CC BY
28УДК 624.21.01.07
С.Н. ЛЕОНОВИЧ, д-р техн. наук, Белорусский национальный технический университет; А.В. ПРАСОЛ, магистр техн. наук, Белорусский государственный университет транспорта (Минск)
Железобетон в условиях хлоридной коррозии: деформирование и разрушение
На основе анализа экспериментальных исследований по взаимодействию конструкций с хлоридсодержащими средами [1—4], а также существующих моделей взаимодействия конструкций с различными агрессивными средами можно предположить, что коррозионное разрушение железобетонных элементов вследствие хлоридной агрессии может быть представлено в виде следующей диаграммы (рис. 1), где 1 — работа защитного покрытия в течение инкубационного периода до начала проникания хлоридов в железобетонный элемент; 2 — проникание хлоридов в железобетонный элемент и распределение их по его объему; 3 — наступление условий коррозии для арматуры; 4 — развитие коррозионного поражения арматуры с уменьшением ее сечения и образованием продуктов коррозии; 5 — коррозионное растрескивание бетона вокруг корродирующей арматуры; 6 — прорастание трещины сквозь бетон до поверхности конструктивного элемента; 7 — отслаивание защитного слоя бетона под давлением продуктов коррозии арматуры; 8 — работа конструктивного элемента с отслоившимся защитным слоем и нарушение сцепления прокорродировавшей арматуры с бетоном; 9 — разрушение конструктивного элемента вследствие наступления предельного состояния.
1 2 3
—5
/ 6
\ 7
\ 8
\ 9
I инк. защит.покр.
Тр
1 отслаивания
| растрескивания i разрушения
Тот
Время
Рис. 1. Диаграмма снижения несущей способности под воздействием хлоридсодержащей среды
Скр
5
1Ъ
О OI \0
3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
□ ¡□"по
В
D
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Источники
Рис. 2. Критическая концентрация хлоридов в бетоне, кг/м3, по данным: 1 - Levis D.A. (1962); 2 - Hausmann D.A. (1967); 3 - Berman H.A. (1972); 4 - Clear K.C., Hay R.E. (1973); 5 - Clear K.C. (1974); 6 - Strat-full R.F., Spellman D.L. (1975); 7- Cady P.D. (1978); 8- Brown R.D. (1982);
9 - Pfeifer D.W., Landgren J.R., Zoob A. (1986); 10 - Frangopol D.M. (1997)
Стальная арматура в бетоне защищена от коррозии тонкой пассивирующей пленкой, состоящей из оксидов железа, которая формируется на поверхности арматуры из-за сильнощелочной среды поровой влаги бетона. Коррозия арматурной стали начинается при разрушении пассивирующей пленки (депассивации).
Депассивация арматуры происходит в присутствии хлоридов пороговой или критической концентрации. Негативному воздействию хлорид-ионов в бетоне противопоставлены гидроксид-ионы, способствующие самозалечиванию пассивирующей пленки. Критической по опасности коррозии арматуры концентрацией хлорид-ионов в бетоне считают такую, при которой скорости процессов пассивации и депассивации одинаковы. Уровень критической концентрации хлоридов в бетоне зависит от рН-фактора бетона влажности бетона и концентрации агрессивного раствора в окружающей бетон среде. Результаты расчетов критической концентрации хлоридов представлены на рис. 2, 3 и в таблице.
После периода инициирования коррозия арматуры развивается в бетоне и приводит к образованию ржавчины, которая увеличивает давление, т. е. напряжение, в зоне сцепления арматуры и бетона. С распространением коррозии ее продукты, главным образом гидроксиды железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3, занимают намного больший объем, чем арматура, таким образом оказывающие давление на окружающий бетон. Давление возрастает и вызывает образование трещин в бетоне. Трещина простирается через защитный слой, и в конечном счете напряжение приводит к разрушению бетона.
Железобетонная конструкция моделируется как толстостенный цилиндр под внутренним радиальным давлением. Схематическое представление процесса коррозии, вызывающего образование трещин в бетоне, показано на рис. 4.
При развитии коррозии продукты ржавчины заполняют поры бетона полностью и затем оказывают давление на бетон (рис. 4). Внутренний радиус будет увеличиваться, поэтому внутренний радиус толстостенного бетонного цилиндра a(t) может быть выражен как:
3
2,5
1,5
m 1
¥ 0,5
^ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Источники
Рис. 3. Критическая концентрация хлоридов в бетоне, % мас. вяжущего: 1 - Алексеев С.Н., Иванов Ф.М. (1990); 2 - Vassie P. (1984) 3 - West R.E. (1985); 4 - Henriksen C.F. (1973); 5 - Bamforth P.B. (1994) 6- Hansson C.M. (1990); 7 - Tuutti K. (1993); 8 - Schiessl P. (1990) 9 - Pettersson P.E. (1993); 10 - Lambert P. (1991); 11 - Schiessl P. (2004) 12 - Moser K., Edwardsen C. (2002)
Т
инк. арма1
2
научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS ~94 май 2013 ЬшУЩ|с'
Сталь Арматура Критическая концентрация % массы вяжущего
Углеродистая Ненапряженная Напряженная 0,4 0,2
Нержавеющая Ненапряженная Напряженная 1 0,4
a(t)--
D+М' 2
(i)
W
n(D + 2d0)
1
Ршй
.«l
Р*
(2)
где а,. — коэффициент, зависящий от типа продуктов коррозии; Рпв, — плотность продуктов коррозии; Рй — плотность арматуры; Щ^/ — масса продуктов коррозии (ржавчина), которые вызывают критическое растягивающее напряжение.
Принято, что как только ржавчина полностью заполняет пространство между бетоном и арматурой, последующий рост коррозии приведет к появлению растягивающих напряжений. Щш можно определить изме-
рением плотности тока коррозии рассчитать по формуле (3):
W
"rust
(' 1
f0,098—jlD U «г
1/2
loorrdt
в ^Л/ см2 и
(3)
Плотность потока коррозии /„,„. можно определить для изгибаемых железобетонных конструкций как:
/CO(T=0,3683£n(i)+l,1305,
(4)
где t — время, год.
Растягивающее напряжение по теории упругости может быть получено следующим образом:
2
(.D + 2d0)
b2+a2
й+1
(5)
b2-a2(t)
где Е^ — эффективный модуль упругости бетона; V,, — коэффициент Пуассона для бетона; Ь — внешний радиус толстостенного бетонного цилиндра; а(^ — внутренний радиус толстостенного бетонного цилиндра.
Минимальное напряжение, необходимое для образования трещин в защитном слое бетона, связано с прочностью бетона при растяжении и толщиной защитного слоя и ат может быть выражено как:
2 с-/
GT =
D+2dn
где — прочность бетона при растяжении.
Одним из факторов, влияющих на скорость коррозии, является ширина раскрытия силовых трещин. С развитием коррозии ширина раскрытия трещин увеличивается, что вызывает отслаивание и разрушение бетона и в конечном счете разрушение.
Для оценки механического повреждения вследствие увеличения объема продуктов коррозии вокруг арматуры необходимо посредством упругого анализа рассчитать эквивалентное однородное внутреннее давление вокруг арматуры и напряжения в окружающем бетоне. В этой модели бетон рассматривается как толстостенный цилиндр, на который воздействует внутреннее давление продуктов коррозии.
Время начала отслаивания и разрушения бетона определено как момент времени, в который растягива-
где ds(t) — толщина продуктов коррозии, вызывающих растягивающие напряжения. Эту величину можно выразить:
Рис. 4. Образование трещин под давлением продуктов коррозии: D - диаметр арматурного стержня; d0 - толщина слоя продуктов коррозии в зоне сцепления арматуры и бетона; а и Ь - внутренние и внешние радиусы толстостенного бетонного цилиндра; с - толщина защитного слоя бетона
ющие усилия внутри толстостенного цилиндра превышают прочность бетона.
Инициирование трещин можно выразить:
д^ (с ¿)2+(с с1) /< (с/£?)2+(С/£0+0,5 Развитие трещин можно выразить:
де = 0,5+(с/</) / 1,665 .
Достижение трещиной поверхности:
^ = 2(с/</+0,5), Л
(7)
(8)
(9)
где стс — внутреннее давление, вызванное продуктами коррозии; — прочность бетона при растяжении; ссот — толщина защитного слоя бетона; d — диаметр арматуры.
Величина этих периодов времени зависит от скорости коррозии, прочностных свойств бетона, отношения толщины бетона к диаметру арматуры, расстояния между арматурными стержнями и от внешних воздействий.
Таким образом, рассмотрено несколько механизмов снижения эксплуатационной надежности и безопасности железобетонной конструкции вследствие коррозии. На несущую способность этих конструкций влияет и уменьшение сечения бетона (вследствие образования трещин и отслаивания), и уменьшение площади арматуры, и потеря сцепления между арматурой и бетоном. Чтобы смоделировать предельное состояние отказа конструкции, остаточную прочность необходимо определить в соответствии с рекомендациями, изложенными в [5].
Ключевые слова: коррозия арматуры, прочность бетона, пассивация, депассивация, разрушение конструкции.
Список литературы
(6) 1. Леонович С.Н. Алгоритм расчета долговечности железобетонных конструкций при хлоридной агрессии: Сб. тр. VII межд. науч.-метод. семинара. Брест: БрГТУ, 2001. 5 с.
2. Леонович С.Н. Вероятностная оценка коррозии арматуры в существующих железобетонных конструкциях при хлоридной агрессии: Сб. тр. VII межд. науч.-метод. семинара. Брест: БрГТУ, 2001. 5 с.
3. Леонович С.Н. Моделирование трещиностойкости в бетоне под действием корродирующей арматуры // Вестник БНТУ. 2010. № 6.
4. Леонович С.Н., Прасол А.В. Воздействие хлоридов на железобетонные конструкции: моделирование проникновения в бетон // Наука и техника. 2012. № 2. С. 34-38.
5. Леонович С.Н., Прасол А.В. Модели периода инициирования коррозии арматуры // Строительные материалы. 2012. № 9. С 74-75.
a
б
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® май 2013 95
