Анализ факторов, влияющих на работоспособность железобетонных конструкций инженерных сооружений при воздействии агрессивных сред

При обеспечении работоспособности железобетонных конструкций инженерных сооружений должны обеспечиваться как технологические, так и конструктивные требования. При воздействии агрессивных сред необходима защита строительных конструкций от коррозии это одна из главных и больших проблем в решении вопроса обеспечения долговечности зданий и сооружений [1].

Одной из главных причин возникновения коррозии железобетонных конструкций инженерных сооружений является воздействие агрессивных сред техногенного и природного характера. Это приводит к активным деструктивным процессам. Хорошо известно и то, что изменение свойств материала во времени зависит от взаимодействия со средой и носит необратимый характер. Особенно наглядно разрушительные процессы наблюдаются в зонах переменного уровня воды, активного химического и физического воздействия среды. Например, в сооружениях промышленной гидротехники (гиперболические башенные градирни, вентиляторные градирни, аэро-тэнки, фильтры-отстойники, камеры доков, гравитационные набережные). За эксплуатационный период 6−8 лет глубина коррозии бетона достигает 8−10 сантиметров, а за период 25−30 лет может достигать 1−1,5 метра. Кроме того, по мере проникания агрессивной среды в тело конструкции снижаются защитные свойства бетона по отношению к арматуре, которая начинает корродировать. Все это сказывается на несущей способности железобетонных конструкций [2].

Так при рассмотрении коррозии железобетона можно определить синергетические воздействия как совместное действие внешней среды (повышенная влажность, температура и т. п.), агрессивных сред (различные жидкости, газы, твердые агрессивные образования) с учетом напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента [3, с. 125−127].

Синергетические воздействия сред приводят к существенным изменениям деформативно-прочностных свойств бетона пораженной зоны. Изменение свойств материала во времени носит необратимый характер и зависит от условий деформирования и взаимодействия со средой. Кроме того, по мере проникания агрессивной среды в тело конструкции снижаются защитные свойства бетона по отношению к арматуре, которая начинает корродировать. В результате коррозии уменьшается площадь поперечного сечения арматуры и нарушается ее сцепление с бетоном. Все это сказывается на несущей способности железобетонных конструкций [4, с. 29−32].

Повреждения бетона отмечаются при действии на него водных растворов кислот или кислых газов, растворов солей и даже щелочей, некоторых органических соединений. Степень агрессивного воздействия зависит не только от состава агрессивной среды, но и от условий контакта, скорости движения и напора жидких сред, плотности прилегающего грунта при действии грунтовых вод, температуры среды, силовых нагрузок, напряженного состояния материала конструкций и других факторов.

Практически все воздействия, происходящие с участием агрессивных твердых веществ и газов, можно отнести к синергетическим, поскольку для протекания химической реакции в нормальных условиях необходимо присутствие воды [5].

Все кислые газы действуют на бетон конструкций совместно с СО 2. В большинстве случаев опережающим процессом является карбонизация бетона, которая начинается с момента изготовления конструкции, тогда как специфические кислые газы начинают действовать, как правило, лишь после начала эксплуатации здания. Воздействие газов на бетон вызывает его нейтрализацию, а образующиеся соли проникают вглубь со скоростью, зависящей от их растворимости, проницаемости и влажности бетона. Характер основных деструктивных процессов представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Типичные случаи взаимодействия конструкции со средой.

Для оценки коррозионного повреждения бетона в железобетонных конструкциях инженерных сооружений можно использовать следующие показатели: глубина поражения бетона и ресурс эксплуатации [6, с. 74−78.].

Очевидно, что конечной целью построения математической модели коррозии L=f (t) является получение простой формулы, по которой удобно выполнять инженерные расчеты. Однако практически все исследователи при выводе зависимости L=f (t) с целью упрощения исходят из взаимодействия только двух веществ (табл. 2).

В результате исследования методического подхода к определению сроков службы бетона и подготовке предложений о количественной оценке кинетики коррозионных процессов, возникающих на контакте жидких агрессивных сред с бетоном, которые основывались на анализе природы коррозионных процессов, в работах отечественных авторов получены следующие выводы [2]:

• — установлено, что интенсивность коррозионных процессов определяется интенсивностью проникания агрессивных компонентов внешней среды в поровую структуру бетона;
• — движение агрессивной среды от внешней поверхности вглубь бетона осуществляется под действием гидростатического давления, молекулярной диффузии и капиллярности; давление внешней среды на открытую поверхность бетона ускоряет этот процесс;
• — такая классификация действующих сил, побуждающих движение агрессивной среды в бетоне, позволяет для стационарных условий осуществлять количественные расчеты потока агрессивного вещества через поверхность бетона и дать оценку его влияния на состояние бетона во времени для несложных граничных условий.

Таблица 2.

Характеристика синергетического взаимодействия двух веществ.

Примеры взаимодействия бетона с диффундирующей внешней средой.	Описание процесса.	Дифференциальные уравнения, описывающие процесс [2].
Контакт цементного камня с растворами солей, кислот и т. д.	Наличие химического взаимодействия бетона с внешней средой, процесс контролируется диффузией и химической реакцией.	(1).
Контакт цементного камня с хлоридами.	Отсутствие химического взаимодействия бетона с внешней средой, процесс контролируется диффузией.	(2).

Коррозия бетона в изделии или конструкции вызывается и деятельностью организмов. Биологическая коррозия в наибольшей степени встречается в тех сооружениях, где с поверхностью железобетона соприкасаются органические вещества. Коррозионное разрушение сопровождается выщелачиванием из бетона кальция и магния в виде сульфатов [7].

Климатические воздействия на бетон, к которым относят температуру, влажность воздуха, число переходов через 0 °C, разрушают поверхностную структуру его слоев, приводят к образованию замкнутых микротрещин, которые, соединяясь друг с другом, образуют сквозную пористую систему, облегчая доступ последующим воздействиям ионов хлора или углекислого газа [8, с. 43−44.].

Общая теория процессов, протекающих при промерзании водонасыщенного бетона, находится пока в стадии своего развития. Особенности процесса разрушения при промерзании водонасыщенного бетона нашли отражение в работах В. М. Москвина, В. Б. Гусева, Н. К. Розенталя и других авторов. Движение фронта промерзания и увеличение объема при фазовом переходе в лед вызывает перемещение воды. При этом резко возрастают поровые давления, что снижает температуру кристаллизации. При наличии солевых растворов в жидкой фазе бетона на нее влияет и концентрация растворов солей [9].

Практика обследований показывает, что одной из основных причин снижения несущей способности железобетонных конструкций является влияние агрессивных воздействий окружающей среды. Наиболее неблагоприятным результатом такого воздействия является химическая коррозия железобетона. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии оценивается в 3…5% от валового национального дохода, при этом 13…19% приходится на долю строительных конструкций. В настоящее время влияние коррозии на несущую способность железобетонных конструкций при обследовании оценивается ориентировочно [10, с. 28−29].

Степень агрессивности среды и глубина разрушения поверхностного слоя бетона, влияющие на потерю несущей способности железобетонных конструкций, представлены в таблице 3.

Степень агрессивности среды, влияющая на глубину поражения арматуры, представлена в таблице 4.

Таблица 3.

Потеря несущей способности при эксплуатации конструкций.

Таблица 4.

Степень агрессивности среды.

Оценку ресурса эксплуатирующихся конструкций предложено выполнять по формуле [1].

(3).

где tоб; tпр — соответственно срок эксплуатации конструкции к моменту обследования и прогнозируемый срок эксплуатации (ресурс); xоб — глубина карбонизации бетона к моменту обследования.

Стойкость бетонов повышают путем увеличения количества цемента, качественным уплотнением, однако это не предотвращает его повреждение и разрушение в агрессивных средах. Разрушение защитного слоя бетона вызывают кислые газы, хлор, углекислый газ, который активизирует процесс карбонизации.

Чтобы сделать химически активными присутствующие в цементе агрессивные соли и газы достаточно собственной влажности бетона. В результате инициируются процессы выщелачивания гидроксида кальция вследствие его гидролиза, образование солей из извести, цемента, кислот или кислых растворов, что сопровождается разрушением бетона.

• 1. Пахомова Е. Г. Прочность изгибаемых железобетонных конструкций при коррозионных повреждениях: дис. … канд. техн. наук. — Курск, 2006.
• 2. Коррозия бетона и железобетона. Методы их защиты / В. М. Москвин, Ф. М. Иванов, С. Н. Алексеев, Е. А. Гузеев. — М.: Стройиздат, 1980. — 536 с.
• 3. Пахомова Е. Г., Горбунова И. Н. Работоспособность железобетонных конструкций при синергетических воздействиях агрессивных сред // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2012. — № 2−2. — С. 125−127.
• 4. Пахомова Е. Г., Меркулов Д. С., Гордеев А. В. Прочность и деформативность изгибаемых железобетонных конструкций при коррозионном повреждении бетона и арматуры // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. — 2008. — № 3−19. — С. 29−32.
• 5. Пахомова Е. Г. Работоспособность железобетонных конструкций при коррозионных повреждениях: монография. — Курск, 2010.
• 6. Исследование работоспособности изгибаемых железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений / С. И. Меркулов, Е. Г. Пахомова, А. В. Гордеев, А. С. Маяков // Известия Юго-Западного государственного университета. — 2009. — № 4 (29). — С. 74−78.
• 7. Биоповреждения в строительстве / под ред. Ф. М. Иванова, С. Н. Горшина. — М.: Стройиздат, 1984.
• 8. Пахомова Е. Г. Расчет несущей способности изгибаемых железобетонных конструкций при коррозионных повреждениях // Промышленное и гражданское строительство. — 2009. — № 5. — С 43−44.
• 9. Пухонто Л. М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений: (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, водонапорных стен): монография. — М.: Изд-во АСВ, 2004. — 424 с.
• 10. К методике оценки работоспособности железобетонных конструкций при нарушении сцепления арматуры с бетоном при коррозионных повреждениях / Е. Г. Пахомова, В. М. Кретова, А. В. Гордеев, А. С. Маяков // Промышленное и гражданское строительство. — 2011. — № 8. — С. 28−29.