24 Окт 12 ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ИЗВЕСТИ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ БЕТОН

Расчет допустимого повреждения бетона за срок службы в условиях коррозии I вида может проводиться по общей схеме. Должны быть из­вестны или заданы условия коррозионного процесса. Необходимо знать: условия фильтрации, величину напора и толщину конструкции, коэффи­циент фильтрации бетона, расчетный срок службы сооружения. По экспериментальным данным и обобщению результатов исследований, например по графику рис. 5.5, может быть принято количество воды, вызывающее вынос определенного количества гидроксида кальция (везде в дальнейшем расчеты ведутся на СаО), или должны быть экспе­риментальные данные, характеризующие кинетику выщелачивания в ви­де данных о концентрациях гидроксида кальция в фильтрующей воде в зависимости от вида цемента, что может характеризоваться средней ве­личиной концентрации за срок фильтрации (срок службы). Важным по­казателем для расчетов является суммарное количество гидроксида кальция, удаление которого допустимо без существенного нарушения прочности бетона.

Экспериментальные данные для назначения предельно допустимого выноса гидроксида кальция весьма ограничены. Трудность заключается в том, что в большинстве случаев в реальных условиях фильтрация через бетон идет по отдельным сосредоточенным путям, а не равномерно все сечение бетона. Наглядно это видно в испытаниях на водонепроницае­мость образцов при высоком давлении [ 11.5].

Основываясь на данных о содержании свободного гидроксида кальция в цементном камне, а также на данных, приведенных в [5.17, 5.51], мож­но считать, что после выноса примерно 10% гидроксида кальция начи­нается быстрое падение прочности бетона с увеличением количества выносимого СаО - Рассмотрим простейший способ подсчета сроков служ­бы бетона при выщелачивании гидроксида кальция. Ход расчета следую­щий: определяется количество выносимого гидроксида кальция (в сред­нем за время службы) единицей объема воды, профильтровавшей через бетон, вычисляется количество воды, которое пройдет через единицу объема бетона в течение единицы времени (года) и общее количество гидроксида кальция, которое допустимо к выносу из единицы объема бетона данного сооружения. Из этих данных определяется срок, в тече­ние которого это произойдет, т. е. срок безопасной службы сооружения

Сделаем зто для большей наглядности на численном примере.

Введем следующие обозначения <7ИЗВ — количество извести (СаО), которое может быть удалено из единицы объема бетона без потери им основных эксплуатационных свойств, прежде всего, прочности, г/см3; Vv6 -- количество воды, фильтрующей в единицу времени через единицу объема бетона (объемная скорость воды),см3/(см3 с);Сизв — средняя концентрация извести в воде за время службы конструкций; т — продол­жительность фильтрации воды до достижения выноса <7ИЗВ, равная без­опасному сроку службы сооружения

При этом может быть определено на основании данных о составе бетона и при заданном допустимом проценте выщелачивания извести К,

Который может быть принят равным 10% (см. рис. 5.2 и 53) с онредс ленным коэффициентом запаса. Тогда

%3B=K^a>

Где Ц - содержание цемента, г/см3 бетона или кг/л (принимаем Ц = 0,3); а — со­держание СаО в цементе доли единицы (для портландцемента может быть принято 0,63).

Допустимое количество извести, которое может быть раепкцчмю и вынесено из бетона конструкции в расчете на единицу обьема (1 см3), будет равно

<7ИЗВ = 0,1 • 0,3 • 0,63 = 0,0189 г/см3.

Если ечитаїь, что выщелачивание едет постепенно при полном насы­щении воды гидроксидом кальция, т. е. СИ (., будет = 1,2 г/л, илл 0,0012 г/см3, то

<?изв 0,0189

Т =---------------- =-------------------- = ]5 8/у

V - С V ^ 0 0012 ' ' OD

5,1 • Ю"7 или в годах г = — .

*об

Если выщелачивание идет с постепенным изменением концентрации СаО, необходимо принять среднюю концентрацию за период выщелачива­ния, что может быть сделано по экспериментальным данным или может быть принято С = 0,6 г/л с учетом данных табл. 5.2.

Так как - А'ф Д///, где АН = H/L — градиент ньнора, ї^СЗ^и—ілЯ к проницаемости бетона удобнее представить в виде предельно допустимо­го коэффициента фильтрации бетона

Аф= К)С/Д//0,1 МПа.

Так, при напоре Я = 0,1 МПа и толщине конструкции 0,5 м

ДЯ= 10/0,5 = 20.

В нашем примере для срока службы 100 лет получим:

К 5,1-10- 5,1.10^ = 2 5 . Ю-І0 см/с

Ф т АН Ф 100-20

Хотя такие расчеты и приближенны, онн позволяют оценивать требо­вания к водонепрошщаемости бетона для конкретных сооружений. Мы специально подчеркиваем необходимость использования эксперимен­тальных данных для обоснования расчета допустимых коэффициентов фильтрации и сроков службы сооружений, так как большое число допу­щений и сложность процессов коррозии не позволяют достаточно надеж­но пользоваться функциональными зависимостями, основанными на использовании общих закономерностей диффузии.

В качестве примера возможной опасности коррозии I вида для дли­тельной устойчивости сооружений приведем выполненный для конкрет­ного сооружения расчет возможного выщелачивания извести из бетона тоннельной обделки.

Как известно, тоннельные обделки — весьма ответственные конструк­ции со сроками службы не менее 100 лет, поэтому обоснование требова­ний к степени проницаемости бетона для них, гарантирующей длитель­ную безаварийную работу, имеет важное практическое значение.

Расчет состоит из ряда операций. Прежде всего, необходимо уточнить, что должно быть определено: срок службы данной конструкции или до­пустимый коэффициент фильтрации — водопроницаемость бетона при заданном сроке службы. В нашем примере задана продолжительность эксплуатации в 100 лет до капитального ремонта или реконструкции, и следует определить требования к проницаемости при толщине бетон­ной обделки L = 20 см. Допустимое количество выщелоченной извести из тоннельной обделки при разной ее толщине определяется в зависимос­ти от содержания цемента в бетоне и принятого процента допустимого удаления извести без потери бетоном эксплуатационных свойств. Как было указано выше, это количество может быть принято равным 10%, о = 0,1. Тогда в расчете на бетон, содержащий цемент Ц = 350 кг/м3 — 0,35 г/см3:

4ИЗВ = КаЦ; <7ИЗВ =0,63 -0,1 -0,35 г/см3 =0,022 г/см3,

Где К - содержание СаО в цементе в долях единицы по массе может Сыть принято ЛГ = 0,63.

Следующая задача состоит в определении количества "воды, которое должно пройти через бетон, чтобы удалить зто количество СаО. Количест­во воды может быть приближенно определено по рис. 5.5 или исходя из предположения о средней концентрации СаО в фильтрующей воде. Эта концентрация, как уже указывалось, может быть принята или равной 1,2 г/л как для насыщенного раствора, что на начальной стадии фильтра­ции близко к действительности, или порядка 0,6 г/л. Таким образом, допустимая проницаемость может быть рассчитана в пределах от макси­мально допустимой до вдвое меньшей, что при известных значительных колебаниях в проницаемости бетонов допустимо.

Количество воды, которое должно пройти через бетон, определяется расчетом по количеству извести, которое должно быть удалено из объе­ма бетона по пути фильтрации. Расчет ведется на 1 см2 площади сечения конструкции, перпендикулярно к направлению фильтрации. Тогда объем бетона, подвергающегося выщелачиванию, будет равен L, где L — толщи­на конструкции. В нашем примере L = 20 см.

Количество извести равно:

Сизв = KalXL = 0,63 ■ 0,1 • 0,35 • 20 = 0,44.

Количество воды, которое должно профильтровать через бетон для выноса этого количества извести VB = 0,44/0,0012 = 367 см3 при расчет­ной концентрации растворяемой извести 1,2 г/л и 712 см3 при концент­рации 0,6 г/л.

Допустимый предельный коэффициент фильтрации бетона будет

100 ■ 8t>400 • 365 • 20

Проведенные но этой методике расчеты дли практически реальных

Условий коррозии первого вида показывают, что для предела сроков службы возможного содержания цемента в бетоне, толщины конструк­ций, градиентов напора и концентрации СаО в фильтрующей воде, прак­тический интерес для расчеюв будут представлять бетоны с коэффициен­тами фильтрации в пределах 10 ...10"'° см/с. При больших коэффициен­тах фильтрации бетон будет быстро терять опасное количество извести и соответственно прочность. При меньших он будет длительно стоек. Эти ограничения облегчают задачу назначения проектной проницаемости бе­тона в пределах этого интервала и возможность построения номограмм для приближенных расчетов, в то же время удовлетворяющих практичес­ким требованиям.

Широко распространены конструкции, которые при эксплуатации подвергаются действию дождевой воды. В таких условиях возможно растворение и вынос гидроксида кальция из поверхностного слоя бетона. Степень опасности этого процесса может быть оценена расчетом по анало­гичной методике на основании практических данных об условиях смачи­вания конструкции и се размерах.