Оценка остаточного ресурса в зоне коррозии бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА В ЗОНЕ КОРРОЗИИ

БЕТОНА

RESIDUAL RESOURSE OF CONCRETE INSIDE THE LIMIT OF

CORROSION ZONE

Л.Ф. Фурсов

ВНИИГ, С.-Петербург

Е.И. Жохов

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье приведены анализ и причины разрушений бетонных и железобетонных элементов конструкций при карбонизации бетона.

In the paper the analysis and the source of decomposition of concrete and reinforced concrete elements during the process of concrete carbonization are considered

Карбонизация бетона неизбежно связана с наличием в его структуре пересыщенного (в дальнейшем - насыщенного) раствора гидрата окиси кальция. При этом водородный показатель находится в пределах 12 - 14. В замкнутой щелочной среде (рН > 11,5) вокруг стальной арматуры возникает и сохраняется пассивирующий слой и вследствие этого, процесс коррозии или не происходит вовсе, или существенно замедляется. Однако, когда углекислый газ воздуха, растворенный в воде, начинает проникать в поры бетона, происходит нейтрализация среды и щелочность снижается. При уровне рН меньше 11,5 пассивация становится нестабильной, а при значениях рН меньше 9 пассивирующий слой полностью исчезает и поверхность арматуры становится активной. Подвергаясь непрерывному воздействию кислорода воздуха и влаги, стальная арматура начинает интенсивно корродировать. По мере развития процесса коррозии прокорродировавший слой железа становится толще, что вызывает разрушение защитного слоя бетона и развитие сети трещин, ориентированных воль арматуры. В этом случае стальная арматура непосредственно подвергается воздействию окружающей среды, процесс коррозии существенно ускоряется, защитный слой растрескивается, эффективное сечение арматурных стержней уменьшается и снижается прочность и несущая способность железобетона. Одновременно с этим происходит преобразование арматурных стержней в воздухо- и водопроводящие каналы, еще больше ускоряющие процесс деградации железобетона.

Разрушение бетонных и железобетонных элементов при карбонизации бетона

Процесс разрушения бетона при карбонизации можно условно разделить на три временные стадии:

1. период с начала действия до исчезновения пассивирующего слоя на стальных стержнях арматуры или подготовительный (начальный) период - t0;

2 период развития коррозии, to есть от начального момента, когда стальные стержни начинают подвергаться коррозии до появления в защитном слое бетона трещин параллельных стержням арматуры - t1;

3. период разрушения - период от возникновения трещин параллельных стержням арматуры до серьезных повреждений и выхода конструкции из режима нормальной безопасной эксплуатации - t2.

Таким образом, расчетным сроком службы элемента или конструкции является время первого и второго периода, т.е. срок службы не должен быть меньше t0 + t, лет.

Основополагающим моментом в этом явлении будет скорость коррозионных процессов, происходящих в системе функционально связывающей время (t), глубину разрушения (h) и степень агрессивности (к). Эту взаимосвязь возможно выразить обычными кинетическими уравнениями, среди которых формула h = k Vt является наиболее простой и близкой к практике.

Лимитирующим фактором в этой системе будет скорость диффузии элементов в агрессии через слой продуктов коррозии.

Таким образом, кинетическое уравнение, определяющее глубину разрушения, будет иметь вид:

h = kjt (1)

где:

h - глубина карбонизации бетона, мм;

t - время карбонизации, год;

к - коэффициент скорости карбонизации бетона.

Зная или определив при эксплуатации толщину защитного слоя бетона (а) и используя приведенное уравнение на основе k, можно определить время подготовительного периода t„, которое будет равно:

'.»(I)2 (2)

Этой формулой рекомендуется пользоваться для контроля над процессом разрушения бетона при карбонизации.

Глубину карбонизации можно определить, пользуясь другой зависимостью:

h = J^g (3)

где:

h - глубина карбонизации, мм;

D - коэффициент диффузии (сопротивление проникновению С02) мм2 /а;

С1 - концентрация С02 в атмосфере у поверхностного слоя, гр/м3 (~0,6 гр/м3 );

С2 - необходимая для карбонизации 1 м3 бетона количеством С02, гр/м3 (определяется содержанием свободной Са(ОН)2 в бетоне);

t - продолжительность карбонизации, год.

Согласно Shaw J.D.N. [10, 11] за 25 лет глубина карбонизации составила 15 мм, тогда коэффициент скорости карбонизации составит:

15 мм = k V25, т.е. k = 3

При глубине защитного слоя в 25 мм время карбонизации согласно им-перической зависимости

к — fcVt или 1 = 70 лет

При глубине карбонизации 5 мм в год и времени эксплуатации 25 лет, коэффициент скорости карбонизации составит К = 1. Тогда время карбонизации защитного (поверхностного слоя)

толщиной 25 мм составит:

I— (2Б\2

25 = (V t или t — = 625лет.

При правильном отслеживании целостности бетонной поверхности, налаженной системе контроля, наблюдения и сбора данных в любой временной промежуток возможно провести анализ полученных данных. Для анализа рекомендуется выделить следующие факторы:

- поверхностная плотность защитного слоя бетона - главный определяющий и влияющий фактор;

- эффекты накопления щелочности в бетоне, как и обесщелачивание бетона также должны учитываться. Это достигается также при смешанном применении портландцемента, например, со шлакопортландцементом или пуццолановым, т.к. при одинаковых условиях щелочность шлакопортландцемента ниже, чем портландцемента;

- влияние окружающей среды - температуры, влажности, концентрации углекислоты.

При большой и постоянной влажности и высокой концентрации углекислоты в воздухе (наличие интенсивного движения транспорта и активной человеческой деятельности в процессе проходки и бетонирования) скорость карбонизации значительно увеличивается.

Развитие коррозии стальной арматуры после карбонизации защитного слоя

бетона

Взаимосвязь между степенью карбонизации защитного слоя бетона и коррозией арматуры довольно обстоятельно была изучена специалистами из Китая [1].

В 1987 году было проведено обследование карбонизации бетонных поверхностей водопропускных сооружений 15 больших и 6 средних плотин, построенных в провинции Хенань. Были собраны данные по 3 724 точкам на площади 236 601 м2. По результатам обследования на площади 33 877 м2 бетонных поверхностей глубина карбонизации бетона составила 70% защитного слоя, а на площади 7 337 м2 защитный слой бетона был полностью затронут карбонизацией. Бетонная поверхность растрескалась и отслоилась. После полной карбонизации защитного слоя на бетонной поверхности не наблюдается появление новых трещин (растрескивания) и скорость коррозии стальных стержней замедляется.

По полученным данным по 7 точкам на 7 плотинах в период от 2,1 года до 18 лет после полной карбонизации защитного слоя бетона внутренняя коррозия стальных стержней не была серьезной и не наблюдалось поверхностного растрескивания. Анализ полученных данных по 7 точкам на 6 плотинах показал, что при наличии растрескивания бетонной поверхности период развития коррозии - ^ т.е. время от начала коррозионного процесса на стальных стержнях до появления в защитном слое бетона трещин, составил ^ = 7,1 - 21 лет.

Если поверхностное растрескивание наблюдается как завершение процесса образования трещин внутри защитного слоя в армированных бетонных элементах, то скорость коррозии стальных стержней возрастает очень быстро.

Приведенные в [1] данные по наблюдению поверхностного растрескивания по 21 точкам служебной галереи транспортного туннеля плотины ТашЪап (защитный слой порядка 18-45 мм, диаметр стальных стержней - 16 мм) время первой стадии составило % = 7,2 года; время второго периода составило = 5,78 лет; а третий период составил менее 0,75 года.

Долговечность арматуры в зависимости от толщины защитного слоя

Строительная лаборатория финской фирмы СТ Не1ккшеп ОУ (Биош1) провела сбор данных и исследования по изучению влияния некоторых факторов на срок службы стальной арматуры в бетонных элементах. За основу были взяты данные по толщине защитного слоя и водоцементному фактору бетона.

Обработка полученных данных позволила выявить некоторую закономерность и зависимость срока службы стальной арматуры от толщины защитного слоя бетона и водоцементного отношения товарного бетона (табл. 1).

Таблица №1

Долговечность арматуры в функции толщины защитного слоя и водоцементного отношения бетона (данные фирмы СТ Heikkinen)

В/Ц исх Толщина защитного слоя (а), мм

5 10 15 20 25 30

0,45 19 75 100+ 100+ 100+ 100+

0,50 6 25 56 99 100+ 100+

0,55 3 12 27 49 76 100+

0,60 1,8 7 16 29 45 65

0,65 1,5 6 13 23 36 52

0,70 1,2 5 11 19 30 43

Оценка остаточного ресурса поврежденного элемента

Основополагающим для оценки остаточного ресурса поврежденного элемента является время от начала развития процесса коррозии в стальных стержнях до появления в защитном слое бетона трещин (^). Следовательно, оценку остаточного ресурса поврежденного элемента можно проводить, имея данные наблюдений за появлением трещин на бетонной поверхности и в защитном слое. Таким образом, время наблюдаемого поверхностного растрескивания защитного слоя бетона составляет:

Т = + (4)

После эксплуатации элемента в течение t лет глубина карбонизации к и толщина защитного слоя а (мм) могут быть измерены непосредственно в натурных условиях.

Принимая во внимание зависимость (4), длительность второго периода составит:

ч = (5)

Детальное изучение периода развития коррозии стальных стержней в бетоне было проведено в Китае [1] на гидроузле ТашЪап в служебной галерее. Наблюдения были начаты в 1974 г. ив течение 11 лет при проектной марке бетона обделки 150 и диаметре стержней арматуры 16 мм не наблюдалось никаких отклонений от нормы. В марте

1986 года специалистами было обнаружено большое количество поверхностных волосяных трещин, после чего начались более тщательные и частые наблюдения. После месяцев наблюдений было зафиксировано 83 трещины. При обследовании в мае 1987 года было измерено большое количество значений величин Т, к и а. Аналогичные замеры в этом же году были произведены на транспортных и водопропускных сооружениях на 6 плотинах.

С помощью корреляционного анализа и уравнений (4) и (5) было выведено уравнение регрессии:

? = (6)

1да

Используя вышеприведенные зависимости, возможно получить эмпирическую расчетную величину времени безопасной эксплуатации элемента:

т^(-)2 + ьИ1+с (7)

\к/ 1да

где Т - время безопасной эксплуатации элемента, год;

к - коэффициент скорости карбонизации;

а - толщина защитного слоя, мм;

Ь - коэффициент регрессии;

с - свободный коэффициент, год.

По полученным зависимостям (6) и (7) были проведены расчеты погрешностей определения времени периода 11, и Т по сравнению с наблюдаемыми сроками.

Таким образом, оперируя конкретным объектом, конкретными условиями и данными натурных наблюдений, сроком эксплуатации и используя предложенные зависимости, можно рассчитать время развития коррозионного процесса в элементах конструкции и оценить его остаточные ресурсы.

Приведенная методика оценки остаточных ресурсов бетонных элементов в зоне коррозии требует проведения долговременных натурных наблюдений, что не всегда налажено службой эксплуатации, а в некоторых случаях и не представляется возможным. Организация, сбор, оформление и анализ данных натурных наблюдений в начале продолжительного периода времени (Т) не всегда позволит своевременно ответить на поставленный вопрос.

Наиболее оперативным, на наш взгляд, является определение остаточного ресурса с помощью графических зависимостей: 1) с использованием значений водородного показателя на основании полученной пробы щелочности в месте коррозии бетона в функции времени эксплуатации (рис. 1 и 2) на основании долговечности арматуры в функции толщины защитного слоя и водоцементного отношения бетона (Рис.2). Полученные зависимости разработаны с использованием наших исследований и литературных данных [2, 3, 4]

Для определения остаточного ресурса по фактору коррозии бетона достаточно отобрать в определенных местах (максимального разрушения или коррозии) порошковые пробы бетона и определить в лабораторных условиях величину водородного показателя рН. Зная величину рН, по зависимости на рис. 4 определяем период и время эксплуатации.

Для определения остаточного ресурса по фактору коррозии стальной арматуры необходимо определить толщину защитного слоя бетона. Это производится на небольшом участке поверхности бетона с помощью приборов или вручную и, зная водо-цементное отношение уложенного бетона (из проектной документации), по зависимости на рис. 2 определяем остаточный ресурс в годах эксплуатации.

4/2010_М|ВУТНИК

to/

/

/

i

/

x

[4

jJLa'icinii р||

Рис. 1. Фунциональная связь между временем эксплуатации (Т) и щелочностью бетона (рН): 10 - подготовительный период: ^ - период развития коррозии; 12 - период разрушения

Рис. 2. Функциональная связь между толщиной защитного слоя бетона и долговечностью арматуры

Литература

1. Internashinal Congress on Large Dams, V 4, Q. 71. Novemder. 1994, p. 527 - 534.

2. Биоповреждения в строительстве (под редакцией Ф.М. Иванова). М. Стройиздат. 1984. 320 с.

3. Рекомендации по обеспечению надежности и долговечности железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений при их реконструкции и восстановлении. М. 1990. 176 с.

4. Construction repair. V 9, № 2, march/april, 1995. Construction repair. V 9, № 4, juli/august, 1995.

Ключевые слова: коррозия, ресурс, карбонизация, концентрация, трещина, анализ, арматура, долговечность.

Key words: corrosion, resource, carbonization, concentration, crack, analysis, reinforcement, duration.