УДК624.21.012.4(043.3) Мигунов Виктор Николаевич ФГБОУ ВПО
advertisement
УДК624.21.012.4(043.3) Мигунов Виктор Николаевич ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», Россия, Пенза, к.т.н., доцент кафедры «Городское строительство и архитектура» МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ РАСЧЁТНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН В ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НА ВЕЛИЧИНУ РАСКРЫТИЯ КОРРОЗИОННЫХ ПРОДОЛЬНЫХ ТРЕЩИН В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХЛОРИДСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ Аннотация. С помощью разработанной методики, используя экспериментальные данные, полученные при длительных испытаниях изгибаемых прямых моделей железобетонных конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащей среды при действии переменной и постоянной нагрузки, а также результатов натурных обследований железобетонных конструкций, определены математические зависимости ширины раскрытия коррозионных продольных трещин от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин на поверхности бетона. Ключевые слова: железобетонные конструкции, жидкая хлоридсодержащая среда, бетон, коррозия, арматура, коррозионные продольные трещины, расчётные поперечные трещины, ширина раскрытия трещин. Migunov Viktor Nikolaevich Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education «Penza State University of Architecture and Construction», Russia, Penza, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of «Urban Construction and Architecture» METHOD OF ASSESSING THE EFFECT OF THE WIDTH OF THE CALCULATED TRANSVERSE CRACKS IN CONCRETE ELEMENTS BENT ON THE VALUE OF THE DISCLOSURE OF CORROSION OF LONGITUDINAL CRACKS UNDER THE ACTION OF CHLORIDE-CONTAINING ENVIRONMENT AND OPERATIONAL LOAD Annotation. Using the developed method, using experimental data obtained during long trials bent forward model of reinforced concrete structures under conditions of chloridecontaining environments under the influence of the variable and constant load, as well as the results of field surveys of reinforced concrete structures are defined mathematical dependence opening width corrosive longitudinal cracks from opening width calculated transverse cracks on the concrete surface. Keywords: reinforced concrete structures, chlorinated environment, concrete, corrosion, fittings, corrosion longitudinal cracks, the calculated transverse cracks, the crack opening width. Наибольшую опасность для коррозии железобетонных конструкций представляют жидкие среды, содержащие хлорид-ионы. Они, в отличие от ионов сульфатов и магния, в процессе диффузии во внутренний объём бетона связываются в малорастворимые соединения лишь частично [1, 2]. Проникая в железобетонные конструкции, хлорид-ионы вызывают коррозию арматуры, которая нарушает сцепление арматуры с бетоном и способствует образованию и развитию коррозионных продольных трещин в бетоне защитного слоя вдоль несущей арматуры, снижающих несущую способность конструкций [6]. Эти негативные конструктивные явления испытывают, прежде всего, сборные железобетонные конструкции в транспортном строительстве, которые практически заменили металлические несущие конструкции в мостах с малыми и средними пролётами, при величине их длины до тридцати четырёх метров [6]. Только при увеличении в два раза числа циклов воздействия жидкой агрессивной среды, содержащей хлорид-ионы, глубина коррозии арматуры повышается на 30-40 % [18]. В результате хлоридной коррозии в США в 1982 году было повреждено 213 тысяч мостовых железобетонных конструкций со стоимостью ремонта 41,1 миллиардов долларов, а в 1986 году – 244 тысячи аналогичных конструкций со стоимостью ремонта 51,4 миллиардов долларов [16]. В России восемнадцать тысяч автодорожных мостов в результате воздействия на них различных агрессивных сред в процессе эксплуатации имеют ограниченное трудоспособное состояние с ежегодным однопроцентным обрушением их от общего количества [6]. В процессе эксплуатации практически все железобетонные конструкции имеют расчётные силовые поперечные трещины в защитном слое бетона, которые способствуют не только количественному, но и качественному изменению деструкционных процессов в самой железобетонной конструкции [13]. Они являются легитимными конструктивными источниками поступления к поверхности арматуры агрессивной среды. С учётом положений механики разрушения твёрдого тела силовые трещины оказывают определяющее влияние на интенсификацию процесса коррозии арматуры при увеличении ширины поперечной трещины в бетоне более критического значения раскрытия [15]. Оценка степени агрессивности газообразных сред по отношению к железобетону основана на тех же принципах, что и для жидких сред [4]. Наибольшая скорость протекания коррозионного процесса арматуры в зоне влияния поперечных трещин наблюдается при периодическом увлажнении железобетонных конструкций жидкой хлоридсодержащей средой [9]. В целом необходимо отметить, что представления о деталях механизма коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона и его контролирующих факторах в настоящее время имеют качественный характер, из-за недостаточного объёма научных данных о нём [4,5,10,12]. Поэтому объективными научными результатами для эксплуатирующихся в агрессивной среде железобетонных конструкций, состоящих из многокомпонентных материалов, являются данные экспериментальных исследований коррозионного процесса арматуры в расчётных поперечных трещинах бетона, полученные на прямых моделях железобетонных конструкций, по сравнению с теоретическими исследованиями [10]. Коррозионное поражение арматуры в железобетонных элементах при хлоридной коррозии возрастает в карбонизированном бетоне, где критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия арматуры, уменьшается в два раза. В этих условиях раскрытие коррозионных продольных трещин и отслоение защитного слоя бетона наблюдается уже после 2 лет эксплуатации железобетонных конструкций в агрессивной среде [3]. Образующиеся продукты электрохимических реакций на поверхности арматуры и механическая кольматация полости поперечных трещин твёрдым составом агрессивной среды способствуют затуханию коррозионных процессов на арматуре в постоянно раскрытых поперечных трещинах бетона с шириной раскрытия до 0,4 мм [12]. Снижение диффузионной проницаемости полости поперечной трещины повышает пассивацию стальной арматуры, за счёт восстановления высокой щелочности поровой влаги на границе «бетон – арматура». Изменение диффузионной проницаемости поперечных трещин, согласно положениям СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии» и ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования», определяет сохранение нормативных сроков службы железобетонных конструкций с шириной раскрытия поперечных трещин от 0,15 до 0,30 мм. В результате воздействия эксплуатационной нагрузки на железобетонные конструкции в силовых поперечных трещинах бетона на границе «бетон – арматура» возникают микротрещины в бетоне по обе стороны от расчётных поперечных трещин, образующие зону влияния поперечных трещин [12]. При наличии переменных напряжений в арматуре продукты коррозии стали, затрудняющие диффузию агрессивных реагентов к арматуре в полости поперечных трещин, уменьшают свою плотность, способствуя тем самым активизации процесса коррозии на поверхности арматуры [4]. Циклическое раскрытие ширины поперечной трещины вызывает снижение щелочности не только бетона стенок поперечных трещин, но и бетона вдоль поверхности арматурного стержня периодического профиля со скоростью 1-2 мм в год [17]. Необходимо отметить, что отсутствие обоснованной количественной оценки коррозии арматуры в силовых расчётных поперечных трещинах бетона способствует образованию коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона, наличие которых приводит железобетонные конструкции в предаварийное состояние [4, 8]. Результаты проведённых экспериментальных исследований карбонизации контактного слоя бетона с рабочей арматурой показывают, что переменная нагрузка в два раза увеличивает длину участка карбонизации по сравнению с постоянной, что является косвенным свидетельством более интенсивного микроразрушения бетона в приарматурной зоне и нарушения усилий сцепления бетона с арматурой [10]. Объективной характеристикой изменения технического состояния железобетонных конструкций при коррозии арматуры является наличие визуальных внешних признаков нарушения сплошности бетона на поверхности конструкции. По данным литературных источников, возникновение первых видимых (волосяных) коррозионных трещин наблюдается уже при потере сечения стальной арматуры более 0,5 % [14]. Поэтому определение фактической ширины раскрытия коррозионных продольных трещин является объективным оценочным показателем технического состояния железобетонных конструкций. В основе алгоритма проведения расчёта ширины раскрытия коррозионных продольных трещин на поверхности защитного слоя бетона в зоне влияния поперечных трещин, в зависимости от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин на поверхности железобетонных конструкций, находится, полученная по результатам проведённых длительных экспериментальных исследований на прямых моделях железобетонных элементов, математическая зависимость глубины и длины коррозионного поражения арматуры в зоне влияния поперечных трещин от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин. Эти функциональные зависимости позволяют по длине участка коррозии арматуры в зоне влияния поперечных трещин, с учётом толщины продуктов коррозии стальной арматуры, определять расчётным путём фактическое давление продуктов коррозии арматуры на бетон защитного слоя, с дальнейшей возможностью проведения технического прогноза работоспособности железобетонных конструкций при определении фактической долговечности [11]. В монографии [11] вывод уравнений регрессии зависимостей ширины раскрытия коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона железобетонных элементов от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин, при действии переменной ступенчатой повторной и постоянной изгибающей нагрузки, проведен с помощью использования результатов длительных экспериментальных исследований, полученных автором на трёх опытных сериях прямых моделей железобетонных элементов, а также данных натурных обследований эксплуатирующихся железобетонных конструкций [7], в условиях воздействия реальных эксплуатационных нагрузок и жидкой агрессивной хлоридсодержащей среды. По данным из известных литературных источников, увеличение толщины продуктов коррозии арматуры по отношению к арматурной стали в подавляющем числе случаев составляет от полутора до трёх раз. Поэтому уравнения регрессии ширины раскрытия коррозионных продольных трещин на поверхности защитного слоя бетона железобетонных элементов в зоне влияния поперечных трещин, в зависимости от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин на поверхности прямых моделей железобетонных элементов, получены для трёх значений относительного увеличения толщины продуктов коррозии арматурной стали с двумя симметричными числовыми интервалами, соответственно составляющими 3,0; 2,25 и 1,5 раза, по отношению к арматурной стали. С помощью уравнений регрессии определены значения ширины раскрытия коррозионных продольных трещин для соответствующих экспериментальных значений acrc , рассчитанных, с учётом четырёх случаев зависимости ширины коррозионных продольных трещин ( аТпрод ) на поверхности защитного слоя бетона, а именно от максимальной средней f сред кор аТпрод f max кор аТпрод сред кор max кор и средней сред кор max длины коррозии, при максимальной кор и глубине коррозии арматуры в зоне влияния поперечных трещин: max , от кор аТпрод f max кор от сред кор , аТпрод f сред кор от сред кор и от max кор . ЛИТЕРАТУРА 1. Bob С. Probabilistic assessment of reinforcement corrosion in existing structures. Proceedtngs of the International Conference held at the University of Dundee / С. Bob // Scotland, UK, I996. – P. 17-28. 2. Zivica V. Corrosion of reinforcement induced by environment containing chloride and carbon dioxide /V. Zivica // Bulletin of Materials Science. - 2003. – Vol.26.–№6. – P. 605-608. 3. Ванникова Д.М. Исследование процессов коррозии и защита стен производственных зданий, эксплуатируемых в условиях хлорной агрессии: автореф. дис.... канд. техн. наук / Д.М. Ванникова. – М., 1962. – 22 с. 4. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль // Совм. Изд. СССР – ЧССР –ФРГ. – М.: Стройиздат, 1990. – 320 с. 5. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В.М. Москвин [и др.]. – М.: Стройиздат, 1980. – 536 с. 6. Маринин А.Н. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию хлоридной коррозии и карбонизации / А.Н. Маринин, Р.Б. Гарибов, И.Г. Овчинников. Саратов: ИЦ«Рата», 2008. – 259 с. 7. Меркулов С.И. Работоспособность железобетона в условиях воздействия агрессивных сред / С.И. Меркулов, В.М. Дворников, Е.Г. Пахомова //Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. – 2006. – №10. – С. 25. 8. Мигунов В.Н. Длительные экспериментальные исследования влияния продольных трещин в защитном слое бетона на изменение долговечности, кратковременной жёсткости и прочности внецентренно сжатых с малым эксцентриситетом строительных обычных железобетонных элементов / В.Н. Мигунов, И.Г. Овчинников // Известия вузов. Строительство. – 2010. - №2. – С. 125-130. 9. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами: моногр.: в 2 ч. /В.Н. Мигунов. – Пенза: ПГУАС, 2013. - Ч. 1. – 332 с. 10. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии: моногр. / В.Н. Мигунов, И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 352 с. 11. Мигунов В.Н. Влияние расчётных поперечных трещин в железобетонных элементах на образование коррозионных продольных трещин: моногр. / В.Н. Мигунов. – Пенза: ПГУАС, 2015. – 502 с. 12. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры / В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, Г.П. Вербецкий, В.И. Новгородский. – М.: Стройиздат, 1971. – 144 с. 13. Овчинников И.И. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии: моногр. / И.И. Овчинников, В.Н. Мигунов, И.Г. Овчинников. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 294 с. 14. Оценка действительного технического состояния и прогнозирование поведения железобетонных конструкций производственных зданий ВАЗа для обеспечения их эффективной эксплуатации: науч.-техн. отчёт (заключ.) №446 / рук. А.А. Прокопович. – Куйбышев: Куйбышев. инж.-строит. ин-т, 1985. – 111 с. 15. Пирадов К.А. Механика разрушения железобетона / К.А. Пирадов, Е.А. Гузеев. – М.: Новый век, 1998. – 190 с. 16. Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и особо низкой проницаемости: моногр. /Н.К. Розенталь. – М.: ФГУП ЦПП, 2006. – 520 с. 17. Степанов С.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах с учётом коррозионного износа рабочей арматуры: дис…. канд. техн. наук / С.Н. Степанов. – Нижний Новгород, 2005. – 180 с. 18. Шавыкина М.В. Оценка сроков службы железобетонных конструкций при коррозии арматуры / М.В. Шавыкина // Бетон и железобетон. – 2006. – №5. – С. 26-31.
