1903

содержащей хлористый водород и сернистый ангидрид различной концентрации показана на (рис. 2.4) [469].

В [452] оценка глубины коррозионного поражения бетона определяется в зависимости от уровня напряжения по следующей зависимости:

вень микротрещинообразования в структуре бетона; – уровень напряжений, при котором оценивается глубина коррозии; 1 – глубина коррозии

при уровне напряжений 0 .

При этом принимается, что свойства коррозионного поврежденного бетона, по аналогии с неповрежденным бетоном, определяются его структурой. Прочностные и деформативные характеристики поврежденного бетона описываются функциями деградации бетона:

Rb.cr KR Z Rb ; Rbt.cr KR Z Rbt ; Eb.cr KE Z Eb.cr , (2.12)

где KR Z ; KE Z – функции деградации бетона при коррозионных по-

вреждениях.

Геометрическая зависимость глубины коррозионного повреждения бетона от уровня напряжения bc Rb показана на рис. 2.5 [374].

Экспериментальными исследованиями с помощью метода определения физико-технических свойств бетонных образцов: модуля упругости, коэффициента Пуассона и предела прочности при сжатии в химически агрессивных средах, с учётом неравномерного поражения поверхности бетона

191

коррозией установлено, что неравномерность границы поражённых слоёв бетона не влияет на объективность характеристик прочности бетона [307].

Рис. 2.5 Геометрическая зависимость между величиной глубины коррозионных повреждений бетона от сжатия bc R b

Метод оценки структурных изменений бетона в процессе исследования коррозионной стойкости бетона по изменению величины динамического модуля упругости был использован при испытании бетонных образцов в условиях полного погружения в 10 %-й раствор сульфата натрия (рис.2.6) [391, 469].

Рис. 2.6. Изменения динамического модуля упругости бетона образцов – кубов при длительном нахождении в 10 %-м растворе сульфата натрия

При кратковременном (2 сут) действии воды 4,7 %-го раствора NaCl на бетон различной плотности при сжатии отмечено незначительное повышение модуля упругости, а при действии 5 %-го раствора Na2SO4 установлено снижению начального модуля упругости бетона на 10-17 % [84]. Уменьшение прочности бетона в зависимости от его состава составило:

для воды – 6-22,7 %; раствора NaCl – 8,4-21,6 %; раствора Na2SO4

12,4–27,4 %. Наибольшее снижение прочности наблюдалось у менее плотных бетонов, наименьшее – в более плотных бетонах.

В экспериментальных исследованиях Ф.М. Иванова, Г.В. Любарской, М.Ф. Тихомировой, Я. Ямбора, Е.А. Гузеева, Н.В. Савицкого, А.А. Тытю-

192

ка, Т.В. Рубецкой установлено, что процесс коррозии бетона характеризуется степенью перерождения структуры цементного камня, которая зависит от вида коррозии и определяется с помощью химического анализа [210]. Для коррозии первого вида это величина окиси кальция, вынесенного из цементного камня. Коррозию второго вида характеризуют величиной окиси кальция, содержащейся в цементном камне и вступившей в химическое взаимодействие с агрессивной средой. Количественной характеристикой коррозии третьего вида является степень заполнения пор кристаллизирующимися солями.

Одной из существенных особенностей бетона является высокая дисперсия практически всех его физических показателей, связанная с его общей неоднородностью как гетерогенного материала конгломератной природы. Неоднородность для сборного и монолитного бетона проявляется, в частности, в том, что ненормируемый коэффициент вариации прочности бетона на сжатие для сборного составляет 13,5 %, а для монолитного – 20 % [152]. Локальные повреждения бетона при коррозионных воздействиях значительноповышаюткоэффициентвариациипрочности[462].

Поэтому вероятностная природа бетона должна учитываться в методике исследования при переносе результатов коррозионных испытаний бетона, проводимых в лаборатории на стандартных образцах, на реальную конструкцию, через коэффициент запаса по долговечности, определяемый многоступенчатой технологией получения бетона и высокой дисперсией его характеристик, увеличивающийся в результате коррозионных воздействий [463].

К настоящему времени имеется богатый материал, характеризующий общие условия разрушения бетона в различных агрессивных средах. Однако эти данные не обобщены из-за трудности увязки друг с другом, так как они проводились в различное время, В научной литературе встречаются самые противоречивые, взаимоисключающие научные взгляды исследователей по основным вопросам коррозии бетона. Отсутствие единой методики исследований сильно затрудняет, а часто делает совершенно невозможным сопоставление и объединение результатов, полученными разными учёными. В то же время, среди огромного количества лабораторных методов исследования коррозии бетона, по мнению большинства специалистов, наиболее рациональными являются методы, основанные на определении предела прочности, так как этот метод учитывает влияние двух видов коррозии: растворение составляющих соединений цемента и возникновение новообразований с большим объемом, чем исходные продукты [469].

193

2.4.3. Методы оценки коррозии арматуры

Несмотря на имеющуюся в мире тенденцию к сокращению производства стального проката, выпуск арматурной стали за последние 20 лет возрос почти вдвое [351]. Объём предварительно напряжённых железобетонных конструкций в различных странах составляет от 70 до 95 % от всего количества конструктивного железобетона. Наиболее эффективно используется предварительно напряжённый железобетон в длинномерных сооружениях, например, мостах пролётом свыше 100 м. В предварительно напряжённых пустотных плит перекрытий пролётом 6-7 м расход продольной рабочей арматуры может быть снижен в 3 раза, по сравнению с ненапряжёнными, что обеспечивает себестоимость преднапряжённых изделий ниже, чем ненапряжённых. Однако, сокращение расхода металла на единицу продукции железобетонных элементов приводит к уменьшению диаметра арматуры, что повышает вероятность разрушения железобетонных конструкций в случае коррозии арматуры.

Термодинамическая возможность коррозии стали в бетоне определяется с помощью диаграммы Пурбэ, отражающей влияние водородного показателя рН среды и потенциала на электрохимическое состояние стали

[221, 312].

Диапазон потенциалов стали в бетоне имеет значения рН=12-12,5 и находятся в области пассивности на диаграмме Пурбэ. В тоже время, вопрос о составе, условиях образования и равновесия защитных пленок на стали, обеспечивающих ее пассивность в бетоне, изучен недостаточно [312].

Коррозия арматуры возникает при нарушении ее пассивности, вызванное уменьшением щелочности водной среды жидкой фазы цементного камня окружающей арматуру, активизирующим действием хлорид-ионов, проникающими к поверхности арматуры через поры бетона защитного слоя, силовые трещины в бетоне и блуждающими токами.

Высокая щелочность бетона (рН 12,5-13,5) формирует пассивирующую пленку на стальной арматуре и предохраняет ее от коррозии. Сохранность арматурной стали в пассивном состоянии обеспечивается при рН>11,8 [221]. Карбонизация щелочного порового раствора нарушает стабильность существования оксидного пассивирующего слоя на стальной арматуре.

Причинами коррозии арматурной стали в бетоне без учета воздействия хлорид-ионов на железобетон являются:

•достижение фронтом карбонизации бетона арматуры;

•достаточный приток кислорода и влаги к стальной арматуре. Кислые соли, понижающие рН раствора, ускоряют коррозию металла, а

основные – замедляют. Потенциал стали, значительно смещается в отрицательную сторону как при пониженном значении рН, так и в присутствии активирующих ионов. Наиболее активно разрушают защитные оксидные пленки на арматуре хлорид-ионы.

194

Первичная защита бетона по отношению к коррозионной сохранности арматуры определяется величиной защитного слоя, проницаемостью, количеством цемента и В/Ц отношением. Она оказывает значительное влияние на проникновение и коррозионную активность хлоридионов. Анализ содержания хлорид-ионов в пробах бетона по глубине по сравнению с толщиной защитного слоя является необходимым условием для принятия решения о проведении ремонтно-восстановительных работ в сооружении [375].

Метод определения коэффициента диффузии хлоридов в бетоне при разной концентрации для случая диффузии из постоянного источника в полуограниченное тело, а также для диффузии из полубесконечного пространства по результатам анализа проб, послойно отобранных из железобетонных конструкций, описывается в работе Абдулаева Г.Б. и Джафарова Т.Д. [2]. По экспериментальным данным с помощью метода графического дифференцирования и интегрирования строится зависимость концентрации вещества от глубины исследуемого слоя (так называемый профиль концентраций).

Расчёт выполняется по формуле:

генс угла касательной к кривой, а величина c xdC – как площадь, огра-

c1

ниченная кривой и осями координат. Приближённо она равна C1 x1 x2 . 2

Коэффициент диффузии рассчитывается по приведенной выше формуле для определённого значения времени t и C. Используя этот приём для различных точек экспериментальной кривой, можно найти значения коэффициента диффузии при разной концентрации.

Согласно СНиП 2.03.11-85* [552] превышение хлорид-ионов 0,4 % от массы цемента является критическим порогом для обычного железобетона и 0,2 % массы цемента в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, где электрохимическая коррозия может привести к хрупкому разрушению арматуры.

По степени влияния хлорид-ионов на железобетонные конструкции без силовых поперечных трещин в пересчете на Cl- (мг/л) согласно СНиП 2.03.11-85* выделяются 3 категории агрессивности среды:

•слабоагрессивная – до 500;

•среднеагрессивная – до 5000;

•сильноагрессивная – более 5000.

Электрохимические испытания коррозионного состояния арматуры позволяют определить условия, при которых коррозия стали в бетоне может быть исключена или резко заторможена.

195

Неразрушающий электрохимический метод с замером потенциала и коррозионного тока используется в натурных условиях эксплуатации железобетонных элементов в случае отсутствия внешних признаков коррозионного состояния арматуры

Исследования коррозии стали в железобетонных конструкциях предлагается проводить в условиях агрессивного воздействия карбонат или хлоридсодержащей сред потенциометрическим, резистометрическим и импедансными методами в зависимости от граничных пределов их функционирования [724].

Интегральное электрохимическое состояние стали в бетоне определяется по её поляризуемости с помощью метода снятия поляризационных кривых, предложенного Эвансом и получившим широкое применение в работах Акимовой К.М., Томашова Н.Д [5, 584, 714]. С помощью этого метода изучается зависимость скорости электрохимической реакции (ионизации металла, восстановления кислорода или образования гидроксила) от потенциала электрода. Пассивная сталь в отличие от активной очень сильно поляризуется, т.е. ее потенциал резко смещается в положительную сторону уже при малой плотности наложенного тока.

Прямые экспериментальные исследования подтверждают эффективность электрохимических исследований коррозионного состояния арматуры. Добавка хлорид-ионов 0,4 % от массы цемента приводит к значительному изменению характера анодной потенциодинамической кривой для стали в цементном камне, чем без добавок (см. рис. 1.13) [672].

Состояние коррозирующей арматуры оценивается по следующим показателям [312]:

1– площади коррозионных повреждений;

2– характеру коррозии (налет ржавчины, точечная, пятнами, сплошная, язвы );

3– толщине и плотности продуктов коррозии;

4– глубине поражения стали и степени коррозионной потери сечения арматуры.

Оценка степени развития коррозии арматуры производится по трем показателям: площади поражения коррозией, весу прокорродировавшего металла, глубине коррозионных поражений [406].

В работе [484] приводятся условные параметрические оценки коррозионного состояния арматуры, по характеристикам площади и глубине пораженного участка: до 5 %, 5-15 %, более 15 %.

Экспериментальные исследования процесса зарождения и развития продольных трещин в бетоне в условиях коррозионного повреждения

прутковой арматуры проведены в 3 %-м водном растворе CaCl2 по разработанной методике ускоренной коррозии арматуры с помощью подключения источника постоянного тока [679].

196

В [452] определены зависимости внутреннего давления продуктов коррозиистальнойарматурывмоментобразованияпродольныхтрещин(рис. 2.7).

Рис. 2.7. Зависимость внутреннего давления продуктов коррозии стали от класса бетона (а) и толщины защитного слоя (б), где диаметр арматуры:

1 – 12; 2 – 16; 3 – 18; 4 – 20; 5 – 22 мм

2.4.4. Рекомендуемые физико-химические методы испытания элементов железобетонных конструкций

Рекомендуемые физико-химические методы испытания компонентов железобетонных элементов, имеющие отношение к исследованию долговечности элементов железобетонных конструкций, приведены в табл. 2.19.

Таблица 2 . 1 9 Физико-химические методы испытания компонентов железобетонных элементов и агрессивной среды, имеющие рекомендательный характер

197

2.5. Анализ стандартизированных методов испытания физико-

технических характеристик элементов железобетонных конструкций в инертной и агрессивной средах

Действующие стандартизированные механические, физические и химические методы испытания бетона и арматуры железобетонных конструкций приведены в табл. 2.20.

198

Таблица 2 . 2 0 Стандартизированные механические, физические и химические методы испытания бетона и арматуры

железобетонных конструкций

199

Продолжение табл. 2 . 2 0

200