Долговечность железобетонных конструкций с полимерными покрытиями Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

строительные материалы и конструкции

Долговечность железобетонных конструкций с полимерными покрытиями

В.П. Селяев, Т.А. Низина, Ю.А. Ланкина, В.В. Цыганов

Мордовский государственный университет

Одним из радикальных способов защиты поверхности строительных конструкций от действия агрессивных сред с целью повышения их долговечности является использование полимерных защитных покрытий. Как показали исследования в этой области [1], применение полимерных покрытий для железобетонных конструкций позволяет не только надежно изолировать бетон и арматуру от агрессивного воздействия окружающей среды, но и положительно влияет на трещиностойкость и несущую способность конструкций, значительно снижая их усадку, ползучесть, а также деформативность.

Полимерные покрытия могут служить своеобразным регулятором процесса структурообразо-вания подложки, что позволяет снизить общий объем макро- и микродефектов в теле бетона и на его поверхности, а также изменить характер пористости за счет перевода открытых пор в замкнутые. При этом срок эксплуатации железобетонной конструкции с полимерным покрытием состоит из двух периодов: времени, в течение которого покрытие будет выполнять защитные функции, и времени работы обычного железобетонного элемента без покрытия.

Срок службы защитно-декоративных покрытий зависит от многих факторов: структурной однородности композита, природы структурообразующих компонентов материала, агрессивной среды, напряженно-деформированного состояния композита и т. д. В работе [2] экспериментально доказано, что прочность изгибаемых композиционных материалов слоистого типа повышается на величину усилия, воспринимаемого покрытием, лишь при условии совместной работы покрытия и бетона вплоть до разрушения. Если это условие не выполняется и покрытие отслаивается или растрескивается до разрушения, то его прочность будет определяться по правилам расчета железобетонных изгибаемых элементов.

Основные причины потери работоспособности покрытий могут возникать из-за:

1) усадки, набухания и возникновения напряжения, которые могут вызвать растрескивание покрытия;

2) изменения (ухудшения) свойств защитных покрытий под действием агрессивных сред, что также может привести к разрыву или отслоению;

3) возникновения дополнительных напряжений в плотных, паронепроницаемых покрытиях под действием давления пара, которые усугубляют работу защитно-декоративных покрытий.

Расчет конструкций с покрытиями должен производиться по двум группам предельных состояний: по несущей способности и по пригодности к нормальной эксплуатации. Расчет по несущей способности должен обеспечивать прочность, устойчивость

и выносливость конструкции при воздействии агрессивных сред, температур и других неблагоприятных факторов.

Расчет по прочности элементов конструкций с покрытием должен производиться для наиболее опасных нормальных и наклонных сечений. Расчет сечений, нормальных к продольной оси изгибаемого элемента, необходимо производить исходя из условий

М < М

(1)

где М — изгибаемый момент от внешних нагрузок, М — изгибающий момент, воспринимае-

сеч

мый сечением

Расчет наклонных к продольной оси сечений следует производить, исходя из условия

О < О

(2)

где О — поперечная сила от внешних нагрузок, Осеч — поперечная сила, воспринимаемая сечением.

Экспериментально установлено [2], что расчет прочности нормальных сечений композиционных элементов можно производить без учета работы полимерных покрытий, если разрыв покрытий происходит до разрушения элементов или если выполняется неравенство

М < 0,01М ,

п а

где Мп и Ма — усилия, воспринимаемые покрытием и арматурой в момент разрушения элемента.

При выполнении неравенства М > 0,01М расчет прочности нормальных сечений композиционных конструкций производится исходя из предположений: в сечении с трещиной все растягивающие усилия воспринимаются стальной арматурой и полимерным покрытием; в сжатой зоне деформируется бетон.

Тогда изгибающий момент, воспринимаемый сечением, определяется как момент внутренних усилий относительно оси, проходящей через точку приложения равнодействующей сжимающих напряжений в сжатой зоне бетона

Че4 = Ъ • + т1 °П • 5п

(3)

где О — напряжения в покрытии, расположенном в растянутой зоне; т1 — коэффициент, учитывающий равномерность распределения напряжений по высоте покрытия.

Поперечная сила, воспринимаемая рабочим се-

сеч

строительные материалы и конструкции

чением, определяется из расчетной схемы по формуле

^сеч = К ж Л) • ^ а + X

+

+ к1 °п • + ,

(4)

где 0Ьт — поперечное усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны в наклонном сечении. Величина 0Ьт равна

оЬт =(к2 • К ■ ь- ьЦ )/ с,

(5)

где к2 — коэффициент, принимаемый согласно СНиП 2.03.01—84*; с — длина проекции наклонного сечения на продольную ось элемента; Ь и Л0 — принимаются в пределах наклонного сечения; — расчетное сопротивление покрытия растяжению.

Расчет наклонных сечений на поперечную силу может не выполняться, если соблюдается условие

О < к, • • Ь • Ьп

(6)

§п = К&)

ны концентрации среды [3]; й — коэффициент диффузии, см2/с.

Если учесть, что полимерное покрытие обладает высокими значениями трещиностойкости и имеет хорошее сцепление с основным материалом конструкции, то работоспособность полимерного покрытия определяется сроком насыщения агрессивной средой всего полимерного материала. Зная величину коэффициента диффузии полимерного композита, легко определить время полного насыщения агрессивной средой покрытия определенной толщины:

^ =бП/№2 • о)

где к1 — коэффициент, определяемый согласно СНиП 2.03.01-84*.

Расчет по второй группе предельных состояний должен гарантировать конструкцию от деформаций и перемещений, мешающих нормальной эксплуатации сооружения. Экспериментально установлено [2], что в процессе образования и развития трещин в железобетонной конструкции с полимерным покрытием можно выделить три характерные стадии: образование трещин в бетоне; развитие трещин в бетоне; образование трещин в покрытии. С появлением трещин или отслоением покрытия нарушается нормальная эксплуатация слоистой конструкции, так как открывается доступ агрессивной среды к основному железобетонному элементу и арматуре. Поэтому при выборе материалов, используемых в качестве покрытия, необходимо уделить особое внимание предельным состояниям, характеризующим трещиностойкость и долговечность композиций.

Кроме того, нормальная работа железобетонных конструкций с полимерными покрытиями будет осуществляться до тех пор, пока агрессивная среда не проникнет к защищаемому слою вследствие диффузии материала покрытия агрессивной средой. Время насыщения агрессивной средой 1 покрытия толщиной 5 выражается уравнением

Следовательно, при расчете конструкций с защитным покрытием по трещиностойкости необходимо выделить следующие предельные состояния:

• растрескивание покрытия;

• отслоение покрытия;

• проникновение агрессивной среды через покрытие к бетону.

Для определения напряжений, которые возникают в покрытии от объемных изменений, рассмотрим следующую расчетную схему [2]. Условно заменим покрытие и балку, на которую оно наносится, пластинками. Предположим, что покрытие перед скреплением с балкой было растянуто до величины £° и затем в деформированном состоянии пластины скреплены в каждой точке связями. Под £°п понимается упругая часть приведенной относительной линейной деформации покрытия от усадки, набухания или изменения температуры. В плоскости контакта пластин действуют касательные усилия д (х ), возникающие от линейных изменений покрытия. Определим напряженное состояние в подложке и покрытии. Двумя сечениями, перпендикулярными оси х, вырежем из покрытия (или из подложки) элементарный участок длиной с4х и рассмотрим равновесие этого участка (рис. 1).

Все силы, действующие на элементарный участок, спроектируем на ось х и сложим. Получаем уравнение равновесия

с/Ы/с/х = д(х).

(8)

N к к 5 И+ с/И

у Г

(7)

бх

4

где К(^) — коэффициент, зависящий от величи- Рисунок 1. Равновесие участка покрытия.

строительные материалы и конструкции

Касательные усилия д(х ) можно рассматривать как интенсивность реакции упругих связей и принять равными д(х) = с • и)х) , где с — коэффициент жесткости связей; и (х ) — перемещение текущего сечения. Подставив значения д (х ) в уравнение (8), получаем

N - с • и(х) = 0 .

(9)

Перемещение и (х ) произвольного сечения можно определить из соотношения Коши сСи/сСх = £х ,

где £ — относительные деформации в рассматри-

х о

ваемом сечении £х = —£° + £и . Относительная деформация £и от изгиба композиционного элемента определяется по формуле £и = 4И/(ЕПАП) . Тогда перемещения произвольного сечения х будут равны

X X

и(х) = -| £ 0 а X +

-ё)

N + с • £0 - с-

Е • А

Введем обозначения • А)

= О

(11)

= 4 £0 •с = Р,

тогда уравнение (11) определяется формулой

р

N = В, • нИк, • х + В, • сИк, • х + — . (12)

Определив из граничных условий коэффициенты В1 и В2 и подставив их в выражение (12), получаем

N =

£0 • Е • А • D(N)

4

1 -

сМ2 • (¿- х) с Ък21

, (13)

оп = £0 • Еи • й(Н) •

1 -

сИк2 • (¿- х) сЫ-2£

(14)

Графики изменения нормальных и касательных напряжений по длине покрытия соответственно в координатах Оп /(£п • Еп) — х/1 и т/Р — х/1 при различных значениях к показаны на рис. 2. Наибольших значений нормальные напряжения достигают в сечениях при х = I. Тогда

1

„.шах „0

Оп = £ п

Еп • й{Н)

1 --

сЫ-2£

(15)

0,2 0,4 0,6 0,8 Координата сечения х/1_

■к2 = 0,1 ■ -к2 = 0,4

-к2 = 0,2 -к2 = 0,5

-к2 = 0,3

(10)

„ ,£п • А ' '

Подставив (10) в (9) и продифференцировав по х, получим следующее линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка

4N

0,1 0,2 0,3 0,4 Координата сечения х/1_

■к2 = 1 ■ ■ к2 = 2,5

■к2 = 1,5--к2 = 3

■ к2 = 2

где й (Ы ) — деградационная функция, учитывающая изменение свойств полимерного покрытия под действием агрессивных сред.

Тогда нормальные напряжения в плоскости контакта будут равны

Рисунок 2. Изменения нормальных (а) и касательных (б) напряжений по длине покрытия.

Очевидно, что величина касательных напряжений т в плоскости контакта равна д и, следовательно,

т =

Р бЫ-2 • (¿- х)

сМ2£

(16)

Максимальное значение касательных напряжений на концах пластины определяется по формуле

т

Р

= — • Шг1 . к

(17)

Учитывая, что под действием агрессивных сред происходит изменение свойств полимерного покрытия по экспоненциальному закону вида

Еп = ЕП • ехр(р /а) ,

(18)

а изменение прочностных характеристик можно представить в виде , имеем условие

строительные материалы и конструкции

>е0 • £п° • ехр(р/а) •

1 --

(19)

выполнение которого обеспечивает работоспособность покрытий.

Тогда для расчета долговечности полимерных защитно-декоративных покрытий можно записать три предельных условия: ■ по трещиностойкости

оГ =еП • ^п • 0(ЫУ

1 -■

1

еЬк2£

так как трещины в покрытии образуются при

о

= /?п

ду трещинами

= — эгссН- ^ тп ь

1-а

где а = ;

■ по отслоению покрытия Р

т

к

• Ш21 < Ртп • ю

2

где ю — параметр, зависящий от пористости защищаемой поверхности ю = 1 — П;

• по скорости насыщения покрытия при действии водных растворов кислот

т • V° < 5Г

(23)

< Яп, • '(*); (20)

можно определить расстояния меж-

(21)

(22)

Лишь соблюдение всех трех вышеприведенных условий позволит обеспечить нормальную работу полимерного покрытия для защиты железобетонных конструкций от действия агрессивных сред.

Список литературы

1. Потапов Ю. Б. Полимерные покрытия для желе-

зобетонных конструкций / Ю.Б. Потапов, В.И. Соломатов, В.П. Селяев. — М. : Стройиздат, 1973. — 129 с.

2. Соломатов В. И. Химическое сопротивление ком-

позиционных строительных материалов / В.И. Соломатов, В.П. Селяев. — М. : Стройиздат, 1987. — 264 с.

3. Соломатов В. И. Химическое сопротивление ма-

териалов / В.И. Соломатов, В.П. Селяев, Ю.А. Соколова. — М. : РААСН, 2001. — 284 с.