CC BY
21УДК 624. 012. 45: 620. 169. 1
В.Н. МИГУНОВ, канд. техн. наук (kisek90@mail.ru), доцент, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства; И.Г. ОВЧИННИКОВ, д-р техн. наук, Саратовский государственный технический университет
Моделирование влияния агрессивной газовоздушной среды на долговечность обычных железобетонных конструкций и коррозию арматуры
Степень воздействия газовоздушных агрессивных сред на строительные конструкции из различных материалов определяет СНиП 2.03.11—85 «Защита строительных конструкций от коррозии».
Нормативные параметры газовоздушной среды в животноводческих зданиях по содержанию крупного рогатого скота и свиноводческих помещениях представлены в технологических нормах их проектирования НТП 1—99 «Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота» и ВНТП 2—96 «Ведомственные нормы технологического проектирования свиноводческих предприятий». В этих нормах помещения животноводческих зданий разделены на соответствующие группы по наиболее неблагоприятным параметрам физических характеристик газовоздушной среды:
1. Здания для взрослых животных и молодняка молочных пород (в районах с расчетной зимней температурой -25оС и ниже).
2. Помещения для животных мясных пород крупного рогатого скота.
3. Здания коровников для молодняка и скота на откорме.
4. Помещения для содержания холостых и супоросных свиноматок.
5. Помещения для содержания хряков.
6. Помещения для свиней на откорме. Нормативные параметры газовоздушной среды для
соответствующих групп животноводческих помещений приведены в таблице.
Согласно СНиП 2.03.11—85 степень агрессивного воздействия газовоздушной среды по отношению к металлическим конструкциям в шести группах животноводческих помещениях оценивается как среднеагрес-сивная. В данной среде нормативный документ запрещает применение строительных металлических конструкций без вторичной защиты.
Однако в процессе эксплуатации использование поверхностной противокоррозионной защиты строитель-
ных металлических конструкций в животноводческих зданиях является технически и экономически неэффективным. Одни виды покрытия, например лакокрасочные, имеют сравнительно небольшой жизненный ресурс защитного действия, исчисляемый несколькими годами, другие, такие как металлоизоляционные, — высокую стоимость по сравнению с использованием альтернативных видов конструктивных материалов.
Повышение долговечности несущих конструкций в газовоздушной среде животноводческих зданий может быть получено за счет применения железобетонных конструкций.
Для приведенных групп помещений согласно СНиП 2.03.11—85 степень агрессивного воздействия газообразных сред на конструкции из бетона оценивается как слабоагрессивная, а для железобетона — как средне-агрессивная.
В то же время условием соблюдения нормативного срока эксплуатации для железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в среднеагрессивной газовоздушной среде, является требование СНиП 2.03.11—85 о применении вторичной защиты в виде кремнийорганиче-ских, полиуретановых, эпоксидных, перхлорвинило-вых, хлоркаучуковых и тиоколовых лакокрасочных покрытий.
Главными причинами снижения нормативного срока эксплуатации обычных железобетонных конструкций в газовоздушной среде в животноводческих зданиях является несоблюдение соответствующих нормативных требований по вторичной защите железобетонных элементов от коррозии и неучет в процессе проектирования последствий коррозионного поражения арматуры в расчетных поперечных трещинах бетона. Трещина в бетоне облегчает доступ внешней среды к поверхности арматуры и способствует быстрому возникновению и развитию коррозии стали как в месте пересечения арматуры и трещины, так и в зоне ее влияния. Проницаемость трещин для кислых газов намно-
Группа помещений Характеристика атмосферы
Влажность, % Температура, оС Концентрация
Н^, мг/м3 NН3, мг/м3 СО2, % по объему
1 85 3 1 20 0,25
2 85 3 5 20 0,25
3 75 10 10 15 0,25
4 75 13 10 20 0,2
5 75 13 10 20 0,2
6 70 14 20 0,2
го выше, чем у бетона без трещин. Эффективный коэффициент диффузии углекислого газа в трещине бетона с шириной раскрытия ат = 0,20 мм равен коэффициенту диффузии его в воздухе Dс02 = 0,14 см2/с. Это на три порядка выше, чем в бетонах средней плотности [1].
Математическая обработка результатов натурных исследований коррозионного износа незащищенных 12 тыс. железобетонных ребристых плит покрытия на 85 животноводческих зданиях показала, что общий период эксплуатации этих конструкций до наступления аварийного состояния, главным образом из-за коррозии арматуры, составляет 25 лет вместо нормативных 50 [2].
Образующиеся коррозионные продукты арматуры в поперечных трещинах бетона способствуют образованию продольных трещин в защитном слое бетона вдоль несущих арматурных стержней с одновременным нарушением сцепления бетона с арматурой. Появление продольных трещин является показателем предаварийного состояния железобетонных конструкций [3].
Результаты обследования обычных железобетонных полурам, изготовленных из тяжелого бетона нормальной проницаемости, в газовоздушной среде зданий свиноводческого комплекса «Тамалинский» в Пензенской области показали определяющее влияние на долговечность строительных конструкций процесса коррозии арматуры. Этому способствовал выявленный процесс нейтрализации бетона в зоне влияния поперечных трещин вдоль поверхностей стальных стержней. За 13 лет эксплуатации производственных сельскохозяйственных объектов среднее значение глубины карбонизации защитного слоя бетона толщиной 30 мм составило 17 мм. Из обследованных 86 полурам на 11 в защитном слое бетона вдоль арматурных стержней были зафиксированы продольные трещины с раскрытием 50 мкм и длиной более 1 м, что свидетельствует о протекании коррозионного процесса на арматуре [4].
Для исследования воздействия эксплуатационной переменной нагрузки на долговечность, прочностные и деформационные свойства железобетонных элементов в газовоздушной среде животноводческого здания этого комплекса были проведены длительные испытания шести нагруженных прямых моделей несущих обычных железобетонных конструкций и девять контрольных ненагруженных, испытывающих такое же воздействие агрессивной среды, как и образцы под нагрузкой. В качестве прямых моделей использовались балки из тяжелого бетона класса В30 пониженной проницаемости с размерами 1500x200x70 мм. В качестве вяжущего применялся среднеалюминатный портландцемент с эффективным коэффициентом диффузии углекислого газа в бетоне D = 0,1740-4 см2/с. Плоский арматурный каркас имел одиночную несущую арматуру класса А-Ш с маркой стали 35ГС и диаметром стержня 12 мм. Для получения объективных характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах зона чистого изгиба прямых моделей на расстоянии 600 мм была свободной от поперечной арматуры. Толщина защитного слоя бетона составляла б = 30 мм.
Опытные образцы испытывали воздействие переменной ступенчато-повторной нагрузки с минимальным уровнем загружения 0,4—0,7 Мразр и режимом приложения соответствующей нагрузки 14 сут в периоде цикла действия нагрузки и максимальным уровнем за-гружения 0,7 Мразр и режимом приложения нагрузки 14 сут. Опытная нагрузка моделировала воздействие снега на конструкции покрытия в реальных условиях их эксплуатации. Испытания прямых моделей проводи-
лись на силовых установках. Каждая установка рассчитана на одновременное загружение двух балок на изгиб в условиях длительного воздействия переменной нагрузки и различных агрессивных сред [5].
Для стимуляции коррозии арматуры в трещинах бетона ее поверхность в течение первого года испытаний один раз в сутки увлажнялась раствором. Химический состав раствора аналогичен составу жидкой среды, получаемой в процессе жизнедеятельности животных. Жидкая среда содержит 95,7% воды и 4,3% сухих веществ: мочевины 2%, мочевой кислоты 0,05%, натрий-ионов 0,35%, калий-ионов 0,15%, магний-ионов 0,04%, кальций-ионов 0,06%, хлорид-ионов 0,6%, фосфат-ионов 0,27%, сульфат-ионов 0,78%.
Четыре балки были сняты с испытаний и подвергнуты разрушению с определением их несущей способности после четырех и двенадцати лет экспериментальных исследований, по два образца соответственно.
Ширина максимально раскрытых трещин асгс = 0,16 мм при верхнем уровне загружения после двенадцати лет испытания* (*в скобках приведены результаты после четырех лет испытания) увеличилась в 1,7 (1,6) раза, при нижнем — в 2,14 (2) раза. Величина жесткости балок при верхнем и нижнем уровнях загру-жения уменьшилась в 1,78 (1,7) раза. Несущая способность конструкций оказалась ниже на 8% (3%), чем не-нагруженных контрольных. Прочность бетона при сжатии контрольных кубиков 150x150x150 мм увеличилась к концу испытаний на 6 (4) МПа. Причиной увеличения прочности бетона является воздействие на бетон газовоздушной среды с высокой относительной влажностью. Средняя глубина карбонизации бетона составила 10 (5) мм.
При испытании на растяжение стержней арматуры, извлеченных из железобетонных элементов, их разрушение происходило по участкам коррозионного поражения со средней глубиной не менее 150 мкм. Коррозионное поражение арматуры в зоне трещин бетона локализовалось на участке, длина которого с увеличением ширины раскрытия трещин до 0,27 (0,25) мм достигала 60 (50) мм с площадью коррозии 14 (12) см2. Средняя и максимальная глубина коррозионных язв на арматуре в зоне трещин соответственно имела значения 120 и 240 (70 и 150) мкм.
После восемнадцати лет испытания двух образцов под нагрузкой получены следующие экспериментальные результаты. Ширина максимально раскрытых трещин асгс = 0,16 мм при верхнем уровне загружения увеличилась в 1,8 раза, при нижнем — в 2,27 раза. Жесткость балок при верхнем и нижнем уровнях за-гружения уменьшилась в 1,82 раза. Данные изменения жесткости и ширины раскрытия трещин при верхнем и нижнем уровнях загружения показывают существенное влияние продуктов коррозии арматуры на кинетику закрытия трещин при переходе с верхнего уровня переменной нагрузки на нижний. Несущая способность прямых моделей оказалась на 14% ниже, чем контрольных. Средняя глубина карбонизации бетона составила 14 мм.
Результаты испытаний показали, что снижение величины физико-механических характеристик арматуры диаметром 12 мм класса А-Ш наблюдается только при средней глубине коррозионного поражения более чем на 200 мкм. После восемнадцати лет испытания средняя глубина поражения стальных стержней в поперечных трещинах с шириной раскрытия асгс = 0,3 мм составила бср = 310 мкм. По отношению к контрольным образцам арматуры, не подверженных коррозионному воздействию среды, физический предел текучести уменьшился на 20 МПа, что составляет 4,2%, а временное сопротивление — на 30 МПа, что составляет 4,5%.
36
август 2011
На восемнадцатом году испытания на поверхности бетона защитного слоя в зоне чистого изгиба вдоль арматурных стержней отмечено появление отдельных волосяных продольных трещин с шириной раскрытия 20—30 мкм, являющихся причиной прекращения длительного эксперимента. Наличие продольных трещин в защитном слое бетона вдоль несущей арматуры является главным фактором исчерпания нормативной долговечности железобетонных конструкций из-за нарушения сцепления арматуры с бетоном [6].
Результаты натурных обследований железобетонных полурам и экспериментальных исследований на прямых моделях несущих железобетонных элементов показали необходимость использования в газовоздушных средах животноводческих зданий ингибиторов коррозии арматуры в железобетонных конструкциях из бетона пониженной проницаемости. Применение ингибиторов коррозии арматуры в виде добавок в бетонную смесь практически не отражается на отпускной стоимости железобетонных конструкций [7].
Кроме углекислого газа наиболее типичным представителем кислых газов, часто встречающимся в промышленности, сельском хозяйстве и природных условиях, является сернистый ангидрид ^02). Сернистый газ взаимодействует со щелочными компонентами цементного камня в бетоне и образует сульфит-сульфат кальция, который малорастворим в жидкой фазе.
По механизму воздействия на коррозионный процесс стали сернистый ангидрид относится к эффективному деполяризатору катодного процесса. Поэтому уже при незначительной концентрации SO2 в воздухе (0,015%) его содержание в электролитах становится соизмеримым с концентрацией кислорода.
Для исследования коррозионного поражения арматуры в условиях длительного воздействия сернистого ангидрида на обычные железобетонные конструкции были изготовлены 20, в том числе 10 контрольных, прямых моделей несущих железобетонных элементов размерами 2000x200x70 мм. Использовался тяжелый бетон класса В30 пониженной проницаемости. В качестве рабочей арматуры в плоском арматурном каркасе применялся одиночный стержень диаметром 12 мм класса А-Ш. В зоне чистого изгиба поперечная арматура отсутствовала. Балки испытывали воздействие постоянной длительно действующей нагрузки, моделирующей вес технологического оборудования на перекрытие.
Испытания образцов проводились в пяти герметичных камерах при постоянном воздействии агрессивной газовой среды. Приложение нагрузки к образцам осуществлялось с помощью нагружающих установок. В одной газовой камере располагалось по четыре образца. Балки испытывали воздействие газовоздушной атмосферы с концентрацией газа SO2, равной 100 мг/м3, в течение одного года. По степени агрессивного воздействия газообразной среды на железобетонные конструкции СНиП 2.03.11—85 оценивает ее как средне-агрессивную.
Коррозионное поражение на арматуре зафиксировано только в зоне поперечных трещин бетона. Оно локализуется на ограниченном участке, длина которого с увеличением ширины раскрытия трещин до 0,3 мм составляет 27 мм. Средняя и максимальная глубина коррозионных язв на арматуре в зоне максимально раскрытых трещин 50 и 70 мкм соответственно. Сравнительно низкая скорость коррозионного поражения арматуры объясняется наличием ее инкубационного периода, нормальной относительной влажностью газовоздушной среды, присутствием в полости трещин продуктов коррозии цементного камня с сернистым ангидридом и отсутствием влияния перемен-
ной нагрузки, способствующей разрушению в области трещины образующего материала коррозии бетона и арматуры.
Результаты проведенных теоретических и практических исследований показали:
— в газовоздушной среде животноводческих зданий наиболее долговечным материалом является железобетон. В этих условиях эксплуатации долговечность обычных железобетонных конструкций определяется соблюдением выполнения требования СНиП 2.03.11—85 по обеспечению их вторичной защитой и коррозионной сохранностью арматуры в расчетных поперечных трещинах;
— по степени агрессивного воздействия газовоздушная среда животноводческих зданий по отношению к эксплуатируемым обычным железобетонным конструкциям является сильноагрессивной, прежде всего из-за условия распространения коррозионного процесса вдоль арматурного стержня в зоне влияния поперечных трещин и возникновения продольных трещин в защитном слое бетона;
— для повышения коррозионной сохранности арматурных стальных стержней в поперечных трещинах бетона в среднеагрессивной газовой среде необходимо использовать ингибиторы коррозии арматуры в обычных железобетонных конструкциях;
— проведенные экспериментальные исследования на железобетонных прямых моделях в условиях длительного воздействия на них сернистого ангидрида и постоянной нагрузки не показали определяющего влияния сернистого газа на снижение долговечности образцов вследствие коррозионного поражения арматуры.
Ключевые слова: железобетонные конструкции, металлические конструкции, прямые модели, животноводческие здания, газовоздушная среда, долговечность, прочность, жесткость, коррозия арматуры, карбонизация, сернистый ангидрид.
Список литературы
1. Москвин В.М, Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. С. 291, 309-315, 353-384, 397.
2. Кескюлла Т.Э., Мильян Я.А., Новгородский В.И. Коррозионное разрушение железобетонных конструкций животноводческих зданий // Бетон и железобетон. 1980. № 9. С. 43-45.
3. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. С. 137-167, 262.
4. Мигунов В.Н. Исследование долговечности железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в свиноводческих зданиях // Повышение долговечности строительных конструкций в агрессивных средах: Тез. докл. и сообщ. республ. науч.-техн. семинара. Уфа: НИИЖБ, НИИпромстрой, 1987. С. 71-73.
5. Мигунов В.Н. Установка для режимных испытаний железобетонных балок при действии медленно меняющихся нагрузок в присутствии агрессивной среды / Реферативный журнал «Строительство и архитектура». М.: ВНИИИС, 1983. Серия 17, вып. 7.
6. Москвин В.М., Алексеев С.Н, Вербецкий Г.П., Новгородский В.И. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры. М.: Стройиздат, 1971. С. 22-23.
7. Новгородский В.И., Островский А.Б., Мигунов В.Н. Метод определения эффективности ингибиторов коррозии стали в трещинах бетона // Методические рекомендации по исследованию ингибиторов коррозии арматуры в бетоне. М.: НИИЖБ, 1980. С. 18-24.
