Учет хлоридной коррозии при прогнозировании срока службы железобетонных пролетных строений

Учет хлоридной коррозии при прогнозировании срока службы железобетонных пролетных строений

Маринин А.Н. 

Практически все конструкции, в том числе и мостовые, подвержены изнашиванию, «старению», то есть происходит изменение их механических свойств, которое отражается на работе конструкций. Скорость «старения» зависит от многих факторов: типа конструктивных элементов, применяемых материалов, качества строительства, влияния агрессивных факторов и т.д. 

В последние годы возникла проблема определения срока службы железобетонных мостов, т.к. первоначальные заявления о том, что железобетонные мосты способны простоять 80-100 и более лет оказались опровергнутыми реконструкциями, заменами таких пролётных строений. 

Недавно была разработана и рекомендована к применению Министерством транспорта РФ "Методика расчётного прогнозирования срока службы железобетонных пролётных строений автодорожных мостов" [1]. При прогнозировании учитывается месторасположение моста, конструкция мостового полотна, фактическое климатическое воздействие, интенсивность и состав движения. Пример использования этой "Методики..." при прогнозировании долговечности реально существующего предварительно напряжённого железобетонного пролётного строения длиной 24,0 м приведён в [2]. 

В книге [3] также приведены методы прогнозирования долговечности с учётом вероятностных процессов, некоторые из которых были использованы при составлении [1]. 

Но в [1] и [3] не учитывается явно воздействие хлоридов на материал пролётного строения, хотя хлоридсодержащая среда является одной из достаточно распространённых агрессивных сред. Под действием этой среды происходит разрушение и бетона, и арматуры, а так как она либо является технологической, либо проявляется при борьбе с гололёдом, либо присутствует в атмосфере, то её наличия и активного воздействия на конструкцию - не избежать [4]. 

Поэтому возникает важная проблема учёта поведения инженерных конструкций в условиях воздействия агрессивных сред, в том числе и хлоридсодержащей. 

В работе [5] приведена зависимость, позволяющая оценивать глубину проникания фронта хлоридов во времени: 



Эта модель позволяет оценить только глубину проникновения хлоридов и время до начала коррозии арматуры. 

На рисунке 1 показана модель разрушения конструкции под воздействием хлоридов. 



Рисунок 1. Процесс ухудшения железобетона из-за внешнего воздействия хлоридов 

Время начала коррозии можно определить из известного уравнения диффузии: 



где C(x,t) - концентрация хлоридов на глубине x через время t; CS - концентрация хлоридов на поверхности; erf - функция ошибок Гаусса; DC - коэффициент диффузии хлоридов, зависящий от окружающей среды, твердения и возраста бетона; t - время воздействия хлоридов. 

В работе [6] предлагается формулу (2) аппроксимировать выражением 



где В - некоторая константа, характеризующая скорость распространения хлоридов в бетоне, которая определяется при критическом значении С(x,t). 

В работе [7] выражение (2) записывается в виде 



где Ci - начальная концентрация хлоридов в железобетонной конструкции (принимается постоянной во времени). 

Откуда, время начала коррозии составляет 



где Ccr - критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия (в нашей стране принято 0,4% от массы цемента при неполной карбонизации защитного слоя и 0,2% - при карбонизации защитного слоя бетона); хС - толщина защитного слоя; n - фактор старения. 

Пример расчёта железобетонной предварительно напряжённой железобетонной двутавровой балки с учётом уравнений (4) и (5) приведён авторами статьи [7]. 

Недостаток такого подхода заключается в том, что необходимо иметь данные о состоянии конструкции (наличие хлоридов, их концентрация и т.п.). 

Другой способ, предложенный в работе [8], предполагает, что поверхностная концентрация хлоридов зависит от агрессивности внешней среды и может быть принята по таблицам 1 и 2. 

Таблица 1. Определение агрессивности окружающей среды 



Агрессивность окружающей среды



Высокая

Средняя

Низкая

Уровень хлоридов в стали (% от веса цемента)

> 1,0%

0,3-1,0%

< 0,3%

Использование солей для удаления льда

Часто

Средне

Редко

Таблица 2. Определение поверхностной концентрации хлоридов 



Агрессивность окружающей среды



Высокая

Средняя

Низкая

Cs, % /год 

0,5

0,1

0,05

Таблица 3. Определение качества бетона 



Качество бетона



Высокое

Среднее

Низкое

Водоцементное отношение

<0,4

0,4-0,5

>0,5

Внешнее состояние

Нет видимых ухудшений

Трещины

Разрушение

Таблица 4. Определение коэффициента диффузии 



Качество бетона



Высокое

Среднее

Низкое

DC , мм2/год

5

50

500

Во всех вышеперечисленных работах существует несколько недостатков. Во-первых, область применения ограничена лишь равномерным распределением хлоридсодержащей среды по поверхности железобетонной конструкции. Но в действительности такое распределение практически не встречается. На различных частях мостовых конструкций концентрация хлоридов разная. Также, значение С(x,t) определяет только инкубационный период (время до начала коррозии арматуры), а дальнейшие процессы, происходящие в железобетоне, не описывает, хотя процесс деструкции бетона и арматуры продолжается. 

Недостатки предыдущих работ были частично устранены в [4] и [9]. Здесь, для описания основных эффектов, сопровождающих процесс взаимодействия элементов конструкции из железобетона с хлоридсодержащей средой, используется параметр, характеризующий объёмное распределение влияния агрессивной среды. То есть, учитывается неравномерность концентрации хлоридов в различных точках объема конструкции и, соответственно, наведенная неоднородность механических свойств бетона. Был разработан программный комплекс на ЭВМ, который учитывает это при расчётах. Приведены примеры, описывающие поведение конструктивных элементов (стержней, балок и плит), подвергающихся воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды. 

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что при прогнозировании срока службы новых мостов и определении остаточного ресурса эксплуатируемых, необходимо, наряду с расчётом по [1], проводить расчёт напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций и кинетики его изменения с учётом хлоридсодержащей среды. Затем, анализируя полученные данные, можно установить более реальный срок службы. 

Список литературы

Маринин А.Н. О прогнозировании срока службы железобетонного пролётного строения.// Молодые специалисты - железнодорожному транспорту: Тезисы докладов студенческой научно-практической конференции./ Под ред. А.А. Сатарова.- Саратов: Изд-во "Надежда", 2002.- 140 с., С.38-42. 

Иосилевский Л.И. Практические методы управления надёжностью железобетонных мостов.- М.: Науч. -изд. центр "Инженер", 2001.- 296 с. 

Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000.- 232 с. 

Потапкин А.А. Оценка ресурсов мостов с учётом дефектов и повреждений.// Вестник мостостроения. 1997. №3, С.22-23 

Васильев А.И. Вероятностная оценка остаточного ресурса физического срока службы железобетонных мостов. Труды ЦНИИС. Вып. 208.- М.: ЦНИИС, 2002, С.101-120 

Ciampoli M., Giovenale P., Petrichella L. Probability-Based Durability Design Of Reinforced Concrete Structures. IAMAS, Barcelona, 2002. 

Anstice D., Roberts M. A Deterioration Model For Reinforced Concrete Bridges Subjected To De-Icing Salts. IAMAS, Barcelona, 2002. 

Овчинников И.Г., Раткин В.В., Гарибов Р.Б. Работоспособность сталежелезобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред.- Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002.- 156 с.