CC BY
174
Подвижной состав железных дорог
УДК 621.332.3
А. А. Запрудский
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ КОРРОЗИИ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ОПОРЫ ПО ШИРИНЕ РАСКРЫТИЯ ПРОДОЛЬНОЙ
ТРЕЩИНЫ
В статье рассмотрена методика оценки размеров коррозии арматуры по степени раскрытия продольной трещины на поверхности железобетонной опоры. Представлена разработанная схема замещения защитного слоя бетона, определены условия начала образования трещины и получено расчетное выражение для оценки коррозионного повреждения арматуры.
Коррозия стальной арматуры является одной из главных причин снижения долговечности железобетонных опор контактной сети, а потеря их несущей способности представляет угрозу для жизни людей и безопасности движения поездов, поэтому определение степени коррозионного износа является важной и актуальной задачей.
Точное определение степени коррозии арматуры может быть выполнено только путем извлечения достаточного количества образцов арматурных стержней с последующей лабораторной обработкой их, что в условиях эксплуатации не представляется возможным. В связи с этим представляют интерес косвенные методы определения размеров коррозии арматуры по ее внешним проявлениям на поверхности конструкции, например, по величине раскрытия продольной трещины в защитном слое бетона. По поперечным трещинам нельзя оценить степень коррозии, так как они появляются вследствие перегрузки опоры или недостаточного сцепления арматуры с бетоном.
По данным различных исследований принимается, что объем продуктов коррозии превышает объем скорродировавшего металла в 2 - 2,5 раза [1], что приводит к давлению на защитный слой бетона. Развитие трещин обычно начинается как наружу, так и вовнутрь, но так как толщина защитного слоя бетона часто меньше проектной, то наружная трещина имеет большее раскрытие (рисунок 1).
Так как радиус арматурного стержня во много раз меньше радиуса опоры, то защитный слой бетона а можно смоделировать защемленной с двух сторон балкой прямоугольного сечения единичной толщины, воспринимающей действие приложенной в середине сосредоточенной силы. Предположим, что трещина в защитном слое бетона образуется после его отслоения от рабочей арматуры на достаточно длинном участке развития коррозии. Отслоившаяся часть бетона с достаточной степенью точности моделируется прямоугольной пластиной, работающей в условиях цилиндрического изгиба, в которой нормальные напряжения в направлении, перпендикулярном арматуре, аналогичны элементарным балочным, что подтверждает обоснованность выбора балочной схемы зоны защитного слоя бетона. Дальнейшие расчеты проводятся при допущении, что зависимость между раскрытием трещины и коррозией арматуры линейна [2].
Высота сечения и длина балки выбираются на основе статистической обработки натурных исследований без учета диаметра рабочей арматуры. Далее с использованием методов сопротивления материалов определяется толщина с скорродировавшего слоя металла, при котором образуется продольная трещина в защитном слое бетона, а затем на основании про-
Рисунок 1 - Образование продольной трещины в бетоне под действием давления продуктов коррозии
стейших геометрических соотношений устанавливается зависимость между величиной раскрытия трещины х и с:
с = -
х/ 8й
(1)
где 7? и / - толщина и длина балочки.
Расчеты, выполненные с помощью формулы (1), хорошо согласуются с экспериментальными данными [2], но формула (1) не достаточно достоверно учитывает длину и ширину балочки. Для уточнения этих параметров проведем расчет.
Сначала уточним высоту поперечного сечения защемленной балочки и определим величину коррозионного износа арматуры, при котором начинается отслоение защитного слоя бетона. При этом используем следующую расчетную модель.
Имеется круглый арматурный стержень радиусом , его ось расположена на глубине Ъ
от поверхности. Стержень равномерно скорродировал, его объем за счет продуктов коррозии увеличился, и поэтому появилось давление р на бетон. Эту ситуацию можно представить в виде полуплоскости с круговым вырезом, на контур которого действует равномерно распределенное давление (рисунок 2).
Согласно утверждению в статье [3] наибольшее растягивающее напряжение на оси Ау достигается в точке А:
К) =4Р-
\ * /тах
(2)
Максимальные растягивающие окружные напряжения оц действуют в точках касания прямой А<2 контура кругового выреза (там, где ср = (ртах - точка и симметричная ей 0"):
Ыж=р
Ь2+г,2
Ъ2-Г2
(3)
При 6>г,л/з наибольшие растяги-
Рисунок 2 - Расчетная схема полуплоскости с круговым вырезом под давлением
вающие напряжения действуют на контуре кругового отверстия. Так как толщина защитного слоя бетона больше диаметра арматуры, то наиболее опасными являются точки и кругового контура, расположенные на глубиН т
не /г, где и начнется образование трещины. С учетом того, что $№(ртак = —7777 и со8^тах = —,
найдем
(4)
Полученный теоретический результат полностью подтверждается экспериментальными данными [3], показывающими, что точка отрыва защитного слоя находится выше нижней точки сечения арматуры. Эту величину И выбираем в качестве высоты балочки.
Установим зависимость между давлением р и толщиной скорродировавшего слоя металла. Согласно источнику [4] радиальные перемещения точек контура выреза определяются выражением:
Е
где иг - равномерное радиальное смещение, аналогичное случаю плоскости с круговым вырезом под действием равномерного давления, здесь V - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); Е - модуль продольной упругости. Отсюда
С'Е Г АЛ
Р = —-(6)
гД1 + у)
Толщину скорродировавшего слоя принимаем равной с - увеличению радиуса арматурного стержня за счет образования продуктов коррозии.
Далее уточним длину защемленной баночки. Для этого рассмотрим следующую модель, описывающую отслоение защитного слоя бетона. Потенциальная энергия деформации, накапливаемая в полуплоскости с круговым отверстием под действием равномерного давления, при достижении толщиной коррозионного слоя величины £1 расходуется на образование защемленной по концам баночки прямоугольного сечения шириной Ъ = 1 и высотой к (определяется по формуле (4), находящейся под действием сосредоточенной силы Р, приложенной в середине пролета.
Потенциальная энергия деформации такой балки
Р2/3
(7)
ъ 384Е7
Величина сосредоточенной силы Р численно равна проекции на ось х равнодействующей давления р на дугу О'О", где О', О," - точки возможного образования трещины (см. рисунок 1):
Р = 2р(Ь-к). (8)
Вычислив значение Р, с учетом уравнения (6) и того, что у балки прямоугольного попе-
-I. т Ь>
речного сечения высотой п единичнои ширины момент инерции 1 = —, получаем выраже-
ние для вычисления потенциальной энергии:
_Ефъ(Ъ-к) 8/?У(1 + у)
-"Г- (9)
Величина потенциальной энергии, накапливаемой в полуплоскости, может быть с достаточной точностью аппроксимирована (на основании численных исследований, приведенных в источнике [4]) значением энергии, как в случае плоскости с круговым вырезом под действием равномерного давления. При этом формула (9) принимает вид:
Е I (Ю)
\ + у
Приравняв значения потенциальной энергии, полученные из расчетов по формулам (8) и (9), друг к другу, определим длину / баночки:
1 = 2/73
пЬ (12+У) . (11) г.
После этого определяем величину коррозионного износа сх, образовавшегося после отслоения защитного слоя бетона, при котором происходит образование продольной трещины в этом защитном слое. Условием начала образования трещины считаем равенство наибольшего положительного удлинения ех предельной растяжимости бетона ер [3]. В результате
ПТГГП ТИП Транссиба 9
/2
24/z£р '
что с учетом выражения (10) сводится к виду:
sph
i
лЪ\l + v)
(13)
Зависимость между величиной раскрытия Л" продольной трещины в защитном слое бетона и дополнительной величиной глубины коррозии сх выражается уравнением (1); установлена данная зависимость авторами работы [3]. Подставив в формулу (1) соотношение (10), получим:
х
е.. = — з
\ттЪ2{\ + у)
4 \
(14)
Оценим степень потери металла скорродировавшего стержня (рисунок 3). Площадь поперечного сечения неповрежденного стержня Ах0 = пг;2, а увеличившаяся площадь за счет
продуктов коррозии А = ж{г8 + сх)2.
С учетом допущения, что объем продуктов коррозии превышает объем скорродировавшего металла в два раза, можно вывести выражение для оценки степени потери металла по сравнению неповрежденным состоянием:
f 9 JV г + —з пЪ\l + v) ' 2 -г2 s
1 8 V Y
2А
(15)
50
Таким образом, для оценки коррозионного износа по величине раскрытия продольной трещины в защитном слое бетона получены удобные в практическом применении расчетные формулы, учитывающие отношение диаметра арматуры и толщины защитного слоя бетона, которые могут быть использованы в расчетах остаточной несущей способности дефектных железобетонных опор контактной сети.
Рисунок 3 - Увеличение площади поперечного сечения стержня вследствие коррозии
Список литературы
1. Алексеев, С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне [Текст] / С. Н. Алексеев. - М.: Госстройиздат, 1962. - 174 с.
2. Andrade К. and oth. Cover cracking and Amount of Rebar Corrosion // Concrete Repair, Rehabilitation and Corrosion. - London, 1996. - P. 263 - 273.
3. Васильев, A. И. Оценка коррозионного износа рабочей арматуры в банках пролетных строений автодорожных мостов [Текст] / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. 2000. - № 2. -С. 20-23.
4. Гутман, С. Г. К расчету тоннелей [Текст] / С. Г. Гутман // Известия научно-исследовательского института гидротехники. 1939. - T. XXV. - С. 146 - 168.
ю ИЗВЕСТИЯ Транссиба N;n1'5)
