CC BY
17
УДК 620.193
А. А. Кузнецов, А. В. Пономарев, К. И. Фомиченко, А. А. Запрудский
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРРОЗИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ С ОЦЕНКОЙ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ
Аннотация. В работе представлены результаты экспериментальных исследований по образованию продуктов коррозии в результате воздействия на железобетонные конструкции агрессивной среды и электрического тока. Обсуждаются способы создания образцов с искусственной электрокоррозией в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Приведены результаты испытаний образцов с использованием рентгенографического метода и моделирования их прочностных характеристик.
Ключевые слова: железобетонные конструкции, дефекты коррозии, рентгенографический метод, моделирование прочности.
Andrey A. Kuznetsov, Anton V. Ponomarev, Kirill I. Fomichenko, Alexandr A. Zaprudskiy
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
ANALYSIS OF CORROSION PROCESS IN REINFORCED CONCRETE STRUCTURES WITH STRENGTH PARAMETERS ESTIMATION
Abstract. This article contains results of experimental studies on the formation of corrosion products as a result of aggressive environment and electric currents action on the reinforced concrete structures. There are discussed a method of creating models with artificial electrocorrosion under conditions close to real working. The results of testing models using the X-ray method and modeling their strength characteristics are presented.
Keywords: reinforced concrete structures, corrosion defects, X-ray method, strength characteristics modeling.
Диагностирование коррозионного состояния полых железобетонных конструкций, к которым относятся опоры контактной сети железных дорог постоянного тока, является актуальной задачей. В эксплуатации используется более 1 млн опор, многие из которых могут находиться в аварийном состоянии. Большое значение имеют методы диагностирования, выявляющие дефекты, в первую очередь потерю прочности, обусловленные коррозией арматурных стержней и бетонного камня.
Известен ряд методов неразрушающего контроля, основанных на ультразвуковом, электрохимическом и визуальном контроле. Их преимущества и недостатки описаны в работах [1 - 3]. В предлагаемой статье обсуждается использование рентгенографического метода по определению потери металла арматурных стержней, последующего использования приборов лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (ЛИЭС) для обнаружения продуктов коррозии на поверхности железобетонных конструкций [4]. Помимо этого обсуждаются вопросы создания лабораторных образцов с различной степенью коррозии, аналогичной для реальных конструкций. Приведены результаты моделирования прочности элементов железобетонных конструкций с разным диаметром арматурных стержней.
Лабораторные образцы, исследуемые в работе, представляют собой бетонные блоки размером 200 х 60 х 60 мм с металлической арматурой в центре диаметром 10 мм и длиной 200 мм. Арматура выходит от верхней поверхности бетонного образца на 30 мм.
Для проведения эксперимента были подготовлены образцы без отверстий, а также образцы, в которых были выполнены отверстия диаметром 2 мм перпендикулярно оси от поверхности до арматуры, моделирующие трещины в бетоне:
- без отверстий (обозначение - БО);
- одно отверстие (1О);
- два отверстия (2О);
- четыре отверстия (4О, рисунок 1).
Технология изготовления соответствует технологии изготовления реальных железобетонных опор контактной сети. Цемент соответствует марке М350, а класс бетона по прочности - В30. Бетон состоит из цемента, песка, щебня (керамзит) и воды. Щебень и песок являются заполнителями бетонной смеси, а цемент - связующим веществом. Раствор замешан в отношении 1/1,9/3,7/0,5 (цемент/песок/щебень/вода). Стальная арматура соответствует классу А-Ш по ГОСТ 5781. Марка стальной арматуры 25Г2С, химический состав которой представлен в таблице 1.
\ 60
Рисунок 1 - Схематичное изображение лабораторного образца с четырьмя отверстиями (4О) Таблица 1 - Химический состав арматурной стали марки 25Г2С
С, % Мп, % Si, % Сг, % №, % S, % Р, % Си, %
0,20-0,29 1,20-1,60 0,60-0,90 <0,30 <0,30 <0,045 <0,04 <0,30
Образцы подключались к внешнему источнику напряжения, что соответствует реальным условиям эксплуатации опор контактной сети. В трех ваннах, заполненных 3 %-ным раствором №С1, находилось по четыре образца, арматура которых соединялась электрическим проводником. Время воздействия электрического тока и параметры источника питания приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Сводная таблица данных по эксперименту
Номер Обозначение Кол-во Напряжение Среднее значение Время включе-
ванны образцов образцов источника, В тока, А ния тока, ч
1 1В2О 2 0,40 102
1В4О 2
2 2В1О 2 0,45 102
2В2О 2 5
3 3ВБО 4 0,30 78
Подключение внешнего источника питания позволяет имитировать воздействие токов утечки и блуждающих токов от электрифицированного рельсового транспорта. Место стека-
ния электрического тока с арматуры является анодом - на нем происходит окисление железа. Слой бетона будет выступать в качестве электролита, насыщенного различными ионами, где будет проходить процесс электролиза. В качестве катода выступает медная пластина. Расположение образцов в электролитической ванне представлено на рисунках 2, 3.
Рисунок 2 - Схема проведения электролиза (вид сбоку): 1 - лабораторный образец; 2 - медная пластина; 3 - раствор NaCl; 4 - регулируемый источник питания постоянного тока
Рисунок 3 - Схема проведения электролиза (ванна 1): 1 - лабораторный образец; 2 - медная пластина; 3 - раствор NaCl; 4 - регулируемый источник питания постоянного тока
Параметры прочности во многом определяются состоянием арматурных стержней, степенью их сцепления с бетонным камнем. Фотографии визуального состояния образцов после электролиза представлены на рисунках 4, а и 5, а. Рентгеновские снимки тех же образцов во взаимно перпендикулярных положениях показаны на рисунках 4, б, в и 5, б, в.
Как видно из указанных рисунков, наибольшей коррозии при использованной схеме электролиза подверглись верхние участки арматурных стержней (см. рисунки 5, б, в), что обусловлено контактом с атмосферным воздухом, наличием агрессивной среды и протеканием электрического тока. Потеря металла по площади поперечного сечения для испытуемых образцов составляла до 43 %.
Другой случай потери металла арматурных стержней наблюдался для дефектов сплошности железобетонного образца. Через отверстие, имитирующее трещину, в электролит переносились продукты коррозии, состоящие из оксидов железа. На рисунке 4, а показан след от оксидов железа, перенесенных от поверхности арматурного стержня через отверстие, имитирующее трещину, на поверхность бетона. В нижней части арматурного стержня (см. рисунок 4, б) показан выход металла напротив сквозного отверстия от поверхности бетона до арматурного стержня. Потеря металла по площади поперечного сечения для образца 1В2О составила 15,9 %.
а б в
Рисунок 4 - Внешний вид (а) и рентгеновские снимки (б, в) образца 1В2О
Для моделирования процессов, происходящих в железобетоне под нагрузкой [5], был использован программный комплекс ABAQUS [6, 7]. Данный программный комплекс конеч-ноэлементного моделирования предназначен для проведения многоцелевого прочностного анализа поведения сложных конструкций. Преимуществом данного комплекса является возможность учитывать нелинейные физико-механические свойства бетона и арматуры, для чего в программе имеются следующие модели деформирования и прочности бетона:
Concrete Smeared Cracking моделирует монотонно изменяющиеся нагрузки на железобетонные конструкции;
020
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 29
Cracking Model for Concrete (Brittle Cracking) позволяет прогнозировать трещинообразо-вание при растяжении;
Concrete Damage Plasticity моделирует поведение при статических, циклических и динамических нагрузках на железобетон.
а б в
Рисунок 5 - Внешний вид (а) и рентгеновские снимки (б, в) образца 2В2О
Для оценки прочности при различном сечении арматуры в программном комплексе была смоделирована бетонная балка с размерами 60 х 60 х 1500 мм (рисунок 6). Для нее были заданы характеристики модели Concrete Damage Plasticity в соответствии с исследуемой маркой бетона.
Рисунок 6 - Схема испытания бетонной балки с арматурным стержнем
Металлическая арматура с заданными свойствами соответствует приведенной выше марке стали. Арматура внедрена в бетон с помощью инструмента Embedded region. Использование данного инструмента позволяет внедрять внутрь объекта элементы с другими свойствами, за счет чего поступательные степени свободы внедренного элемента (арматуры) рассчитываются в соответствии со значениями степеней свободы основного объекта (бетонного камня).
Балка была закреплена с отступом от края с возможностью вращательного движения вокруг оси закрепления. К средней части была приложена концентрированная нагрузка от 2000 до 5000 Н (рисунки 7, 8).
U Magnitude
E+i. 037e-i-01 + 1.005е-*-Ш
+ 9.i39e+00
+ 7.3L:!e-00 ■ +6.397е -¡-ОС ■ +5.4ВЗе ОС - +4.5б9е+00 + 3-655е-нОС L + Z742e+0G - Р +L.S28e-i-aC —L I 33e-01 --+0. OOOe+QO
яЗйЯК^ ffiiSM
ШШШШ
ШЩ
1 ш
■ODD: ;OBcearrV2.odb Abaqus/Stendard 2020 Fri Сер 18 14:53:30 ?????? ТТТТ?'1""1'1?? 20IC
X fe^r&rreni IX"; FimS = 1 ООС Primary- Va U Ifegni j:J;
Рисунок 7 - Результат моделирования прогиба балки с арматурой 8 мм и нагрузкой 5000 Н
factor : ■ 1
Ц Magnitude Щ- +3.72LS-I-0D
-i- +3.41 LS + 00
+3.L0Le + 0D — +2.VQi- + nD +2.48'S + 0D ■ +-2.L7LetOD
- +1 ; ;r! • • + i
- ( l 550s+ 0D н-1.240ен 00 +9.303e-GJ
—— +6.202e-0i
- +-3.LOLe U1
—- +0.GG0& + 00
Шш&тШШ Ш^шлш
РПП: -,:i-i..'2,,j!.IIj Abaqus/.Standard 202Q -ч G-p 1.& Lj0:12:21 ?77??? ??????????? 7?П? 2ШР Hgtsp: Load X .iicrcm:n: 11: -Jt'eG i me = ,lX)( -"'i;;i,jf at Ll
Рисунок 8 - Результат моделирования прогиба балки с арматурой 12 мм и нагрузкой 2000 Н
Численные значения максимального прогиба железобетонной балки с различными сечениями арматурного стержня и с различным значением приложенной нагрузки приведены в таблице 3. Графическое представление прогиба балки показано на рисунке 9
Таблица 3 - Прогиб балки в зависимости от сечения арматуры и нагрузки
Диаметр арматуры, мм Величина максимального прогиба, мм, при нагрузке
2000 Н 5000 Н
12 3,538 10,67
10 3,773 10,83
8 3,821 10,97
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
- 125000; 122000;
-- 85000;
--82000
4 6 8 10 12 Расстояние от закрепления, о. е. -^
14
Рисунок 9 - Изменение прогиба в зависимости от сечения арматуры и приложенной нагрузки
В статье показан вариант изменения прочностных характеристик железобетонных конструкций при возникновении процесса коррозии с изменением диаметра арматурных стержней. Показано, что опасными местами являются участки, на которых образовались трещины, способствующие выходу продуктов коррозии на поверхность железобетонного изделия. Последующие исследования будут направлены на моделирование заданной железобетонной конструкции с приложением сил, возникающих при эксплуатации опор контактной сети. Определение изменения диаметра арматурных стержней будет продолжено методом определения концентрации продуктов коррозии на поверхности железобетонных изделий с применением оптических и спектральных методов [8 - 10].
Список литературы
1. Кузнецов, А. А. Определение количественного содержания продуктов коррозии на поверхности железобетонных изделий / А. А. Кузнецов, А. С. Брюхова. - Текст : непосредственный // Омский научный вестник. - 2018. - № 6 (162). - С. 160 - 164.
2. Кандаев, В. А. Метод определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. В. Колесник, А. В. Пономарев. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2016. - № 1 (25). -С. 54 - 60.
3. Кандаев, В. А. Программный модуль формирования панорамного изображения внутренней поверхности подземной части пустотелых железобетонных опор контактной сети и анализа распознанных неоднородностей / В. А. Кандаев, М. А. Леденёв, А. В. Пономарев. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2017. - № 1 (29). - С. 99 - 105.
4. Labutin T. A., Popov, A. M., Zaytsev S. M., Zorov N. B., Belkov M. V., Kiris V. V., Raikov S. N. Determination of chlorine, sulfur and carbon in reinforced concrete structures by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy, Spectrochimica Acta. Part B-Atomic Spectroscopy, 2014, no. 99, pp. 94 - 100.
5. Nada CuroviC, Concrete poles of transmission lines on the end of service life, Journal of Applied Engineering Science, 2016, no. 14, pp. 361 - 366.
6. Masoud Zabihi-Samani, Mohsenali Shayanfar , Amir Safiey , Amir Najari, Simulation of the Behavior of Corrosion Damaged Reinforced Concrete Beams with/without CFRP Retrofit, Civil Engineering Journal, 2018, no. 5, (4), pp. 679 - 689.
7. Mehran Zeynalian, Mehrdad Zamani Khorasgani, Structural performance of concrete poles used in electric power distribution network, Civil and Mechanical Engineering, 2018, no. 7, pp. 863 - 876.
8. Alfred Ng. Video Endoscopic Metrology for Pipeline Welding, Singapore International NDT Conference & Exhibition, 2013, no. 7, pp. 124 - 128.
9. Кузнецов, А. А. Система позиционирования оптического зонда для исследования внутренних поверхностей полых железобетонных конструкций / А. А. Кузнецов, А. С. Брю-хова, Ю. В. Демин. - Текст : непосредственный // Известия вузов. Приборостроение. - 2019. -Т. 62. - № 3. - С. 157 - 166.
10. Кандаев, В. А. Программное повышение качества изображений, полученных в условиях недостаточной освещенности / В. А. Кандаев, М. А. Леденёв, А. В. Пономарев. - Текст : непосредственный // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. - 2015. - № 2 (4). -С. 35 - 38.
References
1. Kuznetsov A. A., Bryukhova A. S. Determination of quantitative content corrosion products on concrete products surface [Opredelenie kolichestvennogo soderzhanija produktov korrozii na poverhnosti zhelezobetonnyh izdelij]. Omskij nauchnyj vestnik - The journal of Omsk Scietntific Bulletin, 2018, no. 6 (162), pp. 160 - 164.
2. Kandaev V. A., Avdeeva K. V., Kolesnik A. V., Ponomarev A. V. Method of corrosion state determining of contact system concrete poles [Metod opredelenija korrozionnogo sostojanija pod-zemnoj chasti zhelezobetonnyh opor kontaktnoj seti]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2016, no. 1 (25), pp. 54 - 60.
3. Kandaev V. A., Ledenjov M. A., Ponomarev A. V. The software module of formation of the panoramic image of an internal surface of an underground part of hollow reinforced concrete support of contact network and the analysis of the recognizable inhomogeneities [Programmnyj modul' formirovanija panoramnogo izobrazhenija vnutrennej poverhnosti podzemnoj chasti pustotelyh zhelezobetonnyh opor kontaktnoj seti i analiza raspoznannyh neodnorodnostej]. Izvestiia Transsiba -The journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 1 (29), pp. 99 - 105.
4. Labutin T. A., Popov, A. M., Zaytsev S. M., Zorov N. B., Belkov M. V., Kiris V. V., Raikov S. N. Determination of chlorine, sulfur and carbon in reinforced concrete structures by double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy, Spectrochimica Acta. Part B-Atomic Spectroscopy, 2014, no. 99, pp. 94 - 100.
5. Nada Curovic, Concrete poles of transmission lines on the end of service life, Journal of Applied Engineering Science, 2016, no. 14, pp. 361 - 366.
6. Masoud Zabihi-Samani, Mohsenali Shayanfar , Amir Safiey , Amir Najari, Simulation of the Behavior of Corrosion Damaged Reinforced Concrete Beams with/without CFRP Retrofit, Civil Engineering Journal, 2018, no. 5, (4), pp. 679 - 689.
7. Mehran Zeynalian, Mehrdad Zamani Khorasgani, Structural performance of concrete poles used in electric power distribution network, Civil and Mechanical Engineering, 2018, no. 7, pp. 863 - 876.
020
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 33
8. Alfred Ng. Video Endoscopic Metrology for Pipeline Welding, Singapore International NDT Conference & Exhibition, 2013, no. 7, pp. 124 — 128.
9. Kuznetsov A. A., Brjuhova A. S., Demin Ju. V. System of optical probe positioning for diagnosing internal surface of hollow reinforced concrete structures [Sistema pozicionirovanija opticheskogo zonda dlja issledovanija vnutrennih poverhnostej polyh zhelezobetonnyh konstrukcij]. Izvestija vuzov. Priborostroenie - The journal of Instrument Engineering, 2019, vol. 62, no. 3, pp. 157 - 166.
10. Kandaev V. A., Ledenjov M. A., Ponomarev A. V Software enhancement of image obtained in low light conditions [Programmnoe povyshenie kachestva izobrazheniy poluchaemyh v usloviyah nedostatochnoy osveshennosti]. Transport Aziatsko-Tihookeanskogo regiona - Pacific Rim countries transportation system, 2015, no. 2 (4), pp. 35 - 38.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кузнецов Андрей Альбертович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: 8-904-321-50-90.
E-mail: kuznetsovaa. omgups@gmail.com
Пономарев Антон Витальевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: 8-923-690-48-28.
E-mail: antonyswork@gmail.com
Фомиченко Кирилл Игоревич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Магистрант, ОмГУПС.
Запрудский Александр Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Информатика и компьютерная графика», ОмГУПС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Кузнецов, А. А. Исследование процесса коррозии железобетонных опор контактной сети с оценкой параметров прочности / А. А. Кузнецов, А. В. Пономарев, К. И. Фомиченко, А. А. Запрудский. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 2 (42). -С. 26 - 34.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kuznetsov Andrey Albertovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Dr. Tech. Sci., professor, head of the department «Theoretical the electrical engineer», OSTU.
Phone: 8-904-321-50-90.
E-mail: kuznetsovaa. omgups@gmail.com
Ponomarev Anton Vitalievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair «Theo-retical the electrical engineer», OSTU.
Тел.: 8-923-690-48-28.
E-mail: antonyswork@gmail.com
Fomichenko Kirill Igorevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Student, OSTU.
Zaprudskiy Alexandr Alekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair «Informatics and computer graphics», OSTU.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kuznetsov A. A., Ponomarev A. V., Fomichenko K. I., Zaprudskiy A. A. Analysis of corrosion process in reinforced concrete structures with strength parameters estimation. The Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 2 (42), pp. 26 - 34 (In Russian).
