CC BY
277
УДК 624.012.45/46
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А. А. ВАСИЛЬЕВ
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель
Введение
Железобетонные конструкции (ЖБК) составляют основную долю конструкций капитальных зданий и сооружений, поэтому от их состояния зависят эксплуатационная надежность и долговечность большинства объектов народного хозяйства.
Все ЖБК, эксплуатирующиеся в воздушной среде, подвержены влиянию находящихся в ней кислых газов. Поскольку концентрация углекислого газа в воздухе в 10—104 раз выше концентрации других кислых газов, основным процессом нейтрализации бетона является карбонизация. При карбонизации бетона изменяется содержание карбонатной составляющей, по мере накопления которой происходят структурные изменения цементного камня, приводящие к деградации бетона и снижению его защитных свойств по отношению к арматуре, способствуя развитию коррозии арматуры с последующим разрушением защитного слоя. Дальнейшее развитие этих процессов приводит к потере конструкцией несущей способности и возникновению аварийной ситуации.
До настоящего времени кинетику карбонизации бетонов изучали по изменению толщины нейтрализованного слоя (х) от времени контакта образца или конструкции с углекислым газом воздуха, которую определяли с помощью 0,1 % спиртового раствора фенолфталеина.
Сочетанием индикаторного метода с теорией диффузионного переноса газов в твердом пористом теле было выведено основное уравнение карбонизации бетонов [1]:
X
= а4т .
где х - толщина нейтрализованного слоя по фенолфталеиновой пробе, см; А -коэффициент; т - время службы конструкции, с;
А =
20 'С0
т0
О - эффективный коэффициент диффузии СО2, см /с; С0 - концентрация СО2 в атмосфере в относительных единицах по объему; т0 - реакционная способность бетона;
V
г со2
т0 =-----------------2—
0 V
карб.бетона
VCO - объем СО2 при нормальной температуре и давлении, см ; ^арббетона - объем единицы бетона, поглотившей VCO, см3.
Эффективный коэффициент диффузии:
Авторами [1] показано, что толщина нейтрализованного слоя бетонов пропорциональна корню квадратному из концентрации СО2:
Приведенное выражение позволяет делать прогноз глубины карбонизации по результатам определений в первые годы эксплуатации или ускоренных испытаний при высоких концентрациях СО2. Для отдельно взятого значения глубина карбонизации х2 через т2 лет определяется по формуле:
где х1 - глубина карбонизации, обнаруженная в бетоне после т1 лет эксплуатации.
При выводе основного уравнения сделано допущение, что химическое взаимодействие происходит в узкой (около 1 мм) зоне. Резкий переход окраски индикатора, характерный для пористой структуры бетона, также способствовал формированию мнения, что процесс карбонизации протекает только в узкой зоне на границе изменения окраски индикатора.
Для ускорения испытаний исследования на образцах из цементно-песчаного раствора и бетона выполняли при очень высоких концентрациях СО2 - 10 % и 20 % по объему и относительной влажности - 75 %. Время испытаний составляло 54-219 ч. Такой метод исключал возможность изучения непосредственного взаимодействия поровой жидкости с СО2 воздуха в реальных условиях эксплуатации.
Многолетние авторские исследования ЖБК по глубине бетона показывают, что карбонизация бетона не заканчивается на определенном этапе и продолжается все время эксплуатации конструкций. При этом значения толщины слоя бетона, в которой он потерял защитные свойства по отношению к арматуре, определенные фенолфталеиновым тестом и рН-метрией, отличаются до нескольких раз, а коррозионные процессы различной интенсивности в арматуре присутствуют в зоне, в которой по индикаторному методу бетон сохраняет свои защитные свойства по отношению к арматуре. Кроме того, несмотря на то, что индикаторный метод прост в исполнении, он не позволяет детально судить об изменении показателя рН поровой влаги цементного камня в нейтрализованной зоне и за ее пределами, а также о влиянии распределения концентрации карбонатов по глубине бетона на величину рН.
Постановка задачи
Целью данной работы явилось изучение контакта различных типов ЖБК из тяжелых бетонов с различными воздушными средами для разных сроков их эксплуатации и разработка комплексной методики оценки и прогнозирования состояния железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в атмосферных условиях. В основу методики положено использование методов рН- и карбометрии, поскольку показатель рН является основной количественной характеристикой перерождения цементного камня в карбонаты или другие продукты химического взаимодействия под воздействием внешней среды, он является универсальной характеристикой состояния бетона и его защитных свойств по отношению к арматуре, а карбонатная составляющая (КС) характеризует количественное содержание карбонатов в цементно-песчаной фракции бетона в массовых процентах.
х
X
2
Объект и методы исследования
Объектами исследования служили железобетонные конструкции различных типов с длительными сроками эксплуатации.
Показатель рН определялся по методике [9]. Показатель КС - объемно-газовым методом [2].
Результаты экспериментов и их обсуждение
Исследование распределения показателей рН и КС по времени
Вследствие малой концентрации СО2 в воздухе процесс накопления карбонатов идет медленно, также медленно увеличение концентрации карбонатной составляющей изменяет рН поровой влаги. Прослеживается это при оценке зависимостей рН-КС с учетом фактора времени и глубины бетона конструкции.
Для исследования зависимостей рН-t; КС-i использованы образцы бетона (сколы толщиной 10-20 мм) наиболее распространенных железобетонных элементов (колонн, балок (прогонов), плит ребристых и плит пустотного настила), эксплуатирующихся на открытом воздухе и в условиях помещений.
Обработка накопленных данных производилась по методу наименьших квадратов при помощи табличного процессора Excel. По полученным результатам построены регрессионные модели зависимостей pH-t и KC-t для различных условий эксплуатации [3]-[5]. При обработке результатов построено большое количество графиков, в качестве примера приведены результаты исследования колонн, эксплуатировавшихся в атмосферных условиях (рис. 1, 2).
13
12 Г11
Рн10
9 8
10 15 20 25 30 35 Лет 40
Рис. 1. Диаграмма рассеяния значений рН и соответствующих значений t для колонн при атмосферных условиях с нанесенным уравнением линейной регрессии
35 %
30 25 \ 20 КС 15 10 5 0
0 5 10 15 20 25 30 35 Лет 40
Рис. 2. Диаграмма рассеяния значений КС и соответствующих значений t для колонн при атмосферных условиях с нанесенным уравнением линейной регрессии
Полученные зависимости носят линейный характер и отличаются незначительно углами наклона. Они показывают, что с ростом срока эксплуатации конструкций рН поровой влаги цементного камня линейно снижается, а содержание карбонатов растет.
Суммарные диаграммы рН^ и КС^ для основных видов ЖБК и атмосферных условий эксплуатации приведены на рис. 3.
13
12
| 11 РН0
—
^ . *
4\ "3^~
5^"
30
%
25
20 I
15КС
10
5
10
15
20
25
30
35 Лет 40
9
8
5
0
t
Рис. 3. Диаграммы рН^ и КС^ для атмосферных условий. рН-^ 1 - колонны; 2 - ригели (прогоны); 3 - плиты ребристые; КС-£ 4 - колонны;
5 - ригели (прогоны); 6 - плиты ребристые
Несмотря на значительный разброс показателей, обусловленных обследованием конструкций с бетонами разных классов и множеством факторов, определяющих их свойства, между временем эксплуатации I, показателями рН и КС существует устойчивая зависимость. Этот вывод справедлив только для средних показателей поверхностного слоя толщиной 10-20 мм и не затрагивает более глубоких слоев тела бетона.
Исследование распределения показателей рН и КС по глубине
Для изучения распределения показателей рН и КС по глубине использовались массивные конструкции (колонны, балки) [3]-[8]. Образцы (в виде порошка) получали выбуриванием из тел конструкций с шагом 5-10 мм до глубины 100 мм.
На рис. 4 приведены результаты исследования бетона по глубине конструкций, эксплуатировавшихся различные длительные промежутки времени.
25
%
20
15|
КС
10 5
0 20 40 60 80 мм 100
Рис. 4. Зависимости рН-l и КС-l: 1 - рН-l; 10 - KC-l -для продольной балки после 40 лет эксплуатации в атмосферных условиях; 2 - рН-l; 9 - KC-l -для колонны после 40 лет эксплуатации в атмосферных условиях; 3 - рН-l; 8 - KC-l -для колонн после 30 лет эксплуатации в помещении; 4 - рН-l; 7 - KC-l -для колонн после 40 лет эксплуатации в
1 J
12
tu
pH
10
j\_
""1
Y/8
' \ 1 ^ чо / «\ у10
• \ /7 .
9
помещении коровника; 5 - рН—/; 6 - КС-1 -для колонн после 30 лет эксплуатации в помещении
свинарника
Полученные результаты показывают, что во всех случаях концентрация СаСО3 линейно снижается, а рН поровой влаги возрастает с увеличением глубины залегания бетона в конструкциях (рис. 4). При достижении рН> 12 содержание СаСО3 становится постоянным, а при дальнейшем углублении в бетон стремится к КС < 5 %. Наиболее интенсивное изменение рН происходит в области значений карбонатной составляющей КС = 6^15 %.
Исследование распределения карбонатной составляющей по глубине бетона конструкций позволило разработать методики: определения предельной величины карбонизации (ПВК), показывающей содержание карбонатов в бетоне в массовых процентах, когда весь СаО цемента полностью перейдет в СаС03; определения степени карбонизации (СК), показывающей процент гидроокиси кальция и гидратированных клинкерных материалов, перешедших в карбонаты на разной глубине бетона; а также определения изначального содержания цемента в ЖБК.
Методика оценки состояния железобетонных конструкций
Методика расчета карбонатной составляющей
Для вычисления массы карбоната в анализируемой навески необходимо знать температуру в помещении на момент проведения измерения по шкале Цельсия, давление атмосферы (в мм рт. ст.) с учетом давления насыщенного пара воды и объем выделившегося углекислого газа (в см3).
По закону Авогадро известно, что в нормальных условиях (Р = 760 мм рт. ст. и Т = 273 К) 1 моль любого вещества, перешедшего в газообразное состояние, занимает объем 22400 см3.
Поэтому для расчета содержания массы карбоната в анализируемой навеске необходимо полученный объем газа привести к нормальным (стандартным) условиям:
V ■ Т ■ Р
у0 = * 0 п, (1)
0 р ■ Т ЧУ
0
3
где У - объем газа, приведенный к нормальным условиям, см ; У* - объем газа, выделяющегося при анализе, см3; Т0 - нормальная температура по шкале Кельвина (273 К); Т - температура по шкале Кельвина, при которой проводился анализ Т = (273 К + ^ 0 С); Р0 - стандартно давление газа, мм рт. ст.
і 0 С); Р0 - стандартное давление атмосферы (Р0= 760 мм рт. ст.); Рп- парциальное
Рп = Р, - Р. - 8 і'. (2)
где Р,- показания барометра в момент анализа, мм рт. ст.; Рв - давление насыщенного
водяного пара, мм рт. ст (табл. 1); - — і' - поправка на показания барометра для
8
приведения их к 0 °С, і' - температура воздуха в помещении, °С.
Таблица 1
Давление насыщенного водяного пара (Рв, мм рт. ст.)
№ і, °С Рв, мм рт. ст. № і, °С Рв, мм рт. ст. № і, °С Рв, мм рт. ст. № і, °С Рв, мм рт. ст. № і, °С Рв, мм рт. ст.
1 10 9,2 6 15 12,8 11 20 17,5 16 25 23,8 21 30 31,8
2 11 9,8 7 16 13,6 12 21 18,6 17 26 25,2 22 31 33,7
3 12 10,5 8 17 14,5 13 22 19,8 18 27 26,7 23 32 35,7
4 13 11,2 9 18 15,5 14 23 21,1 19 28 28,3 24 33 37,7
5 14 12,0 10 19 16,5 15 24 22,4 20 29 30,0 25 34 39,9
СаСОз
Зная У0 и молекулярную массу СаСО3 (МСаСО =100 г/моль) определяется масса карбоната ( тСаСОз), г из пропорции:
22400 см2 -100 г/моль,
У0 - тС тогда
тСаС0 ^-^0—100%. (3)
СаСО 22400
Зная массу навески анализируемой пробы (тн), определяется процентное содержание карбонатов в цементно-песчаной фракции из следующей пропорции:
тн -100 %,
тСаС03 - КС “А
тСяСО
КС = СаС03 100 %, (4)
тн
где КС - карбонатная составляющая, %.
Объединяя выражения (1)-(4) и приводя величины: 22400 см , Т0, Р0, МСаСО3 к стандартным, получаем постоянный множитель М =0,16, тогда
Р V
КС = 0,16-^-,%. (5)
тн •Т
Пример определения карбонатной составляющей
Во время анализа и расчетом получены следующие результаты:
Рп= 750 мм рт. ст.; Vр = 10,3 см3; тн= 0,5 г; Т = 298 К;
КС = 750 •10,3 • 0,16 = 8,3 %.
0,5 • 298
Методика определения предельной величины карбонизации
Зависимости КС-1 при их экстраполяции на максимальные значения КС приобретают величины, которые соответствуют предельной величине карбонизации (ПВК). Под ПВК следует понимать содержание карбонатов в бетоне в массовых процентах, когда весь СаО цемента полностью перейдет в СаСО3.
Пример определения ПВК длительно эксплуатируемой конструкции
Рис. 5. Зависимости рН-1 и КС-1: 1 - рН-1; 2 - КС-1
На рис. 5 представлены результаты исследования бетона по глубине колонны коровника, эксплуатировавшегося 40 лет.
Для определения ПВК кривую 2 (рис. 5) проводим до пересечения с осью абсцисс кривая 3 (на рис. 5). Полученное значение КС = 21,5 % и является значением предельной величины карбонизации, ПВК = 21,5 %.
Методика определения степени карбонизации
Значение ПВК можно использовать для определения процента гидроокиси кальция и гидратированных клинкерных материалов, перешедших в карбонаты на разной глубине бетона - степени карбонизации (СК).
Степень карбонизации рассчитывается из пропорции:
%ПВК -100 % СК;
%КС - х % СК.
Пример определения СК для длительно эксплуатируемой конструкции
Для обследованной конструкции ПВК = 21,5 % (рис. 5).
На глубине 10 мм (рис. 5) КС = 17 %.
Тогда степень карбонизации бетона на искомой глубине
СК = 17 '100 = 79 %.
21,5
Полученное значение СК = 79 % показывает, что 79 % СаО перешло в карбонаты. При этом произошло почти полное перерождение цементного камня в карбонаты, силикаты, А1(ОН)з, Fe(OH)з.
В соответствии с расчетом степень карбонизации на глубине 20 мм составила СК20 = 51 %, на глубине 40 мм - СК40 = 14 %, на глубине 60 мм - СК60= 14 %.
Методика определения изначального содержания цемента в бетоне
Для определения содержания цемента в бетоне, помимо величины ПВК, необходимо иметь данные о плотности бетона. Плотность определяется экспериментально.
з
С учетом известной плотности бетона рассчитывается количество СаСО3, кг/м , при условии, что весь СаО цементного клинкера прореагирует с СО2 воздуха из пропорции:
I
р,кг/м3 -100 % ;
МСаСО ,кг/м3 - ПВК % ;
-^3 '
р- ПВК 3
М СаСО =--------------,кг/м .
СаСо3 100
3
Масса СаО в 1 м бетона определяется из пропорции:
МСаСО3 -100 г/моль ;
МСаО - 56 г/моль ;
МСаСО - 56
МСаО =■
1 СаС03 1Са0 = 100
Поскольку в бетоне находится ориентировочно 60 % СаО, то изначальное содержание цемента в бетоне рассчитывается из пропорции:
МСаО - 60 % ;
тц -100 % ;
т МСаО - 100
тц =--------------.
ц 60
Пример определения изначального содержания цемента в 1 м бетона
При измерении плотность бетона составляет р = 2400 кг/м , ПВК = 24 %.
Масса СаСО3 в 1 м бетона:
2400 - 24 спг
М СаСО =---------------= 576 кг.
3 100
3
Масса СаО в 1 м бетона:
576 - 56 МС О =---------= 322,56 кг.
100
3
Изначальное количество цемента в 1 м бетона:
322,56 -100 5376
тц =------------= 537,6 кг.
ц 60
Оценка состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций
Результаты обследования сотен железобетонных конструкций различных типов с использованием методов рН- и карбометрии позволили определить количественные критерии оценки состояния ЖБК по физико-химическим показателям бетона (табл. 2) [5], [6]. Приведенные данные соответствуют анализам цементно-песчаной фракции проб бетона.
Таблица 2
Критерии состояния ЖБК по физико-химическим показателям бетона
№ п/п рН КС, % Состояние бетона и арматуры
1 12,8-11,5 2-8 Бетон находится в удовлетворительном состоянии и сохраняет защитные свойства по отношению к арматуре,
арматура - в пассивном состоянии
2 12,8-11,5 9-14 Бетон находится в удовлетворительном состоянии и сохраняет защитные свойства по отношению к арматуре, арматура - в пассивном состоянии Концентрация карбонатной составляющей приближается к границе, после которой происходит резкое снижение показателя рН
3 12,8-11,5 > 14 Бетон находится в удовлетворительном состоянии и сохраняет защитные свойства по отношению к арматуре, арматура находится в пассивном состоянии. В качестве крупного заполнителя применен карбонизированный камень либо использована добавка доломитовой муки
4 11,4-10,5 9-15 Наблюдается начало деградационных процессов в бетоне Происходит изменение поверхностной прочности цементного камня, возникновение коррозии арматуры во влажной среде В сухих условиях коррозионный процесс заторможен
5 10,5-9,5 16-20 Деградация бетона и коррозия арматуры идут ускоренно Состояние бетона и арматуры: не вполне удовлетворительное - неудовлетворительное Необходимо устранение влияющих причин, ремонт (усиление)конструкции
6 <9,5 >20 Отслаивание и разрушение защитного слоя, потеря сцепления цементного камня с заполнителем. Интенсивная коррозия (в т. ч. пластинчатая) арматуры Состояние бетона и арматуры - неудовлетворительное Необходимо устранение влияющих причин, замена либо усиление конструкции
6 < 10 2-9 Нарушен рецептурный состав (недостаток вяжущего и избыток заполнителей)
Прогнозирование изменения физико-химических показателей бетона по времени
Прогнозирование изменения показателей рН и КС по времени
Путем обработки полученных экспериментальных данных при помощи пакета программ статистической обработки данных «StatgrapЫcs» построены суммарные регрессионные модели зависимостей рН^ и КС^ для различных условий эксплуатации. На рис. 6, 7 в качестве примера приведены суммарные диаграммы рН^ и КС-^ исследованных ЖБК для атмосферных условий.
10 15 20 25 30 35 Лет 40
Рис. 6. Обобщенная диаграмма рассеяния значений рН^ для атмосферных условий с 95 % доверительным интервалом для средних значений рН
35
%
30
25
1 20
КС 15
10
5
0
• ,
1 • ¡1^ 1
. ■ 1 * А [ ■ Я. -—н и.«»—
10
15
20
25
30
35 Лет 40
Рис. 7. Обобщенная диаграмма рассеяния значений КС-/ для атмосферных условий с 95 % доверительным интервалом для средних значений КС
Методами регрессионного и корреляционного анализов получены выражения:
1) для прогнозной оценки среднего значения рН от времени эксплуатации /:
- для атмосферных условий
рН = 11,44- 0,0404 /; (6)
- для условий общественных помещений
рН = 11,46- 0,0296 /; (7)
- для условий помещений сельскохозяйственных комплексов
рН = 11,27- 0,0581 I (8)
2) для прогнозной оценки среднего значения КС от времени эксплуатации /:
- для атмосферных условий
КС = 8,50 + 0,375 /; (9)
- для условий общественных помещений
КС = 7,31 + 0,328 /; (10)
- для условий помещений сельскохозяйственных комплексов
КС = 8,70 + 0,426 /, (11)
где / - количество лет эксплуатации конструкции.
Выводы
Предложенная методика позволяет на основе методов рН- и карбометрии выполнить качественную и количественную оценки и прогнозирование состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций при решения практических задач, возникающих при обследовании зданий и сооружений, эксплуатирующихся в различных атмосферных условиях, с целью принятия объективного решения о возможности дальнейшей эксплуатации здания или сооружения, выбора наиболее приемлемых методов и способов усиления конструкций, прогнозирования дальнейших сроков службы, выяснения причин аварий и др.
0
5
Литература
1. Алексеев, С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. - Москва : Стройиздат, 1978. -205 с.
2. Бабко, А. К. Количественный анализ / А. К. Бабко, И. В. Пятницкий. - Москва : Высш. шк., 1968. - 438 с.
3. Васильев, А. А. Мониторинг состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций / А. А. Васильев // Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : ГУ ВПО «Белорусско-российский университет», 2004. - С. 188-189.
4. Васильев, А. А. Опыт использования рН- и карбометрии при определении состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций / А. А. Васильев // Приложение к Вестн. Брестского государственного технического университета: Строительство и архитектура : материалы XI Междунар. науч.-метод. межвуз. семинара «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь». - Брест, 2004. Ч. 1. - С. 228-232.
5. Васильев, А. А. Об оценке карбонизации железобетонных конструкций / А. А. Васильев // Вестн. БелГУТа : Наука и транспорт. - 2005. - № 1. - С.37-41.
6. Васильев, А. А. Оценка и прогнозирование основных физико-химических характеристик бетона длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций / А. А. Васильев // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь : Материалы XII науч.-метод. межвуз. семинара. - Могилев, 2005.- С. 113-119.
7. Кудрявцев, И. А. Исследование карбонизации железобетонной конструкции с длительным сроком эксплуатации / И. А. Кудрявцев, В. П. Богданов // Материалы, технологии, инструменты. - 2000. - Т. 5, № 3. - С. 97-100.
8. Кудрявцев, И. А. Исследование равномерности глубины залегания карбонизированного слоя по глубине в балке пролетного строения: сб. трудов междунар. науч.-практ. семинара / И. А. Кудрявцев, В. П. Богданов. - Минск : Технопринт, 2001. - С. 227-229.
9. Курбатова, И. И. Современные методы химического анализа строительных материалов / И. И. Курбатова. - Москва : Стройиздат, 1972. - С. 175.
Получено 16.01.2006 г.
