Экспериментальное моделирование коррозии арматуры в поперечных трещинах изгибаемых железобетонных элементов.

В.Н. Мигунов

К.т.н., доцент, докторант

Государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза

Ширина раскрытия и форма (депланация) поперечных трещин по толщине защитного слоя бетона определяют проницаемость влаги, кислорода и различных агрессивных реагентов к арматуре и, в конечном счёте, коррозионную сохранность арматуры в трещинах бетона [1]. Депланация бетона трещин определяет фактическую ширину раскрытия трещин на поверхности бетона в зависимости от толщины защитного слоя бетона. Необходимость учёта толщины защитного слоя бетона, состояния поверхности арматуры при расчёте ширины раскрытия трещин отмечается в [2].

Действующий нормативный документ СП 52-101-2003 [3] определяет среднюю ширину раскрытия трещин нормальных к продольной оси элемента на поверхности арматуры. Однако расчётные значения ширины раскрытия трещины ( по СП 52-101-2003 не позволяют прогнозировать коррозионную сохранность арматуры в трещинах бетона из-за включения в СНиП 2.03 11-85 [4] нормативной ширины раскрытия трещин, рассматриваемой на поверхности защитного слоя бетона при в зависимости от вида и степени агрессивности среды

Из действующих нормативных документов только межгосударственный стандарт ГОСТ 8829 -94 [5] учитывает влияние депланации бетона трещин.

В проведённых экспериментальных исследованиях депланации торца растянутого железобетонного образца при защитном слое бетона м коэффициент депланации, равный отношению ширины раскрытия трещины на поверхности бетона к ширине раскрытия трещины на поверхности арматуры ( изменется в зависимости от величины напряжения в арматуре от 1,5 до 6,3 [6].

В работе [7] приводится величина раскрытия трещин непосредственно у поверхности арматуры периодического профиля в железобетонной конструкции, которая в три раза меньше ширины раскрытия трещин в железобетонных элементах с гладкой арматурой при тех же напряжениях в арматуре.

Результаты экспериментальных исследований на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементах [8,9] показывают, что в балках с гладкими стержнями депланация наблюдается на участках непосредственно прилегающих к арматуре, то есть 5 - 10мм. На расстоянии от поверхности арматуры депланация отсутствует.

В балках с арматурой периодического профиля коэффициент депланации , где - ширина раскрытия трещин на расстоянии 25мм от поверхности арматуры, - ширина раскрытия трещин на поверхности защитного слоя бетона, при толщине защитного слоя бетона , аппрпоксимируется линейной зависимостью [8, 9]:

при

где - коэффициент, учитывающий диаметр арматуры (d) в мм; - радиус взаимодействия арматуры с бетоном. Значения изменяются от 2,5 до 6 в зависимости от величины напряжения в арматуре [6 ,10, 11, 12, 13]. Для практического использования рекомендуется принимать =5 [8, 9].

Графические значения коэффициента депланации при , вычисленные по формуле (1) для различных диаметров арматуры, представлены на рис 1.

Рис.1 Изменение коэффициента депланации бетона трещин при в зависимости от диаметра арматуры периодического профиля.

На основании данных экспериментальных исследований, [6, 8, 9, 13] получены графические изменения коэффициента депланации при . Для различных диаметров арматуры, рис 2.

Рис. 2 Изменение коэффициента депланации бетона трещин в зависимости от диаметра арматуры.

1 – опыты В.М. Кёльнера, А.Г. Фартушного.

2 – опыты Э.Г. Портера, А.Г. Фартушного.

Класс арматуры:

.

В настоящее время по степени опасности коррозионного поражения стали в трещинах бетона горячекатаная арматура гладкого и периодического профиля классов А-I и А –III располагаются в одной группе в СНиП 2.03.11-85 [4] и в межгосударственном стандарте ГОСТ 31384-2008 [14]. Разная величина депланации стенок бетона трещин для арматуры гладкого и периодического профиля является основанием для уточнения нормативных значений ширины раскрытия трещин для этих арматурных сталей с учётом проведения дополнительных исследований коррозионного состояния арматуры в трещинах бетона.

Программа экспериментальных исследований влияния депланации бетона трещин на коррозионное поражение арматуры различного профиля предусматривала определение коррозии арматуры классов А-1 и А-111 в поперечных трещинах бетона на прямых моделях изгибаемых железобетонных элементах с размерами 2000х200х70мм с соответствующими значениями толщины защитного слоя бетона 15, 20, 25мм и классом бетона В-30 [15]. Каждый образец армировался одним рабочим стержнем класса А-1 или А-111 с соответствующими диаметрами 10, 14 и 18мм.. В зоне чистого изгиба образцов поперечная арматура отсутствовала для получения независимых экспериментальных характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных трещинах.

Испытывающиеся образцы в атмосферных условиях дополнительно два раза в сутки увлажнялись 3% раствором . Эксперимент проводился в течение двух лет до появления на образцах на уровне рабочей арматуры волосяных продольных трещин, свидетельствующих о наступлении предаварийного состояния железобетонных конструкций [16]. С учётом выбранной концентрации хлорид – ионов и фактического периода образования продольных трещин на опытных образцах между поперечными трещинами степень воздействия жидкой агрессивной среды на опытные образцы оценивается как сильноагрессивная [17].

Коррозионная стойкость арматуры в трещинах бетона определялась коэффициентом , где К₁ и К₂ – соответственно глубины коррозионного поражения арматуры в трещинах бетона со стороны защитного слоя бетона и противоположной стороны. Данные эксперимента показывают, что величина К₀ зависит от класса арматуры, значений а_crc и δ_зс (рис. 3 и рис. 4) . Шириной раскрытия трещин, при которой К₀ = 0, является соответствующая величина а_сгс: для гладкой арматуры класса А-I – 0,005мм и (δ_зс = 15мм), 0,025мм (δ_зс= 20мм) и 0,050 (δ_зс = 25мм); для арматуры периодического профиля класса А-III-0,050мм (δ_зс = 15мм), 0,10 (δ_зс ≥ 20мм).

Рис. 3 Показатель коррозионной стойкости арматуры класса А-I в трещинах бетона К₀

1-d_а=18мм и δ_зс =25мм; 2 – d_а=14мм и δ_зс =25мм;

3 – d_а=10мм и δ_зс =25мм; 4 – d_а=18мм и δ_зс =20мм;

5 – d_а=14мм и δ_зс =20мм; 6 – d_а=10мм и δ_зс =20мм; 7 – d_а =18мм и δ_зс =15мм; 8 – d_а =14мм и δ_зс=15мм; 9 – d_а =10мм и δ_зс =15мм

Рис. 4. Показатель коррозионной стойкости

арматуры класса А-III в трещинах бетона К₀

1 – d_а= 18мм и δ_зс =25мм; 2 – d_а = 14мм и δ_зс = 25мм; 3 – d_а = 10мм и δ_зс = 25мм; 4 – d_а =18мм и δ_зс=20мм; 5- d_а = 14мм и δ_зс = 20мм; 6 – d_а = 10мм и δ_зс =20мм;7– d_а = 18мм и δ_зс = 15мм; 8 – d_а = 14мм и δ_зс = 15мм; 9 – d_а = 10мм и δ_зс = 15мм

Глубина и длина участка коррозионного поражения арматуры определяются классом арматуры, значением и величиной Ф(- отношение диаметра арматуры к толщине защитного слоя бетона) ( рис. 5 и рис.6).

Рис. 5. Показатель коррозионного поражения арматуры класса A-I в зоне трещин бетона

1 - ; 2 - ; 3-. 4 — ; 5 — :6 — ; 7-

Рис. 6. Показатель коррозионного поражения арматуры класса А-Ш в зоне трещин бетона

1 - ; 2 - ; 3-. 4 — ; 5 — : 6 — ; 7-

При средней глубине коррозионного поражения = 300 мкм арматуры мм класса А-111 практически не отмечено уменьшение несущей способности железобетонных образцов и арматуры. Экспериментальная средняя глубина коррозионного поражения стальных стержней, при которых возникали продольные трещины, составляла от = 240 мкм до = 350 мкм в зависимости от толщины защитного слоя бетона и класса арматуры. Следовательно, долговечность железобетонных конструкций с аналогичными физико-техническими характеристикам бетона и арматуры в различных агрессивных условиях эксплуатации будет определяться только временем появления средней глубины коррозионного поражения стержня в пределах до = 350 мкм.

Математическая обработка данных эксперимента позволила выявить функциональную зависимось между средней длиной коррозионного поражения - ℓ_ср и средней её глубиной – δ_ср в аналогичных по ширине раскрытия а_crc в момент появления продольных трещин (табл. 1).

Таблица 1

Уравнения регрессии функциональной зависимости средней длины участка коррозионного поражения арматуры от средней её глубины

Класс арматуры	Уравнения	Диаметр арматуры, (мм)
А-I		110 114 118
A-III		110 114 118

Данные табл. 1 показывают, что в агрессивной среде определяющее влияние на появление и раскрытие продольных трещин оказывает расстояние между поперечными трещинами на уровне растянутой арматуры ℓ_crc. Поэтому для выявления минимальных предельно -допустимых значений , определяющих возникновение продольных трещин, был проведен статистический анализ распределения ℓ_crc в зоне чистого изгиба опытных образцов.

Математическое распределение соответствующих выборок ℓ_crc для арматуры класса А-I и А-III имеет нормальный закон, так как < (рис. 7).

Рис. 7. Графики эмпирических (- - - -) и теоретических(───)

статистических распределений выборок ℓ_crc для арматуры классов A-I и А-Ш

Результаты статистической обработки выборок ℓ_crc в зоне чистого изгиба образцов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты статистической обработки величины ℓ_crc

Класс арматуры	, шт	М, мм	σ, мм	А	Е			,мм
А-I А-III	215 261	95,05 77,00	21,40 22,90	0,208 0,247	-0238 -0,641	7,95 13,48	15,50 14,10	59,74 39,20

В табл. 2: М - величина математического ожидания, - среднее квадратическое отклонение , А и Е - показатели асимметрии и эксцесса теоретического распределения, и соответственно теоретический и критический критерии согласия Пирсона, - минимальное расстояние между поперечными трещинами при уровне значимости α= 0,95.

Статистический расчёт показывает снижение расстояния между поперечными трещинами для арматуры периодического профиля в 1,53 раза по сравнению с арматурой гладкого профиля

В действующих СНиП 2.03.11-85 [4] и ГОСТ 31384-2008 [14] отмечается различная нормативная ширина продолжительного раскрытия трещин в железобетонных конструкциях при воздействии сильноагрессивной среды, соответственно равные и . Результаты эксперимента показали, что при действии постоянной нагрузки для арматуры периодического профиля экономически обоснованной нормативной шириной раскрытия поперечных трещин в сильноагрессивной жидкой среде является величина .

Литература

1. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. М.: Стройиздат1968. – 231с.

2. Гуща Ю.П. Исследование ширины раскрытия нормальных трещин/ Труды НИИЖБа – М.: НИИЖБ ОНТИ – 1971. – С 72-97.

3. СП 52-101-2003. Свод правил по проектированию и строительству Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры – М.: ФГУП – ЦПП . 2004. - 54с.

4. СНиП 2.03 11-85. Защита строительных конструкций от коррозии – М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986 – 46с.

5. ГОСТ 8829-94. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытания нагружением. Правила оценки прочности, жёсткости и трещиностойкости. – М.: Госстрой России ГУП ЦПП, 1997. – 28с.

6. Кольнер В.М. Депланация поверхности бетона в центрально армированных железобетонных элементах при осевом приложении нагрузки. В кн. «Сцепление арматуры с бетоном» М.: Стройиздат, 1971.- С. 54-61.

7. Москвин В.М. Трещины в железобетоне и коррозия арматуры /В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, Г.П. Вербецкий, В.И. Новгородский – М.: Стройиздат, 1971.- С.23-24.

8. Фартушный А.Г. Влияние депланации сечения бетона на закрытие трещин железобетонных конструкций. Труды ЦНИЭПсельстроя №19. Конструкции и технология строительства сооружений силосного типа – М.: 1977. – С. 17-25.

9. Научно-технический отчёт по результату II-2-1. Исследовать условия образования, раскрытия и закрытия трещин в железобетонных конструкциях, армированных стержневой термически упрочнённой арматурой периодического профиля, применяемых для различных зданий и сооружений, в том числе и в сельском строительстве и подготовить материалы для включения в СНиП II -21.ЦНИИЭПсельстрой – Апрелевка, 1978.

10. Овчинникова И.Г. Жёсткость крепления закладных деталей в железобетонных конструкциях при действии в анкерах растягивающего усилия. Дисс….. канд. техн наук. – М.: НИИЖБ. 1967. –127с.

11. Оатул А.А. Экспериментальное исследование сцепления арматуры с бетоном на растянутых образцах при кратковременном повторном и длительном действии нагрузки./А.А. Оатул, Ю.А. Иващенко В сб. трудов ЧПИ №46, Челябинск, 1967. – С. 44-71.

12. Оатул А.А Основы теории сцепления арматуры с бетоном. В сб. трудов ЧПИ №46, Челябинск, 1967. – С. 6-26.

13. Портер Э.Г. Исследование трещиностойкости растянутых элементов железобетонных стержневых систем. Дисс …канд.техн наук . НИИЖБ – М. 1968.- 163с.

14. ГОСТ 31384-2008 Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования. –М.: Стандартинформ 2010. -45с.

15. Мигунов В.Н. Влияние внутренних факторов железобетонных конструкций на коррозионную стойкость арматуры класса А-I и А–III в трещинах бетона //Изв. вузов. Строительство. – 2001 - №11 – С. 125-129.

16. Алексеев С.Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах /С.Н.Алексеев, Ф.М.Иванов, С. Модры и др. – М: Стройиздат, 1990.- 217с.

17. 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.