ГАРИБОВ Р.Б., ОВЧИННИКОВ И.Г., МАРИНИН А.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций при совместном воздействии хлоридной коррозии и карбонизации
Проблема борьбы с коррозией железобетонных конструкций под воздействием агрессивных сред в последнее время приобретает особую актуальность.
Теоретически наличие защитного слоя бетона в железобетонных конструкциях обеспечивает их долговечную безопасную работу. Однако на самом деле из-за несоблюдения толщины защитного слоя, плохого качества материала, непредусмотренных параметров внешней агрессивной среды, не соответствующих проектным, имеют место нарушения этой ситуации, и коррозия всё равно происходит. В результате этого значительно возрастают расходы на эксплуатацию конструкций, которые могут превышать затраты на капитальное строительство. Причем такое положение дел характерно и для западных стран, и для России.
Коррозионное разрушение железобетонных конструкций, особенно мостовых сооружений, в основном происходит из-за таких факторов, как карбонизация и хлоридная коррозия, причем часто эти факторы действуют совместно. Карбонизация протекает вследствие диффузии углекислого газа, который в необходимом количестве содержится в воздухе. Хлориды попадают в бетон в результате использования солей-антиобледенителей, эксплуатации конструкции в приморской атмосфере. К сожалению, до настоящего времени, хотя в процессе обследования сооружений эти факторы диагностируются, оценка их влияния на несущую способность и тем более долговечность конструкций носит скорее качественный, чем количественный характер.
Анализ показывает, что в научных центрах России и за рубежом ведется определенная работа по созданию методов прогнозирования железобетонных конструкций с учетом влияния агрессивных сред, но публикаций, посвященных учету совместного влияния карбонизации и хлоридной коррозии на напряженно-деформированное состояние, немного. В связи с этим целью настоящей работы является построение модели, описывающей кинетику карбонизации и хлоридной коррозии, а также поведение железобетонной конструкции с учетом этих факторов.
Вопросы моделирования кинетики проникания агрессивной хлоридсодержащей среды в бетон и поведения в ней железобетонного элемента рассмотрены в [1, 2] и ряде других исследований, поэтому в данной работе более подробно остановимся на моделировании процесса карбонизации.
Карбонизация бетона - это реакция гидроксида кальция (извести, Ca(OH)2), растворённого в поровой воде, с атмосферным углекислым газом CO2, с превращением их в карбонат кальция: CaCO3 (Са(ОН)2+СО2 = СаСО3+Н2О), что приводит к снижению водородного показателя pH бетона с 13 до 9. При этом происходит депассивация арматурной стали (разрушение защитной пленки), в результате чего возникает опасность коррозии.
Сам процесс карбонизации достаточно подробно изучался в работах В.М. Москвина, С.Н. Алексеева, Н.К. Розенталя и других ученых. Однако влияние карбонизации на характеристики арматуры и бетона железобетонных конструкций исследовано недостаточно. В основном карбонизация определяется только для выявления инкубационного периода коррозии арматуры.
В настоящее время существует ряд моделей, описывающих процесс карбонизации. Сюда можно отнести как простые модели вида которые позволяют определять только глубину карбонизации 5 в момент времени t [3], так и сложные модели, в которых физические и химические процессы карбонизации бетона представлены в виде элементарных процессов, каждый из которых описан дифференциальным уравнением [4]. Довольно подробная модель приведена в работе [5]. Однако использование сложных моделей весьма непросто, прежде всего из-за трудностей идентификации, связанной как с большим количеством подлежащих определению коэффициентов и функций, так и с недостатком и проблемами нахождения необходимых для этого экспериментальных данных.
На практике глубину карбонизации бетона чаще всего определяют по изменению величины водородного показателя рН с помощью раствора фенолфталеина. Но в [6] сделан логичный вывод о том, что указанный подход к определению глубины карбонизации не совсем правильный, так как он позволяет определять только глубину, на которой pH 9-9,5, что не обязательно соответствует истинной глубине карбонизации. Поэтому возникла необходимость в построении модели, которая, с одной стороны, позволяла бы достаточно просто, но в то же время корректно описывать процесс карбонизации, а с другой стороны, давала бы возможность прогнозировать изменение напряженно-деформированного состояния железобетонного конструктивного элемента в условиях карбонизации.
Для построения такой модели опишем процесс карбонизации, которая продолжается в карбонизированном слое бетона при увеличении концентрации СаСО3 до полного израсходования Са(ОН)2 (рис.1, а,б,в) [5], с использованием специально вводимого параметра химического взаимодействия ц, изменяющегося от 0 до 1 (рис. 1, г)
Предложенная модель, основанная на введенном параметре химического взаимодействия ц, кинетическом уравнении для него (3) или упрощенной аппроксимации его решения (5) с учетом (10) позволяет более корректно описать процесс карбонизации железобетонных конструкций, приводящий к деградации бетона и коррозии арматуры.
Далее рассмотрим модель деформирования бетона при совместном действии карбонизации и хлоридной коррозии. Математическая модель в данном случае представляет собой сочетание моделей нагружения, конструктивного элемента, воздействия агрессивной среды (карбонизации и хлоридной коррозии), деформирования материала с учетом изменений, вызванных действием агрессивной среды и модели коррозионного износа арматуры.
Модель коррозионного износа арматуры можно принять в виде [8]
В таблице приводятся случаи воздействия агрессивной среды (на примере хлоридов и углекислого газа) на железобетонный конструктивный элемент.
Бетон и железобетон, 2007 №6