ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Макаренко Ольга Валеріївна

УДК 666.97:620.193

ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ КОРОЗІЇ БЕТОНУ В АГРЕСИВНИХ СЕРЕДОВИЩАХ ОБ'ЄКТІВ РУДОПІДГОТОВЧОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів та виробів” у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Чернявський Вячеслав Леонідович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри „Фізико-хімічної механіки і технології будівельних матеріалів та виробів”.

Офіційні опоненти – доктор хімічних наук, професор

Плугін Аркадій Миколайович, Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри „Будівельних матеріалів, конструкцій і споруд” (м.Харків).–

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент

Дубницький Валерій Юрійович, Харківський банківський інститут, кафедра „Вищої математики та інформаційних технологій”.

Провідна установа – Харківський національний автомобільно-дорожній університет Міністерства освіти і науки України, кафедра „Будівництва та експлуатації автомобільних доріг”.

Захист відбудеться 29.11. 2005 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розіслано 26.10.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доц. _______________ О.Ю. Крот

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Схильність до корозійного руйнування є найбільш істотним недоліком будівельних об'єктів з бетону і залізобетону, усунення якого, як правило, пов’язане зі значними матеріальними витратами. За даними експертних оцінок в Україні втрати від корозії зіставляють до 4,5% національного доходу, які можуть бути істотно знижені завдяки постійному вивченню особливостей взаємодії зазначених матеріалів з експлуатаційними середовищами, а також розвитку наукових підходів до сучасних методів технічної діагностики та коректуванню діючих уже кілька десятків років нормативно-інструктивних документів. Під час розробки діючого на даний період СНиП 2.03.11–85 “Защита строительных конструкций от коррозии” не приймалася до уваги наявність пристосувальних можливостей бетону як основного матеріалу більшості будівельних об'єктів. Причиною цього було природне прагнення укладачів зазначеного документа до прискореного визначення корозійної стійкості бетонів різного складу та властивостей за рахунок багаторазового підвищення концентрацій у воді-середовищі так званих “агресивних іонів”. Відомі випадки, коли під час обстеження бетонних і залізобетонних конструкцій після різних строків експлуатації спостерігалося не лише зниження, але й тимчасове, іноді досить тривале за часом, поліпшення їх фізико-механічних характеристик у разі дії середовищ певних видів та ступеня агресивності. Тому дослідники не завжди коректно могли кількісно оцінити корозійні процеси в реальних експлуатаційних середовищах, значна частина яких характеризується складним складом і часто мінливим ступенем агресивності. Таким чином, варто вважати, що тема дисертаційної роботи з імітаційного моделювання корозії бетону і прогнозування довговічності залізобетонних конструкцій у реальних експлуатаційних середовищах принципово актуальна не лише для наукової сфери бетоноведення, але й для експлуатації промислових (в тому числі об’єктів рудопідготовчого виробництва) та цивільних залізобетонних конструкцій в Україні і в країнах СНД, де діють сучасні нормативні документи щодо проектування, зведення, експлуатації та ремонту будинків і споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичну й експериментальну основи дисертації складають дослідження, що здійснювались у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури в рамках державної програми 2003...2005 років. “Розробка наукових основ адаптивності бетону та її практичні додатки для забезпечення якості та довговічності будівельних конструкцій” (протокол НТР № 30 від 04.04.02 р., наказ МОН № 633 від 05.11.02 р.) за напрямом „Технології будівництва, дизайн, архітектура”.

Метою дисертаційної роботи є розробка методу оцінки корозійного стану бетону і прогнозування терміну служби будівельних конструкцій, що перебувають у складних, практично неконтрольованих агресивних середовищах; імітаційне моделювання корозійних процесів і розробка засобів щодо забезпечення довговічності залізобетонних конструкцій на заданий період експлуатації в умовах, типових для об'єктів рудопідготовчого комплексу підприємств чорної металургії.

Задачі досліджень:

1. Одержання експериментальних даних для опису фізико-хімічних процесів, що відбуваються в бетоні під час складних експлуатаційних впливів, включаючи структуроруйнівні та структуроутворюючі їх різновиди.

2. Аналіз отриманих даних про утворюючі та руйнівні процеси в бетоні і їх використання під час оцінки корозійного стану бетону лабораторних зразків та реальних конструкцій різних строків експлуатації.

3. Побудова дослідницької моделі для оцінки корозійного стану бетону реальних будівельних конструкцій.

4. Імітаційне моделювання утворюючих та руйнівних процесів у бетоні й використання отриманих результатів:

·

·

·

5. Практична перевірка ефективності розробленого методу прогнозування періоду збереження захисних властивостей бетону відносно сталевої арматури реальних будівельних конструкцій під час їх обстеження і ремонту.

Об'єкт дослідження – будівельні конструкції з бетону та залізобетону, що експлуатуються в умовах техногенних корозійно-активних середовищ.

Предмет дослідження – механізми й моделі процесів, що відбуваються в цементному бетоні під час складних температурно-вологісних агресивних впливів у присутності агресивних середовищ.

Методи дослідження. Наведені в роботі результати, отримані аналітичним і експериментальним шляхами з залученням комплексу незалежних методів: фазового рентгенівського, петрографічного, електрохімічного аналізу та методу імітаційного моделювання.

Наукову новизну роботи складають:

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи знайшли відображення під час обстеження, складання рекомендацій і виконання ремонту залізобетонних конструкцій проїзної частини Ігренського мосту через р.Самара і Амурський міст № 1 через р.Дніпро в м.Дніпропетровську. Зазначені ремонтно-відбудовчі роботи здійснені АТ “Альпсервис” протягом 2002...2003 р.

Результати дисертаційної роботи послужили науково-практичною основою „Технологічного регламенту з підготовки залізобетонних конструкцій для нанесення ремонтних складів „ТР-218-02071168-362-2004, Київ, 2005 (розділ 3, стор. 13...17; додаток А стор. 27, 28; додаток Б, стор. 30...32 цього документу)”. Робота виконана відповідно до державного замовлення для Державної служби автомобільних доріг України.

На підставі наукових і практичних матеріалів дисертаційної роботи випущені методичні вказівки до виконання лабораторних робіт і курсової роботи з навчальної дисципліни “Технологія ремонту і експлуатація будівельних конструкцій”. Дана навчальна дисципліна вивчається студентами, яких готують на рівень бакалаврів за напрямом 0921 “Будівництво”, спеціальностей 6.0921.00 “Промислове і цивільне будівництво”, “Гідротехнічне будівництво” і спеціалістів та магістрів спеціальності 7.0921.04, 8.0921.04 “Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів”.

Особистий внесок здобувача. Всі положення і результати, що виносяться на захист, отримані автором у спільних теоретичних і практичних роботах. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належить: в [1,2]– механізм взаємозв'язку утворюючих і руйнівних процесів у бетоні під час складних агресивних впливів, в [2, 4] – модель оцінки і прогнозування терміну служби бетону в захисному шарі будівельних конструкцій за ресурсом фізичних та фізико-хімічних протикорозійних властивостей, в [5] – розробка методики взаємозамінності параметрів бетону, які визначають його корозійний стан, в [6] – пояснені параметри діаграми зміни оцінки корозійного стану бетону, в [1,3,7] – розроблені пропозиції щодо практичного застосування отриманих результатів під час розрахунку прогнозованого періоду збереження бетоном захисних властивостей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень доповідалися та обговорювалися на наукових конференціях у Харківському державному університеті (19–20 березня 2002р. на 1-й обласній конференції молодих вчених), на 57-й НТК в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (квітень 2002р.), у квітні-травні 2002 р. – на 5-й міській конференції молодих вчених у м. Харкові, на 58-й НТК в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (травень 2003 р.), на 53-й Міжнародній конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будинків і споруджень” в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (жовтень 2003 р.), на 59-й НТК в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (квітень 2004 р).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 7 статтях у збірниках наукових праць (із них 5 входять до переліку ВАК України); одна з них опублікована без співавторів.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури з 168 джерелами. Загальний обсяг роботи складає 148 сторінок, у тому числі: 119 сторінок основного тексту, 30 рисунків, 12 таблиць, 17 сторінок списку літератури та 5 сторінок додатків про втілення практичних рекомендацій дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми та необхідність виконання досліджень, пов'язаних з оцінкою корозійного стану бетону в зразках і реальних будівельних конструкціях, сформульовані мета та задачі досліджень, показана наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі аналізуються особливості експлуатаційного середовища об'єктів рудопідготовчого виробництва. Встановлено, що в процесі служби будівельних конструкцій в цементному бетоні протікають незворотні процеси, що викликають зміну його функціональних властивостей, які перебувають у взаємозв'язку один з одним та з параметрами зовнішнього середовища. До них відносяться процеси, в результаті яких відбувається руйнування зв'язків між компонентами матеріалу з утворенням тріщин, пор, ослаблених ділянок та ін.; процеси, пов'язані з гідратоутворенням, а також процеси, в результаті яких на місці пор, тріщин або гідратних фаз формуються продукти корозії, функції яких носять двоїстий характер. Продукти корозії, як і продукти пізньої гідратації, на початку періоду служби сприяють підвищенню непроникності й міцності бетону. Потім корозійні процеси інтенсифікуються, що в кінці приводять до зниження її непроникності та міцності на пізніх стадіях існування бетону.

Усі обстежені конструкції об'єктів рудопідготовчого виробництва умовно було розділено на дві частини з урахуванням результатів фізико-хімічних досліджень корозійного стану бетону обстежуваних конструкцій.

До першої частини віднесені наступні об'єкти: збагачувальна фабрика з магнітним методом збагачення (перевантажувальні вузли та конвеєрні галереї обпаленої руди), агломераційна фабрика (головний корпус, приміщення розподільних конвеєрів шихти, фабрика окомкування (конвеєрні галереї, навантажувальні та розвантажувальні вузли окатишів). Для бетонів цих конструкцій характерні наступні ознаки. Наприклад, бетон фундаменту агломераційної фабрики Макіївського металургійного заводу, який протягом 17 років піддавався дії ґрунтових і промислових вод, має розрихлену структуру: загальна макропористість досягає 30...35% на поверхні зразка та 20...25% поблизу арматури. Внутрішня поверхня пор виконана голчасто-волокнистими агрегатами високосульфатної форми гідросульфоалюмінату кальцію з прошарками, що складаються з продуктів карбонізації, в основному кальциту. Окремі кристалічні утворення, віднесені до двоводного гіпсу, типові в основному для зон ослаблення та для тріщин. Останні заповнені продуктами корозії на 70...90% навіть у поверхневій зоні бетону. Кількість клінкерних залишків у поверхневих зонах становить близько 15%, у більш глибоких – приблизно в півтора рази більше. Кристалічний гідроксид кальцію спостерігали лише в окремих випадках.

Друга частина включає такі об'єкти: агломераційну фабрику (приміщення первинного змішування шихти під час підігріву, шихти повернення, конвеєрні галереї повернення), головний корпус (приміщення охолодження повернення й розподілення конвеєрів). Результат тривалого перебування будівельних конструкцій у подібних обставинах характеризують наступні дані. Наприклад, бетон у захисному шарі балки залізобетонного перекриття головного корпусу аглофабрики Криворізького металургійного комбінату поблизу джерела тепловиділень придбав тріщинувату структуру, пори в основному неправильної форми, що часто поєднані між собою. Повсюди спостерігаються зони ослаблення на контакті цементного каменю й заповнювача. Пори й тріщини лише частково (на 50...70%) заповнені продуктами корозії, серед яких виділяються кальцит і гіпс. В'яжуча складова бетону представлена гідросилікатною фазою змінного складу. Присутність клінкерних залишків відзначено в усіх пробах, у кількості 15...30%, кристалічний гідроксид кальцію спостерігається в незначних кількостях, а частка дефектних ділянок становить не менше ніж 25%.

Аналіз сутності та особливостей утворюючих і руйнівних процесів у бетоні показав, що їх наявність і різноманіття в прояві є тією необхідною умовою, що забезпечує реалізацію пристосовування цементних матеріалів до середовища їх експлуатації, спочатку поліпшуючи, а потім погіршуючи корозійний стан конструкцій.

У другому розділі аналізуються існуючі види моделей для оцінки й прогнозування корозійного стану бетону, які можна розділити на кілька умовних груп.

До першої групи входять методи, засновані на визначенні параметрів процесів корозії бетону під дією хімічно активних середовищ шляхом розв’язання диференціальних рівнянь у частинних похідних типу рівняння дифузії. Тут успішно проявилася спроба визначення необхідних констант для цих рівнянь досвідченим шляхом. Так, способи знаходження констант взаємодії складових, що характеризують інтенсивність цементного бетону зі строго певними видами агресивного середовища, запропоновані С.М.Алексеєвим і М.К.Розенталем (метод визначення глибини нейтралізації бетону), В.Б.Ратиновим (метод обертового диску), В.М.Москвиним і Є.А.Гузеєвим (метод визначення кількості цементного каменю, що прореагував з агресивним середовищем), школою А.Ф.Полака (метод оцінки зміни в концентрації складових цементного каменю в розчині, що омиває зразок), а також розробки Б.В.Гусєва та О.С.Файвусовича, що засновані на фундаментальних положеннях процесів масоперенесення в реальних будівельних конструкціях. Виходячи з даних про швидкості взаємодії середовища і цементного матеріалу, автори перерахованих методів знаходять очікувану глибину руйнування за певний період часу. Методи першої групи орієнтовані в основному на вивчення таких взаємодій, в яких переважне місце займають процеси корозії першого або другого виду, коли в бетоні чітко фіксується границя корозійних перетворень. Принципово важливими є роботи Української школи В.І.Бабушкіна та А.М.Плугіна, що базуються на фундаментальних положеннях колоїдної хімії та фізико-хімічної механіки.

До другої групи відносяться статистичні методи, в яких будується регресійна залежність, аргументами якої є параметри складу матеріалу, умови його виготовлення, а функцією – вихідна характеристика. Ці методи успішно розвиваються і використовуються школою В.А.Вознесенського.

До третьої групи можуть бути віднесені методи прогнозування, засновані на теорії розпізнавання образів, які були вперше розроблені в Харківському Промбуднііпроекті (В.Л.Чернявський зі співробітниками). Цими авторами було показано, що в умовах, коли діють фактори, що викликають спільне протікання різних видів корозії в умовах перемінних температурно-вологісних агресивних впливів, на окремих етапах прогнозування найбільш прийнятними будуть саме ці методи, так як вони дають можливість використовувати раніше накопичені в лабораторних архівах дані для підвищення вірогідності оцінок, а самі оцінки, будучи багатопараметричними, досить повно описують стан матеріалу за комплексом ознак.

Для вивчення функціонального стану бетону і руйнівних та утворюючих процесів його взаємодії з активним середовищем використана структурно-функціональна модель, що заснована на об'єднанні структурних компонентів цементного каменю в блоки за принципом спільності суттєвих властивостей окремих компонентів, що складають ці блоки (школа О.П.Мчедлова-Петросяна). Функціонування моделі забезпечують взаємні переходи її компонентів, інтенсивність яких залежить від середовища і впливає на співвідношення утворюючих та руйнівних процесів у матеріалі, згідно з адаптаційно-корозійним механізмом (В.Л.Чернявський). Відносний вміст негідратованих цементних зерен позначене через V1; відносний вміст гідратних утворень – через V2; відносний вміст порожнеч у вигляді пор, тріщин (r=10-5 м) – через V3; відносний вміст продуктів корозії, а також включень із різко зниженими міцнісними та деформативними характеристиками – через V4. Зв'язки між блоками Vi (i=1,…,4) подані у вигляді коефіцієнтів ij, що відображають утворюючі (утворення V2) і руйнівні (утворення V3 і V4) процеси.

Аналіз результатів планіметричних визначень, виконаних завдяки консультації О.Г.Ольгінського, а також оцінка відносного вмісту цементних реліктів, гідратних утворень і продуктів корозії показують, що в різний час існування цементного каменю між швидкостями утворюючих та деструктивних процесів існують певні залежності. У результаті ідентифікації моделі описаний внесок складових

утворюючих процесів

(1)

і руйнівних процесів

(2)

у результуючу характеристику

С(m) = А(m) – В(m) (3)

При цьому досить чітко визначена стадійність процесу взаємодії цементного каменю (бетону) з активним середовищем (рис.1): стадія переважного утворення, коли А(m) > В(m);стадія переважного руйнування, коли А(m) < В(m). Природньо, що на першій стадії механічні та протикорозійні властивості бетону покращуються, а на другій – навпаки.

Рис. 1. Схема взаємодії цементного каменю з активним середовищем

Досвід свідчить про те, що в середовищах слабкої і в меншій мірі – середнього ступеня агресивності перша стадія триває значний час, який цілком співвимірюваний з тривалістю другої стадії. При цьому тривалість кожної з них залежить не лише від характеристик середовищ, але й від захисних властивостей власне бетону. Це необхідно враховувати під час прогнозування функціонального стану бетону та визначення періоду служби конкретних будівельних конструкцій.

На даний час відсутні доведені до кількісних залежностей методи оцінки функціонального стану цементного бетону, що перебуває в умовах складних, нестаціонарних, часто неконтрольованих впливів. Оцінку функціонального стану бетону пропонується виражати добутком:

, (4)

де xit – значення i-ої ознаки на момент обстеження (поточне значення); xik – значення i-ої ознаки, що відповідає вичерпанню його ресурсу (граничне значення).

Оцінка St вводиться після визначення, тобто вимірними є лише аргументи функції оцінки, а сама вона визначається розрахунком за формулою (5) і повинна відповідати наступним вимогам: значення оцінки St є функцією ресурсу за кожним із вхідних в неї параметрів; ресурсом за даним параметром вважається різниця поточного та граничного значення |xit-xik|, величина xik визначається конкретними умовами служби бетону в конструкції; значення St збільшується (зменшується), якщо хоча б одна з величин |xit-xik| зростає (знижується); існує пряма залежність між величиною початкової оцінки St(0) і стійкістю бетону в даному середовищі рівним (у середньому) початковим оцінкам St(0) поза залежністю від значення ресурсу кожного з параметрів, що входять в оцінку, відповідають рівні (у середньому) за тривалістю періоду стійкості бетону в даному середовищі.

Опорність бетону агресивним впливам залежить від головних властивостей, що формують його проникність і реакційну (хімічну) активність стосовно даного середовища, наприклад, капілярного водопоглинання (w) і величини рН водної витяжки відповідно. Таким чином, на наш погляд, міра корозійного стану (St) може бути виражена як функція ресурсу за модулями кожного з зазначених параметрів:

(5)

де індекси t і k відповідають поточному й гранично припустимому значенням w і рН (wk=7%, рНk=11,5). У разі досягнення останніх бетон захисного шару втрачає свої захисні властивості (припиняє виконувати функції первинного захисту згідно СНиП 2.03.11–85).

У третьому розділі розроблені методичні особливості аналітичних досліджень процесів взаємодії бетону будівельних конструкцій, що піддаються складним агресивним впливам.

Для спостереження за процесами, що відбуваються в бетонах марок за водонепроникністю W4 і W8, що виготовлені на портландцементах марки М400 в умовах складних агресивних впливів (циклічна дія нагрівання та сульфатвміщуючого середовища) був використаний комплекс незалежних методів фізико-хімічного аналізу, що включає фазовий рентгенівський, петрографічний, електрохімічний і гравітаційно-капілярний методи в умовах строгого статистичного забезпечення оцінки експериментальних результатів.

Значення параметрів оцінки функціонального стану бетону (міцності при стиску, капілярного водопоглинання, рН водної витяжки з в'яжучої складової) одержували на зразках указаних бетонів, що піддавалися в лабораторних умовах періодичному нагріванню при температурі 600С и зволоженню в водяному розчині сульфату натрію (15 тис. мг/л іонів ). Таким чином було обчислено величини показника корозійного стану цих бетонів на різних етапах взаємодії бетону і агресивного середовища.

Описано методику оцінки впливу параметрів корозійного стану на оцінку стану St і прогнозований період Тп експлуатації бетону, а саме збереження бетоном захисних властивостей відносно сталевої арматури залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в складних агресивних середовищах.

Прогнозований період збереження бетоном властивостей первинного захисту Тп визначають з виразу

(6)

де Тe – час (роки) від початку експлуатації до нинішнього обстеження, S0 – міра корозійного стану, що відповідає початку дії експлуатаційного середовища, St – характеристика корозійного стану на момент обстеження, що визначається за формулою (5).

Головними умовами, що визначають можливість прогнозування часу збереження бетоном властивостей первинного захисту, є такі:

· час, що відповідає значенню St0, включає експлуатаційний період від початку впливу до моменту обстеження Те та прогнозований період від моменту обстеження до вичерпання бетоном ресурсу за тривалістю Тп;

· в обох періодах при незмінних параметрах експлуатаційного середовища швидкість вичерпання бетоном ресурсу за станом приймається постійною;

· величина Тп істотно залежить від величини витраченого ресурсу за станом і тісно пов’язана зі значенням міри оцінки початкового стану бетону будівельної конструкції.

Оцінка St має наступні властивості: величина St зростає (спадає), якщо хоча б один із параметрів (pHt, wt) зростає (спадає) при незмінності інших; оцінка St=0 у разі вичерпання ресурсу хоча б за одним з параметрів (xit=xik). Якщо величина xit виходить за межі припустимої області, що обмежена xik, вона приймається рівною xik.

Для встановлення конкретних граничних значень оцінки корозійного стану бетону були реалізовані спеціально розроблені алгоритми чисельного імітаційного моделювання.

Четвертий розділ присвячений отриманню та статистичній обробці експериментальних даних, які становлять основу імітаційного моделювання. Механізм процесів, що відбувались в бетонних зразках при визначених впливах агресивного середовища було визнано як ідентичний до корозійно-адаптивного механізму руйнування бетонів, що піддавались впливу корозійно активного середовища в експлуатаційних умовах для другої групи конструкцій об'єктів рудопідготовчого виробництва. Підставою для цього твердження були значення вмісту головних компонентів (негідратованих часток в’яжучого V1, гідратних утворень V2, порожнеч V3 і продуктів корозії V4), а також фізико-хімічний склад новоутворень (переважно кальцит та двоводневий гіпс) близькі до значень, отриманих для реальних конструкцій другої групи об’єктів рудопідготовчого виробництва (див. розділ 1). За отриманими даними (рис.2) була розрахована міра корозійного стану St для кожного із складів бетонів (рис.3). Номери на графіках (рис. 2,3) відповідають номерам складів бетонів.

а

б

Рис.2. Зміна значень міцності (Rст) капілярного водопоглинання (w) і лужності водної витяжки (рН) у процесі корозійних випробувань бетонів марок за водонепроникністю W4 (a) та W8 (б)

На рис. 3 видно описані в розділі 2 (рис.1) дві стадії протікання переважно утворюючих і руйнівних процесів. Характерним є те, що стан бетону (рис.2) у деякі періоди часу випробувань суб'єктивно сприймається за кращий (наприклад, стан по закінченні 100 циклів для бетону W4, якому відповідає максимум на графіку зміни міцності) не збігається з максимальним значенням міри корозійного стану для цього бетону.

Рис. 3. Зміна в часі величини St бетонів марки за

водонепроникністю W4 (1, 2) і W8 (3, 4)

Крім того, на кривій 2 (рис. 3) суттєве збільшення оцінки корозійного стану не спостерігається, можливе лише деяке загасання руйнівного процесу. Отриманий експериментальний результат підтверджує припущення про те, що оцінку протикорозійних властивостей бетону в умовах дії водних сульфатвміщуючих середовищ і підвищених температур доцільно робити за групою характеристик, що відбивають його міцність, проникність і хімічну стійкість. Перераховані характеристики можна вважати істотними, так як їх сукупність досить повно визначає довговічність бетону як конструкційного матеріалу. При цьому не можна стверджувати, що екстремальні значення досліджених параметрів бетону збігаються за часом.

У п'ятому розділі було використано метод імітаційного моделювання утворюючих і руйнівних процесів у бетоні для оцінки впливу на прогнозований термін експлуатації Тп початкових та порогових значень параметрів рН та w.

Натурними обстеженнями встановлено, що для ряду конструкцій у разі досягнення одним з параметрів корозійного стану свого порогового значення, за другим параметром ресурс ще не вичерпаний, при цьому корозія сталевої арматури поки що може ще не спостерігатися. Запропонований метод дозволяє досліджувати вплив граничних значень параметрів, що входять до оцінки стану, на прогнозований термін служби конструкції Тп; взаємозамінність параметрів, що визначають корозійний стан бетону.

Оцінено вплив граничного значення показника лужності (рНк) водної витяжки з в’яжучої складової бетону на величину прогнозованого терміну (Тп) збереження цементним бетоном марок водонепроникністю W4 і W8 захисних властивостей відносно сталевої арматури. Існують дані про те, що граничні значення задовільного з точки зору захисних характеристик бетону реальних конструкцій, іноді становлять 11, а в окремих випадках – 10,5 одиниць рН рідкої фази бетону. В роботі проаналізована зміна терміну Тп для бетонів на портландцементі при зміні порогових значень показників лужності водної витяжки з в’яжучої складової бетону рНк та капілярного водопоглинання wk. За розрахунками для бетону з параметрами рНt =12,0 та wt=6% при зниженні порогового значення рНк відбувається значне збільшення Тп. Так, для бетонів марки за водонепроникністю W4 при зменшенні із рНк 11,5 до 10,0 одиниць значення Тп збільшується в 1,5...3,5 раза (рис.4). Для бетонів марки за водонепроникністю W8 Тп збільшується в 1,5...2 раза.

Для ряду бетонів, що експлуатуються в умовах повної насиченості водою, що містить агресивні речовини, втрата бетоном захисного шару пасивуючих властивостей по відношенню до арматури може відбуватися при значеннях водопоглинання, менших за ті, що прийняті у нормативних документах.

Вплив порогового значення капілярного водопоглинання wк бетону на прогнозований термін збереження бетоном захисних функцій по відношенню до арматури показано моделюванням зменшення граничного значення капілярного водопоглинання з wk=7% до 6,3%.

а б

Рис. 4. Зміна Тп при зменшенні порогового значення показника лужності рНк в’яжучої складової для бетону класу за водонепроникністю W4 (а) та W8 (б)

Для бетонів марки за водонепроникністю W4 прогнозований термін Тп зменшується на 40...50% (рис.5). Для бетонів марки за водонепроникністю W8 прогнозований строк Тп зменшується на 60...70%.

а б

Рис. 5. Зміна Тп при зменшенні порогового значення капілярного водопоглинання wk для бетону класу за водонепроникністю W4 (а) та W8 (б)

Розраховано ступінь взаємозамінності, згідно з пропозиціями Г.Б.Клейнєра та А.І.Пліса, параметрів, що визначають корозійний стан бетону St: показника рНt водної витяжки і капілярного водопоглинання wt. Компенсування погіршення показника водопоглинання wt на 1% поліпшенням показника рНt водної витяжки на 0,36...0,46% для бетону марки за водонепроникністю W4 і на 0,13...0,21% – для бетону марки W8 (табл.1).

Таблиця 1

Параметр, що заміщується

Параметр, що замінює | w | pH

W4 | W8 | W4 | W8

w | W4 | 1 | - | -2,2…-2,8% | -

W8 | - | 1 | - | -4,8…-7,7%

pH | W4 | 0,36…0,46% | - | 1 | -

W8 | - | 0,13…0,21% | - | 1

Норми заміни параметрів корозійного стану

На рис. 6 наведені результати моделювання взаємозв'язку двох характеристик бетону, рН водної витяжки та капілярного водопоглинання w, які за інших рівних умов визначають його захисні властивості для бетонних і залізобетонних конструкцій, що перебувають у складних експлуатаційних умовах. Лінії рівня в координатах „w-рН” можуть бути використані під час визначення початкових та оцінки поточних параметрів бетону „умовно рівних за довговічністю” в перерахунку на показник корозійного стану St, конкретно для бетону марки за водонепроникністю W8 (розрахунки виконані за участю Ю.Б.Гіля).

Аналіз отриманих результатів показує принципову можливість взаємної компенсації параметрів бетону, що істотно визначають довговічність бетонних і залізобетонних конструкцій. Описаний підхід може бути використаний не лише під час проектування та виготовлення будівельних конструкцій на заданий термін служби, але й під час вибору засобів забезпечення довговічності конструкцій з бетону й залізобетону, коли стоїть питання про видалення або про збереження частково прокородованого бетону, а також під час вибору матеріалів для його вторинного захисту.

Рис. 6. Лінії рівня оцінки корозійного стану St (значення St – 0,001;
0,003; 0,007; 0,01; 0,014; 0,017; 0,021; 0,024; 0,028; 0,031)

ЗАГАЛЬНІ висновки

1. Аналіз літературних джерел і власних досліджень будівельних конструкцій, що існують на території України та країн СНД будинків і споруд підприємств чорної металургії показує, що корозійний стан ряду об'єктів викликає побоювання з приводу їх експлуатаційних характеристик і вимагає проведення спеціальних досліджень з метою оцінки та прогнозування терміну служби будівельних конструкцій, що виконані з бетону та залізобетону.

2. Технологічні ділянки будівельних об'єктів рудопідготовчого виробництва, що входять до переліку підприємств чорної металургії, згруповані за подібністю ознак руйнівних (сульфатизація, карбонізація, вилужування компонентів бетону) та утворюючих (гідратація цементних реліктів, кольматація капілярно-порового простору) процесів, що відбуваються в бетоні захисного шару залізобетонних конструкцій.

3. Для опису процесів взаємодії бетону із складним експлуатаційним середовищем використана структурно-функціональна модель, що заснована на об'єднанні структурних компонентів цементного каменю в блоки за принципом спільності їх функціональних властивостей у структурі бетону. Модель враховує взаємні переходи її компонентів, інтенсивність яких істотно залежить від реакційної активності середовища і впливає на співвідношення утворюючих і руйнівних процесів у матеріалі.

4. Проаналізовано метод прогнозування терміну служби залізобетону за характеристиками корозійного стану бетону захисного шару (до арматури) за групою ознак, що забезпечують міцнісні властивості, проникність і хімічну активність у конкретному середовищі. Розроблено методичну основу аналітичних досліджень процесів взаємодії бетону будівельних конструкцій, що піддаються складним агресивним впливам. Для оцінки впливу зміни оцінки корозійного стану бетону на величину прогнозованого терміну служби використане поняття еластичності функції за аргументом, що показує на скільки одиниць зміниться ця оцінка при заданій зміні аргументу на одну одиницю.

5. Складено послідовність обчислення операцій для визначення стійкості бетону в заданих експлуатаційних умовах за двома експериментально спостережуваними характеристиками: величиною капілярного водопоглинання бетону та значенням рН водної витяжки з в'яжучої складової бетону. Визначено граничні значення цих параметрів, що гарантують пасивний стан сталевих арматур у бетоні, на підставі чого наведена методика визначення періоду збереження бетоном властивостей первинного захисту.

6. Для отримання значень параметрів оцінки функціонального стану бетону (міцності під час стиску, капілярного водопоглинання, рН водної витяжки з в'яжучої складової) обчислені величини показника корозійного стану цих бетонів на різних етапах взаємодії бетону та агресивного середовища, а також виконані експериментальні дослідження бетонів марок за водонепроникністю W4 і W8, що піддавалися періодичному нагріванню та зволоженню в сульфатвміщуючих водяних розчинах.

7. За допомогою імітаційного моделювання утворюючих та руйнівних процесів, що відбуваються в бетоні експлуатованих конструкцій, вирішені завдання, що дозволяють позитивно оцінити ефективність запропонованого підходу під час прогнозування терміну служби будівельних конструкцій з бетону і залізобетону.

8. Оцінено вплив граничного значення показника лужності (рНк) водної витяжки з в'яжучої складової бетону на величину прогнозованого періоду (Тп) збереження цементним бетоном марок за водонепроникністю W4 і W8 захисних властивостей відносно сталевої арматури. При зниженні (лібералізації вимог до показника Тп) граничного значення рНк із 11,5 до 11,0 і з 11,5 до 10,5 одиниць значення Тп збільшується в 1,5...2,5 раза і 2,5...3,5 раза відповідно.

9. Оцінено вплив граничного значення капілярного водопоглинання (wк) бетону марок за водонепроникністю W4 і W8 на величину прогнозованого періоду збереження бетоном захисних властивостей (Тп). При зменшенні граничного значення капілярного водопоглинання від wk=7,0% до 6,3% прогнозований строк Тп зменшується на 40...70%.

10. Розраховано ступінь взаємозамінності параметрів, що визначають корозійний стан бетону St: показника рНt водної витяжки та капілярного водопоглинання wt. Компенсування погіршення показника водопоглинання wt на 1% поліпшенням показника рНt водної витяжки на 0,36...0,46% для бетону марки за водонепроникністю W4 і на 0,13...0,21% – для бетону марки W8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Чернявский В.Л., Гиль Ю.Б., Макаренко О.В. Имитационное моделирование адаптации бетона. // Науковий вісник будівництва. Вип. 13. – Харків, ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2001. – С. 253...260.

2. Гиль Ю.Б., Макаренко О.В. Оценка функциональных свойств бетона строительных конструкций после непредусмотренных воздействий внешней среды. // Вісник Харківського національного університету № 551. Серія: Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м.Харкова. Частина 2, Харків, 2002. Розділ 9. Розвиток міського господарства, будівництва та інфраструктури життєзабезпечення Харківського регіону. С. 4...9.

3. Чернявский В.Л., Гиль Ю.Б., Макаренко О.В. // Влияние структуры бетона на экологическую безопасность и долговечность конструкции строительных объектов. Академия строительства Украины. Северо-Западное территориальное отделение. Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования. Ровенский государственный центр. Структура, свойства и состав бетона, вопросы теории бетоноведения и технологической практики. Материалы ІІ научно-практического семинара 10-11 сентября. Ровно, 2002. _С.132...138.

4. Прогнозирование срока службы строительных объектов из бетона и железобетона. // В.Л.Чернявский, Ю.Б.Гиль, О.В.Макаренко, Л.А.Козынко. Структура и свойства искусственных конгломератов. Новосибирск 2002-2003. Новосибирский государственный технический аграрный университет. Российская академия естественных наук. Структура и свойства искусственных конгломератов. Международный сборник научных трудов, г.Новосибирск, 2003. – С. 39...42.

5. Чернявский В.Л., Гиль Ю.Б., Макаренко О.В. Взаимокомпенсируемость ресурсов функционального состояния бетона строительных конструкций в агрессивных средах. // Академія будівництва України. Український державний університет водного господарства та природокористування. Північно-Західне територіальне відділення. Ровенський державний центр. Ресурсо-економні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Вип. 9. _Рівне, 2003. _ С.354...359.

6. Гиль Ю.Б., Макаренко О.В. Взаимокомпенсируемость ресурсов функционального состояния бетона строительных конструкций в агрессивных средах. // Науковий вісник будівництва. Вип. 23. – Харків, ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2003. – С. 97...100.

7. Макаренко О.В. Прогнозирование срока службы железобетонных конструкций // Науковий вісник будівництва. Вип. 39. – Харків, ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2004. – С. 38...43.

АНОТАЦІЯ

Макаренко О.В. Імітаційне моделювання корозії бетону в агресивних середовищах об'єктів рудопідготовчого виробництва. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.05 _Будівельні матеріали і вироби. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури. Харків. 2004.

Дисертація присвячена розробці методу оцінки корозійного стану бетону будівельних конструкцій, що перебувають у складних агресивних середовищах, імітаційному моделюванню корозійних процесів у бетоні, розробці рекомендацій щодо забезпечення довговічності конструкцій на заданий період експлуатації в умовах, типових для об'єктів рудопідготовчого комплексу.

Розроблена методика аналітичних досліджень процесів взаємодії бетону будівельних конструкцій, що піддаються складним агресивним впливам. Визначено величини показника корозійного стану цих бетонів на різних етапах взаємодії бетону і агресивного середовища. Досліджено вплив граничних значень параметрів, що входять в оцінку корозійного стану на величину прогнозованого періоду збереження бетоном захисних властивостей.

Ключові слова: бетон, рудопідготовче виробництво, корозія бетону, прогнозування терміну служби конструкцій, міра корозійного стану, параметри корозійного стану, еластичність, взаємозамінність параметрів.

АННОТАЦИЯ

Макаренко О.В. Имитационное моделирование коррозии бетона в агрессивных средах объектов рудоподготовительного производства. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 _ Строительные материалы и изделия. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. Харьков. 2004.

Диссертация посвящена разработке метода оценки коррозионного состояния бетона строительных конструкций, находящихся в сложных агрессивных средах, имитационному моделированию коррозионных процессов в бетоне и разработке рекомендаций по обеспечению долговечности таких конструкций на заданный период эксплуатации в условиях, типичных для объектов рудоподготовительного комплекса.

Проанализировано состояние вопроса, особенности эксплуатационной среды объектов рудоподготовительного производства. Рассмотрена сущность и особенности протекания созидательных и разрушительных процессов в бетоне. Технологические участки строительных объектов рудоподготовительного производства сгруппированы по сходству признаков разрушительных и созидательных процессов, происходящих в бетоне защитного слоя железобетонных конструкций.

Описаны основные методы прогнозирования коррозионных процессов в бетоне. Для описания процессов взаимодействия бетона со сложной эксплуатационной средой использована структурно-функциональная модель, основанная на объединении структурных компонентов цементного камня в блоки по принципу общности их функциональных свойств в структуре бетона. Для оценки противокоррозионных свойств бетона введена характеристика (мера) его коррозионного состояния в виде действующего ресурса защитных свойств: проницаемости и химической (физико-химической) активности. Предложен и проанализирован метод прогнозирования срока службы железобетона по характеристике коррозионного состояния бетона защитного слоя (до арматуры).

Разработана методика аналитической оценки коррозионных процессов, протекающих в бетоне строительных конструкций, подвергающихся сложным агрессивным воздействиям. Для наблюдения за процессами, происходящими в бетонах марок по водонепроницаемости W4 и W8, изготовленных на портландцементах марки М400 при сложных агрессивных воздействиях (циклическое действие нагрева и сульфатсодержащей среды) использован комплекс независимых методов физико-химического анализа, включающий фазовый рентгеновский, петрографический, электрохимический методы. Предложены методики расчета для определения стойкости бетона в заданных эксплуатационных условиях по двум характеристикам – величине капиллярного водопоглощения w и значению рН водной вытяжки из вяжущей составляющей бетона.

Выполнены экспериментальные исследования бетонов марок по водонепроницаемости W4 и W8, подвергавшихся периодическому нагреву при температуре 600С и увлажнению в сульфатсодержащем водном растворе для получения значений