1807

Продолжение табл. 6 . 2

Нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций, обеспечивая в целом высокий технико-экономический уровень проектных решений конструкций в неагрессивных условиях, вопросам эксплуатационной надежности сооружений с агрессивными эксплуатационными средами уделяют недостаточное внимание. Влияние агрессивных сред на сопротивление железобетона учитывается косвенным образом через аппарат коэффициентов надежности, имеющих достаточно грубую градацию.

В нормативных документах, представленных в табл. 6.2, отсутствуют методы расчета долговечности железобетонных конструкций. Например, в СНиП 2.03.11-85* [477] заложены только принципы выбора средств защиты железобетона в зависимости от степени агрессивного воздействия среды. В своде правил СП 28.13330.2012 [493] в актуализированной редакции СНиП 2.03.11-85 приведены только технические требования к защите строительных конструкций, выполненных из бетона и железобетона, с нормативными сроками эксплуатации в агрессивных средах 50-100 лет.

41

ВСНиП 52-01-2003 [479] вопрос о долговечности при различных агрессивных воздействиях на конструкцию обеспечивается выполнением требований, устанавливаемых соответствующими нормативными документами по защите строительных конструкций от воздействия агрессивных сред:

•к бетону и его составляющим;

•к арматуре;

•к расчетам конструкций;

•к конструктивным требованиям;

•к технологическим требованиям;

•по эксплуатации.

СНиП 52-01-2003 [479] не устанавливает расчетные сроки службы конструкций. Он только констатирует, что расчет долговечных бетонных и железобетонных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп должен производиться с учетом влияния окружающей среды и продолжительности межремонтного периода. При этом минимальный срок службы конструкций согласно СНиП 52-01-2003 должен быть не менее нормативного срока, установленного для конкретных типов зданий и сооружений.

Положения действующих нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивной среды, основаны на недопущении изменения физико-механических характеристик бетона и арматуры во времени в условиях протекания коррозионных процессов [120].

Вметодике расчёта по СНиП 52-01-2003 принято, что свойство бетона однородны по сечению. Однако, протекание сульфатной коррозии в бетоне вызывает в сечении железобетонной конструкции образование слоёв из бетонов, отличающихся не только различными прочностными и упрогопластическими свойствами, но и предельной деформативностью. Поэтому

вотличие от СНиП 52-01-2003 при расчёте элементов с учётом кинетики коррозионных процессов в бетоне при исследовании долговечности железобетонных элементов применяется деформационная теория расчёта,

вкоторой используются результаты испытаний простейших образцов бетона и арматуры (уравнения механического состояния материалов) и модельные представления железобетонных элементов. При этом объём испытаний намного уменьшается [425, 426]. В своде правил СП 52-101–03 [491], выпущенных как дополнение к СНиП 52-01-2003 [479], требования к долговечности содержатся в виде:

•геометрических размеров элементов конструкций;

•коэффициента армирования;

•толщины защитного слоя бетона;

•защиты конструкций от неблагоприятного влияния воздействия среды.

42

Нормативные сроки службы без методики их расчета представлены в [234], в СНиП 32-05-2002 «Мосты и трубы» [401], разработанных вместо СНиП 2.05.03-84* [478], СНиП 3.06.04-91 [480], СНиП 3.06.07-86 [481].

Этими нормативными документами долговечность признана одним из потребительских функциональных свойств мостового сооружения. Положения СНиП 32-05-2002 устанавливают нормативные сроки службы мостовых конструкций, исходя из двух различных методических подходов: учёта морального износа пролетных строений, ориентируясь на исчерпание функциональных потребительских свойств, вследствие повышения со временем требований к ним по мере развития транспортных средств и роста интенсивности движения и рассмотрение сроков физического износа конструкций при рациональной системе эксплуатации мостов. Оба подхода предусматривают оптимальные сроки службы пролетных строений в диапазоне 50-80 лет, а для фундаментов и массивных столбчатых опор –

75-120 лет.

Существующая методика расчетного прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений автодорожных мостов предусматривает определение срока службы, с учётом их остаточного ресурса [238]. Срок службы определяется временем достижения предельного физического износа для отдельных элементов пролётных строений. Функция износа, представленная в [238] соответствует функции отказа из теории надёжности (рис. 6.1):

Рис. 6.1. Функция износа:

где е – натуральное число; ti – временной параметр (годы); T0 – период приработки; λ – показатель функции износа, отражающий качество конструкций после изготовления и монтажа, качество содержания, реальные транспортные и природно-климатические условия функционирования объекта

43

Недостатком методики является её применимость только для прогнозирования среднего срока службы группы мостов с одинаковыми характеристиками, а не для какого-то одного конкретного сооружения.

В нормах РВСН 20-01-2006 СПб даётся прямая оценка проектного ресурса железобетонных конструкций во вновь возводимых и эксплуатирующихся зданиях и сооружениях из железобетона [448]. В ГОСТ 31384-2008 [108] установленный нормативный срок службы конструкций в 50 лет не учитывает предельного состояния по глубине повреждения бетона в средах различной агрессивности.

Анализ приведённых нормативных документов показывает, что практически все они сводятся к назначению нормативных сроков службы,

ане для прогнозирования реальных сроков службы.

6.2.Анализ исследований по разработке математических моделей долговечности материалов

железобетонных конструкций

6.2.1. Общие положения

Целью математического моделирования долговечности железобетонных конструкций является определение значений будущих физикотехнических параметров конструкций по фактическим физико-химическим характеристикам бетона арматуры и их взаимодействия, полученным на первоначальном участке времени.

Римшин В.И. [454] отмечает, что при учете прогнозирования долговечности железобетонных элементов должны использоваться методы численного моделирования. Особое внимание следует уделять изучению физико-химических и механических процессов в структуре материалов, ведущих к повышению хрупкости или наоборот к псевдопластичности материалов в условиях напряженного состояния. Предложен переход в расчетах конструкций от введения коэффициентов условий работы к математическим моделям, отражающим деградацию в зависимости от структурных, масштабных, технологических и эксплуатационных факторов.

Теоретической основой для проведения экспериментальных исследований особенностей коррозии бетона в различных агрессивных средах являются методы физической химии, с учётом определения фазового состава продуктов химических реакций процессов коррозии. Изучением поведения деформирования и разрушения материалов при воздействии внешних факторов занимается физико-химическая механика материалов (ФХММ). С позиций физико-химической механики дисперсных структур бетон является самым сложным строительным материалом, имея коагу- ляционно-кристаллизационную капиллярно-пористую иерархическую

44

конгломератную (композитную) структуру твердения. Исследования долговечности бетона невозможно проводить без применения физикохимической механики бетона [450, 511].

Принципы физико-химической механики успешно используются и при исследовании коррозии арматуры в бетоне. Процесс коррозии стали в бетоне подчиняется закономерностям электрохимии [447], являющейся разделом физической химии. Однако как отмечается в [187], ФХММ практически ничего нового не предложила вместо раскритикованных методов расчета, из-за отсутствия надежной физической теории, описывающая поведение материалов в агрессивных средах.

Математическое моделирование коррозионного разрушения материалов основывается на экспериментальных данных, полученных в натурных условиях, и сводится к математическому описанию процесса изменения во времени параметров, характеризующих степень коррозионного поражения конструкции. В качестве параметров используется глубина коррозионного поражения , потеря массы G, изменение площади поперечного сечения А конструкции [316].

Классификация является наиболее важным методом модельного исследования [367, 404]. Научная заслуга В.М. Москвина по отношению к изучению долговечности бетона состоит в том, что он впервые предложил научную классификацию повреждений в пористой структуре бетона, выделив по характеру повреждений 3 главных вида [277]:

а) потеря бетоном массы при выносе из него растворимых соединений (коррозия 1 вида);

б) перерождение бетона при химическом взаимодействии компонентов его структуры с агентами среды (коррозия 2 вида);

в) внутрипоровое давление и напряжения в структуре бетона, превышающие его прочность, вследствие образования в порах бетона расширяющихся комплексов, в частности, кристаллов слаборастворимых солей (коррозия 3 вида).

В соответствии с общими принципами системного анализа бетон и происходящий в нём коррозионный процесс рассматриваются как единая целостная система с выявлением в структуре бетона иерархии композитов и их взаимодействия друг с другом [367].

Впервые приёмы моделирования для изучения коррозии строительных материалов были использованы А.Ф. Полаком и В.Б. Ратиновым [409, 410].

Разработка математических моделей долговечности железобетонных элементов, испытывающих воздействие агрессивной химической среды, основана на изучении [560, 159]:

•физических и химических процессов в структуре бетона;

•механизма коррозии арматуры;

45

•механизма образования трещин в бетоне и изучения их влияния на процессы коррозии;

•агрессивности окружающей среды;

•проницаемости защитного слоя бетона;

•механизма сцепления бетона и арматурой;

•взаимодействия силовых и несиловых факторов в структуре бетона. К математическим моделям долговечности элементов железобетона

предъявляются следующие требования [315, 353, 463]:

•обладание достаточной простотой, позволяющей получить замкнутые системы уравнений, описывающие поведение элементов конструкций

сучетом воздействия среды;

•возможность учёта методов исследования макроскопических свойств материалов;

•возможность учёта допущений о материальном континууме в виде непрерывности движения во времени и по пространственным координатам, позволяющим использовать для решения поставленных задач дифференциальное и интегральное исчисление;

•возможность учёта физико-химических явлений при воздействии агрессивных сред не только на механические, но и физико-химические параметры, характеризующие состояние материала.

Впервые основные методики расчёта несущих железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой были предложены В.М. Москвиным, Е.А. Гузеевым и С.Н. Алексеевым [159, 276]. Методики предусматривают разработку:

•физических и математических моделей процесса массопереноса с учётом химических реакций, процессов накопления повреждения в структуре бетона, деформирования и разрушения элементов конструкций;

•аналитических, численных, численно-аналитических и инженерных методов исследования математических моделей;

•экспериментальную идентификацию характеристик бетона в моделях массопереноса;

•физико-механических и реологических характеристик бетона, как функций количественной характеристики коррозионного процесса;

•опытную проверку моделей напряженно-деформированного состояния элементов.

Основополагающие принципы математического моделирования сопротивления конструкций различным силовым и климатическим воздействиям, основанные на положениях строительной механики, деформируемого твёрдого тела, упругопластического деформирования разносопротивляющихся анизотропных материалов содержатся в работах: С.В. Александровского [8], Т.И. Барановой [33], В.М. Бондаренко [48], А.А. Гвоздева [100], Ю.П. Гущи [148], В.А. Игнатьева, И.И. Овчинникова [343], Н.И. Кар-

46

пенко [190], Л.Г. Комохова [206] И.Г. Овчинникова [316, 317], В.В. Петрова [375], А.М. Подвального [402,403], А.А. Прокоповича [435], Л.М. Пухонто [437], Ю.Н. Работнова [441], Б.С. Соколова [486]. Разработку моделей деформирования различных элементов железобетонных конструкций при совместном действии нагрузок и агрессивных сред в разное время проводили Ю.М. Баженов [29], В.И. Соломатов и В.П. Селяев [487, 488], В.И. Римшин [454], Б.В. Гусев [137], В.Ф. Степанова [499], Р.Б. Санжаровский [462], П.Г. Комохов [206], В.П. Селяев [467]. Моделирование процессов снижения долговечности железобетонных конструкций отражены в работах Е.А. Гузеева [115, 116, 117], К.А. Пирадова [379, 380], Савицкого [460] с использованием подходов механики разрушения теории трещин и основных параметров эффективной энергии разрушения G и коэффициентов интенсивности напряжений К1.

Яковлев В.В. в работе [558] отмечает, что получение математических моделей любого процесса возможно двумя различными путями. Первый путь предусматривает разработку детерминированных математических моделей с учётом закономерностей физико-химических и физико-механиче- ских процессов, протекающих в исследуемом материале при коррозионном воздействии среды [206]. Второй путь является эмпирическим. По нему строятся статистические модели.

Овчинников И.Г. в работе [232] констатирует, что математические модели делятся на физико-химические модели причинно-следственного типа, устанавливающие зависимость между параметрами окружающей среды (температурой, влажностью, химическим составом) и параметрами коррозионного процесса и феноменологические модели, описывающие кинетику изменения параметров в виде некоторой функциональной или дифференциальной зависимости от времени.

Недостатками существующих физико-химических моделей [45, 183, 272] является то, что при их разработке в большинстве случаев учитываются данные о кинетике коррозионных процессов, полученные в результате лабораторных исследований на образцах с ограниченным набором воздействующих внешних факторов. При моделировании влияния каждого из факторов системы отдельной эмпирической функцией или коэффициентом смоделировать взаимное влияние факторов очень затруднительно, что способствует значительному отклонению результатов прогнозов. Методы физической химии являются в основном качественными и непосредственно в расчетах конструкций не используются.

Гусев В.Б., Файвусович А.С., Степанова В.Ф., Розенталь Н.К. констатируют, что возможности чисто экспериментальных методов исследований из-за большой трудоёмкости в значительной мере ограничены [135]. Поэтому в последние десятилетия ведется активная разработка эмпирических и полуэмпирических моделей, учитывающих накопление дефектов

47

в бетоне и арматуре в результате воздействия химико-физических процессов и нагрузки. Эти деградационные модели определяют надежность железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, при заданной продолжительности эксплуатации. Наиболее важными среди них являются математические модели процессов коррозии, определяющие долговечность конструкций.

Пухонто Л.М. подчёркивает, что эмпирические модели коррозии описывают кинетику коррозионного износа в виде законов изменения положения границы между неповрежденной и пораженной коррозией частями сечения [437].

Полуэмпирические модели в терминологии В.В. Болотина [46, 47] связывают скорости постепенного накопления повреждений с действующими силовыми и несиловыми воздействиями.

Более приемлемыми по сравнению с физико-химическими моделями для научных исследований коррозионного разрушения напряженных элементов конструкций по данным И.Г. Овчинникова являются математические феноменологические модели, построенные на основе феноменологического подхода в виде алгебраических выражений, связывающих параметры коррозионного повреждения со временем, либо дифференциальные, интегро-дифференциальные уравнения, описывающие кинетику изменения коррозионного процесса во времени с учетом различных факторов [316].

Основной недостаток феноменологических моделей по сравнению с моделями причинно-следственного типа состоит в том, что выбранная формула может не иметь ничего общего с «настоящей» закономерностью и не всегда может быть достаточно надежной основой для прогнозирования.

Теоретической основой при разработке феноменологических моделей долговечности железобетонных конструкций служат законы физической химии, теории тепломассопереноса и фазовых переходов, позволяющие получить количественные оценки, протекающих во времени химических и физических процессов. Эти модели совместимы с уравнениями механики бетона, так как содержат параметры, учитывающие вид и уровень действующих напряжений.

При расчете напряженно-деформированного состояния вязкоупругих тел, вызванного внешними нагрузками и воздействием газообразных и жидких агрессивных сред, диффузирующих через поверхность, различными исследователями предлагаются следующие подходы к описанию поведения материалов и конструкций, с учётом рассмотрения сущности физико-химических процессов, происходящих в материалах:

• использование аналогии между задачами термовязкоупругости и задачами влагоупругости. Влияние диффузирующей жидкой среды на механические свойства материала происходит через коэффициенты уравнений, являющиеся функциями концентрации агрессивной среды. Распре-

48

деление концентрации агрессивной среды по объему конструктивных элементов находится из решения нелинейного уравнения массопереноса [494, 495], коэффициенты которого зависят от уровня напряженнодеформированного состояния элементов конструкций. Однако, решение подобных задач из-за их сложности в большинстве случаев оказывается возможным осуществить лишь численными методами;

•рассмотрение материала, как твердого раствора с учетом взаимосвязи деформации, диффузии вещества и теплопроводности в рамках необратимых процессов механики сплошной среды [184, 185, 407];

•использование модели электропроводности тела, для описания процессов деформирования, теплопроводности, диффузии, электропроводности и поляризации с учетом химических реакций [90];

•рассмотрение механического разрушения, как химической реакции разрыва межатомных связей, несущих механическую нагрузку, с учётом как термической деструкции, так и величины растягивающего напряжения

[155];

•принятие рабочей гипотезы, что механические напряжения не изменяют механизма реакций деструкции полимеров, а механодеструкция проходит те же стадии, что и деструкция в отсутствие напряжений, но с существенным изменением соотношений между стадиями [231, 155];

•построение математических моделей с использованием методов механики сплошной среды, с включением в систему определяющих параметров не только механических, но и физико-химических параметров, учитывающих влияние агрессивной среды на кинетику процессов деформирования и разрушения [194, 229];

•использование методики мониторинга эксплуатируемых мостов. путепроводов и других транспортных сооружений в рамках действующего СНиП по мостам с учетом климатических воздействий с помощью экспресс-метода прогноза поведения бетона [14];

•учёт влияния напряженно-деформированного состояния на скорость снижения прочности и модуля упругости бетона, оцениваемого введением понятия о безразмерном уровне напряжений в бетоне. Например, при

вычислении min от относительного уровня напряжений учитывается минимальное напряжение в волокне, т.е. от действия только длительной нагрузки [325].

Преимуществом физико-химических моделей по сравнению с эмпирическими моделями по заключению В.В. Яковлева [558] является описание кинетики коррозии бетона в более широком спектре параметров агрессивной среды и характеристик бетона. В то же время учёт физико-химических явлений, описывающих поведение материалов и элементов конструкций в феноменологических математических моделях при воздействии агрессив-

49

ных сред, может происходить с помощью включения не только механических, но и физико-химических параметров [320, 315, 326].

Построение феноменологических моделей деформируемых тел с учетом физико-химических явлений на поверхности и в объеме происходит с учётом использования положений неравновесной термодинамики и механики сплошной среды. Развивающиеся в конструкциях с течением времени процессы деформирования и разрушения являются термодинамически необратимыми [165, 354, 419]. Для характеристики необратимых процессов в термодинамике применяется понятие энтропии. В работах [198, 199] предлагается использовать энтропию для исследования прочности. При этом наиболее общим методом при учете воздействия агрессивной среды являются два вида энтропийного подхода [545].

Первый подход описывает механическое разрушение влиянием химических реакций разрыва межатомных связей, несущих механическую нагрузку. Скорость разрыва напряженных связей зависит не только от температуры, но и величины растягивающего напряжения [3, 231]. При этом расчётная долговечность определится из решения уравнения кинетики деструкции с учетом температуры, напряжений и концентрации. Однако, из-за взаимовлияния рассматриваемых процессов эта зависимость является очень сложной [102, 345],

Второй подход к построению математических моделей учитывает воздействие агрессивной среды с помощью использования методов механики сплошной среды путём включения в систему определяющих параметров не только механических, но и физико-химических параметров поведения материалов и элементов конструкции, влияющих на кинетику процессов деформирования и разрушения железобетонных конструкций [194, 229]. Этот подход был развит в работах Саратовской школы механики [315, 318– 320, 322, 326, 368, 376, 375]. При этом общая модель конструкции представляется в виде нескольких моделей: модели конструктивного элемента, модели материала, модели воздействия среды, модели наступления предельного состояния. Модель воздействия агрессивной среды представляется в виде модели слоистой неоднородности для описания кинетики коррозии металлов и модели наведенной распределенной неоднородности, применяющейся для описания кинетики деградации механических свойств композитов. Слоистая неоднородность определяется законом движения фронта изменения механических свойств, распределённая неоднородность – скалярной функцией пространственных координат и времени.

Разработка математических моделей с использованием второго подхода включает три самостоятельных этапа:

•структурная идентификация моделей;

•разработка алгоритмов построения моделей;

50