А.И.ВАСИЛЬЕВ, А.С.БЕЙВЕЛЬ, кандидаты техн. наук (ЦНИИС); А.М.ПОДВАЛЬНЫЙ д-р техн. наук (НИИЖБ), О выборе толщины защитного слоя бетона мостовых конструкций
Толщина защитного слоя бетона является одной из основных характеристик железобетонной конструкции, определяющей ряд ее важных эксплуатационных показателей, К таким показателям относятся надежное сцепление арматуры с бетоном при статических и динамических нагрузках, огнестойкость, долговечность в условиях неблагоприятных коррозионных воздействий на арматуру и бетон и др. Толщина защитного слоя влияет на начальные экономические показатели конструкции, ее собственную массу и технологию изготовления. В зависимости от конкретных обстоятельств и условий эксплуатации определяющим может оказаться каждый из этих показателей.
Знакомство с литературой по железобетону, монографиями и учебниками наводит на мысль, что толщина защитного слоя является по существу нерасчетной величиной, не имеющей точного научного обоснования. Действующие же в настоящее время рекомендации и нормы — результат многолетнего процесса проб и ошибок, неявного компромисса между экономическими требованиями на стадии изготовления конструкций, диктующими сведение защитного слоя к минимуму, и техническими требованиями, которые этот минимум ограничивают При этом складывается впечатление о том, что возможные расчетные уточнения не внесут заметных изменений в существующую практику назначения величины защитного слоя, поскольку фактически он варьируется в весьма узких пределах
Подобные соображения не всегда справедливы. Железобетон, еще сравнительно недавно характеризовавшийся как “вечный" материал, в конструкциях автодорожных мостов оказался подверженным коррозии, которая проявляется уже спустя 24 десятилетия после ввода моста в эксплуатацию и резко снижает его долговечность по сравнению с проектным сроком службы. Обследования свидетельствуют, что одной из главных причин ранних коррозионных повреждений мостовых конструкций является карбонизация(нейтрализация) защитного слоя бетона, которая является неким универсальным коррозионным процессом, протекающим в результате реакции между содержащимся в атмосфере углекислым: газом и гидратом окиси кальция (а также щелочами) в бетоне на портландцементе, обеспечивающими пассивное состояние арматуры.
Карбонизация опасна не только сама по себе. Из-за нее резко, почти в два раза, снижается граница критического содержания хлорид- иона в бетоне приарматурной зоны и сопротивляемость конструкции хлорид ной коррозии арматуры.
Другим комплексным фактором, снижающим долговечность железобетонных мостов, является ускорение процесса карбонизации в зонах совместного действия на бетон увлажнения конструкции и циклического замораживания, К таким зонам в мостах относятся консоли крайних балок, торцы балок, ригели опор и др.
Анализ совместного влияния карбонизации и замораживания как одного из наиболее часто встречающихся неблагоприятных природных воздействий на мостовой бетон является актуальным и важным. Этот вопрос, насколько нам известно, практически не освещен в литературе и требует дополнительных исследований. Далее излагается модельное представление о процессе.
Углекислый газ проникает в бетон в результате диффузии. Процесс диффузии газа в твердой пористой среде, осложненный химической реакцией, описывается системой дифференциальных уравнений [1], содержащих параметры, приемлемоточное экспериментальное определение которых связано со значительными трудностями. Эта система уравнений в результате ряда допущений может быть сведена к дифференциальному уравнению первого порядка — так называемому первому закону Фика [2], к которому также в значительной степени относится сказанное выше. Его дальнейшим, практически диктуемым, упрощением является широко применяемая полуэмпирическая формула, устанавливающая зависимость между глубиной карбонизации х (см) и временем диффузии t (годы) и выражающая так называемый "закон квадратного корня"
Так, исследователь карбонизации бетона К.Кишитани в форме зависимости (1) установил влияние на карбонизацию водоцементного отношения в бетоне [3]. Формула (1) удовлетворительно описывает кинетику карбонизации. Коэффициент А зависит от факторов, влияющих на проницаемость бетона, — его состава (в частности, В/Ц-отношения), технологии укладки, ухода за ним, особенно в первые сутки твердения. Существенное влияние на проницаемость бетона оказывает его влажность и ее изменение в климатическом, годовом, сезонном и погодном циклах.
В мостовых конструкциях, эксплуатируемых практически на всей территории России, бетон наряду с карбонизацией подвергается циклическому замораживанию и оттаиванию, Физические последствия такого воздействия заключаются в постепенном, по мере увеличения циклов замораживания и оттаивания, насыщении структуры материала микротрещинами, которые приводят к прогрессирующему снижению прочности и модуля упругости, увеличению необратимых деформаций расширения бетона. Такое изменение структуры материала неизбежно приводит к увеличению его проницаемости.
Химическая реакция карбонации
приводит к уменьшению проницаемости бетона и увеличению пути диффузии углекислого газа. Кроме того, стечением времени и по мере гидратации цемента бетон уплотняется Все это приводит к тому, что прирост глубины карбонизации в единицу времени уменьшается, и это уменьшение оказывается пропорциональным квадратному корню из времени. Циклическое замораживание, разуплотняя бетон, вызывает обратный эффект. Поскольку структура бетона при этом меняется, коэффициент пропорциональности в формуле оказывается переменной величиной и, таким образом, зависимость (1) может быть представлена в виде
Для содержательного определения функции к= f(n) введем модельное представление о морозном воздействии на бетон. Примем, что элементарной ячейкой, из пространственного, трехмерного повторения которой складывается структура затвердевшего бетона, является структурный элемент, состоящий из шарового ядра — заполнителя (песка или щебня) и сферической оболочки— слоя вяжущего (цементно-песчаного раствора или цементного камня). В каждом цикле замораживания — оттаивания происходит разрушение некоторого числа таких элементов, в оболочке которых образуется трещина. Относительную долю таких разрушившихся в цикле элементов можно считать величиной постоянной и пропорциональной относительной доле потери прочности бетона в одном цикле воздействия. Значение Р может быть охарактеризовано как вероятность разрушения бетона в цикле. Очевидно, что чем более суровым является морозное воздействие, тем больше значение Ри быстрее происходит разрушение, т.е. потеря бетоном прочности.
Используя аппарат теории вероятностей, можно определить значение Р как вероятность появления разрушающих (предельных) растягивающих напряжений в оболочке структурного элемента при заданном температурном (морозном)воздействии [4]. При этом геометрические характеристики компонентов структурного элемента вычисляются, а модули упругости ядра и оболочки, а также прочность последней при растяжении задаются, исходя из известного состава бетона. Более простой подход заключается в следующем. Примем, что мостовой бетон после 300 циклов замораживания — оттаивания должен потерять не более 10% своей первоначальной прочности, r.e.AR=0,1Ro. Отсюда относительная потеря прочности в цикле или вероятность разрушения составит Р0 ir = 0,1:300 = 0,00033. Найдем зависимость прочности бетона от числа циклов п. После первого цикла замораживания — оттаивания прочность бетона (РЦ равна R, = R0{1 - Р), где R0 — начальная прочность; после второго цикла воздействия R2 = R,(1 - Р) = R0( 1 — Р){1 — Р) = R0(1 - Р)2 и после п-го цикла воздействия
На рисунке представлены графики изменения глубины карбонизации защитного слоя бетона при морозном воздействии различной интенсивности. Принято значение А = 0,3 см/год05. Для того, чтобы совместить на оси абсцисс временную шкалу и шкалу циклов замораживания, примем, что с среднем в году наблюдается 5 стандартных циклов замораживания и оттаивания. При других соотношениях природных и стандартных циклов предельные значения к= 1/(1 - Р)п, представленные в таблице, достигаются в более ранние или поздние сроки.
Железобетонные мосты, в соответствии с европейскими нормами, относятся к сооружениям, расчетный срок эксплуатации которых, как и монументальных зданий, равен 100 годам [9). Число циклов замораживания — оттаивания, которое за этот срок испытает бетон, может значительно превысить нормируемое значение п = 300, являющееся некоторой условной границей. Предполагая, что и после 300 циклов разрушение бетона будет происходить стой же интенсивностью, число расчетных циклов замораживания в таблице и на рисунке увеличено до 500.
Из таблицы и графиков видно, что морозное воздействие на морозостойкий бетон оказывает относительно небольшое воздействие на скорость карбонизации. Однако и это увеличение следует учитывать при прогнозе карбонизации и выборе толщины защитного слоя, повышая его с учетом доверительного интервала оценки на 20...30%, поскольку в таблице представлены средние значения. Кроме того, явление проницаемое бетона характеризуется высокой дисперсией показателей. При этом максимальные и минимальные локальные значения могут существенно отличаться от средних.
Для неморозостойкого бетона эффект ускорения карбонизации оказывается значительно более существенным, составляя для ДR = 0,3 70...80%, а для AR = 0,5 —100... 120%. Полученные расчетные значения толщины защитного слоя в диапазоне 4...7 см соответствуют рекомендациям авторитетных международных организаций —Американского института бетона и Европейского комитета по стандартизации. Если совместное действие карбонизации и циклического замораживания не учитывать при проектировании, предельное состояние по коррозии арматуры может наступить значительно раньше предельного состояния по прочности, снижающейся в результате замораживания, что и наблюдается при обследованиях мостов.
Это обстоятельство заставляет, по нашему мнению, во избежание полной карбонизации защитного слоя в пределах нормативного (проектного) срока службы назначать увеличенные защитные слои, как бы давая запасный припуск на неопределенность ситуации и невозможность точного управления ею Экономически такой подход вполне оправдан, так как затраты на ремонт, связанные с коррозией арматуры и с ранним повреждением защитных слоев недостаточной толщины, значительно больше, чем полученная некогда в начале строительства экономия.
Изложенное следует рассматривать также как еще один аргумент в пользу повышения требований и обеспечения морозостойкости мостовых конструкций [10], эксплуатируемых в условиях увлажнения, особенно растворами хлористых солей—-антиобледенителей. Последние не только вызывают интенсивную хлоридную коррозию стальной арматуры, но и усиливают морозное повреждение бетона.
Бетон и железобетон, 2001 №5