А. И. ВАСИЛЬЕВ, канд. техн. наук (ЦНИИС), Прогноз коррозии арматуры железобетонных мостовых конструкций при карбонизации защитного слоя
Повышение надежности и долговечности железобетонных мостов - актуальная, сложная и многофакторная проблема [1,2], комплексное решение которой возможно только на основе детального рассмотрения различных ее аспектов. Одной’из наиболее существенных сторон этой проблемы является анализ коррозионных процессов в железобетонной конструкции, протекающих под влиянием окружающей среды и снижающих ее долговечность [ 3 ].
Карбонизация защитного слоя - самое распространенное универсальное агрессивное воздействие, которому подвергаются железобетонные конструкции, эксплуатируемые в природной среде. Существо ее заключается в том, что углекислый газ, содержащийся в атмосфере в средней объемной концентрации С = 0,03% , взаимодействует с гидратом окиси кальция и едкими щелочами защитного слоя бетона. В результате значение pH жидкой фазы бетона, которое при отсутствии карбонизации находится в пределах 12,4-ИЗД падает до 11,0 и более низких значений; функция защитного слоя как электрохимической защиты арматуры утрачивается, пассивное состояние стали нарушается, и арматура оказывается подверженной коррозии. Процесс такого изменения химического состава бетона и называется карбонизацией или нейтрализацией.
Его лимитирующим фактором является скорость диффузии углекислого газа в тонкопористой структуре бетона защитного слоя; процесс медленно продвигается от поверхностных слоев конструкции к арматуре.
Процесс диффузии углекислого газа в бетоне относится к явлениям так называемой внутренней массопередачи, протекающей совместно с химической реакцией связывания двуокиси углерода в практически нерастворимый карбонат кальция.
Карбонизация представляется в виде следующей химической реакции
Ход процесса количественно строго описывается системой дифференциальных уравнений [4], упрощением которой является дифференциальное уравнение 1-го порядка, известное как 1-ый закон Фика [ 5 ]. Его решение содержит эмпйри- ческие параметры, характеризующиеся неопределенностью и большим разбросом значений,
поэтому в практических расчетах обычно используется получаемая на основании 1-го закона Фикз полуэмпирическая зависимость в форме
Формула (2) имеет многочисленные экспериментальные подтверждения,
Коэффициент А, если речь идет о конструкциях, эксплуатируемых в природной среде, отражает совокупное влияние на скорость карбонизации состава и структуры бетона, условий эксплуатации и положения железобетонного элемента в сооружении, а также климатических и погодных факторов.
Скорость карбонизации определяется коэффициентом диффузии. Так, коэффициент диффузии углекислого газа (двуокиси углерода} в воздухе составляет 0,139 см2/с. но в воде его значение меньше на 4 порядка величины. Гетеропористой структуре бетона присущ лабиринтный и пороговый характер проницаемости, существенно зависящей от многих, в том числе, технологических факторов, определяющих состав и структуру материала - водоцементного отношения, расхода цемента, уплотнения и условий твердения бетона, наличия усадочных трещин в защитном слое и др. В результате капиллярной конденсации водяного пара происходит заполнение отдельных групп пор в структуре бетона водой, что резко влияет на коэффициент эффективной диффузии углекислого газа в бетоне Показано, что при изменении относительной влажности воздуха от 30 до 65-70% проницаемость бетона для газов почти не меняется, но в интервале от 70 до 95% она уменьшается на два порядка [ 6 ].
Большое число исследований было посвящено изучению влияния на скорость карбонизации водоцементного отношения, как параметра состава бетона, при прочих равных условиях определяющим образом влияющего на его проницаемость.
В табл. 1 приведены значения коэффициента А (в см/год0,5) в формуле (2) в зависимости от во- до-цементного отношения бетона, полученные в результате обработки данных ряда отечественных и зарубежных исследователей [7,8].
Известный исследователь процесса карбонизации К.Кишитани [ 8 ] предложил эмпирическую формулу, устанавливающую зависимость между глубиной X (см) и временем карбонизации т (воды) для бетонов, отличающихся значением водоцементного отношения (при В/Ц < 0,6):
Значения А. подсчитанные по формуле ( 4 ), также приводятся в табл.1 в 5-ой строке. Там же, в 6-ой строке, показаны осредненные значения А по всем приведенным источникам.
Таким образом, исходя из приведенных выше данных, для мостовых бетонов с В/Ц = 0,4 и 0,45 в формуле ( 2 ) могут быть приняты значения А = 0,16 и А = 0,23 соответственно. Следует иметь в виду, что эти значения - достаточно приближенная оценка, поскольку она получена на основании лабораторных экспериментов по карбонизации бетона без учета влияния климатических факторов.
Графики степенной функции ( 2 ) представлены на рисунке. Они, в частности, иллюстрируют влияние на карбонизацию качества бетона - его структуры, проницаемости и плотности, непосредственно зависящих от В/Ц. На проницаемости бетона, кроме характеристик его состава, существеннейшим образом скрывается его уплотнение при укладке в конструкцию и влажностный уход за уложенным бетоном, особенно в течение нескольких первых суток после изготовления конструкций.
Рисунок также свидетельствует об определяющем влиянии на долговечность конструкции в условиях карбонизации толщины защитного слоя и однородности конструкции по этому показателю.
Так, например, как ясно из графика, защитный слой из бетона с В/Ц = 0,4. имеющий толщину 1,0 см (что нередко наблюдается в конструкциях, изготовленных без применения фиксаторов положения арматуры) будет полностью прокарбонизирован за 40 лет; для защитного слоя толщиной 1,5 см (т.е. больше всего на 0,5 см) на это потребовалось бы 100 лет. Для бетона с В/Ц = 0,45 за такие же сроки, т.е. с разницей в 60 лет, будут прокарбонизированы защитные слои толщиной соответственно -1,5 и 2,3 см. Отсюда следует полная нерациональность экономии за счет толщины защитного слоя, которая достигается на стадии проектирования конструкций в ущерб их долговечности. Для железобетона вследствие его низкой ремонтопригодности каждый 1 рубль, сэкономленный при изготовлении конструкций в случае отказа от решений, гарантирующих долговечность. оборачивается в среднем 100 руб. затрат на ремонт конструкций, преждевременно вышедших из строя. В первую очередь, это относится к разрушению защитного слоя вследствие коррозии арматуры
Приведенные цифры получены на основе средних, детерминированных значений толщины защитного слоя и глубины карбонизации. На самом деле, оба параметра имеют случайный характер и характеризуются достаточно большим разбросом, что делает прогнозы долговечности значительно менее оптимистичными. Случайная природа толщины защитного слоя объясняется дефектами изготовления и установки арматурного каркаса, провисом арматуры, отсутствием сухариков-фиксаторов, неровностями опалубки и т.п. Случайный характер процесса карбонизации связан с неоднородностью бетона, обусловленной технологическими причинами как при изготовлении, так и при укладке и твердении.
Попытаемся проанализировать эти две случайные величины совместно, воспользовавшись для этого таблицей 1.
Оценим в первом приближении среднее квадратическое отклонение сд коэффициента А. в формуле ( 2 ) применительно к мостовым бетонам, используя содержащиеся в таблице данные. Оно оказывается равным соответственно
Для 99%-ной обеспеченности необходимые толщины защитного слоя на сроки 40 и 100 лет составят соответственно 3,5 и 5,5 см.
По аналогии, для В/Ц = 0,45 необходимые толщины защитного слоя на те же сроки 40 и 100 лет будут равняться:
для 95%-ной обеспеченности - 3,5 см и 5,5 см, для 99%-ной обеспеченности - 4,7 см и 7,5 см Отметим, что оценку 99%-ной обеспеченности можно, в частности, трактовать как ужесточение требований к защитному слою элементов, подвергающихся повышенной коррозионной агрессии, таких, как верх плиты проезжей части, торцевые участки балок и др.
Полеченные достаточно простые зависимости могут оказаться весьма полезными как для проектировщиков, так и при разработке нормативных требований к защитному слою бетона. Они свидетельствуют о необходимости увеличения его минимальной толщины, что, кстати, совпадает с мировыми тенденциями.
Действительно, в СНиП 2.05.03-84 в балочных мостах минимальная толщина защитного слоя составляет 3 см для рабочей ненапрягаемой арматуры, 2 см - для хомутов, 1,5 см - для конструктивной арматуры (п.3.119, табл44), что,
как видно из вышеприведенных расчетов, явно недостаточно. 8 Еврокоде эти значения существенно выше [11].
Не меньшую роль толщина защитного слоя и оценка ее минимально необходимого значения играет и при хлоридной коррозии арматуры.
Хлориды в случае воздействия солей- антиобледенителей, солевого уноса в районе соленых водоемов и др. также проникают к арматуре путем диффузии через защитный слой и, следовательно, сказанное выше о критическом пути диффузии определенным образом относится и к этому случаю. Кроме того, в процессе карбонизации защитного слоя высвобождаются хлориды, связанные минералами и окислами портландце- ментного клинкера, а критическая концентрация хлоридов в карбонизированном бетоне почти в два раза ниже, чем в защитном слое некарбони- эированном [ 5 ], т.е. карбонизация и хлоридная агрессия оказываются связанными. Все эти обстоятельства делают простой конструктивный прием повышения толщины защитного слоя и обеспечение его проектных значений с помощью фиксаторов положения арматуры весьма эффективным средством повышения долговечности мостовых железобетонных конструкций.
Изложенные выше соображения о прогнозе глубины карбонизации относились преимущественно к проектируемым и вновь возводимым конструкциям и к реконструируемым сооружениям с учетом того, что реконструируемые конструкции существенно «моложе», чем основное сооружение Прогноз «остаточной» долговечности обследуемых эксплуатируемых конструкций имеет специфические особенности. Конструкцию, которая эксплуатировалась в течение нескольких десятков лет в мостовом сооружении, можно рассматривать как экспериментальный образец, экспонированный в конкретных климатических, географических и эксплуатационных условиях действующего сооружения. Определив при обследовании среднюю глубину карбонизации защитного слоя х и используя универсальную зависимость ( 2 ), можно определить фактическое, усредненное в результате многолетней эксплуатации значение эмпирического коэффициента,А и его разброс, характеризующие конкретные условия карбонизации защитного слоя, т.е. А и иА , и на этом основании дать обоснованный прогноз дальнейшего развития процесса.
Рассмотрим следующий реальный пример.
В результате обследования моста установлено, что средняя глубина карбонизации бетона защитного слоя балок пролетного строения (время эксплуатации до момента обследования fo6cn = 8 лет) составила Х= 1,2 см, а среднеквадратическое отклонение ох = 0,4см. Средняя толщина защитного слоя бетона а = 2,5 см, среднеквадратическое отклонение толщины защитного слоя >ia = 0,5 см.
Среднее значение коэффициента получается из формулы (2) равным
Из уравнения (11) следует т = 11 лет
Это означает, что защитный слой с 95%-ной обеспеченностью не прокарбонизирует еще примерно 3 года. Полагая, что от начала коррозии (т.е карбонизации защитного слоя на всю глубину) до его разрушения проходит 3-5 лет, получаем, что с 95%-ной обеспеченностью защитный слой не разрушится еще 6-8 лет.
Владелец моста на основании полученного прогноза может выбирать оптимальный режим эксплуатации и ремонтов сооружения.
Выводы
Анализ процесса карбонизации защитного слоя бетона е железобетонных конструкциях, с учетом полученных из опыта статистических параметров этого процесса, а также статистических характеристик толщины защитного слоя позволяет осуществлять рациональное нормирование и проектирование толщины защитного слоя для разных элементов железобетонных мостов, а также оценивать время начала коррозии арматуры в конструкции эксплуатируемых сооружений
Бетон и железобетон, 2001 №3