CC BY
290
УДК 624.012.45.46
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА И ЕЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А.А. ВАСИЛЬЕВ
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель
Введение
В большинстве промышленных, транспортных, общественно-культурных и жилых зданий и сооружений используют сборные железобетонные конструкции (ЖБК).
При обследовании конструкций зданий и сооружений важнейшим критерием оценки состояния бетона является определение его прочности на сжатие (К).
На сегодняшний день для определения К широко применяются методы неразрушающего контроля. Определение К методом ударного импульса достаточно удобно и при правильном выполнении всех операций характеризуется небольшой относительной погрешностью, составляющей до 10 %.
Однако определению прочности бетона методами ударного импульса присущи и недостатки:
- завышенные (заниженные) результаты;
- сложность (невозможность) определения К в труднодоступных местах;
- невозможность прослеживания изменения К по глубине конструкции.
Это связано с тем, что результаты определения К зависят от многих нюансов (количества и расположения арматуры, крупного заполнителя и др.), но в первую очередь - от состояния поверхности бетона. В свою очередь состояние поверхности бетона конструкций зависит от множества факторов, но, в конечном счете, определяется условиями эксплуатации.
Изучению воздействия различных сред посвящено большое число работ, результаты которых в наиболее общей форме обобщены в [1]-[4].
Наиболее распространённым видом атмосферной коррозии ЖБК является их карбонизация, так как концентрация СО2 воздухе в 10 ^ 10 000 раз выше концентрации других кислых газов ^О2, NO2 и др.).
Таким образом, взаимодействие бетона с углекислым газом является ведущим процессом его нейтрализации.
Процесс карбонизации, или коррозии II вида, можно представить в следующем виде:
Са(ОН)2 + С02 Нг° > СаС03 + Н20. (1)
Труднорастворимый карбонат кальция, образующийся в результате реакции, обладает низкой прочностью и имеет рыхлую структуру. В процессе реакции СО2 взаимодействует со щелочными компонентами цемента, растворенными в поровой влаге, в результате чего уменьшается щелочность и происходит снижение защитных свойств бетона по отношению к арматуре. Такое взаимодействие сопровождается снижением показателя рН поровой влаги и изменением состава цементного камня за
счет образования карбонатов, что ведет к возможности деградации бетона и окисления арматуры [5], [6].
Показатель рН является важной характеристикой бетона, определяющей защитные свойства по отношению к арматуре и стабильное состояние минералов цементного камня при воздействии на него воды, углекислого газа и перепадов температур. Показатель КС (карбонатная составляющая) характеризует количественное содержание карбонатов в цементно-песчаной фракции бетона в массовых процентах.
До настоящего времени проводилось мало исследований изучения влияния воздействия атмосферы (с учетом времени и условий эксплуатации) на различные типы ЖБК с использованием рН-метрии. На сегодняшний день нейтрализация бетона в основном оценивается фенолфталеиновой пробой (по толщине неокрашенного слоя). Ранее в работе [7] было определено граничное значение рН« 10, при котором происходит окрашивание бетона в малиновый цвет при воздействии индикатора. Дискретность значения рН при оценке фенолфталеиновой пробой не позволяет оценить изменение водородного показателя по толщине отработанного слоя и проследить как изменение рН отражается на прочностных свойствах бетона.
Постановка задачи
Целью данной работы явилось изучение контакта различных типов ЖБК из тяжелых бетонов с атмосферой для разных сроков их эксплуатации и установления связи между водородным показателем водной вытяжки цементного камня рН и прочностью на сжатие К.
Изучение наличия таких связей для реальных условий и длительных сроков эксплуатации представляют значительный научный и практический интерес для оценки прочности бетона на сжатие конструкций на момент обследования и прогнозировании ее изменения в процессе эксплуатации.
Объект и методы исследования
Объектами исследования служили железобетонные конструкции различных типов.
Количественную оценку состояния бетона выполняли в следующей последовательности:
- определяли на месте поверхностную прочность бетона К. Для выполнения измерений использовали электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ 4;
- вблизи замеров прочности отбирали образцы для анализа рН водных вытяжек цементного камня. В качестве образцов использовали сколы бетона толщиной 10 ^ 15 мм.
При определении К измерения проводили в трех местах на каждой конструкции, вычисляя средние значения. Обработку накопленных данных проводили по методу наименьших квадратов. Результаты с большими отклонениями значений К не использовали в расчетах средних значений.
Показатель рН поровой влаги определяли по методике [8].
Результаты экспериментов и их обсуждение
В течение нескольких лет обследования конструкций накоплен большой объем результатов определения рН, К на различных типах ЖБК (колонн, балок, плит ребристых и типа ПК) как с одинаковыми сроками эксплуатации, так и в зависимости от времени их эксплуатации [5], [6], [9]. Для всех типов обследованных
конструкций из тяжелого бетона выявлена связь между рН и К. Эти зависимости для разных видов конструкций близки и отличаются незначительно углами наклона.
На основании полученных зависимостей [9] построены регрессионные модели зависимости К-рН для атмосферных условий и условий помещений для наиболее распространенных типовых конструкций из тяжелого бетона (соответственно рис. 1, 2).
pH
Рис. 1. Обобщенная диаграмма рассеяния значений поверхностной прочности R и соответствующих значений рН для атмосферных условий с нанесенным уравнением линейной регрессии и 95 % доверительным интервалом для условных средних значений R
МПа
Я
pH —►
Рис. 2. Обобщенная диаграмма рассеяния значений поверхностной прочности Я и соответствующих значений рН для условий помещений с нанесенным уравнением линейной регрессии и 95 % доверительным интервалом для условных средних значений Я
Полученные зависимости близки и отличаются незначительно углами наклона, которые характеризуют скорость изменения рН и Я при различных условиях эксплуатации.
На основании построенных диаграмм выведены формулы для определения поверхностной прочности бетона на сжатие Я по величине показателя рН:
- для атмосферных условий
R = -57,792 + 8,01437 • pH, МПа; (2)
- для условий помещений
R = -38,2727 + 6,31735 • pH, МПа. (3)
Под атмосферными условиями приняты условия, при которых воздействие атмосферы на конструкции происходит непосредственно, под условиями помещений
- атмосферные условия цехов, общественных, жилых зданий, сельскохозяйственных помещений.
С увеличением срока эксплуатации в бетоне возрастает карбонатная составляющая, соответственно происходит снижение рН и R. В работах [5], [6], [9] выявлены зависимости рН от времени эксплуатации различных типов ЖБК (колонн, балок, плит ребристых и типа ПК).
На основании полученных зависимостей [9] построены регрессионные модели зависимости рН— для атмосферных условий и условий помещений для наиболее распространенных типовых конструкций из тяжелого бетона (соответственно рис. 3,
4).
Рис. 3. Обобщенная диаграмма рассеяния значений рН и соответствующих значений t для атмосферных условий с нанесенным уравнением линейной регрессии и 95 % доверительным интервалом для условных средних значений рН
Данные зависимости применимы к длительно эксплуатируемым конструкциям (с возрастом более 5^10 лет), так как в процессе исследований выявлено, что если КС растет с момента изготовления конструкции, то рН, несмотря на это, сначала остается постоянной, а затем медленно понижается, в то время как R несколько растет или остается неизменной. Этот отрезок времени соответствует рН > 11,5, когда еще существенно не сказывается физическое и химическое влияние атмосферы на цементный камень бетона.
Этот период можно назвать периодом неопределенности из-за разной величины времени, но зоной устойчивого состояния бетона. В этой зоне бетон сохраняет защитные свойства по отношению к арматуре и обладает максимальной R.
Несмотря на значительный разброс показателей, обусловленных обследованием конструкций с бетонами разных классов и множеством факторов, определяющих их свойства, можно считать, что между временем эксплуатации I, R и pH существует устойчивая зависимость. Этот вывод справедлив только для средних показателей
поверхностного слоя толщиной 10 ^ 15 мм и не затрагивает глубинных слоев тела бетона.
На основании диаграмм (рис. 3, 4) выведены формулы для оценки изменения рН от времени эксплуатации г.
- для атмосферных условий
pH = 11,9234 - 0,04868 • г; (4)
- для условий помещений
pH = 11,5334 - 0,01657 • г, (5)
где г - количество лет эксплуатации конструкции.
___^ Лет
Рис. 4. Обобщенная диаграмма рассеяния значений рН и соответствующих значений г для условий помещений с нанесенным уравнением линейной регрессии и 95 % доверительным интервалом для условных средних значений рН
По данным формулам, с учетом формул (2, 3) получены зависимости, позволяющие прогнозировать изменение поверхностной прочности от времени для различных условий эксплуатации.
- для атмосферных условий
pH = 11,5334 - 0,01657 • г, МПа; (6)
- для условий помещений
R = 34,5878 - 0,10467 • г, МПа. (7)
Суммируя средние значения зависимостей R-рН для основных железобетонных конструкций, была определена точность значения R, получаемая методом рН-метрии. Ошибка составила ±2,5 МПа.
На основании формул (2, 3) построена зависимость R-рН для различных условий эксплуатации (рис. 5), позволяющая определять прочность бетона на сжатие длительно эксплуатирующихся конструкций. Путем суммирования средних значений зависимостей R-рН для основных ЖБК была определена точность значения R, получаемая методом рН-метрии. Ошибка определения R составляет ±2,5 МПа, при точности определения рН, равной 0,01 рН.
8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0
pH —►
Рис. 5. Зависимость Я-рН: 1 - для атмосферных условий; 2 - для условий помещений
Выводы
Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы:
- между временем эксплуатации г, Я и pH существует устойчивая связь;
- для различных видов конструкций, выполненных из тяжелого бетона, зависимости Я-рН для одинаковых условий эксплуатации очень близки и отличаются незначительно углами наклона;
- метод рН-метрии позволяет с достаточной точностью оценивать поверхностную прочность бетона на сжатие;
- применение рН-метрии позволяет прогнозировать изменение прочности бетона конструкций по времени в зависимости от условий эксплуатации.
Литература
1. Алексеев С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. - М. : Стройиздат, 1978. - 205 с.
2. Кудрявцев И. А. Диагностика, эксплуатация и ремонт зданий и сооружений : пособие по спец. «Технический надзор» /И. А. Кудрявцев, М. В. Беспалова, А. А. Васильев. - Гомель : БелГУТ, 2003. - Ч. 1. - 265 с. ; Ч. 2. - 228 с.
3. Карнаухова Л. Н. Исследование физико-химических процессов и закономерностей массопереноса при коррозии цементного камня в кислых средах : сб. науч. тр. НИЖБ / Л. Н. Карнаухова, В. Г. Петров-Денисов. - М., 1984. - С. 82-98.
4. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С. Н. Алексеев [и др.]. - М. : Стройиздат, 1990. - 320 с.
5. Васильев А. А. Опыт использования р№ и карбометрии при определении состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций / А. А. Васильев //Вестн. БГТУ. Строительство и архитектура. - 2003. - № 1. - С. 228232.
6. 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, 2004. - С. 188-189.
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. Курбатова И. И. Современные методы химического анализа строительных материалов / И. И. Курбатова. - М. : Стройиздат, 1972. - 112 с.
9. Васильев А. А. Определение прочности бетона длительно эксплуатирующихся железобетонных конструкций методами р^ и карбометрии / А. А. Васильев // Шука и транспорт. - 2004. - № 1. - С. 21-24.
Получено 17.05.2005 г.
