Определение долговечности конструкций в условиях воздействия нескольких факторов

Определение параметров закона распределения для каких-либо характеристик конструктивных элементов здания — сложная задача, требующая проведения большого числа экспериментов в течение продолжительного времени. Еще больше задача усложняется, если сразу нескольких случайных параметров определяют работоспособность конструкции. Например, в условиях промышленного производства на износ конструкций оказывают влияние технологические нагрузки, температурно-влажностный режим, агрессивное воздействие химических реагентов, сопутствующих производству и т.д. Здесь безотказность конструкции должна рассматриваться как случайная функция, определяемая несколькими случайными переменными. Практическое решение таких задач на основании статистических данных возможно только в отдельных случаях. Если учесть, что моделирование во времени коррозионных процессов требует длительных испытаний, становятся понятными трудности в разработке обоснованного метода прогноза безотказности и долговечности конструкций.

Для решения подобных задач часто используются методы постепенного приближения. Например, при исследовании надежности конструкций, подвергающихся интенсивной физико-химической коррозии, сначала решаются частные задачи расчета кинетики коррозии для наиболее простых агрессивных веществ и условий взаимодействия, для которых накоплен значительный экспериментальный материал, а уже потом разрабатываются более сложные задачи.

Рекомендуемый подход к прогнозу сроков службы бетона в конструкциях зданий и сооружений предусматривает следующие этапы:

  • 1. Устанавливаются эксплуатационные требования и критерии повреждений;
  • 2. Определяются критические характеристики эксплуатационной пригодности материала, а также ожидаемый вид и пределы факторов повреждения — деградация материала;
  • 3. Устанавливается ожидаемый вид и размеры фактора повреждений;
  • 4. Принимаются характеристики материала, для которого дается прогноз срока службы. При этом должен быть известен возможный механизм повреждения;
  • 5. Устанавливаются методы ускорения старения, подобного старению в эксплуатационных условиях;
  • 6. Формулируются эксплуатационные требования при испытании;
  • 7. Осуществляется проектирование и проводятся предварительные испытания, чтобы вызвать быстрое повреждение и установить механизм повреждения;
  • 8. Проводятся повторные испытания при менее сильных воздействиях, чтобы установить соотношение между жесткостью условий и скоростью разрушения или потери эксплуатационной пригодности;
  • 9. Выполняются длительные испытания в эксплуатационных условиях;
  • 10. Сравниваются виды разрушений, полученных при эксплуатации и при прогнозных испытаниях срока службы;
  • 11. Решается вопрос об идентичности механизма изменений при прогнозных испытаниях и в эксплуатационных условиях;
  • 12. Разрабатывается математическая модель повреждения и выполняется сравнение скорости изменений в прогнозных испытаниях с испытаниями в натуре;
  • 13. На основании испытаний подготавливается модель, которая должна содержать соображения о механизме разрушения и о комбинации факторов разрушения;
  • 14. Прогнозируется срок службы.

Из вышеизложенного следует, что подготовка математической модели кинетики процесса невозможна без четкого представления о механизме процессов, наличия экспериментальных данных, характеризующих влияние различных факторов, и проверки достоверности методологии прогноза в натурных условиях.

Использование физико-химических закономерностей кинетики коррозии позволяет рассчитать количество агрессивного компонента, проникающего в бетон, и после экспериментального определения последствий такого проникания, т.е. на основании изменения прочности или других технических свойств бетона назначить предельные параметры коррозионного процесса, при которых свойства бетона в течение заданного срока службы остаются в допустимых пределах.

На основе этого разработаны инженерные методы расчетов сроков службы бетона в условиях коррозии выщелачивания, кислотной и сульфатной коррозии. Возможно решение и обратной задачи — для заданного срока службы назначить требования к бетону, например, по морозостойкости.

Обобщенная теории коррозии, позволяющая решать задачи прогноза кинетики процессов различных видов бетона и железобетона в разных средах и условиях контакта, базируется на частных методах прогноза сроков службы бетона и стальной арматуры в конструкциях.

При этом следует иметь в виду, что основная задача расчета заключается в определении возможности эксплуатации конструкции без специальной защиты, так как последняя сразу весьма существенно удорожает конструкцию и, как правило, не обладает стойкостью на весь срок эксплуатации. Кроме того, ремонт железобетонных конструкций и их антикоррозионной защиты в процессе эксплуатации зачастую сопряжен со значительными техническими сложностями.

Для тонкостенных конструкций, подвергающихся действию кислых газов или кислых или других сред, при которых разрушение бетона идет послойно от поверхности в глубь бетона, безопасная и допустимая степень повреждения не более 0,1 мм/год. Повышенная скорость разрушения (примерно 1 мм/год), является для постоянных сооружений недопустимой. Следовательно, практически интервал расчетных скоростей разрушения будет изменяться в 10 раз.

В качестве примера рассмотрим процесс выщелачивания извести при фильтрации воды через бетон. Расчет допустимого повреждения бетона за срок службы в условиях коррозии проводится по следующей схеме. Исходными данными для описания коррозионного процесса являются: условия фильтрации; величина напора; толщина конструкции; коэффициент фильтрации бетона; расчетный срок службы сооружения.

По экспериментальным данным и обобщению результатов исследований определяется количество воды, вызывающее вынос определенного количества гидроксида кальция (в дальнейшем расчеты ведутся на СаО).

Другая задача заключается в определении кинетики выщелачивания по данным о концентрациях гидроксида кальция в фильтрующей воде в зависимости от вида цемента, что может характеризоваться средней величиной концентрации за срок фильтрации (срок службы конструкции).

Важным показателем для расчетов является суммарное количество гидроксида кальция, удаление которого допустимо без существенного нарушения прочности бетона.

После выноса примерно 10% гидроксида кальция начинается быстрое падение прочности бетона с увеличением количества выносимого СаО.

Таким образом, решением задачи являются определение условий и продолжительности процесса выщелачивания до наступления предельного состояния конструкции. Для этого определяется количество выносимого гидроксида кальция (в среднем за время службы) единицей объема воды, профильтровавшей через бетон, вычисляется количество воды, которое пройдет через единицу объема бетона в течение единицы времени (года), и общее количество гидроксида кальция, которое допустимо к выносу из единицы объема бетона данного сооружения. Из этих данных определяется срок, в течение которого произойдет потеря бетоном своих эксплуатационных свойств, т.е. срок безопасной службы сооружения.

Рассмотрим решение задачи на численном примере. Введем следующие обозначения: qmB количество извести (СаО), которое может быть удалено из единицы объема бетона без потери им основных эксплуатационных свойств прежде всего прочности, г/см3; Коб — количество воды, фильтрующей в единицу времени через единицу объема бетона (объемная скорость воды),

см3 /(см3 • с); Сизв — средняя концентрация извести в воде за время службы конструкций; т — продолжительность фильтрации воды до достижения выноса qH3B , равная безопасному сроку службы сооружения

- _ Чизв

V X

При этом <7изв может быть определено на основании данных о составе бетона и при заданном допустимом проценте выщелачивания извести а, который может быть принят с определенным запасом, равным 10%. Тогда

^изв КЦа.,

где Ц — содержание цемента, г/см3 бетона или кг/л (принимаем Ц— 0,3); К — содержание СаО в цементе доли единицы (для портландцемента может быть принято 0,63) .

Допустимое количество извести, которое может быть растворено и вынесено из бетона конструкции в расчете на единицу объема (1 см3), будет равно

<2ИЗВ = 0,1 - 0,3 - 0,63 = 0,0189 г/см3.

Если считать, что выщелачивание идет постепенно при полном насыщении воды гидроксидом кальция, т.е. Сизв будет = 1,2 г/л, или 0,0012 г/см3, то

т_ ИзВ _ 0,0189 _ 15,8

Kr?Qm Е0б 0,0012 Еоб

или в годах

5.1 10"7 Х" Еоб *

Если выщелачивание идет с постепенным изменением концентрации СаО, необходимо принять среднюю концентрацию за период выщелачивания, что может быть сделано по экспериментальным данным или условно принято С = 0,6 г/л.

К, = Ч

где АН — H/L— градиент напора.

Требования к проницаемости бетона удобнее представить в виде предельно допустимого коэффициента фильтрации бетона

*фоб/ДЯ.

Так, при напоре Н = 0,1 МПа и толщине конструкции 0,5 м

ДН= 10/0,5 =20.

В нашем примере для срока службы 100 лет получим:

  • 5,МО"7 т АН
  • 10 7 = 2.55 •Ю'10 см/с 100 20 '

Хотя такие расчеты и приближенны, они позволяют оценивать требования к водонепроницаемости бетона для конкретных сооружений. Важно подчеркнуть необходимость использования экспериментальных данных для обоснования расчета допустимых коэффициентов фильтрации и сроков службы сооружений, так как большое число допущений и сложность процессов коррозии не позволяют достаточно точно описывать закономерности диффузии.

Рассмотрим выполненный для конкретного сооружения расчет возможного выщелачивания извести из бетона тоннельной обделки.

Как известно, тоннельные обделки — весьма ответственные конструкции со сроками службы не менее 100 лет, поэтому обоснование требований к степени проницаемости бетона для них, гарантирующей длительную безаварийную работу, имеет важное практическое значение.

Прежде всего необходимо уточнить, что должно быть определено: срок службы данной конструкции или допустимый коэффициент фильтрации — водопроницаемость бетона при заданном сроке службы.

Пусть задана продолжительность эксплуатации до капитального ремонта или реконструкции 100 лет. Требуется определить требования к проницаемости при толщине бетонной обделки Ь = 20 см. Допустимое количество выщелоченной извести из тоннельной обделки при разной ее толщине определяется в зависимости от содержания цемента в бетоне и принятого процента допустимого удаления извести без потери бетоном эксплуатационных свойств. Как было указано выше, это количество может быть принято равным 10%, а = 0,1. Тогда в расчете на бетон, содержащий цемент Ц = 350 кг/м3 = 0,35 г/см3:

?изв = Щ,:< = °'63 ' °>1 ' 0.35 Г/СМ3 = 0,022 г/см3,

где К — содержание СаО в цементе в долях единицы по массе,

К = 0,63.

Количество воды, которое должно пройти через бетон, чтобы удалить рассчитанное количество СаО, может быть приближенно определено исходя из предположения о средней концентрации СаО в фильтрующей воде. Эта концентрация может быть принята равной 1,2 г/л как для насыщенного раствора. Такое предположение на начальной стадии фильтрации близко к действительности. Минимальная концентрация принимается равной 0,6 г/л. Таким образом, допустимая проницаемость может быть рассчитана в пределах от максимально допустимой до вдвое меньшей. При известных значительных колебаниях проницаемости бетонов рассматриваемый диапазон концентраций можно считать допустимым.

Количество воды, которое должно пройти через бетон, определяется расчетом по количеству извести, которое должно быть удалено из объема бетона по пути фильтрации. Расчет ведется на 1 см2 площади сечения конструкции перпендикулярно к направлению фильтрации. Тогда объем бетона, подвергающегося выщелачиванию, будет равен L = 20 см3.

Количество извести равно

О = KaUL = 0,63 • 0,1 • 0,35 • 20 = 0,44.

яI JD

Количество воды, которое должно профильтроваться через бетон для выноса этого количества извести VB = 0,44/0,0012 = = 367 см3, при расчетной концентрации растворяемой извести 1,2 г/л и 7 12 см3 при концентрации 0,6 г/л.

Допустимый предельный коэффициент фильтрации бетона будет

Кф = V / xL =

100 86400 365-20

= 5-10-9 см/с.

Приведенные расчеты показывают, что для обеспечения требуемой долговечности следует применять бетоны с коэффициентами фильтрации в пределах 10'6— Ю'10 см/с. При больших коэффициентах фильтрации бетон будет быстро терять значительное количество извести и, соответственно, прочность. При меньших он будет длительно стоек.

Таким образом решается задача о содержании цемента в бетоне, толщины конструкций, градиентов напора и концентрации СаО в фильтрующей воде для обеспечения требуемой долговечности конструкции.

Широко распространены конструкции, которые при эксплуатации подвергаются действию дождевой воды. В этих условиях возможно растворение и вынос гидроксида кальция из поверхностного слоя бетона. Степень опасности этого процесса может быть оценена расчетом по аналогичной методике на основании практических данных об условиях смачивания конструкции и ее размерах.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >