О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 69.059.4

О МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ, ОПИСЫВАЮЩЕЙ ПРОЦЕСС НЕЙТРАЛИЗАЦИИ БЕТОНА

П.А. Фёдоров, Б.Р. Анваров, Т.В. Латыпова, А.Р. Анваров, В.М. Латыпов

ON MATHEMATICAL RELATION DESCRIBING CONCRETE CARBONIZATION PROCESS

P.A. Fyodorov, B.R. Anvarov, T.V. Latypova, A.R. Anvarov, V.M. Latypov

Приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных с целью уточнения математических зависимостей, описывающих процесс нейтрализации бетона на примере среды углекислого газа.

Ключевые слова: железобетон, коррозия, эксплуатационная надежность, долговечность, нормативный расчетный срок эксплуатации.

In the article the results of the experiments carried out with the aim of clarification of mathematical relation describing a concrete carbonization process with the carbon dioxide shielded taken as an example are given.

Keywords: reinforced concrete, corrosion, operation reliability, durability, normative life.

Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций на территории РФ осуществляется по СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии». Однако в данном документе отсутствует нормативная методика оценки долговечности железобетонных конструкций, что связано со сложностью физико-химических процессов коррозии бетона и ненадёжностью прогнозирования параметров эксплуатационной среды. Наиболее удобной в использовании расчётной моделью для применения в инженерных расчетах является один из результатов многочисленных исследований в области прогноза долговечности бетона или железобетона, а именно - расчётная зависимость глубины коррозионного поражения от времени эксплуатации конструкции Ь=/{і).

Классическое решение, основанное на упрощении математического аппарата и схематизации физико-химических процессов коррозии бетона, имеет вид общепринятого в области долговечности железобетона «закона корня квадратного от времени»:

Ь = кЛ. (1)

Анализ современных предложений по совершенствованию расчётных моделей долговечности железобетона показывает практически полное отсутствие формул, удобных для инженерных расчетов. Однако построение математической модели коррозии железобетона для получения закономерности £=/(/) с использованием современных численных методов, реализованных в прикладных программных математических пакетах, позволило авторам работы [1] получить выражение (2) с показателем степени п при корне, равном 3 (3). Не-

обходимо заметить, что при этом характер агрессивной среды не рассматривался (газ, жидкость), а целью решения было получение общего вида расчетной зависимости Щ). Для учета особенностей среды в работе [1] предложено использовать в расчетной формуле коэффициенты условий работы т{.

Ь = т1Аф; (2)

I = т,А1Ц . (3)

Для подтверждения, опровержения или оптимизации полученных расчётных моделей необходимо наличие серии экспериментальных точек. Однако в связи с большой длительностью проведения экспериментов (независимо от вида среды), большинство исследователей получали зависимость лишь по одной экспериментальной точке (глубине коррозионного поражения от времени) или в редком случае - по двум точкам, полученным в результате обследования железобетонных конструкций, а для дальнейших расчётов принимали функцию вида (1).

Единственными из известных экспериментальных данных по нескольким срокам испытаний на образцах в естественных условиях (при воздействии углекислого газа воздуха) являются данные Л.А. Вандаловской [2] для бетонов с различным водоцементным отношением (В/Ц). Из этих данных следует, что показатель степени п при корне может принимать значения 2,05...3,05. Исследователи Т. Isida и К. Маекш¥а [3] приводят экспериментальные данные по глубине нейтрализации бетона с различным водоцементным отношением при 10%-ной концентрации углекислого газа С02, из которых следует, что значение п в выражении (2)

Схема протекания процесса массопереноса

Рие. 1. Определение глубины нейтрализации бетона на макроснимке

Цементно-песчаный раствор Ц:1Д.= 1:3, В/Ц=0,7 Цементно-песчаный раствор Ц:Д=1:3, В/Ц=0,55 Цементно-песчаный раствор 31КА Мопо1ор 612 Цементно-песчаный рас хвор ЕМ АС О Ыапосге1е Й4

Рис. 2. Скорость нейтрализации образцов

Таблица 1

Результаты испытаний

Материал образца Водопоглощение по массе, % <=> 1 ° 8 5І *= ^ ^ І •И- §-^ £ Фрагменты сколов образцов сделанные мм в определенный момент времени, ч

10 | 30 60 150

Цементно-песчаный раствор Ц:П=1:3, В/ЦЩ7 8.1% № :|£|

Цементно-песчаный раствор Ц:П-1:3, В/Ц=0,55 5,6% т ДйМ

Цементно-песчаный раствор Э!КА Мопо(ор 612 19% шю »: ойс-ЗвЙв! - (вМ 1 ШнД 20 ~ . . ^ Я.ЯИ1 «Ж мНИ

Цементно-песчаный раствор ЕМАСО ИапосМе Й4 2.5% те при

14

Вестник ЮУрГУ, № 15, 2010

Фёдоров П.А., Анваров Б.Р., Латыпова Т.В., Анваров А.Р., Латыпое В.М. _________

О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона

Таблица 2

Результаты расчета

Тип образца Расчетные функции скорости нейтрализации раствора и статистический коэффициент детерминации

и L- CN?” II L =

Ап п R2 Aj п Л2 Аз п R2

Цементно-песчаный раствор Ц:П =1:3, В/Ц=0,7 4,00 2,77 0,928 2,60 0,743 4,30 0,926

Цементно-песчаный раствор Ц:П =1:3, В/Ц=0,55 1,95 2,17 0,985 1,70 2 0,981 2,90 3 0,852

Цементно-песчаный раствор БЖА МопоШр 612 1,35 2,94 0,875 0,65 0,561 1,34 0,785

Цементно-песчаный раствор ЕМАСО Иапосге1е К4 0,01 1,45 0,935 0,025 0,925 0,05 0,749

изменяется в пределах 1,94...2,65. В целом анализ немногочисленных экспериментальных данных показал, что возможные значения показателя степени п в выражении (2) изменяются от 1,48 до 3,05.

С целью определения значений А и п в выражении (2) были проведены ускоренные испытания, согласно ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии», на модифицированной установке. Испытания проведены на образцах 40x40x160 мм в герметичной камере, с относительной влажностью 75±3 %, температурой среды 20±5 °С, концентрацией углекислого газа 4 %. Через 10, 30, 60 и 150 часов проводился скол по сечению образца с обработкой его раствором фенолфталеина. Глубина нейтрализации бетона в каждом сечении определялась по макроснимку (рис. 1) и рассчитывалась по результатам 20 измерений. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и на рис. 2, а результаты вычисленных значений А и п представлены в табл. 2. Из этих данных следует, что показатель степени п в выражении (2) при воздействии углекислого газа воздуха является величиной непостоянной и меняется в зависимости от плотности цементно-песчаного раствора. Это, по-видимому, связано с тем, что в бетонах повышенной плотности происходит закупорка пор влагой, выделяющейся в ходе карбони-

зации бетона, что кардинально меняет механизм процесса массопереноса (см. схему на рис. 2) за счет перехода диффузии газа С02 в диффузию Н2С03 в жидкой фазе.

Необходимо отметить, что полученные данные можно рассматривать как предварительные, обосновывающие необходимость проведения детальных экспериментальных исследований, в том числе в жидких агрессивных средах.

Литература

1. Анваров, А.Р. Учет химического взаимодействия при построении математических моделей коррозии бетона / А. Р. Анваров, ТВ. Латыпова, В.М. Латыпое // Материалы между нар. конф. «Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве». — СПб., 2007. — С 43-50.

2. Алексеев, С.Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С.Н. Алексеев, Н.К. Розенталь. — М.: Стройиздат, 1976. -205 с.

3. Ishida, Т. Theoretically identified strong coupling of carbonation rate and thermodynamic moisture states in micropores of concrete / T. Ishida, K. Maekawa and T. Kishimoto // Journal of Advanced Concrete Technology. - 2003. -№ 2-P. 91-126.

Поступила в редакцию 25 февраля 2010 г.