CC BY
99
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/22TVN415.pdf DOI: 10.15862/22TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/22TVN415)
УДК 624.012.35.042.3:620.191.33:620.193.2
Мигунов Виктор Николаевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза1 Кандидат технических наук, доцент E-mail: Viktor5043@rambler.ru
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, Пермь
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Россия, Саратов
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
Россия, Сочи Доктор технических наук, профессор E-mail: bridgesar@mail.ru
Шамшина Ксения Викторовна
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет архитектуры и строительства»
Россия, Пенза Аспирант E-mail: Kisek90@mail.ru
Методика и результаты экспериментальных электрохимических исследований на прямых моделях железобетонных элементов влияния переменной нагрузки на коррозию арматуры в расчётных поперечных
трещинах бетона
1 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28
1
Аннотация. Фактическая долговечность эксплуатирующихся железобетонных конструкций в агрессивных условиях, содержащих хлорид - ионы из-за коррозии арматуры оказывается в несколько раз меньше нормативной.
Технико-экономическими недостатками трещиностойких железобетонных конструкций по сравнению с не трещиностойкими являются большая толщина элементов и значительное недоиспользование несущей способности арматуры. Эти недостатки отсутствуют у не трещиностойких железобетонных конструкций с ограниченной шириной раскрытия расчётных поперечных трещин.
Наибольшую опасность для коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона представляют жидкие среды, содержащие хлорид - ионы, из-за протекания интенсивного электрохимического процесса на поверхности арматуры. Вероятность возникновения коррозии арматуры в поперечной трещине бетона при переменном воздействии нагрузки больше, чем при постоянном.
Несмотря на большое влияние эксплуатационной переменной нагрузки на коррозию арматуры в расчётных поперечных трещинах железобетонных конструкций количество экспериментальных и теоретических исследований по их влиянию на изменение долговечности железобетонных элементов очень ограничено.
Наиболее достоверные научные результаты для испытывающихся в агрессивной среде железобетонных конструкций, состоящих из многокомпонентных материалов, получаются на их прямых моделях, по сравнению с теоретическими исследованиями.
В работе впервые с помощью экспериментального исследования на прямых моделях железобетонных элементов определена степень агрессивности жидкой среды по отношению к арматуре в поперечной трещине фиксированного раскрытия в бетоне в зависимости от концентрации хлорид - ионов.
Электрохимические и физические исследования коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона, с учётом их переменного раскрытия, проведены на прямых моделях железобетонных элементов с помощью впервые разработанной методики электрохимического испытания.
Проведённые длительные экспериментальные исследования в течение трёх с половиной лет позволили путём анализа электрохимических характеристик коррозионного состояния арматуры определить влияние переменной и постоянной нагрузки на кинетику коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона.
Ключевые слова: прямые модели; железобетонные конструкции; балка; колонна; хлоридсодержащая среда; арматура; бетон; коррозионные продольные и поперечные трещины; ширина раскрытия и длина трещины; дифференцированные участки; интегральный показатель; кинетика.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Мигунов В.Н., Овчинников И.Г., Шамшина К.В. Методика и результаты экспериментальных электрохимических исследований на прямых моделях железобетонных элементов влияния переменной нагрузки на коррозию арматуры в расчётных поперечных трещинах бетона // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/22TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/22ГУШ15
Строительные конструкции производственных зданий и сооружений в процессе длительной эксплуатации испытывают внешние воздействия различного вида включая нагрузки и агрессивные среды, совместное действие которых приводит к интенсивному развитию повреждений и сокращению срока службы строительных объектов. Во всех странах мира до 75% строительных конструкций эксплуатируются в агрессивных средах, до 10% из них ежегодно разрушаются и выходят из строя и в до 30% из них требуется защита [1].
Экономические потери при ремонтах и усилении конструкций превышают 5% общемирового валового дохода. В Российской Федерации эти финансовые потери в настоящее время оцениваются в 20-25 миллиардов рублей ежегодно [1].
В мировой практике строительства железобетон является наиболее употребляемым строительным материалом [2]. Широкое использование железобетона определяется возможностью получать строительные конструкции с необходимой долговечностью во время эксплуатации в различных агрессивных средах.
На предприятиях металлургической, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, текстильной и пищевой промышленности, а также в дорожно-мостовом хозяйстве и на объектах, расположенных вблизи морских побережий, до 75% инженерных конструкций подвергаются воздействию хлоридсодержащих сред в виде средств антиобледенителей, морской воды, солевого тумана вблизи морей и океанов, добавок-ускорителей твердения бетона при зимнем бетонировании [3,4].
Хлорид - ионы, проникая в железобетонные конструкции, вызывают коррозионный износ арматуры, нарушение сцепления арматуры с бетоном, образование и развитие коррозионных продольных трещин вдоль несущей арматуры, с последующим снижением несущей способности и долговечности.
Обеспечение долговечности железобетонных конструкций без специальной (вторичной) защиты является наиболее эффективным экономическим фактором их использования. Вторичная защита существенно повышает отпускную стоимость железобетонных конструкций и к тому же она не обладает необходимой защитной стойкостью на весь период их эксплуатации [5]. На практике эта задача решается с помощью расчётных моделей долговечности железобетонных элементов, разработанных по результатам экспериментальных исследований железобетонных элементов в агрессивных средах. В России такими моделями являются строительные нормативные документы.
Фактическая долговечность эксплуатирующихся железобетонных конструкций в агрессивных условиях, содержащих хлорид-ионы, из-за коррозионного поражения арматуры во многих случаях оказывается в несколько раз меньше нормативной [5].
Снижение нормативного срока службы железобетонных конструкций наблюдается в цехах по производству хлора и каустика, хлорной извести, хлорированных органических продуктов, в отделениях хлорирования химико-металлургических заводов и водопроводных станций [6].
Впервые минимальный пятидесятилетний срок службы несущих железобетонных конструкций из обычного тяжёлого бетона в капитальных зданиях, эксплуатирующихся в газовой, жидкой и твёрдой средах с различной степенью агрессивности установлен в СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии», а затем в ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» [7].
В транспортном строительстве в свое время сборный железобетон практически заменил металл в мостах с малыми и средними пролётами, составляющими менее тридцати
четырёх метров. Нормативный период эксплуатации железобетонных элементов пролетных строений мостов в СНиП 32-05-2002 «Мосты и трубы» определяется в диапазоне 50-80 лет, для фундаментов и массивных столбчатых опор - 75-120 лет.
Коррозионные поражения железобетонных конструкций значительно увеличивают затраты на эксплуатацию зданий и инженерных сооружений, которые могут превышать сметную стоимость на их капитальное строительство не только в России, но в других зарубежных развитых странах [8]. Поэтому проблема борьбы с коррозией железобетонных конструкций в настоящее время приобрела особую актуальность.
Технико-экономическими недостатками трещиностройких железобетонных конструкций по сравнению с нетрещиностойкими являются большая толщина элементов и значительное недоиспользование несущей способности арматуры. Эти недостатки отсутствуют у нетрещиностойких железобетонных конструкций с ограниченной шириной раскрытия расчётных поперечных трещин. Силовые трещины в бетоне облегчают поступление агрессивной среды к поверхности арматуры и способствуют возникновению и развитию её коррозии. Расчетная ширина раскрытия силовых поперечных трещин в защитном слое бетона определяет расход арматуры и стоимость железобетонного изделия.
Коррозия арматуры в поперечной трещине бетона возникает вследствие локальной депассивации её поверхности, в результате уменьшения сцепления стальной арматуры с бетоном и последующим нарушением стабильности существования пассивирующих сталь оксидных пленок [5]. Причиной локальной депассивации являются микротрещины на границе «бетон - арматура», возникающие в бетоне по обе стороны от поперечной трещины и образующие зону влияния поперечной трещины [9].
Наибольшую опасность для коррозии арматуры в расчётных поперечных трещинах бетона железобетонных конструкций представляют жидкие среды, содержащие хлорид-ионы, из-за протекания интенсивного электрохимического процесса на поверхности арматуры. Оценка степени агрессивности газообразных сред по отношению к железобетону основана на тех же принципах, что и для жидких сред [5].
Степень агрессивного воздействия жидкой и газообразной среды на арматуру в расчётных поперечных трещинах бетона согласно СНиП 2.03.11 -85*«Защита строительных конструкций от коррозии» и ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» учитывается косвенным путём через ограничение предельно допустимой ширины раскрытия поперечных трещин на поверхности бетона.
Механизмом коррозии арматуры в поперечной трещине железобетонной конструкции является коррозионная макропара, состоящая из разности потенциалов трех элементарных гальванических макропар между отдельными участками арматуры: дифференциальной щелочности электролита, дифференциального растягивающего напряжения в арматуре и дифференциальной аэрации [9].
Показателем критической (опасной) величины раскрытия поперечных трещин для долговечности железобетонных конструкций является переход от механизма коррозии при работе макропары с анодом в трещине бетона к механизму коррозии открытой стали, с учётом незатухающей кинетики коррозии арматуры.
В то же время, представления о деталях механизма коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона и его контролирующих характеристик имеют качественный характер [5,9,10]. Механизм коррозии арматуры в расчётных поперечных трещинах находится в стадии интенсивного изучения, из-за недостаточного объёма научных данных о нём [5,9,10,11]. Объективными научными результатами являются экспериментальные данные о коррозионном
процессе арматуры в поперечных трещинах бетона, полученные на прямых моделях железобетонных конструкций [1].
Уплотнение полости поперечной трещины продуктами химических и электрохимических реакций, механической кольматации способствует затуханию коррозионных процессов на арматуре в постоянно раскрытых поперечных трещинах шириной до 0,4 мм [2,9]. Диффузионная проницаемость поперечной трещины с шириной раскрытия асгс=0,2 мм, заполненная соответствующими материальными отложениями, уменьшается в 3 раза [2]. Снижение диффузионной проницаемости полости трещины способствует восстановлению высокой щелочности поровой влаги в бетоне и соответственно повышает пассивацию стальной арматуры. Свойство изменять диффузионную проницаемость трещин учтено в СНиП 2.03.11-85* *«Защита строительных конструкций от коррозии» положением о не уменьшении нормативных сроков службы железобетонных конструкций при наличии поперечных трещин с шириной раскрытия от 0,15мм до 0,30 мм в железобетонных конструкциях 2 и 3-й категорий трещиностойкости.
Скорость коррозии арматуры в постоянно раскрытой поперечной трещине бетона зависит от её ширины, степени агрессивности среды, вида и диаметра арматуры и величины напряжений в арматуре [5,9,10].
Критической величине ширины раскрытия поперечной трещины соответствует глубина коррозии арматуры, являющаяся этапным переходом к коррозии арматуры по механизму функционирования микропар, как на открытой поверхности стали.
Переменные силовые и несиловые воздействия внешней среды на железобетонные элементы приводят к изменению ширины раскрытия расчётных поперечных трещин. По сравнению с постоянно раскрытыми поперечными трещинами эти трещины оказывают дополнительное отрицательное воздействие на долговечность железобетонных конструкций.
Продукты коррозии арматуры, накапливающиеся на её поверхности и затрудняющие диффузию агрессивных реагентов к арматуре, при наличии переменных напряжений в арматуре, уменьшают свою плотность, что приводит к активизации процесса коррозии на поверхности арматуры. Коррозионное разрушение стали проявляется в виде равномерной или неравномерной по глубине коррозии (пятна, язвы) [5]. Переменное раскрытие ширины поперечных трещин разрушает химические и физические материальные продукты в её полости, способствуя снижению щелочности бетона вдоль поверхности арматуры периодического профиля по 1 -2 мм в год [11].
Нормативные документы, используемые для расчёта долговечности железобетонных конструкций, учитывают только постоянные нагрузки и не принимают во внимание эксплуатационные переменные нагрузки.
Вероятность возникновения коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона при переменном воздействии нагрузки больше, чем при постоянном [5], что объясняется периодическим нарушением оксидной пассивирующей плёнки на поверхности арматуры, механическим разрушением околоарматурного слоя бетона и вторичных продуктов коррозии металла.
Несмотря на большое влияние эксплуатационной переменной нагрузки на коррозию арматуры в поперечных трещинах железобетонных конструкций количество экспериментальных и теоретических исследований по ее влиянию на изменение долговечности железобетонных конструкций в России и зарубежных странах очень ограничено. Поэтому проведение исследований на железобетонных элементах с целью изучения коррозионного состояния арматуры в поперечных трещинах бетона, с учётом их переменного раскрытия, является актуальным и представляет ценность для разработки
научных рекомендаций по повышению долговечности эксплуатирующихся железобетонных конструкций в агрессивной среде.
Наиболее достоверные научные результаты для испытывающихся в агрессивной среде железобетонных конструкций, состоящих из многокомпонентных материалов, получаются на их прямых моделях, по сравнению с теоретическими исследованиями.
Прогнозирование свойств композитных материалов на эмпирических моделях может строиться только на статистических подходах, из-за случайной структуры неоднородных материалов с различной степенью упорядоченности составляющих элементов. Все эмпирические модели, построенные на других подходах, дают только приближенную оценку соответствующим реальным композитам [12].
Впервые определение степени агрессивности жидкой среды по отношению к арматуре в поперечной трещине бетона фиксированного раскрытия в зависимости от концентрации хлорид-ионов проведено на 66 железобетонных образцах с размерами 280x40x40 мм, изготовленных из алитового среднеалюминатного портландцемента и кварцевого песка с модулем крупности 2,2. Цементно-песчаный бетон имел пониженную проницаемость с прочностью 31 МПа, водопоглощение по массе 5%, эффективный коэффициент диффузии СО2 в бетоне 0,53 см2/с10-4 . Призмы, армированные стержнями 105 мм класса В-I, имели одну поперечную трещину в бетоне с шириной раскрытия acre = 0,20 мм [7].
Опытные железобетонные элементы испытывали воздействие раствора хлористого натрия, имеющего различную нормальность: 0 (пресная вода); 0,01; 0,10; 0,25; 0,30; 0,40; 0,50 и 1Н. За время проведения эксперимента выполнено 100 циклов увлажнения с последующим высушиванием. Периоды увлажнения и высушивания в одном цикле составляли соответственно 8 и 40 часов.
Результаты экспериментальных электрохимических испытаний арматуры в поперечных трещинах бетона показывают увеличение коррозионного тока, глубины поражения арматуры, уменьшение массы металла и прочности арматурного стержня на растяжение при увеличении концентрации раствора NaCl до 0,2 нормального (12 г/л NaCl) с максимальным коэффициентом ускорения коррозионного процесса на арматуре К= 10 [7].
Критическое значение относительного уменьшения диаметра арматуры при максимальном уровне снижения её несущей способности является величина 15%. Для опытной арматуры в проведённом эксперименте эта величина составляет 750 мкм, что соответствует средней глубине коррозионного поражения арматуры 5ср= 375 мкм. В проведённом эксперименте прямо пропорциональная зависимость шестипроцентного снижения прочности на растяжение арматурного стержня наблюдалась при уменьшении диаметра арматуры до величины 750 мкм, что соответствует 15% снижению диаметра арматуры.
Нормативные, согласно СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии», и экспериментальные характеристики степени агрессивности жидкой среды в поперечной трещине бетона с acre = 0,20 мм для опытной арматуры в зависимости от концентрации в растворе хлорид-ионов, электрохимических и физических показателей арматуры представлены в табл. 1.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (июль - август 2015)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
Таблица 1
Степень агрессивного воздействия жидкой среды, содержащей хлорид-ионы, для арматуры первой группы по СНиП 2.03.11-85*, с учётом полученных экспериментальных электрохимических и физических характеристик арматуры в поперечных трещинах бетона с асгс = 0,20 мм
(составлена авторами)
Степень агрессивности среды
я и н
е же
а р
о п а н и
б у
глу
я я
н
д
е р
С
в о н о и
дг
и м р,
° П
4 У ^ 5 ^
ии (
л 5 ё & Ц
пс нт ,м
и
и П
н о к
в о н о и
на Пи отн Ни
еС
и д
о к с е ч
д
ид
ир оди р
о
л
хе я еп
е
л
е же
к
ц
ап
^ *
ег цм н, о ,]_
« е.;
ии ри пн
п, е
«
а
м л
, в
у
0 к *
с5 а8 гла 8-1
01
с.
3 0
н
и щ
е р
т з е б
2
к
к о т
й ы н н о и з
о р
р
о К
и
т
с
о
н
ч %
о
р я,
п н
е ж
и
н «
е т
же с
и
н
С
Потеря металла
мг
%
Слабо-агрессивная
50
До 350 (до 580)
до 500
100
0,10
0,29
Средне-агрессивная
300
выше 350 (выше 580) до 3650 (до 6050)
свыше 500 до 5000
500
3,9
0,28
0,81
Сильноагрессивная
более 300
свыше 3650 (свыше 6050)
свыше 5000
более 500
более 3,9
более 0,28
более 0,81
Критическая-экспериментальная (согласно 15% снижения диаметра
арматуры)_
375
4500 (7460)
650
6,0
0,32
0,92
0
Результаты проведённых электрохимических исследований показывают удовлетворительное соответствие нормативных, согласно СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии», и экспериментальных значений концентрации хлорид-ионов, определяющих степень агрессивности жидкой среды для железобетона с поперечными трещинами, составляющие в сторону уменьшения соответственно для сред: слабоагрессивной - 10%, для среднеагрессивной и сильноагрессивной - 13%.
Выводом из полученных результатов эксперимента является заключение, что причиной разных нормативных и фактических сроков эксплуатации обычных железобетонных конструкций в жидких хлоридсодержащих средах, является отсутствие коррелируемого соответствия внутренних свойств железобетонных элементов с внешними факторами, в виде эксплуатационных силовых воздействий на железобетонные конструкции [13,14].
Электрохимические и физические исследования коррозионного поражения арматуры в расчётных поперечных трещинах бетона, с учётом их переменного раскрытия, проводились на прямых моделях железобетонных элементов с помощью впервые разработанных методик снятия анодных поляризационных кривых стали и физической оценки коррозионного состояния арматуры в поперечных трещинах бетона [7].
В опытах использовались железобетонные балочки с размерами 440х100х40мм, армированные одиночным арматурным стержнем класса Вр-1 и диаметром 4мм. Образцы изготовлены на портландцементе марки 500 и гранитном щебне крупностью 5-10мм. Применялся бетон повышенной плотности с техническими характеристиками: класс В-39, водоцементное отношение 0,55, эффективный коэффициент диффузии СО2 в бетоне 0,53 (см2/с10-4). Повышенная плотность бетона была принята из-за условия исключения коррозии арматуры вне зоны влияния поперечной трещины при длительном воздействии жидкой хлоридсодержащей среды с высокой степенью агрессивности.
В процессе испытания каждый опытный образец загружался изгибающей нагрузкой и имел только одну поперечную трещину в защитном слое бетона с шириной раскрытия асгс =0,20 мм. Принятое значение асгс на экспериментальных железобетонных элементах обосновано соответствующей её нормативной величиной при воздействии жидких агрессивных сред, установленной в СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных конструкций от коррозии». Измерение асгс производилось индикаторами часового типа с ценой деления 10 мкм, стационарно установленными на образцах на уровне продольной оси арматуры [7]. Для ускорения процесса нарушения пассивного состояния поверхности стали в поперечной трещине бетона использовался раствор NaCl с концентрацией 35 г/л, увлажняющий арматуру на уровне её центральной продольной оси.
Величина стационарного потенциала при возникновении анодного коррозионного тока на арматуре, составляющая Е = (+ 300)мВ, определялась по анодным поляризационным кривым стали, полученным на трех опытных образцах с постоянными раскрытыми трещинами (асгс = 0,20 мм), (рис 1).
Рис. 1. Анодные поляризационные кривые стали в поперечной трещине бетона с асгс = 0,20 мм
(рисунок выполнен авторами)
Влияние переменного нагружения на изменение величины анодного тока на арматуре в поперечных трещинах бетона определялось на шести опытных образцах - близнецах. Каждый образец загружался двадцатью циклами кратковременной переменной нагрузкой в виде следующей схемы изменения ширины раскрытия поперечных трещин в миллиметрах:
ат = 0,03 ^ 0,10 ^ 0,20 ^ 0,30 ^ 0,40 ^ 0,30 ^ 0,20 ^ 0,10 ^ 0,3
Период между ступенями нагружения и разгружения для электрохимической стабилизации коррозии арматуры составлял не менее 1 часа (рис. 2).
6
<
и
и о
н
Ж
ч о
Щ <
о' К 8 12 16 2П
Циклы переменной нагрузки N.
Рис. 2. Изменение величины анодного тока при переменном раскрытии поперечных трещин: 1 - асгс = 0,03; 2 - асгс = 0,1; 3 - асгс = 0,2; 4 - асгс = 0,3; 5 - асгс = 0,4 мм; N - циклы нагружения
(рисунок выполнен авторами)
С увеличением ширины раскрытия поперечных трещин асгс коррозионный процесс на арматуре возрастает по линейной прямо пропорциональной зависимости (рис. 2). После 20 циклов приложения переменной нагрузки величина приращения анодного тока 0 в поперечных трещинах бетона с асгс = 0,03; 0,10; 0,20; 0,30 и 0,40 мм соответственно составляет i = 1,6; 2,2; 2,4; 2,9 и 3,3 мкА, что почти в 2,5 раза превышает первоначальные значения. Увеличение анодного тока на арматуре в поперечных трещинах бетона происходит при увеличении циклов переменной нагрузки независимо от первоначально принятых значений асгс-
Однако необходимо отметить, что наиболее объективная количественная оценка характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона показывается не в результате кратковременных испытаний, а в процессе длительных электрохимических экспериментальных исследований.
Влияние режимов эксплуатационных переменных нагрузок, действующих на железобетонные конструкции (снеговые и ветровые нагрузки, нагрузки на перекрытия и от подвижного транспорта), на электрохимические и физические характеристики арматуры исследовались на восемнадцати железобетонных образцах в следующих режимах нагружения-разгружения: кратковременное нагружение-разгружение (к), два дня - два дня, месяц-месяц. Переменная нагрузка вызывала кратковременное увеличение длительного раскрытия асгс= 0,20 мм на величину ДаСТс=0,10мм. Одновременно для проведения сравнительного анализа в аналогичных экспериментальных условиях испытывались 12 контрольных балочек с постоянно раскрытыми поперечными трещинами.
Результаты длительных экспериментальных исследований железобетонных образцов в течение 120 суток при постоянном воздействии на них 3%-ого раствора №С£ на уровне центральной оси растянутой арматуры в поперечных трещинах бетона приведены в табл. 2.
Таблица 2
Электрохимические и физические характеристики длительных испытаний арматуры железобетонных образцов в зоне поперечных трещин бетона (составлена авторами)
Ре- Ширина Потен- Плот- Глубина Длина Площадь Величина
жим раскрытия циал ность коррозии: участка участка коррози-
ис- трещины Е, мВ анодно- средняя коррозии коррозии онных по-
пы- асгс, мм го тока (макси- £, см Б, см2 терь т, г
та- 1=мкА/ мальная)
ния см2 дар (¿мах),
мкм
К 0,30/0,20 -470 1,3 80 (184) 1,5 0,9 0,040
2+2 0,30/0,20 -490 1,8 76 (139) 1,3 1,0 0,020
м+м 0,30/0,20 -480 1,6 79 (157) 1,3 0,8 0,030
пост 0,20 -390 0,8 42 (115) 0,7 0,5 0,015
пост 0,30 -420 1,0 69 (135) 0,9 0,7 0,020
Электрохимические и физические характеристики коррозионного процесса на арматуре, отмеченные в таблице 2, свидетельствуют о более активном коррозионном состоянии арматуры при переменном раскрытии трещин, по сравнению с постоянным. Переход от постоянного к переменному виду загружения увеличивает электрохимические и физические значения коррозионного поражения арматуры. Повышение этих значений по отношению к трещинам с постоянным раскрытием соответственно составляет для асгс = 0,20 мм и асгс = 0,30 мм:
• для потенциала в 1,22 и 1,13 раза;
• для плотности анодного тока в 1,96 и 1.57 раза;
• для средней глубины коррозии в 1,86 и 1,13 раза;
• для максимальной глубины коррозии в 1,39 и 1,19 раза;
• для длины коррозии в 1,96 и 1,52 раза;
• для площади коррозии в 1,80 и 1,29 раза;
• для величины коррозионных массовых потерь в 2,00 и 1,5 раза.
Вероятность (р), математическое ожидание (М), доверительные верхние (ВИ) и нижние (НИ) интервалы для потенциала (Е) и плотности анодного тока (I), а также соответствующих физических характеристик коррозионного поражения арматуры: ¿ар, ¿(мах) I, S и т для 18 образцов, загруженных переменной нагрузкой, показаны в таблице 3.
Таблица 3
Вероятность и доверительные интервалы для оценки математического ожидания нормального распределения электрохимических и физических характеристик арматуры при переменном раскрытии трещин (составлена авторами)
Статистические ха-рактери-стики Е0) мВ; (мкА/см2) ¿ср (¿мах), мкм см; (см2) т, г
Р 0,97 (0,96) 0,96 (0,96) 0,97 (0,96) 0,95
М -476 (1,57) 78 (160) 1,37 (0,90) 0,030
ВИ -520 (1.73) 89 (185) 1,53 (1,03) 0,034
НИ -416 (1,35) 66 (135) 1,22 (0,76) 0,026
Впервые полученные количественные результаты электрохимических исследований показывают, что действие длительной переменной циклической нагрузки приводит к увеличению электрохимических и физических характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона соответственно до 2,0 и 1,5 раз по сравнению с постоянным загружением.
Согласно требованиям нормативных документов СНиП 2.03.11-85* (Защита строительных конструкций от коррозии) и ГОСТ 31384-2008 (Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования) затухание во времени электрохимического процесса коррозии на арматуре в расчётных поперечных трещинах защитного слоя бетона железобетонных конструкций является надежной гарантией долговечности железобетонных элементов в агрессивной среде.
Для исследования влияния переменной и постоянной нагрузки на кинетику электрохимических и физических характеристик арматуры в поперечных трещинах защитного слоя бетона в присутствии жидкой хлоридсодержащей среды проведены длительные экспериментальные исследования в течение трёх с половиной лет на сорока пяти прямых моделях железобетонных элементов с размерами 440x100x40 мм, изготовленных из бетона повышенной плотности с арматурой 10 4 мм класса Вр-1 [7].
Каждый образец имел только одну поперечную трещину в защитном слое бетона. Образцы испытывали воздействие изгибающей нагрузки на специально изготовленных для эксперимента силовых установках, позволяющих обеспечивать необходимые пределы изменения ширины раскрытия поперечных трещин от асгс2 = 0,20 мм до асгс1 = 0,30 мм. Ширина раскрытия поперечных трещин в зоне чистого изгиба измерялась по реперным точкам с помощью микроскопа МБС-2 с ценой деления измерительной линейки 14 мкм.
Согласно впервые разработанной методике экспериментального исследования в качестве активатора и ускорителя процесса коррозии на арматуре в поперечных трещинах бетона был принят 0,5% раствор хлористого натрия, которым три раза в сутки опытные железобетонные элементы периодически увлажнялись при режиме воздействия переменной нагрузки 1 сутки (асгс!) и 6 суток (аСТс2), что позволяло получить коэффициент ускорения коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона около пяти [15]. Электрохимические и физические экспериментальные характеристики коррозии арматуры в поперечных трещинах бетона приведены на рис 3 и 4.
Рис. 3. Кинетика изменения параметров физических и электрохимических характеристик коррозионного процесса на арматуре в поперечных трещинах бетона. П, ф - соответственно поляризуемость и потенциал арматуры; С, R — соответственно емкость и сопротивление системы. Индексы: о, р - соответственно постоянное и переменное воздействие
нагрузки.(рисунок выполнен авторами)
Е
И
£
«
5
и Ы
я О
1000
800
600
___4
С (,00
Л
S
ю
200
ч.
-у \ N. V. **
\ \ у* \/ S
/ /V А . ' N
о
zr.
SL> £ т; О-
о
3
о «
S 33
CL
о
гз
CÜ
3
о
гоо
400
6D0
800
1000
1200
Сут
ки.
Рис. 4. Кинетика изменения характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах бетона.Условные обозначения: нижние и верхние кривые — соответственно постоянное и переменное раскрытие трещин; _ средняя глубина коррозии;---максимальная глубина коррозии;- • - • - • - длина коррозионного поражения;- • • - • • -
площадь коррозионного поражения. (рисунок выполнен авторами)
Выводы. Результаты проведённого экспериментального исследования показывают математическую сопоставимость величин потенциала арматуры, сопротивления и емкости системы, а также средней глубины коррозионных язв для условий постоянного и переменного раскрытия поперечных трещин при затухающем характере кинетики коррозионного процесса на арматуре в поперечных трещинах бетона. Для образцов, испытывающих воздействие переменной нагрузки, поляризуемость арматуры значительно меньше (12%), а максимальная глубина, длина и площадь коррозионного поражения соответственно больше в 1,5 и 2 раза, по сравнению с приложенной постоянной нагрузкой (рис. 3, рис. 4).
Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, могут быть учтены при корректировке нормативных значений ширины раскрытия поперечных трещин железобетонных конструкций, испытывающих воздействие жидких хлоридсодержащих сред.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Моногрф. / В.Н. Мигунов, И.И. Овчинников, И.Г. Овчинников. - Пенза, ПГУАС, 2014. - 362 с.
2. Пухонто, Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, подпорных стен) / Д.М. Пухонто. - М.: АСВ, 2004. - 424 с.
3. Frangopol D.M. Reliability of reinforced concrete girders under corrosion attack / D.M. Frangopol, K.Y. Lin, A.C. Estes // Journal of Structural Engineering, ASCE. -1997. - 123(3). - P. 286-297.
4. Lentz, A. Half-cell potential measurements for condition assessment / A. Lentz, T.H. Johnsen, M.H. Faber // Proceedings of First International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management. - Barcelona, July 2002. - P. 365-366.
5. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль // Совм. Изд СССР - ЧССР - ФРГ. - М.: Стройиздат, 1990. - 320 с.
6. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Часть 1: монограф. / В.Н. Мигунов. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 332 с.
7. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и долговечности железобетонных конструкций с трещинами. Часть 2: монограф. / В.Н. Мигунов. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 304 с.
8. Овчинников И.И. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Монограф. / И.И Овчинников,
B.Н. Мигунов, И.Г. Овчинников. - Пенза, ПГУАС, 2014. - 294 с.
9. Москвин, В.М. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры / В.М. Москвин,
C.Н. Алексеев, Г.П. Вербецкий, В.И. Новгородский - М.: Стройиздат, 1971. -144 с.
10. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В.М. Москвин, Ф.И. Иванов, С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев; под ред. В.М. Москвина. - М.: Стройиздат, 1980. - 536 с.
11. Степанов, С.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций, работающих в агрессивных средах с учётом коррозионного износа рабочей арматуры: дис... канд. техн. наук / С.Н. Степанов. - Н. Новгород: НГАСУ, 2005. - 180 с.
12. Гусев, Б.В. Физико-математическая модель процессов коррозии арматуры железобетонных конструкций в агрессивных средах. Теория / Б.В. Гусев, А.С. Файвусович. - М.: Научный мир, 2009. - 56 с.
13. Маринин, А.Н. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию хлоридной коррозии и карбонизации / А.Н. Маринин, Р.Б. Гарибов, И.Г. Овчинников. - Саратов: Рата, 2008. - 259 с.
14. Овчинников, И.Г. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред / И.Г. Овчинников, В.В. Раткин, А.А. Землянский. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. - 232 с.
15. Мигунов, В.Н. Влияние переменной нагрузки и амплитуды изменения ширины раскрытия трещин на коррозионное поражение арматуры в трещинах железобетонных конструкций / В.Н. Мигунов // Изв. вузов. Строительство.-2002. - №10.- С. 134-137.
Рецензент: Овчинников Илья Игоревич, эксперт Поволжского отделения Российской академии транспорта, советник РАТ, канд. техн. наук, доцент.
Migunov Viktor Nikolaevich
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza E-mail: Viktor5043@rambler.ru
Ovchinnikov Igor Georgievich
Perm national research polytechnic university
Russia, Perm
Yuri Gagarin state technical university of Saratov
Russia, Saratov
Moscow state automobile&road technical university (Sochi branch)
Russia, Sochi E-mail: bridgesar@mail.ru
Shamshina Kseniya Viktorovna
Penza State University of Architecture and Construction
Russia, Penza E-mail: Kisek90@mail.ru
The methodology and results of experimental studies of electrochemical models of reinforced concrete elements of direct influence of variable load on the corrosion of reinforcement in the design of transverse cracks in concrete
Abstract. The actual durability of concrete structures operated in aggressive environments containing chloride ions are due to reinforcement corrosion is several times less than regulatory.
Technical and economic disadvantages of crack resistance of reinforced concrete structures compared to not crack resistance are large thickness elements and significant under-utilization of the bearing capacity of the valve. These deficiencies are absent in not crack resistance concrete structures with reduced opening width calculated transverse cracks.
The greatest danger for corrosion of reinforcement in concrete transverse cracks are fluids containing chloride - ions due percolation intensive electrochemical process at the surface of the valve. The probability of corrosion of the reinforcement in the transverse fracture of concrete under variable impact load is greater than a constant.
In spite of the great influence of variable load operating on the corrosion of reinforcement in the design of transverse cracks in concrete structures of experimental and theoretical studies on their impact on the durability of concrete elements of the change is very limited.
The most reliable scientific results for testing in an aggressive environment of reinforced concrete structures, consisting of multi-component materials turn their direct models, compared with the theoretical studies.
In work using experimental models, studies on straight concrete elements determine the degree of aggressiveness of the liquid medium in relation to the fixture in a transverse crack in the concrete disclosure fixed depending on the concentration of chloride - ions.
Electrochemical and physical study of reinforcement corrosion in transverse cracks of concrete, taking into account their expansion variables that were carried out on the direct model of reinforced concrete elements using a technique first developed electrochemical tests.
The conducted experimental studies lasting for three and a half years allowed by the analysis of electrochemical characteristics for corrosion of reinforcement determine the effect of the variable and constant load on the kinetics of corrosion of reinforcement in concrete transverse cracks.
Keywords: direct model; reinforced concrete structures; beams; columns; chloride-containing environments; reinforcement; concrete; corrosion; longitudinal and transverse cracks; opening width and length of the crack; differentiated areas; integral index; kinetics.
REFERENCES
1. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe modelirovanie armirovannykh konstruktsiy v usloviyakh korrozii. Monogrf. / V.N. Migunov, I.I. Ovchinnikov, I.G. Ovchinnikov. - Penza, PGUAS, 2014. - 362 s.
2. Pukhonto, L.M. Dolgovechnost' zhelezobetonnykh konstruktsiy inzhenernykh sooruzheniy (silosov, bunkerov, rezervuarov, vodonapornykh bashen, podpornykh sten) / D.M. Pukhonto. - M.: ASV, 2004. - 424 s.
3. Frangopol D.M. Reliability of reinforced concrete girders under corrosion attack / D.M. Frangopol, K.Y. Lin, A.C. Estes // Journal of Structural Engineering, ASCE. -1997. - 123(3). - P. 286-297.
4. Lentz, A. Half-cell potential measurements for condition assessment / A. Lentz, T.H. Johnsen, M.H. Faber // Proceedings of First International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management. - Barcelona, July 2002. - P. 365-366.
5. Dolgovechnost' zhelezobetona v agressivnykh sredakh / S.N. Alekseev, F.M. Ivanov, S. Modry, P. Shissl' // Sovm. Izd SSSR - ChSSR - FRG. - M.: Stroyizdat, 1990. -320 s.
6. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy s treshchinami. Chast' 1: monograf. / V.N. Migunov. -Penza: PGUAS, 2013. - 332 s.
7. Migunov V.N. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie korrozii i dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy s treshchinami. Chast' 2: monograf. / V.N. Migunov. -Penza: PGUAS, 2013. - 304 s.
8. Ovchinnikov I.I. Eksperimental'no-teoreticheskoe modelirovanie armirovannykh konstruktsiy v usloviyakh korrozii. Monograf. / I.I Ovchinnikov, V.N. Migunov, I.G. Ovchinnikov. - Penza, PGUAS, 2014. - 294 s.
9. Moskvin, V.M. Treshchiny v zhelezobetone i korroziya armatury / V.M. Moskvin, S.N. Alekseev, G.P. Verbetskiy, V.I. Novgorodskiy - M.: Stroyizdat, 1971. - 144 s.
10. Korroziya betona i zhelezobetona, metody ikh zashchity / V.M. Moskvin, F.I. Ivanov, S.N. Alekseev, E.A. Guzeev; pod red. V.M. Moskvina. - M.: Stroyizdat, 1980. - 536 s.
11. Stepanov, S.N. Prognozirovanie dolgovechnosti zhelezobetonnykh konstruktsiy, rabotayushchikh v agressivnykh sredakh s uchetom korrozionnogo iznosa rabochey armatury: dis... kand. tekhn. nauk / S.N. Stepanov. - N. Novgorod: NGASU, 2005. -180 s.
12. Gusev, B.V. Fiziko-matematicheskaya model' protsessov korrozii armatury zhelezobetonnykh konstruktsiy v agressivnykh sredakh. Teoriya / B.V. Gusev, A.S. Fayvusovich. - M.: Nauchnyy mir, 2009. - 56 s.
13. Marinin, A.N. Soprotivlenie zhelezobetonnykh konstruktsiy vozdeystviyu khloridnoy korrozii i karbonizatsii / A.N. Marinin, R.B. Garibov, I.G. Ovchinnikov. - Saratov: Rata, 2008. - 259 s.
14. Ovchinnikov, I.G. Modelirovanie povedeniya zhelezobetonnykh elementov konstruktsiy v usloviyakh vozdeystviya khloridsoderzhashchikh sred / I.G. Ovchinnikov, V.V. Ratkin, A.A. Zemlyanskiy. - Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t, 2000. - 232 s.
15. Migunov, V.N. Vliyanie peremennoy nagruzki i amplitudy izmeneniya shiriny raskrytiya treshchin na korrozionnoe porazhenie armatury v treshchinakh zhelezobetonnykh konstruktsiy / V.N. Migunov // Izv. vuzov. Stroitel'stvo.- 2002. -№10.- S. 134-137.
