CC BY
3УДК 691:620.179.1
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ БЕТОНА, ДИАМЕТРА И МАРКИ СТАЛИ АРМАТУРЫ НА ЕЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
Чикулаев Г.С.
Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь
Махкамов Гуломжон Умонжонович НамИСИ. PhD. Доцент. E-mail: m. gulomjon@mail.ru
Рахимова Гулзода стажёр -преподователь кафедры Физики НамИСИ
Аннотация. В материале статьи представлены результаты экспериментальных исследований влияния толщины защитного слоя бетона, а также диаметра и марки стали арматуры на показания прибора, позволяющего определить степень коррозионного состояния арматуры в железобетонных конструкциях неразрушающим методом. В основе данного метода неразрушающего контроля коррозионного состояния арматуры железобетонных изделий и конструкций лежит то, что в определенной области генерируемых частот ферромагнитные свойства самой стали и продуктов ее коррозии различаются. В связи с этим целью проведенных экспериментов было выявление зависимостей при использовании прибора, основанного на частотном разностно-ферромагнитном методе оценки коррозионного состояния арматуры.
Annotation. The article presents the results of experimental studies of the influence of the thickness of the protective layer of concrete, diameter and grade of the concrete steel on the instrument readings, which allows to determine the degree of corrosion state of reinforcement in reinforced concrete structures by a non-destructive method. The basis of this method of nondestructive testing of the corrosion state of reinforcement of reinforced concrete products and structures lies in the fact that in a certain region of the generated frequencies the ferromagnetic properties of the steel itself and its corrosion products differ. In this regard, the purpose of the experiments was to identify dependencies when using a device based on the frequency difference-ferromagnetic method for assessing the corrosion state of reinforcement.
Ключевые слова: Коррозия арматуры, прибор, неразрушающий метод, диаметр арматуры, марка стали, толщина защитного слоя бетона.
Key words: Corrosion of reinforcement, device, non-destructive method, diameter of reinforcement, steel grade, thickness of the protective layer of concrete.
Введение. Железобетон — это строительный материал, который позволяет возводить различные здания и сооружения. Большинство железобетонных конструкций и сооружений возведенных в начале XX века хорошо сохранились до наших дней, что характеризует железобетон как достаточно долговечный материал. Но к сожалению, известны так же случаи как частичного так и полного разрушения железобетонных
конструкций. Чаще всего разрушение конструкций было вызвано воздействием внешних факторов. Разрушение конструкций может протекать по двум схемам. По первой схеме вначале следует разрушение бетона, который выполняет защитные функции по отношению к арматуре расположенной внутри тела бетона. После разрушения защитного слоя бетона происходит разрушение арматуры и последующего разрушения всей конструкции. По второй схеме вначале происходит разрушение арматуры, с последующим разрушением бетона. Арматура вызывает разрушение бетона из-за того что в процессе коррозии выделяется ржавчина, которая в 2-3 раза занимает больший объём чем первоначальная арматура [1,4]. Данный процесс разрушения ржавчиной бетона является механическим. Коррозионное разрушение арматуры может проходить в виде (общей) коррозии, которая охватывает всю поверхность металла и бывает равномерной или неравномерной по глубине или местной коррозии, поражающей лишь отдельные участки поверхности арматуры (пятна, язвы, коррозионные трещины) [2,5]. Наиболее опасна коррозия, которая развивается вглубь арматуры, а не по поверхности, данный вид коррозии является питтинговой. С ростом объёма ржавчины, растет количество трещин на поверхности конструкций, в результате растет скорость протекания коррозии арматуры и последующего разрушения конструкции.
На начальной стадии процесс разрушения арматуры визуально не виден, так как арматура расположена в массиве конструкции. Поэтому существует необходимость в оценивании коррозионного состояния арматуры в конструкции неразрушающим способом. На данный момент на кафедре «Технология бетона и строительных материалов» БНТУ разработан частотный разностно-ферромагнитный метод оценки коррозионного состояния арматуры. Данный метод основан на том, что в определенной области генерируемых частот ферромагнитные свойства самой стали и продуктов ее коррозии различаются [3]. И этот факт позволяет установить зависимости ухода частоты от коррозионных потерь стали. На основе данного метода разрабатывается прибор «измеритель степени коррозии арматуры» (ИСКА), позволяющий осуществлять две функции - вначале устанавливать толщину защитного слоя бетона, а уже с ее учетом -степень коррозии арматуры.
Точность оценки коррозионного состояния арматуры (степени ее поражения) данным прибором непосредственно зависит от различных факторов, связанных с состоянием арматуры (наличие или отсутствие коррозии, разновидности образующихся продуктов коррозии и плотности коррозионных «новообразований») в бетоне, особенностями ее химического состава (содержанием в железе углерода и легирующих добавок, отражаемого маркой стали), различием в диаметре сечения арматурных элементов, а также толщины защитного слоя бетона конструкции.
Влияние толщины защитного слоя бетона. Основная погрешность измерений степени коррозии арматуры обусловлена изменением толщины защитного слоя бетона (зазора 5 между датчиком и измеряемым стержнем), которая в реальных условиях в зависимости от различных факторов может колебаться в достаточно широких пределах.
Было установлено, что некоторая погрешность измерений толщины защитного слоя определяется степенью коррозии арматуры из-за миграции ферромагнитных продуктов коррозии в защитный слой бетона.
С целью определения величины этой погрешности проведены экспериментальные исследования на образцах бетона с различной степенью коррозии при одной и той же толщине защитного слоя. Степень коррозии определялась частотно разностно-ферромагнитным методом. Контрольные образцы с одинаковой степенью коррозии арматуры разрушались и оценивались визуально по 5-ти балльной системе, предложенной С.Н. Алексеевым и приведенной в таблице 1.
Таблица 1.
Визуальная оценка степени коррозии
№№ пп Характер поверхности стержня Балл Номер исследуемого стержня
1 Совершенно чистая поверхность 0 Образец
2 Коррозия точками и пятнами. Язв и пластинок нет. Площадь коррозии 50 % I 66
3 То же, площадь коррозии более 50 % II 309
4 Кроме налета на отдельных участках пластинчатая ржавчина и язвы. Площадь коррозии не более 25 % III 438
5 То же, площадь коррозии до 50 % IV 523
6 То же, площадь коррозии свыше 50 % V 441
До начала измерений производилась тарировка прибора по некоррозированному образцу при толщине защитного слоя 20 мм.
Измерения проводились при помощи датчика продвигая его вдоль исследуемого образца, отмечая показания прибора. Разброс показаний прибора для стержней с различной степенью коррозии при одной и той же толщине защитного слоя объясняется тем, что некоторые образцы имели трещины с шириной раскрытия 1-3 мм и продукты коррозии проникли на поверхность бетонного образца.
Было выявлено, что при определении максимальной толщины защитного слоя бетона, кривая «толщина защитного слоя - показания прибора» становится крутой и точность определений снижается. В связи с этим рабочий диапазон прибора для измерения толщин защитного слоя представлен в виде таблицы 2.
Таблица 2
Рабочий диапазон измерений толщины защитного слоя бетона для различных марок стали и диаметра арматуры
Диаметр арматуры, мм Марка стали Класс арматуры Расстояние от датчика до арматуры, мм
минимальное максимальное
4 Ст.3 Б240 10 50
6 Ст.3 Б240 10 50
8 Ст.3 Б240 10 60
10 Ст.5 Б500 10 60
12 Ст.5 Б500 10 60
16 Ст.5 Б500 10 60
Как оказалось, максимальная погрешность измерения толщины защитного слоя для стержней с различной степенью коррозии не превышает 2 мм, т.е. 10 % в рабочем диапазоне.
Влияние диаметра и марки стали арматуры на ее ферромагнитные свойства.
Для выявления оказываемого влияния диаметра арматуры на ее ферромагнитные свойства были проведены испытания. Из арматурной стали Ст.3, Ст.5 с начальным диаметром 30 мм были изготовлены стержни (по три стержня для удобства эксперимента) следующих диаметров: 2мм, 4мм, 6мм, 8мм, 10 мм, 12мм, 14мм, 16мм,18 мм, 20мм, 24мм и 30 мм с длиной 300 мм. Данные стержни поочередно устанавливались по центру площадки и при помощи датчика прибора ИСКА, устанавливаемого на оргстекло, снимались показания измерительного прибора на каждом стержне. В результате были получены следующие данные (таблица 3).
Таблица 3
Влияние диаметра и марки стали на измерение степени коррозии
Диаметр стержня, мм Сталь Ст.3 Сталь Ст.5
Показания прибора XI, мг ■V — .V; , мг Показания прибора XI, мг ■V — .V; , мг
2 49 9,7 51 9,8
4 50 8,7 52 8,8
6 51 7,7 53 7,8
8 52 6,7 54 6,8
10 53 5,7 55 5,8
12 55 3,7 57 3,8
14 57 1,7 59 1,8
16 59 0,3 61 0,2
18 61 2,3 63 2,2
20 64 5,3 66 5,2
24 70 11,3 73 12,2
30 83 24,3 85 24,2
Как видно из полученных данных мы получили разброс показаний в пределах 1215% в связи с изменением диаметра образцов.
Для стали Ст.3 среднее арифметическое показаний прибора для разных диаметров стали получилось равным 58,7 мг. В результате погрешность измерения прибором ИСКА, учитывающая разные диаметры для стали Ст.3, составила:
(1)
Для стали Ст.5 среднее арифметическое показание прибора для разных диаметров стали получилось равным 60,8 мг, а погрешность измерения прибором ИСКА, учитывающая разные диаметры для стали Ст.5 составила:
(2)
Рисунок 1. - Влияние диаметра стержня и марки стали на показания прибора
Из графика рисунка 3.5 следует, что при изменении диаметра арматуры от 2 до 10 мм показания прибора существенно не изменяются. Сравнительно малая погрешность измерений при изменении диаметра арматуры в пределах 2-10 мм объясняется, в первую очередь, относительно небольшим изменением зазора между датчиком и измеряемым стержнем.
В пределах изменения диаметра 12-30 мм погрешность измерений существенно возрастает вследствие двух причин: во-первых, значительного уменьшения зазора между датчиком и измеряемым стержнем и, во-вторых, резкого возрастания (из-за большой массы стержня) вносимых в контур измерительного генератора активных потерь, т.е. за счет уменьшения добротности контура.
Для изучения влияния вида и марки арматуры на ее ферромагнитные свойства были взяты стержни арматуры Ст.3, Ст.5, 35ГС, 18Г2С и 25Г2С диаметром 10мм и длиной 300мм. Данные стержни поочередно устанавливались по центру площадки и при помощи датчика, устанавливаемого на оргстекло, снимались показания измерительного прибора на каждом стержне. В результате были получены следующие данные (Таблица 4).
Таблица 4.
Влияние марки стали на измерение степени коррозии
Марка стали Показания п )ибора XI для образца, мг Среднее арифметическое показание прибора, мг
№1 №2 №3 №4 №5
Ст.3 64 62 63 62 64 63,0
Ст.5 66 68 67 66 65 66,4
35ГС 71 72 72 71 72 71,6
18Г2С 73 74 75 74 74 75,0
25Г2С 76 77 77 78 80 77,6
Как видно из полученных данных начальные показания прибора для стержней из углеродистых и легированных сталей 35ГС, 18Г2С, 25Г2С были выше, чем для обычных конструкционных Ст.3, Ст.5. Это можно объяснить тем, что электропроводность стали чем ниже, тем выше содержание углерода, перешедшего в твердый раствор. Аналогичное действие оказывают легирующие добавки. Поэтому в случае исследования углеродистых и легированных сталей, благодаря меньшим потерям на вихревые токи, магнитная проницаемость их будет выше, чем для широко применяемых обычных конструкционных сталей Ст.3 и Ст.5.
Заключение. Проведенные эксперименты по выявлению влияния толщины защитного слоя бетона позволили выявить рабочий диапазон измерений.
Проведенные эксперименты выявили, что диаметр арматуры оказывает влияние на ферромагнитные свойства арматуры, так с увеличением диаметра увеличивается и показания прибора из-за резкого возрастания вносимых в контур измерительного генератора активных потерь. Так же было выявлено, что арматура из углеродистых и легированных сталей оказывает большее влияние на показания прибора, чем конструкционные.
Проведенные эксперименты по выявлению влияния диаметра и марки стали арматуры оказываемые на показания прибора ИСКА позволяют сделать вывод в перспективности использования прибора, основанного на частотном разностно-ферромагнитном методе оценки. Но необходимо дальнейшие проведения экспериментов для наработки большего массива данных, которые позволят определить коррозионное состояние арматуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев, С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне / С.Н. Алексеев. -Москва: Стройиздат, 1968. - 233 с.
2. Алексеев С.Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах/ С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. - Москва: Стройиздат, 1990. - 320 с.
3. Барташевич, А.А. Новый неразрушающий метод контроля степени коррозии стальной арматуры / А.А. Барташевич, Л.Я. Френкель, В.В. Бабицкий // Бетон и железобетон. -1974. - № 12. - С. 36-38.
4. Жарский, И.М. Коррозия и защита металлических конструкций и оборудования / И.М. Жарский, Н.П. Иванова, Д.В. Куис, Н.А. Свидунович. - Минск: Вышсшая школа, 2012. - 303 с.
5. Пухонто, Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений / Л.М. Пухонто. - Москва: Издательство АСВ, 2004. - 424 с.
