CC BY
8Методика определения ширины раскрытия коррозионных трещин для оценки технического состояния железобетонных конструкций
Аспирант В.Б. Степанов*,
ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Ключевые слова: коррозия; измерение трещин; ресурс конструкций
Исчерпание расчетного срока службы зданий и сооружений, построенных в период массового строительства второй половины прошлого века, приводит к необходимости контроля их остаточного ресурса. В этих случаях проводится оценка необходимости выполнения усиления или демонтажа, разрабатываются мероприятия по дальнейшей эксплуатации конструкции и сооружения в целом.
Определение технического состояния железобетонных конструкций является сложной и актуальной задачей. Это объясняется наличием неконтролируемых факторов и параметров, влияющих на совместную работу бетона и арматуры и их физико-механические характеристики. Большинство параметров оценивается по косвенным данным, так как изъятие фрагментов арматуры и бетона приводит к снижению несущей способности конструкции.
Анализ работ, посвященных развитию методик, инструментальной базы, надежности оценки коррозионного поражения железобетонных конструкций [1-11], позволил выделить три основных направления: вихретоковые измерения коррозии арматуры [6,9,10], ультразвуковая методика [5,7], контроль электрических параметров (потенциала и силы тока в паре бетон - арматура) [8,11]. Также проводится оценка изменения частот колебаний конструкции [3] вследствие коррозии, разрабатываются методики установки и мониторинга образцов-свидетелей, содержащих изотопную метку [1], сенсоров коррозии арматуры [4].
Следует отметить, что перечисленные способы инструментальной оценки коррозионного поражения конструкций трудоемки, а иногда невыполнимы. При большом объеме обследования очевидной характеристикой изменения технического состояния конструкций могут явиться внешние признаки. Такие признаки выявляются в виде дефектов при изменении структуры и сплошности бетона, при обнаружении значительных деформаций.
Коррозия арматуры приводит к изменению ее структуры и площади сечения. При этом производятся продукты коррозии (гидроксиды железа), нарушается сцепление арматуры с бетоном, появляются коррозионные (продольные) трещины. Появление первых видимых коррозионных трещин [12] наблюдается уже при потере площади сечения арматуры более 0,5%. Отслоения защитного слоя бетона свидетельствуют о значительных коррозионных повреждениях. Это создает предпосылки к совершенствованию методик измерения ширины раскрытия коррозионной трещины как наиболее доступного для инструментальной оценки показателя состояния железобетонных конструкций.
Показателен тот факт, что, несмотря на частое использование критерия ширины раскрытия трещины при описании технического состояния конструкции, а также в научных и исследовательских работах, анализ методики ее измерения не проводился. Возможно, это явилось следствием нормативного ограничения ширины раскрытия силовых трещин и использования ее максимального значения в качестве контролируемого параметра [13].
На кафедре СКиМ СПбГПУ был разработан и опробован новый подход к проведению измерений и обработке опытных данных. Новизна предлагаемой методики заключается в определении осредненного значения ширины раскрытия трещины асгс по отношению площади суммарного лицевого раскрытия Бсгс трещины к длине ее берегов 1сгс :
_ ^сгс
Lcrc
Наиболее простым способом реализации предлагаемой методики может стать фотофиксация поврежденных участков с последующей оцифровкой и масштабированием изображения. Масштабирование размеров трещины производится при помощи рамки прямоугольного очертания установленной площади (рис. 1).
Рисунок 2. Контур трещины после обработки в графическом редакторе
Рисунок 1. Измерение коррозионной трещины с использованием рамки для масштабирования
Для улучшения качества аппаратной обработки изображения рекомендуется производить инъецирование (затирку) трещин составом, контрастного к общему фону цвета. Графические редакторы позволяют вычленить нужный спектр из общей палитры цветов.
Получение изображения может производиться при помощи сканирующих устройств. При этом не требуется фокусировка объектива и масштабирование рисунка, отсутствует оптическое искажение снимка, характерное для фотографии. Разрешающая способность сканирующих устройств находится в пределах 150...600 до 1000 spi. Разрешение 600 spi соответствует значению 25,4/600=0,042мм, что сопоставимо с ценой деления микроскопа МПБ-2 (0,02мм и 0,04мм на шкалах 50х и 25х соответственно).
Представленные средства измерений используются для оценки интегрального значения ширины раскрытия коррозионной трещины на участке длиной l0 . В пределах исследуемого участка может наблюдаться отклонение планового положения трещины от проекции центра тяжести арматуры. Это объясняется конгломератной структурой бетонного камня. Развитие трещин происходит по поверхности зерен крупного заполнителя, раскрываясь в виде линии криволинейного очертания (см. рис. 4).
Проведенные ранее исследования [14] показывают пропорциональную зависимость ширины раскрытия трещины от величины защитного слоя бетона. Поэтому на участке со значительной кривизной трещины действительное значение степени коррозии арматуры, как функции от ширины раскрытия трещины, может быть переоценено. Указанную погрешность предлагается
компенсировать пересчетом с определением приведенной ширины раскрытия трещины arr. Коэффициент приведения определяется (см. рис. 3) по углу, образованному проекцией нормали и условной плоскостью проложения трещины к центральной оси арматуры:
acre = acre ■cos2 а,
а = эг^д—, с
где с - величина защитного слоя бетона;
х - отклонение трещины от нормальной проекции центральной оси арматуры на поверхности бетонного камня.
Максимальное отклонение трещины (см. рис. 4):
Фею - 12
max 2n '
где n=1 ...4 и более - показатель, характеризующий линейность трещины.
,,Гвс1
Рисунок 3. Графическое определение асгс
Тогда среднее значение отклонения трещины на рассматриваемом участке:
Рисунок 4. Определение показателя линейности коррозионной трещины
X = ■
f.
_ ¡2 crc '0
2 4п
Окончательно приведенное значение ширины раскрытия трещины:
ared = я
■ cos2 (arctg—) = яс
(¡2 - 12 ■ cos2(arctg^ rc ' 0 ), 4n ■ c
где асгс - измеренное значение ширины раскрытия трещины; 1сгс - осредненное значение длины берегов трещины; 10 - длина участка поверхности измеряемой трещины; п - показатель линейности трещины, численно равный количеству максимумов в соответствии с рис. 4; с -величина защитного слоя бетона.
При увеличении показателя п уменьшается эффект приведения ширины раскрытия трещины, который характеризуется отношением асгс/агс£. При 10 < 50 и п > 4 можно пренебречь ее нелинейностью, так как погрешность измерения асгс не превышает 1%.
Эффективность введения новой характеристики коррозионного поражения арматуры -приведенной ширины раскрытия трещины - оценивалась по результатам проведенного эксперимента (табл. 1).
Для этого на восьми участках поверхности железобетонных образцов проводились замеры ширины раскрытия трещины стандартным методом (микроскопом МПБ-2 с ценой деления шкалы 0,02 мм) и интегральным методом (с помощью рамки и цифрового фотоаппарата). В первом случае измерения велись по нормали к локальному направлению трещины с шагом 1 см. Количество измерений принималось равным длине рассматриваемого участка - от 4 до 10 см. Среднее значение ширины раскрытия трещин на рассматриваемых участках составило от 0,7 до 1,4 мм.
Оценка фактического коррозионного поражения арматуры проводилась гравиметрическим методом. Иначе говоря, измерялась длина и масса фрагментов арматуры после удаления продуктов коррозии. Результаты, представленные в таблице 1, проиллюстрированы на рис. 5.
X
тах
Таблица 1. Результаты измерения ширины раскрытия коррозионной трещины различными методиками (МВИ)
№ уч. Интегральный метод Микроскоп МПБ-2 Разность оценок МВИ Степень коррозионного поражения арматуры, %
Ширина раскрытия трещины, изм., мм*100 Ширина раскрытия трещины, прив., мм*100 Число измерений в серии Максимальное в серии, мм*100 Минимальное в серии, мм*100 Среднее мм*100 В абс. ед. мм*100 В проц. от (3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 91 90 10 96 60 83 7 8,2% 11,48
2 144 142 7 316 114 166 -24 -16,8% 14,92
3 137 128 10 144 90 130 -2 -1,4% 18,20
4 111 110 10 156 94 114 -4 -3,6% 11,52
5 111 110 7 152 56 102 8 6,9% 10,65
6 125 122 4 216 62 119 3 2,4% 12,29
7 112 111 6 226 68 133 -22 -19,9% 13,46
8 74 74 5 100 52 69 5 6,7% 14,07
350
300
250
200 -■
150 --
100-----
50
в МВИ
| + О Минимальное, нам. МПБ Максимальное, изм. МПБ
о о Л.Среднее, изм. МПБ ■ Интегральный метод
......О ♦ _ _ О _ _ А
« -1 ■
♦ .....о......н-------- ♦ I ж J 4
10
11
12
13
14
15
1Е
17
18 19
I 01.
1СОГТ ' ™
Рисунок 5. Сравнительный анализ методик выполнения измерений
Следует обратить внимание на тот факт, что при назначении шага измерений по стандартной методике, положение шкалы микроскопа может совпасть с локальными дефектами поверхности бетона (кавернами и выколами). Поэтому полученные значения максимальной ширины раскрытия трещины могут не отражать степени коррозионного поражения арматуры. Необходимость цензурирования значений наводит на мысль о применимости данного критерия. Попытка осуществлять выборочные измерения приводит к возникновению субъективных погрешностей.
Измерения интегральным методом позволяют получить более точное значение средней ширины раскрытия трещины по сравнению со стандартной методикой измерений. Это может быть одной из причин плохой корреляции степени коррозии арматуры и ширины раскрытия трещины в проведенных ранее исследованиях [15]. Другой объективной причиной следует считать изменение величины [16] дополнительного давления продуктов коррозии на окружающий слой бетона. При различной интенсивности коррозионных воздействий образуется слой продуктов коррозии различной толщины вследствие их частичной диссипации в поры бетона.
Оценка степени коррозионных повреждений может производиться по аналитической формуле [17]:
_ 4лб8
(1 -oc)(a/b)^+ (1 + oc)(b/a)^ Eef
где - ширина раскрытия трещины; б3 - толщина слоя продуктов коррозии; ис - коэффициент Пуассона для бетона; а и Ь - соответственно радиус арматуры и величина защитного слоя бетона от ее центра; а - коэффициент изменения жесткости бетона; ^ - прочность бетона на растяжение; ЕеГ - значение модуля деформации бетона.
Приведенная формула позволяет рассматривать показатель средней ширины раскрытия трещины как самостоятельный параметр коррозионных повреждений. Следует отметить, что прочность железобетонных конструкций, подверженных коррозии арматуры, снижается до 10-25%, жесткость - до 50% [12,14,18]. В работах отмечается, что изменение прочности и жесткости происходит главным образом из-за потери сцепления между арматурой и бетоном. Изменение последнего может быть выражено через толщину слоя продуктов коррозии, но не степени коррозионного поражения арматуры. Доступным фактором этой оценки является осредненная ширина раскрытия трещины.
На основании вышеизложенного сформулированы основные выводы по статье.
1. Разработана новая методика определения ширины раскрытия трещины. Она включает в себя получение изображений поврежденных участков (см. рис. 1) с последующей оцифровкой и масштабированием (см. рис. 2). Новизна предлагаемой методики заключается в подходе к определению осредненного значения ширины раскрытия трещины асгс по отношению площади суммарного лицевого раскрытия Бсгс трещины к длине ее берегов 1СГС .
2. Интегральный метод оценки избавляет от субъективных погрешностей, связанных с расположением и ориентацией измерительного прибора. Осреднение ширины раскрытия трещины позволяет выполнять математическую обработку и корректировку результатов измерения, в том числе учесть методические погрешности, вызванные случайным характером ее изменения.
3. Для учета геометрической нелинейности раскрытия трещины вводится понятие ее приведенного значения. Этот показатель может более точно характеризовать техническое состояние конструкций, так как учитывает зависимость ширины раскрытия трещины от величины защитного слоя бетона. То же используется для переменной величины защитного слоя бетона по длине арматуры.
4. Контроль остаточного ресурса зданий и сооружений может производиться по внешним признакам. Осредненное значение ширины раскрытия трещины должно стать самостоятельным параметром оценки коррозионных повреждений конструкций для определения деструкции и остаточной прочности бетонной матрицы вследствие давления продуктов коррозии арматуры.
Литература
1. Пастухов Ю. В., Сидельникова О. П. Контроль коррозии при эксплуатации зданий и сооружений в особых условиях // Вестник ВолгГАСУ. Выпуск 7(26). Строительство и архитектура. Волгоград, 2007. С. 41-44.
2. Наумова Г. А., Гарибов Р. Б. Прочностной мониторинг потенциально опасных строительных объектов, выполненных из железобетона, с учетом реальных условий эксплуатации // Вестник ВолгГАСУ. Выпуск 8(27). Строительство и архитектура. Волгоград, 2007. С. 37-45.
3. Capozucca R., Nilde Cerri M. Identification of damage in reinforced concrete beams subjected to corrosion // ACI Structural Journal. Vol. 97. No. 6. November-December 2000. Рр. 902-909.
4. Marsh P., Frangopol D. Lifetime iviultiobjective optimization of cost and spacing of corrosion rate sensors, embedded in a deteriorating reinforced concrete bridge deck // ASCE. June 2007. Pp 777-787.
5. Ing M. Detection of Reinforcement Corrosion by an Acoustic Technique. Doctoral thesis, submitted in partial fulfilment of the requirements for the award of EngD of Loughborough University. September 2003.
6. Nygaard P., Geiker M., Elsener B. Corrosion rate of steel in concrete: evaluation of confinement techniques for on-site corrosion rate measurements // Materials and Structures 42 (2009). Pp. 1059-1076.
7. Katwan M., Hodgkiess T., Arthur P. Study of electrochemical noise technique for the prediction of corrosion rate of steel in concrete // Materials and Structures. June 1996. Pp. 286-294.
8. Lambert P., Page C. Investigations of reinforcement corrosion 2. Electrochemical monitoring of steel in chloride-contaminated concrete // Materials and Structures. Vol. 24. Pp. 351-358.
9. Andrade C., Alonso C. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel reinforcement in concrete by means of the polarization resistance method // Materials and Structures. Vol. 37. November 2004. Pp. 623-643.
10. Andrade C., Martinez I. Calibration by gravimetric losses of electrochemical corrosion rate measurement using modulated confinement of the current // Materials and Structures. Vol. 38. November 2005. Pp. 833-841.
11. El-Gelany M. Short-term corrosion rate measurement of OPC and HPC reinforced concrete specimens by electrochemical techniques // Materials and Structures. Vol. 34. August-September 2001. Pp. 426-432.
12. Mangat P., Elgarf M. Flexural strength of concrete beams with corroding reinforcement // ACI Structural Journal. Vol. 96. No. 1. January-February 1999. Pp. 149-158.
13. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий / АО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ». М., 2004. 208 с.
14. Степанов В. Б., Мельков Б. Н., Белов В. В. Экспериментальное исследование зависимостей: степень коррозии арматуры - сцепление арматуры с бетоном - прочность и жесткость железобетонных конструкций, подверженных коррозии арматуры // Сборник «Труды Псковского политехнического института». №14.2 (Строительство экономика). Псков: Издательство ППИ, 2010. С. 128-138.
15. Tammo K., Thelandersson S. Crack behavior near reinforcing bars in concrete structures // ACI Structural Journal. Vol. 106. No. 3. May-June 2009. Pр. 259-267.
16. Vu K., Stewart M., Mullard J. Corrosion-induced cracking: experimental data and predictive models // ACI Structural Journal. Vol. 102. No. 5. September-October 2005. Pр. 719-726.
17. Li C., Melchers R. Time-dependent reliability analysis of corrosion-induced concrete cracking // ACI Structural Journal. Vol. 102. No. 4. July-August 2005. Pр. 543-549.
18. Чаганов А. Б. Прочность и жесткость железобетонных ребристых плит с нарушением сцепления арматуры с бетоном. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. 2008. 158 с.
* Виталий Борисович Степанов, г. Псков, Россия Тел. моб.: +7(911)356-33-28; эл. почта: vital60rus@mail.ru
© Степанов В.Б., 2012
doi: 10.5862/MCE.31.1
The method of corrosion crack opening evaluation for the reinforced concrete structures technical state assessment
V.B. Stepanov,
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg, Russia
+7(911)356-33-28; e-mail: vital60rus@mail.ru
Key words
corrosion; crack measuring; resource of structures
Abstract
The problem of the reinforced concrete structures technical state assessment assumes the improvement of techniques of their nondestructive control. Therefore, the technique based on criterion of integral values of the crack opening width is proposed.
This criterion can serve as independent parameter of corrosion damage. Average value of crack width allows estimating thickness of corrosion products for determination residual bond between concrete and reinforcement.
The comparative analysis with a standard technique of measurement is carried out. Shortcomings of maximum crack width as a parameter of serviceability are shown. The integrated technique does possible correction, taking into account nonlinearity of a crack, size of concrete layer, excludes manifestation of the methodical and subjective errors peculiar to a standard technique of measurement.
References
1. Pastukhov Yu. V., Sidelnikova O. P. Vestnik VolgGASU [Bulletin of VolgGASU]. Vol. 7(26) (Building and architecture). Volgograd: 2007. Pp. 41-44. (rus)
2. Naumova G. A., Garibov R. B. Vestnik VolgGASU [Bulletin of VolgGASU]. Vol. 8(27) (Building and architecture). Volgograd, 2007. Pp. 37-45. (rus)
3. Capozucca R., Nilde Cerri M. Identification of damage in reinforced concrete beams subjected to corrosion. ACI Structural Journal. 2000. V. 97. No. 6. Pp. 902-909.
4. Marsh P., Frangopol D. Lifetime Multiobjective optimization of cost and spacing of corrosion rate sensors, embedded in a deteriorating reinforced concrete bridge deck. ASCE. June, 2007. Pp 777-787.
5. Ing M. Detection of Reinforcement Corrosion by an Acoustic Technique. Doctoral thesis, submitted in partial fulfilment of the requirements for the award of EngD of Loughborough University. 2003, September.
6. Nygaard P., Geiker M., Elsener B. Corrosion rate of steel in concrete: evaluation of confinement techniques for on-site corrosion rate measurements. Materials and Structures. 2009. Vol. 42. Pp. 1059 -1076.
7. Katwan M., Hodgkiess T., Arthur P. Study of electrochemical noise technique for the prediction of corrosion rate of steel in concrete. Materials and Structures. June, 1996. Pp. 286-294.
8. Lambert P., Page C. Investigations of reinforcement corrosion 2. Electrochemical monitoring of steel in chloride-contaminated concrete. Materials and Structures. Vol. 24. Pp. 351-358.
9. Andrade C., Alonso C. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel reinforcement in concrete by means of the polarization resistance method. Materials and Structures. 2004. Vol. 37. Pp. 623-643.
10. Andrade C., Martinez I. Calibration by gravimetric losses of electrochemical corrosion rate measurement using modulated confinement of the current. Materials and Structures. 2005. Vol. 38. Pp. 833-841.
11. El-Gelany M. Short-term corrosion rate measurement of OPC and HPC reinforced concrete specimens by electrochemical techniques. Materials and Structures. 2001. Vol. 34. Pp. 426-432.
12. Mangat P., Elgarf M. Flexural strength of concrete beams with corroding reinforcement. ACI Structural Journal. 1999. Vol. 96. No. 1. Pp. 149-158.
13. Posobiye po obsledovaniyu stroitelnykh konstruktsiy zdaniy [Manual for building structures inspection]. Moscow:TsNIIPROMZDANI, 2004. 208 p. (rus)
14. Stepanov V. B., Melkov B. N., Belov V. V. Sbornik «(Trudy Pskovskogo politekhnicheskogo instituta» [Collection of Pskov politechnical university proceedings]. No. 14.2 (Building and economy). Pskov: Izdatelstvo PPI, 2010. Pp. 128-138. (rus)
15. Tammo K., Thelandersson S. Crack behavior near reinforcing bars in concrete structures. ACI Structural Journal. 2009. V. 106. No. 3. Pp. 259-267.
16. Vu K., Stewart M., Mullard J. Corrosion-induced cracking: experimental data and predictive models. ACI Structural Journal. 2005. Vol. 102. No. 5. Pp. 719-726.
17. Li C., Melchers R. Time-dependent reliability analysis of corrosion-induced concrete cracking. ACI Structural Journal. 2005. V. 102. No. 4. Pp. 543-549.
18. Chaganov A. B. Prochnost i zhestkost zhelezobetonnykh rebristykh plit s narusheniyem stsepleniya armatury s betonom [The strength and stiffness of reinforced concrete ribbed slabs with rebar debonding with concrete]. Abstract for the degree of Ph.D. 2008. 158 p. (rus)
Full text of this article in Russian: pp. 6-11
