CC BY
31УДК 691.32
Т.З. ГИЛЬМУТДИНОВ, магистр (gilmutdinov_tz@mail.ru), П.А. ФЕДОРОВ, канд. техн. наук (stexpert@mail.ru)
Уфимский государственный нефтяной технический университет (450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
Влияние трещин на кинетику карбонизации бетона
В процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвержены воздействию разных агрессивных сред, самой распространенной из которых является углекислый газ. В результате этого физико-химического воздействия бетон теряет защитные свойства по отношению к арматуре. Положение усугубляет наличие трещин в защитном слое железобетонных конструкций, через которые ускоряется доступ углекислого газа в зону расположения арматуры. Рассмотрены основные положения по расчету глубины нейтрализации бетона под воздействием углекислого газа, как без трещин, так и при их образовании. Предложена методика учета наличия трещин в железобетонных конструкциях при определении скорости нейтрализации бетона.
Ключевые слова: бетон, железобетон, карбонизация, трещины, долговечность.
T.Z. GIL'MUTDINOV, Master (gilmutdinov_tz@mail.ru), P.A. FEDOROV, Candidate of Sciences (Engineering) (stexpert@mail.ru) Ufa State Petroleum Technological University (1, Kosmonavtov Street, Republic of Bashkortostan, Ufa, 450062, Russian Federation)
Influence of Cracks on Kinetics of Concrete Carbonization
In the course of operation, reinforced concrete structures are subjected to the impact of various aggressive media, carbon dioxide is the most common among them. As a result of this physical-chemical impact, the concrete loses protective properties with regard to reinforcement. The situation is aggravated by the presence of cracks through which the access of carbon dioxide to the zone of reinforcement location is accelerated. Main provisions for calculating the depth of concrete neutralization under the impact of carbon dioxide, without cracks as well as in case of their formation, are considered. Accounting methods for the presence of cracks in reinforced concrete structures when determining the speed of concrete neutralization are proposed.
Keywords: concrete, reinforced concrete, carbonization, cracks, durability.
Наиболее распространенным агрессивным к бетону и арматуре веществом в воздухе является углекислый газ, который нейтрализует защитный слой бетона, в результате чего из-за проникновения влаги и кислорода начинается коррозия арматурной стали. Агрессивность атмосферы неуклонно возрастает: по последним данным, концентрация углекислого газа в воздухе превысила отметку 400 ррт [1] — примерно на 30% выше этих значений для прошлого столетия, на основе которых, однако, базируются нормативные документы по защите бетонных и железобетонных конструкций от коррозии.
Кинетика процесса карбонизации бетона описывается первым законом Фика, в соответствии с которым глубина нейтрализации бетона описывается уравнением вида [2]:
x=yl2D*CoT/ntQ,
(1)
где х — глубина карбонизированного слоя, В* — эффективный коэффициент диффузии СО2 в бетоне; С0 — концентрация СО2 в воздухе; т — срок эксплуатации;
"о ■
реакционная емкость бетона.
Для удобства расчетов зависимость (1) принято записывать в виде известного «корня квадратного от времени»:
x=4öt,
(2)
где а=2В*С0/т0 — комплексный параметр.
На скорость карбонизации бетона в основном влияет его структура, особенно содержание капиллярных пор и количество гидроксида кальция Са(ОН)2. Однако немаловажное значение имеют климатические условия и (или) окружающая среда [3]. Если коэффициент а характеризует свойства самого бетона и концентрацию углекислого газа, то для учета влияния окружающей среды в работе [4], как и в работе [3], было предложено использовать коэффициенты условий работы т((т1—т4):
х = т^.
(3)
Коэффициент т 1 в зависимости (3) учитывает следующие условия: т1 — уменьшение скорости карбонизации при влажном и мокром режимах эксплуатации; т2 — уменьшение скорости карбонизации для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе; т3 — зависимость скорости карбонизации от температуры; т4 — увеличение скорости карбонизации при повышении концентрации углекислого газа относительно нормальных условий (300 ррт).
Помимо условий эксплуатации, весьма большое влияние на кинетику процесса карбонизации может оказать наличие трещин. Как известно, действующими нормами на проектирование допускается наличие в железобетонных конструкциях трещин определенной ширины как длительного, так и кратковременного раскрытия. При этом наличие трещин до настоящего времени никак не учитывается в методике расчета карбонизации бетона и выражения (2) и (3) можно применить только к тем конструкциям, у которых в процессе эксплуатации отсутствуют какие-либо трещины. Такие конструкции встречаются крайне редко. К тому же кроме силовых трещин, согласно действующим нормам, например согласно ГОСТ 28042—2013 «Плиты покрытий железобетонные для зданий и сооружений. Технические условия», в конструкциях допускаются трещины усадочного характера до ширины раскрытия 0,1 мм.
Остается открытым вопрос об учете того факта, что в более прочном (плотном) бетоне трещины опаснее, чем в бетоне непрочном (пористом). Причина этого — уменьшение поглощающей способности стенок трещины, что приводит к ускорению распространения процесса карбонизации в глубь трещины [5].
Автор работы [6, 7] предлагает определять время нейтрализации параллельных стенок трещин в кислых газовых средах следующей зависимостью:
(= т^РХ , (4)
где t — продолжительность раскрытия трещины; т0 — реакционная емкость бетона; х — толщина защитного слоя
■ ■■■','J'.-: i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал
ШЛ^^Ьи!-]!® октябрь 2016 63
1-1
«Здоровый» бетон
1
1 1 ,
• I £
Карбонизированный бетон
Рис. 1. Изгибаемый железобетонный элемент с трещиной
I =400
1 /3=133 1 /3=133 1 /3=133
й 1 А
Рис. 3. Сколы образца: а - вдоль арматуры; б - вдоль трещины
Аналогичная формула присутствует и в работе [8]: 8/И(рс4Д* сх
(СО-СхУ
(5)
где т0, х, Б*, С0, Бв, аСГС — то же, что и формуле (4); сх — содержание углекислого газа в полости трещины на границе карбонизации (относительные единицы).
Применение зависимостей (4) и (5) для практических расчетов затруднено. К тому же формулы основываются на том, что при нейтрализации стенок трещин поглощение ими кислого газа прекращается и газ поступает в глубь бетона вдоль трещины. На самом деле поглощение СО2 происходит непрерывно.
В связи с этим авторами данной работы предлагается использовать подход, изложенный в работах [3, 4], где за основу принята известная диффузионная зависимость, но в дополнение к ранее применявшимся четырем коэффициентам т1—т4 (т) влияние трещин учитывать пятым коэффициентом условия работы т5:
х = т1т5т[ш.
(6)
Значение коэффициента т5 можно вычислить эмпирическим путем, определяя отношение глубины карбонизированного слоя бетона вдоль трещины к глубине карбонизированного слоя без трещины:
(7)
Рис. 2. Формирование трещины: а - схема изгибающего механизма; б - общий вид изгибающего механизма; в - создание отверстий вдоль трещины; г - зачеканивание отверстий цементным раствором для фиксации трещины
бетона; Б* — эффективный коэффициент диффузии кислого газа в бетоне; С0 — концентрация кислого газа в воздухе в относительных единицах; Бв — коэффициент диффузии кислых газов в воздухе; аСгС — ширина раскрытия трещины; Ки — коэффициент извилистости стенок трещины; Кф — коэффициент формы сечения.
где 1СГС — глубина карбонизированного слоя вдоль трещины; I — глубина карбонизированного слоя без трещины (рис. 1).
Экспериментальное определение коэффициента т5 было проведено по ускоренной методике. За основу при этом была принята методика в ГОСТ 31383—2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» с учетом рекомендаций, приведенных в работах [9, 10]. Испытания проводились на бетонных образцах-призмах размером 100x100x400 мм, армированных металлическим стержнем вдоль нижней рабочей грани. Состав бетона подбирался исходя из требований по проектной проч-
а
а
Время, ч Эквивалентное время, г Глубина карбонизации бетона в трещине, рН>9, 11, мм Глубина карбонизации бетона в трещине, рН<7,5, 12, мм Глубина карбонизации бетона без трещины, 1, мм Отношение, 11/1=т5
24 0,14 28,22 - - -
72 0,41 32,92 10,02 2,37 13,89
120 0,68 34,58 12,35 6,23 5,55
192 1,1 40,35 12,19 5,18 7,79
264 1,5 50,02 16,24 5,54 9,04
300 1,71 49,08 15,75 5,45 9
научно-технический и производственный журнал ^^(д
октябрь 2016
L, мм
pH
Толщина защитного слоя бетона
3
15 45 75 105 135 165 195 225 255 285
7,5
■ t, ч
Рис. 4. Зависимость изменения глубины карбонизации бетона от времени для трещины с шириной раскрытия 0,3 мм: 1 - глубина карбонизации бетона вдоль трещины, где рН>9; 2 - глубина карбонизации бетона вдоль трещины, где рН<7,5; 3 - глубина карбонизации бетона без трещины
14
12
10 9
8
6 4 2
1 ■.'-0
0
50
100
250
300
350
150 200 Время, ч
Рис. 5. Изменение во времени коэффициента т5 для трещины с шириной раскрытия 0,3 мм
m
16
9
ности — класса В25 и удобоукладываемости — с осадкой конуса 5 см. Расход цемента составил 380 кг/м3, водоцементное отношение — В/Ц=0,6. Испытания проводились в герметичной камере с относительной влажностью 75±3%, температурой среды 20±5оС, концентрацией углекислого газа 2%. Перед испытанием в образцах с помощью специального натяжного устройства по прототипу, приведенному в работе [11], формировались трещины разной ширины раскрытия с дальнейшей фиксацией их в одном положении (рис. 2). Через 24, 72, 120, 192, 264 и 300 ч проводился скол вдоль арматуры образца перпендикулярно трещине и скол в самой трещине (рис. 3). Участок карбонизированного бетона определялся путем нанесения раствора фенолфталеина. Глубина карбонизированного слоя определялась на макроснимке скола в трещине и без трещины путем выделения участка размером 40 мм. Данные по кинетике карбонизации образцов с трещинами шириной раскрытия 0,3 мм приведены в таблице и на рис. 4.
Необходимо отметить, что глубина карбонизации бетона в трещине выражена не так отчетливо, как это происходит в бетоне без трещины (рис. 3). Нет той определенной границы между окрашенным в малиновый цвет «здоровым» бетоном и неокрашенным карбонизированным бетоном. Поэтому измерение глубины карбонизированного слоя бетона велось по двум границам — там, где бетон начинал окрашиваться в малиновый цвет, и там, где цвет переходил в насыщенный оттенок. Объясняется это тем, что поглощение углекислого газа стенками трещин происходит постепенно.
Анализ полученных данных свидетельствует, что коэффициент т5 является величиной непостоянной и меняется во времени, что хорошо согласуется с выражениями (4) и (5). Для практических расчетов целесообразно принимать «установившееся» значение коэффициента т5. Так, для бетона В25 и при ширине раскрытия трещин 0,3 мм получено значение т5«9 через 300 ч испытаний.
Основные результаты исследования и выводы:
1. Усовершенствована методика проведения ускоренных испытаний железобетонных образцов в условиях воздействия углекислого газа с учетом наличия трещин в образцах.
2. Уточнен механизм карбонизации бетона в образце с модельной трещиной. Так, при ширине раскрытия трещины 0,3 мм глубина нейтрализации бетона В25 на участке без образования трещины имеет меньшее значение по сравнению с участком с трещиной примерно в 9 раз.
3. Предложена методика учета влияния трещин при оценке срока службы бетона и железобетона в агрессивных газовоздушных средах, заключающаяся в том, что при расчете по модели «квадратного корня от времени» помимо коэффициентов условий работы, учитывающих влияние различных параметров окружающей среды (концентрация СО2, влажность, температура), вводится дополнительный коэффициент, учитывающий наличие трещин в конструкциях.
Список литературы
1. National Oceanic and Atmospheric Administration. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. URL: http:// www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html (дата обращения: 01.07.2016).
2. Пухонто Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений: (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, подпорных стен). М.: АСВ, 2004. 424 с.
3. Латыпов В.М., Латыпова Т.В., Луцык Е.В., Федоров П.А. Долговечность бетона и железобетона в природных агрессивных средах. Уфа: РИЦ УГНТУ,
2014. 288 с.
4. Луцык Е.В. Разработка методов обеспечения долговечности железобетона при воздействии углекислого газа воздуха. Дисс. ... канд. техн. наук. Уфа, 2005. 125 с.
5. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Ч. 1. Пенза: ПГУАС, 2013. 332 с.
6. Новгородский В.И. О допустимой ширине кратковременного раскрытия трещин // Бетон и железобетон. 1984. № 7. С. 41-42.
7. Новгородский В.И. Основы долговечности железобетонных конструкций. М.: Издательство «Спутник+»,
2015. 362 с.
8. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Ч. 2. Пенза: ПГУАС, 2013. 304 с.
9. Федоров П.А., Анваров Б.Р., Латыпова Т.В., Анва-ров А.Р., Латыпов В.М. О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия Строительство и архитектура. 2010. № 15. С. 13-15.
■ ■■■','J'.- : i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал
® октябрь 2016 65
10. Новгородский В.И., Островский А.Б., Мигу-нов В.Н. Метод определения эффективности ингибиторов коррозии стали в трещинах бетона. Методические рекомендации по исследованию ингибиторов коррозии арматуры в бетоне. М.: НИИЖБ, 1980. 37 с.
11. Москвин В.М., Подвальный А.М., Птицын О.А. Методы натурных исследований на стенде в Кольском заливе. Коррозия железобетона и методы защиты // Труды института НИИЖБ. Вып. 28. 1962. С. 178-187.
References
1. National Oceanic and Atmospheric Administration. Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. URL: http:// www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html (date of access 01.07.2016)
2. Pukhonto L.M. Dolgovechnost' zhelezobetonnykh kon-struktsii inzhenernykh sooruzhenii: (silosov, bunkerov, rezervuarov, vodonapornykh bashen, podpornykh sten) [Durability of reinforced concrete designs of engineering constructions (silos, bunkers, tanks, water towers, retaining walls)]. Moscow: ASV. 2004. 424 p.
3. Latypov V.M., Latypova T.V., Lutsyk E.V., Fedorov P.A. Dolgovechnost' betona i zhelezobetona v prirodnyh agressivnyh sredah [The durability of concrete and reinforced concrete in the natural aggressive environments] Ufa: USPTU. 2014. 288 p.
4. Lutsyk E.V. Development of methods to ensure the durability of concrete when exposed to the air of carbon dioxide. Cand. Diss. (Engineering). Ufa. USPTU. 2005. 125 p. (In Russian).
5. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledo-vanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh kon-
struktsiy s treshchinami. Chast' 1 [Experimental and theoretical study of corrosion and durability of reinforced concrete structures with cracks. Part 1]. Penza: PGUAS. 2013. 332 p.
6. Novgorodskiy V.I. About permissible width of the short-term crack opening. Beton i zhelezobeton. 1984. No. 7, pp. 41—42. (In Russian).
7. Novgorodskiy V.I. Osnovy dolgovechnosti zhelezobeton-nyh konstrukciy. [Basics of durability of reinforced concrete structures]. Moscow: Publisher "Sputnik +". 2015. 362 p.
8. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledo-vanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh kon-struktsiy s treshchinami. Chast' 2 [Experimental and theoretical study of corrosion and durability of reinforced concrete structures with cracks. Part 2]. Penza: PGUAS. 2013. 304 p.
9. Fedorov P.A., Anvarov B.R., Latypova T.V., Anvarov A.R., Latypov V.M. About the mathematical dependence describing process of neutralization of concrete. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo uni-versiteta. Seriya Stroitel'stvo i arkhitektura. 2010. No. 15 (191), pp. 13-15. (In Russian).
10. Novgorodskiy V.I., Ostrovskiy A.B., Migunov V.N. Metod opredeleniya effektivnosti ingibitorov korrozii stali v treshchinakh betona. [The method of determining the effectiveness of corrosion inhibitors of steel in concrete cracks]. Guidelines for the study of corrosion inhibitors in the concrete reinforcement. Moscow: NIIZhB. 1980. 37 p.
11. Moskvin V.M. Podval'niy A.M., Ptitsyn O.A. Methods of field studies on the stand in the Kola Bay. Corrosion of reinforced concrete and methods of protection. Proceedings NIIZhB Institute. Vol. 28. 1962, pp. 178-187. (In Russian).
СПЕЦИАЛЬНАЯ
—шшашаш
Новая книга профессора СПбГТИ А. С. Брыкова
«Процессы химической коррозии в портландцементных бетонах»
В настоящем учебном пособии изложены научные представления об основных факторах химической коррозии портландцементных бетонов -выщелачивании, карбонизации, действии кислот и хлоридов, коррозии кремнеземсодержащих заполнителей в высокощелочной среде поровой жидкости бетона, сульфатной коррозии, коррозии арматуры.
В качестве вспомогательной и дополнительной информации изложены основные сведения о химии гидратации портландцемента, поровой структуре цементного камня и бетона. Отдельный раздел посвящен ультрадисперсным кремнеземсодержащим материалам-добавкам, уплотняющим структуру цементного камня и бетона и повышающим устойчивость последних к коррозионным воздействиям.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 18.04.01 «Химическая технология» (дисциплины «Гидратация портландцемента», «Технология бетонов»), и будет полезно студентам, обучающимся в магистратуре по направлению 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов». Кроме того, данное издание представляет интерес для сотрудников лабораторий и технологов предприятий - производителей бетонов, сухих строительных смесей, специальных материалов на основе портландцементов.
Данное учебное пособие можно приобрести в книжном интернет-магазине СОМбука www.sombuka.ru
научно-технический и производственный журнал |r ('SJÜiil^J-'
66 октябрь 2016 l'j ! ®
