24 Окт 12 РАСЧЕТ СРОКОВ СЛУЖБЫ И ПРОГНОЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С. Н. Алексеев, Ф. М. Иванов (СССР)

Вопрос о прогнозе сроков службы железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, весьма сложен и не может быть решен однозначно для всех случаев и условий взаимодействия среды и бетона.

В настоящее время долговечность железобетонных конструкций обес­печивается при проектировании оценкой степени агрессивности внешней среды по характеристикам климата и ее химического состава в соответ­ствии с показателями, принятыми в СНиП. Морозостойкость бетона наз­начается в проекте с учетом особенностей увлажнения конструкций и в зависимости от температуры, характеризующей суровость климата по СНиП 2.03.01—84 или в соответствии с требованиями ГОСТ на отдель­ные виды конструкций. Химические воздействия оцениваются по СНиП 2.03.11—85 в зависимости от состава и условий контакта агрессивной среды и бетона, вида цемента и проницаемости бетона. В СНиП приняты три степени агрессивности: слабая, средняя и сильная.

На основании оценки степени агрессивное! и назначаются способы первичной защиты — придания длительной стойкости (долговечности) бетону или указывается необходимость вторичной защиты конструк­ций (изоляция бетона от соприкосновения с агрессивной средой). При зтом принимается во внимание срок службы конструкций, в течение которого сооружение должно сохранять эксплуатационную пригодность без существенных затрат на ремонт.

Кроме оценки степени агрессивности среды и стойкости бетон:! и арматуры, в проекте назначаются определенные требования к коне руи - рованию с учетом вида и марки арматурной стали (толщины защитного слоя, ширины допустимого раскрытия трещин), что входит в рассмотре­ние на второй стадии расчета срока службы — прогноза долговечности, когда оценивается возможное влияние изменения размеров конструк­ции, сечения арматуры, расчетных трещин в зависимости of агрессивное- - ти внешних воздействий.

В СНиП при оценке степени агрессивности принят средний срок служ­бы порядка 50 лет. Однако до настоящего времени общепринятого и нормированного метода расчета железобетонных конструкций на долго­вечность не существует. При оценке стойкости бетона в средах различ­ной степени агрессивности принималось, например, что им соответствует следующая скорость повреждения бетона, мм/год: слабая — 0,1...0,2; средняя — 1; сильная — 10. Это, конечно, очень ориентировочные и условные величины, так как коррозия бетона идет с непостоянной ско­ростью и фронт коррозии может быть расплывчатым, т. е. деструктивные процессы могут идти в объеме материала, а не только на его поверх­ности.

Общая методология прогноза сроков службы бетона рассматривается в работах [11.7, 11.21, 11.23, 11.25]. С целью облегчить прогноз сроков службы строительных материалов создаются стандарты на методы уско­ренного определения коррозионной стойкости различных материалов [11.13, 11.24]. Рекомендуемая в [11.25] практика прогноза сроков

Службы бетона в конструкциях зданий и сооружений предусматривает слеиующие этапы (рис. 11.1):

1. Устанавливаются эксплуатационные требования и критерии повреж­дений.

2. Устанавливаются критические характеристики экснлуатационн. л пригодности материала, а также ожидаемый вид и пределы факторов повреждения — деградации материала.

3. Устанавливается ожидаемый вид и размеры фактора повреждений.

4. Принимаются характеристики материала, для которого даетш прогноз срока службы.

5. Должен быть известен возможный механизм повреждения.

6. Устанавливаются методы ускорения старения, подобного старені. j в эксплуатационных условиях..

7. Приводятся эксплуатационные требования при испытании.

8. Осуществляется проектирование и проводятся предварительные испытания, чтобы вызвать быстрое повреждение и установить механизм повреждения.

9. Проводятся испытания по п. 6 при менее сильных воздействия., чтобы установить соотношение между суровостью условий и скоростью разрушения или потери эксплуатационной пригодности.

10. Проводятся длительные испытания в экснлуаицнонпых ^ ни. .

11. Сравниваются виды разрушений, полученных при эксплуатации и при прогнозных испытаниях срока службы.

12. Решается вопрос об идентичности механизма изменений при прог­нозных испытаниях и в эксплуатационных условиях.

13. Разработка математической модели повреждения и сравнение ско­рости изменений в прогнозных испытаниях и с испытаниями в натуре.

28

14. По данным этапов 8, 9 и 10 подготавливается модель, которая должна содержать соображения о механизме разрушения и о комб інаци і факторов разрушения.

Рис. 11.1. Схема операций по прогнозу срока службы бетоиа в сооружении [11.25]. Значения индексов да­ны в тексте

6И Hi

15. Прогнозируется срок службы.

16. Оформляются данные.

Из этой схемы следует, что подготовка математической модели кине­тики процесса невозможна без четкого представления о механизме про­цессов экспериментальных данных, характеризующих влияние различ­ных факторов на кинетику процессов и проверки достоверности методо­логии прогноза в натурных условиях. Если учесть, что коррозионные процессы с трудом моделируются во времени и требуют длительных испытаний, становятся понятными трудности разработки обоснованного метода прогноза сроков службы железобетонных конструкций. Мы счи­таем, что ироблема во всем ее многообразии может быть решена мето­дом постепенного приближения, при котором сначала решаются частные задачи расчета кинетики для наиболее простых агрессивных веществ и условий взаимодействия, для которых накоплен значительный экспери­ментальный материал, а затем уже разрабатываются более сложные за­дачи.

Вопрос о методологии прогноза сроков службы бетона в сооружениях исследовался и в СССР. Предложения о количественной оценке кинетики коррозионных процессов, возникающих при контакте жидких агрессив­ных сред с бетоном [-11.2, 11.7], основывались на анализе природы кор­розионных процессов. Устанавливалось, что интенсивность коррозион­ных процессов определяется интенсивностью проникания агрессивных компонентов внешней среды в поровую структуру бетона. Движение агрессивной среды от внешней поверхности в глубь бетона осуществ­ляется под действием следующих сил: гидростатического давления, мо­лекулярной диффузии и капиллярности, действующих индивидуально или совместно. Такая классификация действующих сил, побуждающих движение агрессивной среды в бетоне, позволяет для стационарных усло­вий осуществлять количественные расчеты величины потока агрессивно­го вещества через поверхность бетона и оценку его влияния на состояние бетона во времени для некоторых простых граничных условий. Для газовой среды количественный прогноз был дан в работах [11.8, 11.16] и кратко рассматривается далее (разд. 11.6) .

Использование физико-химических закономерностей кинетики кор­розии позволяет рассчитать количество агрессивного компонента, про­никающего в бетон и после экспериментального определения последст­вий такого проникания, т. е. изменения прочности или других техничес­ких свойств бетона, назначить предельные параметры коррозионного процесса, при которых свойства бетона в течение заданного срока служ­бы изменяются в допустимых пределах.

На основе этой методологии разработаны упрощенные инженерные расчеты сроков службы бетона в условиях коррозии выщелачивания, кислотной коррозии, сульфатной коррозии и даны некоторые предложе­ния по назначению требований к бетону по морозостойкости для задан­ного срока службы. Параллельно рассматривается подход к прогнозу долговечности бетона в агрессивных условиях на основании работ [11.8, 11.10 и др.].

Расчеты сроков службы железобетонных конструкций на основании данных о скорости процесса карбонизации защитного слоя бетона у арматуры см. в гл. 8.

Расчет сроков службы является также экономической задачей, так как основная его цель — определение оптимального варианта при мини­мальных расходах.

К вопросу о прогнозе сроков службы бетона в конструкциях сле­дует подойти с учетом определенных инженерных соображений. Прежде всего следует иметь в виду, что проектные сроки службы сооружений задаются в определенных пределах, практически от временных сооруже­ний со сроком службы 5—10 лет до длительно стойких, срок службы ко­торых может в большинстве случаев ограничиваться 50—100 годами, и только для отдельных видов сооружений целесообразно проектиро­вать неограниченно длительный срок службы. Следовательно, сроки службы сооружений будут различаться в 5-20 раз. Это упрощает задачу, так как позволяет ограничить интервалы времени, в которых должны быть действительны зависимости для прогноза сроков службы. Можно также надежно и обоснованно принять, что для практических целей впол­не достаточна точность прогноза ±10%. С этих позиций можно рассматри­вать и требования к математическим моделям и используемым в них коэффициентам.

Не имея достаточных данных для создания обобщенной теории кор­розии во всем многообразии коррозионных процессов, которая позво­ляла бы решать задачи прогноза кинетики коррозионных процессов раз­личных видов бетона и железобетона в разных средах и при разных усло­виях контакта, далее рассматриваем некоторые, в настоящее время достаточно разработанные конкретные примеры прогноза сроков служ­бы бетона и стальной арматуры в конструкциях. Накопление таких част­ных примеров создает основу для создания в дальнейшем более общего расчетного аппарата.

При зтом следует иметь в виду, что первая и главная задача расчета — достаточно надежно определить возможность эксплуатации конструкции без специальной (вторичной) защиты, изолирующей от окружающей среды, так как такая защита сразу весьма существенно удорожает конст­рукцию и, как правило, не обладает стойкостью на весь срок эксплуата­ции. Ремонт железобетонных конструкций и их антикоррозионной защи­ты в процессе эксплуатации зачастую невозможен и, во всяком случае, не экономичен 111.221. Дія тонкое генных конструкций, поднергамщнх - ся действию кислых газов или кислых или других сред, при когорых раз­рушение бетона идет послойно от поверхности в глубь бетона, при наз­ванных сроках службы с определенным коэффициентом запаса (К ~ 2) может быть принята безусловно безопасная и допустимая степень повреждения не более 0,1 мм/год. Повышенная скорость разрушения, примерно 1 мм/год, является для постоянных сооружений также безус­ловно недопустимой. Следовательно, практически интервал расчетных скоростей разрушения будет изменяться всего в 10 раз.

На первом этапе для частных решений полезны приближенные мето­ды, область применения которых не должна, однако, трактоваться рас­ширительно [11.9] ввиду искажения кинетических зависимостей из-за неучета существенных факторов и их изменения во времени.

В данной книге авторы стремились привести примеры расчета, пред­ставляющие практический интерес, и их обоснование в форме, пригод­ной для использования в практике проектирования. Дальнейшее накоп­ление данных о состоянии сооружений в различных условиях и результа­ты исследований кинетики коррозионных процессов в новых и сложных агрессивных средах позволят развить предлагаемые примеры и их мате­матическое обеспечение.