1807

Уравнения равновесия для средней части сечения железобетонного изгибаемого элемента прямоугольного поперечного сечения (размером b h) представляется в виде зависимостей:

схемой распределения нормальных напряжений в сечении элемента, эпюры которой предварительно разделены высоте h на (п-1) участков.

Изменение напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента, определяется с помощью дифференцирования по параметру нагружения t:

Модель напряжённо-деформированного состояния статически неопределимых железобетонных рамных систем с коррозионными повреждениями с учётом физической и геометрической нелинейности, основанная на методе эквивалентных модулей деформаций Р.С. Санжаровского, предлагается в работах А.И. Попеско, Р.С. Санжаровского, С.И. Анцыгина и А.А. Дайлова [427, 462]. Эквивалентные модули деформаций являются интегральными характеристиками деформативных свойств конструкции, учитывающими деформированную схему конструкции, геометрические и физико-механические характеристики её элементов.

Расчётная модель позволяет рассчитать железобетонную рамную систему любой конфигурации и при любом сложном нагружении. В модели параметры напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов конструкции измененяются на всех стадиях нагружения вплоть до исчерпания несущей способности.

Влияние коррозионной среды на бетон рассматривается в моделях как фактор, изменяющий его деформативные и прочностные свойства. В тоже время принято допущение, что агрессивная среда не изменяет физикомеханические характеристики стальной арматуры. Коррозия арматуры учитывается через уменьшение площади её рабочего сечения.

191

В расчётной модели используются реальные диаграммы деформирования бетона и арматуры, учитывается трещинообразование и влияние агрессивной среды на железобетон.

Сделан вывод об эквивалентном модуле деформаций как об интегральной характеристике деформативных свойств конструкции, учитывающей деформированную схему конструкции, геометрические и физикомеханические характеристики её элементов.

Методика определения несущей способности под нагрузкой усиленных железобетонных стержней с коррозионными повреждениями приводится в [424]. В качестве модели для описания процесса работы коррозирующего бетона при длительном нагружении принято объединённое нелинейное уравнение деформаций пластичности и ползучести Р. С. Санжаровского на базе теории старения:

Связь между напряжениями и деформациями арматурной стали принимается в виде идеализированной диаграммы Прандтля, с учётом не изменения физико-механических характеристик стальной арматуры под влиянием агрессивной среды. Коррозия арматуры учитывается через уменьшение площади её рабочего сечения по формуле:

здесь d – диаметр арматурного стержня по проекту; τ0 – время полной нейтрализации защитного слоя бетона агрессивной средой; δ0, Т – опытные константы среды, зависящие от вида среды и арматурной стали.

Методика расчета напряженно-деформированного состояния усиленных под нагрузкой стержневых железобетонных элементов с коррозионными повреждениями с учетом их физической и геометрической нелинейности и феноменологических зависимостей на всем диапазоне нагрузок и стадий коррозионных повреждений приводится О.И. Анцыгиным в [20]. Методика оценки напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов в условиях газовой коррозии предложена А.И. Попеско, О.А. Анцыгиным, А.А. Дайловым в работе [428].

192

Модель предельного состояния изгибаемой конструкции по допустимым напряжениям при длительном нагружении с учетом деградации характеристик прокоррозировавших слоев в зависимости от концентрации в них агрессивных агентов показана И.Г. Овчинниковым и Н.С. Дядькиным в [334].

Пахомовой Е.Г. на основании проведенных экспериментальных исследований железобетонных элементов в условиях воздействия агрессивных сред и выполненных поверочных расчетов обосновывается необходимость введения коэффициентов, учитывающих снижение силового сопротивления железобетона [237]. В работах [236, 365] приводится разработанная методика расчета железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях с повреждениями бетона и рабочей арматуры.

Разработанный И.Г. Овчинниковым подход, основанный на сочетании деформационной теории железобетона и метода структурных параметров, позволяет строить корректные модели сопротивления железобетонных конструкций в действующих агрессивных эксплуатационных средах [315, 318–324, 326, 368, 375–377].

В соответствии с теорией структурных параметров, кроме параметров механического состояния (напряжение σ, деформация ε), при построении моделей вводятся дополнительные параметры: для модели коррозионного износа арматуры – глубина коррозионного поражения δ, задаваемого в виде функционального или дифференциального уравнения коррозионного износа. Для бетона вводятся два параметра: один, учитывающий характер распределения концентрации агрессивной среды по сечению С, и другой параметр μ, определяющий уровень химического взаимодействия поступившей среды в бетон. Закон распределения параметра μ задается из решения кинетического уравнения химического взаимодействия.

Полная модель железобетона, взаимодействующего с сульфатсодержащей средой представляется в виде совокупности моделей: модели проникания агрессивной среды в бетон; модели химического взаимодействия проникшей среды с бетоном; модели деформирования материала (бетона и арматуры); модели коррозионного износа арматуры; модели взаимодействия продуктов коррозии арматуры с окружающим бетоном и образования коррозионной трещины, вследствие увеличения в объёме продуктов коррозии металла.

Расчётная модель для описания процессов деформирования и разрушения конструктивного железобетонного элемента в агрессивной среде, разработанная Р.Б. Гарибовым и И.И. Овчинниковым представлена в [96]. В определяющие расчётные параметры, включающие напряжение σ, деформацию ε, температуру Т, повреждённость П, время t, вводятся дополнительные физические параметры q1 i 1...n , учитывающие характерные

особенности воздействия агрессивной среды. Это q1 – параметр, харак-

193

теризующий распределение влияния агрессивной среды по объёму конструктивного элемента; q2 – параметр параметр химического взаимодей-

ствия, характеризующий уровень химических превращений при взаимодействии материалов конструкции с агрессивной средой, q3 – параметр

сплошности, характеризующий уровень коррозионного поражения армирующего компонента в железобетонном конструктивном элементе.

Реологическое уравнение расчётно-физической модели имеет вид:

Особенность взаимодействия сульфатсодержащей среды с железобетоном заключается в том, что она влияет одновременно как на бетон, так и арматуру. Коррозионное поражение арматуры зависит непосредственно от

уровня концентрации сульфат-ионов SO24 , прошедших в тело бетона, в

районе расположения арматуры. Влияние на физико-механические свойства бетона сульфатсодержащая среда оказывает в процессе ее химического взаимодействия с цементным камнем, благодаря образованию твердого осадка в виде сульфат-ионов, связанных цементным камнем, которые по объему превышают объем исходных веществ [276].

Построение модели деформирования железобетона в условиях воздействия сульфатсодержащей среды базируется на феноменологическом подходе, основывающемся на рассмотрении железобетона как неоднородной среды с использованием традиционной методологии механики твердых деформируемых тел, в частности теории структурных параметров. Этот подход предполагает анализ экспериментальных данных по кинетике взаимодействия материал – агрессивная среда, идентификацию моделей, которые достаточно корректно описывают поведение материалов в соответствующей среде. Параметры моделей определяются на основе лабораторных испытаний специальных образцов из бетона и арматуры [325].

Сравнительный анализ относительного изменения прочности одного и того же бетона при сжатии и при растяжении в условиях воздействия сульфатосодержащей среды, проведённый Гузеевым Е.А., Рубецкой Т.В., Бубновой Л.С, Мальгановым А.И.в работе [119] показывает одинаковый характер этого изменения.

Модель деформирования нелинейного материала (бетона), подвергающегося воздействию сульфатсодержащей среды при растяжении и сжатии, принимается в виде [325]:

для материала, не содержащего сульфатов:

194

для материала с сульфатами:

щиеся по экспериментальным данным; σ, ε – напряжения и деформации; индекс «Р» относится к случаю растяжения, а «с» – к случаю сжатия.

Графический характер зависимости коэффициентов модели Ap , Ac , Bp , Bc отражающий экспериментально наблюдаемый

эффект начального упрочнения бетона под влиянием сульфатсодержащей среды представлен на рис. 6.15.

А(μ)В(μ)

А0 В0

6.15. Графический характер зависимости коэффициентов модели

Ap , Ac , Bp , Bc

Вследствие асимметричного проникания агрессивной среды, содержащей сульфат-ионы, в поперечном сечении бетона конструкции возникает дополнительный эксцентриситет от возникающего усилия. Однако, как отмечается в [345] это не принимается во внимание в исследованиях при расчете конструкций. В то же время в работах И.Г. Овчинникова и Н.С. Дядькина [166, 326, 333, 334] разработана и реализована методика расчета для железобетонного стержневого элемента работающего при косом изгибе или внецентренном сжатии под воздействием хлоридсодержащей агрессивной среды. Методика учитывает изменения силовой схемы работы стержня с течением времени, вследствие изменения положения или поворота главных осей инерции сечения, благодаря появлению наведённой неоднородности агрессивной среды.

195

Модель деформирования бетона, подвергающегося воздействию карбонизации, разработанная А.Н. Марининым, Р.Б. Гарибовым, И.Г. Овчинниковым, имеет вид [232]:

A A0 x1 A0 1 f1 , B B0 x1 B0 1 f2 . (6.249)

Значения коэффициентов A0, B0 и функций f1 и f2 определяют-

ся из условия наилучшей аппроксимации кривых одноосного деформирования образцов бетона (здорового при μ = 0 и подверженного карбонизации различной степени (μ = 0-1) по методу наименьших квадратов [297].

Модель деформирования бетона при воздействии хлорид содержащей среды представленаИ.Г. Овчинниковым, В.В. Раткиным, А.А. Землянскимв[316]:

для бетона, не содержащего хлоридов:

экспериментальным данным.

Модель деформирования бетона в условиях совместного воздействия хлоридсодержащей среды и карбонизации приведена А.Н. Марининым, Р.Б. Гарибовым, И.Г. Овчинниковым в [232]:

ния карбонизации; С – концентрация хлоридов.

Эмпирическая модель предельной несущей способности железобетонных конструкций, подверженных коррозии, вследствие одновременного разрушения бетона, уменьшения поперечного сечения арматуры и развития трещин-пустот на поверхности контакта стальной арматуры и бетона, показана в работе [656]. Сформулированные условия на кинематически допустимые поля перемещений и статически допустимые поля напряжений позволяют определить предельно допустимую внешнюю нагрузку.

В табл. 6.16 приведены модели силового сопротивления железобетонных конструкциий.

196

197

Окончание табл . 6 . 1 6

198

Проведённый анализ моделей и методов прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, работающих при длительном нагружении в различных агрессивных средах, показывает:

1)значительное различие лабораторных методов исследований [425], затрудняющих взаимоувязывание результатов, полученных разными исследователями;

2)принятие при разработке моделей системы «среда-защита-кон- струкция», экспериментальных результатов только из лабораторных исследований, что создаёт сложность в описании и моделировании процессов коррозионного износа и сопротивления нагружению в сечениях реальных железобетонных конструкций.

Совокупное влияние многочисленных отдельных неравномерно распределенных по зонам конструкции и во времени факторов физикохимических характеристик материалов железобетона при эксплуатации железобетонных элементов в многокомпонентных средах, значительно затрудняет достоверную многомерную корреляцию. В комплексной модели зависимости и коэффициенты, полученные, как правило, в лабораторных условиях, перемножаясь, дают малую вероятность момента прогнозируемого события. Поэтому вопрос обобщения накопленного материала для создания единого метода расчета железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах, является достаточно актуальным.

199

ГЛАВА 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ КОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН

В ОБЫЧНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НА ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

7.1. Общая часть

Оценка степени агрессивности различных сред определяет выбор соответствующей защиты от коррозии железобетонных элементов. Первичная защита в экономическом отношении более эффективна, чем вторичная [4]. К первичной защите железобетонных конструкций, согласно СНиП 2.03.11-85* [477] относится применение арматуры из сталей разных марок, нормирование ширины раскрытия трещин и толщины защитного слоя бетона. В то же время СНиП 2.03.11-85* не регламентирует продолжительность воздействия агрессивной среды при оценке её степени агрессивности, дифференцированно не учитывает возникающие коррозионные характеристики повреждений арматуры и её напряжённое состояние.

Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на арматуру железобетонных конструкций без расчётных поперечных трещин, с учётом не допущения её коррозии, в СНиП 2.03.11-85* [477] и ГОСТ 31384-2008 [108] определяется в зависимости от содержания хлорид-ионов в бетоне и вида воздействия жидкой среды и подразделяется на неагрессивную, слабоагрессивную, среднеагрессивную и сильноагрессивную.

Подход к оценке степени агрессивности газообразных 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.

Наибольшую опасность для коррозии арматуры в трещинах бетона железобетонных конструкций представляют жидкие среды, так как коррозия на арматуре является результатом протекания электрохимического процесса. Степень агрессивного воздействия жидкой и газообразной среды на арматуру в поперечных трещинах бетона согласно СНиП 2.03.11-85* [477] и ГОСТ 31384-2008 [108] учитывается косвенным путём через ограничение предельно допустимой ширины раскрытия поперечных трещин на поверхности бетона с учётом класса применяемой арматуры. В то же время в количественном отношении эта степень

200