Реферат: Учет хлоридной коррозии при прогнозировании срока службы железобетонных пролетных строений
Реферат: Учет хлоридной коррозии при прогнозировании срока службы железобетонных пролетных строений
Маринин А.Н.
Практически все
конструкции, в том числе и мостовые, подвержены изнашиванию, «старению», то
есть происходит изменение их механических свойств, которое отражается на работе
конструкций. Скорость «старения» зависит от многих факторов: типа
конструктивных элементов, применяемых материалов, качества строительства,
влияния агрессивных факторов и т.д.
В последние годы
возникла проблема определения срока службы железобетонных мостов, т.к.
первоначальные заявления о том, что железобетонные мосты способны простоять
80-100 и более лет оказались опровергнутыми реконструкциями, заменами таких
пролётных строений.
Недавно была
разработана и рекомендована к применению Министерством транспорта РФ
"Методика расчётного прогнозирования срока службы железобетонных пролётных
строений автодорожных мостов" [1]. При прогнозировании учитывается
месторасположение моста, конструкция мостового полотна, фактическое
климатическое воздействие, интенсивность и состав движения. Пример
использования этой "Методики..." при прогнозировании долговечности
реально существующего предварительно напряжённого железобетонного пролётного
строения длиной 24,0 м приведён в [2].
В книге [3] также
приведены методы прогнозирования долговечности с учётом вероятностных
процессов, некоторые из которых были использованы при составлении [1].
Но в [1] и [3] не
учитывается явно воздействие хлоридов на материал пролётного строения, хотя
хлоридсодержащая среда является одной из достаточно распространённых
агрессивных сред. Под действием этой среды происходит разрушение и бетона, и
арматуры, а так как она либо является технологической, либо проявляется при
борьбе с гололёдом, либо присутствует в атмосфере, то её наличия и активного
воздействия на конструкцию - не избежать [4].
Поэтому возникает
важная проблема учёта поведения инженерных конструкций в условиях воздействия
агрессивных сред, в том числе и хлоридсодержащей.
В работе [5]
приведена зависимость, позволяющая оценивать глубину проникания фронта хлоридов
во времени:
Эта модель
позволяет оценить только глубину проникновения хлоридов и время до начала
коррозии арматуры.
На рисунке 1 показана
модель разрушения конструкции под воздействием хлоридов.
Рисунок 1. Процесс
ухудшения железобетона из-за внешнего воздействия хлоридов
Время начала
коррозии можно определить из известного уравнения диффузии:
где C(x,t) -
концентрация хлоридов на глубине x через время t; CS - концентрация хлоридов на
поверхности; erf - функция ошибок Гаусса; DC - коэффициент диффузии хлоридов,
зависящий от окружающей среды, твердения и возраста бетона; t - время
воздействия хлоридов.
В работе [6]
предлагается формулу (2) аппроксимировать выражением
где В - некоторая
константа, характеризующая скорость распространения хлоридов в бетоне, которая
определяется при критическом значении С(x,t).
В работе [7]
выражение (2) записывается в виде
где Ci - начальная
концентрация хлоридов в железобетонной конструкции (принимается постоянной во
времени).
Откуда, время
начала коррозии составляет
где Ccr -
критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия (в нашей
стране принято 0,4% от массы цемента при неполной карбонизации защитного слоя и
0,2% - при карбонизации защитного слоя бетона); хС - толщина защитного слоя; n
- фактор старения.
Пример расчёта
железобетонной предварительно напряжённой железобетонной двутавровой балки с
учётом уравнений (4) и (5) приведён авторами статьи [7].
Недостаток такого
подхода заключается в том, что необходимо иметь данные о состоянии конструкции
(наличие хлоридов, их концентрация и т.п.).
Другой способ,
предложенный в работе [8], предполагает, что поверхностная концентрация
хлоридов зависит от агрессивности внешней среды и может быть принята по
таблицам 1 и 2.
Таблица 1.
Определение агрессивности окружающей среды
|
Агрессивность
окружающей среды |
|
Высокая |
Средняя |
Низкая |
Уровень хлоридов
в стали (% от веса цемента) |
> 1,0% |
0,3-1,0% |
< 0,3% |
Использование
солей для удаления льда |
Часто |
Средне |
Редко |
Таблица 2.
Определение поверхностной концентрации хлоридов
|
Агрессивность
окружающей среды |
|
Высокая |
Средняя |
Низкая |
Cs, %
/год
|
0,5 |
0,1 |
0,05 |
Таблица 3.
Определение качества бетона
|
Качество бетона |
|
Высокое |
Среднее |
Низкое |
Водоцементное
отношение |
<0,4 |
0,4-0,5 |
>0,5 |
Внешнее
состояние |
Нет видимых
ухудшений |
Трещины |
Разрушение |
Таблица 4.
Определение коэффициента диффузии
|
Качество бетона |
|
Высокое |
Среднее |
Низкое |
DC ,
мм2/год
|
5 |
50 |
500 |
Во всех вышеперечисленных
работах существует несколько недостатков. Во-первых, область применения
ограничена лишь равномерным распределением хлоридсодержащей среды по
поверхности железобетонной конструкции. Но в действительности такое
распределение практически не встречается. На различных частях мостовых
конструкций концентрация хлоридов разная. Также, значение С(x,t) определяет
только инкубационный период (время до начала коррозии арматуры), а дальнейшие
процессы, происходящие в железобетоне, не описывает, хотя процесс деструкции
бетона и арматуры продолжается.
Недостатки
предыдущих работ были частично устранены в [4] и [9]. Здесь, для описания
основных эффектов, сопровождающих процесс взаимодействия элементов конструкции
из железобетона с хлоридсодержащей средой, используется параметр,
характеризующий объёмное распределение влияния агрессивной среды. То есть,
учитывается неравномерность концентрации хлоридов в различных точках объема
конструкции и, соответственно, наведенная неоднородность механических свойств
бетона. Был разработан программный комплекс на ЭВМ, который учитывает это при
расчётах. Приведены примеры, описывающие поведение конструктивных элементов
(стержней, балок и плит), подвергающихся воздействию агрессивной
хлоридсодержащей среды.
Из всего
вышесказанного можно сделать вывод о том, что при прогнозировании срока службы
новых мостов и определении остаточного ресурса эксплуатируемых, необходимо,
наряду с расчётом по [1], проводить расчёт напряженно-деформированного
состояния железобетонных конструкций и кинетики его изменения с учётом
хлоридсодержащей среды. Затем, анализируя полученные данные, можно установить
более реальный срок службы.
Список литературы
Маринин А.Н. О
прогнозировании срока службы железобетонного пролётного строения.// Молодые
специалисты - железнодорожному транспорту: Тезисы докладов студенческой
научно-практической конференции./ Под ред. А.А. Сатарова.- Саратов: Изд-во
"Надежда", 2002.- 140 с., С.38-42.
Иосилевский Л.И.
Практические методы управления надёжностью железобетонных мостов.- М.: Науч.
-изд. центр "Инженер", 2001.- 296 с.
Овчинников И.Г.,
Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов
конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. - Саратов: Сарат.
гос. техн. ун-т, 2000.- 232 с.
Потапкин А.А.
Оценка ресурсов мостов с учётом дефектов и повреждений.// Вестник
мостостроения. 1997. №3, С.22-23
Васильев А.И.
Вероятностная оценка остаточного ресурса физического срока службы
железобетонных мостов. Труды ЦНИИС. Вып. 208.- М.: ЦНИИС, 2002, С.101-120
Ciampoli
M., Giovenale P., Petrichella L. Probability-Based Durability Design Of
Reinforced Concrete Structures. IAMAS, Barcelona, 2002.
Anstice
D., Roberts M. A Deterioration Model For Reinforced Concrete Bridges Subjected
To De-Icing Salts. IAMAS, Barcelona, 2002.
Овчинников И.Г.,
Раткин В.В., Гарибов Р.Б. Работоспособность сталежелезобетонных элементов
конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред.- Саратов: Изд-во
Сарат. ун-та, 2002.- 156 с.
|