1882

УДК 624.21.012.4(043.3) ББК 38.74

О-35

Рецензенты: академик РААСН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория сооружений и строительных конструкций» В.В. Петров (Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина); академик РАТ председатель Поволжкого

отделения Российской академии транспорта доктор технических наук, профессор, А.В Кочетков (ФГУП РОСДОРНИИ г. Москва)

Овчинников И.И.

О-35 Моделирование кинетики деформирования армированных конструкций в специальных эксплуатационных средах: моногр. / И.И. Овчинников, В.Н. Мигунов, И.Г. Овчинников. – Пенза:

ПГУАС, 2014. – 280 с.

ISBN 978-5-9282-1139-4

Монография посвящена моделированию кинетики деформирования армированных конструкций в специальных эксплуатационных средах.

Приводятся известные экспериментальные данные по влиянию карбонизации, хлоридной и сульфатной коррозии, коррозионного растрескивания и радиации на поведение железобетонных конструкций и механические характеристики компонентов железобетона. Рассматривается использование теории структурных параметров для построения моделей железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами, с последующим анализом построенных моделей.

Книга представляетинтерес для широкого кругаспециалистов, занимающихсявопросами долговечности железобетонных конструкций, с учётом реальных условий их эксплуатации, атакжедлястудентов, обучающихсяпонаправлению08.03.01, 08.04.01 «Строительство».

Пензенский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

Самым распространенным в мире материалов является бетон и железобетон. Его применение определяется рядом факторов, в том числе и возможностью получать строительные конструкции различной формы с достаточной долговечностью во время эксплуатации. Однако, практически все инженерные сооружения различного назначения, выполненные из бетона, железобетона, сталежелезобетона, подвергается совместному воздействию эксплуатационных нагрузок, температуры, различных агрессивных сред и физических полей. В ряде случаев преобладающим видом воздействия может быть какой-либо один вид агрессивной среды либо физического поля, в других случаях имеет место совместное воздействие нескольких агрессивных сред или физических полей совместно.

Коррозионное разрушение железобетонных конструкций инженерных сооружений, происходит из-за таких факторов, как карбонизация, хлоридная коррозия, сульфатная коррозия, коррозионное растрескивание, а из физических полей, довольно часто действующих на железобетонных конструкции, является радиация.

Карбонизация происходит в результате диффузии углекислого газа, который практически везде в необходимом количестве содержится в воздухе, поэтому карбонизации подвергаются практически все железобетонные конструкции.

Довольно широко распространенным видом агрессивных эксплуатационных сред является хлоридсодержащая среда, источником появления которой служат средства-антиобледенители, применяемые при борьбе с гололедом на транспортных сооружениях; морская вода либо солевой туман, имеющие контакт с железобетонными конструкциями; добавки-уско- рители твердения, ранее использовавшиеся при зимнем бетонировании.

Также распространенным видом сред, с которыми контактируют железобетонные конструкции, являются сульфаты, встречающиеся в промышленном производстве (в коксохимическом производстве побочным продуктом является сульфат аммония; в промышленности основной химии производство серной кислоты занимает ведущее место и виды производств, в которых используется серная кислота и ее соли, весьма многочисленны; промышленность минеральных удобрений, целлюлозная, металлическая и многие другие отрасли широко используют растворы серной кислоты и ее солей), сульфаты также встречаются в природной среде (грунтовых водах, морской воде и др.), причем нередко они действуют совместно с хлоридами.

3

Многие конструкции в последнее время оказались в зоне воздействия радиационных факторов. К примеру, конструкции в зоне действия последствий аварии на радиационных объектах, различные несущие конструкции ядерных реакторов, конструкции могильников и хранилищ, служащих для складирования отработанного топлива и захоронения других радиоактивных отходов. Под влиянием радиационной среды происходит изменение свойств, как бетона, так и арматуры.

Коррозионное растрескивание также является весьма опасным, но при этом весьма слабо изученным видом разрушения железобетонных конструкций, причем особую чувствительность к коррозионному растрескиванию проявляют стали повышенной и высокой прочности, используемые в качестве предварительно напряженной арматуры. Этот вид разрушения во многих случаях приносит значительный материальный ущерб и может быть причиной серьезных аварий. Вообще в последнее время начинает преобладать точка зрения, что использование предварительно-напряжен- ного железобетона является «черной полосой» в истории транспортного строительства. Например, если «земские» железобетонные мосты, построенные более ста лет тому назад, стоят до сих пор, то для предвари- тельно-напряженных железобетонных мостов срок их безаварийной эксплуатации определен в пятьдесят лет.

Многочисленные результаты экспериментальных исследований и натурных наблюдений свидетельствуют о том, что воздействие вышеуказанных агрессивных и радиационных факторов приводит к существенным изменениям механических свойств материалов конструкций, а в некоторых случаях к изменению схемы работы самих конструкций. Во многих случаях изменение свойств материалов во времени носит необратимый характер и зависит от условий деформирования и взаимодействия с агрессивными средами. При проникании в железобетонные конструкции и последующем взаимодействии с бетоном и арматурой агрессивная среда вызывает изменение механических свойств бетона, коррозионный износ арматуры, нарушение сцепления арматуры с бетоном, образование и развитие коррозионных трещин и т.д. В результате происходит значительное снижение несущей способности и долговечности железобетонных конструкций, что может вызвать необходимость их преждевременного ремонта или замены.

Моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций с учетом эффектов воздействия агрессивных сред и физических полей позволит прогнозировать наступление неблагоприятных ситуаций и, тем самым, избежать возможного наступления аварийного состояния и организовать проведение ремонта в наиболее оптимальное время.

Проблема борьбы с коррозией железобетонных конструкций в последнее время приобретает особую актуальность. Теоретически наличие защит-

4

ного слоя бетона в железобетонных конструкциях должно обеспечивать их долговечную безопасную работу. Однако, из-за несоблюдения толщины защитного слоя, из-за плохого качества материала, из-за непредусмотренных параметров внешней агрессивной среды, не соответствующих проектным, имеют место нарушения этой ситуации и коррозия всё равно происходит. В результате этого значительно возрастают затраты на эксплуатацию конструкций, которые могут превышать затраты на капитальное строительство. Причем такое положение дел характерно не только для России, но и для других стран.

Проведенный анализ публикаций показал, что в научных центрах России и за рубежом ведется достаточно активная работа по разработке методов прогнозирования состояния железобетонных конструкций.

Теория расчета железобетонных конструкций, работающих в неагрессивной среде (хотя, по нашему мнению таких сред нет, все они в той или иной степени агрессивны) к настоящему времени достаточно развита и обоснована, но продолжает развиваться и далее в направлении учета запроектных воздействий, расчетной оценки долговечности и живучести конструкций. В то же время теория расчета конструкций, подверженных воздействию агрессивных и радиационных сред, несмотря на длительный период взаимодействия конструкций с этими факторами, только начинает разрабатываться, и потому существующие различные методики расчета конструкций, работающих в агрессивных и радиационных средах, имеют частный характер, основываются на выведенных авторами формулах с коэффициентами, определяемыми на основании опытных данных. Да и корректных экспериментальных данных, позволяющих провести достаточно полный анализ кинетики взаимодействия конструкций с агрессивными и радиационными средами, не всегда достаточно. Например, недостаточно экспериментальных данных по поведению железобетонных конструкций в агрессивных средах при программных (режимных) нагружениях, по кинетике взаимодействия железобетонных конструкций с агрессивными средами при наличии силовых или коррозионных трещин, хотя железобетонные конструкции обычно работают с трещинами, а их наличие меняет характер деструкционных процессов.

В монографии рассматриваются известные экспериментальные данные по влиянию карбонизации, хлоридной и сульфатной коррозии, коррозионного растрескивания и радиации на поведение железобетонных конструкций, а также на механические характеристики компонентов железобетона. Анализируется ряд случаев совместного воздействия нескольких внешних факторов на поведение железобетонных конструкций. Затем рассматривается применение теории структурных параметров для построения моделей железобетонных конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами, и приводятся примеры построения моделей железобетон-

5

ных конструкций, взаимодействующих с указанными выше агрессивными средами и применения их для моделирования поведения конструкций.

Следует отметить, что значительные исследования по разработке моделей деформирования различных конструкций при совместном действии нагрузок, агрессивных и радиационных сред проводились и проводятся в различных научных центрах нашей страны под руководством В.М. Бондаренко, Б.В. Гусева, В.И. Соломатова, В.П. Селяева, В.Ф. Ерофеева, Е.А. Гузеева, В.Ф. Степановой, В.И. Римшина, Л.М. Пухонто, Р.Б. Санжаровского, И.Г. Овчинникова, В.В. Петрова, В.А. Игнатьева, А.П. Прошина, Е.В. Королева, В.И. Колчунова, Н.В. Клюевой и других.

Отметим также, что задача разработки корректных моделей сопротивления несущих бетонных, железобетонных, сталежелезобетонных конструкций совместному воздействию внешних нагрузок, температуры, агрессивных и радиационных эксплуатационных сред представляет весьма значительный как научный, так и практический интерес, но в то же время весьма сложна, трудоемка и еще далека до окончательного решения.

6

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО ВЛИЯНИЮ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА КОМПОНЕНТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Кинетика взаимодействия и сопротивление железобетонных конструкций воздействию агрессивных эксплуатационных сред зависит от многих факторов, и в первую очередь от вида и характера воздействия агрессивной среды. При этом эксплуатационные среды можно условно разделить на три крупные группы:

–природные эксплуатационные среды, к действующим факторам которых можно отнести географическое расположение конструкций, макроклимат, влажностно-климатическое зонирование, широтную ориентацию, продолжительность светового дня, ориентацию по сторонам света, господствующие ветра, экологию, грунтовые и технические воды, магнитные аномалии, и тому подобное;

–производственные эксплуатационные среды, к которым можно отнести среды стандартных производств, не содержащих каких-либо особых воздействий (эти среды характеризуются температурно-влажностным режимом помещений, газо-воздушной средой и зависят от технологических процессов, инженерных систем, изолирующих свойств ограждающих конструкций, по отношению к природным эксплуатационным средам);

–специальные агрессивные среды, определяемые технологическими регламентами, имеющие определенную концентрацию, химическую активность, условия и периодичность контакта, зависящие от температуры, давления и других факторов, сюда же относятся и радиационные среды и воздействия.

В данной работе основное внимание будет уделено агрессивным средам третьего типа, то есть специальным средам, оказывающим весьма активное деструктирующее воздействие на железобетонные несущие конструкции.

Рассмотрим виды агрессивных сред и применяемые при их изучении классификации.

Так как эксплуатационная среда многопланово воздействует на железобетонные конструкции, то степень влияния среды может оцениваться по различным признакам. Например, нормативные документы [1, 2] дают оценку степени агрессивности газообразных, жидких и твердых сред в зависимости от концентрации агрессивных веществ среды и характеристик бетона по водонепроницаемости и вида цемента. Однако в оценке степени агрессивности среды не регламентированы продолжительность воздействия среды, характер и степень повреждений, глубина коррозионного поражения, не учитываются напряженное состояние бетона, арматуры, вторичная защита, температурные, конструктивные и другие факторы.

7

Среды, в зависимости от содержания и концентрации компонентов, по степени агрессивности подразделяются на неагрессивные, слабо-, средне- и сильноагрессивные. При этом они дифференцированы для бетона и железобетона.

По общепринятой международной классификации, предложенной В.М. Москвиным [3], коррозионное воздействие любых сред на бетоны подразделяют на три основных вида:

а) к коррозии 1-го вида относят процессы, возникающие в бетоне при воздействии на него вод с малой жесткостью, когда составные части цементного камня растворяются, вымываются и уносятся перемещающейся водной средой;

б) к коррозии 2-го вида относят процессы, которые развиваются в бетоне при воздействии на него жидких сред, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня, с образованием продуктов легко растворимых водой либо аморфных продуктов, не обладающих вяжущей способностью массы в зоне реакции;

в) к коррозии 3-го вида относят все процессы коррозии бетона, под действием жидких агрессивных сред, при развитии которых в порах, капиллярах и других пустотах бетона происходит накопление малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение значительных усилий в стенках структуры цементного камня, ограничивающих рост кристаллических образований;

Влияние газовой среды оценивается группой газов по классификации, предложенной С.Н. Алексеевым [4]:

1)газы, образующие при взаимодействии с гидроксидом кальция практически нерастворимые и малорастворимые соли, кристаллизующиеся

снебольшим изменением объема твердой фазы;

2)газы, образующие слаборастворимые кальциевые соли, которые при кристаллизации присоединяют значительное количество воды.

3)газы, которые, реагируя с гидроксидом кальция, образуют хорошо растворимые соли, обладающие высокой гигроскопичностью:

а) не вызывающие коррозии стали в щелочной среде бетона; б) вызывающие коррозию стали в щелочной среде бетона.

Существует ряд методов оценки степени воздействия агрессивной среды на конструкции.

Метод оценки степени воздействия среды по внешнему виду бетонных образцов. За критерий стойкости принимают продолжительность до появления признаков визуально оцениваемых разрушений бетона. Так, Н.А. Мощанский [5] предлагал использовать пятибалльную систему, где баллом «5» характеризуется отличное состояние образцов, без изменения внешнего вида; баллом «1» – полное разрушение.

8

Метод измерения линейных деформаций бетонных образцов, находящихся в агрессивных растворах, характеризует коррозию бетона в условиях, когда под влиянием агрессивных растворов образуются новые соединения, объем которых больше суммы объемов исходных веществ, что сопровождается увеличением объема образцов. Наиболее точные результаты данный метод позволяет получить при коррозии третьего вида. Работами В.М. Москвина [3], Ф.М. Иванова [6], Г.В. Чехний [7] и других установлено, что величина деформации коррозионного расширения зависит от размера и формы опытного образца, марки цемента, агрессивности среды.

Метод определения потери массы бетонных образцов за определенный промежуток времени с целью количественной оценки воздействия сред на цементный камень использовали В.И. Бабушкин [8], В.Б.Ратинов, В.Д. Миронов [9] и др.

Метод определения снижения прочности образцов на сжатие и поперечный изгиб применяли В.В. Кинд [10], Н.А. Мощанский [5], Ф.М. Иванов [6], Ю.М. Бутт [11] и др.

Метод оценки величины динамического модуля применялся В.М. Москвиным [3], А.И. Панферовой [12] и другими исследователями.

Качественный химический метод – определение глубины проникновения различных агрессивных агентов в тело бетона путем обработки образцов срезов бетона соответствующими индикаторами использовали А.И. Попеско [13,14], Ф.М. Иванов [15].

Количественный химический метод, основанный на определении концентрации агрессивных агентов по телу бетона. Этот метод применяли в своихисследованияхФ.М. Иванов[6], Е.А. Гузеев[16], В.В. Яковлев[17] идр.

Влияние газовых сред. Газовые и воздушно-газовые среды, по многочисленным оценкам [17-26], являются менее агрессивными по отношению к бетону и железобетону и меньше снижают его защитные и физикомеханические характеристики за счет меньшего влажностного орошения конструкции и менее интенсивного капиллярно-пористого миграционного движения поровой влаги между внутренними и поверхностными слоями бетона, под действием различных факторов, сопровождающегося меньшим, чем при влажных, и жидких средах, прониканием агрессивных агентов вглубь бетона. При нормальной влажности среды и бетона, частичном заполнении пор диффузионная проницаемость бетона выше, чем при жидкой.

После раскрытия коррозионных или нормальных трещин конструкций, эксплуатирующихся в газовоздушных средах производственных зданий с сухим и нормальным влажностным режимом эксплуатации, процесс коррозии арматуры может более значительно замедляться, чем при действии влажной и жидкой агрессивной среды [27, 28, 29, 5, 30, 17].

9

Влияние жидких сред. Рядом авторов подробно изучены процессы коррозии и снижения прочности бетона под действием различных жидких агрессивных сред. Процесс коррозии в жидких средах начинается с процессов гидратации кальциевой составляющей минералов цементного камня и в дальнейшем зависит от реакционной способности и уровня кислотности анионов среды, а также от присутствия катионов. Наиболее распространены хлорные, сульфатные и карбонатные жидкие среды.

Хлоридная коррозия изучена в работах В.М. Москвина [3], Е.А. Гузеева [16], В.В. Яковлева [17], В.М. Бондаренко [31], И.Г. Овчинникова [32], А.И. Попеско [13, 14], Сеткова В.Ю. [33] и др. Среди основных источников хлоридного загрязнения железобетонных конструкций: хлоридсодержащие средства-антиобледенители на основе каменной соли, применяемые с целью обеспечения безопасности проезда автотранспорта при гололеде на проезжей части мостов, морскую воду, либо солевой туман, ускорители твердения, очищающее хлорирование.

Процессы сульфатной коррозии железобетонных конструкций описываются в работах И.Г. Овчинникова [34], А.И. Панферовой [35], Н.В. Савицкого [36], А.А. Тытюк [37], Г.В. Чехний [38], Ф.А. Ракутумаву [39] и др.

Агрессивное действие углекислоты на бетон описано в [3, 6, 28, 38, 40–43] и других.

Угольная кислота в воде (поровой и среды) диссоциирует в две ступени: Н2СО3 = Н+ + НСО3- и НСО3- = Н++СОЗ2- . Для устойчивого состояния НСО3- в присутствии ионов необходимо некоторое количество СО2. При свободном омывании водой поверхности достаточно массивных сооружений, когда процесс коррозии происходит при диффузионном контроле потока гидрооксида кальция из глубины к поверхности бетона, содержание в воде углекислоты будет усиливать растворяющее действие воды пропорционально содержанию углекислоты [28, 44]. Карбонизация опасна не только сама по себе. Из-за нее резко, почти в два раза, снижается граница критического содержания хлорид–иона в бетоне приарматурной зоны и сопротивляемость конструкции хлоридной коррозии арматуры.

Наиболее опасным фактором является попеременное воздействие жидких и газовых сред. СНиП и СП [1, 2] в этом случае повышают степень агрессивного воздействиясреды.

1.1. Карбонизация железобетонных конструкций

При действии углекислоты воздуха происходит карбонизация бетона сначала на поверхности, а затем и в более глубоких слоях. В результате концентрация водородных ионов в растворе снижается до 8,0-9,5. В этих условиях надежной пассивации поверхности металла не происходит и становится возможным возникновение и развитие процессов коррозии

10