М.В. ШАВЫКИНА, канд техн. наук., Оценка сроков службы железобетонной конструкции при коррозии арматуры
Железобетонные конструкции, запроектированные и изготовленные в соответствии с требованиями нормативных документов, должны обладать достаточной стойкостью к воздействиям, вызывающим коррозию арматуры. Однако при изготовлении, монтаже и эксплуатации возникают дефекты и повреждения, которые способствуют началу и развитию коррозионных процессов в стальной арматуре. К таким характерным дефектам относятся недостаточная плотность и высокая проницаемость бетона для агрессивных агентов, малая толщина защитного слоя бетона, раковины, каверны, обнажения арматуры. Как показывают результаты натурных обследований (покрытия зданий промыво-пропарочных станций для очистки железнодорожных цистерн от остатков нефтепродуктов, сборные перекрытия цехов по производству никеля и меди, сооружения на морском побережье), эксплуатация железобетонных конструкций в зависимости от степени агрессивности окружающей среды сопровождается возникновением и развитием процесса коррозии арматуры, снижением несущей способности конструкций и выходом их из строя. При проектировании и изготовлении следует считаться с этим реальным фактом, и наряду с принятием конструктивных мер по обеспечению долговечности железобетонных конструкций необходимо прогнозировать продолжительность их эксплуатации в условиях коррозии арматуры. Более того, целесообразность определения расчетом резерва несущей способности остро ощущается при подготовке к проведению капитальных ремонтов и реконструкции промышленных зданий и сооружений.
Сразу заметим, что такой подход возможен при общей равномерной коррозии для определенных классов арматуры из мягких углеродистых сталей с высокими пластическими свойствами. В связи с тем, что общая равномерная коррозия арматуры практически не изменяет механических характеристик стали и по мере продолжительности эксплуатации носит затухающий характер, вполне возможно на основе представительных экспериментальных данных для конкретных условий эксплуатации прогнозировать время исчерпания несущей способности железобетонной конструкции в связи с коррозией арматуры.
Для таких видов арматуры, как термически упрочненные стержни, высокопрочные арматурная проволока, которые характеризуются хрупким разрушением вследствие развития коррозии и склонностью к коррозионному растрескиванию, продолжительность эксплуатации при агрессивном воздействии среды ограничивается временем карбонизации защитного слоя бетона, по истечение которого пассивное состояние стальной арматуры нарушается, она корродирует и может разрушиться внезапно без предварительных сигналов.
Физическая модель коррозионного поведения арматуры в железобетонной конструкции строится на основе возникновения и развития коррозионных процессов с течением времени [2]. Стальная арматура в процессе эксплуатации может находиться в двух состояниях: пассивном и состоянии коррозии. В начале эксплуатации пассивное состояние арматуры обеспечивает плотный бетон, не карбонизированный действием кислых газов окружающей среды. Такое состояние арматуры характерно для инкубационного периода, при котором коррозия арматуры не возникает. После карбонизации защитного слоя бетона наступает коррозионный период в поведении арматуры, развитие коррозии идет с заметной скоростью, напряжения в арматуре возрастают, что может привести к исчерпанию несущей способности железобетонной конструкции.
Физическая модель, принимаемая в расчете, построена на использовании экспериментальных кривых кинетики коррозии в реальных условиях эксплуатации при агрессивном воздействии окружающей среды. Глубина коррозии арматурных стержней, необходимая для прогнозирования возможных сроков службы железобетонных конструкций, устанавливается опытным путем: проведением экспериментов с образцами и обследованием с выполнением инструментальных измерений железобетонных конструкций, эксплуатируемых в различных агрессивных средах.
Анализ многочисленных экспериментальных данных испытаний лабораторных образцов, натурных наблюдений за эксплуатируемыми конструкциями показывает, что с течением времени равномерная коррозия арматуры затухает. Приведем некоторые примеры кинетики коррозионных повреждений:
• в атмосферных условиях Москвы [2] коррозия арматуры в зоне трещин затухает примерно через 4 года,
• при периодическом увлажнении образцов арматура в трещинах с шириной раскрытия 0,1-0,4 мм сначала корродирует интенсивно, а затем процесс коррозии затухает [2],
• при ширине раскрытия трещин до 1 мм и периодическом увлажнении водой с частотой 100 циклов в год коррозия арматуры перестает развиваться через 5-6 лет [1],
• затухающий характер коррозии арматуры наблюдается в продольных ребрах железобетонных покрытий промыво-пропарочных станций для очистки железнодорожных цистерн (ППС) [5,6].
Характер развития процесса коррозии, при котором скорость коррозии с увеличением продолжительности эксплуатации снижается, тождественен изменению ординат степенной функции. Глубина коррозии с течением времени t описывается степенной функцией вида
Величины с- и т определяются на основе экспериментальных данных решением системы двух уравнений с двумя неизвестными. Выбор степенной функции с/и<1 для описания кинетики коррозии отражает характер протекания физических процессов и механизма коррозии арматуры в трещинах эксплуатируемых железобетонных конструкций ППС, что соответствует результатам лабораторных исследований [1].
В расчетах по определению сроков службы железобетонной конструкции по признаку коррозии арматуры удобно использовать отношение площади потери сечения к первоначальной площади арматурного стержня
Зависимость типа (4) обычно получают для железобетонных конструкций при конкретных условиях эксплуатации (режим агрессивного воздействия окружающей среды, раскрытия трещин, диаметр арматуры и др.). Отклонения от условий эксплуатации, при которых были измерены коррозионные повреждения, могут быть учтены введением соответствующих коэффициентов к исходной кривой кинетики коррозии А., (/), которую назовем базовой. Базовая кривая строится для конструкции конкретного объекта и имеет вид
Неравенство (22) является условием для определения времени эксплуатации железобетонной конструкции при коррозии арматуры с обеспеченностью Рн.
Методика расчета времени безопасной работы конструкции при коррозии арматуры строится на основе применения вероятностных методов. Исходными данными для построения методики расчета являются математическое описание физической модели и плотности распределения случайных величин, определяющих продолжительность эксплуатации конструкции при коррозии арматуры.
Плотности распределения текучести стали классов A-I...A-III подчиняются нормальному закону с коэффициентами вариации 0,0297...0,0436.
Плотности распределения напряжений в арматуре для статически определимых систем соответствуют распределениям внешних нагрузок. Статистические распределения постоянных нагрузок от массы железобетона, цементной стяжки, трехслойного рубероидного ковра описываются нормальным законом распределения с коэффициентами вариации 0,01-0,07. Временные нагрузки (снеговая, ветровая, от подвесных и мостовых кранов) имеют различные распределения: двойное экспоненциальное, Гумбеля, нормальный закон. Следует заметить, что с увеличением числа действующих нагрузок их суммарное распределение приближается к нормальному.
Плотности распределения скорости коррозии или показателя скорости могут быть приняты аналогичными распределениям глубин коррозии в момент времени t. Как показали наблюдения, инструментальные измерения и статистический анализ развития коррозии в течение 10...45 лет эксплуатации железобетонных конструкций на производственных объектах с агрессивной средой, гистограммы частот глубины коррозии арматуры аппроксимируются нормальными законами распределения (рис. 2) с коэффициентами вариации 0,18...0,185 [3,4]. Плотности распределения геометрических размеров железобетонных конструкций - нормальными распределениями с коэффициентами вариации 0,01. ..0,04.
Когда статистические распределения несущей способности и нагрузок описываются нормальными законами, вероятностные расчеты могут выполняться с использованием характеристики безопасности.
Бетон и железобетон, 2006 №5