программа совершенствование и развитие инновационной инфраструктуры ГОУ ВПО УГНТУ» (ГК №13д37.31.0026, 2010 г.); гранту по федеральной целевой программы "Разработка рациональной технологии восстановления эксплуатационной надежности поврежденных бетонных и железобетонных конструкций в процессе их ремонта после деструктивного воздействия агрессивных сред" (ГК №Ш126, 2010г.); гранту РААСН «Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов»
(ГК №РА-01-01, 2010г.), а также двух госбюджетных НИР Минстройтранса Республики Башкортостан (2008-2010гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка использованной литературы и трех приложений. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 51 иллюстрацию и 29 таблиц. Список использованной литературы включает 165 наименований.
Автор выражает благодарность сотрудникам ХНИЛ и аккредитованной испытательной лаборатории «Стройтехэкспертиза» кафедры «Строительные конструкции» ГОУ ВПО УГНТУ за помощь в проведении исследований.
