1807

ориентируется только на данные концентрации хлорид-ионов в жидкой среде, принятых для железобетонных элементов без поперечных трещин.

Нормами СНиП 2.03.11-85* и ГОСТ 31384-2008 рассматриваются два критерия опасности коррозионного поражения арматуры любого профиля в поперечных трещинах бетона. Первый критерий не допускает снижения механических характеристик арматуры, второй – образования продольных трещин в бетоне вдоль арматурных стержней [159]. Однако, первый критерий справедлив только для постоянно раскрытых трещин от действия длительной или кратковременной нагрузки. P.P. Schiessl допустимое коррозионное поражение определяет тоже по двум критериям: по первому коррозия стали не должна приводить к критической величине снижения механических характеристик арматуры, а по второму коррозия не может допускать образование коррозионных трещин в бетоне вдоль арматурных стержней [644].

Однако, фактическая долговечность железобетонных конструкций в агрессивных условиях, содержащих хлорид-ионы, определяемая коррозионным поражением арматуры, во многих случаях оказывается в несколько раз меньше нормативной [159]. Причинами несоответствия нормативной и фактической долговечности железобетонных элементов является не

учёт при обосновании нормативной ширины раскрытия трещин ( acrc' )

следующих факторов, влияющих на физико-технические характеристики арматуры в поперечных трещинах бетона [477]:

•концентрации хлорид-ионов;

•депланации стенок поперечных трещин с учётом различного профиля арматуры;

•амплитуды раскрытия поперечных трещин.

Важным отрицательным фактором является негативное влияние переменной нагрузки на скорость образования продольных трещин в защитном слое бетона, в результате увеличения скорости распространения продуктов коррозии арматуры в зоне влияния поперечных трещин.

Для изучения этих факторов на долговечность обычных железобетонных конструкций с поперечными трещинами были проведены эксперимен- тально-теоретические исследования на железобетонных образцах и прямых моделях железобетонных элементов, в жидких и газообразных агрессивных средах при силовых и несиловых воздействиях.

201

7.2. Оценка степени агрессивности жидкой хлоридсодержащей среды на коррозионное поражение арматуры в поперечных трещинах бетона

Определение степени агрессивности жидкой агрессивной среды по отношению к арматуре в поперечной трещине фиксированного раскрытия в зависимости от концентрации хлорид-ионов проводилось на 66 железобетонных образцах с размерами 280 40 40 мм, изготовленных из алитового среднеалюминатного портландцемента и кварцевого песка с модулем крупности 2,2 [247]. Цементно-песчаный бетон имеет пониженную проницаемость с прочностью 31 МПа, водопоглощение по массе 5 %, эффективный коэффициент диффузии СО2 в бетоне 0,53 см2/с·10-4 [430].

Призмы были армированы стержнями 1 5 мм класса В–I и имели одну поперечную трещину с величиной раскрытия аcrc = 0,20 мм. Обоснованием выбора класса арматуры, соответствующего её диаметру и ширине раскрытия поперечной трещины являются следующие предпосылки:

•повышенная степень опасности к коррозионному поражению арматуры гладкого профиля в поперечной трещине с учётом особенностей депланации её стенок;

•получение максимальной величины относительного снижения несущей способности на растяжение арматурного стержня малого диаметра в результате его коррозионного поражения;

•экспериментальная величина аcrc = 0,20 мм, как максимальная нормативная ширина раскрытия при воздействии агрессивных сред [159, 477].

Опытные железобетонные элементы испытывали воздействие раствора хлористого натрия, имеющего различную нормальность: 0 (пресная вода); 0,01; 0,10; 0,25; 0,30; 0,40; 0,50 и 1Н. За время эксперимента выполнено 100

циклов увлажнения с последующим высушиванием. Периоды увлажнения и высушиванияводномциклесоставляютсоответственно8 и40 часов.

Полученные электрохимические и физические результаты испытания показывают увеличение коррозионного тока, глубины поражения арматуры, уменьшение массы металла и прочности стержня на растяжение в трещинах бетона при увеличении концентрации раствора NaCl до 0,2 нормального (12 г/л NaCl) (рис.7.1, 7.2). При этом максимальный коэффициент ускорения коррозионного процесса на арматуре составляет

Kкmax = 10 [249].

Критическим значением относительного уменьшения диаметра арматуры, с учётом максимального уровня снижения её несущей способности, является величина 15 % [451]. Для арматуры в проведённом эксперименте эта величина соответствует значению 750 мкм, что равняется средней глубине коррозионного поражения арматуры δср= 375 мкм и шестипроцентному снижению её прочности. Согласно рис. 7.2 прямо пропорциональная

202

зависимость снижения прочности при растяжении арматурного стержня от глубины коррозионных язв сохраняется до величины 750 мкм, что также составляет 15 % снижения диаметра арматуры.

Рис. 7.1. Зависимости глубины коррозии арматуры и коррозионного тока в трещинах бетона от концентрации раствора NaCl:

hср, hmax – соответственно средняя и максимальная глубина коррозии арматуры; j – коррозионный ток

Рис. 7.2. Зависимости прочности при растяжении арматуры и потери массы металла от глубины коррозионных язв:

1 – прочность при растяжении; 2 – потеря массы металла

Предлагаемые степени агрессивности жидкой среды в трещине с аcrc = 0,20 мм для арматуры первой группы согласно СНиП 2.03.11-85* в зависимости от концентрации в растворе хлорид-ионов, физических и электрохимических показателей арматуры представлены в табл. 7.1.

203

Таблица 7 . 1 Предлагаемаястепеньагрессивноговоздействияжидкойсреды, содержащей

хлорид-ионы, дляарматурыпервойгруппы, сучётомполученных экспериментальныхэлектрохимическихифизическиххарактеристикжидкой агрессивнойсредывтрещинахбетонас acrc 0, 20 см

Данные эксперимента показывают, что несоответствие в значениях концентраций хлорид-ионов, определяющих степени агрессивности жидкой среды для железобетона с поперечными трещинами и без них, согласно СНиП 2.03.11-85*, составляет в сторону уменьшения соответственно для сред: слабоагрессивной – 10 %, для среднеагрессивной и сильноагрессивной – 13 %. Следовательно, нормативные данные по концентрации хлорид-ионов для железобетонных элементов без поперечных трещин являются справедливыми и для железобетонных конструкций с постоянно раскрытыми трещинами acrc 0, 20 мм, по условию изменения

физико-технических характеристик арматуры. В то же время, возникает вопрос о причинах несоответствия нормативных и фактических сроков эксплуатации обычных железобетонных конструкций в хлоридсодержащих средах иногда составляющие в десятки раз [159, 208, 232, 316].

204

7.3. Влияние депланации бетона нормальных трещин на коррозию арматуры

Методика расчёта ширины раскрытия нормальных трещин в железобетонных конструкциях, разработанная профессором В.И. Мурашовым [286], позволяет определить среднее значение раскрытия трещин на поверхности гладкой арматуры, когда процесс трещинообразования уже закончился. Дополненная расчётными коэффициентами для различных видов нагружения, она была включена в СНиП II-В.1-62* [482]. Расчётная ширина раскрытия трещин aT в значительной степени зависела от диаметра арматуры, увеличиваясь с его ростом. Прочность бетона на величину aT влияла через расстояния между трещинами ℓT.

Вотличие от СНиП II-В.1-62* при определении средней ширины раскрытия трещин по СН 365-67 [476] в расчёт вводился радиус армирования сечения, величина которого зависела от площади бетона, окружающей арматурные стержни, числа стержней и их диаметра.

Вто же время надёжность конструкции, с учётом коррозионной сохранности арматуры в реальных условиях эксплуатации, определяется не средним, а максимальным раскрытием трещин. Эксперименты, проведённые С.А. Дмитриевым и Н.М. Мулиным в НИИЖБе на балках, армированных гладкой сталью и стержнями периодического профиля [150], выявляют наличие отношения между максимальной и средней шириной

раскрытия трещин, составляющее от 1,546 до 1,744, при значениях напряжения в растянутой арматуре в пределах 1000–7000 кгс/см2. Средние максимальные величины ширины раскрытия трещин статистически опреде-

ляются как aТсmахp аТср 2 (где σ – среднее квадратичное отклонение). При

использовании стали периодического профиля в экспериментах ширина раскрытия трещин на поверхности бетона уменьшается не менее чем в 1,5 раза, по сравнению с арматурой гладкого профиля, в сопоставимых условиях испытания.

На основании статистического анализа результатов исследований, полученных на обычных железобетонных балках с толщиной защитного слоя бетона δk=25 мм [150, 151, 156], составлена эмпирическая формула для определения максимальной ширины раскрытия трещин на поверхности бетона на уровне центра тяжести наиболее растянутой арматуры с доверительной вероятностью ρ=0,95, включённая сначала в СНиП II-21-75 [483], а затем в СНиП 2.03.01 – 84 [484].

Вто же время действующий нормативный документ СП 52-101-2003

[491]определяет среднюю ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента на поверхности арматуры. Однако расчётные значения acrc по СП 52-101-2003 не позволяют прогнозировать корро-

зионную сохранность арматуры в трещинах бетона, из-за включения в

205

СНиП 2.03 11-85* [477] нормативной ширины раскрытия трещин, рассматриваемой на поверхности защитного слоя бетона при δзсб = 20-30 мм в зависимости от вида и степени агрессивности среды. Причиной является искривление стенок бетона в трещине по толщине защитного слоя, из-за влияния силы сцепления бетона с арматурой.

Величина аТ и форма (депланация) трещин по толщине защитного слоя бетона определяют проницаемость влаги, кислорода и различных агрессивных реагентов к арматуре и, в конечном счёте, величину коррозионного повреждения арматуры [11]. Фактическая ширина раскрытия трещин на поверхности бетона зависит от депланации бетона и толщины защитного слоя бетона. Необходимость учёта толщины защитного слоя бетона, состояния поверхности арматуры при расчёте ширины раскрытия трещин отмечается в [150].

Из действующих нормативных документов только межгосударственный стандарт ГОСТ 8829-94 [109] учитывает влияние депланации бетона трещин на ширину раскрытия нормальных трещин в изгибаемых

равным 25 мм; зсб – проектное значение толщины защитного слоя бетона, мм.

Расчётное значение acrc б на поверхности бетона защитного слоя, определяется, как частное значение от расчётной величины acrс , полученной по

СНиП 2.03. 01 –84 [484], умноженное на коэффициент q.

Депланаия бетона, кроме величины толщины защитного слоя бетона, зависит от напряжения в арматуре и вида её поверхности. Коэффициент депланации торца растянутого железобетонного образца при защитном слое бетона зсб = 60 мм, равный отношению ширины раскрытия трещин на

поверхности бетона к ширине раскрытия трещин на поверхности арматурыаТб аТа , изменяется в зависимости от величины усилия от 1,5 до 6,3

[312]. Величина раскрытия трещин непосредственно у поверхности арматуры периодического профиля в железобетонной конструкции принимает в три раза меньшие значения, чем у гладкой арматуры при тех же напряжениях [278]. Причиной является образование вокруг стержня периодического профиля внутренних кольцевых трещин, не выходящих на поверхность бетона. Отмечается, что характер кривых депланации бетона изменяется с увеличением напряжений в арматуре (рис.7.3).

206

помощью дополнительных экспериментальных исследований коррозионного состояния арматуры в трещинах бетона.

Экспериментальные исследования влияния депланации бетона трещин на коррозионное поражение арматуры различного профиля классов А-1 и А-III проведены на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементов с размерами 2000 200 70 мм и классе бетона В-30 при воздействии жидкой хлоридсодержащей среды [250]. Используется бетон пониженной проницаемости с эффективным коэффициентом диффузии СО2 в бетоне 0,53 10-4 см2/c [430]. Каждый образец армирован одним рабочим стержнем класса А-I или А-III. В зоне чистого изгиба образцов поперечная арматура отсутствует для получения независимых экспериментальных характеристик коррозионного поражения арматурных стержней в поперечных трещинах. Бетон изготовлен на портландцементе и гранитном щебне фракции 5-10 мм.

Расчётные физико-технические характеристики железобетонных образцов приведены в табл. 7.3.

Примечание . Σn – количество балок; Т, , К – соответственно количество, диаметр и класс рабочей арматуры; δзсб –толщина защитного

слоя бетона; μ – коэффициент армирования; acrcmax – расчётное значение максимальной ширины раскрытия трещины.

Образцы испытывают воздействие постоянной нагрузки. Для стимуляции коррозии арматуры в трещинах бетона используется 3 % раствор NaCl, которым два раза в сутки увлажняется поверхность бетона. С учётом выбранной концентрации хлорид-ионов степень воздействия жидкой агрессивной среды на опытные образцы оценивается как сильноагрессивная [249].

209

Эксперимент проведён в атмосферных условиях в течение двух лет до появления на образцах, на уровне рабочей арматуры, волосяных продольных коррозионных трещин, свидетельствующих о предаварийном состоянии железобетонных конструкций [159]. Двухлетний период испытания опытных образцов в сильноагрессивной среде приравнивается к 15-20 годам эксплуатации аналогичных железобетонных конструкций в слабоагрессивной жидкой среде, содержащей хлорид-ионы [249].

По окончании натурного эксперимента железобетонные образцы и арматура были испытаны на прочность изгибающей и растягивающей нагрузками соответственно.

При средней глубине коррозионного поражения δср = 300 мкм арматуры 14 мм (4,3 %) класса А-111 практически не отмечено уменьшение несущей способности железобетонных образцов и арматуры. Предельной 15 %-й величиной [451] снижения диаметра арматуры равного 14 мм является средняя глубина коррозии ср 1050 мкм. Экспериментальная средняя глубина

коррозионного поражения стальных стержней, при которых возникают продольные трещины, составляет от δср = 240 мкм до δср = 350 мкм, в зависимости от толщины защитного слоя бетона и класса арматуры. Следовательно, принимая во внимание величину критического снижения диаметра арматуры, долговечность обычных железобетонных конструкций с поперечными трещинами при средней глубине коррозионного поражения стержня δср = 300 мкм определяется только возникновением коррозионных продольных трещин.

Согласно методике экспериментальных исследований коррозионная стойкость арматуры в трещинах бетона определяется коэффициентом K0 K2 / K1, где К1 и К2 – соответственно глубины коррозионного пора-

жения арматуры в трещинах бетона со стороны защитного слоя бетона и с противоположной стороны [250]. Данные эксперимента показывают, что величина К0 зависит от класса арматуры, значений аcrc и δзсб (рис. 7.6, 7.7). Ширина раскрытия трещин, при которой К0 = 0, является соответствующая

величина асrс: для гладкой арматуры класса А-I – 0,005 мм и (δзсб = 15 мм), 0,025 мм (δзсб= 20мм) и 0,050 (δзсб = 25 мм); для арматуры периодического

профиляклассаА-III – 0,050 мм(δзсб = 15 мм), 0,10 (δзсб ≥20 мм).

Экспериментальные исследования показывают, что глубина и длина участка коррозионного поражения арматуры определяются клас-

сом арматуры, значением acrc и величиной Ф ( d a / зсб – отношение диаметра арматуры к толщине защитного слоя бетона) рис. 7.8, 7.9.

210