ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

УДК.624.012:620.191

Глагола

Іван  Іванович

Методи визначення корозійної тривкості, довговічності та антикорозійний захист залізобетонних конструкцій

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України (Львів).

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лучко Йосип Йосипович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, провідний науковий співробітник відділу конструктивної міцності матеріалів у робочих середовищах.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шейніч Леонід Олександрович, завідувач відділу Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій.

кандидат технічних наук, Журавський Олександр Дмитрович, доцент кафедри "Залізобетонні та кам’яні конструкції" Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа Придніпровська державна академія будівництва та архітектури (кафедра "Залізобетонні та кам’яні конструкції") Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “26 ” жовтня 2004 р. о 15-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій, м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій, м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2.

Автореферат розісланий “24 ” вересня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Ю.С. Слюсаренко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Бетонні та залізобетонні конструкції зазнають дії агресивних середовищ, які викликають локальне корозійне руйнування і пришвидшують втрату несучої здатності об'єктів, якщо не вживати відповідних заходів щодо захисту. Актуальність такого підходу стосується промислових споруд, де спостерігається контакт рідкого чи газоподібного середовища з поверхнею конструкції, а також забруднення агресивними продуктами чи відходами виробництва. Тому вивчення процесів корозії будівельних та залізобетонних конструкцій, дослідження механізмів та кінетики деградації бетонної структури, встановлення особливостей корозійного руйнування бетонних та залізобетонних елементів конструкцій актуально.

Важливе значення має оцінка впливу зовнішнього середовища на довговічність залізобетонних конструкцій, в т.ч. на АЕС України та створення теоретичних основ математичного моделювання корозійного руйнування бетону та залізобетону, аналіз корозійної деградації бетону та залізобетону в кислотному середовищі. Практика досліджень свідчить про важливість врахування впливу напруженого стану бетону на його корозійну тривкість.

Значний внесок у розвиток досліджень корозійних процесів бетонних та залізобетонних елементів конструкцій внесли провідні вчені в Україні В. П. Корольов, В. І. Похмурський, О.І. Балицький, Г.Б. Гірштель, М. В. Савицький, М. А. Саницький, М.І. Ситник, Й. Й. Лучко, В. Л. Чернявський, Л.О. Шейніч та ін.

Незважаючи на певну кількість публікацій з цієї тематики, відповідні заходи запобіганню корозії висвітлено недостатньо.

Дана робота присвячена аналітичним та експериментальним дослідженням корозійних процесів бетонних та залізобетонних елементів конструкцій, розробці заходів для запобігання цих негативних явищ.

Мета роботи: Розробити теоретичні основи моделювання корозійного руйнування бетону та залізобетону, дати оцінку корозійної деградації бетону та залізобетону в кислотному середовищі, оцінити вплив напруженого стану бетону на його корозійну тривкість та запропонувати шляхи продовження ресурсу залізобетонних конструкцій.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі основні науково-технічні задачі:–

узагальнити модель корозійної деградації цементних конгломератів типу бетону з урахуванням мікромеханіки структури та фізико-хімічної специфіки корозійного руйнування та методику визначення корозійної тривкості і довговіч-ності залізобетонних конструкцій;–

запропонувати технології ремонту будівельних конструкцій та зпрогнозувати ресурс їх подальшої експлуатації;–

дослідити вилив домішок до бетону з метою підвищення його корозійної тривкості, що має вирішальне значення для захисту арматурних з’єднань і стержнів у залізобетонних конструкціях;–

вивчити вплив напруженого стану на корозійну тривкість бетонних та залізобе-тонних елементів конструкцій;–

створити експериментальну методику й аналітичні методи розрахунку надій-ності та корозійної тривкості бетону та залізобетону в умовах дії знакозмінних навантажень і корозійних середовищ;–

вивчити окисно-відновні процеси на границі арматура-бетон і розробити інгібітор для захисту корозійного розтріскування високоміцної арматури.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами: Робота вико-нана в рамках науково-дослідних робіт за програмами та темами: "Розробка методів забезпечення довготривалої міцності, корозійної стійкості пресованих з'єднань арматурних стержнів у залізобетонних конструкціях" - ПС.009.93 (№ держреєстрації 0197V003094); аналіз і синтез сучасних методів оцінки ресурсу елементів конструкцій залізобетонних мостів - НДР -12/219п; "Розробка технології ремонту та підвищення залишкового ресурсу роботи мостових конструкцій" - НДР - 12/227п; "Оцінка залишкового ресурсу роботи мостових конструкцій при довготривалих навантаженнях" - НДР-12/239п (№ держреєстрації 0102U002082).

Виконання захисту та дослідження впливу агресивного середовища на бетон і арматуру — г/д № 2893.

Об’єкт досліджень – бетонні і залізобетонні елементи конструкцій, які експлуатуються в агресивних середовищах.

Предмет досліджень – залізобетонні конструкції, що перебувають під одночасним впливом навантаження та корозійного середовища.

Наукова новизна:

- узагальнена модель корозійної деградації бетону та залізобетону з урахуванням структури та фізико-хімічної специфіки руйнування матеріалу під дією корозійних середовищ;

- розроблено методику для розрахунку корозійної тривкості та довговічності залізобетонних конструкцій, яка дає можливість врахувати фізико-механічні властивості деградованого бетону і встановити залишковий ресурс;

- досліджено вплив нових домішок (інгібіторів) до бетону на підвищення корозійної тривкості арматурних з'єднань та стержнів;

- вивчено вплив напруженого стану на корозійну тривкість бетону та залізобетону;

- створено технологію ремонту будівельних конструкцій та розроблено рекомендації щодо застосування сучасних ремонтних матеріалів.

Достовірність теоретичних і експериментальних результатів, викладених у дисертації, підтверджена результатами експериментальних досліджень на лабораторних зразках та натурних конструкціях, а також порівнянням їх у окремих випадках з літературними даними.

В експериментах використано методи механічних та хімічних досліджень матеріалів і конструкцій відповідно до існуючих стандартів: акустичної емісії, теплові, склерометричні, металографії, тензометрії, оптичної мікроскопії й ультразвукової дефектоскопії та статистичної обробки результатів.

Практичне значення одержаних результатів: Розроблену методику прогно-зування деградації цементних конгломератів можна застосовувати для визначення термінів міжрегламентних оглядів з урахуванням закономірностей докритичного розвитку тріщини. Завдяки оптимальній аеросильній домішці можна підвищити корозійну тривкість бетону. За зміною міцності арматурних стержнів під впливом агресивних середовищ можна прогнозувати довговічність залізобетонних конструкцій.

Отримані дані можна використати також у розрахунках на міцність та живучість елементів залізобетонних конструкцій, які працюють в агресивних середовищах.

Створені технології ремонту будівельних конструкцій та розроблені рекомендації щодо застосування сучасних ремонтних матеріалів дозволять продовжити термін експлуатації та надійність їх роботи.

Результати роботи використані: в Держ. дор. НДІ (Київ) та на Мукачівському ремонтно-механічному заводі, зокрема: експериментальні дані корозійної тривкості бетону та арматури, рекомендації щодо оптимальної концентрації аеросильної домішки в корозійному бетоні та компонентний склад полімерних композицій для ремонту будівель і споруд.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на 10 наукових конференціях, симпозіумах і семінарах, у тому числі на Міжнародній конференції з механіки руйнування (Львів, 1999), на III - V Між-народних симпозіумах "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій" (Мукачево, 1998; Тернопіль, 2000; Луцьк, 2002); на І, ІІ і IV науково-практичних семінарах "Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій" (Львів, 1999; Ужгород, 2001; Івано-Франківськ, 2003); на VI Міжнародній конференції-виставці "Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів" (Львів, "Корозія - 2002").

Особистий внесок здобувача. Основну частину теоретичних положень, що міститься в дисертації, автор розробив самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, авторові належать:

- розробка методу визначення корозійної тривкості та довговічності бетонних та залізобетонних конструкцій та споруд [1, 3];

- опрацювання сучасних систем та технології захисту від корозії залізобетонних конструкцій [3, 4, 5, 7];

- аналітична оцінка деградації бетону в кислотному середовищі [4, 9, 15];

- дослідження крихкого руйнування арматурних сталей у розчинах хлоридів [1, 13];

- дослідження механізму і кінетики корозійного руйнування цементного бетону [1, 10];

- дослідження причин корозійного руйнування залізобетонних конструкцій будівель і споруд [3, 4, 5, 14];

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 15 робіт, в тому числі одна монографія, 9 статей – у вітчизняних наукових фахових видан-нях, які відповідають вимогам ВАК [2, 3, 4, 7-10, 13, 15], 5 публікацій – у матеріа-лах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій і семінарів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, списку літературних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 171 сторінка машинопису (основний текст 156 ілюстрацій 43 та 17 таблиць). У бібліографії приведено 171 найменування літературних джерел, додатків 3 на трьох сторінках.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету і завдання роботи, викладено суть результатів, з’ясовано їх новизну і практичну цінність.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні й експериментальні результати досліджень руйнування конструкцій і будівельних матеріалів під час довго-тривалої експлуатації в агресивних середовищах. Особливу увагу приділе-но існуючим моделям процесів руйнування, корозійної тривкості та довговічності.

Вивчено вплив напруженого стану бетону на його корозійну тривкість. Описано механізм і кінетику корозійної деградації бетонної структури та структури пористого простору і закономірності дифузійного проникнення агресивного середовища в бетон. Проаналізовано особливості корозійного руйнування I–III видів та методів розрахунку корозійної тривкості бетону вітчизняних та зарубіжних вчених.

У другому розділі викладено результати досліджень впливу зовнішнього середовища на довговічність залізобетонних конструкцій [1, 3, 6, 7, 9]. Вивчено кінетику корозійного руйнування бетону, для чого використано рівняння дифузії з урахуванням зміни коефіцієнта дифузії внаслідок корозійної деградації структури цементного каменю (бетону). Це дало змогу визначити коефіцієнт пропорційості , який зв’язує величину корозійної деградації бетону з тривалістю дії агресивного середовища за теоретичними розрахунками на основі даних про дифузійні властивості нормальної та деградованої структур бетону (рис. 1). |

Рис. 1. Розрахункова схема розпо-ділу кон-центра-ції агресив-ної речовини у захис-ному шарі бетону: 1 – дегра-дована струк-тура бетону; 2 – неде-градована; h0 – захисний шар бетону; Сmin – мінімальна концентрація, пос-тійна між деградованою та нормаль-ною структурами; Сn(t) – певна початкова концентра-ція агресивної речо-вини; Cоp – концентрація агре-сивної речо-ви-ни, коли починається паси-вація армату-ри.

Коефіцієнт обчислено з характеристичного рівняння

. (1)

Нехай , тобто в початковий момент концентрація агресивної речовини однакова по глибині. Якщо функції і , де , розкласти в ряди й обмежитись першими членами, то

. (2)

Як бачимо, коефіцієнт залежить від фізико-хімічних (дифузійно-реактив-них) параметрів нормального та прокородованого бетону. Якщо взяти два члени розкладу й обмежитись першими членами розкладу , отримаємо:

. (3)

Отже, у наступному наближенні цей коефіцієнт залежатиме і від густини бетону після корозійного руйнування.

Для бетону марки В20 під час його взаємодії з розчином хлористого кальцію і при =1,5·10–9м2/c, =0,2·10–9м2/c, =0,005, =2,8·103кг/м3, =2,6·103кг/м3, Cmin=0,7кг/м3, Cn=1–9 кг/м3. Як видно з рис. 3 коефіцієнт суттєво залежить від концентрації агресивної речовини на поверхні бетону.

Використавши підстановку Больцмана та функцію Крампа , рівняння (1) стало можливим розв’язати відносно коефіцієнта b і виконати аналітичну оцінку корозійної деградації бетону і залізобетону в кислотному середовищі, а саме за формулою

. (4)

За фізичним змістом формули (4) слід вибрати корінь .

Ресурс залізобетонного елемента t можна визначити з урахуванням корозій-ної деградації корозійного шару арматури . Підставивши значення , обчисле-не за формулою (4), у співвідношення (, де 2s = b [9]), одержимо:

. (5)

На основі формули (5) можна оцінити ресурс корозійної тривкості бетонних та залізобетонних конструкцій у кислотному середовищі.

Для опису корозійної деградації в елементарному об’ємі використаємо рівняння хімічних реакцій першого порядку:

, (6)

де С – концентрація агресивної речовини в момент часу t; k > – коефіцієнт швидкості реакцій. Залежність коефіцієнта k від температури можна описати рівняннями Арреніуса:

, (7)

де А – температурний фактор, 1/с; Е – енергія активації корозійної деградації, Дж/моль; R – універсальна газова стала, Дж/(моль·К); Т – температура, К.

Приймаємо початкову концентрацію структурних елементів в елементарному об’ємі С0, а кінцеву С. Тоді, розв’язавши рівняння (6) отримуємо, що за проміжок часу t деструктивне число L досягне значення

, (8)–

змінне інтегрування за часом; .

Обчислимо величину L для необмеженої пластини товщиною 2l при z=0 (рис. ).

Рис. 2. Розрахункова схема визначення параметра L для необмеженої пластини.

Для цього використаємо відомий розв’язок задачі теплопровідності. Інтеграл у формулі (8) не обчислюється у елементарних функціях, але, використавши методи інтегрування, його можна виразити через інтегральні показникові функції Еі(х). В результаті знайдемо деструктивне число під час нагрі-вання: |

, (9)

де ; (=1,5); – коефіцієнт дифузії; ; Т0 – початкова температура; Т – кінцева; Тk – температура, коли досягається число L: при Тk > Т у формулі треба прийняти t0 = 0, якщо ні, то слід підставити Тk = Т, де t0 – час витримки за температури Т.

Чисельно можна обчислити час t, за якого досягається задане число L, або дослідити зміну L залежно від часу і температури.

Аналізом результатів досліджень та розрахунками встановлено, що зниження коефіцієнта дифузії бетону після корозійної деградації суттєво не впливає на швидкість корозії, а пористість бетону є важливим параметром, який необхідно враховувати під час прогнозування та забезпечення ресурсу бетонних і залізобетонних елементів конструкцій, що експлуатуються в кислотних агресивних середовищах. Вплив напруженого стану бетону на корозійну тривкість можна брати до уваги на основі діючих методик [1, 5].

Таким чином, для дифузійних задач поширення зони корозійної деструкції в бетоні виведено умову [1] для границі розподілу між нормальною та деградованою структурами типу умови Стефана для параболічних рівнянь математичної фізики [1, 5]. Із розв’язку диференційних рівнянь дифузії, записаних для цих структур, отримано співвідношення для границі, яке добре узгоджується з апроксимацією експериментальних даних [1] про корозію бетону з дифузійним механізмом. З умови для границі розподілу та розв’язку рівнянь дифузії виведені у першому та другому наближенні як формули (2), (1) для обчислення коефіцієнта , який визначає кінетику корозійного процесу. За цими формулами коефіцієнт обчислюють за фізико-хімічними характеристиками деградованої і нормальної структури, що значно швидше і ефективніше порівняно з трудомісткими емпіричними методами [1], крім того, співвідношення (2) і (3) розкривають його фізичну суть.

На рис. 3 зіставлено результати обчислень за методиками [1] і [9]. |

Рис. 3. Залежність коефіцієнта від “потужності” агресивного середовища – різниці поверхневої Сп та критичної Скр концентрацій агресивної речовини: 1 – за формулою (2); 2 – (3); 3 – (4); 4 – (1).

Аналіз результатів дослідженьОцінка ресурсу корозійної тривкості бетонних та залізобетонних конструкцій2.3. Аналітична оцінка корозійної деградації бетону, залізобетону в кислотному середовищі

Як видно з графіків (рис. 3), розбіжність не перевищує 2–5що підтверджує надійність результатів. |

Рис. 4. Залежність деструктивного числа L від часу t за щодобових термодинамічних навантажень протягом 12 годин і початкової температури 10°С для плити товщиною 0,3 м за поверхневої концентрації агресивного середовища HCl: 1 – 9 кг/м3; 2 – 7; 3 – 5; 4 – 3 кг/м3.

На рис. 4 побудовано залежність деструктивного числа плити від часу дії термоциклічних навантажень. Для розрахунку величин Е та А використовували дані та розв’язки відповідної задачі дифузії [1]. Аналіз кінетичних співвідношень свідчить, що зменшення на 50% наближено відповідає значенню L=6.

Отже, протягом 100 діб експлуатації плити в агресивному середовищі для всіх вказаних поверхневих концентрацій в її центрі втрата перевищить 50%, при чому на 40-50 діб раніше, якщо концентрація найвища. Аналогічно можна встановити допустиму величину L на межі захисного шару арматури.

Як показують розрахунки (рис. 3), на практиці часто досить обмежитись тільки першим наближенням (2), за винятком значної корозійної деградації структури бетону.

У третьому розділі досліджено корозію арматури в бетонних та залізобетонних конструкціях. До корозійної стійкості арматурних сталей нормативних вимог нема, хоч дані про корозійну поведінку високоміцних арматурних сталей примусили обмежити їх використання [СНиП–2.03.11-85]. Відсутність нормативних вимог до стійкості арматурних сталей, очевидно, пов’язано з тим, що сама ідея залізобетону ґрунтується на захисті сталі бетоном, і корозія арматури є винятком. Підвищення корозійної стійкості арматури іншими засобами, крім захисту її бетоном, враховуючи велику витрату арматурних сталей, пов’язано з подо-рожчанням конструкцій.

Корозійна поведінка ненапруженої арматури. Про корозійну стійкість стержневої гарячекатаної арматури можна судити за результатами досліджень, а також за даними випробування стійкості близьких за складом будівельних сталей. Так було досліджено [1, 7] арматуру діаметром 9 мм, уражену загальною корозією з виразками глибиною до 0,5 мм, вибрану в 1969 р. із карбонізованого бетону плит покриття будови 1910 р. Механічні її властивості (sв=340 МПа, Dl100=27,7%, Dlр=23,8%) виявилися у межах нормативних значень для сталі Ст 0 у стані поставки, тобто корозійні ушкодження їх не змінювали. Зафіксовано, що виразкові пощерблення під час хлоридної корозії арматури класу А-І значно погіршили фізико-механічні властивості бетону. При діаметрі стержнів із сталі Ст діаметром 20 мм і глибині ураження виразкою до 2,4 мм (стержні із ребер плит перекритого таксомоторного парку після 10-12 років експлуатації) мінімальне відносне видовження виявилося на 38%, а тимчасовий опір руйнуванню на 14% меншими від середніх показників некородованих частин таких самих стержнів [1].

Нашими дослідженнями виявлено також, що рівномірне видовження холодної витяжки дроту класу В-І діаметром 5 мм після трьох років перебування на атмосферному стенді знизилось від 2,2% у сталі в стані поставки до 1,9% у ненапружених зразках і до 1,4% – у розтягнутих до 0,6sв [1, 7].

Вплив напружень на корозію сталі. Відомо, що загальна корозія напруженого металу може протікати швидше, ніж ненапруженого. Вважають, що вплив напружень, нижчих від границі текучості, на корозію сталі незначний, бо тоді електрохімічний стан поверхні не змінюється (зміщення потенціалу становить 2-3 мВ). Відчутний вплив напружень на рівні границі текучості і вище пов’язаний з руйнуванням природних захисних оксидних плівок і суттєвим знешляхетненням поверхні сталі [1].

Під впливом напруження, що становить 70% границі міцності сталі, електродний потенціал арматури у насиченому розчині Са(ОН)2, 3%-му розчині NaCl і в бетоні знижується на 68-100 мВ. Як відомо, це викликано руйнуванням окисної плівки під час згину зразків, які зазнають пластичної деформації. Зміна потенціалів сталі у насиченому розчині Са(ОН)2, а також із додатком 2% CaCl2 показує (рис. ), що пасивація напруженої арматури більш ускладнена.

Під час пружної деформації сталі площа анодних ділянок, які виникли внаслідок механічного руйнування окисної плівки, невелика. Через високу густину струму на мікроанодах в результаті роботи локальних мікропар типу плівка-пора останні анодно поляризуються і сталь повертається у пасивний стан. Під час пластичної деформації площа анодних ділянок різко збільшується, що спричиняє на мікроанодах недостатню для їх пасивації густину струму і сталь залишається в активному стані.

а б

Рис. 5. Зміна потенціалів поверхні напруженої (1) і ненапруженої (2) зон арматури і струму між ними: а - у насиченому розчині Са(ОН)2; б - з додатком 2% СаCl2.

Для вивчення кінетики електродних процесів на поверхні напруженої і ненапруженої арматури знімали анодні поляризаційні криві у насиченому розчині Са(ОН)2, а також у бетоні з різними додатками. У бетоні анодна поляризація напруженої арматури також більш ускладнена. Сульфід і хлорид кальцію, як і слід було очікувати, полегшують анодний процес незалежно від напруження (рис. 6). Вплив напружень на поляризацію арматури в насиченому розчині Са(ОН)2 ілюструє рис. 6. Поляризація арматури у пропарених зразках з додатком CaCl2 ще більше ускладнюється порівняно зі зразками нормального тверднення [1]. |

Рис. 6. Криві анодної поляризації арматурної сталі у бетоні без додатківк (1), з додатками 3% сульфіду кальцію (2) і 3% хлористого кальцію (3): а – зразки нормального твердіння; б – пропарені; –

– – - напружені зразки,
- ненапружені.

Таким чином, експериментально підтверджено, що напружена арматура електрохімічно активніша і може інтенсивніше кородувати. У публікаціях з проблем корозії металів достатньо даних, які підтверджують цю думку. Відомо, наприклад, про сильніше ураження найбільш напружених ділянок обшивки з низьколегованих сталей на морських суднах. За напружень, близьких до границі текучості, швидкість корозії будівельної сталі зростає.

Оскільки корозія високоміцних сталей супроводжується зниженням їх пластичності і зазвичай закінчується крихким руйнуванням, то основною характеристикою їх стійкості повинна бути зміна міцності і пластичності.

Досліджено конструкційну міцність пресованих трубчастих з’єднань арматури зі сталей марок 10 і 20 в агресивних середовищах [1]. З’єднання витримували протягом чотирьох місяців у 10%-х розчинах сірчаної кислоти та 5%-му розчині хлориду натрію. Результати випробувань тривалістю 120 діб наведено в таблиці.

5% розчин NaCl | 10% розчин H2SO4 | Неагресивне середовище

Шифр зразка (номер) | , Т | Шифр зразка (номер) | , Т | Шифр зразка (номер) | , Т

1.9 (10) | 10,2 | 0,95 | 1.11 (10) | 9,1 | 0,86 | 1.13 (10) | 10.6

1.10 (10) | 9,9 | 0,93 | 1,12 (10) | 9,2 | 0,87 | 2.13 (12) | 15,7

2.8 (12) | 14,0 | 0,89 | 2.11 (12) | 12,8 | 0,82——

2.10 (12) | 14,4 | 0,92 | 2.12 (12) | 13,2 | 0,83——

Після витримки в агресивному середовищі з’єднання випробовували на нормальний розрив. Руйнування відбувалося (після витримки у розчині H2SO4) за лінійним крихким механізмом через нормальний розрив та (після витримки у розчині NaCl) нормальним розривом з утворенням незначної шийки пластичних деформацій тільки в межах арматурного стержня.

Результатами досліджень підтверджено: внаслідок впливу розчину H2SO4 матеріал арматури деградує за двома механізмами – водневого розчинення та поверхневої корозії. Перший зумовлений дифундуванням протонів водню H+ у кристалічну структуру матеріалу, внаслідок чого відбувається міжкристалічний скол (аналіз поверхні руйнування це підтверджує), а крім того — хімічне розчинення поверхні стержня та анкерування з утворенням сульфату заліза.

З удосконаленням норм проектування допустиме розкриття тріщин за умови збереження арматури встановлюється все більш диференційовано залежно від двох основних факторів: виду і діаметра арматури, з одного боку, та характеру і ступеня агресивності середовища – з іншого.

Описаний механізм захисної дії бетону потребує уточнення, коли в ньому виявлено тріщини. Практикою підтверджено, що в місцях перетину арматури з тріщинами, які утворились у розтягнутій зоні бетону, сталь піддається корозії. Корозія починається тим раніше і розвивається тим швидше, що агресивніше середовище і ширше розкриття тріщини за інших однакових умов. Однак при поміркованих обмеженнях обох факторів корозія згасає, не досягнувши небезпечного рівня. Це, очевидно, залежить від особливостей арматури: поперечного перерізу стержнів і характеру її корозійної поведінки.

Можливості теоретичного аналізу і прогнозування корозії арматури в тріщинах під час експлуатації конструкцій у повітряно-вологих середовищах і пері-одичного або одностороннього зволоження дуже обмежені. Тому сьогодні такі прогнози будуються на вивченні кінетики корозійного процесу загалом.

Лабораторні дослідження показали, що у перші роки арматура у зоні тріщини з розкриттям більше 0,1—0,2 мм кородує швидше, ніж незахищена сталь, і на повітрі, і під час періодичного зволоження (рис. 7). Більша початкова швидкість корозії стала у тріщинах порівняно з незахищеною (окрім впливу макропор) пояснюється тим, що на поверхні арматури в зоні тріщини бетону довше зберігається волога, ніж на відкритій поверхні сталі. Через 1-2 роки корозія уповільнюється і тим більше, що менше розкриття тріщини.

Рис. 7. Кінетика корозії арматури (глибина виразок, мкм) у зоні тріщини:

а - в атмосферних умовах Львова; б - під час періодичного зволоження;
1 – відкритий стержень; 2-6 - ширина тріщини відповідно 0,6; 0,5; 0,4; 0,3 і 0,2 мм.

Швидкість корозії арматури з тріщинами з малим розкриттям стає меншою від швидкості корозії незахищеної сталі. Це можна пояснити тим, що зростаючий у стислих умовах шар іржі ущільнюється і починає суттєво обмежувати як анодний, так і катодний процеси на поверхні арматури у зоні тріщин. Подібне не спостерігається під час корозії незахищеної сталі, коли утворюються крихкі продукти корозії (іржа).

Із збільшенням розкриття тріщин росте і частота випадків екстремальних значень глибини ушкодження [1] арматури періодичного профілю Ж 8 мм з захисним шаром бетону товщиною 2,5-3,5 см у балках, розміщених знизу у всіх місцях експлуатації.

Експериментальними дослідженнями підтверджено, що тривалість пасивувальної дії середовищ в бетоні залежить в основному від його щільності і товщини захисного шару в арматурі. Капілярно-пориста структура бетону виключає її взаємодію з навколишнім середовищем. З великої кількості видів взаємодії розглянемо такі, які, не руйнуючи бетону, позбавляють його здатності пасивувати сталь. Це, очевидно, будуть процеси, які зумовлюють зниження рН рідкої фази і визначення в ній іонів-депасиваторів, в основному хлорид-іонів. Зниження рН може бути результатом корозії І виду, тобто вимивання фільтруючою м’якою водою. Заходи для запо-бігання такого процесу регламентовані. За їх виконання небезпека ушкоджень для арматури виключається.

Необхідно зауважити, що така дія не завжди передбачається і враховується в будівництві. Для прикладу можна навести настилання підлоги в конвеєрних галереях коксохімічних та інших виробництв, де використовують тонкостінні ребристі плити. Через відсутність гідроізоляції плит зверху вода, яка потрапляє на підлогу галерей з вологих сипучих матеріалів, фільтрується через полиці плит і вимиває вапно. Внаслідок малої довжини полиці (4 см за проектом), нерегламентовану щільність бетону (звичайно, марки М200) і значні відхилення товщини захисного шару від нормативних значень корозія арматури протікає паралельно з корозією бетону і може лімітувати довговічність конструкції.

Аналогічна ситуація у високих залізобетонних арматурних платформах, де атмосферна волога фільтрується через шар пористого асфальту, а потім через бетон. Випадки передчасного руйнування залізобетонних плит у таких спорудах у результаті корозії арматури фіксували неодноразово. Очевидно, коли фільтрація через тонкостінні елементи конструкцій малонапірна, її можна позбутися влаштуванням гідроізоляції, але, мабуть, дешевше забезпечити непроникність бетону вимогливішим підбором складу і ущільненням суміші з відповідним легким режимом поведінки, тим більше, що ці заходи захистять і від передчасного зниження рН в результаті нейтралізації бетону кислими газами атмосфери.

Нейтралізація бетону кислими газами – найбільш типовий вплив, якому піддаються практично всі залізобетонні конструкції, що контактують з повітрям. При цьому найчастіше (під час карбонізації вуглекислим газом, який міститься в атмосферному повітрі, становить за об’ємом 0,03% і більше) міцність бетону не спадає, а навпаки, часто збільшується.

Отримана програма дозволяє у першому наближенні визначити умови тривалого зберігання пасивувальної здатності бетону в захисному шарі. Наприклад, у приміщенні з нормальною концентрацією вуглекислого газу і підвищеною вологістю повітря концентрація з 10-міліметровим захисним шаром щільного бетону і ефективним коефіцієнтом дифузії СО2 не вище 0,2·10–4 може служити 50 років без спеціальних вимог до цементу (під час її виготовлення).

У таких самих умовах можна використовувати бетон дещо меншої щільності, дифузійна проникність якого характеризується не більшим, якщо збільшити витрати портландцементу з високим вмістом СО, або товщину захисного шару (на будь-якому цементі) до 20 мм.

Бетони, які мають високу дифузійну проникність (), придатні, очевидно, тільки для конструкцій у стійких сухих умовах експлуатації, коли карбонізація не сприяє інтенсивній корозії арматури. За отриманого автором номограмою можна наближено оцінити здатність бетону тривало захистити арматуру з урахуванням товщини захисного шару при нормальній концентрації вуглекислого газу і плюсовій температурі (в опалюваних приміщеннях). В умовах підвищеної концентрації СО2, що характерно для багатьох виробничих приміщень не тільки промисловості, а й сільського господарства, зокрема для утримання тварин, зберігання врожаю овочів, необхідно використовувати бетон з підвищеною здатністю чинити опір нейтралізації. Для конструкцій неопалюваних будинків і тих, що експлуатуються на відкритому повітрі, можна дещо понизити вимоги до бетону у зв’язку зі скороченням терміну плюсових температур, а також через сповільнену карбонізацію внаслідок безпосереднього зволоження конструкцій атмосферними опадами [5]. Природно, що тут необхідно враховувати особливості клімату, зокрема тривалість періоду плюсових температур, кількість опадів, силу і напрям переважаючих вітрів, особливо поблизу водоймищ зі солоною водою.

Для середньої смуги Європейської частини країн СНД вплив вологих температурних умов можна врахувати емпіричними коефіцієнтами: для конструкцій в середині опалюваних приміщень – 1, для зовнішніх, захищених від опадів, – 0,5 і зовнішніх, не захищених від опадів, – 0,2–0,3 залежно від умов зволоження і орієнтації граней (верхня, нижня, бокова).

Очевидно, найточніше прогнозування можливе на основі безпосередньої оцінки дифузійної проникності конкретних бетонів у таких же конкретних умовах експлуатації з використанням теоретичної залежності [1]. Можливі два варіанти прогнозу: перший - за глибиною карбонізації бетону у конструкціях за перші кілька років їх експлуатації; другий - на підставі пришвидшеної карбоні-зації зразків бетону з підвищенням концентрації вуглекислоти.

Під час практичного використання розробленого методу необхідно враховувати як неоднорідність бетону за проникністю, так і допустимі за ДСТ 13015-67 відхилення товщини захисного шару бетону у конструкціях від її номінального значення. Методика А.С. Алексеєва і ін. [1] дозволяє для першого варіанта прогнозу визначити ймовірність повної карбонізації захисного шару протягом терміну, який нас цікавить, на підставі поданої вибірки (не менше 50 значень) виміряних на однорідних конструкціях або їх елементах товщин захисного шару і глибин його карбонізації.

Для реалізації другого варіанта прогнозу розроблені установки, в яких вручну або автоматично підтримується оптимальна 10%-на концентрація СО2. Відпрацьо-вано деталі методики, що дозволяє визначити середнє арифметичне, середнє квадратичне відхилення і поле допуску з надійністю 95% для глибини карбонізації зразків бетону. За верхньою межею поля допусків розраховують ефективний коефіцієнт дифузії СО2 і порівнюють його з табличними значеннями для різних концентрацій СО2 на повітрі, товщин захисного шару бетону 10, 15 і 20 мм і термінів експлуатації 20, 50 і 100 років. Передбачено введення понижуючих кое-фіцієнтів до табличних значень відповідно з допустимими за ДСТ 13015-67 зменшеннями нормальної товщини на 3 і 5 мм для товщин захисного шару 15 і 20 мм.

Аналогічну методику [49] розроблено для прогнозування тривалості захисної дії бетону у випадку дифузії через нього хлоридів, швидкість якої прямо залежить від кореня квадратного з показника часу. На основі аналітичного визначення вмісту хлоридів на різній глибині від поверхні бетону розраховують з допомогою одного із конкретних розв’язків рівняння Фіка термін досягнення критичної їх концентрації (0,2-0,3%) маси розчинної частини бетону у поверхні арматури.

У четвертому розділі досліджено корозійну тривкість бетону, залізобетонних будівель та споруд. З’ясовано вплив протикорозійних домішок на характеристики міцності бетону. Вивчено міцність та корозійну тривкість бетонів для балок та перемичок марки М200 з гранітним та андезитним заповнювачами Львівського ЗБК–1 [1, 6]. Встановлено, що за вмісту аеросилу (за об’ємом до 10% і дотримання нормативного водоцементного відношення) нормативна міцність зберігається, але за більших кількостей протикорозійного порошку необхідно використати більше води, через що значно знижується міцність. Розроблено методику випробувань бетону під час поверхневого контакту з агресивним середовищем.

Фазовий склад продуктів взаємодії цементного розчину з HCl визначали на рентгенівському дифрактометрі ДРОН–2,0 ( – випромінювання). Ліній негідратованого портландцементу, а також значних ліній продуктів його гідратації на дифрактограмах не зафіксовано.

Встановлено, що хлоркремнієві домішки найбільше захищають від дифузійного проникнення. Вплив домішок під час корозійного руйнування на першому етапі незначний, бо їх кількість за об’ємом на 3–11% знижувала глибину руйнування порівняно зі звичайним бетоном (лише на 10–15%).

Найкращу тривкість проти дифузійного проникнення хлор-іонів має бетон із гранітним заповнювачем і з максимально допустимим вмістом домішки 11%. Глибина проникнення хлор-іонів у такому бетоні порівняно з бетоном з андезитним заповнювачем без домішок у 3,8 раза менша, а порівняно з цим же бетоном із максимальним вмістом заповнювача – у 1,25 рази.

Встановлено, що аеросильна домішка значно підвищує корозійну стійкість бетону у зв’язку з її дифузійним проникненням, що має важливе значення для захисту арматурних з’єднань і арматурних стержнів у залізобетонних конструкціях.

Міцність бетонних призм досліджено під дією кислотного середовища H2SO4. Методика та характеристика матеріалів та зразків наведені в праці [6], а результати – на рис. 8.

Одночасно в одній серії досліджень завантажували три призми: одну - лише силовим фактором, другу піддавали дії фактора і води, третю - одночасно силового фактора і агресивного середовища.

Встановлено, що бетонні призми в сірчаній кислоті втрачають міцність і руйнуються внаслідок корозії бетону, викликаної хімічними реакціями кислоти зі складниками цементного каменю, які містять кальцій. Результати аналізу та дослідження зразків вказують на те, що корозія протікала пошарово, від зовнішньої поверхні в глибину зразків. Після руйнування процесів корозії в середині перерізів бетонних призм не виявлено, а тільки на поверхневих шарах.

Відсутність приросту деформацій у воді пояснюється набуханням бетону, яке компенсує деформації повзучості і усадки під довготривалим навантаженням. Експериментально отримано характеристики зміни напружено-деформованого стану бетонних призм внаслідок корозійних процесів, а також вивчено характер руйнування зразків.

Результати експериментів дозволять точніше оцінювати напружено-деформований стан бетонних та залізобетонних конструкцій, які експлуатуються в агресивному середовищі.

Натурними дослідженнями ряду залізобетонних будівель та споруд тривалої експлуатації встановлено, що на деградацію залізобетонних конструкцій споруд впливає багато факторів, а саме: напружений стан бетону (арматури), вид та концентрація агресивного середовища, вологість, різні солі, помилки проектування, дефекти будівництва та недоліки експлуатації будівель та споруд.

Запропонована загальна система, яку можна поповнювати додатковими рішеннями, одночасно забезпечуючи комплексний підхід до ремонту різноманітних об’єктів.

На основі досліджень корозії бетону і залізобетону та їх захисту з’ясовано: стальну арматуру захищає від корозії шар, який повинен мати високолужне середовище, що гарантується при рН в діапазоні 10,5–11,5. Якщо бетон карбонізує, тобто величина рН зменшується до 9, починається корозія сталі. Іншою причиною виникнення корозії є тріщини. Руйнування захисного шару та поява в ньому тріщин призводять до доступу кисню в конструкцію і початку електрохімічної корозії арматури (рис. 9).

Виконано комплекс досліджень і руйнування споруд тривалої експлуатації де показано, що основні руйнівні фактори – вологість та солі.

Щоб виявити джерела заволоження, необхідно ретельно обстежувати об’єкт. В випадках засолених місць необхідно провести лабораторний аналіз для визначення кількості та типу солей. Технологію ремонту слід розробити тільки після отримання всіх результатів обстеження. Експериментальні дані обстеження будівель і споруд дозволять створити обгрунтовану технологію ремонтно-відновлювальних робіт та рекомендації щодо застосування сучасних ремонтних матеріалів.

Таким чином, основною причиною корозії арматури в залізобетонних конструкціях є прогресуюча карбонізація внаслідок впливу на бетон кислот. Показано також, що висококонцентровані розчини лугів на хімічних виробництвах суттєво впливають на деструктивні процеси в бетоні. Встановлено, що швидкість корозії залежить не тільки від концентрації середовища, але й від температури. На сьогодні, як показав досвід ремонтно-відновлювальних робіт будівель та споруд тривалої експлуатації, є можливість зупинити корозійні процеси, за допомогою сучасних технологій та матеріалів.

Рис. 10. Швидкість вилучення складових частин цементного каменю портландцементу розчинами NaOH: 1,3 - 5%-й NaOH; 2, 5 - 10%-й; 4 - вода; 2, 4, 5 - 25°C; 1,3 - 75°C; 3, 5 -кількість СаО; 1,2,4- СаО+SіO2+R2O3.

Причини корозії можуть бути різними. Перш за все вона появляється під впливом зовнішніх хімічних або фізичних факторів, інколи за участі механічних. Основні види впливу, які зменшують міцність бетону, наведені в [2, 5, 7, 12].

Основні результати та висновки

1. Узагальнено модель корозійної деградації цементних конгломератів (бетону) з урахуванням структури та фізико-хімічної специфіки корозійного руйнування: вилуження, обміну, хімічних реакцій кристалізації солей.

2. Розроблена методика визначення корозійної тривкості та довговічності залізобетонних конструкцій, яка дає можливість врахувати фізико-механічні властивості деградованого бетону і встановити залишковий ресурс експлуатації споруди.

3. На основі аналізу диференційних рівнянь кінетики руйнування та умов збереження мас речовини під час конвективно-дифузійного масопереносу встановлена глибина корозійного пошкодження; аналітичні результати підтверджено експериментальними даними.

4. Показано, що міцність арматурних стержнів та їх з’єднань у 5%-му розчині NaCl (протягом 120 діб) зменшилась при діаметрі арматури: d = 10мм – на 5–7%, а d = 12мм – на 8_%; а в 10% Н2SO4 відповідно на 13–14% та 17–18% порівняно з інертним середовищем.

5. Встановлено, що бетонні призми в сірчаній кислоті втрачають міцність і руйнуються внаслідок корозії бетону, яка викликана хімічними реакціями кислоти зі складниками цементного каменю, що містять кальцій.

Відсутність приросту деформації у воді пояснюється набуханням бетону, яке компенсує деформації повзучості і усадки під довготривалим навантаженням. Отримано характеристики зміни напружено-деформованого стану бетонних призм внаслідок корозійних процесів та встановлено крихкий характер руйнування зразків.

6. На основі аналізу дифузійного проникнення та зміни електрохімічних параметрів встановлено оптимальну концентрацію аеросильної домішки до бетону, яка підвищує його корозійну стійкість.

7. Оптимізовано компонентний склад полімерних композиційних матеріалів на епоксидній основі та розроблені пропозиції щодо захисту та замонолічу-вання залізобетонних конструкцій цими матеріалами; встановлено фізико-хімічні характеристики полімерних композицій на акриловій основі і перспективність їх