«РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

На правах рукописи

Сорокин Евгений Вячеславович

РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Академик РААСН д.т.н., профессор В.П. Селяев САРАНСК -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД

1.1 Нормативные методы расчета железобетонных конструкций 1.2 Вероятностные методы расчета железобетонных конструкций 1.3 Методы оценки и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций 1.4 Методы повышения долговечности железобетонных конструкций 1.5 Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ

БЕТОНОВ 2.1. Прогнозирование долговечности бетонных изделий при развитии механизма коррозии первого вида 2.2. Показатели химического сопротивления при коррозии второго вида 2.3. Кислотная коррозия 2.4. Сульфатная коррозия 2.5 Выводы

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСРУКЦИЙ МЕТОДОМ

ДЕГРАДАЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ

4.1 Прогнозирование долговечности бетонных изделий методом деградационных функций 3.2 Применение метода деградацонных функция для оценки долговечности железобетонных конструкций 3.3 Оценка долговечности железобетонных изгибаемых элементов методом деградационных функций 3.4 Выводы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Анализ статистической изменчивости прочности бетона железобетонных колонн 4.2 Результаты статистического анализа изменчивости геометрических параметров колонн 4.3. Статистическая оценка расчетно - конструктивных параметров железобетонных плит 4.4 Результаты определения геометрических параметров плит перекрытий 4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1 Определение обеспеченности несущей способности железобетонных внецентренно сжатых элементов 5.2 Анализ надежности железобетонного сжатого элемента 5.3. Оценка влияния изменчивости расчетных параметров на надежность колонн 5.4 Определение величины несущей способности с заданным уровнем надежности 5.5. Исследование изменения области безотказной работы колонны 5.6. Оценка долговечности железобетонной внецентренно-сжатой колонны 5.7 Вероятностная оценка долговечности изгибаемых элементов 5.8 Моделирование работы пластинок взаимодействующих с агрессивной средой 5.9 Выводы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

В процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды: силовых, физических, химических, техногенных и т.д. Учет воздействия данных факторов на работу конструкции осуществляется путем введения различных коэффициентов запаса.

Данные коэффициенты не отражают в полной мере реальную работу конструкции, а зачастую не учитывают механизм изменения свойств материала под действием агрессивных сред. Известно, что под действием химическиактивных веществ свойства материала изменяются, причем данное изменение происходит неравномерно по объему образца. Расчет долговечности и надежности конструкций должен учитывать динамику процессов протекающих в материале под действием агрессивных сред. Для этого должны быть определены основные характеристики сопротивления бетонов действию химически-активных веществ и определен механизм взаимодействия материала со средой.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что значения расчетно-конструктивных параметров конструкций, а так же величины внешних воздействий носят случайный характер, т.е. отклоняются от средних значений, обычно принимаемых в расчетах. Можно утверждать, что метод, достоверно отражающий работу конструкции, должен в большей степени базироваться на методах теории вероятности. Следовательно, наличие достоверных статистических характеристик расчетно-конструктивных параметров и факторов окружающей среды является необходимым условием для вероятностного расчета конструкций.

Для более точной оценки долговечности и повышения безопасности при эксплуатации, расчет конструкций должен отражать их реальную работу при совместном действии нагрузки и агрессивной среды, а так же учитывать случайный характер величин принятых в расчете.

Поэтому создание вероятностного метода расчета железобетонных конструкций, учитывающего воздействие различных факторов и достоверно отражающего реальную работу конструкции, является актуальной задачей.

Цель работы:

Целью данной работы являлась разработка методики расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанной на вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций с учетом деградации материала конструкционных элементов под действием агрессивных сред - установить основные характеристики химического сопротивления бетонов (полимерных, цементных) действию агрессивных сред; разработать методику идентификации основных параметров деградации по экспериментальным данным, полученным методом микроразрушений (методом микротвердости, склерометрии) - экспериментальным методом определить статистическую изменчивость конструкционных параметров железобетонных и полимербетонных элементов - методами статистического моделирования произвести анализ работы конструкционных элементов резервуаров с учетом действия агрессивных сред, оценить изменение надежности конструкции во времени и изучить влияние статистической изменчивости конструкционных параметров на долговечность железобетонных конструкций.

Научная новизна:

- Предложена методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

химического сопротивления цементных и полимерных композитов действию сульфатных растворов, необходимые для моделирования деградации и расчета долговечности железобетонных конструкций;

- обоснована вероятностная модель для прогнозирования и оценки, долговечности, надежности железобетонных конструкций, учитывающие статистическую изменчивость расчетных параметров и кинетику деградационных процессов.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе 7 работа в журнале по Перечню ВАК МОиН РФ.

идентификацией и верификацией построенных моделей, сопоставлением результатов численного моделирования с рядом экспериментальных данных; а также с результатами некоторых теоретических исследований, полученных другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на ежегодно проводимой научно-практической конференции «Огаревские чтения» (Саранск, 2006-2012 гг.);

- на международной конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск, 2006-2012 гг.);

- на международной конференции «Science and Education» (Германия, Мюнхен, 2012 г.);

- на конференции «Science, Technology and Higher Education» (Westwood, Canada 2013 г.);

- на семинарах кафедры строительных конструкций МГУ им. Н.П. Огарева (2006-2012 гг.).

Объем работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения в виде основных выводов по результатам диссертационной работы, списка использованной литературы из 126 наименований. Общий объем составляет страницы, содержит 50 рисунков, 22 таблицы, 14 приложений.

На защиту выносятся:

- методика расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанная на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды;

- обоснование выбора параметров химического сопротивления бетона, необходимых для расчета долговечности железобетонных конструкций;

- методика экспериментального определения численных значений параметров деградации;

- вероятностная модель для прогнозирования и оценки долговечности и надежности железобетонных конструкций, основанная на применении деградационных функций и экспериментальных данных о статистической изменчивости расчетных параметров.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С

УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД

1.1 Нормативные методы расчета железобетонных конструкций Нормативные методы расчета железобетонных конструкций формировались на основе работ Н.С. Стрелецкого, А.Ф. Лолейта, А.А. Гвоздева, С.С. Давидова, В.В. Михайлова, В.И. Мурашева, П.П. Пастернака Я. В. Столярова, О. Я. Берга, В.М. Бондаренко, А.С. Залесова, Н.И. Карпенко, В.Н. Байкова и др.

Расчет конструкций, в том числе железобетонных, производится с целью обеспечения их безотказной, надежной работы в процессе эксплуатации. Задача это достаточно сложная, так как механические свойства материала, геометрические размеры элементов, внешние воздействия и нагрузки, являются случайными величинами [49,37]. Поэтому основное расчетное условие принято записывать в виде неравенства:

где Smax – наибольшее (предельное) значение усилия от внешних воздействий в элементе; Rmin – наименьшее значение усилия, характеризующего сопротивление элемента.

Анализом многочисленных экспериментальных данных [57, 39, 83] установлено, что кривые статистического распределения функций S и R имеют нормальный характер. Тогда условие безотказной работы элемента конструкций можно представить в виде графиков:

На рисунке 1.1 Sm и Rm – математическое ожидание усилий S и R; s и r – соответствующие среднеквадратические отклонения; z – зона надежности, которую предлагается определять по формуле:

Rmn и Smn – соответствующие характеристические значения равные:

Так как распределение функций Rmn и Smn подчиняются закону близкому к нормальному, то распределение функции z будет также нормальным. Тогда характеристика вероятности безотказной работы элемента будет определяться функцией вида:

Выражение (1.5) применяют при отсутствии стохастической связи между величинами R и S и в литературе принято называть индексом Стрелецкого, характеристикой безопасности или гауссовским коэффициентом надежности.

Многочисленные данные обследований свидетельствуют, что значение коэффициента = 2,8 4,0 соответствует вероятности безотказной работы Pk = 99,7499,99%.

Современная нормативная база по расчету железобетонных конструкций СП 52-101-2003 не готова к применению вероятностных методов в практике проектирования, в основном из-за недостаточного количества экспериментальных данных по статистической изменчивости расчетных параметров. Поэтому на практике для железобетонных конструкций применяют метод расчета по предельным состояниям, который основан на полувероятностном подходе [70, 58, 56, 57].

Под предельным состоянием (отказом) понимается любое нарушение нормативных требований, которое способно привести конструкцию в состояние опасное для эксплуатации.

Эволюция расчетных методов происходила от рассмотрения предельного состояния конструкции в точке (метод расчета по допускаемым напряжениям), к анализу предельного состояния в сечении (метод расчета по разрушающим усилиям) к полувероятностному методу расчета по предельным состояниям и к развивающемуся методу предельного равновесия, в котором рассматривается предельное состояние в объеме конструкции [70, 56].

Метод расчета по допустимым напряжениям или метод «упругого железобетона» основан на фундаментальных принципах механики твердого тела [70]. Применяется в отдельных случаях до сих пор. Расчет на кручение производится еще по данному методу, некоторые положения используются также при расчете предварительно напряженных железобетонных конструкций на трещиностойкость наклонных сечений.

При расчете по методу допустимых напряжений принимается ряд предпосылок, к которым относятся: гипотеза плоских сечений (Бернулли);

выполнение закона Гука для бетона сжатой зоны; не учитывается работа бетона на растяжение; под действием внешних сил арматура принимает на себя напряжения, в раз большие, чем бетон; площадь сечения арматуры можно заменить эквивалентной площадью сечения бетона и рассматривать сечение железобетонного элемента как однородное составленное из материала с одним модулем упругости [70].

Рассматриваемый метод обладает рядом существенных недостатков:

1. Не учитываются пластические свойства бетона. Модуль упругости бетона принимается за постоянную величину, тогда как на самом деле зависит от величины напряжений, состава, возраста бетона и других трудно учитываемых факторов.

2. Не учитывается работа бетона в пределах растянутой зоны.

3. Не позволяет определять действительных напряжений в бетоне и арматуре, находить разрушающую нагрузку, правильно назначать коэффициент запаса Метод расчета конструкций по разрушающим усилиям основан на следующих положениях[70]:

1. Расчет элементов производится по стадии разрушения (стадия 3) в предположении, что бетон в сжатой зоне н арматура уже достигли пластического состояния, но совместная работа бетона и стали еще не нарушена.

2. Учитываются упругопластические свойства железобетона. Эпюра сжимающих напряжений в бетоне принята прямоугольная вместо первоначальной криволинейной, что приводит к незначительной погрешности (не более 2%) в определении величины разрушающего момента.

3. В растянутой зоне (при изгибе) прочность бетона также не учитывается.

4. Расчет по этому методу связан с определенным общим коэффициентом запаса прочности k, под которым понимается отношение разрушающего усилия в элементе к усилию, действующему в нем в стадии эксплуатации ( k ).

Метод расчета по разрушающим усилиям дает более полно представление о действительной работе железобетона, позволяет более правильно использовать прочностные и деформативные свойства материалов и в ряде случаев позволяет получить более экономичные конструктивные решения.

использование единого коэффициента запаса, в связи с чем, не могут быть явно учтены возможные отклонения фактических значений нагрузок, прочностных характеристик материалов, размеров сечений и пр. от расчетных значений. Кроме того, метод расчета по разрушающим усилиям позволял определять только несущую способность конструкции.

Основными отличиями метода расчета по предельным состояниям от прежних являются четкое установление предельных состояний конструкции и введение системы расчетных коэффициентов взамен общего коэффициента запаса прочности.

Конструкция достигает предельного состояния тогда, когда дальнейшее ее использование невозможно из-за достижения предела несущей способности, потери устойчивости формы либо положения или появления недопустимых состояний: первая - по несущей способности; вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации [89]. Первая группа предельных состояний включает:

расчет по прочности, на изгиб, на выносливость и т.д. [55].

перемещения, образование и ширину раскрытия трещин и т.д.

При расчете конструкций по предельным состояниям основное расчетное условие имеет вид:

где Su – предельное расчетное усилие в сечении элемента от внешних нагрузок; Ru – предельное расчетное усилие воспринимаемое материалом элемента; f, n, f, cf – коэффициенты надежности, учитывающие: изменчивость нагрузок (F), назначение здания, сочетание нагрузок, обоснованность расчетной схемы; bm, bmi, bm, cr,– коэффициенты надежности: по материалам, условиям работы, сочетаний материалов, формы и размеров сечения, - процент армирования.

К недостаткам метода предельных состояний можно отнести следующее:

Надежность конструкций при проектировании обеспечивается путем введения частных коэффициентов запаса – коэффициент надежности по нагрузке, по материалу, коэффициентов условия работы, коэффициентов надежности по назначению, величина которых не имеет достаточного теоретического и экспериментального обоснования [62].

2. В методе предельных состояний деформационный расчет практически отделен от прочностного, причем если в прочностном расчете материал предполагается в пластичном состоянии, то в деформационном расчете этот же материал предполагается упругим [48].

Последним недостатком метода предельных состояний не обладает метод, конструкции. Рассмотрим основные положения метода предельного равновесия на примере плиты опертой по контуру.

Плиту в предельном равновесии рассматривают как систему плоских звеньев, соединенных друг с другом по линиям излома пластическими шарнирами, возникающими в пролете по биссектрисам углов и на опорах.

При различных способах армирования плиты составляются уравнения работ внешних и внутренних сил на перемещениях в предельном равновесии и определяются изгибающие моменты от действующей нагрузки.

1.2 Вероятностные методы расчета железобетонных конструкций.

Применяемый в настоящее время при расчете конструкций метод предельных состояний не позволяет оценивать надежность конструкций и тем более проектировать их с заданным уровнем надежности. Основным расчетным требованием этого метода является сравнение расчетных значений нагрузки и несущей способности, т.е. мы не можем получить ответ на вопрос о том, какова вероятность безотказной работы конструкции в данный промежуток времени [58].

Дальнейшее развитие теории расчета железобетонных конструкций связано с применением методов расчета, основанных на теории вероятности. Наиболее последовательно методы теории вероятности рассмотрены в работах В. В.

Болотина [10 - 15], где показана возможность применения теории случайных процессов к решению многих задач теории надежности.

Вероятностные методы расчета железобетонных конструкций базируется на следующих принципиальных положениях [62]. Основная часть исходных расчетных данных представляется в виде случайных величин с заданными кривыми распределения. Исходя из установленных детерминированных зависимостей между прочностными факторами и параметрами нагрузки, определяется разность S между приведенной прочностью R и приведенной нагрузкой Q (выраженных в одних и тех же единицах), и для этой разности строится кривая распределения; вероятность того, что будет иметь положительное значение, представляет собой величину обеспеченности или надежности, которая должна быть достаточно близкой к единице.

В настоящее время большинство задач теории надежности строительных конструкций еще только поставлено и не получило необходимого для практики решения. Разработка этих задач представляет собой важную и актуальную проблему. При решении задач надежности принято использовать следующую терминологию.

В ГОСТ 13377-75 – «Надежность в технике. Термины и определения», определено следующее понятие надежности - свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей. В более узком понимании надежность - это мера сохранности необходимых свойств сооружения или объекта и способность противостоять случайным факторам различного рода, нарушающим эти свойства.

Надежность – комплексное свойство, которое включает безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Показатель надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта (показатель прочности, устойчивости, прогибов и т.п.).

Основной количественной характеристикой надежности строительной конструкции является вероятность безотказной работы и срок службы с нормативной обеспеченностью [3, 90].

Структурная надежность – вероятность безотказной работы системы, рассчитанная по структурной схеме надежности и статистическим параметрам;

отражает деление системы на элементы и влияние их отказов на надежность системы [3].

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение срока эксплуатации [3].

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданного срока службы отказ конструкций не возникнет [3].

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта [3].

Отказ – событие, влекущее за собой потерю работоспособности объекта.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует нормативным требованиям [3, 90].

Эксплуатационная надежность любой строительной конструкции – понятие комплексное, многокомплексное. С точки зрения существования сооружения в поле действия совокупности ряда факторов, требование к уровню эксплуатационной надежности может быть сформулировано следующим образом:

конструкция должна противостоять (заданным нормами уровнем надежности) воздействиям многочисленных эксплуатационных и строительных нагрузок, воздействиям среды в возможных комбинациях, и сохранять при этом расчетную работоспособность в течение расчетного срока службы [3].

Для расчета надежности сооружений используются методы теории вероятности и математической статистики [3].

Анализ литературных источников в области надежности строительных конструкций показывает, что метод расчета по предельным состояниям в проектировании и расчетах оправдывает себя [58, 62, 39, 63, 19, 9]. Большая часть научных изысканий проводится в области совершенствования существующего метода расчета [3]. Условно можно выделить следующие направления: способ более строгого обоснования существующих коэффициентов, обеспечивающих надежность спроектированной конструкции; способы расчета вероятности безотказной работы; реструктуризация существующих норм проектирования.

Все показатели надежности, которые могут быть использованы при формулировании нормативных требований к строительным конструкциям, представляют функции вероятности отказа за какой-либо промежуток времени.

Условие отказа математически выражается неравенством [56]:

где R и Q – случайные величины с заданными законами распределения.

Q – усилие от внешних силовых и других воздействий; R – несущая способность выраженная в тех же единицах.

Вероятность отказа есть реализация неравенства;

где Pf – вероятность отказа;

Prob – вероятность реализации события;

FR – функция распределения вероятности величины R;

fQ – площадь распределения вероятностей величины Q.

Вопрос заключается в способе определения вероятности отказа, подходах учета изменения свойств конструкций и материала во времени.

Разработаны различные методы определения надежности конструкций с использованием вероятностного подхода и их оценка.

Если несущая способность R и усилие от нагрузки Q распределены по нормальному закону, то интеграл (1.6) выражается через интеграл вероятностей:

Q - средние значения R и Q; sR и sQ – стандартные отклонения величин R и Q.

В случае нелинейной функции работоспособности g g x1, x2..., xn, где g=RQ – можно применить метод статистической линеаризации, основанный на разложении в ряд Тейлора нелинейной функции в окрестности приближенного положения центра распределения случайного вектора x1, x2..., xn. Формула для приближенного вычисления неизвестных параметров нелинейной функции независимых случайных коэффициентов записывают в виде:

иррационального подхода в вычислениях. Допускает включение в алгоритм расчета данных об изменении свойств материала во времени.

Недостатки. Ограниченность применения вследствие невозможности использования при распределении случайных величин, отличных от нормального или логнормального распределения.

Если случайные величины распределены не по нормальному закону, теоретически можно предложить такое их преобразование, чтобы привести их распределение к нормальному (метод первого приближения). Однако, точное решение здесь возможно только для законов производных от нормального. В остальных случаях преобразование представляет собой аппроксимацию исходных законов нормальным. Эта аппроксимация должна выполняться на границе области отказа (точка подгонки) с максимальной плотностью распределения исходных величин, так как в окрестности этой точки сосредоточены наиболее вероятные ее значения.

Алгоритм расчета основан на постепенном итерационном приближении координат точки подгонки до тех пор, пока не окажется, что аргумент функции определения безотказной работы равен индексу надежности. Что означает минимальную погрешность в линеаризации.

Преимущества. Универсальность и простота алгоритма. Здесь с автором можно не согласиться: при достаточно большом количестве исходных данных и рассмотрении процесса во времени необходимо применение к расчету ЭВМ, в противном случае расчет займет слишком много времени.

Недостатки. Функция g, определяющая область отказа, должна быть непрерывно дифференцируемой и гладкой. При кусочной границе области отказа требуются дополнительные меры усложняющие расчет.

Третий метод основан на вероятности отказа по частоте события Q>R, для этого производится достаточно большое число испытаний по системе Бернулли, т.е. на каждом испытании генерируются случайные реализации всех исходных величин. Выполняется детерминированный расчете Q и R, при - Q>R – исход считается отказом. Частота появления отказа рассматривается как его вероятность.

p – частота появления отказа;

k – число отказов;

m – общее число испытаний;

Pf – вероятность появления отказа.

Метод требует обязательного анализа близости частоты появления отказов к вероятности отказа, которая зависит от общего числа испытаний m. Известные методы такого анализа основываются на теоремах Бернулли, Хинчина, Линдсберга-Леви. Однако основным вопросом остается общее число испытаний, при котором можно пользоваться этими теоремами в свете оценки достоверности полученных результатов.

Преимущества. Простота и универсальность в решении определенного типа задач. Возможность оценки достоверности полученных результатов.

Недостатки. При необходимости проведения большого числа испытаний и сложности детерминированного расчета колоссальный ресурс машинного времени, что делает метод неэффективным.

Более совершенной формой этого метода является метод Монте-Карло, получивший широкое распространение.

моделируется ее реализация Qi и определяется значение функции распределения величины R при аргументе Q. Затем определяется среднее из всех значений по всем проведенным испытаниям. В случае, ели величина Q зависит от нескольких случайных аргументов, то на каждом испытании моделируется значение каждого аргумента. Если и величина R зависит от нескольких аргументов, то ее функция распределения должна быть получена заранее аналитически, либо путем статистической обработки результатов математического и физического моделирования.

В [58] приведен пример использования метода Монте-Карло. Для нахождения доверительного интервала вероятности безотказной работы использую критерий Стьюдента.

Преимущества. Повышенная эффективность по сравнению с предыдущим методом.

Недостатки. В многомерном случае одна из функций распределения величин R и Q должна быть заранее задана. Кроме того, анализ точности и достоверности результата приходится выполнять с использованием распределений получаемой оценки, а не искомой вероятности как в предыдущем методе.

Усовершенствование метода Монте-Карло состоит в формировании стратифицированной выборки на нужных классовых интервалах с заданным объемом классовых выборок. Преимуществом такого подхода является высокая эффективность в использовании машинного ресурса, недостатком – более сложная процедура формирования выборки.

1.3 Методы оценки и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций.

Долговечность – один из важнейших показателей качества строительных конструкций. Длительное время считалось, что бетонные и железобетонные конструкции имеют неограниченную долговечность и даже более того, прочность бетона конструкций, а, следовательно, долговечность со временем увеличивается.

Однако оказалось, что улучшение показателей качества бетона происходит лишь при определенных влажностных и температурных условиях. В большинстве случаев железобетонные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются агрессивным воздействиям, и разрушаются. Нормативная долговечность строительных конструкций может быть обеспечена путем применения специальных материалов, защитных покрытий или особых конструктивных решений. Данные обследований показывают, что железобетонные конструкции, запроектированные без учета требований долговечности, могут прийти в аварийное состояние в течение 5-10 лет и раньше. Известно много примеров, когда железобетонные конструкции разрушились через 10 лет, а иногда и через года.

Практика эксплуатации показала, что каждый материал, изделие имеет определенную долговечность, которую необходимо уметь рассчитывать. Однако до сих пор нет теоретических методов расчета, оценки и прогнозирования долговечности строительных конструкций работающих при совместном действии силовых факторов и агрессивных сред. В то же время нормативными документами предусматривается оценка состояния конструкций в процессе эксплуатации. Например, в СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» 1996 г. в пункте 1.10 основные расчетные требования сформулированы следующим образом: «… Расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать конструкции от: … от разрушения под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды…)». Из этого следует, что расчет железобетонных конструкций на совместное воздействие силовых факторов и агрессивной среды должен производиться. При этом предлагается (п. 2.13), условия работы учитываются с помощью коэффициентов условий работы bi.

В этом же СНиПе (п. 6.2, 6.12) предлагается проводить поверочные расчеты существующих конструкций при обнаружении дефектов и повреждений в конструкциях с целью установления, обеспечивается ли несущая способность и пригодность к нормальной эксплуатации в изменившихся условиях; а так же проверять сечения, в которых «… при натурных обследованиях выявлены зоны бетона, прочность которых меньше средней на 20% и более». Здесь же отмечается, что «учет дефектов и повреждений производится путем уменьшения вводимой в расчет площади сечения бетона и арматуры».

В СНиПе 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» в п. 9.3.6. также отмечается, что «при проведении поверочных расчетов должны быть учтены дефекты и повреждения конструкций, выявленные в процессе натурных обследований: снижение прочности, местные повреждения или разрушения бетона, обрыв арматуры …» и т.д. Но при этом не учитывается, что изменение прочности бетона может происходить неравномерно в пределах поперечного сечения элемента, снижение прочности бетона развивается во времени.

Приведенные нормативные требования не дают четкого представления о том, какие модели поперечного сечения должны рассматриваться, если под действием агрессивной среды происходит снижение прочности бетона и арматуры [47].

В СНиП 2.03.11-85 «

Защита строительных конструкций от коррозии»

сформулированы требования к материалам (бетону и арматуре) конструкций, работающих в условиях агрессивных сред. Предлагается бетон железобетонных конструкций зданий и сооружений с агрессивными средами принимать марки по водонепроницаемости W4 и выше. В то же время в п. 2.17 предлагается «расчет железобетонных конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред, производить по СНиП 2.03.01-84 с учетом настоящих норм по категории требований к терщиностойкости и предельно-допустимой ширине раскрытия трещин».

В СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» отмечается, что «Для сильно поврежденных конструкций (при разрушении 50% и более сечения бетона или 50% и более площади сечения арматуры) элементы усиления следует рассчитывать на полную действующую нагрузку», т.е. при 50% потере несущей способности конструкцию следует заменить. Однако ни в СНиП 2.03.01-84, ни в СП 63.13330.2012, ни в СНиП 52-01не предложены расчетные модели, учитывающие деградацию бетона и арматуры при эксплуатации конструкций в агрессивных средах. Поэтому проблема оценки долговечности бетонных и железобетонных конструкций является актуальной.

Долговечность конструкций зависит от характера ее взаимодействия с агрессивными факторами окружающей, который описывается посредством моделей внешних воздействий. Под внешним воздействием здесь понимается действие нагрузок, климатические, агрессивные и другие воздействия и их сочетания.

В настоящее время можно выделить следующие методы прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основы которых изложены в работах В.М. Бондаренко [18, 20, 22, 16, 21, 17, 19], Ю.М. Баженова [6, 7], С. Н.

Алексеева [2], В.И. Бабушкина [5], В.М. Москвина [44, 43], Е.А. Гузеева [29], Ш.М. Рахимбаева [60, 59], С.Н. Леоновича [96, 37, 36], зарубежных ученых [98 – 103, 105, 106, 109, 111 – 115, 118, 119, 122 - 126].

Общий метод, основан на применении экспертных оценок, которые базируются на коллективном опыте и знаниях, полученных путем лабораторных и производственных испытаний конструкций и материалов, а также специальных исследований [35, 71, 69].

Данный подход допускает, что отобранная железобетонная конструкция будет иметь ожидаемый срок службы, так как предполагается, что если железобетонная конструкция выполнена в соответствии с требованиями норм и стандартов, то её требуемый срок службы будет обеспечен.

Такой прием дает соответствие теории с практикой в тех случаях, когда срок службы невелик или если условия окружающей среды не являются агрессивными по отношению к материалу конструкции, или имеют стационарный характер. Но этот подход не даёт ожидаемых результатов в случае, когда необходимо решить проблему прогнозирования срока службы железобетонных конструкций для отрезка времени, превышающего пределы опыта или знания;

если рассматривается изменяющаяся окружающая среда; когда используются новые виды бетона и арматуры, а информация о длительном их применении ограничена.

Метод прогнозирования, основанный на сравнении эксплуатационного качества. Он построен на предположении, что если железобетонная конструкция была долговечной для определенного времени, то и аналогичная конструкция, находящаяся в подобных условиях, будет иметь тот же срок службы.

Ограниченность метода состоит в том, что любая железобетонная конструкция обладает определённой уникальностью из-за вариаций свойств материалов, геометрий и конкретной практики строительства или изготовления. Кроме того, составы бетонных смесей и свойства применяемого бетона или арматуры не остаются неизменными во времени [37].

Метод ускоренных испытаний. В тех случаях, когда нет опыта и знаний в отношении сопротивления воздействиям для новых материалов или конструкций, проводятся ускоренные возрастные испытания. Чтобы оценить срок службы новых материалов или конструкций, было сделано допущение, что число циклов ускоренных испытаний несет некоторый вид зависимости от срока службы в действительных условиях. Сравнивая скорость изменения эксплуатационного качества материала при этих испытаниях с тем же параметром, полученным при долговременных испытаниях в реальных условиях, можно было оценить срок службы новых материалов или конструкций.

Важное требование для использования ускоренных испытаний состоит в том, что деградационные механизмы в них должны быть такими же, как и при эксплуатации.

Если деградационный процесс при соответственно пропорциональной скорости деградации одного и того же механизма одинаков для ускоренных по времени испытаний и долговременных испытаний в эксплуатационных условиях, коэффициент ускорения К может быть подучен из:

где RAT - скорость деградации в ускоренных испытаниях; RCT -скорость деградации при долговременных испытаниях в эксплуатационных условиях.

Наибольшей трудностью в использовании такой методики прогнозирования срока службы является получение обеспеченных данных о параметрах эксплуатационного качества за длительный отрезок времени, что приводит к необходимости развивать зависимости выраженные через К.

Метод подучил приложение к оценке долговечности конструкций при действии на них только отдельных факторов.

Методы математического моделирования, основанные на физике и химии деградационных процессов. Ключевым вопросом здесь является знание закономерностей снижения эксплуатационного качества, то есть изменения основных свойств материалов и характеристик конструкций. В рамках детерминированного подхода для оценки долговечности получил развитие диаграммный метод расчета сечений железобетонных элементов, 8 котором используются трансформированные значения главных параметров диаграмм деформирования бетона и арматуры [35, 37].

Известны методы, в которых используются практические приложения теории надёжности, стохастических распределений и методов математической статистики. Одним из подходов при разработке расчетных моделей долговечности является оценка условной надежности, при которой характеристики прочности сечений и действующие на конструкцию нагрузки рассматриваются как случайные величины. При этом снижение несущей способности в период эксплуатации конструкции условно заменяется понятием статистической изменчивости расчетных параметров.

В соответствии с другим подходом вероятность безотказной работы в период эксплуатации подчиняется статистическим закономерностям, характерным для данного объекта. Они должны быть найдены по результатам статистической обработки большого объема информации об эксплуатационных отказах изучаемых объектов. Основным препятствием в реализации данного подхода является ограниченность объема информации об отказах [13, 83, 96, 4].

Методы механики разрушений получили развитие в последние 5-10 лет.

Новая тенденция к оценке долговечности железобетонных конструкций, основана на применении практических аспектов механики разрушений и метода конечных элементов (МКЭ) [121].

аналитических методов механики сплошного тела к задачам сопротивления железобетонных конструкций коррозионным воздействиям. Метод эффективен в тех случаях, когда не удается выяснить общую схему разрушения конструкции, и когда возможности метода предельных состояний ограничены.

Точность оценки долговечности строительных конструкций во многом зависит от правильности выбора модели, которая должна адекватно описывать влияние агрессивной среды на процессы, протекающие в структуре материала.

Количественная оценка процессов протекающих в структуре материала под действием агрессивной среды осуществляется путем введения специальных функций, учитывающих суммарный эффект от различных воздействий. В зависимости от вида описываемых параметров выделяют деградационные модели и модели эксплуатационного качества [56].

К деградационным моделям относятся математические выражения, которые описывают увеличение во времени уровня деградации вследствие накопления повреждений при изменении соответствующих расчётных параметров [56].

Деградационную модель можно представить в виде:

железобетонных конструкций и окружающей среды, t – возраст конструкции.

Математическое выражение, показывающее снижение эксплуатационного качества, как функцию времени и расчётных параметров, называется моделью эксплуатационною качества. Модель эксплуатационного качества имеет вид:

где P - среднее эксплуатационного качества.

Оба типа моделей могут быть рассмотрены на уровне материалов, конструктивных элементов или сооружения в целом.

Выбор модели деградации, ввиду сложности процессов протекающих в структуре материалов, является непростой задачей. На современном этапе развития наиболее широкое распространение получили модели деградации, основанные на кинетической, физико-статистической и феноменологической концепции [77].

Феноменологический подход основан на применении закономерностей, полученных в физических опытах при исследовании деформирования и деградации материалов в агрессивных средах с использованием известных моделей разрушения конструкционных материалов, которые кроме механических, включают и физико-химические параметры. Основная трудность при использовании феноменологического подхода заключается в выборе параметров расчетной модели и построении уравнений, описывающих их изменение и взаимосвязь [46, 77, 85].

В кинетическом методе, разрушение рассматривается как развивающийся во времени, под действием механических напряжений, тепла, химических и физических активных сред, постепенный термоактивный процесс накопления повреждений. Недостатком данного метода является то, что он не учитывает физической и статистической природы явлений [46, 61, 45, 53].

Модели деградации, наиболее полно описывающие не только кинетику процессов деградации, но и их влияние на изменение упруго-прочностных свойств по поперечному сечению рассчитываемого элемента, жесткости и несущей способности, предложены в работах [85]. Данная модель основана на методе ускоренных испытаний и методе математического моделирования физикохимических процессов взаимодействия агрессивной среды с материалом конструкции.

В основе метода лежат следующие положения.

Общий вид деградационной функции представляется выражением:

где t – время; T – температура; – напряжение; с – концентрация агрессивной среды; h – геометрическая характеристика; и а - параметры деградации.

распределения агрессивной среды, напряжений по площади поперечного сечения и учитывая связь между различными деградационными функциями:

Основные типы деградации представляются в виде феноменологических моделей. Феноменологические модели, представляющие эпюры модуля упругости или прочности по высоте поперечного сечения, в зависимости от вида изохрон деградации могут быть линейными и нелинейными, симметричными и несимметричными (рис. 4.1).

К достоинствам данного метода можно отнести следующее:

1. Возможность описания изменения упруго-прочностных свойств по высоте сечения, жесткости и несущей способности элемента или изделия во времени в зависимости от вида деградации.

2. Учитывается влияние на долговечность размеров поперечного сечения, вида напряженно-деформированного состояния.

3. Простота применения. Функции деградации могут быть выражены через одну базовую деградационную функцию, определение которой наиболее доступно и достоверно.

Основной особенностью расчета долговечности конструкции является введение фактора времени. Что позволяет выразить долговечность элемента подверженного влиянию внешних агрессивных воздействий окружающей среды как функцию от времени.

Согласно [17] при математической формулировке задачи прогнозирования долговечности железобетонных конструкций традиционно используются два подхода: детерминистский и вероятностный.

В детерминистской постановке проблемы долговечности распределения усилия (нагрузки) S и сопротивления R игнорируются, поэтому статистическая природа S и R учтена ограниченно. Нагрузка, сопротивление и срок службы используются в детерминированных величинах, и их распределения, которые выражают связь между случайными величинами и частотой их появления или повышения, не рассматриваются.

Основная формулировка расчёта долговечности может быть записана в терминах эксплуатационного качества или срока службы. Здесь к S(tg) относятся любые воздействия: механические (нагрузка), физические и химические; к R(tg) соответствующие сопротивления конструкции этим воздействиям. S(tg) и R(tg) могут быть представлены средними, характеристическими или расчетными значениями. Согласно принципу эксплуатационного качества расчётная формула записывается в виде:

где tg – заданный (назначенный) срок службы.

Модели долговечности в составе S(tg) и R(tg) наиболее часто выражаются через параметры непосредственно конструкции, материалов и окружающей среды и показывают потерю эффективного поперечного сечения или снижение свойств материалов в течение времени эксплуатации. Модели долговечности задаются таким образом, что бы выполнить условия (1.9). Расчетная формула может быть записана в следующем виде:

где tL – функция срока службы.

Расчёт долговечности железобетонных конструкций тогда выполняется выбором подходящей комбинации величин для расчетных параметров таким образом, чтобы выполнялись условия (1.9 и 1.10).

Особенностью вероятностных методов расчета долговечности по сравнению с детерминированными состоит во введении дополнительных условий, учитывающих неблагоприятную ситуацию, заданную с определенной вероятностью. Расчетные формулы записываются на основе уравнений регрессии, которые учитываю возможность распределения этих факторов.

Основные параметры, определяющие долговечность, резерв несущей способности и интенсивность износа с течением времени, используются с вероятностными характеристиками, которые изменяются с течением времени [40].

Наиболее простая математическая модель, связывающая вероятность разрушения и срок службы, включает переменную нагрузку S и переменную сопротивления R, которые в принципе могут быть любого количества и могут быть выражены в любых единицах. Вероятность безопасной работы определяется через стохастические свойства системы «усилие» - «сопротивление». Если S и R независимы от времени, событие разрушения может выражаться как:

Вероятность разрушения Pf теперь определяется как вероятность такого разрушения:

Если срок службы известен и безопасность (надежность) оценивается в момент его завершения, то Л и S можно рассматривать как случайные независимые величины с законами распределения» выявленными в конце этого срока.

Сопротивление R и нагрузка S, а, следовательно, и вероятность разрушения, являются величинами, зависящими от временя или случайными функциями во времени.

эксплуатационного качества и принципам срока службы тем же способом, что и в детерминированном расчетном методе с добавлением условия о максимально приемлемой вероятности разрушения; вероятность того, что, согласно принципам эксплуатационного качества, сопротивление железобетонной конструкции будет меньше, чем нагрузка, и вероятность завершения срока службы должна быть меньше, чем допустимая вероятность разрушения.

Условие выражается как:

где Pftg – вероятность разрушения железобетонной конструкции с tg и Pf – максимально возможная вероятность разрушения.

Эта задача может быть решена, если известны распределения нагрузки и сопротивления.

Использование стохастических методов предполагает, что должны быть приняты определенные предпосылки в отношении форм распределении.

Типы распределений, которые могут быть применены для оценки срока службы или эксплуатационного качества, включают:

а) нормальное (Гаусса) распределение; б) логнормальное распределение; в) экспоненциальное распределение; г) распределение Вейбулла; д) гаммараспределение.

1.4 Методы повышения долговечности железобетонных конструкций.

Повышение сопротивляемости железобетонных конструкций воздействию факторов агрессивной среды достигается: выборам соответствующих материалов обладающих требуемыми характеристиками; специальными конструктивным решениями; приемами защиты от неблагоприятных внешних воздействий;

технологическими мероприятиями при изготовлении, возведении или реконструкции сооружения; контролем качества.

С точки зрения удовлетворения требований долговечности стадия проектирования является определяющей. Именно на этой стадии необходимо учесть особенности работы железобетонных конструкций в конкретных эксплуатационных условиях, связанных с характером и интенсивностью воздействий: технологических и окружающей среды.

Другими факторами, которые следует принять во внимание, являются:

- назначение конструкции;

- требования к ее поведению;

- условия возведения и эксплуатации, свойства и поведение материалов, подтвержденные соответствующей экспертизой;

- форма элементов и конструктивных деталей.

В зависимости от степени агрессивности среды для предотвращения коррозионного разрушения конструкций в основном предусматриваются следующие виды защиты 1) первичная, которая заключается в выборе материала конструкции или создания его структуры с тем, чтобы обеспечить стойкость при эксплуатации;

2) вторичная, предусматривающая нанесение защитного покрытия, которое ограничивает или исключает коррозионное разрушение конструкции.

Исходными данными для проектирования защиты от коррозии являются:

1) характеристики агрессивной среды: вид и концентрация вещества, частота и продолжительность агрессивного воздействия;

2) условия эксплуатации: температура - влажностный режим в помещениях, вероятность попадания на конструкции агрессивных веществ, наличие н количество пыли, содержащей соединения солей;

3) климатические условия района строительства;

4) результаты инженерно-геологических изысканий;

5) предполагаемое изменение агрессивности среды в период эксплуатации сооружения;

6) механические воздействия на конструкцию;

7) термические воздействия на конструкцию.

К мерам первичной защиты железобетонных конструкций относятся:

1 применение материалов повышенной коррозионной стойкости; 2) применение добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона; 3) повышение водонепроницаемости бетона; 4) понижение обшей пористости бетона; 5) повышение массивности конструкций, толщины защитного слоя бетона у арматуры; снижение расчетной ширины раскрытия трещин.

Бетоны, в соответствии с СТ СЭВ 45*4-84 «Защита от коррозии в строительстве. Бетонные и железобетонные конструкции. Требования к первичной защите», как средство первичной зашиты железобетонных конструкций, должны демонстрировать большую водонепроницаемость, идентичную или меньшую общую пористости или меньшее водопоглощение чем эталон.

Вторичная защита может применяться в слабых, средних и сильно агрессивных средах.

Устройство антикоррозионных покрытий - преимущественный метод защиты железобетонных конструкций инженерных сооружении от коррозии, возникающей под действием агрессивных сред промышленных производств и грунтовых вод.

Могут применяться следующие защитные покрытия:

- лакокрасочные армированные и неармированные на основе природных н синтетических смол;

- мастичные, шпатлевочные и наливные: неорганические на основе жидкого стекла; органические; - на основе природных и синтетических смол;

- оклеечные на битумных и битумно-резиновых мастиках на синтетических клеях, асбестом на жидком стекле;

- гуммировочные;

- футеровочные и облицовочные на вяжущих, приготовленных на основе жидкого стекла, природных и синтетических смол.

Работы по устройству вторичной защиты включают подготовку поверхности старого и нового бетона и выполнение защиты (нанесение покрытий, пропитка и т.д.). Дополнительная поверхностная защита назначается в случаях, когда «резерв стойкости» бетона недостаточен для обеспечения эксплуатации железобетонного элемента в течение расчетного срока с заданной надежностью.

В соответствие с нормативными документами выбор систем покрытий производится в соответствии с табл. 1.1 Снижение требований к качеству бетона вследствие применения пропитки не допускается.

Жидкий каучук СКНа Поверхностная пропитка бетона Повышение защитных и конструкционных свойств поверхностных слоев бетона может достигаться пропиткой различными материалами.

При изготовлении сборных железобетонных элементов применяется пропитка серой, мономерами (стирол, метилметакрилат и др.) битума нанесением составов на основе петролатума или метилметакрилата.

Флюатирование рекомендуется повторять через 3-4 года. Применение для пропитки модифицированного петролатума нецелесообразно при воздействии на конструкции сильных окислителей, органических растворителей, масел и концентрированных щелочей.

В качестве материала для вторичной защиты конструкций от коррозии возможно применение стеклопластика.

Стеклопластик расчетной толщины, нанесенный на конструкцию, повышает разрушения или нарушения герметичности работать над трещинами дает возможность эксплуатировать конструкцию с трещинами шириной раскрытия до 0,3-0,4 мм вне зависимости от степени агрессивности среды.

1.5 Цели и задачи исследования прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, основанных на детерминированных и вероятностных моделях деградации армобетонных элементов, работающих в условиях действия агрессивной среды.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать детерминированные и вероятностные модели расчета и прогнозирования долговечности железобетонных конструкций с учетом деградации материала конструкционных элементов под действием агрессивных сред - установить основные характеристики химического сопротивления бетонов (полимерных, цементных) действию агрессивных сред; разработать методику идентификации основных параметров деградации по экспериментальным данным, полученным методом микроразрушений (методом микротвердости, склерометрии) - экспериментальным методом определить статистическую изменчивость конструкционных параметров железобетонных и полимербетонных элементов - методами статистического моделирования произвести анализ работы конструкционных элементов с учетом действия агрессивных сред, оценить изменение надежности железобетонных конструкции во времени и изучить влияние статистической изменчивости конструкционных параметров на их долговечность.

ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ

2.1. Прогнозирование долговечности бетонных изделий при развитии механизма В соответствие с классификацией В.М. Москвина [43, 44] все физикохимические процессы, определяющие коррозионное разрушение цементного бетона, делятся на три основных вида.

Коррозия первого вида обусловлена процессами. связанными с действием на бетон воды с малой жесткостью и водных растворов некоторых солей, способных растворять цементный камень, не вступая при этом в химическое взаимодействие. Наиболее растворимым компонентом цементного камня на основе портландцемента является гидроокись кальция.

При действии на бетон м я г к и х вод развивается процесс выщелачивания свободной гидроокиси кальция, а также образовавшейся при гидролизе трех кальциевого силиката.

При твердении цемента клинкерные минералы (алит, белит, алюминаты) в характеризующиеся различной растворимостью в воде:

где R – Na или K Как следует из уравнений химической реакции это в основном гидратные соединения алита. белита и эттрингита: 3СаO2SiO23H2O; 3CaOAl2O36Н2O;

3CaOAl2O33CaSO432Н2O, а также гидроокиси кальция, натрия, калия: Са(ОН)2, NOH, КаОН.

Последние три соединения отличаются хорошей растворимостью в воде.

При фильтрации или в потоке воды происходит вымывание гидратов окиси кальция, натрия, калия и разложение гидратированных силикатных и алюминатных минералов. Скорость выщелачивания зависит от плотности бетона, растворенных солей в воде. Присутствие в воде ионов SO4, Cl, Na, K увеличивает скорость выщелачивания СаО.

Г.С. Рояк, изучая накопление щелочей в цементном камне в процесс твердения, установил, что минералы, содержащие K2 O гидратируются более интенсивно, чем содержащие окись натрия. К месячному сроку твердения основное количество окиси калия переходит в раствор. Процесс перехода щелочей в жидкую фазу протекает особенно интенсивно при гидратации высокоаллюминатных цементов.

Экспериментально установлено, что количество Са(OH)2 в портландцементе достигает 15% от массы цемента, считая на CaO, а растворимость при обычной температуре составляет 1300 мг/л. Растворимость гидросиликатов типа 3CaO2SiO23H2O, гидроалюминатов 3CaOAl2O36H2O и других соединений кальция значительно меньше. Поэтому при действии воды на цементный камень вначале растворяется и уносится водой гидроксид кальция, что сопровождается нарушением структуры и уменьшением жесткости и прочности бетона. Когда концентрация Са(0Н)2 свободной гидроокиси кальция становится менее 1, 1 г/л начинается разложение гидросиликатов кальция и происходит вымывание получившейся гидроокиси. Примерно при такой же концентрации в растворе оксида кальция (менее 1,08 г/л) начинается гидролиз гидроалюминатов типа 4CaOAl2O313H2O. При дальнейшем уменьшение концентрации CaO в поровой жидкости до значения 0,56 мг/л начинается разложение гидроалюминатов типа:

3CaOAl2O36H2O. Длительное воздействие мягких вод на бетон может привести к полному вымыванию гидроксида кальция с разложением остальных гидратных соединений до аморфных рыхлых гидратов кремнезема, глинозема и окиси железа. Выщелачивающее действие воды зависит от вида растворенных в ней веществ. Наиболее интенсивно растворяется гидроксид кальция в мягкой воде, близкой по составу к дистиллированной. Присутствие в воде NaCl и Na2SO повышает растворимость Ca(OH)2, а наличие гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3) и магния Mg(HCO3)2 способствует уменьшению растворимости гидроксида кальция, причем тем значительнее, чем больше их в растворе. Установлено, что при потере примерно 10% СаО прочность цементного камня снижается на 10%, при потере 20% - на 25%, при потере 30% - на 50%. По мнению Ю.М. Баженова выщелачивания бетона прямо пропорциональна скорости течения воды, омывающей бетон или фильтрующей через него.

Известно, что в клинкере содержится 62-68% СаО, т.е. концентрация C=0.620.68. Растворимость гидроксида в воде (обозначим через г) 1,18 г/л 0,00118 г 6,5 ионы НСO3- - основная форма; при рН < 6, H2СO3 - основная форма; при рН > 8.4 углекислота Н2СO3 в воде отсутствует; при pH > 11 – CO32- основная форма.

Вода в которой H+, С032-, и НС03- находятся в равновесном состоянии, по отношению к цементному камню не агрессивна. В такой воде под влиянием Ca(OH)2 из цемента выделяется CaCO3, который приводит к самозалечиванию бетона. С увеличением содержания СО2 сверх равновесного вода приобретает агрессивные свойства к цементному камню бетона. Нарушение равновесного состояния возможно за счет изменения содержания углекислого газа в атмосфере.

Установлено, что вода содержащая СО до 10 мг/л по отношению к цементному бетону практически не агрессивная. Содержание СО2 в растворе больше 15 мг/л делает воду агрессивной.

Углекислотная коррозия бетона проходит в следующей последовательности ионы СО3 2- реагируя с Са2+ образуют СаСO3; ионы ОН- и Са2+ образуются за счет алюминатных минералов цементного камня; затем в результате взаимодействия угольной кислоты с карбонатом кальция образуется бикарбонат кальция который является легкорастворимым веществом.

Экспериментально установлено, что на ранней стадии карбонизации на поверхности бетона образуется плотная пленка, состоящая, в основном из CaCO3.

В этой зоне известь практически отсутствует. Значения рН в карбонизированной зоне снижается до 8,5 и ниже, что говорит об удалении из растворов катионов щелочных металлов. Карбонизация верхних слоев бетона может привести к временному повышению плотности и прочности бетона. Положительный эффект имеет место в случае, если поглощение СО2 превышает потерю связанной воды. В обратном случае происходит развитие усадочных деформации, снижение проницаемости карбонизированных слоев и образование волосных трещин.

Защитные функции бетона по отношению к арматуре нарушаются.

углекислыми соединениями являются скорость карбонизации и глубина проникновения фронта агрессивной среды. Глубинный показатель «а»

предлагается определять по формуле, которая имеет вид:

В формуле Таманна предложено k() определять из выражения:

где D’ - эффективный коэффициент диффузии (см2/с); а - координата фронта коррозии (см); С0 - концентрация агрессивной среды (%); t - время взаимодействия химически реактивных компонентов (с); m0 - концентрация гидрооксида кальция в объеме цементного камня (%).

С.И. Алексеевым [2] и Ф.М. Ивановым предложена подобная формула, учитывающая влияние водоцементного отношения В/Ц на процесс карбонизации:

где Э -химический эквивалент равный отношению масс оксида кальция М и углекислоты М2 Э mM 1 / nM 2 (m и n-стехиометрические коэффициенты уравнения реакции между оксидом кальция и кислотой); А - константа бетона равная:

содержание оксида кальция в цементе. Если принять m0=0,63; рВ = 1000 кг/м3; рЦ = 3100 кг/м3, то коэффициент А зависит только от В/Ц. Принимая В/Ц равным 0,4;

0,5: 0,6: 0.7 будем иметь соответствующие значения А: 4.8110-2;5,1410-2; 5,4110Финские исследователи предложили несколько модификаций этой формулы.

Хакинен и Паррот, исходя из анализа экспериментальных данных предложили коэффициент k() определять с учетом кубиковой прочности В (класса) бетона по формуле вида:

где Сср - коэффициент учитывающий влияние окружающей среды и принимается для конструкций закрытых от дождя равным 1 открытых - 0.7; Св коэффициент учитывающий воздухововлечение, который при открытых порах равен 1, при закрытых 0,7;

В - класс бетона;, - параметры зависящие от добавок (без добавок для портландцемента = 1800, = -1.7).

Паррот предложил определять Глубину карбонизации по формуле:

где K - проницаемость бетона воздухом при 60% относительной влажности.

Очевидно эту формулу можно привести к виду a k () D' t, предположив, что k() определяется по формуле:

Ситтерот для определения коэффициента k() предложил формулу вида:

Литературные и экспериментальные данные исследований свидетельствуют о том, что для определения глубины карбонизации а наиболее приемлема формула вида:

Углекислый газ, взаимодействуя с водой, диссоциирует с образованием НС03-1 карбонат ионов, содержание которых в воде примерно 0.08 г/дм3 С0 = 0, кг/м3. Карбонат ионы вступают в реакций с оксидом кальция, содержание которого в цементном камне 62%. Принимая содержание цемента в бетоне равным 300 кг/м3, определяем m0 = 0.62300 = 186 кг/м3.

Нормы проектирования гидротехнических сооружений (СНиП II-Н. 14-69) рекомендуют принимать коэффициент диффузии воды в бетон равным D= 510- м2/ч. Известно, что изменение концентрации кислот НСl, НNО3, в пределах 0,0001-0,1 практически не влияет на величину коэффициента с диффузии и он принимается равным соответственно 4.7-10-6 и 4,5-10-6. Поэтому при определении a по формуле 3.16 можно принять D’= 510-6 м2/ч. Тогда через 25 лет эксплуатации бетонного изделия карбонизация бетона продвинется на глубину равную:

В работах С.В. Александровского [1] экспериментально показано, что коэффициент диффузии влаги в бетоне зависит от весового водоцементного отношения В/Ц и содержания цемента Ц.

Предложена эмпирическая формула:

Тогда формула (3.16) можно записать в виде функции:

Эта формула дает возможность учесть влияние водоцементного отношения и содержания цемента на глубину карбонизации рис. 2.1, 2.2.

Зависимость коэффициента диффузии влаги в бетоне D от содержания цемента, возраста бетона, водоцементного отношения представлена на рисунках 2.3, 2.4, 2.5.

Анализ экспериментальных данных, полученных С.В. Александровским [1] (на графиках 2.3, 2.4, 2.5 нанесены в виде «°») и авторами (нанесены « ») показывает, что коэффициент диффузии влаги в бетоне уменьшается с повышением В/Ц (от 0,4 до 0,9) на 10%. Объясняется это тем, что пористость зависит от соотношения В/Ц. Большим значениям В/Ц соответствуют бетоны, в структуре которых выше объем пор и они имеют более крупные размеры. В то же время известно, что движение жидкости по тонким смачиваемым капиллярам происходит быстрее, чем по толстым.

Существенное влияние на диффузионные свойства бетона оказывает содержание цемента. С увеличением расхода цемента коэффициент диффузии возрастает (см. рис. 2.3). Это явление объясняется тем, что с увеличением расхода цемента, уменьшается размер пор.

С увеличением возраста бетона коэффициент диффузии влаги уменьшается (см. рис. 2.4). Вероятно, это связано с изменением поровой структуры бетона.

Кроме углекислых соединений сильной коррозионной активностью обладают серная, соляная, азотная и неорганические кислоты.

Кислотная коррозия цементного камня развивается с образованием кальциевой соли и аморфных масс SiO2aq, Al(OH)3, Fe(OH)2. Например под действием соляной или серной кислоты на цементный камень образуются легкорастворимые соли в виде хлорида кальция (CaCl2) и сульфата кальция (CaSO4):

Взаимодействие гидросиликата цементного камня (C3S2H3) с кислотой протекает по схеме:

Так же действуют на бетон азотная и другие неорганические кислоты.

температурой среды, растворимостью образуемых продуктов коррозии.

Процесс разрушения бетона в кислой среде протекает в форме реакции замещения. Образующиеся при этом продукты реакции аморфны, непрочны, легко растворяются в воде или вымываются ею.

Активно взаимодействуют с цементным бетоном органические кислоты:

уксусная C2H4O2, молочная C3H3O3, масляная C4H8O2, которые содержатся в взаимодействии с гидроксидом кальция образуются соответственно ацетат кальция Ca(C2H3O2)2, лактат кальция Ca(C3H5O3)2 и бутерат кальция Ca(C4H7O2)2.

Взаимодействие уксусной кислоты с гидратом окиси кальция протекает по схеме:

Кислотный механизм коррозии цементного бетона наблюдается при его взаимодействии с маслами, жирами, эфирами.

В льняном, хлопковом, тунговом масле, рыбьем жире и т.д. содержатся высокомолекулярные кислоты жирного ряда, насыщенные и ненасыщенные, в виде сложных эфиров и в свободном виде. При взаимодействии гидроксида кальция с жирами и маслами происходит их омыление с образованием соответствующих многоатомных спиртов и жирных кислот. Например, при действии олеиновой кислоты C18H34O3 образуется олеат кальция Ca(C18H33O2)2 по реакции:

В некоторых случаях действие органических кислот низкой концентрации на цементный камень может приводить к положительным эффектам. Например, при действии лимонной кислоты на гидроксид кальция образуются цитраты, которые плохо растворяются в воде, заполняют поры бетона и повышают его водонепроницаемость. Этот эффект применяется при создании проникающей гидроизоляции.

Растворы кислот при концентрации 1-2% активно взаимодействуют с цементным камнем. Наиболее агрессивной по отношению к цементному бетону является соляная кислота. Органические кислоты по степени агрессивности можно расположить в ранжированный ряд типа: уксусная, муравьиная, молочнокислая, лимонная, виннокислая.

По кислотной схеме происходит процесс коррозии бетона в растворах некоторых солей, образованных катионом слабого основания и анионом сильной кислоты.

К таким солям относятся: сульфат и хлорид магния, сульфат алюминия, хлорид железа, сульфат аммония и т.д.

Взаимодействие растворов магнезиальных солей с гидроксидом кальция протекает по реакции с образованием малорастворимого (растворимость 18, мг/л) гидроксида магния Mg(OH)2.

Реакция сопровождается понижением pH поровой жидкости до 10, что создает благоприятные условия для растворения и гидролиза гидратных новообразований в цементном камне. Коррозия бетона под действием MgCl становится значительной, если концентрация его в воде превышает 1,5-2%, а под действием MgSO4 – 0,5-0,75.

Сопротивление бетона кислотной коррозии предлагается оценивать по двум показателям. По относительному изменению прочностных свойств бетона на границе контакта с агрессивной средой:

где KХС – коэффициент химического сопротивления; R(t), R(0) – показатель свойств в момент времени t и 0;, – константы.

Второй показатель глубинный, значение которого определяется по формуле вида:

где с0 – содержание агрессивных ионов в среде; m0 – содержание химически активных ионов в цементном камне; D – коэффициент диффузии, значение которого приведено в таблице 2.2.

Коэффициенты диффузии для видов растворов кислот различной интенсивно, что объясняется химическим составом воды. Морская вода (Атлантический океан) имеет в своем составе следующие химические элементы, г/дм3: Na+ - 11; Cl- - 20; SO42- - 2,9; Mg2+ - 1,4;K+; Ca2+; Br- и HCO31- до 0,08 (pH морской воды = 7,8…8,3) Агрессия сильнее в зоне прилива и отлива. Если бетон постоянно находится в морской воде, то при совместном действии Mg2+ и HCO31- в наружном слое бетона образуется слой брусита толщиной около 30 мкм, на который накладывается медленно образующийся слой аргонита. Карбонат кальция CaCO в присутствии Mg2+ осаждается преимущественно как аргонит, а не кальцит. Этот слой обеспечивает защиту бетона от дальнейшей коррозии.

Коррозия в морской воде сложный процесс который состоит из выщелачивания от взаимодействия Mg2+ и SO42-; карбонизации и кислотной коррозии под действием ионов хлора. При нарушении защитного слоя возможна коррозия арматуры. Влияние Mg2+ и SO42- значительно мягче, чем влияние раствора MgSO4 той же концентрации. Опасность коррозии снижается в толще воды из-за отсутствия кислорода.

В зоне попеременного увлажнения (участки отлива-прилива и выше них, где происходят циклы насыщения и высушивания) вода попадает в бетон за счет капиллярных сил или в виде брызг. При этом разрушение бетона обусловлено, в основном, кристаллизацией солей, целостностью защитного слоя брусита и аргонита нарушается. Такое повреждение поверхностного слоя цементного камня может быть результатом эрозии от воздействия волн, твердых обломков, песка, льда. Доступ кислорода ускоряет коррозию. Пуццолановые и шлаковые цементы (с содержанием шлака более 60%) долговечнее чистых портландцементов.

Известно, что известково-пуццолановые строительные растворы, использованные царем Иродом при строительстве прибрежных сооружений, до сих пор сохранились.

Третий вид коррозии представлен процессами, развитие которых сопровождается накоплением в порах бетона малорастворимых продуктов реакции или веществ, способных при фазовых переходах, полимеризации увеличивать объем твердой фазы в порах бетона. Кристаллизация и другие вторичные процессы, развивающиеся при этом в бетоне, создают внутренние напряжения разрушающие структуру бетона. К этому виду коррозии относится коррозия при действии сульфатов.

Сульфатная агрессия является наиболее распространенной, так как сульфатионы присутствуют практически во всех видах природных и сточных вод.

Сульфатная коррозия цементного камня происходит под действием сульфатов, которые содержатся в природных или загрязненных подземных водах.

В воде пресных озер и рек содержание сульфат ионов SO42- не превышает 60 мг/л.

В морской воде – 2500 - :2700 мг/л, при солености 33 - 35 г/л. В сильно минерализованных подземных водах содержание сульфат ионов может достигать десятки тысяч мг/л. Сульфаты встречаются в промышленных, технологических водах многих отраслей.

Сульфатная коррозия ведет к образованию гипса и эттрингита по следующей схеме:

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2OCaSO4H2O+2NaOH CaSO42H2O+3CaOAl2O36H2O+24H2OCaOAl2O3CaSO432H2O Эттрингит, образовавшийся в процессе сульфатизации цементного камня занимает объем в 2.27 раза больше, чем объем исходных продуктов. Эттрингит и гипс формируются в зонах контакта цементного камня и заполнителя и порах. На начальном этапе коррозии образующиеся продукты уплотняют и упрочняют бетон, но затем избыточное накопление продуктов реакции приводит к образованию трещин и снижению прочности бетона.

При концентрации в растворе сульфат ионов более 250 мг/л процесс накопления эттрингита в структуре цементного камня начинает влиять на свойства бетона.

Накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы может происходить при солевой коррозии.

Некоторые грунтовые воды содержат как анионы хлора, сульфат ионы, так и катионы магния, натрия, кальция. По данным А.И. Миноса под действием растворов разных солей при температуре 20-30°С и относительной влажности воздуха 40-45% через 120 суток кристаллизационное давление может достигнуть соответственно: при сульфате натрия (Na2SO4)-0.44; сульфате магния (MgSO4)хлориде натрия (NaCl)-0,27 и сульфате кальция (CaSO4) 0.09 МПа. Это явление связано с образованием кристаллогидратов соответствующих солей в порах цементного камня. При образовании кристаллогидратов происходит увеличение объема твердой фазы (см. табл. 2.3).

Увеличение объема твердой фазы при образовании кристаллогидратов.

Основными условиями проявления солевой коррозии являются: наличие в среде водорастворимых солей (особенно Na2SO4, MgSO4 и др.) более 1% или высокий уровень грунтовых вод с минерализацией не менее 3000 мг/л; положительная температура (более 28°С) и влажность воздуха менее 45%.

При выполнении этих условий происходит капиллярный подсос водных растворов в структуру бетона на высоту до 50 см от поверхности земли. По данным В.М. Москвина [43, 44] и других исследователей наличие сульфатов в воде контактирующей с цементным камнем и бетоном, вызывает ряд обменных реакций, сопровождающихся выпадением кристаллических продуктов (гипса и гидросульфоалюмината кальция - эттрингита). Последние накапливаются в порах и капиллярах бетона и способствуют возникновению в нем внутренний напряжений и разрушению. Несмотря на то. что сульфатная коррозия была предметом обширных исследований, отдельные стороны этого сложного процесса до сих пор не ясны.

Большинство исследователей считают, что разрушение цементного камня и бетона под действием сульфатов происходит за счет внутренних напряжений.

возникающих в порах и капиллярах бетона при кристаллизации новообразований.

Г.Кюль отмечает, что накопление материала, образующего твердую фазу, в ограниченном поровом пространстве всегда вызываем возникновение разрывающих усилий в стенках.

Г.Торвальдсон подвергает сомнению такую точку зрения. По его мнению, изменение объема в структуре растворов и бетонов регулируется осмотическими кристаллического материала при этом считает побочным фактором. Ю.М. Бутт, растрескивание с вторичными процессами, обусловленными осмотическими явлениями.

А.Е. Шейкин и Н.И. Олейникова предложили новую трактовку механизма полупроницаемой гелевой составляющей цементного камня с повышенной концентрацией извести внутри замкнутых ячеек коллоидного тела.

Концентрация растворимой фракции внутри ячейки больше, чем вне ее.

Поэтому вода проникает внутрь ячейки путем избирательной диффузии через ее стенку. Повышающееся осмотическое давление в ячейке вызывает разрушение цементного камня.

Однако, по мнению В.М. Москвина [43, 44], более концентрированные растворы находятся не в осмотических ячейках, а снаружи. Из-за этого осмотическое давление направлено внутрь и вызывает в стенках цементного камня не растяжение, а сжатие, не опасное для материала.

С точки зрения Бабушкина В.И. [5], механизм сульфатного разрушения бетона аналогичен схеме разрушения цементного камня из-за набухания геля, заполнителя. Набухающий полутвердый гель создаст в бетоне напряжения, превышающие прочность материала на разрыв.

На основе выполненных исследований Бабушкиным В.И.[5] предлагается процесс сульфатной коррозии бетона разделить на три этапа каждый из которых характеризует формирование зоны взаимодействия:

1. Первая зона взаимодействия формируется из бетона с ненарушенной структурой, динамически развивающейся за счет продолжающейся гидратации цемента. Жидкая фаза находится в равновесии с портландцементом и другими гидратными новообразованиями.

2. Вторая зона начинается от переднего фронта коррозии бетона, который характеризуется наличием участков цементного камня, частично подверженных коррозии. В этой зоне протекает взаимодействие между сульфат-ионами, портландитом и алюминатными гидратами, приводящими к накоплению продуктов взаимодействия, развитию внутренних напряжений, появлению трещин и продвижению переднего фронта коррозии. Гидросиликаты кальция остаются в термодинамически устойчивом состоянии.

3. Третья зона коррозионного фронта. В нем рН принимает значения от до нейтрального. Образовавшаяся на переднем фронте коррозии твердая фаза становится неустойчивой и может разлагаться на гипс, аморфные гидроксиды алюминия и железа. По этой причине в корродированном бетоне не всегда обнаруживают эттрингит. Продолжается взаимодействие портландита и сульфатионов с образованием двуводного гипса. Создаются условия для разложения гидросиликатов кальция. Гетерогенный процесс протекает с диффузионным контролем. В зависимости от состояния продуктов коррозии диффузия гидроксида кальция можем быть различной; если она протекает интенсивнее, чем диффузия ионов агрессивного раствора в тело бетона, на разрушенной поверхности последнего образуются кристаллы двуводного гипса.

Изложенная концепция, к сожалению, не описывает всех сторон многоаспектного процесса сульфатной коррозии, не объясняет многие факты и не позволяет обоснованно прогнозировать сопротивление бетонов воздействию сульфатсодержащих сред; долговечность и остаточную несущую способность изделий.

Баженов Ю.М. [6, 7] также отмечает, что при воздействии агрессивной среды на цементный камень происходит послойное разрушение материала с образованием следующих зон: 1) продуктов коррозии; 2) непосредственно коррозии; 3) цементного камня или бетона, в котором не произошло каких-либо фазовых превращений.

Таким образом достаточно убедительно установлено, что при коррозии третьего вида свойства бетона изменяются значительно и неравномерно по подтверждены и нет данных, о кинетике изменения в процессе сульфатной коррозии прочностных и деформативных свойств цементного камня на поверхности по объему изделия [46].

агрессивными средами методом склерометрической микротвердости изучен характер изменения прочностных и деформативных свойств по высоте поперечного сечения экспериментальных образцов [46]. По линиям изменения неравномерное распределение по площади поперечного сечения свойств материала под действием агрессивного раствора.

Параллельно с изохронами определялись прочностные и сорбционные характеристики экспериментальных составов, исследовалось влияние технологии приготовления добавок на сульфатостойкость цементного камня.

Экспериментально исследовано химическое сопротивление наполненных технологических приемов.

Для этого изготавливались образцы размером 20x20x70 мм. За контрольный был принял ненаполненный состав, изготовленный традиционным способом, при соблюдении В/Ц=В/Т=0,35.

контрольным составом для достижения одинаковой удобоукладываемости [73,75].

Оптимальные составы были подобраны на основании предварительных исследований, выполненных Л.И. Куприяшкиной, Л.М. Ошкиной [73, 75]. В таблице 2.4 приведены составы исследуемых композитов.

* - ОПФ - отходы производства ферросилиция.

Экспериментальные данные, представленные в таблице 2.4 подтверждают, что минеральные наполнители по-разному влияют на начальные прочностные свойства цементных композитов. Применение OПФ и ваграночного шлака способствует повышению прочности материала на 8 и 16% соответственно. В то же время маршалит несколько снижает этот показатель - на 4% в сравнении с контрольным составом. Совместное использование скоростного перемешивания и наполнения способствуем повышению химического сопротивления и прочностных характеристик соответственно: на 30% и 20% - ОПФ, на 24% и 10% - маршалит, на 33% и 40% - шлак.

При экспонировании в 2%-ном растворе серной кислоты в характере изменения свойств образцов всех экспериментальных составов прослеживаются общие закономерности [73, 74, 75]. Несмотря па различие в начальных показателях, прочность всех экспериментальных составов на 90-е сутки экспонирования в агрессивной среде превосходит прочность контрольного состава: ОПФ - на 70%, шлак - в 2 раза, маршалит на 42% (рис. 2.6 – 2.8).

В характере изменения массы и объема образцов всех составов также можно отметить общие тенденции. Увеличение массы образцов происходит до 56 суток, увеличение объема - до 28 суток (рис. 2.12 – 2.17). Причем у наполненных составов, приготовленных с применением скоростного смесителя, изменения менее выражены, чем у составов, приготовленных традиционным способом, и в еще большей степени, чем у контрольного.

Изохроны деградации образцов на цементном вяжущем, выдержанных в различных средах, представлены на рис. 2.18 – 2.24.

Из рисунков видно, что на 7-е сутки экспонирования в 2%-ном растворе серной кислоты представляют собой прямую линию, проходящую несколько ниже первоначальной, соответствующей микротвердости в 0 суток; деления на зоны не зафиксировано. Это можно объяснить тем, что накопление эттрингита и гипса в порах цементного камня не достигло объемов, влияющих на прочность.

Зона накопления объемов продуктов реакции, влияющих на прочность фиксируется только на 14-е сутки выдержки в агрессивном растворе.

Максимальные абсолютные значения микротвердости появляются при критическом заполнении пор продуктами реакции на 56-е сутки экспонирования.

На 120-е сутки линия микротвердости располагается выше первоначальной;

присутствует деление на три зоны. Полное сглаживание «пиков» происходит лишь на 155-е сутки. Именно с этого момента начинается деградация материала по всему объему. Максимальное увеличение микротвердости в зоне «пиков» - в раза.

Характер изменения изохрон деградации, полученных для составов, изготовленных с применением различных технологических приемов, свидетельствует о положительном влияние скоростного перемешивания на химическое сопротивление цементного камня. Глубина проникновения агрессивной среды па 56-е сутки составляет: в первом случае - 5,5 мм; во втором - 4,5 мм; во втором с уменьшенным В/Ц - 3,5 мм.

Таким образом, состав, приготовленный при интенсивном перемешивании с уменьшенным содержанием воды, обладает более высокими показателями прочности и химического сопротивления [73, 74, 75].

Образцы, наполненные шлаком, дают максимальное увеличение микротвердости в зоне «пиков» на 28-е сутки экспонирования, после чего начинается их снижение и на 120-е сутки фиксируется полное сглаживание. Зона проникновения агрессивной среды несколько меньше, чем для состава с маршалитом.

При использовании маршалита в качестве наполнителя максимальное увеличение микротвердости отмечается на 7-е сутки экспонирования в 2%-ном растворе серной кислоты. В дальнейшем происходит снижение абсолютных значений в зоне "пиков" и полное их сглаживание на 120-е сутки.

Наиболее сдержанное течение процессов коррозии наблюдается на образцах, наполненных OПФ, что выражается в более позднем начале деструктивных процессов, этап накопления продуктов коррозии более продолжителен; зона проникновения агрессивной среды меньше, чем для других наполненных составах и на контрольном.

Химическое сопротивление цементных композитов, подвергавшихся действию ненагруженного материала, по изменению прочностных свойств.

Из анализа изохрон деградации цементных композитов следует, что уровень нагружения влияет на характер взаимодействия агрессивной среды с компонентами материала.

На рис. 2.22 – 2.24 представлены графики изменения микротвердоети по высоте поперечного сечения образцов контрольного состава, испытанных в течение 28 суток при одновременном воздействии сжимающих нагрузок разных уровней и 2% - ного раствора серной кислоты.

Характер изменения микротвердости по высоте поперечного сечения остается таким же, как и на образцах, экспонированных без приложения сжимающих напряжений. Во внешних слоях образцов в начальные сроки экспозиции отмечается зона с повышенными физико-механическими свойствами.

Однако, абсолютные значения микротвердости образцов, выдержанных 28 суток в условиях сжимающих нагрузок и агрессивной среды, превышают абсолютные значения микротвердости образцов, экспопированпьнх в 2%-ном растворе серной кислоты без приложения сжимающих напряжении. Зона проникновения агрессивной среды у образцов, экспонированных под нагрузкой, значительно меньше, чем у образцов, экспонированных без нагрузки. С ростом уровня сжимающих напряжений (от 0,3 до 0.7 Рразр.) вследствие уплотнения структуры, глубина проникновения агрессивной среды в материал снижается.

Необходимо отметить, что для образцов всех составах, экспонированных в 2%-ном растворе серной кислоты под нагрузкой не замечено первоначального снижения прочности и микротвердости.

Уплотнение структуры сжимающими напряжениями приводит к увеличению прочностных показателей и микротвердости в пределах поперечного сечения образца.

Установлено, что прочностные харакетристики можно сдостаточной точностью оценивать с помощью микротвердости.

Одним из основных показателей химического сопротивления материала является ордината переднего фронта коррозии, характеризующая глубину повреждения цементного камня (глубинный показатель). Этот параметр в общем виде предложено определять функциональной зависимостью вида:

где t – время воздействия агрессивного раствора, k() – коэффициент учитывающий инструментальную точность определения координаты «а». Для цементного камня можно принять k() = 0,1. D – коэффициент диффузии.

На рисунке 2.25 представлен график, отражающий зависимость между экспериментальными и теоретическими значениями ординаты переднего фронта коррозии. Pначения координаты фронта деструкции, полученные по изохронам деградации, ложатся на прямые линии в координатах «а - t », следовательно, для определения координаты фронта разрушения структуры цементного бетона (глубинного показателя деградации) можно применять функцию (2.21), в которой k() зависит от инструментальной точности измерения твердости материала и химической активности реакционноспособных компонентов бетона и среды;

На рисунке 2.26 приведена зависимость коэффицинета переноса агрессивной среды D для контрольного ненаполненного состава, рассчитанного по формуле D = a2/0.01t.

определенного экспериментально и рассчитанного по формуле с учетом экспериментальных значений D.

Глубина коррозионных повреждений наполненных цементных композитов (мм) Состав * - В числителе дроби приведены экспериментальные значения, в занменателе полученные по теоретическим расчетам.

Исследованиями влияния совместного действия сжимающей нагрузки и 2%ого водного раствора H2SO4 установлено, что сжимающие напряжения замедляют процесс переноса агрессивной среды в объем образца. На рисунке 2.27 по результатам склерометрических исследований построены графики зависимости глубинного показателя а от длительности экспозиции ( t ) (уровни сжимающих напряжений 0,3Рразр.(1), 0,5Рразр.(2), 0,7Рразр.(3) для цементных составов без наполнителя (к – контрольные), ноплненных молотым шлаком (ш). Цементные композиции изготавливались путем скоростного перемешивания (*) и перемешивания в обычном смесителе).

Анализ полученных графиков показывает, что технология изготовления, вид добавки, уровень напряжений не влияет на функциональную зависимость (2.21) глубинного показателя от длительности действия агрессивной среды.

Сжимающие напряжения замедляют процесс переноса и коэффициент диффузии уменьшается в 2-3 раза (см. данные таблица 2.6).

Зависимость коэффициентов диффузии (D10 м /ч) от уровня сжимающей Контрольный (К), без Вторым основным показателем химического сопротивления материалов является коэффициент химической стойкости Кх.с., определяемый для внешних, контактирующих с агрессивной средой слоев материала. Склерометрическими исследованиями было установлено, что значения прочности и твердости имеют тесную корреляцию и следовательно Кх.с. можно определять методами измерения твердости, микротвердости материала.

Коэффициент химической стойкости Кх.с. принять определять по изменению прочности () или твердости (Н) материала после определенного срока Для аппроксимации временной зависимости Кх.с. предлагается (ГОСТ 25881-83) использовать функцию вида lg K.. a b lg, где lgКх.с. и lg- логарифмы коэффициента химической стойкости и длительности экспонирования; a и b – постоянные для данного вида материала.

Коэффициент химической стойкости может быть представлен более простой функцией вида:

В общем случае при t=0, b=1. Но если материал подвергался действию агрессивной среды до начала испытаний, то можно принять b1.

Изохроны деградации цементного камня в водном растворе серной кислоты показывают временное упрочнение материала. Тогда при определении Кх.с.(t) можно величину b принять по данным изохрон деградации.

Коэффициенты и определяют методом наименьших квадратов. Для этого логарифмированием преобразуют уравнение 2.22 в линейное:

Тогда коэффициенты и определяются по формулам:

С учетом формулы 2.22 выражение деградационной функции несущей способности с учетом коэффициентов фильтрации:

Время нормальной эксплуатации определяется по формуле:

Учитывая, что согласно СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции» допускается потеря прочности в расчетном сечении до 20%, деградационную функцию несущей способности принимают D(N)=0.8.

Тогда долговечность сжатого бетонного элемента находят по формуле:

Данная зависимость изменения несущей способности и долговечности сжатых элементов позволяет учесть влияние свойств материалов, размеров поперечного сечения, скорости фазового переноса и снижения свойств материалов под действием агрессивных сред.

1. Анализ сопротивления цементных бетонов действию агрессивных сред показал: три основных вида коррозии, предложенные В.М. Москвиным [43, 44] не имеют четких границ и как правило в процессе деградации бетона возможно проявление различных механизмов (видов); основным показателем характеризующим механизм коррозии является глубина поврежденного слоя и интенсивность разрушения материала на поверхности.

2. Экспериментально подтверждены зависимости коэффициента диффузии водных растворов в бетоне от содержания цемент, возраста бетона и водоцементного отношения.

3. Произведен анализ работы железобетонных элементов в условиях действия жидкой агрессивной среды, содержащей сульфат ионы. Установлено, начальном этапе взаимодействия материала с агрессивной средой можно выделить три зоны деградации: латентную, активную и нулевую. Впервые по изохронам деградации определены: глубинный показатель, описывающий изменение координаты фронта деструкции во времени; параметр D характеризующий скорость продвижения фронта деградации.

4. Экспериментально доказано, что в процессе сульфатной коррозии изменение механических характеристик по глубине объема происходит неравномерно. Можно выделить три зоны: латентной, активной, нулевой (область неподверженная деградации).

5. Разработана методика определения основных параметров деградации, которая дает возможность неразрушающими методами в процессе эксплуатации контролировать основные показатели качества бетона, моделировать развитие деградационных процессов и прогнозировать изменение несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкций во времени.

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСРУКЦИЙ МЕТОДОМ ДЕГРАДАЦИОННЫХ

3.1 Прогнозирование долговечности бетонных изделий методом Каждому механизму деградации соответствует определенная модель, которая позволяет описать процесс деградации специальными функциями [85, 78].

Общий вид деградационной функции можно представить выражением [77]:

где t – время; T – температура; – напряжение; с – концентрация деградации.

Для элементов конструкций, работающих на осевое сжатие или растяжение, деградационные функции жесткости и несущей способности равны:

Для изгибаемых элементов деградационные функции жесткости и несущей способности имеют вид: