Теоретические и экспериментальные исследования влияния продольных коррозионных трещин на изменение прочностных и деформационных характеристик железобетонных элементов

В.Н. Мигунов

к.т.н., доцент, докторант

Государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза

В железобетонных конструкциях, испытывающих воздействие инертной среды, прочность сцепления арматуры с бетоном зависит от следующих факторов: 1) сил трения , развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усадки; 2) фактора сцепления арматуры с бетоном, возникающей благодаря склеивающей способности цементного геля; 3) зацепления в бетоне выступов арматуры периодического профиля. Образование на арматуре сплошной плёнки окиси и закиси железа в результате коррозионного поражения арматуры приводит к снижению влияния первых двух факторов.

Продукты коррозионного поражения арматуры в несколько раз превышают первоначальный объём металла. Они создают значительные радиальные напряжения на защитный слой бетона, вызывая в нём образование продольных трещин вдоль арматуры, с последующим его откалыванием. Разрушение защитного слоя бетона приводит конструкцию в аварийное состояние [1].

В нормативных документах по расчёту железобетонных конструкций влияние продольных трещин на несущую способность элементов не отражено [2,3].

Особое значение на появление продольных трещин в бетоне защитного слоя оказывают продукты коррозионного поражения арматуры в зонах поперечных трещин [4]. Для прогнозирования долговечности железобетонных конструкций необходимо иметь методику по расчёту образования продольных трещин в бетоне защитного слоя в зависимости от давления продуктов коррозии арматуры.

Появление продольных трещин объясняется нарушением условия прочности бетона на внутренней (или внешней) поверхности полости защитного слоя бетона. Напряжённо-деформированное состояние бетона вокруг коррозирующего арматурного стержня по его длине в зоне влияния поперечной трещины рассчитывается на основе допущений теории упругости. В плоском поле поперечного сечения бетонного элемента величина давления продуктов коррозии на бетон по периметру арматурного стержня принимается как равномерно распределённое напряжение, являющееся наиболее опасным для долговечности железобетонных конструкций [5].

Учитывая неравномерное коррозионное поражение арматуры непосредственно в полости поперечной трещины и в зоне её влияния, давление продуктов коррозии в районе трещины будет максимальное, а в средней части расстояния между поперечными трещинами () будет равно нулю.

Полученная экспериментальным путём прямопропорциональная зависимость длины участка коррозии от средней глубины коррозионного поражения [4] позволяет рассматривать функциональное изменение уровня коррозионного поражения арматуры по длине 1/2 как линейное. Необходимо отметить, что такой выбор функциональной зависимости для долговечности железобетонных конструкций является наиболее неблагоприятным. Поэтому в каждой точке поперечного сечения данного участка бетон испытывает радиальное давление, являющееся следствием увеличения диаметра арматуры в результате её коррозии.

Постановка задачи предусматривает наличие асимметричного деформирования бетонного полупространства с цилиндрической полостью, внутренняя поверхность которой получает начальное радиальное смещение , изменяющееся по длине арматуры по линейному закону [4].

Математическая формулировка краевой задачи линейной теории упругости в перемещениях имеет вид:

Причём при:

где - увеличение диаметра арматуры в результате коррозии, определяется по результатам эксперимента; - коэффициент, показывающий во сколько раз перемещение нижнего края бетонного массива меньше увеличения диаметра (определяется экспериментально).

После решения краевой задачи (1) - (2) радиальное и тангенциальное напряжения в бетоне определяются на основе физических соотношений:

где К - коэффициент объемного расширения бетона; G - модуль сдвига бетона при чистом сдвиге:

Известно, что возникновение продольных трещин вдоль арматуры нарушает сцепление арматуры с бетоном не менее чем на 70% от первоначального значения. При этом снижение несущей способности нормальных сечений за счет нарушения сцепления арматуры с бетоном составляет 30% [6].

Для изучения влияния продольных трещин в защитном слое бетона, образующихся в результате давления на него продуктов коррозии арматуры, на изменение кратковременных деформационных и прочностных свойств центрально сжатых конструкций проведены длительные натурные экспериментальные исследования на не- нагруженных обычных железобетонных элементах.

По геометрическим размерам и техническим характеристикам каждый образец является прямой моделью колонны. В верхней и нижней частях опытный железобетонный элемент имеет консоль длиной 12 см. Длина образца и размеры его поперечного сечения в центральной части соответственно составляют 100 и 12x10 см с толщиной защитного слоя бетона 15 мм.

Железобетонные элементы армированы объемным каркасом с несущей арматурой 8 мм класса А-Ill и распределительной 5 мм класса Вр-1. Бетон изготовлен на портландцементе марки 400 и гранитном щебне фракции 5-10 мм с водоцементным отношением 0,45.

Нейтрализация щелочи поровой влаги в бетоне и активизация коррозионного процесса на арматуре осуществлялась с помощью введения в бетонную смесь во время бетонирования хлорид-ионов в виде добавки 5% NaCI от массы цемента. В контрольных образцах добавка отсутствовала. Железобетонные элементы два раза в сутки увлажнялись водопроводной водой. По интенсивности коррозионного поражения арматуры данные условия характеризуются как сильноагрессивные [7].

Ширина раскрытия трещин в процессе длительных испытаний определялась с помощью трубки-микроскопа МПБ-2 с кратностью увеличения х24 и ценой деления 50 мкм. Время до появления продольных трещин на образцах с добавками составило 17 месяцев, что при эксплуатации в слабоагрессивной среде с хлорид-ионами может приравниваться к 20 годам [4, 8].

После 3,2 года натурных испытаний (рис ) одиннадцать образцов, в том числе три контрольные модели колонн без продольных трещин, были подвергнуты в лабораторных условиях кратковременному испытанию до разрушения на прессе МС-50.

Рис. Общий вид натурных испытаний опытных образцов

Нагрузка прикладывалась этапами по 500 кг с выдержкой три минуты на каждом из них.

Во время кратковременных испытаний для определения величины деформации бетона на сжатых гранях образцов использовались механические тензометры Гу-генбергера, устанавливаемые на середине высоты колонн. База и цена деления шкалы отсчета деформаций тензометров составляют соответственно 100 мм и 1 мкм.

Глубина нейтрализации (карбонизации) бетона и наличие в нем хлорид-ионов определялись после разрушения образцов способом нанесения на свежий скол бетона соответствующих индикаторов: 0,1% раствора фенолфталеина в спирте и децинормального раствора азотнокислого серебра. Для всех образцов глубина нейтрализации бетона составила в среднем 5-7 мм.

Прочность бетона на сжатие определялась как разрушающим, так и неразрушающим методами с помощью контрольных бетонных кубов размерами 100x100x100 мм и прибора «Оникс-2,4», предназначенного для определения прочности бетона на сжатие неразрушающим методом по ГОСТ 22690-88 «Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля» и ГОСТ 18105-86* «Бетоны. Правила контроля прочности». Средняя прочность и коэффициент вариации бетона экспериментальных образцов, испытанных на центральное сжатие, соответственно составили = 32,4 МП a, = 0,0095.

Анализ полученных данных экспериментальных исследований показывает наличие математических зависимостей изменения прочности Р_разр образцов, относительных деформаций бетона и соответствующих характеристик их изменения , и от значений ширины раскрытия , и длины , продольных трещин. Полученные уравнения регрессии исследуемых механических характеристик образцов при действии центральной приложенной сжимающей нагрузки в зависимости от геометрических параметров продольных трещин приведены в таблице. В ней используется следующие размерности соответствующих характеристик: Р_разр, кг; и , %; , , , , мм.

Таблица

Уравнения регрессии изменения прочности железобетонных образцов на центральное сжатие и деформаций бетона ε, относительных величин их уменьшения и ∆ε, в зависимости от средних и максимальных средних значений ширины раскрытия, и длины , продольных коррозионных трещин

; ; ; . ; ; ; . ; ; ; . ; ; ;
прочность	деформация

В результате проведения эксперимента получено, что наличие продольных трещин на гранях образцов с усредненными показателями , мм и мм, мм при действии центральной нагрузки сжатия приводит к снижению прочности на 35,9% и увеличению относительных деформаций бетона в 3,46 раза.

Литература

1. Бондаренко В.М. Железобетонные и каменные конструкции/В.М. Бондаренко, P.O. Бакиров, В.Г. Назаренко, В.И. Римшин; Под. ред. В.М. Бондаренко.- М.: Высшая школа, 2007.-С.144-145.

2. СНиП 52-01-2003 . Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: ФГУП ЦПП, 2004.- 24с.

3. СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. - М.:Госстрой СССР, 1986-48с.

4. Мигунов В.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций с учётом образования продольных трещин/В.Н. Мигунов// Изв. вузов.

Строительство. 2009.- №11-12. - С. 101-107.

5. Мигунов В.Н. Влияние внутренних факторов железобетонных конструкций на коррозионную сохранность арматуры класса А-1 и А- 111 в трещинах бетона/ В.Н. Мигунов// Изв. вузов. Строительство. 2001,-№11-С. 125-129.

6. Филатов В.Б. Влияние эксплуатационных повреждений, снижающих сцепление арматуры с бетоном, на прочность изгибаемых железобетонных конструкций/ Дисс… канд .. техн наук. – М.: НИИЖБ, 1988. – 250с.

7. Мигунов В.Н. Влияние внутренних факторов на скорость образования продольных трещин железобетонных конструкций с учетом коррозионного поражения арматуры класса A-I и А-Ill // Изв. вузов. Строительство. 2003. № 3. С. 121-123.

8. Мигунов В.Н. Влияние переменной нагрузки и амплитуды изменения ширины раскрытия трещин на коррозионное поражение арматуры в трещинах железобетонных конструкций // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 10. С. 134-137.