Долговечность железобетонных конструкций

Расчет прочности железобетонных конструкций недавно был включен в национальные и международные правила. Требуется, чтобы конструкции были спроектированы так, чтобы сохранять свои характеристики в течение всего срока службы, исключая преждевременный выход из строя и необходимость проведения внеочередных ремонтно-восстановительных работ. Поэтому в последние десятилетия были предприняты значительные усилия. для определения полезных моделей, описывающих процессы деградации , влияющих на железобетонные конструкции, которые будут использоваться на этапе проектирования для оценки характеристик материала и конструктивной схемы конструкции.

Срок службы железобетонной конструкции

Периоды возникновения и распространения коррозии стальной арматуры в железобетонной конструкции (диаграмма Тутти).

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 тонкой оксидная пленка, способная защитить сталь от коррозии. Со временем тонкая пленка может быть повреждена, и начинается коррозия стальной арматуры. Коррозия стальной арматуры . является одной из основных причин преждевременного выхода из строя железобетонных конструкций во всем мире главным образом как следствие двух процессов разложения: карбонизации и проникновения хлоридов . Что касается процесса коррозионной деградации, то простой и проверенной моделью оценки срока службы является модель, предложенная Тутти в 1982 году. Согласно этой модели срок службы железобетонной конструкции можно разделить на две отдельные фазы.

• $t_{i}$, время инициации : с момента возведения конструкции до момента начала коррозии стальной арматуры. В частности, это время, необходимое агрессивным агентам ( диоксиду углерода и хлоридам) для проникновения в толщу бетонного покрытия, достижения встроенной стальной арматуры, изменения исходного состояния пассивации на стальной поверхности и возникновения коррозии.
• $t_{p}$, время распространения : которое определяется как время от начала активной коррозии до достижения предельного предельного состояния, т.е. распространение коррозии достигает предельного значения, соответствующего неприемлемому структурному повреждению, такому как растрескивание и отслоение слоя бетонного покрытия .

Идентификация времени инициации и времени распространения полезна для дальнейшего определения основных переменных и процессов, влияющих на срок службы конструкции, которые характерны для каждой фазы срока службы и рассматриваемого процесса деградации.

Коррозия, вызванная карбонизацией

Время начала связано со скоростью, с которой карбонизация распространяется по толщине бетонного слоя . Как только эта карбонизация достигает поверхности стали, изменяя локальное значение pH окружающей среды, защитная тонкая пленка оксидов на поверхности стали становится нестабильной, и начинается коррозия, охватывающая расширенную часть поверхности стали. Одна из наиболее упрощенных и признанных моделей, описывающих распространение карбонизации во времени, состоит в том, чтобы считать глубину проникновения пропорциональной квадратному корню из времени, следуя корреляции

$x=K{\sqrt {t}}$

где $x$ - глубина карбонизации, $t$ это время, и $K$ – коэффициент карбонизации. Начало коррозии происходит, когда глубина карбонизации достигает толщины бетонного слоя, и поэтому ее можно оценить как

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

где $c$ толщина бетонного покрытия .

$K$ является ключевым расчетным параметром для оценки времени начала коррозии, вызванной карбонизацией. Выражается в мм/год ^1/2 и зависит от характеристик бетона и условий воздействия. Проникновение газообразного CO ₂ в пористую среду, например бетон, происходит путем диффузии . Влажность бетона является одним из основных факторов, влияющих на диффузию CO ₂ в бетоне. Если поры бетона полностью и постоянно насыщены (например, в затопленных конструкциях ), диффузия CO ₂ предотвращается. С другой стороны, для полностью сухого бетона химическая реакция карбонизации не может произойти. Еще одним фактором, влияющим на скорость диффузии CO _{2 ,} бетона является пористость . Бетон, полученный с более высоким водоцементным соотношением или полученный с помощью 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 . Уровень 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.

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

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

где $p_{lim}$ предел проникновения коррозии в сталь и $v_{corr}$ – скорость распространения коррозии . $p_{lim}$ должно определяться в зависимости от рассматриваемого предельного состояния. Обычно для коррозии, вызванной карбонизацией, растрескивание бетонного покрытия считается предельным состоянием, и в этом случае $p_{lim}$ считается равным 100 мкм. $v_{corr}$ зависит от факторов окружающей среды в непосредственной близости от процесса коррозии , таких как наличие кислорода и воды на глубине слоя бетона. Кислород обычно доступен на поверхности стали, за исключением погруженных в воду конструкций. Если поры постоянно полностью насыщены, очень небольшое количество кислорода достигает поверхности стали и скорость коррозии можно считать незначительной. Для очень сухих бетонов $v_{corr}$ незначительно из-за отсутствия воды, препятствующей химической реакции коррозии . Для бетона средней влажности скорость коррозии увеличивается с увеличением влажности бетона. Поскольку содержание влаги в бетоне может значительно меняться в течение года, обычно невозможно определить постоянную величину. $v_{corr}$. Одним из возможных подходов является рассмотрение среднегодовой стоимости $v_{corr}$.

Хлоридная коррозия

Присутствие хлоридов на поверхности стали, превышающее определенное критическое количество, может локально разрушить тонкую защитную пленку оксидов на поверхности стали, даже если бетон все еще щелочной, вызывая очень локализованную и агрессивную форму коррозии, известную как точечная коррозия . Действующие правила запрещают использование сырья, загрязненного хлоридами, поэтому одним из факторов, влияющих на время инициирования, является скорость проникновения хлоридов из окружающей среды. Это сложная задача, поскольку растворы хлоридов проникают в бетон посредством сочетания нескольких явлений переноса, таких как диффузия , капиллярный эффект и гидростатическое давление . Связывание хлоридов – еще одно явление, влияющее на кинетику проникновения хлоридов. Часть общего количества ионов хлорида может поглощаться или химически реагировать с некоторыми компонентами цементного теста, что приводит к уменьшению содержания хлоридов в поровом растворе (свободные хлориды, которые стали способны проникать в бетон). Способность бетона связывать хлориды зависит от типа цемента и выше у смесевых цементов, содержащих микрокремнезем, летучую золу или печной шлак.

Поскольку моделирование проникновения хлоридов в бетон особенно сложно, обычно применяется упрощенная корреляция, впервые предложенная Коллепарди в 1972 году.

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

Где $C_{s}$ — концентрация хлоридов на открытой поверхности, x — глубина проникновения хлоридов, D — коэффициент диффузии хлоридов и t — время.

Это уравнение представляет собой решение закона диффузии Фика II в гипотезе, что начальное содержание хлоридов равно нулю, что $C_{s}$ постоянна во времени на всей поверхности, а D постоянна во времени и через бетонное покрытие. С $C_{s}$ и D известны, уравнение можно использовать для оценки временной эволюции профиля концентрации хлоридов в бетонном покрове и оценки времени инициирования как момента, когда критический порог хлоридов ( $C_{cl}$) достигается на глубине стального стержня.

Однако существует множество критических вопросов, связанных с практическим использованием этой модели. Для существующих железобетонных конструкций в хлоридсодержащей среде $C_{s}$ и D можно определить, вычислив кривую наилучшего соответствия для измеренных профилей концентрации хлоридов. Таким образом, на основе образцов бетона, полученных в полевых условиях, можно определить значения C _s и D для оценки остаточного срока службы. С другой стороны, для новых структур сложнее определить $C_{s}$ и D. Эти параметры зависят от условий воздействия, свойств бетона, таких как пористость (и, следовательно, водоцементное соотношение и процесс отверждения ) и типа используемого цемента. Кроме того, для оценки долгосрочного поведения конструкции критический вопрос связан с тем фактом, что $C_{s}$ и D нельзя считать постоянными во времени, а транспортное проникновение хлоридов можно рассматривать как чистую диффузию только для затопленных конструкций. Еще одним вопросом является оценка $C_{cl}$. Существуют различные влияющие факторы, такие как потенциал стальной арматуры и pH раствора, содержащегося в порах бетона. Кроме того, инициирование питтинговой коррозии является явлением стохастической природы, поэтому также $C_{cl}$ можно определить только на статистической основе.

Предотвращение коррозии

Оценка долговечности была внедрена в европейские нормы проектирования в начале 90-х годов. Проектировщикам необходимо учитывать последствия длительной коррозии стальной арматуры на этапе проектирования, чтобы избежать недопустимых повреждений в течение срока службы конструкции. Тогда для расчета долговечности доступны различные подходы.

Стандартный подход

Это стандартизированный метод обеспечения долговечности, также известный как подход «считай удовлетворительным» и предусмотренный действующим европейским регламентом EN 206. Требуется, чтобы проектировщик определил условия воздействия окружающей среды и ожидаемый процесс деградации, оценив правильное воздействие. сорт. Как только это будет определено, нормы проектирования дадут стандартные предписания по соотношению вода/цемент, содержанию цемента и толщине бетонного покрытия.

Этот подход представляет собой шаг к усовершенствованию проектирования долговечности 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 рецепты не позволяют оптимизировать проектирование 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 защит.

Подход, основанный на производительности

Рисунок 2 – Вероятность отказа и целевой срок службы в моделях срока службы железобетонных конструкций, основанных на характеристиках

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 широкое разнообразие факторов, влияющих на срок службы, и их изменчивость, подходы, основанные на характеристиках, решают проблему с вероятностной или полувероятностной точки зрения.

Модель срока службы, основанная на характеристиках, предложенная европейским проектом DuraCrete, и Модельным кодексом FIB для проектирования срока службы, основан на вероятностном подходе, аналогичном тому, который принят при проектировании конструкций. Факторы окружающей среды рассматриваются как нагрузки S(t), а свойства материала, такие как устойчивость к проникновению хлоридов, рассматриваются как сопротивления R(t), как показано на рисунке 2. Для каждого процесса деградации устанавливаются расчетные уравнения для оценки вероятности отказа заранее определенных характеристики конструкции, где приемлемая вероятность выбирается на основе рассматриваемого предельного состояния. Процессы деградации по-прежнему описываются с помощью моделей, ранее определенных для коррозии, вызванной карбонизацией и хлоридами, но, чтобы отразить статистический характер проблемы, переменные рассматриваются как кривые распределения вероятностей во времени. Для оценки некоторых расчетных параметров долговечности предлагается использовать ускоренные лабораторные испытания, такие как так называемый тест на быструю миграцию хлоридов для оценки стойкости бетона к проникновению хлоридов. '. Путем применения корректирующих параметров можно оценить долговременное поведение конструкции в реальных условиях воздействия.

Использование вероятностных моделей ресурса позволяет реализовать реальный расчет долговечности, который может быть реализован на этапе проектирования конструкций. Такой подход представляет особый интерес, когда требуется увеличенный срок службы (>50 лет) или когда условия воздействия окружающей среды особенно агрессивны. В любом случае, применимость такого рода моделей пока ограничена. Основные критические вопросы по-прежнему касаются, например, индивидуализации ускоренных лабораторных испытаний, способных охарактеризовать конкретные характеристики, надежных поправочных коэффициентов, которые будут использоваться для оценки характеристик долгосрочной долговечности, и проверки этих моделей на основе реальной долгосрочной долговечности. выступления.

См. также

• Конкретный
• Деградация бетона
• Железобетон