CC BY
87
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/24TVN415.pdf DOI: 10.15862/24TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/24TVN415)
УДК 624.012.45:620.169.1:620.193
Мигунов Виктор Николаевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза1 Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, Пермь
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Россия, Саратов
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
Россия, г. Сочи Профессор Доктор технических наук E-mail: [email protected]
Шамшина Ксения Викторовна
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза Аспирант E-mail: [email protected]
Методика и результаты экспериментальных исследований
на прямых моделях обычных железобетонных конструкций влияния переменной и постоянной нагрузки на прочность опытных образцов и коррозионные характеристики арматуры
1 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28 1
Аннотация. Жидкие среды, содержащие хлорид - ионы, представляют наибольшую опасность для коррозии арматуры железобетонных конструкций.
Основными внешними силовыми воздействиями на железобетонные элементы в промышленных зданиях и сооружениях, на пролётные строения железнодорожных и автодорожных мостов являются переменные нагрузки периодического действия. Среди всех переменных нагрузок одного знака ступенчатые переменные воздействия с высоким уровнем загружения представляют наибольшую опасность для железобетонных конструкций. Эксплуатационные переменные ступенчатые повторные нагрузки, по сравнению с другими видами загружения, увеличивают деформативность железобетонных элементов с одновременным снижением их долговечности.
Отсутствие в строительных нормативных документах показателя влияния эксплуатационных переменных ступенчатых повторных нагрузок на изменение механических свойств арматуры и бетона является одной из основных причин несоответствия нормативной и фактической долговечности железобетонных конструкций.
Одним из главных факторов, определяющих снижение долговечности железобетонных конструкций с расчётными поперечными трещинами в условиях воздействия жидких хлоридсодержащих сред, является коррозия арматуры в поперечных трещинах бетона.
Анализ известных результатов исследований показывает отсутствие экспериментальных исследований железобетонных конструкций с расчётными силовыми поперечными трещинами в защитном слое бетона по программным и режимным нагружениям в агрессивных жидких хлоридсодержащих средах.
В работе приводятся методика и результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов загружения изгибающей нагрузкой на прямых моделях железобетонных конструкций с расчётными поперечными трещинами на прочностные свойства опытных образцов и арматуры, с учётом коррозионного поражения.
Ширина раскрытия и форма (депланация) расчётных поперечных трещин по толщине защитного слоя бетона определяют проницаемость агрессивных реагентов к арматуре.
Разная величина депланации бетона в поперечных трещинах для арматуры гладкого и периодического профиля явилась основанием для проведения экспериментальных исследований на прямых моделях железобетонных конструкций в агрессивной жидкой хлоридсодержащей среде для определения не опасной для работы железобетонных элементов ширины раскрытия поперечных трещин в защитном слое бетона.
Ключевые слова: железобетонные конструкции; прямые модели; арматура периодического и гладкого профиля; переменная ступенчатая повторная нагрузка; жидкая хлоридсодержащая среда; степень агрессивности; долговечность; расчётные поперечные трещины; коррозионные продольные трещины; прочность; глубина и длина коррозии арматуры; депланация бетона; коэффициент депланации.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Мигунов В.Н., Овчинников И.Г., Шамшина К.В. Методика и результаты экспериментальных исследований на прямых моделях обычных железобетонных конструкций влияния переменной и постоянной нагрузки на прочность опытных образцов и коррозионные характеристики арматуры // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/24TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/24ГУШ15
Главной причиной потери эксплуатационных характеристик железобетонных мостов, находящихся в ограниченном трудоспособном состоянии является коррозия арматуры [1].
В России восемнадцать тысяч автодорожных мостов находятся в ограниченном трудоспособном состоянии с ежегодным обрушением около 1% от их числа [1]. На федеральных автомобильных дорогах в России 12,3% мостов находятся в неудовлетворительном состоянии, 45% не отвечают требованиям грузоподъемности [2]. На восполнение коррозионных потерь сталесодержащих материалов в США расходуется около 40% ежегодно производимого металла [3].
Жидкие среды, содержащие хлорид - ионы, представляют наибольшую опасность для коррозии арматуры железобетонных конструкций. В атмосферных условиях проникание хлорид-ионов в бетон происходит более интенсивно, по сравнению с защищёнными от осадков железобетонных элементах. Глубина коррозии арматуры железобетонных конструкций повышается на 30-40% при увеличении числа циклов увлажнения в два раза жидкой агрессивной средой, содержащей хлорид - ионы. В отличие от ионов сульфатов и магния в процессе диффузии во внутренний объём бетона хлорид-ионы связываются в малорастворимые соединения лишь частично [4,5,6].
Основными внешними силовыми воздействиями на железобетонные конструкции в гидротехнических сооружениях, в производственных зданиях и сооружениях горнорудной промышленности, в атомных и тепловых электростанциях, в портовых гидротехнических сооружениях, в пролётных строениях железнодорожных и автодорожных мостов, а также и транспортных эстакад, в многоэтажных складских помещениях являются переменные нагрузки периодического действия, вызываемые технологическим процессом, температурными колебаниями воздушной среды, действием ветра, циклическими замораживанием и оттаиванием. Периодичность циклов переменной нагрузки составляет от нескольких минут до одного года [7].
Повторные нагружения в неагрессивной среде вызывают изменения деформативных свойств бетона и арматуры. Деформации железобетонных элементов при повторных статических нагружениях по величине значительно превосходят деформации от многократных повторяющихся нагрузок [6].
Среди всех переменных нагрузок одного знака ступенчатые переменные воздействия с высоким уровнем нагружения Отах > 0,6 Яв,б являются наиболее опасными для железобетонных конструкций. При ступенчатых повторных нагружениях накопление остаточных деформаций в железобетонных элементах происходит из-за изменения в сторону увеличения пластических свойств арматуры, вследствие более интенсивного, чем при постоянной нагрузке, перераспределения напряжений с бетона на арматуру, снижения модуля упругости бетона сжатой зоны и нарушения сцепления бетона с арматурой, приводящих к образованию новых поперечных трещин в защитном слое бетона. Величины этих деформаций определяются характеристиками циклов переменной ступенчатой повторной нагрузки [8].
Длительность цикла ступенчатой повторной нагрузки в интервале 56^28 суток приводит к изменению знака напряжений в сечении железобетонной конструкции, из-за ползучести бетона, различия упругих свойств бетона и арматуры при длительных деформационных процессах, происходящих в железобетонных конструкциях в пределах от 120 до 360 суток. Длительность цикла ступенчатой повторной нагрузки 14 и 28 суток выявляет более 50% конечных деформаций ползучести или деформаций упругого последействия арматуры [6].
Переменная ступенчатая повторная нагрузка с длительностью цикла загружения 56 суток для железобетонных конструкций является наиболее неблагоприятной, из-за
превышения в среднем на 12% деформации арматуры в образцах с 28-суточным циклом загружения и на 25% деформации арматуры образцов, загруженных длительной постоянной нагрузкой [6].
Расчётные силовые поперечные трещины в защитном слое бетона оказывают большое влияние на долговечность железобетонных конструкций. С позиции положений механики разрушения твёрдого тела силовые трещины оказывают определяющее влияние на процесс коррозии арматуры при увеличении ширины трещины в бетоне более критического раскрытия
[9].
Ширина раскрытия расчётных поперечных трещин в железобетонных конструкциях в неагрессивной среде зависит от параметров переменной ступенчатой повторной нагрузки. В обычных железобетонных элементах в зависимости от параметров переменной ступенчатой повторной нагрузки ширина раскрытия поперечных трещин с асгс = 0,5 ^ 0,15 мм
увеличивается в среднем до 3-х раз, по сравнению с величиной роста ширины раскрытия поперечных трещин при загружении постоянной нагрузкой, составляющей в среднем на 40-50 % [8].
В настоящее время не сложилось единого мнения о теоретических предпосылках к расчёту ширины раскрытия поперечных трещин [10]. В расчётных формулах отсутствуют корреляционные зависимости изменения ширины раскрытия поперечных трещин, в железобетонных конструкциях в воздушно-сухих и воздушно-влажных условиях, где ширина раскрытия поперечных трещин со временем либо увеличивается, особенно, при повторных нагружениях, либо уменьшается, из-за набухания бетона на участках между этими трещинами
[10].
По кинетике изменения размеров расчётных поперечных трещин в бетоне железобетонных конструкций отсутствует единое мнение учёных. По одним данным трещина ведёт себя наподобие клина, который с течением времени удлиняется, по другим данным трещина со временем частично кальматируется или полностью ликвидируется [10].
В постоянно раскрытой поперечной трещине в бетоне скорость коррозии арматуры зависит от ширины её раскрытия, степени агрессивности среды, вида и диаметра арматуры, а также величины напряжений в арматуре [15,16]. Периодическое увлажнение железобетонных конструкций усиливает процесс коррозии арматуры в зоне влияния поперечных трещин [10]. В этих условиях возможности теоретического анализа и прогноза коррозии арматуры в расчётных поперечных трещинах бетона очень ограничены.
Эксплуатационные переменные ступенчатые повторные нагрузки, по сравнению с другими видами загружения, увеличивают деформативность железобетонных элементов с одновременным снижением их долговечности [10,12]. Изменяющаяся амплитуда ширины раскрытия поперечной трещины разрушает уплотняющие химические и физические материальные продукты в её полости [11]. Переменное раскрытие ширины поперечной трещины приводит к снижению щелочности не только бетона стенок поперечных трещин, но и бетона вдоль поверхности арматурного стержня периодического профиля на 1 -2 мм в год [11].
Процесс накопления усталостных малоцикловых («силовых») повреждений в бетоне, происходящий в условиях воздействия агрессивных сред, является функцией напряженного состояния и уровня напряжений в бетоне [10]. Повреждения силового характера учитываются в деградационных уравнениях коэффициентами, определяющие не только разрушение структуры бетона до начала коррозии арматуры, но и давление продуктов коррозии арматуры после её возникновения [10].
Отсутствие в строительных нормативных документах показателя влияния эксплуатационных переменных ступенчатых повторных нагрузок на изменение механических свойств арматуры и бетона является одной из основных причин несоответствия нормативной и фактической долговечности железобетонных конструкций. Первые признаки разрушения бетона стен верхней части силосов при циклическом воздействии силовых нагрузок от горизонтального и вертикального давления сыпучих материалов, веса технологического оборудования, от изменения температуры наружного воздуха, от нагнетаемого в силос воздуха при активной вентиляции, пневматике, способствующей выгрузке материала из силоса, а также от ветра и снега проявляются уже через 10-15 лет эксплуатации [7].
При расчете железобетонных конструкций, работающих как в неагрессивных, так и в агрессивных средах, эксплуатационные переменные ступенчатые повторные нагрузки не принимаются во внимание, согласно СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии» и СНиП 52.01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
Использование методов моделирования в изучении работы строительных конструкций снижает стоимость исследований до 10 раз [12]. Особенно эффективно используется моделирование при исследовании долговечности железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в различных агрессивных средах.
В конструкциях, изготовленных из обычного или предварительно напряжённого железобетона и испытанных вплоть до разрушения, коэффициент масштаба напряжений в арматуре и бетоне в модели принимается тождественным соответствующему коэффициенту для арматуры и бетона в прототипе модели [12].
Анализ известных результатов исследований показывает немногочисленность экспериментальных исследований по влиянию агрессивных сред на несущую способность железобетонных элементов, что объясняет отсутствие обоснованной количественной оценки коррозии арматуры в бетоне на работоспособность железобетонных конструкций.
Прежде всего, это касается экспериментальных данных по программным (режимным) нагружениям, получаемых на железобетонных конструкциях в агрессивных средах при наличии силовых поперечных трещин в защитном слое бетона, так как почти все железобетонные конструкции в процессе эксплуатации имеют расчётные поперечные трещины в бетоне, которые могут привести не только к количественному, но и к качественному изменению деструкционных процессов в самой железобетонной конструкции [13].
В данной работе приводятся методика и результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов загружения изгибающей нагрузкой на прямых моделях железобетонных конструкций с расчётными поперечными трещинами в защитном слое бетона на прочностные свойства опытных железобетонных образцов и арматуры с учётом коррозионного поражения.
Длительные экспериментальные исследования влияния переменной ступенчатой повторной нагрузки и жидкой хлоридсодержащей среды на долговечность железобетонных конструкций, с помощью впервые разработанной методики испытания, были проведены на шести прямых моделях обычных железобетонных конструкций, рассчитываемых по третьей категории трещиностойкости [10]. На воздействие переменной и постоянной нагрузки соответственно испытаны по три железобетонные балки. Опытные образцы с размерами 2000x200x70 мм изготовлены из тяжелого бетона пониженной проницаемости на алитовом среднеалюминатном портландцементе с арматурой 1014 мм класса А-Ш и толщиной защитного слоя бетона = 25 мм. Максимальная и минимальная составляющие
ступенчатой повторной нагрузки принимали значения для всех экспериментальных образцов, испытывающих воздействие переменной нагрузки, соответственно Мтах = 0,70 Мр и Мшт =0,40 Мр, где Мр — величина разрушающего изгибающего момента. Продолжительность цикла переменной ступенчатой повторной нагрузки составляет Ц = 60 суток с относительным временем действия максимальной нагрузки в периоде цикла г}== 0,5 Контрольные опытные железобетонные балки испытывали воздействие постоянной нагрузки с уровнем загружения Мпост =0,7Мразр.
Экспериментальные исследования проведены на силовых установках, позволяющих проводить опыты на прямых моделях изгибаемых железобетонных конструкций в натурных атмосферных условиях с дополнительным воздействием не менее шести раз в сутки жидкой агрессивной среды в виде раствора 3% - го хлористого натрия. По отношению к обычным железобетонным конструкциям с расчётными поперечными трещинами в защитном слое бетона данная среда характеризуется как сильноагрессивная [14].
Период экспериментальных испытаний составил полтора года и был ограничен временем появления волосяных коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона (аг = 30 мкм), которые по данным литературных источников являются показателями предаварийного состояния железобетонных конструкций [15]. При коэффициенте ускорения коррозионного процесса на арматурной стали равном десяти [14] прогнозируемое время до появления коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона в слабоагрессивных условиях эксплуатации опытных железобетонных образцов с расчётными поперечными трещинами в бетоне может составить пятнадцать лет.
Полученные результаты экспериментальных исследований на прямых моделях железобетонных конструкций показывают линейную зависимость несущей способности опытных железобетонных балок и арматуры соответственно: внутреннего изгибающего момента и временного сопротивления, физического предела текучести арматуры от средней и максимальной глубины поражения арматуры (рис. 1).
0J с ■ s „
S10 5 i
s та н
а
с
о U
б sue бус
6sum .......> <f
Мм^- Мс
в -
-
<и
S о
S «
К
3
га ю к
S
0 50 100 150 200 250 300
Средняя глубина поражения арматуры 5сР, мм.
1 ■ I I I I I
0 200 «Ю 600 80D 1000 1200 Максимальная глубина поражения арматуры 5м,мм.
Рис. 1. Зависимости изменения величины несущей способности железобетонных балок и физико-механических характеристик рабочей арматуры класса А-Ш 014 мм от глубины коррозионного поражения арматуры, где: ош и Oy— соответственно среднее временное сопротивление и физический предел текучести арматуры; Мс - изгибающий момент для постоянного загружения; Мм - изгибающий момент для переменной нагрузки; индексы С и М - соответственно постоянное и переменное загружение; 6ср и 6м - соответственно средняя и максимальная глубина коррозионного поражения арматуры. (Рисунок выполнен авторами)
Анализ графиков на рисунке 1 показывает, что средняя (максимальная) глубина коррозии 6ср = 300 мкм (6м =1200 мкм) приводит к уменьшению несущей способности
железобетонных образцов, временного сопротивления и физического предела текучести арматуры в момент появления продольных коррозионных трещин соответственно на:
• для переменного загружения - 3,5% и 5%,
• для постоянного загружения - 2,5% и 4,5%.
Характеристики коррозионного поражения арматуры в виде длины (I), средней глубины (дар) и относительной величины участка коррозионного поражения по периметру стержня (Р) являются основными факторами, вызывающими образование коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона [12]. Полученные экспериментальные значения коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона имеют нелинейную зависимость от ширины раскрытия поперечных трещин (рис. 2).
100,
о
с S
в? S
к -
х
0J „- Щ ^ я я и N 03
га >>
о, —
о н с ° 60 .
S 5 я 1 5 и Оч
О С
га
^ с я ц а> CQ Í.D . я я г tí
20
60
40
20
/рр 5 окр L
"FC
L
г брн
200
too
600
ю
о; В
в
1) Й СЧ
а.
о -
га X
я
VO Ц
0,1
0,2
0,3
0А
0,5
Ширина раскрытия трещин а™, мм.
Рис. 2. Зависимости изменений характеристик коррозионного поражения арматуры в трещинах бетона от ширины раскрытия расчётных поперечных трещин, где: Р, I, дар, дм -соответственно средняя относительная величина коррозионного поражения по периметру стержня, длина и средняя, максимальная глубина участка коррозионного поражения; О и Р -соответственно постоянная и переменное воздействие нагрузки; С, М - соответственно средние и максимальное значения. (Рисунок выполнен авторами)
По данным на рисунке 2 средняя, максимальная глубина и длина коррозионного поражения арматуры, а также средняя относительная величина коррозионного поражения по периметру арматурного стержня соответственно составляют:
для переменного загружения: acrc = 0,1мм -Scp = 100мкм; SM
acrc = 0,2мм -Scp = 180мкм; 8M acrc = 0,3мм -8cp = 200мкм; SM
acrc = 0,4мм -Scp = 210мкм; SM
acrc = 0,5мм -Scp = 220мкм; 8M
для постоянного загружения: асгс = 0,1мм -Зср = 100мкм; 8М
acrc = 0,2мм - Scp = 180мкм; SM
= 380мкм; £ = 30мм; P = 55%, = 520мкм; £ = 45мм; P = 94%, = 615мкм; £ = 59мм; P = 100%, = 630мкм; £ = 64мм; P = 100%, = 640мкм; £ = 66мм; P = 100%,
= 175мкм; £ = 23мм; P = 45%, : 290мкм; £ = 38мм; P = 65%,
асгс = 0,3мм -8ср = 200мкм; 8М = 390мкм; £ = 44мм; Р = 73%, асгс = 0,4мм-8ср = 210мкм; 8М = 515мкм; £ = 50мм; Р = 81%, асгс = 0,5мм = 220мкм; 8М = 450мкм; £ = 53мм; Р = 87%,
Выводами, впервые полученными с помощью проведённых длительных экспериментальных исследований, являются установление более интенсивного, более чем в полтора раза, распространения коррозии по периметру и длине арматурного стержня, а также более высокой максимальной глубине коррозионного поражения при действии переменной ступенчатой повторной нагрузки, по сравнению с загружением постоянной нагрузкой. Переменная нагрузка приводит к появлению коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона при средней глубине коррозии арматурного стержня 8 = 240мкм; (3,4%), в то
время как уменьшение прочности при действии изгибающего момента в железобетонных образцах составляет всего 1,5%.
Следовательно, наступление предаварийного состояния железобетонных конструкций, возникающего в результате нарушения сцепления арматуры с бетоном при возникновении коррозионных продольных трещин в защитном слое бетона, происходит не от снижения несущей способности арматуры, а от длины распространения продуктов коррозии арматуры в зоне влияния поперечных трещин, в условиях воздействия переменной ступенчатой повторной нагрузки и агрессивной жидкой хлоридсодержащей среды.
Ширина раскрытия и форма (депланация) расчётных поперечных трещин по толщине защитного слоя бетона определяют проницаемость влаги, кислорода и различных агрессивных реагентов к арматуре и, в конечном счёте, коррозионную сохранность арматуры в поперечных трещинах бетона. Депланация бетона трещин определяет фактическую ширину раскрытия трещин на поверхности бетона в зависимости от толщины защитного слоя бетона [12].
Нормативный документ СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» определяет среднюю ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента на поверхности арматуры, что не позволяет прогнозировать коррозионную сохранность арматуры в трещинах бетона, из-за включения в СНиП 2.03 11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии» нормативной ширины раскрытия трещин, рассматриваемой на поверхности защитного слоя бетона при 8ЗС = 25 мм в зависимости от вида и степени агрессивности среды.
Из нормативных документов только межгосударственный стандарт ГОСТ 8829 -94 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» учитывает влияние депланации бетона на ширину раскрытия поперечных трещин.
Коэффициент депланации, равный отношению ширины раскрытия трещины на поверхности бетона к ширине раскрытия трещины на поверхности арматуры, изменяются в зависимости от величины напряжения в арматуре [16].
Рис. 3. Зависимость коэффициента депланации бетона в поперечных трещинах от величины напряжения в арматуре периодического профиля (рисунок заимствован из работы [16])
Ширина раскрытия расчётных поперечных трещин непосредственно у поверхности арматуры периодического профиля в железобетонных конструкциях в три раза меньше ширины раскрытия поперечных трещин в железобетонных элементах с гладкой арматурой при одинаковых напряжениях в арматуре [16].
Результаты известных экспериментальных исследований на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементах показывают, что в балках с гладкими стержнями депланация бетона в поперечных трещинах наблюдается на участках, непосредственно прилегающих к арматуре, то есть 5 - 10 мм. На расстоянии от поверхности арматуры 8 = 10-25 мм депланация бетона отсутствует [12].
В балках с арматурой периодического профиля коэффициент депланации Кд = асгс25/асгсб, где аСгс25 - ширина раскрытия трещин на расстоянии 25мм от поверхности арматуры, асгсд - ширина раскрытия трещин на поверхности защитного слоя бетона, при толщине защитного слоя бетона 8зс > 25мм, аппрпоксимируется линейной зависимостью [12]:
к д =
25
£
•(1 -а)+а
при £з.с.б. = Явл-
а 2
(1)
где а = Л1 — - коэффициент, учитывающий диаметр арматуры (ё) в мм; ИЕ
V ё
радиус
взаимодействия арматуры с бетоном. Значения ЙЕЛ изменяются от 2,5 й до 6 й в зависимости от величины напряжения в арматуре.
Графическая интерпретация значений коэффициента депланации при 5зс25 > 25мм, вычисленных по формуле (1) для различных диаметров арматуры, представлена на рис. 4.
б
Отношение 25 (мм)/5»*(мм)
Рис. 4. Изменение коэффициента депланации бетона трещин при 5зс6 > 25мм в зависимости от диаметра арматуры периодического профиля (рисунок выполнен авторами)
Графическое изображение изменения коэффициента депланации бетона при Ззс5 < 25 мм для различных диаметров арматуры приведено на рис. 5.
1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 Отношение 25 (мм)/б5сб(мм)
Рис. 5. Изменение коэффициента депланации бетона трещин 8зсб < 25мм в зависимости от диаметра арматуры. 1 - опыты В.М. Кёльнера, А.Г. Фартушного [12]. 2 - опыты Э.Г. Портера, А.Г. Фартушного [12].Класс арматуры: 010 — АТ — VII, 014 и 020 — А — III
(рисунок выполнен авторами)
По степени опасности коррозионного поражения арматурной стали в расчётных поперечных трещинах бетона горячекатаная арматура гладкого и периодического профиля классов А-I и А -III располагаются в одной группе в СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии» и в межгосударственном стандарте ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования». Разная величина коэффициента депланации бетона в поперечных трещинах для арматуры гладкого и периодического профиля определила задачу уточнения нормативных значений ширины раскрытия расчётных поперечных трещин для этих арматурных сталей, с помощью экспериментальных исследований коррозионного состояния арматуры в поперечных трещинах бетона железобетонных конструкций.
Впервые разработанная программа экспериментальных исследований влияния депланации бетона стенок поперечных трещин на коррозионное поражение арматуры различного профиля предусматривала изучение коррозии арматуры классов А-1 и А-111 в поперечных трещинах бетона на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементах с размерами 2000х200х70 мм с соответствующими значениями толщины защитного слоя бетона 15, 20, 25 мм и классом бетона В-30 [12]. Каждый опытный образец армировался одним рабочим стержнем класса А-1 или А-111 с соответствующими диаметрами 10, 14 и 18 мм. В зоне чистого изгиба образцов поперечная арматура отсутствовала, из-за получения
независимых экспериментальных характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона.
Прямые модели железобетонных конструкций испытывались в атмосферных условиях с дополнительным два раза в сутки увлажнением 3% раствором ЫаС£. Эксперимент проводился в течение двух лет до появления на образцах на уровне рабочей арматуры волосяных коррозионных продольных трещин, свидетельствующих о наступлении предаварийного состояния железобетонных конструкций [15]. С учётом выбранной концентрации хлорид - ионов и фактического периода образования коррозионных продольных трещин на опытных образцах между расчётными поперечными трещинами степень воздействия агрессивной жидкой хлоридсодержащей среды на опытные образцы оценивается как сильноагрессивная [14].
Коррозионная стойкость арматуры, с учётом депланации бетона в поперечных трещинах, определялась с помощью коэффициента К0 = К2 / К, где К1 и К2 - соответственно глубины коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона со стороны защитного слоя бетона и противоположной стороны. Полученные результаты экспериментальных исследований показывают, что величина Ко зависит от класса арматуры, значений аСТс и 5зс (рис. 6 и рис. 7).
О 0,05 0.1 0.2 О.З
Величина Ос1е мм
Рис. 6. Показатель коррозионной стойкости арматуры класса А-I в поперечных трещинах бетона Ко.. 1-йа=18мм и óзс =25мм; 2 - йа=14мм и óзс =25мм; 3 - йа=10мм и óзс =25мм; 4 -ёа=18мм и 0зс =20мм; 5 - йа=14мм и 0зс =20мм; 6 - йа=10мм и 0зс =20мм; 7 - йа =18мм и 0зс =15мм; 8 - йа =14мм и 0зс=15мм; 9 - йа =10мм и 0зс =15мм (рисунок выполнен авторами)
О 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Величина авс
Рис. 7. Показатель коррозионной стойкости арматуры класса А-Ш в поперечных трещинах бетона Ко.. 1 - йа= 18мм и 6зс =25мм; 2 - йа = 14мм и ¿зс = 25мм; 3 - йа = 10мм и ¿зс = 25мм; 4 - йа =18мм и ¿зс=20мм; 5- йа = 14мм и ¿зс = 20мм; 6 - йа = 10мм и ¿зс =20мм;7- йа = 18мм и ¿зс = 15мм; 8 - йа = 14мм и ¿зс = 15мм; 9 - йа = 10мм и ¿зс = 15мм (рисунок выполнен авторами)
Шириной раскрытия поперечных трещин в бетоне, при которой Ко = 0, является соответствующая величина асгс: для гладкой арматуры класса А-1 - 0,005 мм и (5зс = 15 мм), 0,025мм (5зс= 20 мм) и 0,050 (5зс = 25 мм); для арматуры периодического профиля класса А-Ш-0,050мм (5зс = 15 мм), 0,10 (бзс > 20 мм).
Глубина (5) и длина (£) участка коррозионного поражения арматуры определяются классом арматуры, значением асгс и величиной Ф, где Ф = da / дзс - отношение диаметра арматуры к толщине защитного слоя бетона) (рис. 8 и рис. 9).
Рис. 8. Показатель коррозионного поражения арматуры класса A-I в зоне поперечных трещин бетона.1 - £ max {acrc );2 - £ ср (асгс );3 - £ ср (ф) ^ (£ сгс );5 - 8ср (асгс ),6 - ^ (ф)7 - 8ср (ф)
(рисунок выполнен авторами)
Рис. 9. Показатель коррозионного поражения арматуры класса А-Ш в зоне поперечных трещш бетона. 1 - £ ^ (асгс );2 - £ ср (асгс );3 - £ ср (ф) ^ (£ crc );5 - 8 (асгс ),6 - ^ (ф) 7 - 8ср (ф)
(рисунок выполнен авторами)
Анализ опытных данных показывает, что практически не отмечено уменьшение несущей способности железобетонных образцов и арматуры при средней глубине коррозионного поражения до 8 = 300 мкм арматуры ф14 мм класса А-111. Средняя глубина коррозионного поражения стальных арматурных стержней, при которых возникали коррозионные продольные трещины, составляла от 8 = 240 мкм до 8 = 350 мкм в
зависимости от толщины защитного слоя бетона и класса арматуры. Выводом из анализа полученных экспериментальных значений является определение долговечности обычных железобетонных конструкций в жидких агрессивных средах, содержащих хлорид - ионы, по
временному периоду появления средней глубины коррозионного поражения арматуры в пределах до 8 = 350 мкм.
Математическая обработка результатов эксперимента выявила функциональную зависимость между средней длиной коррозионного поражения - £ср и средней её глубиной -5ср в аналогичных по ширине раскрытия аСТс в момент появления продольных трещин (таблица 1).
Таблица 1
Уравнения регрессии функциональной зависимости средней длины участка коррозионного поражения арматуры от средней её глубины (составлена авторами)
Класс арматуры Уравнения í cP = f {ScP ) Диаметр арматуры, (мм)
А-I í cp =Scp - 50)0,83 - 45 1ф 10 1ф 14 1 ф 18
A-III í cp = 0,280 Scp 1ф 10 1ф 14 1ф 18
Данные таблицы 1 показывают, что в агрессивной жидкой хлоридсодержащей среде определяющее влияние на появление и раскрытие коррозионных продольных трещин оказывает расстояние между расчётными поперечными трещинами в защитном слое бетона на уровне растянутой арматуры £CTc. Минимальные предельные допустимые значения длины
между поперечными трещинами í'сгс, определены с помощью проведённого статистического
анализа вероятности распределения Icrc в зоне чистого изгиба опытных образцов. Распределение вероятности соответствующих выборок £CTc для арматуры класса А-I и А-III имеет нормальный закон, так как х^бл< х\р (рис. 10).
Рис. 10. Графики эмпирических (- - - -) и теоретических(-) статистических
распределений выборок Icrc для арматуры классов A-I и А-III. (Рисунок выполнен авторами)
Результаты статистической обработки выборок £CTc в зоне чистого изгиба образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты статистической обработки величины tere (составлена авторами)
Класс армат уры сгс , шт М, мм о, мм А Е набл хкр ilcrc ,мм
А-I А-III 215 261 95,05 77,00 21,40 22,90 0,208 0,247 -0238 -0,641 7,95 13,48 15,50 14,10 59,74 39,20
Условными обозначениями в таблице 2 являются: М - величина математического ожидания, о - среднее квадратическое отклонение, А и Е - показатели асимметрии и эксцесса теоретического распределения, (%1абл) и ) соответственно теоретический и критический
критерии согласия Пирсона, i сгс - минимальное расстояние между поперечными трещинами в бетоне при уровне значимости а= 0,95.
Данные таблицы 2 показывают относительное уменьшение минимальных расстояний между поперечными трещинами в бетоне в 1,53 раза для арматуры периодического профиля (класс А-III), по сравнению с арматурой гладкого профиля (класс А-I).
Выводы, В СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии» и ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» установлены различные значения нормативной ширины продолжительного раскрытия трещин в железобетонных конструкциях при воздействии сильноагрессивной жидкой среды, соответственно равные асгс = 0,10мм и асгс = 0,05 мм Анализ результатов проведённого эксперимента показывает, что при воздействии постоянной нагрузки для арматуры периодического профиля экономически более обоснованной нормативной шириной раскрытия поперечных трещин в бетоне в сильноагрессивной жидкой среде, содержащей хлорид - ионы, с учётом принятия во внимание депланацию бетона в поперечных трещинах, является величина асгс = 0,10мм .
ЛИТЕРАТУРА
1. Маринин, А.Н. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию хлоридной коррозии и карбонизации / А.Н. Маринин, Р.Б. Гарибов, И.Г. Овчинников. - Саратов: Рата, 2008. - 259 с.
2. Васильев, А.И. Прогноз коррозии арматуры железобетонных конструкций автодорожных мостов в условиях хлоридной агрессии и карбонизации / А.И. Васильев, A.M. Подвальный // Бетон и железобетон. - 2002. - №6. - С. 27-32.
3. Петров, В.В. Нелинейная инкрементальная строительная механика / В.В. Петров. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 480 с.
4. Zivica V. Corrosion of reinforcement induced by environment containing chloride and carbon dioxide / V. Zivica, // Bulletin of Materials Science. 2003. - Vd.26.-№6. - P. 605-608.
5. Bob, С. Probabilistic assessment of reinforcement corrosion in existing structures. Proceedtngs of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK. I996. - pp. 17-28.
6. Мигунов, В.Н. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Моногрф. / В.Н. Мигунов, И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников. - Пенза, ПГУАС, 2014. - 362 с.
7. Пухонто, Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, подпорных стен) / Д М. Пухонто. - М.: АСВ, 2004. - 424 с.
8. Барашиков, А.Я. Исследование длительной работы железобетонных конструкций при переменных нагрузках: дис.... д-ра техн. наук / А.Я. Барашиков. - Киев, 1977. - 297 с.
9. Пирадов, К.А. Механика разрушения железобетона / К.А. Пирадов, Е.А. Гузеев. - М.: Новый век, 1998. - 190 с.
10. Мигунов, В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Часть 1: моногрф. / В.Н. Мигунов. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 332с.
11. Степанов, С.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах с учётом коррозионного износа рабочей арматуры: дис.. канд. техн. наук / С.Н. Степанов. - Нижний Новгород: НГАСУ, 2005. - 180 с.
12. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Часть 2: моногрф. / В.Н. Мигунов. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 304 с.
13. Овчинников И.И. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Моногрф. / И.И Овчинников, В.Н. Мигунов, И.Г. Овчинников. - Пенза, ПГУАС, 2014. - 294 с.
14. Мигунов, В.Н. Влияние переменной нагрузки и амплитуды изменения ширины раскрытия трещин на коррозионное поражение арматуры в трещинах железобетонных конструкций / В.Н. Мигунов // Изв. вузов. Строительство.-2002. - №10. - С. 134-137.
15. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль // Совм. Изд. СССР - ЧССР - ФРГ. - М.: Стройиздат, 1990. - 320 с.
16. Москвин, В.М. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры / В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, Г.П. Вербецкий, В.И. Новгородский - М.: Стройиздат, 1971. -144 с.
Рецензент: Овчинников Илья Игоревич, эксперт Поволжского отделения Российской академии транспорта, советник РАТ, канд. техн. наук, доцент.
Migunov Viktor Nikolaevich
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza E-mail: [email protected]
Ovchinnikov Igor Georgievich
Perm national research polytechnic university
Russia, Perm
Yuri Gagarin state technical university of Saratov
Russia, Saratov
Moscow state automobile&road technical university (Sochi branch)
Russia, Sochi E-mail: [email protected]
Shamshina Kseniya Viktorovna
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza E-mail: [email protected]
The methodology and results of experimental studies on the direct model of conventional reinforced concrete structures and the impact of the variable constant load on the strength of prototypes and the corrosive characteristics
of the valve
Abstract. Liquid media containing chloride - ions, pose the greatest danger to the corrosion of the reinforcement of concrete structures.
The main external force on the concrete elements for industrial buildings and structures for spans of rail and road bridges are variable loads batch. Among all the variable loads of the same sign stepped variable actions with a high level of loading are the most dangerous for reinforced concrete structures. Operating variables stepped repetitive load, compared with other types of loading, increases the deformability of concrete elements with a simultaneous reduction in their durability.
The lack of building regulations in the index of influence of operational variables stepped repetitive loads on the mechanical properties of reinforcement and concrete is one of the main reasons for non-compliance and the actual durability of concrete structures.
One of the main factors determining the reduction in the durability of concrete structures with the calculated transverse cracks under the action of liquid chloride-containing environments, is the corrosion of reinforcement in concrete transverse cracks.
Analysis of the known results of research shows a lack of experimental studies of reinforced concrete structures with the calculated force transverse cracks in the protective layer of concrete on the software and regime laden with corrosive liquid chloride-containing environments.
The paper presents the methodology and results of experimental studies of the influence of different modes of loading the bending load on the direct model of reinforced concrete structures with the calculated transverse cracks on the strength properties of prototypes and fixtures, in view of corrosion damage.
Opening width and shape (warping) calculated transverse cracks through the thickness of the protective layer determine the permeability of concrete for reinforcement of aggressive reagents.
Various sizes warping transverse cracks in concrete for reinforcement and smooth periodic profile was the basis for experimental studies on the direct model of reinforced concrete structures in aggressive chloride-containing liquid medium for the determination of non-hazardous for concrete elements opening width transverse cracks in the protective layer of concrete.
Keywords: reinforced concrete structures; the direct model; valves periodic and smooth profile; variable speed re-load liquid chloride-containing environments; degree of aggressiveness and durability; the calculated transverse cracks; corrosion; longitudinal cracks; the strength; depth and length of reinforcement corrosion; concrete warping; warping factor.
REFERENCES
1. Marinin, A.N. Soprotivlenie zhelezobetonnykh konstruktsiy vozdeystviyu khloridnoy korrozii i karbonizatsii / A.N. Marinin, R.B. Garibov, I.G. Ovchinnikov. - Saratov: Rata, 2008. - 259 s.
2. Vasil'ev, A.I. Prognoz korrozii armatury zhelezobetonnykh konstruktsiy avtodorozhnykh mostov v usloviyakh khloridnoy agressii i karbonizatsii / A.I. Vasil'ev, A.M. Podval'nyy // Beton i zhelezobeton. - 2002. - №6. - S. 27-32.
3. Petrov, V.V. Nelineynaya inkremental'naya stroitel'naya mekhanika / V.V. Petrov. -M.: Infra-Inzheneriya, 2014. - 480 s.
4. Zivica V. Corrosion of reinforcement induced by environment containing chloride and carbon dioxide / V. Zivica, // Bulletin of Materials Science. 2003. - Vd.26.-№6. - P. 605-608.
5. Bob, S. Probabilistic assessment of reinforcement corrosion in existing structures. Proceedtngs of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK. I996. - pp. 17-28.
6. Migunov, V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe modelirovanie armirovannykh konstruktsiy v usloviyakh korrozii. Monogrf. / V.N. Migunov, I.I. Ovchinnikov, I.G. Ovchinnikov. - Penza, PGUAS, 2014. - 362 s.
7. Pukhonto, L.M. Dolgovechnost' zhelezobetonnykh konstruktsiy inzhenernykh sooruzheniy (silosov, bunkerov, rezervuarov, vodonapornykh bashen, podpornykh sten) / D M. Pukhonto. - M.: ASV, 2004. - 424 s.
8. Barashikov, A.Ya. Issledovanie dlitel'noy raboty zhelezobetonnykh konstruktsiy pri
peremennykh nagruzkakh: dis____d-ra tekhn. nauk / A.Ya. Barashikov. - Kiev, 1977.
- 297 s.
9. Piradov, K.A. Mekhanika razrusheniya zhelezobetona / K.A. Piradov, E.A. Guzeev. -M.: Novyy vek, 1998. - 190 s.
10. Migunov, V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy s treshchinami. Chast' 1: monogrf. / V.N. Migunov. - Penza: PGUAS, 2013. - 332s.
11. Stepanov, S.N. Prognozirovanie dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy, rabotayushchikh v agressivnykh sredakh s uchetom korrozionnogo iznosa rabochey
armatury: dis____kand. tekhn. nauk / S.N. Stepanov. - Nizhniy Novgorod: NGASU,
2005. - 180 s.
12. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy s treshchinami. Chast' 2: monogrf. / V.N. Migunov. -Penza: PGUAS, 2013. - 304 s.
13. Ovchinnikov I.I. Eksperimental'no-teoreticheskoe modelirovanie armirovannykh konstruktsiy v usloviyakh korrozii. Monogrf. / I.I Ovchinnikov, V.N. Migunov, I.G. Ovchinnikov. - Penza, PGUAS, 2014. - 294 s.
14. Migunov, V.N. Vliyanie peremennoy nagruzki i amplitudy izmeneniya shiriny raskrytiya treshchin na korrozionnoe porazhenie armatury v treshchinakh zhelezobetonnykh konstruktsiy / V.N. Migunov // Izv. vuzov. Stroitel'stvo.- 2002. -№10. - S. 134-137.
15. Бо1§оуесИпо81;' 2Ье1е2оЬе1;опа V а§ге881упукЬ вгеёакЬ / Б.К Л1еквееу, КМ. 1уапоу, Б. Моёгу, Р. БЫббГ // Sovm. Ы. БББЯ - СЬББЯ - БЯС. - М.: 81гоу12ёа1, 1990. -320 б.
16. Moskvin, У.М. ТгеБЬсЫпу V 2Ье1е2оЬе1;опе 1 когго21уа агтаШгу / У.М. Moskvin, БЖ Л1ekseev, О.Р. УегЬе1Бк1у, У.1. Novgoгodskiy - М.: Б1гоу12ёа1, 1971. - 144 Б.
