Влияние процессов коррозии арматурной стали на долговечность и огнестойкость железобетонных конструкций

УДК 614.841.34

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

А.А. Леденев, В.Т. Перцев

В статье рассматривается влияние комплексных органоминеральных добавок ускоряющих твердение и повышающих прочность бетона на развивающиеся процессы коррозии арматурной стали, а также на огнестойкость железобетонных конструкций. В ходе исследований установлено, что применение комплексных органоминеральных добавок, содержащих различные виды химических и минеральных компонентов, способствует ускорению процессов коррозии арматурной стали. Расчетным методом установлено, что уменьшение площади сечения рабочей арматуры за счет протекающих процессов коррозии, приводит к снижению предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, коррозия арматуры, предел огнестойкости, химические и минеральные добавки для бетона.

Долговечность железобетонных конструкций зданий и сооружений, с учетом агрессивного воздействия на них окружающей среды, может быть обеспечена: 1) правильным учетом воздействия на конструкции агрессивной среды; 2) точным выполнением специальных требований проекта, технических условий изготовления конструкции или возведения здания; 3) правильной эксплуатацией здания или сооружения и своевременным выполнением защитных мероприятий [1, 2]. В тоже время при изготовлении железобетонных конструкций применяется большое количество химических, минеральных, а также комплексных органоминеральных добавок [3 - 5]. Часто применение добавок осуществляется без учета их влияния на процессы коррозии арматурной стали, что является важным и необходимым условием при изготовлении густоарми-рованных и тонкостенных железобетонных конструкций. Кроме того, нередко железобетонные конструкции зданий и сооружений эксплуатируются в условиях воздействия агрессивных сред: газов, паров, аэрозолей, а также в условиях повышенной влажности, в которых процессы коррозии арматуры могут значительно усиливаться.

Как известно [6 - 8] на поведение железобетонных конструкций в условиях пожара существенное влияние оказывают такие характеристики рабочей арматуры как: площадь поперечного сечения рабочей арматуры, толщина защитного слоя бетона и др., которые могут изменяться в связи с возникающими процессами коррозии арматурной стали, что отрицательно скажется на огнестойкости таких конструкций, а также на устойчивости зданий и сооружений при пожаре.

Целью данной работы являлось изучение влияния комплексных органоминеральных добавок ускоряющих твердение и повышающих прочность бетона на процессы коррозии арматурной стали, а

также на огнестойкость железобетонных конструкций.

Для разработки комплексных добавок в качестве минеральных компонентов применяли материалы природного и техногенного происхождения: молотый кварцевый песок, молотый гранулированный шлак, молотый известняк и молотый керамический кирпич с удельной площадью поверхности 700 м2/кг, а также микрокремнезем с удельной площадью поверхности 20000 м2/кг. В качестве поверхностно-активного вещества использовался суперпластификатор С-3. Ускорителями твердения являлись: нитрат натрия, сульфат натрия, хлористый кальций и нитрит натрия. Получение комплексных модификаторов осуществлялось по запатентованным технологиям [9]. Были разработаны составы комплексных добавок четырех типов [1011].

Коррозионные испытания стальной арматуры в бетоне проводили по ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний». Данный стандарт устанавливает методы определения и испытания коррозионной стойкости тяжелых и легких бетонов плотного строения, в том числе мелкозернистых бетонов на вяжущих на основе портландцементно-го клинкера, стальной арматуры и защитных покрытий. Метод коррозионных испытаний стальной арматуры в бетоне является прямым методом и устанавливает характер коррозионных поражений стали в бетоне, площадь коррозионного поражения, а также массу корродированной стали при хранении образцов в условиях переменного увлажнения и высушивания. Для испытаний использовали стержни арматурной стали диаметром 6 мм и длиной 120 мм. Из приготовленной бетонной смеси формовали образцы размерами 70 х 70 х 140 мм, каждый образец с двумя стержнями из арматурной

стали. Толщина защитного слоя бетона составляла 10 ± 2 мм. Подготовленные образцы хранили 3 месяца в условиях увлажнения и высушивания, после чего извлекали арматурные стержня и оценивали характер их коррозионного поражения.

Помимо коррозионных испытаний арматуры в бетоне проводилось определение физико-механических свойств бетонов, модифицированных разработанными комплексными органоминераль-ными добавками. Результаты исследований влияния разработанных модификаторов обладающих ускоряющим действием и повышающих прочность на свойства бетонных смесей и бетонов показали, что их применение позволяет существенно ускорить процессы твердения и обеспечить более высокие значения прочности по сравнению с прочностью бетона без добавок и с отдельно используемыми добавками ускорителями. При этом наибольшие значения прочности: 25,2 МПа в возрасте 1 суток твердения, наблюдаются при использовании добавок, включающих сульфат натрия (№2804) Что касается влияния видов минеральных компонентов, то наибольшая эффективность зафиксирована при использовании молотого песка и молотого известняка, менее эффективными являются модификаторы, содержащие молотый кирпич [10-11]. Эффективность модификаторов, содержащих молотый кварцевый песок, обусловлена формированием более плотной структуры цементного камня, а также образованием высокопрочных гид-

Рис. 1. Влияние вида комплексных органоминеральных добавок на потерю массы образцов арматурной стали (после 3 месяцев твердения образцов бетона в условиях попеременного увлажнения и высушивания): 1 - без добавок; 2 - с ОМД 1.1у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; МаМ03 2 %); 3 - с ОМД 1.2у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; Ш2Б04 2 %); 4 - с ОМД 1.3у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; СаС12 1,5 % + NaN02 1 %); 5 - с ОМД3.2у (молотый известняк 15 %; С-3 0,8 %; ^2504 2 %); 6 - микрокремнезем 25% + С-3 0,8 %.

росиликатов кальция. Эффективность модификаторов, содержащих молотый известняк, обеспечивается за счет высокого водоредуцирующего действия модификатора (снижение В/Ц-отношения до 40 %).

В ходе коррозионных испытаний стальной арматуры в бетоне было уставлено, что наибольшая потеря массы 34,7 г/м2 (рис. 1) и наибольшая площадь коррозионного поражения (рис. 2) зафиксирована у образцов арматурной стали в бетоне, модифицированном добавками ОМД 1.3 (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; СаС12 1,5 % + МаШ2 1 %), несмотря на введение в состав добавки ингибитора коррозии NaNO2.

Наименьшие значения потери массы 9,67 г/м2 (рис. 1) и площади коррозионного поражения арматуры (рис. 2) зафиксированы в бетонах, модифицированных добавками ОМД 1.1 (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; МаШ3 2 %), содержащими в качестве ускорителя твердения нитрат натрия (№М03), а в качестве минерального компонента молотый известняк, использование которых целесообразно в густоармированных железобетонных конструкциях.

Также установлено, что использование микрокремнезема способствует ускоренному развитию процессов коррозии арматуры в бетоне: потеря массы составила 22,3 г/м2, что в 3,5 раза больше, чем в бетоне без добавок (см. рис. 1, 2).

Рис. 2. Внешний вид образцов арматурной стали после испытаний на коррозионную стойкость (3 месяца твердения образцов бетона в условиях попеременного увлажнения и высушивания): а) без добавок; б) ОМД1. 1у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; NaNO3 2 %); в) ОМД 1.2у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; Ш£04 2 %); г) ОМД 1.3у (молотый песок 10 %; С-3 0,8 %; СаС12 1,5 % + NaN02 1 %); д) ОМД3.2у (молотый известняк 15 %; С-3 0,8 %; Ш^04 2 %);

е) микрокремнезем 25% + С-3 0,8 %.

Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что применение комплексных органоминеральных добавок, содержащих различные виды химических и минеральных компонентов, может способствовать ускорению процессов коррозии арматурной стали, что в свою очередь может существенно влиять на долговечность и огнестойкость железобетонных конструкций, для из-

готовления которых применяются добавки.

Расчетным методом, на примере железобетонной плиты перекрытия, было установлено (рис. 3), что уменьшение площади сечения рабочей арматуры расположенной в нижней растянутой зоне, за счет протекающих процессов коррозии, приводит к снижению предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности (Я).

Рис. 3. Влияние площади сечения рабочей арматуры на предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия.

Кроме того, в ходе развивающихся процессов коррозии арматурной стали в железобетонных конструкциях, отрицательным моментом может быть отслоение и разрушение защитного слоя бетона за счет давления формирующихся слоев ржавчины, в результате чего в условиях пожара такие конструкции быстрее потеряют несущую способ-

Библиографический список

1. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне: учеб. / С.Н. Алексеев. - Москва: Госстройиздат, 1962. - 187 с.

2. Теличенко В. И., Ройтман В. М. Обеспечение комплексной безопасности зданий и сооружений - приоритетное направление технологической модернизации России / В.И. Теличенко, В.М. Ройтман // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2014. - № 3. - С. 5-12.

3. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны: учеб. / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. - М.: АСВ, 2006. - 368 с.

4. Разработка эффективных комплексных ор-ганоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей: монография / В Т. Перцев, А.А. Леденев. - Воронеж, 2012. - 136 с.

5. Леденев А.А. Особенности получения и применения органоминеральных добавок для бетонов с высокими физико-техническими свойствами / А.А. Леденев // Научный вестник Воронеж. ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2009. - № 4 (16). - С. 78 - 83.

6. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий / Ройтман В.М. - М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. - 382 с.

7. Рекомендации по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций / НИИЖБ. - Стройиздат, 1986. - 40 с.

8. Пособие по расчету огнестойкости и огне-сохранности железобетонных конструкций из тяжелого бетона к СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» разработано д-ром техн. наук, проф. А.Ф. Миловановым.

9. Патент 2454381 Россия, МПК: C 04 B 28 00. Способ приготовления комплексного органо-минерального модификатора бетона / А.А. Леденев, С.М. Усачев, В.Т. Перцев; заявитель и патентообладатель Воронежский ГАСУ. - № 2009144453/03; заявл. 30.11.2009; опубл. 27.06.2012, бюл. № 16.

10. Леденев А.А. Комплексные модификаторы полифункционального действия для придания бетонам специальных свойств / А.А. Леденев, В.Т. Перцев, Джа-фар Рамадан Аль Судани // «Научный вестник ВГАСУ». Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения». Выпуск № 1 (8). - Воронеж, 2014. - С. 56 - 63.

11. Перцев В. Т. Комплексные добавки для регулирования свойств бетонных смесей и бетонов в условиях повышенных температур / А.А. Леденев, В.Т. Перцев, О.Б. Рудаков // Перспективы развития строительного комплекса: материалы VIII Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов - Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2014. - С. 319 - 324.

ность за счет прогрева рабочей арматуры, расположенной в нижней растянутой зоне. Полученные данные необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации железобетонных конструкций, особенно с учетом агрессивного воздействия на них окружающей среды в виде газов, паров, повышенной влажности.

References

1. Alekseev S.MKorrozija i zashhita armatury v betone: ucheb. / S.N. Alek-seev. - Moskva: Gosstrojizdat, 1962. - 187 s.

2. Telichenko V. I., Rojtman V. M. Obespechenie kompleksnoj bezopasnosti zdanij i sooruzhenij - prioritetnoe napravlenie tehnologicheskoj modernizacii Rossii / V. I. Telichenko, V. M. Rojtman // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija. - 2014. - № 3. - S. 5-12.

3. Bazhenov Ju.M. Modificirovannye vysokokachestvennye betony: ucheb. / Ju.M. Bazhenov, V.S. Dem'janova, V.I. Kalashnikov. - M.: ASV, 2006. - 368 s.

4. Razrabotka jeffektivnyh kompleksnyh organomineral'nyh dobavok dlja regulirovanija reologicheskih svojstv betonnyh smesej: monografija / V.T.

Percev, A.A. Ledenev. - Voronezh, 2012. - 136 s.

5. Ledenev A.A. Osobennosti poluchenija i primenenija organomineral'nyh dobavok dlja betonov s vysokimi fiziko-tehnicheskimi svojstvami / A.A. Ledenev // Nauchnyj vestnik Voronezh. gos. arh.-stroit. un-ta. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2009. - № 4 (16). - S. 78 - 83.

6. Rojtman V.M. Inzhenernye reshenija po ocenke ognestojkosti proektiruemyh i rekonstruiruemyh zdanij / Rojtman V.M. - M.: Associacija «Pozhar-naja bezopasnost' i nauka», 2001. - 382 s.

7. Rekomendacii po raschetu predelov ognestojkosti betonnyh i zhelezobetonnyh konstrukcij / NIIZhB. -Strojizdat, 1986. - 40 s.

8. Posobie po raschetu ognestojkosti i ognesohrannosti zhelezobetonnyh konstrukcij iz tjazhelogo betona k STO 36554501-006-2006 «Pravila po obes-pecheniju ognestojkosti i ognesohrannosti zhelezobetonnyh konstrukcij» razrabotano d-rom tehn. nauk, prof. A.F. Milovanovym.

9. Patent 2454381 Rossija, MPK: C 04 B 28 00. Sposob prigotovlenija kompleksnogo organomineral'nogo modifikatora betona / A.A. Ledenev, S.M. Usachev, V.T. Percev; zajavitel' i patentoobladatel' Voronezhskij GASU. -№ 2009144453/03; zajavl. 30.11.2009; opubl. 27.06.2012, bjul. № 16.

10. Ledenev A.A. Kompleksnye modifikatory polifunkcional'nogo dejstvija dlja pridanija betonam special'nyh svojstv / A.A. Ledenev, V.T. Percev, Dzhafar Ramadan Al' Sudani // «Nauchnyj vestnik VGASU». Serija «Fiziko-himicheskie problemy i vysokie tehnologii stroitel'nogo materialovedenija». Vypusk № 1 (8). - Voronezh, 2014. - S. 56 - 63.

11. Percev KT.Kompleksnye dobavki dlja regulirovanija svojstv betonnyh smesej i betonov v uslovijah povyshennyh temperatur / A.A. Ledenev, V.T. Percev, O.B. Rudakov // Perspektivy razvitija stroitel'nogo kompleksa: materialy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii professorsko-prepodavatel'skogo sostava, molodyh uchenyh i studentov - Astrahan': GAOU AO VPO «AISI», 2014. - S. 319 - 324.

INFLUENCE OF PROCESSES OF CORROSION REINFORCING STEELS ON DURABILITY AND FIRE RESISTANCE OF FERRO-CONCRETE CONSTRUCTIONS

Леденев Андрей Александрович,

доцент, к.т.н.,

Воронежский институт ГПС МЧС России, Россия, Воронеж; e-mail: ledenoff@mail.ru. Ledenev A.A.,

Assoc. Prof., Cand. Tech. Sci.,

Voronezh Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Voronezh; e-mail: ledenoff@mail.ru.

Перцев Виктор Тихонович,

профессор, д.т.н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет;

Россия, Воронеж;

e-mail: perec_v@mail.ru.

Pertsev V.T.

professor, Dr. Tech. Sci,

Voronezh SUACE,

Russia, Voronezh;

e-mail: perec_v@mail.ru.

In article influence complex organic mineral additives accelerating of hardening and raising durability of concrete on developing processes of corrosion reinforcing steels, and also on fire resistance of ferro-concrete constructions is considered. During researches application complex organic mineral additives containing various kinds of chemical and mineral components is established, that, promotes acceleration of processes of corrosion reinforcing steels. The settlement method establishes, that reduction of the area of section of working armature at the expense of proceeding processes of corrosion, leads to decrease in a limit offire resistance of a design on loss of bearing ability.

Keywords: ferro-concrete constructions, corrosion reinforcing steels, limit of fire resistance, chemical and mineral additives for concrete.