Прочность железобетонных конструкций

Дизайн долговечности железобетонных конструкций был недавно введен в национальных и международных правилах. Требуется, чтобы конструкции были спроектированы так, чтобы сохранять свои характеристики в течение всего срока службы, избегая преждевременного выхода из строя и необходимости внеочередного технического обслуживания и реставрационных работ. Поэтому в последние десятилетия были предприняты значительные усилия для определения полезных моделей, описывающих процессы деградации, влияющих на железобетонные конструкции, которые будут использоваться на стадии проектирования для оценки характеристик материалов и структурной схемы конструкции. ^[1]

Срок службы железобетонной конструкции [ править ]

Периоды возникновения и распространения коррозии стальной арматуры в железобетонной конструкции

Первоначально химические реакции, которые обычно происходят в цементном тесте, создают щелочную среду, доводя раствор в порах цементного теста до значений pH около 13. В этих условиях происходит пассивация стальной арматуры из-за самопроизвольного образования тонкого слоя. пленка оксидов, способная защитить сталь от коррозии. Со временем тонкая пленка может повредиться, и начнется коррозия стальной арматуры. Коррозии стальной арматуры является одной из основных причин преждевременного выхода из строя железобетонных конструкций во всем мире, ^[2] в основном , как следствие двух процессов деградации, карбонизация и проникновения хлоридов .^[1] Что касается процесса коррозионного разложения, простая и аккредитованная модель для оценки срока службы -это модель,предложенная Туутти в 1982 году. ^[3] Согласно этой модели срок службы железобетонной конструкции может можно разделить на две отдельные фазы.

• ${\ displaystyle t_ {i}}$, время возникновения : с момента возведения конструкции до начала коррозии стальной арматуры. В частности, это время, необходимое для того, чтобы агрессивные агенты ( диоксид углерода и хлориды) проникли через толщину бетонного покрытия, достигли заделанной стальной арматуры, изменили начальные условия пассивирования на стальной поверхности и вызвали коррозию.
• ${\ displaystyle t_ {p}}$, время распространения : определяется как время от начала активной коррозии до достижения предельного состояния, т. е. распространение коррозии достигает предельного значения, соответствующего неприемлемому структурному повреждению, например растрескиванию и отслаиванию толщины бетонного покрытия .

Идентификация времени инициирования и времени распространения полезна для дальнейшей идентификации основных переменных и процессов, влияющих на срок службы конструкции, которые являются специфическими для каждой фазы срока службы и рассматриваемого процесса деградации.

Коррозия, вызванная карбонизацией [ править ]

Время инициирования связано со скоростью, с которой карбонизация распространяется в толщине бетонного покрытия . Как только карбонизация достигает стальной поверхности, изменяя локальное значение pH окружающей среды, защитная тонкая пленка оксидов на стальной поверхности становится нестабильной, и начинается коррозия, охватывающая обширную часть стальной поверхности. Одна из наиболее упрощенных и признанных моделей, описывающих распространение карбонизации во времени, заключается в рассмотрении глубины проникновения, пропорциональной квадратному корню из времени, после корреляции

${\ Displaystyle х = К {\ sqrt {t}}}$

где - глубина карбонизации, - время, - коэффициент карбонизации. Начало коррозии происходит, когда глубина карбонизации достигает толщины бетонного покрытия, и поэтому ее можно оценить как${\ displaystyle x}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle K}$

${\ displaystyle t_ {i} = \ left ({\ frac {c} {K}} \ right) ^ {2}}$

где - толщина бетонного покрытия . ${\ displaystyle c}$

${\ displaystyle K}$является ключевым параметром конструкции для оценки времени начала коррозии, вызванной карбонизацией. Он выражается в мм / год ^1/2 и зависит от характеристик бетона и условий воздействия. Проникновение газообразного CO ₂ в пористую среду, такую ​​как бетон, происходит посредством диффузии . Влажность бетона является одним из основных факторов, влияющих на диффузию CO ₂ в бетоне. Если поры бетона полностью и постоянно пропитаны (например, в подводных конструкциях ), диффузия CO ₂ предотвращается. С другой стороны, для полностью сухого бетона химическая реакция карбонизациине может произойти. Еще одним фактором, влияющим на скорость диффузии CO _2, является пористость бетона . Бетон, полученный с более высоким соотношением в / ц или полученный с использованием неправильного процесса отверждения, имеет более высокую пористость в затвердевшем состоянии и, следовательно, подвергается более высокой скорости карбонизации. Факторами, влияющими на условия воздействия, являются температура окружающей среды, влажность и концентрация CO ₂ . Скорость карбонизации выше в средах с более высокой влажностью и температурой и увеличивается в загрязненных средах, таких как городские центры, и внутри закрытых пространств, таких как туннели. ^[1]

Для оценки времени распространения в случае коррозии , вызванной карбонизацией , было предложено несколько моделей. В упрощенном, но общепринятом методе время распространения оценивается как функция скорости распространения коррозии. Если скорость коррозии считается постоянной, t _p можно оценить как:

${\ displaystyle t_ {p} = {\ frac {p_ {lim}} {v_ {corr}}}}$

где - предел проникновения коррозии в сталь, - скорость распространения коррозии . ^[1] должно быть определено в зависимости от рассматриваемого предельного состояния. Обычно для коррозии, вызванной карбонизацией, растрескивание бетонного покрытия считается предельным состоянием, и в этом случае считается равным 100 мкм. ^[4] зависит от факторов окружающей среды в непосредственной близости от процесса коррозии , таких как доступность кислорода и воды на глубине бетонного покрытия. Кислород${\ displaystyle p_ {lim}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$ ${\ displaystyle p_ {lim}}$${\ displaystyle p_ {lim}}$ ${\ displaystyle v_ {corr}}$обычно доступен на стальной поверхности, за исключением подводных конструкций. Если поры постоянно полностью насыщены, очень небольшое количество кислорода достигает поверхности стали, и скорость коррозии можно считать незначительной. ^[5] Для очень сухих бетонов пренебрежимо мало из-за отсутствия воды, которая предотвращает химическую реакцию коррозии . Для промежуточной влажности бетона скорость коррозии увеличивается с увеличением влажности бетона. Поскольку влажность бетона может значительно меняться в течение года, обычно невозможно определить постоянную величину . Один из возможных подходов - рассмотреть среднегодовое значение . ${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$

Коррозия, вызванная хлоридом [ править ]

Присутствие хлоридов на стальной поверхности, превышающее определенное критическое количество, может локально разрушить защитную тонкую пленку оксидов на стальной поверхности, даже если бетон все еще остается щелочным, вызывая очень локализованную и агрессивную форму коррозии, известную как точечная коррозия . Действующие правила запрещают использование загрязненного хлоридами сырья, поэтому одним из факторов, влияющих на время инициирования, является скорость проникновения хлоридов из окружающей среды. Это сложная задача, потому что хлоридные растворы проникают в бетон за счет сочетания нескольких транспортных явлений, таких как диффузия , капиллярный эффект и гидростатическое давление.. Связывание хлоридов - еще одно явление, влияющее на кинетику проникновения хлоридов. Часть общих хлорид-ионов может абсорбироваться или химически реагировать с некоторыми составляющими цементного теста, что приводит к уменьшению содержания хлоридов в поровом растворе (свободных хлоридов, которые стали способными проникать в бетон). Способность бетона связывать хлориды зависит от типа цемента и выше у смешанных цементов, содержащих микрокремнезем, летучую золу или печной шлак.

Поскольку моделирование проникновения хлоридов в бетон особенно сложное, обычно используется упрощенная корреляция, которая была впервые предложена Коллепарди в 1972 г. ^[6]

${\ displaystyle C (x, t) = C_ {s} \ left [1- \ mathrm {erf} \ left ({\ frac {x} {2 {\ sqrt {Dt}}}} \ right) \ right] }$

Где - концентрация хлоридов на открытой поверхности, x - глубина проникновения хлоридов, D - коэффициент диффузии хлоридов, а t - время.${\ displaystyle C_ {s}}$

Это уравнение является решением закона диффузии Фика II в гипотезе о том, что начальное содержание хлоридов равно нулю, то есть постоянно во времени на всей поверхности, а D постоянно во времени и через бетонное покрытие. Зная и D, уравнение можно использовать для оценки временной эволюции профиля концентрации хлоридов в бетонном покрытии и оценки времени инициирования как момента достижения критического порога хлорида ( ) на глубине стальной арматуры. ${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$

Однако есть много критических вопросов, связанных с практическим использованием этой модели. Для существующих железобетонных конструкций в хлоридсодержащей среде и D можно определить, рассчитав наиболее подходящую кривую для измеренных профилей концентрации хлоридов. Таким образом, по образцам бетона, взятым в поле, можно определить значения C _s и D для оценки остаточного срока службы. ^[7] С другой стороны, для новых конструкций сложнее определить и D. Эти параметры зависят от условий воздействия, свойств бетона, таких как пористость (и, следовательно, соотношение воды и цемента и время отверждения).${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {s}}$процесс) и тип используемого цемента. Кроме того, для оценки долговременного поведения структуры критический вопрос связан с тем фактом, что и D не может считаться постоянным во времени, и что переносное проникновение хлоридов можно рассматривать как чистую диффузию только для погруженных структур. Еще одна проблема - это оценка . Существуют различные влияющие факторы, такие как потенциал стальной арматуры и pH раствора, содержащегося в порах бетона. Кроме того, возникновение точечной коррозии является явлением со стохастической природой, поэтому также может быть определено только на статистической основе. ^[1]${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$

Предотвращение коррозии [ править ]

Оценка долговечности была внедрена в европейские нормы проектирования в начале 90-х годов. От проектировщиков требуется учесть эффекты длительной коррозии стальной арматуры на этапе проектирования, чтобы избежать недопустимых повреждений в течение срока службы конструкции. Тогда доступны различные подходы к расчету долговечности.

Стандартный подход [ править ]

Это стандартизованный метод определения долговечности, также известный как подход, основанный на удовлетворении требований, и предусмотренный действующим европейским регламентом EN 206. Требуется, чтобы проектировщик определил условия воздействия окружающей среды и ожидаемый процесс деградации, оценивая правильное воздействие. учебный класс. Как только это определено, проектный код дает стандартные предписания по соотношению вода / цемент, содержанию цемента и толщине бетонного покрытия.

Этот подход представляет собой шаг по улучшению расчета прочности железобетонных конструкций, он подходит для проектирования обычных конструкций, спроектированных из традиционных материалов (портландцемент, арматура из углеродистой стали) и с ожидаемым сроком службы 50 лет. Тем не менее в некоторых случаях он считается не полностью исчерпывающим. Простые предписания не позволяют оптимизировать конструкцию для разных частей конструкций с разными местными условиями воздействия. Кроме того, они не позволяют учитывать влияние на срок службы специальных мер, таких как использование дополнительных средств защиты. ^[4]

Подход, основанный на результатах [ править ]

Подходы, основанные на характеристиках, обеспечивают реальный расчет долговечности на основе моделей, описывающих эволюцию во времени процессов деградации, и определения времени, в которое будут достигнуты определенные предельные состояния. Чтобы учесть широкий спектр факторов, влияющих на срок службы, и их изменчивость, подходы, основанные на характеристиках, решают проблему с вероятностной или полуповероятной точки зрения.

Модель срока службы, основанная на характеристиках, предложенная европейским проектом DuraCrete ^[8] и Модельным кодексом FIB для расчета срока службы ^[9]основан на вероятностном подходе, аналогичном принятому при проектировании конструкций. Факторы окружающей среды рассматриваются как нагрузки S (t), в то время как свойства материала, такие как сопротивление проникновению хлоридов, рассматриваются как сопротивления R (t), как показано на рисунке 2. Для каждого процесса деградации устанавливаются расчетные уравнения для оценки вероятности отказа заранее определенного характеристики конструкции, для которых приемлемая вероятность выбирается на основе рассматриваемого предельного состояния. Процессы разложения по-прежнему описываются с помощью моделей, ранее определенных для коррозии, вызванной карбонизацией и хлоридом, но для отражения статистической природы проблемы переменные рассматриваются как кривые распределения вероятностей во времени. ^[4]Для оценки некоторых проектных параметров долговечности предлагается использовать ускоренные лабораторные испытания, такие как так называемое испытание на быструю миграцию хлоридов для оценки сопротивления бетона проникновению хлоридов ^[9] ». Посредством применения корректирующих параметров можно оценить долгосрочное поведение конструкции в реальных условиях воздействия.

Использование вероятностных моделей срока службы позволяет реализовать реальный расчет долговечности, который может быть реализован на этапе проектирования конструкций. Этот подход представляет особый интерес, когда требуется увеличенный срок службы (> 50 лет) или когда условия воздействия окружающей среды особенно агрессивны. Как бы то ни было, применимость таких моделей пока ограничена. Основные критические вопросы по-прежнему касаются, например, индивидуализации ускоренных лабораторных испытаний, способных охарактеризовать характеристики бетона, надежных корректирующих факторов, которые должны использоваться для оценки характеристик долговечности в долгосрочной перспективе, и проверки этих моделей на основе реальной долговечности. выступления. ^{[4] [7]}

См. Также [ править ]

• Конкретный
• Бетонная деградация
• Железобетон

Ссылки [ править ]