1882

x, см

эксперим. теоретич.

Рис. 2.57. Концентрация углекислого газа в бетоне:

а – t = 600 сут; б – t = 1800 сут

242

Таблица 2 . 4 1

Предложенная модель, основанная на введенном параметре химического взаимодействия , кинетическом уравнении для него (2.239) или упрощенной аппроксимации его решения (2.241) с учетом (2.246) позволяет более корректно описать процесс карбонизации железобетонных конструкций, приводящий к деградации бетона и коррозии арматуры.

2.8.3.Модель деформирования железобетона

вусловиях совместного воздействия хлоридсодержащей среды и карбонизации

Модель в данном случае представляет собой сочетание моделей нагружения, конструктивного элемента, воздействия агрессивной среды (карбонизации и хлоридной коррозии), деформирования материала с учетом изменений, вызванных действием агрессивной среды и модели коррозионного износа арматуры [114].

При построении модели деформирования бетон рассматривается как нелинейный, разномодульный материал. Диаграмма деформирования бетона принимается в виде кубической параболы:

котораяучитываетразличнуюработубетонаприрастяжении(р) исжатии(с). В виду того, что пока не обнаруживается полного спектра эксперимен-

тальных данных по совместному влиянию и карбонизации, и хлоридной коррозии на кинетику деградации бетона, то для учета этого влияния на процесс деформирования используем следующую гипотезу. Находим функции влияния от воздействия каждого фактора по отдельности, а затем

243

просто перемножаем эти функции влияния, тем самым, учитывая их совместное воздействие:

где (С) – функция влияния хлоридной коррозии; ( ) – функция влияния карбонизации; С – концентрация хлоридов.

Анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных по влиянию хлоридной коррозии и карбонизации железобетона на механические характеристики арматурных сталей позволяют заключить, что данное воздействие не сказывается на характере кривой деформирования образцов ненапрягаемой арматуры. Поэтому при совместном воздействии на железобетон карбонизации и хлоридной коррозии модель деформирования арматуры имеет вид:

где A, m – коэффициенты, определяемые из условия наилучшей аппроксимации кривых одноосного деформирования образцов арматурной стали.

Модель коррозионного износа арматуры принимается в виде [6]:

где δ – глубина коррозии арматуры; tinc – инкубационный период.

При карбонизации бетона критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия арматуры, уменьшается в два раза, т.е.

Cкрк Cкрн 2 . Следовательно, и инкубационный период при карбонизации

будет меньше, т.е. tincкарб. tincбезкарб .

Рассмотрим два случая изменения критической концентрации хлоридов (при которой начинается коррозия арматуры).

Случай 1. Критическая концентрация хлоридов изменяется скачкообразно (рис. 2.58). Такого случая придерживается подавляющее число исследователей. В рамках настоящей работы также будем придерживаться этого случая: при достижении в точке сечения железобетонного элемента критического значения параметра химического взаимодействия μкр, в этой точке происходитуменьшениякритическойконцентрациихлоридоввдвараза.

Случай 2. Критическая концентрация хлоридов уменьшается не скачкообразно, а имеет некоторую переходную зону (рис. 2.59).

Как показывают некоторые экспериментальные данные, карбонизация продвигается в железобетон не сплошным фронтом, а размытым. Имеется

244

переходная зона, в которой критическая концентрация хлоридов изменяется по некоторому закону.

Рис. 2.58. Схема проникания хлоридов и углекислого газа в железобетонный элемент (случай 1)

Рис. 2.59. Схема проникания хлоридов и углекислого газа в железобетонный элемент (случай 2)

При оценке напряженного состояния железобетонной конструкции (в т.ч. и мостовой), необходимо учитывать различные варианты воздействия агрессивной среды.

В табл. 2.42 приводятся случаи воздействия агрессивной среды (на примере хлоридов и углекислого газа) на железобетонный конструктивный элемент.

245

Учитывается, что коррозия арматуры может начаться не только при воздействии хлоридов, но и в результате карбонизации. По аналогии с хлоридной коррозией принято, что коррозия арматуры начинается при достижении у ее поверхности некоторой критической величины параметра химического взаимодействия кр.

В табл. 2.42 под «фронтом» понимается наличие в данной точке железобетонного элемента критической концентрации хлоридов С = Cкр или величины параметра химического взаимодействия = кр.

2.8.4.Модель деформирования сжимаемого железобетонного конструктивного элемента, подвергающегося воздействию хлоридсодержащей среды и карбонизации

Рассмотрим модель деформирования сжимаемого конструктивного элемента из железобетона, подвергающегося воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации (стойка опоры моста). Модель в данном случае представляет собой сочетание моделей конструктивного элемента, воздействия хлоридной коррозии и карбонизации, деформирования материала с учетом изменений, вызванных действием хлоридной коррозии и карбонизации, коррозионного износа арматуры и наступления предельного состояния.

Модели проникания агрессивной хлоридсодержащей среды и углекислого газа в железобетон в соответствии с концепцией размытого фронта имеют вид:

где L(t) – закон продвижения границы размытого фронта для хлоридсодержащей среды и углекислого газа (2.243) вглубь конструктивного элемента,

– для бетона, подверженного хлоридной коррозии:

– для бетона, подверженного карбонизации:

– для бетона, подверженного и карбонизации и хлоридной коррозии:

Модель коррозионного износа арматуры имеет вид (2.250). Принимается, что предельное состояние конструктивного элемента

может наступить вследствие достижения напряжениями в любой точке неповрежденной и поврежденной части сечения некоторого опасного уровня. Для бетона этот уровень соответствует максимальным сжимающим напряжениям на диаграмме деформирования, для стальной арматуры – пределу текучести.

Вывод уравнений деформирования железобетонной стойки, подвергающегося воздействию нагрузки, агрессивной хлоридсодержащей среды и карбонизации, рассмотрим на примере стойки опоры сплошного сечения

(рис. 2.60).

Рис. 2.60. Железобетонная стойка сплошного сечения

В качестве модели коррозионного износа арматуры будем использовать соотношение (2.250). Рассмотрим стадии работы сжатой стойки опоры сплошного поперечного сечения (см. рис. 2.60) в агрессивной среде при различных моделях коррозионного износа арматуры.

248

Схема стадийности работы сплошного стержневого железобетонного конструктивного элемента при проникании хлоридсодержащей среды и углекислого газа в сечение извне

Стадия 0: карбонизация и хлоридная коррозия отсутствуют. Конструктивный элемент нагружается центрально приложенной сжимающей силой N.

Стадия 1: установление граничных условий для модели воздействия среды. Считается, что концентрации хлоридов и углекислого газа на поверхности конструктивного элемента увеличивается от 0 до С0 за определенный промежуток времени tгр.

Стадия 2: происходит проникание хлоридов и углекислого газа в бетон и деградация бетона защитного слоя. Эта стадия длится до момента времени, когда концентрация хлоридов в точке центра тяжести арматурного стержня достигает критического уровня Скр или произойдет полная карбонизация защитного слоя (параметр химического взаимодействия в точке центра тяжести арматурного стержня достигнет уровня кр). Этот период времени называется инкубационным периодом tinc.

Стадия 3 продолжается от момента времени tinc до момента времени tсм, когда движущиеся навстречу друг другу противоположные фронты смыкаются. На этой стадии продолжается деградация бетона, а также начинается и происходит коррозионный износ арматуры.

Стадия 0: карбонизация и хлоридная коррозия отсутствуют (рис. 2.61, а). Стойка нагружается центрально приложенной сжимающей силой N. Уравнение равновесия для сжимаемого стержня имеет вид

где N – действующее на стойку сжимающее усилие; Ns – усилие, воспринимаемое арматурой; Nс – усилие, воспринимаемое бетоном.

В этих формулах: s – напряжение в арматуре; Fsi – площадь сечения i-го арматурного стержня; ns – количество арматурных стержней; с – напряжение в бетоне; Fс – площадь поперечного сечения элемента, занятая бетоном; – координата вдоль радиуса круглого сечения.

Подставляя (2.253), (2.257) в (2.260) и интегрируя, получим уравнение относительно деформации :

По известному из решения (2.261) значению находятся напряжения в бетоне (2.253) и арматуре (2.257). Данная последовательность действий выполняется и для следующих стадий.

Рис. 2.61

Стадия 1: устанавливаются граничные условия для модели воздействия среды: концентрации хлоридов и углекислого газа на поверхности конструктивного элемента увеличивается от 0 до С0 за некоторое время tгр (рис. 2.61, б). Продолжительность этой стадии: 0 < t tгр.

Уравнение относительно деформации имеет вид