Учет хлоридной коррозии при прогнозировании срока службы железобетонных пролетных строений

Маринин А.Н.

Практически все конструкции, в том числе и мостовые, подвержены изнашиванию, «старению», то есть происходит изменение их механических свойств, которое отражается на работе конструкций. Скорость «старения» зависит от многих факторов: типа конструктивных элементов, применяемых материалов, качества строительства, влияния агрессивных факторов и т.д.

В последние годы возникла проблема определения срока службы железобетонных мостов, т.к. первоначальные заявления о том, что железобетонные мосты способны простоять 80-100 и более лет оказались опровергнутыми реконструкциями, заменами таких пролётных строений.

Недавно была разработана и рекомендована к применению Министерством транспорта РФ "Методика расчётного прогнозирования срока службы железобетонных пролётных строений автодорожных мостов" [1]. При прогнозировании учитывается месторасположение моста, конструкция мостового полотна, фактическое климатическое воздействие, интенсивность и состав движения. Пример использования этой "Методики..." при прогнозировании долговечности реально существующего предварительно напряжённого железобетонного пролётного строения длиной 24,0 м приведён в [2].

В книге [3] также приведены методы прогнозирования долговечности с учётом вероятностных процессов, некоторые из которых были использованы при составлении [1].

Но в [1] и [3] не учитывается явно воздействие хлоридов на материал пролётного строения, хотя хлоридсодержащая среда является одной из достаточно распространённых агрессивных сред. Под действием этой среды происходит разрушение и бетона, и арматуры, а так как она либо является технологической, либо проявляется при борьбе с гололёдом, либо присутствует в атмосфере, то её наличия и активного воздействия на конструкцию - не избежать [4].

Поэтому возникает важная проблема учёта поведения инженерных конструкций в условиях воздействия агрессивных сред, в том числе и хлоридсодержащей.

В работе [5] приведена зависимость, позволяющая оценивать глубину проникания фронта хлоридов во времени:

Эта модель позволяет оценить только глубину проникновения хлоридов и время до начала коррозии арматуры.

На рисунке 1 показана модель разрушения конструкции под воздействием хлоридов.

Рисунок 1. Процесс ухудшения железобетона из-за внешнего воздействия хлоридов

Время начала коррозии можно определить из известного уравнения диффузии:

где C(x,t) - концентрация хлоридов на глубине x через время t; CS - концентрация хлоридов на поверхности; erf - функция ошибок Гаусса; DC - коэффициент диффузии хлоридов, зависящий от окружающей среды, твердения и возраста бетона; t - время воздействия хлоридов.

В работе [6] предлагается формулу (2) аппроксимировать выражением

где В - некоторая константа, характеризующая скорость распространения хлоридов в бетоне, которая определяется при критическом значении С(x,t).

В работе [7] выражение (2) записывается в виде

где Ci - начальная концентрация хлоридов в железобетонной конструкции (принимается постоянной во времени).

Откуда, время начала коррозии составляет

где Ccr - критическая концентрация хлоридов, при которой начинается коррозия (в нашей стране принято 0,4% от массы цемента при неполной карбонизации защитного слоя и 0,2% - при карбонизации защитного слоя бетона); хС - толщина защитного слоя; n - фактор старения.

Пример расчёта железобетонной предварительно напряжённой железобетонной двутавровой балки с учётом уравнений (4) и (5) приведён авторами статьи [7].

Недостаток такого подхода заключается в том, что необходимо иметь данные о состоянии конструкции (наличие хлоридов, их концентрация и т.п.).

Другой способ, предложенный в работе [8], предполагает, что поверхностная концентрация хлоридов зависит от агрессивности внешней среды и может быть принята по таблицам 1 и 2.

Таблица 1. Определение агрессивности окружающей среды

	Агрессивность окружающей среды
	Высокая	Средняя	Низкая
Уровень хлоридов в стали (% от веса цемента)	> 1,0%	0,3-1,0%	< 0,3%
Использование солей для удаления льда	Часто	Средне	Редко

Таблица 2. Определение поверхностной концентрации хлоридов

	Агрессивность окружающей среды
	Высокая	Средняя	Низкая
Cs, % /год	0,5	0,1	0,05

Таблица 3. Определение качества бетона

	Качество бетона
	Высокое	Среднее	Низкое
Водоцементное отношение	0,5
Внешнее состояние	Нет видимых ухудшений	Трещины	Разрушение

Таблица 4. Определение коэффициента диффузии

	Качество бетона
	Высокое	Среднее	Низкое
DC , мм2/год	5	50	500

Во всех вышеперечисленных работах существует несколько недостатков. Во-первых, область применения ограничена лишь равномерным распределением хлоридсодержащей среды по поверхности железобетонной конструкции. Но в действительности такое распределение практически не встречается. На различных частях мостовых конструкций концентрация хлоридов разная. Также, значение С(x,t) определяет только инкубационный период (время до начала коррозии арматуры), а дальнейшие процессы, происходящие в железобетоне, не описывает, хотя процесс деструкции бетона и арматуры продолжается.

Недостатки предыдущих работ были частично устранены в [4] и [9]. Здесь, для описания основных эффектов, сопровождающих процесс взаимодействия элементов конструкции из железобетона с хлоридсодержащей средой, используется параметр, характеризующий объёмное распределение влияния агрессивной среды. То есть, учитывается неравномерность концентрации хлоридов в различных точках объема конструкции и, соответственно, наведенная неоднородность механических свойств бетона. Был разработан программный комплекс на ЭВМ, который учитывает это при расчётах. Приведены примеры, описывающие поведение конструктивных элементов (стержней, балок и плит), подвергающихся воздействию агрессивной хлоридсодержащей среды.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что при прогнозировании срока службы новых мостов и определении остаточного ресурса эксплуатируемых, необходимо, наряду с расчётом по [1], проводить расчёт напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций и кинетики его изменения с учётом хлоридсодержащей среды. Затем, анализируя полученные данные, можно установить более реальный срок службы.

Список литературы

Маринин А.Н. О прогнозировании срока службы железобетонного пролётного строения.// Молодые специалисты - железнодорожному транспорту: Тезисы докладов студенческой научно-практической конференции./ Под ред. А.А. Сатарова.- Саратов: Изд-во "Надежда", 2002.- 140 с., С.38-42.

Иосилевский Л.И. Практические методы управления надёжностью железобетонных мостов.- М.: Науч. -изд. центр "Инженер", 2001.- 296 с.

Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000.- 232 с.

Потапкин А.А. Оценка ресурсов мостов с учётом дефектов и повреждений.// Вестник мостостроения. 1997. №3, С.22-23

Васильев А.И. Вероятностная оценка остаточного ресурса физического срока службы железобетонных мостов. Труды ЦНИИС. Вып. 208.- М.: ЦНИИС, 2002, С.101-120

Ciampoli M., Giovenale P., Petrichella L. Probability-Based Durability Design Of Reinforced Concrete Structures. IAMAS, Barcelona, 2002.

Anstice D., Roberts M. A Deterioration Model For Reinforced Concrete Bridges Subjected To De-Icing Salts. IAMAS, Barcelona, 2002.

Овчинников И.Г., Раткин В.В., Гарибов Р.Б. Работоспособность сталежелезобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлоридсодержащих сред.- Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002.- 156 с.