1903

содержании хлорид-ионов 2 % и менее резкого увеличения поражения арматуры не наблюдается.

Глубина коррозии арматурной стали при коррозии в плотном бетоне в различных агрессивных средах (грунте, воздухе, морской и пресной воде, зонах периодического увлажнения, атмосфере промышленных предприятий) определяется по эмпирическим зависимостям [611, 612]:

где k – глубина коррозии арматуры; t – продолжительность воздействия среды, 0 ; Т – эмпирические константы.

Аналогичные эмпирические зависимости по определению уменьшения диаметра неповрежденного арматурного стержня в зависимости от среды и её концентрации, коэффициента Пуассона и класса бетона представлены в

[471].

Кинетика сплошного коррозионного износа стержня и уменьшение его несущей способности определяется коэффициентом коррозионной податливости B, характеризующего коррозионную стойкость металла [119].

Согласно рекомендациям RILEM [704] итоговое снижение площади поперечного сечения стальных армирующих элементов в агрессивной среде определяется по зависимости [763, 713]:

зионного износа; t0 – время инициирования коррозии.

Анализ результатов исследований показывает отсутствие общепринятой оценки определения наступления предельно допустимого коррозионного повреждения арматуры. Исследования коррозии арматуры в железобетонных конструкциях направлены на определение физико-механических характеристик арматуры в зависимости от характера, интенсивности и продолжительности воздействия агрессивной внешней среды, без учёта эксплуатационной переменной нагрузки.

92

1.5. Анализ имеющихся результатов экспериментально-теоретических исследований коррозии арматуры в трещинах железобетонных конструкций

Технико-экономическими недостатками трещиностройких бетонных и железобетонных конструкций по сравнению с нетрещиностойкими являются относительно большая толщина элементов, значительное недоиспользование несущей способности арматуры и вопросы, связанные с термическим трещинообразованием. Использование нетрещиностойких железобетонных конструкции с ограниченным раскрытием трещин, допускаемым по условиям долговечности и эксплуатационным качествам сооружений, является оптимальным решением ликвидации этих недостатков. Особенно эффективны бетонные и железобетонные элементы с трещинами ограниченного раскрытия в бетонных и железобетонных подземных гидротехнических сооружениях, из-за самоуплотнения трещин. Поэтому именно в гидротехнических сооружениях в 1959 г. были использованы нетрещиностойкие железобетонные конструкции [139, 613, 615, 663].

Универсальной классификации трещин в бетоне не существует, несмотря на проводимые исследования. В [690] разработанная классификация трещин включает причины образования трещин, степень их опасности, область распространения и меры предупреждения. В результате подразделения трещин на семь основных групп с соответствующими подгруппами и подвидами, получилось очень объёмное перечисление разновидностей трещин.

Вто же время в железобетонных балочных пролетных строениях мостов [248] трещины классифицируются только по причинам их образования и характеру воздействия на эксплуатационные свойства конструкций.

Впервой научной классификации трещин, предложенной для гидротехнического бетона, трещины подразделяются в зависимости от действия внешних нагрузок и возникающих собственных напряжений [425].

На основании анализа трещинообразования в блоках плотины Братской ГЭС классификация трещин рассматривается по [661]:

местоположению: поверхностные, внутренние;

направлению: вертикальные, горизонтальные;

происхождению: трещины в неперекрытом блоке, трещины, в перекрытиях блока; трещины при высоком темпе бетонирования и трещины в сформировавшемся бетонном массиве.

Общая классификация трещин, без детализации частных их характеристик, приведена в табл.1.19 [101].

93

Таблица 1 . 1 9 Классификация трещин в бетонных и железобетонных конструкциях

Микротрещины образуются в бетонных и железобетонных конструкциях в процессе структурообразования и твердения бетона, в связи с развитием собственных напряжений в бетоне. Влияние на прочность и проницаемость бетона, расположенных хаотически и не сообщающихся между собой микротрещин, сопоставимо с влиянием микропор [44, 360, 361, 488, 539, 613–615].

Структурные микроразрушения в бетоне уменьшают долговечность бетона. Половинки разорванных образцов после 200 циклов замораживания имеют снижение скорости ультразвука на 60 %, а не подвергавшихся растяжению (разрезанные пилой) только на 8 % [383, 616]. Причиной яв-

94

ляется образование дополнительных микротрещин при действии высокого растягивающего напряжения.

Макротрещины появляются в результате наложения на поле структурных напряжений определенно ориентированных напряжений от темпе- ратурно-влажностных физических параметров и внешних сил.

В тяжёлом бетоне принята следующая классификация пористых тре-

щин [402]:

r < 10-5 см – микрокапилляры;

1 10-5 < r < 1 10-3 см – макрокапилляры;

r > 1 10 -3 см – поры, в которых на чисто капиллярные явления оказывают заметное влияние силы тяжести, искажая форму мениска.

Трещины в бетоне облегчают доступ внешней среды к поверхности арматуры и способствуют возникновению и развитию её коррозии. В трещины железобетонных конструкций, расположенных выше уровня воды, влага поступает как сверху (атмосферные осадки и технологические увлажнения), так и снизу (капиллярный подсос).

Высота подъёма смачивающей жидкости в цилиндрической капиллярной трубке определяется по формуле Жюрена [402]:

где σ – коэффициент поверхностного натяжения, определяемый экспериментально (для воды примерно равен 73 эрг/см2); r – радиус мениска жидкости; g – ускорение силы тяжести; ж и п – плотность жидкости и её

пара.

Физическим обоснованием деления трещин на микро- и макрокапилляры является формула Томпсона (Кельвина) [402]:

где φ – относительная упругость пара, равная отношению давления насыщенного пара над искривлённым мениском к давлению насыщенного пара над плоскойповерхностьюводы; п, , ж,r – значения, чтоивформуле(1.71).

Процесс трещинообразования в железобетонных элементах разделяется на четыре этапа [617]:

первый этап характеризуется нарушением равномерности распределения деформаций бетона растянутой грани, приводящих к развитию микротрещин в сечениях;

второй этап отмечается достижением микротрещинами около арматурной зоны и появлением неравномерности распределения деформаций по длине арматурного стержня;

95

третий этап вызывает появление видимых трещин ( acrc =0,05-0,1 мм)

от соответствующей внешней нагрузи;четвертый этап при росте нагрузки показывает развитие всех

образовавшихся основных трещин.

Время появления трещин после изготовления железобетонных конструкций и за период их эксплуатации характеризуются большим диапазоном: от 10 мин до 5 -и и более лет (табл.1.20) [484].

В неармированных бетонных конструкциях увеличение ширины мактрещины прекращается только в момент установления равновесия между активными силами, вызывающими деформацию и реактивными силами в виде сопротивления целой части сечения. В железобетонных конструкциях изменение ширины раскрытия трещин определяется, условиями совместной работы бетона с арматурой.

Силовые трещины в бетоне облегчают доступ агрессивной среды к поверхности арматуры и способствуют возникновению и развитию её коррозии, а несиловые микродефекты транспортируют химические продукты реагирующих компонентов от места коррозии. Расчетная ширина раскрытия силовых трещин определяет расход арматуры и стоимость железобетонного изделия.

В неармированных бетонных конструкциях стандартного метода расчета ширины раскрытия трещин не существует, так как они обычно проектируются трещиностойкими. В то же время для массивных бетонных конструкций получены теоретические расчетные формулы размеров трещин [96, 107, 606, 634].В железобетонных конструкциях расчет ширины раскрытия трещин основан на теоретических, экспериментально-теорети- ческих и экспериментально-статистических методах [126, 420, 692, 693, 694, 706, 717, 748, 783].

96

Все известные предложения отечественных и зарубежных исследований по расчету ширины раскрытия трещин в железобетонных элементах в зависимости от подхода к выводу основных зависимостей разделяются на четыре основные группы [76, 192, 597, 635]:

в первой группе зависимости основаны на предпосылках теории В.И. Мурашева, в соответствии с которыми ширина раскрытия трещин в железобетонных элементах определяется как разность средних удлинений арматуры и растянутого бетона по оси арматуры, накопленных по длине элемента, равной расстоянию между трещинами, и выражается уравнением, находящимся в основе расчёта по нормам большинства стран

(еврокод 2 и Model Code 2010):

где ls – расстояние между трещинами; sm – средние деформации арматуры между трещинами; cm – средние деформации бетона между трещинами.

В СП 52-101-2003 [556] деформациями растянутого бетона между трещинами cm из-за их незначительной величины пренебрегаются, и фор-

мула (1.73) приобретает вид (1.73):

соответственно учитывающие продолжительность действия нагрузки, профиль продольной арматуры, характер нагружения и неравномерное распределение относительных деформаций растянутой арматуры между трещинами [54, 55, 292, 392, 411, 419, 420, 601, 597];

во второй группе эмпирические, полуэмпирические и статистические формулы расчёта ширины раскрытия трещин, получены с помощью результатов экспериментальных исследований [60, 121, 291, 553, 554, 683, 693, 708, 717, 748, 751];

в третьей группе методы, предложенные О.Я. Бергом, и включенные

вСН-365-67[595] рассматривают «зону взаимодействия» арматуры и бетона [55, 595, 597];

в четвертой группе раскрытие трещин определяется с учётом накопления относительных взаимных смещений арматуры и бетона по оси арматуры на участке между трещинами, в том числе с использованием положений механики разрушения [324, 433, 598, 597].

Наибольшее влияние на acrc , совместно с напряжением в растянутой

арматуре, оказывает и расстояние между поперечными трещинами. Согласно теории В.И. Мурашева очередная поперечная трещина образуется на расстоянии ls от предыдущей при условии снижения напряжения в ар-

97

матуре s в сечении с трещиной до величины напряжения в бетоне при

где As – площадь арматуры; ls – расстояние между трещинами; – коэф-

фициент полноты эпюры сцепления; Ps – периметр арматуры; s.crc – на-

пряжения в арматуре в сечении с трещиной в момент ее образования; as – отношение модуля упругости арматуры Es к модулю упругости

бетона при растяжении Eb .

Расчётное расстояние между трещинами имеет зависимость[411]:

процент армирования.

Величина зависит от класса бетона, напряжения, диаметра арматуры, толщинызащитногослояитипапрофилястержневойарматуры[597, 771].

Расстояния между трещинами ls имеют прямо пропорциональную зависимость от толщины защитного слоя бетона зсб (рис.1.25) [617] и отношения диаметра арматуры к проценту армирования d (см. рис. 1.25) [617, 635, 718, 764].

Рис. 1.25. Влияние толщины защитного слоя бетона на расстояние между трещинами

В то же время ещё окончательно не сложилось единого мнения о теоретических предпосылках к расчёту ширины раскрытия трещине и о значимости основных расчётных параметрах [617]. Полученные расчётные

98

формулы не являются оптимальными из-за не установления корреляционной зависимости ширины раскрытия трещин от некоторых факторов. Например, в железобетонных конструкциях в воздушно-сухих и воздушно-влажных условиях ширина трещин со временем увеличивается, особенно, при повторных нагружениях, а в конструкциях, находящихся под напором воды уменьшается, вследствие набухания бетона на участках между трещинами [101].

Рис. 1.26. Зависимость отношения диаметра арматуры к проценту армирования на расстояние между трещинами

В[458] с позиции положений механики разрушения отмечается определяющее влияние силовых трещин на процесс коррозии арматуры. Подчёркивается, что увеличение трещины более критического раскрытия приводит к быстрому коррозионному разрушению арматуры.

Вбетоне с трещинами карбонизация происходит намного быстрее, чем без трещин, из-за повышенной проницаемости трещин для кислых газов. Эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в трещинах бетона

сшириной раскрытия 0,2 мм равен коэффициенту диффузии его в воздухе, т.е. D = 0,14 см2 /с, что примерно на три порядка выше, чем в бетонах

средней плотности, не имеющем трещин D 10 4 см2с [221, 312]. Глубина

карбонизации бетона в трещине пропорциональна квадратному корню из ширины трещины и времени карбонизации [221]. Увеличение прочности бетона приводит к росту глубины карбонизации вдоль трещины, что связано с уменьшением поглощающей способности бетоном стенок трещин.

Диффузия углекислого газа по высоте трещины внутрь бетонной конструкции определяется следующими параметрами [754]:

•шириной раскрытия трещин;

•проницаемостью самой трещины, зависящей от количества отложений внутри трещины физического или химического состава;

99

• диффузией щелочи, зависящей от условий окружающей среды и характера переменного увлажнения.

Трещины в защитном слое бетона нарушают условие пассивности арматуры. Только волосяные трещины являются неопасными для коррозии арматуры, так как они не влияют на изменение щелочности бетона [659, 759]. Данный вывод основан на идентичности коррозионного процесса в бетоне с трещинами и без них.

Коррозия арматуры в силовой трещине связана с локальной депассивацией ее поверхности в результате нарушения сцепления стальной арматуры с бетоном и последующим нарушением стабильности пассивирующих сталь оксидных пленок [221].

Теоретические закономерности механизма коррозии арматуры в трещинах железобетона при постоянном их раскрытии позволяют прогнозировать интенсивность затухающего развития коррозии арматуры в трещинах бетона с шириной раскрытия acrc 0,1 см в определённых

условиях [24, 103–106, 399, 402, 400, 428, 445]. Механизмом коррозии арматуры в трещине железобетона является коррозионная макропара, состоящая из разности потенциалов трех элементарных гальванических макропар между отдельными участками арматуры: дифференциальной щелочности электролита, дифференциального растягивающего напряжения в арматуре и дифференциальной аэрации [402, 403].

Все три макропары принимают участие в процессе растворения металла. Однако разность потенциалов двух последних макропар значительно меньше разности потенциалов первой [403].

Причиной образования первой элементарной макропары является разность значения рН электролита между участками под ненарушенным защитным слоем и в зоне трещины. Действие первой макропары обусловлено расположением анода в зоне трещины и катода на остальной пассивной поверхности арматуры. Её эффективная работа зависит от электропроводности бетона, т.е. от его влажности. Первоначальная разность потенциалов этой пары достигает величины – 300…400 мВ [403]. Однако, макропара дифференциальной щёлочности вызывает коррозионный процесс только при условии депассивации стали. Размер анодного участка и величина его потенциала зависит от многих причин: величины раскрытия трещины, степени водонасыщения бетона, концентрации в воде активи-

рующих ионов (Сl-, SO4 ) и скорости их обмена в трещине [402].

Увеличение напряжения в арматуре в зоне трещины дополнительно сдвигает потенциал стали в отрицательную сторону. Однако приращение потенциала измеряется несколькими милливольтами, если при растяжении не достигается предел текучести [660]. Поэтому макропара градиента напряжения практического значения не имеет.

Третья элементарная макропара дифференциальной аэрации вызывает растворение металла под бетоном по обе стороны от трещины, когда ано-

100