Возможность расчета сроков службы бетона при действии кислот подвергалось исследованию в ряде работ. В гл. 5 рассмотрен механизм коррозии бетона в кислотах и приведены некоторые результаты экспериментальных исследований, которые могут быть использованы при расчете сроков службы бетона.
Как было показано, зона реакции при действии кислоты на бетон имеет незначительную по сравнению с размерами конструкций протяженность (глубину) и разрушившийся поверхностный слой четко отделяется от бетона незатронутого коррозиен что позволяет принимать в лом случае глубину слоя разрушения как критерии сіепени повреждения бетона, и задача сводится к расчету глубины разрушения во времени при нахождении бетона в контакте с агрессивной средой. Установленные зависимости интенсивности коррозии от времени при удалении продуктов реакции и при их сохранении на месте позволяют вести расчеты в условиях полного погружения конструкции в агрессивную среду и с учетом диффузионного механизма проникания агрессивных ионов в поро- вое пространство структуры бетона.
В первом случае глубина коррозионного повреждения бетона будет ограничиваться только реакционной емкостью кислоты во внешней среде и кинетическими факторами — сменой агрессивности раствора у поверхности бетона. Во втором — закономерности процесса будут аналогичны рассмотренным при карбонизации бетона, так как в обоих случаях речь идет о взаимодействии кислоты и бетона.
Приведем пример инженерного расчетного прогноза глубины разрушения бетона при действии минеральной кислоты на бетон.
Основная закономерность кинетики коррозионного разрушения беїо - на при кислотной коррозии выражается формулой (5.1). Из этой формулы следует:
6 к
Вывод этой формулы и обозначения приведены в разд. 5.2.
Для портландцемента с достаточной степенью точности при данных расчетах может быть принято содержание гидроксида кальция в цементе К = 0,63 в долях единицы; истинные плотности воды и цемента р„ = = 1000 кг/м3 и рц = 3100 кг/м3 соответственно. Следовательно, коэффициент Ав будет изменяться только в зависимости от воцоцементного отношения в бетоне. Отсюда для бетона нормальной проницаемости (марка по водонепроницаемости ВЧ, В/Ц = 0,6) коэффициент AQ будет равен 5-41 • 10"2, а для пересчета для бетонов с другими В/Ц можно воспользоваться коэффициентами табл. 11.1. При проведении расчетов используют эффективные коэффициенты диффузии D*, определяемые экспериментально. По данным работы [11.12] такие коэффициенты приведены в табл. 11.2. Коэффициент диффузии определяется для температуры 20°С. Значение коэффициента диффузии можно привести к фактической температуре эксплуатации, приближенно приняв, что увеличение или уменьшение температуры на 1°С дает соответственно увеличение или уменьшение D* на 2,6%.
В табл. 11.3 приведены расчетные значения глубины коррозионного разрушения бетонов различной проницаемости при действии соляной кислоты разной концентрации.
В табл. 11.4 приведены результаты таких же расчетов для разных кислот и разной их концентрации в зависимости от срока службы. Расчет выполнен для бетона нормальной проницаемости (В/Ц = 0,6) на портландцементе. При подсчете полученные расчетные значения увеличены в два раза с целью создания запаса коррозионной стойкости по аналогии с расчетами на прочность.
Необходимость и эффективность применения защитных изоляционных мероприятий можно установить, сопоставляя глубину расчетного разрушения поверхностного слоя бетона с допустимой глубиной раэру-
Таблица 11.1. Глубина В/Ц на коэффициент AQ
|
* При увеличении концентрации серной кислоты выше 0,035 и эффективный коэффициент диффузии уменьшается на порядок. |
Таблица 11.3. Расчет глубины разрушения за 50 лег бегонии на портландцементе при дсйсшни МП различной концентрации
|
0.1 |
3,65 |
3,59 |
8,6 |
2,2 |
9,7 |
10,2 |
0,01 |
0,365 |
3,84 |
2,7 |
2,89 |
3,05 |
3,2 |
0,001 |
0.0365 |
4,05 |
0,86 |
0,92 |
0,97 |
1,02 |
0,0001 |
0,00365 |
4,26 |
0,27 |
0,29 |
0,3 |
0,32 |
Примечание. £)* = 0,047 см /ч. Таблица 11.4. Глубина разрушения бетона в образцах, изготовленных на портландцементе при ВЩ = 0,6 |
25 |
J 50 |
J 100 |
И |
I» |
| 100 |
|
2 |
2,8 |
8,2 |
11,6 |
5,4 |
7,6 |
10,8 |
3 |
1,8 |
2,5 |
3,7 |
1,7 |
2,4 |
3,4 |
4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
0,5 |
0,7 |
1,1 |
4,5 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
5 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
J Растворы Н5 |
Водородный Показатель РН |
Растворы HN03 и НС1 |
Глубина разрушения бетона, см, за расчетный срок службы конструкции, годы |
Примечание. Данные рассчитаны с коэффициентом запаса К3 |
Шения бетона для сохранения несущей способности (зксішуатациоіпюй пригодности) конструкции. Следует также учитывать возможность ремонта конструкции. Or защиты поверхности (вторичной защиты) можно отказаться, если расчетная толщина разрушения поверхностного слоя бетона за проектный срок (или срок до капитального ремонта) эксплуатации не приводит к снижению несущей способности конструкции ниже заданной н проекте. Проведенные исследования показывают, что применение бетонов пониженной проницаемости позволяет отказаться от вторичной защиты бетона в кислых средах с рН = 4, а для массивных конструкций и до рН = 3.
Во многих случаях придание достаточной стойкости железобетонным конструкциям в кислых средах может быть достигнуто увеличением толщины защитного слоя.
Для разъяснения методики подсчета сроков службы конструкции приведем еще несколько расчетов по разработанной методике.
Примеры расчета глубины коррозионного повреждения бетона кислотами [5 J1 ]
Пример 1. Определить глубину коррозионного разрушения бетона нормальной плотности при действии на него 0,01 н раствора НС1 в течение 25 лет.
So4 |
У4(5 для бетона W4 составляет 5,41 • 10 ; C^Cl = 0,047 см /ч (см. табл. 11.2).
Концентрация 0,01 н раствора I1C1 0,365 кг/м3
Подставив исходные величины в формулу (5.2), получим
6=5,41 ■ 10"2 \/0,047 • 0,365 - 25,8760 = 2,9 см.
2 • 36,5
Пример 2. Определитьглубину коррозии бетона повышенной плотности 1V6 при действии 0,01 н раствора H2SO*J в течение 50 Леї. Величина AQ Для бетона И'6 Составляет5,41 • 10 -0,97 =5,25 - Ю-2.
')H2S04
D* So = -0,041 см2/ч, с0 = 0,49 кг/м3;
5 = 5,25 • 10"2 V/0,041 • 0,49 — ■ 50,876 = 3,7 см.
98
Пример 3. Определить глубину коррозии бетона состава 1 : 1,53 : 2,8 с расходом цемента Ц =400 кг/м ири действии 0,001 н рае-гвора IINO3 в Течеіше 50 Леї Плотность заполнителей (песка и щебни) составляет 2650 и 2610 кг/м3 соответственно.
Определим значение AQ
.ііііпчки 6 /
0 Ц - К 400 • 0,63
Глубина коррозии составит:
Б = 5,20 • 10"2 \/0,045 - 0,0063 • 50 • 8760 = 0,4 см.
2,63
Естественно, что в практических условиях возникает много вопросов, которые не могут быть решены предложенным методом расчета, в частности, одним из наиболее распространенных случаев является действие газообразной среды с различной влажностью и содержанием кислых газов — сернистого ангидрита, хлористого водорода, хлора (образующего хлористый водород) и др.
Определение эффективного коэффициента диффузии агрессивных веществ в жидкой и газовой фазах капиллярно-пористых тел предложено в работе [11.10] в такой последовательности.
Перенос агрессивного вещества внутрь бетона в общем случае описывается выражением
Dc/dt = D*b2c/dx2, (11.1)
Где D* — эффективный коэффициент диффузии агрессивного вещества.
Связь эффективного коэффициента диффузии с молекулярным коэффициентом диффузии может быть выражена зависимостью
D* = Dai А2а3. (И.2)
Отличие эффективного коэффициента диффузии от молекулярного обусловлено извилистостью капилляров, по которым идет диффузионный поток а,, влиянием стенок капилляров а2 и уменьшением сечения диффузии за счет уменьшения сечения диффузионного потока твердой фазой системы а3. Следовательно,
D* = D ~ а2, (11.3)
ГДе £> - молекулярный коэффициент диффузии 298
Параметр а, может быть выражен через коэффициент извилистости капилляров а, = ---; Т, 1J1,
Где 1С — средняя длина сквозных капилляров в образце; I — длина образца.
А3 = Пс, где Пс — сквозная пористость бетона. Выражение (11.3) принимает вид: эффективный коэффициент диффузии в бетоне —
«2- * (П.4)
Эффективный коэффициент диффузии газа в бетоне
D* = Dx "с —— а2, (11.5)
Где Пси, - сквозная пористость бетона, заполненная влагой при данной относительной влажности воздуха,-Ог и а2 — параметры, учитывающие влияние стенок твердой фазы при переносе агрессивных ионов в поровой жидкости н при диффузии газа в свободных от воды порах бетона.
Если принять приближенно, что коэффициенты ai и а2 равны, то:
Аналогичные уравнения приводятся в работах [11.14, 11.16]. На основании представлений о зависимости электропроводности капиллярно-пористого тела от его "сквозной пористости" [11.4] получим для полного заполнения жидкостью норового нространС тва бетона
Nw
А для неполного —
D*=DrRjRH-R0/Rw,
Где ди — электросопротивление водонасыщенного бетона; /?0 - сопротивление жидкой фазы в объеме образца; Rw — сопротивление образца при данной относительной влажности среды.
На основании измерения электропроводности образцов при различной влажности окружающей среды выполнены расчеты эффективного коэффициента диффузии в жидкой и газовой фазе бетона.
Для хлористого кальция по такой методике получены значения эффективного коэффициента диффузии, представленные на рис. 11.2. На рис. 11.3 приведены эффективные коэффициенты в том же материале для хлористого водорода в газовой фазе. Знание эффективных коэффициентов диффузии позволяет по вышеописанной методике определять и условную глубину разрушения бетона. Приведенные результаты расчетов пригодны для бетонов на кислотостойких заполнителях. При заполнителях из карбонатных пород заполнители разрушаются быстрее, чем цементный камень, в то время как для цементного камня характерно
-в
Защитное действие против коррозионного процесса образующимся слоем нерастворимых продуктов коррозии. При кислотостойком, в частности, гранитном заполнителе, тормозящее коррозию действие продуктов реакции сказывается на скорости коррозии, и это отражается на экспериментально определяемом эффективном коэффициенте диффузии.
Стойкость бетонов на различных заполнителях зависит от растворимости кальциевых солей кислот и, следовательно, не может быть выражена однозначно [11.12]. При действии растворов соляной, уксусной, муравьиной, молочной и других кислот, кальциевые соли которых хорошо растворимы, бетон на карбонатных заполнителях разрушается значительно быстрее, чем на гранитном щебне. При действии растворов серной, плавиковой, кремнефтористоводородной кислот бетон на карбонатном заполнителе разрушается медленнее, так как начинает сказываться блокирующее действие заполнителя.
В наїурньїх условиях, конечно, будут влиять на скорость коррозии и другие трудно учитываемые факторы — такие, как неоднородность качества бетона в различных частях конструкции, трещины различного происхождения и раскрытия, неременные температуры эксплуатации, изменения концентрации кислоты во времени и др. Однако влияние этих факторов должно учитываться определенным коэффициентом запаса, использование которого неизбежно так же, как и при расчете конструкций на прочность.
Оставить комментарий