1807

Таблица 7 . 4 Уравнения регрессии функциональной зависимости средней длины участка

коррозионного поражения арматуры от средней её глубины

Математическое распределение соответствующих выборок ℓcrc в зоне чистого изгиба опытных образцов для арматуры класса А-I и А-III имеет

нормальный закон, так как набл2 кр2 (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Графики эмпирических (– – – –) и теоретических(───) статистических распределений выборок ℓcrc для арматуры классов A-I и А-III

Результатами статистической обработки выборок ℓcrc в зоне чистого изгиба образцов приведены в табл. 7.5.

Таблица 7 . 5 . Результаты статистической обработки величины ℓcrc

П р и м е ч а н и е : М – величина математического ожидания; σ – среднее квадратическое отклонение; А и Е – показатели асимметрии и эксцесса теоретического

распределения; набл2 и кр2 соответственно теоретический и критический критерии согласия Пирсона, /crc – минимальное расстояние между поперечными трещинами при уровне значимости α= 0,95.

213

Статистический расчёт crc показывает снижение расстояния между

поперечными трещинами для арматуры периодического профиля в 1,53 раза по сравнению с арматурой гладкого профиля, что соответственно может интенсифицировать образование продольных трещин в защитном слое бетона в условиях применения арматуры периодического профиля.

Результаты экспериментально-теоретических исследований показывают:

•отсутствие в основных действующих нормативных документах по расчёту и защите железобетонных конструкций от коррозии единого системного подхода к назначению нормативной ширины раскрытия нормальных трещин;

•существенное влияние депланации бетона трещин на коррозионное поражение арматуры периодического профиля;

•наличие линейной зависимости коэффициента депланации бетона нормальных трещин от толщины защитного слоя бетона для арматуры периодического профиля;

•необходимость дифференциации нормативной ширины раскрытия нормальных трещин для арматуры различного профиля;

•определяющее влияние продольных коррозионных трещин в защитном слое бетона на долговечность обычных железобетонных элементов.

7.4. Экспериментальные исследования на опытных железобетонных элементах и прямых моделях

обычных железобетонных конструкций влияния переменной нагрузки и жидкой хлоридсодержащей среды на коррозию арматуры в поперечных трещинах

7.4.1. Электрохимические и физические испытания опытных образцов

Одним из условий применения железобетонных конструкций с трещинами при эксплуатации в агрессивной среде является возможность допущения в определенных пределах коррозии арматуры в зоне поперечных трещин бетона для арматуры классов А-1, А-II, А-III и А-1V, не склонных к коррозионному растрескиванию, в нормативных документах [108, 477]. Это положение определяется затухающим характером процесса коррозии арматуры в трещинах бетона. Однако, все основополагающие результаты экспериментальных исследований коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона для СНиП 2.03.11 – 85* [477] и ГОСТ 31384-2008 [108]

были получены при действии постоянной длительной нагрузки и, следовательно, в постоянно раскрытых трещинах. В то же время в процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных переменных нагрузок. Железобетонные элементы зданий и ин-

214

женерных сооружений, например, мостов, в процессе эксплуатации в агрессивной среде, содержащей хлорид-ионы, испытывают воздействие также длительной циклической ступенчато-повторной нагрузки, когда в одном цикле нагружения в течение определенного времени действуют соответственно и максимальная эксплуатационная нагрузка и минимальная. Однако в нормативных документах [477, 479] режим действия этих нагрузок при обосновании допустимой ширины раскрытия поперечных трещин (аcrc), не учитывается.

В отдельных научных работах отмечается, что вероятность возникновения коррозии арматуры в трещинах бетона при переменном воздействии нагрузки больше, чем при постоянном [159]. Это связывается с периодическим нарушением оксидной пассивирующей плёнки на поверхности арматуры, механическим разрушением околоарматурного слоя бетона и вторичных продуктов коррозии металла. Поэтому проведение исследований по изучению коррозионного состояния арматуры в поперечных трещинах бетона, с учётом их переменного раскрытия, представляет особую ценность для выработки научных рекомендаций по повышению долговечности железобетонных конструкций.

Этот вопрос исследовался с помощью кратковременных и длительных экспериментов на железобетонных образцах и прямых моделях железобетонных конструкций. Предварительная оценка влияния переменной нагрузки на кинетику коррозии арматуры в зоне поперечных трещин проводилась на железобетонных образцах по кратковременным электрохимическим испытаниям арматуры с помощью:

•анодных поляризационных кривых;

•значений анодного коррозионного тока;

•потенциала арматуры.

Характеристики коррозионного поражения арматуры при переменном и постоянном раскрытии поперечных трещин определялись в процессе длительных натурных экспериментов. Электрохимические и физические испытания арматуры проводились в соответствии с разработанными методиками снятия анодных поляризационных кривых стали в бетоне и оценки коррозионного состояния арматуры в поперечных трещинах бетона [247, 306, 248].

Для проведения кратковременных электрохимических и длительных физических исследований коррозии арматуры в поперечных трещинах используются железобетонные балки размером 440 100 40 мм с одиночным арматурным стержнем класса Вр-1. Образцы изготавливаются на портландцементе марки 500 и гранитном щебне крупностью 5-10мм. Применяется бетон повышенной плотности с техническими характеристиками: класс В-39, водоцементное отношение 0,55; эффективный коэффициент диффузии СО2 в бетоне 0,53 (см2/с·10-4). Повышенная плотность

215

бетона принята из-за условия исключения коррозии арматуры вне зоны влияния поперечной трещины при длительном воздействии жидкой среды с высокой агрессивностью.

Каждый опытный образец в процессе испытания имеет только одну поперечную трещину с шириной раскрытия аcrc=0,20 мм. Обоснованием принятого значения аcrc является его нормативная предельно допустимая величина при воздействии жидких агрессивных сред по СНиП 2.03.11-85* [477]. Измерение аcrc осуществляется индикаторами часового типа с ценой деления 10 мкм, стационарно установленными на образцах на уровне арматуры [252, 253].

Для ускорения процесса нарушения пассивного состояния поверхности стали в поперечной трещине используется раствор NаСl с концентрацией хлорид-ионов Сl– = 35 г/л, располагаемый в зоне попеременного увлажнения арматуры на уровне её центральной оси.

Величина стационарного потенциала начала протекания анодного коррозионного тока на арматуре определяется с помощью анализа анодных поляризационных кривых стали, полученных на трех опытных образцах с постоянными раскрытыми трещинами (аcrc = 0,20 мм), равная E 300 мВ

(рис. 7.11) [251].

Рис.7.11. Анодные поляризационные кривые стали в бетоне с аcrc = 0,20 мм

Нарушение пассивного состояния стали в бетоне при потенциале, начиная с потенциала E 300 мВ на рис. 7.11 связано с понижением рН поровой

жидкостиуповерхностиметалла, вследствиеразрядаионов OH [501]:

216

Влияние переменного нагружения на изменение величины анодного тока на арматуре в трещинах бетона определяется на шести образцах – близнецах [248]. Каждый образец загружается двадцатью циклами кратковременной нагрузкой. Каждый цикл представляется в виде следующей схемы изменения ширины раскрытия трещин:

aсrс 0,03 0,10 0,20 0,30 0,40 0,30 0,20 0,10 0,03 мм.

Период между ступенями нагружения и разгружения для электрохимическойстабилизациикоррозииарматурысоставляетнеменее1 ч(рис.7.12).

Рис.7.12. Изменение величины анодного тока при переменном раскрытии трещин:

1 – аcrc = 0,03; 2 – аcrc = 0,1; 3 – аcrc = 0,2; 4 – аcrc = 0,3; 5 – аcrc=0,4 мм; n – циклы нагружения

С увеличением аcrc коррозионный процесс на арматуре увеличивается по линейной зависимости рис. 7.12. После 20 циклов приложения переменной нагрузки величина приращения анодного тока (i) в трещинах бетона с аcrc = 0,03; 0,10; 0,20; 0,30 и 0,40 мм соответственно составляет i = 1,6; 2,2; 2,4; 2,9 и 3,3 мкА, что почти в 2,5 раза превышает первоначальные значения [251]. Увеличение анодного тока на арматуре в трещинах происходит со всеми значениями аcrc, как при их росте, так и убывании. Это свидетельствует о незначительном влиянии изменения омического сопротивления бетона на величину анодного тока при различных

значений аcrc.

Однако, наиболее достоверно количественную сторону коррозионного поражения арматуры показывают не кратковременные, а длительные электрохимические показатели в сочетании с физическими характеристиками коррозионного процесса на арматуре (глубина, длина и площадь поражения) арматуры [159].

Влияние режимов эксплуатационных нагрузок, действующих на железобетонные конструкции (снеговые и ветровые нагрузки, нагрузки на перекрытия и от подвижного транспорта), на электрохимические и физи-

217

ческие характеристики арматуры экспериментально исследовано с помощью длительных испытаний восемнадцати образцов в следующих режимах нагружения–разгружения: кратковременное нагружение–разгружение (к), два дня – два дня, месяц – месяц [152, 248]. Переменная нагрузка вызывает кратковременное изменение длительного раскрытия аcrc= 0,20 мм на величину ∆аcrc=0,10 мм. Для сравнения одновременно в аналогичных условиях испытаны 12 контрольных балочек с постоянно раскрытыми трещинами [248].

Результаты длительных экспериментальных исследований железобетонных образцов в течение 120 суток при постоянном воздействии на них 3 %-го раствора NaCl на уровне растянутой арматуры в поперечных трещинах бетона приведены в табл. 7.6 [248, 254].

Таблица 7 . 6 Электрохимические и физические результаты длительных испытаний арматуры железобетонных образцов в зоне поперечных трещин бетона

Вероятность (р), математическое ожидание (М), доверительные верхние (ВИ) и нижние (НИ) интервалы для потенциала (Е) и плотности анодного тока (I), а также соответствующих физических характеристик коррозионного поражения арматуры: δср, δ(мах), ℓ, S и m для 18 образцов, загруженных переменной нагрузкой, приведены в табл. 7.7 [145].

Таблица 7 . 7 Вероятность и доверительные интервалы для оценки математического ожидания нормального распределения электрохимических и физических

характеристик арматуры при переменном раскрытии трещин

218

Согласно [159] потенциал пассивной стали в плотном не карбонизированном бетоне составляет менее Е = (−200) мВ. Электрохимические и физические характеристики коррозионного процесса на арматуре в табл.7.6 свидетельствуют о более активном коррозионном состоянии арматуры при переменном раскрытии трещин, по сравнению с постоянным. Переход от постоянного к переменному виду загружения увеличивает электрохимические и физические значения коррозионного поражения арматуры. Повышение этих значений по отношению к трещинам с постоянным раскрытиемсоответственносоставляетдляаcrc = 0,20 ммиаcrc = 0,30 мм:

для потенциала в 1,22 и 1,13 раза;

для плотности анодного тока в 1,96 и 1.57 раза;

для средней глубины коррозии в 1,86 и 1,13 раза;

для максимальной глубины коррозии в 1,39 и 1,19 раза;

для длины коррозии в 1,96 и 1,52 раза;

для площади коррозии в 1,80 и 1,29 раза;

для величины коррозионных потерь в 2,00 и 1,5 раза.

Результаты длительного эксперимента показывают, что действие продолжительной циклической переменной нагрузки приводит к увеличению электрохимических и физических характеристик коррозионного поражения арматуры до 2,0 и 1,5 раз по сравнению с постоянным загружением.

В работе [278] приведена методика расчета средней глубины поражения арматурной стали в бетоне по известным значениям коррозионного тока, ширине постоянно раскрытых трещин и диаметров арматуры. Согласно этой методике полученные экспериментальные значения плотности анодного тока достаточно хорошо соответствуют средним значениям глубины коррозионного поражения арматуры.

Затухание во времени процесса коррозии на арматуре в поперечных трещинах защитного слоя бетона железобетонных конструкций, рассчитываемых по третьей категории трещиностойкости, является надежной гарантией долговечности железобетонных элементов в агрессивной среде [159, 208, 278, 477]. Однако, нормированные значения ширины раскрытия поперечных трещин учитывают только результаты научных исследований коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона, полученных при постоянном их раскрытии [159, 477].

Кинетика коррозии арматуры в поперечных трещинах при переменном их раскрытии при действии жидкой хлоридсодержащей среды экспериментально исследована на железобетонных образцах. Длительные экспериментальные исследования кинетики физических и электрохимических характеристик коррозионного поражения арматуры в переменно раскрытых поперечных трещинах проведены в течение трёх с половиной лет на сорока пяти железобетонных образцах, с размерами 440 100 40 мм, изго-

219

товленных из бетона повышенной плотности с арматурой 1 4 мм Вр-1 [249].

Каждый образец имеет только одну поперечную трещину. Образцы нагружаются на силовых установках, позволяющих обеспечивать необходимые пределы изменения ширины раскрытия трещин асrс2 = 0,20 мм и асrс1 = 0,30 мм [252]. Ширина раскрытия трещин в зоне чистого изгиба измеряется по реперным точкам с помощью микроскопа МБС-2 с ценой деления измерительной линейки 14 мкм.

Согласно разработанной методике исследования в качестве активатора и ускорителя процесса коррозии на арматуре в трещинах бетона принят раствор хлористого натрия. Обоснованием этого решения является щелочной характер межфазовой жидкости в капиллярно-пористом теле бетона серий опытных образцов, изготовленных из алитового среднеалюминатного портландцемента [208]. Опытные железобетонные элементы периодически (три раза в сутки) увлажняются раствором 0,5 % NaCl с режимом воздействия переменной нагрузки 1 сутки (асrс1) и 6 суток (асrс2), что позволяет получить коэффициент ускорения коррозии арматуры в трещинах бетона около пяти [249]. Электрохимические и физические экспериментальные характеристики коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона приведены на рис. 7.13 и 7.14.

Рис. 7.13. Кинетика изменения параметров физических и электрохимических характеристик коррозионного процесса на арматуре в поперечных трещинах бетона:

П, φ – соответственно поляризуемость и потенциал арматуры; С, R – соответственно емкость и сопротивление системы.

Индексы: о, р – соответственно постоянное и переменное воздействие нагрузки

220