Долговечность железобетонных конструкций

Совокупность процессов и факторов, определяющих срок службы 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 ^{[ когда? ]} 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. ^[1]

Срок службы железобетонной конструкции

Периоды возникновения и распространения коррозии стальной арматуры в железобетонной конструкции (диаграмма Тутти). ^{[2] [3]}

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 за счет 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 разрушения железобетонных конструкций во всем мире [4], главным ^{образом} вследствие двух процессов деградации: карбонизации и проникновения хлоридов . ^[1] Что касается процесса коррозионного разрушения, то простой и признанной моделью для оценки срока службы является модель, предложенная Тутти в 1982 году. ^[5] Согласно этой модели, срок службы железобетонной конструкции может разделить на два отдельных этапа.

• ${\displaystyle t_{i}}$, 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.
• ${\displaystyle t_{p}}$, 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 бетона .

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

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

где – глубина карбонизации, – время, – коэффициент карбонизации. Начало коррозии происходит, когда глубина карбонизации достигает толщины бетонного слоя, 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 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 , является} пористость бетона . 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. ^[1]

Для оценки времени распространения коррозии , вызванной карбонизацией , 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:

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

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, что оно равно 100 мкм. ^[6] 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. ^[7] Для очень сухих бетонов незначительно из-за отсутствия воды, которая предотвращает химическую реакцию коррозии . Для бетона средней влажности скорость коррозии увеличивается с увеличением влажности бетона. Поскольку содержание влаги в бетоне может значительно меняться в течение года, определить постоянную величину, как правило, невозможно . Одним из возможных подходов является рассмотрение среднегодового значения . ${\displaystyle p_{lim}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$ ${\displaystyle p_{lim}}$ ${\displaystyle p_{lim}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$

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 ^[8]

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

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

Это уравнение является решением II закона диффузии Фика в гипотезе, 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 покрове и оценки времени инициирования как момента, в котором критический порог хлоридов ( ) достигается на глубине стального арматурного стержня. ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle C_{cl}}$

Однако существует множество критических вопросов, связанных с практическим использованием этой модели. Для существующих железобетонных конструкций в среде, содержащей хлориды , можно определить D, рассчитав наиболее подходящую кривую 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. ^[9] С другой стороны, для новых конструкций сложнее определить и D. Эти параметры зависят от условий воздействия, свойств бетона, таких как пористость (и, следовательно, водоцементное соотношение и процесс отверждения ) и типа цемента. использовал. Кроме того, для оценки долговременного поведения конструкции критический вопрос связан с тем, что и D нельзя считать постоянными во времени, и что транспортное проникновение хлоридов можно рассматривать как чистую диффузию только для затопленных конструкций. Еще одним вопросом является оценка . Существуют различные влияющие факторы, такие как потенциал стальной арматуры и pH раствора, содержащегося в порах бетона. Более того, возникновение питтинговой коррозии является явлением стохастического характера, поэтому также может быть определено только на статистической основе. ^[1] ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle C_{cl}}$ ${\displaystyle C_{cl}}$

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. ^[6]

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 ^[10] и Модельным кодексом FIB для проектирования срока службы ^[11] , основана на вероятностном подходе, аналогичном тому, который принят для проектирования 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. ^[6] 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 ^[11] '. 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. Этот 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. ^{[6] [9]}

Смотрите также

• Конкретный
• Деградация бетона
• Железобетон

Рекомендации

1. . Бертолини, Лука (2012). Материалы для изготовления. 2, Degrado, prevenzione,diagnosi, restauro (2-е изд.). ЧиттаСтуди. ISBN 978-8825173680.
2. Фиджестол П. и Тутти К. (1998). Хлоридная коррозия в бетоне с высокими эксплуатационными характеристиками: зависимость срока службы от коэффициента диффузии и удельного сопротивления. Бетон в тяжелых условиях 2: Окружающая среда и нагрузки: Материалы Второй Международной конференции по бетону в тяжелых условиях, CONSEC'98, Тромсё, Норвегия, 21-24 июня 1998 г. (Том 1, стр. 133). ЦРК Пресс. Чикаго
3. Йёрв, ОЕ; Сакаи, К.; Бантия, Н. (1998). Бетон в тяжелых условиях 2: Окружающая среда и нагрузки: Материалы Второй международной конференции по бетону в тяжелых условиях, CONSEC '98, Тромсё, Норвегия, 21-24 июня 1998 г. E & FN Spon. п. 133. ИСБН 978-0-419-23860-7. Проверено 7 сентября 2023 г.
4. Бертолини, Лука; Эльзенер, Бернхард; Педеферри, Пьетро; Редаэлли, Елена; Полдер, Роб Б. (26 февраля 2013 г.). Коррозия стали в бетоне: профилактика, диагностика, ремонт (2-е изд.). Уайли. ISBN 978-3527651719.
5. Туутти, Кёсти (21 октября 1982). «Коррозия стали в бетоне». Шведский научно-исследовательский институт цемента и бетона, Стокгольм .
6. Бертолини, Лука (2008). «Коррозия стали и срок службы железобетонных конструкций». Проектирование структуры и инфраструктуры . 4 (2): 123–137. Бибкод : 2008SIEng...4..123B. дои : 10.1080/15732470601155490. S2CID  109007701.
7. Аруп, Ганс (1983). «Механизмы защиты стали бетоном». Коррозия арматуры в бетонных конструкциях . Чичестер: Хеллис Хорвуд. стр. 151–157.
8. Коллепарди, Марио; Марсиалис, Альдо; Турризиани, Ренато. «Проникновение хлорид-ионов в цементные пасты и бетоны». Журнал Американского керамического общества .
9. Мэтьюз, Стюарт (2014). Проектирование прочных бетонных конструкций . ИХС. ISBN 9781848061750.
10. Дуракрет (2000). «Европейский Союз - Brite EuRam III, DuraCrete - Вероятностное проектирование долговечности бетонных конструкций на основе характеристик». Заключительный технический отчет проекта Duracrete .
11. ФИБ (2006). «Типовой кодекс по расчету срока службы». Комитет Eurointernation du Beton .