В статье приведена методика расчета глубины карбонизации бетона железобетонных мостовых конструкций. Представлен программный продукт для оценки коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций.

ВВЕДЕНИЕ

Коррозия стальной арматуры мостовых конструкций является основной причиной явно недостаточной долговечности железобетонных мостов. В серии работ, посвященных коррозионному состоянию железобетонных мостовых конструкций [1–5], показано, что основными причинами депассивации стальной арматуры с последующей ее коррозией является карбонизация бетона на всю толщину защитного слоя или накопление хлор-ионов в приарматурной зоне бетона сверх критической концентрации. И если накопление хлор-ионов в защитном слое бетона – несколько специфический процесс, требующий наличия (что не всегда имеет место) раствора солей-хлоридов на поверхности конструкций, то нейтрализация бетона защитного слоя – процесс неизбежный, обусловленный наличием в воздухе углекислого газа, а в поровой жидкости бетона – гидроокиси кальция. В связи с этим, в данной статье авторы уделяют особое внимание именно влиянию карбонизации бетона на коррозионное состояние стальной арматуры и возможности прогнозирования этого процесса.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Следует отметить обстоятельность подхода авторов перечисленных работ [1–5] к оценке коррозионного процесса. Ими показана достаточно убедительная картина коррозии, заострена сама проблема, разработана система прогнозирования коррозии арматуры, базирующаяся на диффузионном характере переноса агрессивных ионов в теле бетона. Математический аппарат прогноза основывается на известных, подтвержденных практикой аналитических зависимостях.

Прогноз опирается на результаты, полученные в процессе обследования железобетонных конструкций на каком-то этапе эксплуатации автодорожных мостов: величины глубины карбонизации бетона, толщины защитного слоя бетона. А далее рекомендуется оценивать срок службы конструкции, рассматривая полученные данные как случайные факторы. Такая система прогноза весьма удобна, поскольку фактически учитывает уже реальные интегрированные эксплуатационные условия и косвенно – структурные особенности бетона, оцениваемые диффузионными характеристиками для углекислого газа. Однако она нуждается в совершенствовании путем дополнения прогноза и на стадии изготовления конструкции.

Долговечность железобетона определяется как внешними (условия эксплуатации), так и внутренними (структура бетона) факторами. Закладывается она уже на стадиях проектирования состава бетона и реализации технологических приемов формования и твердения конструкции. Именно направленное структурообразование может и должно служить основой получения железобетонных конструкций заданной долговечности, а структурные особенности бетона – основой системы прогноза коррозионного состояния стальной арматуры.

Если реализовывать идею прогноза долговечности еще на стадии изготовления железобетонных конструкций, то необходимо получение соответствующих достоверных аналитических зависимостей для расчета на основе состава бетона не только морозостойкости и водонепроницаемости, но и предположительных диффузионных характеристик. Современные представления, развивающиеся в бетоноведении, позволяют это сделать. Но при этом нельзя ограничиваться традиционными влияющими факторами (основными из которых обычно являются водоцементное отношение и расход цемента), поскольку они постоянны и не изменяются во времени. Описать свойства бетона, изменяющиеся во времени, можно только с привлечением такого динамичного параметра, как степень гидратации цемента. Именно степень гидратации вкупе с традиционными влияющими факторами определяет динамику изменения структуры цементного камня и бетона, а, следовательно, и их коррозионную стойкость.

Сама степень гидратации цемента находится в достаточно сложной, но поддающейся математическому описанию функциональной зависимости от множества факторов – свойств цемента, водосодержания цементного теста, вида и количества введенных химических добавок, условий и времени твердения и др. [6]. В свою очередь, знание степени гидратации цемента позволило получить аналитические зависимости для расчета эффективного коэффициента диффузии углекислого газа в бетоне [7].

Предлагается модель прогнозирования коррозионного состояния железобетона еще на стадии проектирования состава бетона (рис. 1), основывающаяся на классических представлениях деградации защитного слоя [8, 9]. Она базируется на концепции – долговечность железобетонных конструкций определяется продолжительностью пассивного состояния стальной арматуры. При активации стали и начале ее коррозии дальнейшая эксплуатация железобетона практически не поддается прогнозу и связана с определенным риском. Переход стальной арматуры из пассивного состояния в активное определяется временем достижения фронтом прокарбонизированного бетона поверхности арматуры (зависит от структурных особенностей бетона и эксплуатационных условий). Толщина защитного слоя бетона является решающим фактором, влияющим на продолжительность так называемого инкубационного периода коррозии.

Рис. 1. Схема прогнозирования коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций

ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ

Логическим завершением разработанной многофакторной математической модели прогнозирования коррозионного состояния железобетонных конструкций является создание инструмента для ее инженерной реализации. При ручном обсчете многофакторных моделей (см. рис. 1) оперативный учет всех влияющих параметров весьма трудоемок, а зачастую и практически невозможен. Наиболее комфортные условия для расчетов предоставляет программный продукт (основные окна представлены на рис. 2). Он учитывает как внутренние влияющие факторы, определяемые структурными особенностями бетона (общая, гелевая и капиллярная пористость, эффективные коэффициенты диффузии углекислого газа, активирующих и ингибирующих коррозию стали ионов), так и внешние (температурно-влажностный режим и продолжительность эксплуатации, концентрация агрессивной среды).

Рис. 2. Последовательность расчетов коррозионного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций

После выбора компонентов бетонной смеси (см. рис. 2, этап I) реализуется многофакторное проектирование состава бетона (см. рис. 2, этап II) с учетом (кроме традиционных параметров) вида и количества вводимых пластифицирующих добавок, добавок-ускорителей твердения и добавок, ингибирующих процесс коррозии стали. Затем переходят к реализации этапа III (см. рис. 2): вводят условия и длительность эксплуатации конструкций и в результате расчетов получают графики кинетики карбонизации бетона, накопления хлор-ионов в приарматурной зоне, а также изменения критической концентрации хлор-ионов. В конечном итоге рассчитывают длительность пассивного состояния стальной арматуры железобетонных конструкций. И если она меньше заданного срока эксплуатации, то опять возвращаются к этапам I или II (см. рис. 2), изменяя свойства компонентов бетонной смеси и пересчитывая состав бетона.

АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ

Оценим достоверность расчетов глубины карбонизации бетона, осуществляемых по предлагаемой схеме. Необходимо отметить, что обычно описываемые в литературе данные (как, впрочем, и ниже приведенные) не содержат исчерпывающих сведений о свойствах компонентов бетона, об условиях твердения и о других, важных для прогноза параметрах, что снижает надежность сопоставления.

В таблице 1 представлены фактические значения глубины карбонизации бетона, приведенные из литературных источников, и рассчитанные по предложенной модели прогноза. Нетрудно убедиться в том, что расчет дает вполне приемлемые с практической точки зрения результаты.

Таблица 1. Сравнительные величины глубины карбонизации бетона

В ГП «БелдорНИИ» проведены достаточно обширные натурные исследования прочности бетона на сжатие (таблица 2) и глубины карбонизации бетона (рис. 3) в железобетонных конструкциях автодорожных мостов Республики Беларусь. На рис. 3 нанесены также результаты расчета глубины карбонизации бетона по описанному выше программному продукту. К сожалению, результаты обследования мостов не дают информации о материалах, использованных при строительстве и составах бетона. В связи с чем авторы статьи по прочностным характеристикам (см. таблицу 2) рассчитывали составы бетона для цементов марок 400 и 500, а затем оценивали глубину карбонизации бетона. Следует отметить, что результаты достаточно удовлетворительны, что подтверждается и статистическими выкладками. Так, коэффициент вариации отклонений расчетных данных от фактических составил 26 %, что, по мнению авторов, вполне приемлемо для практических расчетов. Имеющие место отклонения легко объясняются тем, что много факторов, заложенных в программную модель, попросту не учтены, например, вид цемента, концентрация углекислого газа, влажностное состояние бетона, атмосферные осадки и др.

Таблица 2. Результаты обследования мостов

Рис. 3. Фактическая и расчетная глубина карбонизации бетона в железобетонных автодорожных мостах Республики Беларусь

Коснемся также вопроса корреляции прочности бетона и глубины карбонизации бетона, построенной по данным обследования (рис. 4). Как известно, на их взаимосвязи основывается назначение классов по условиям эксплуатации конструкций. К сожалению, тесная взаимосвязь отсутствует, хотя тенденция увеличения интенсивности карбонизации бетона со снижением его прочностных характеристик налицо.

Рис. 4. Зависимость фактической глубины карбонизации бетона от его прочности

Для сопоставления фактических величин карбонизации с расчетными воспользуемся также данными, приведенными и систематизированными в [10]. На фактические данные глубины карбонизации бетона защитного слоя автодорожных мостов и путепроводов, взятые авторами работы [10] из отчетов «БелдорНИИ» для бетона с водоцементным отношением от 0,4 до 0,5 при расходе цемента от 380 до 420 кг/м³, авторами [10] наложены результаты расчетов (для усредненных величин В/Ц и расхода цемента) по различным моделям, предложенным зарубежными исследователями (рис. 5). Авторы данной статьи дополнительно на рис. 5 привели результаты расчетов по общеизвестной формуле К. Кишитани, номограмме, предложенной Н. К. Розенталем [9], а также по предлагаемой методике прогнозирования (см. рис. 1). Обобщенный анализ позволяет сделать вывод о том, что ни одна из моделей не дает возможности с высокой достоверностью рассчитывать глубину карбонизации бетона на всем периоде эксплуатации, что легко объясняется множеством не учитываемых при прогнозе факторов. Отчасти можно констатировать, что для больших сроков эксплуатации фактические данные представляются несколько завышенными и не вписываются в классические представления о зависимости глубины карбонизации от корня квадратного из времени. В целом же расчет по программному продукту достаточно достоверен.

Рис. 5. Глубина карбонизации бетона (х) с водоцементным отношением 0,44 и расходом цемента 400 кг/м³ в зависимости от времени эксплуатации (t)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методика прогнозирования долговечности железобетонных мостовых конструкций на стадии их изготовления вполне достоверна. А разработанный на ее основе программный продукт может быть, по мнению авторов, удобным инструментом для направленного модифицирования состава бетона с целью изготовления железобетонных конструкций с заданной долговечностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев, А. И. Оценка коррозионного износа рабочей арматуры в балках пролетных строений автодорожных мостов / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2000. – № 2. – С. 20–23.

2. Васильев, А. И. Прогноз коррозии арматуры железобетонных мостовых конструкций при карбонизации защитного слоя / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2001. – № 3. – С. 16–20.

3. Васильев, А. И. О выборе толщины защитного слоя бетона мостовых конструкций / А. И. Васильев, А. С. Бейвель, А. М. Подвальный // Бетон и железобетон. – 2001. – № 5. – С. 25–27.

4. Васильев, А. И. Прогноз коррозии арматуры железобетонных конструкций автодорожных мостов в условиях хлоридной агрессии и карбонизации / А. И. Васильев, А. М. Подвальный // Бетон и железобетон. – 2002. – № 6. – С. 27–32.

5. Васильев, А. И. Вероятностные оценки срока службы эксплуатируемых автодорожных мостов в условиях коррозии арматуры / А. И. Васильев // Бетон и железобетон. – 2003. – № 2. – С. 17–20.

6. Бабицкий, В. В. Прогнозирование степени гидратации цемента с химическими добавками / В. В. Бабицкий // Материалы, технологии, инструменты. – 2005. – № 1. – С. 76–79.

7. Бабицкий, В. В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона / В. В. Бабицкий // Строительная наука и техника. – 2005. – № 2. – С. 33–38.

8. Алексеев, С. Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С. Н. Алексеев, Ф. М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. – М.: Стройиздат, 1990. – 320 с.

9. Алексеев, С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной производственной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. – М.: Стройиздат, 1976. – 205 с.

10. Расчет срока службы железобетонных конструкций в условиях коррозии карбонизации. Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров: сб. науч. ст. / Гродн. гос. ун-т им. Я. Купалы; редкол.: Т. М. Пецольд (отв. ред.) [и др.] / О. Ю. Чернякевич, С. Н. Леонович. – Гродно: ГрГУ, 2010. – С. 369–375.