Аналитическая оценка силового сопротивления железобетона, поврежденного коррозионными воздействиями

Срок службы железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в зданиях и сооружениях с наличием агрессивных сред, значительно сокращается. Примерами могут служит фундаменты, колонны, перекрытия, ограждающие конструкции стен предприятий и комбинатов минеральных удобрений, мясомолочной, целлюлознобумажной и пищевой отраслей и др. Согласно оценкам специалистов большая часть промышленных производств, испытывающих OmO^rUDULW ПАО 7ТЙТЛ‘Г’'Т'Е> Т< СТ ГЮГ^ ТТМ АкТ ТГУ схл ^^*^^л.1_> 11U1 Vr j. jlul/1 k_ , имикд построена и введена в эксплуатацию в 70 — 90-х гг. прошлого столетия. В связи с этим основные несущие конструкции на них находятся в аварийном или предава-рийном состоянии. Так, в настоящее время количество нуждающихся в ремонте и усилении автомобильных мостов превышает 40 тыс. Строительные конструкции промышленных зданий и сооружений, требующие восстановления, исчисляются миллионами [5].

Известно, что одним из самых распространенных способов усиления железобетонных конструкций является установка дополнительной арматуры вне сечения этой конструкции. В качестве армирующих (усиливающих) элементов используют стальные стержни или стальные листы, а также преднапряжениые канаты. В бли- жайшее десятилетие перспективным, если не приоритетным, будет использование, наряду с уже применяемыми, углепластиковой, стеклопластиковой и другой арматуры с заданными эксплуатационными характеристиками, полученными в результате управления ультрадисперсным состоянием благодаря успехам биомимеографирован-ной химии и исследований, расширяющих пределы конструкционных и функциональных свойств материалов [8; 9].

гут моделировать биологические системы, то есть регулировать степень отклика в зависимости от внешнего воздействия. В первую очередь это так называемые функциональные стекла и керамики, имеющие нелинейные зависимости электрических, магнитных, механических и тепловых свойств [6]. Главной причиной разрушения железобетонных элементов от силовых и средовых воздействий становятся коррозия стальной арматуры и разрушение сначала демпфирующего (граничного), а затем и глубинных сдоев бетона.

Пионерными сегодня являются теоретические предпосылки повышения биологического и химического сопротивления бетонов посредством буферных систем [2]. Проведенные авторами исследования с применением слабых кислот — глюкопо-

вой, малеиновой, лимонной, винной, салициловой, а также их солей, служащих водопонизителями цементных бетонов, показали, что добавление их, например амин оук-сусной кислоты в количестве 0,5 — 2,0 % от массы цемента, способствует повышению плотности и прочности материала на 30 — 35 % и соответственно увеличению его химического и биологического сопротивления. В железобетонных конструкциях стальная арматура пассивируется цемент ным камнем, благодаря чему влажная среда, неагрессивная по отношению к бетону, практически не вызывает ее коррозии. Таким образом, высокая коррозионная стойкость стеклопластиковой и углепластиковой арматуры предопределяет целесообразность ее использования при усилении железобетонных конструкций. Сравнительные характеристики материалов из углеродной ткани и стекловолокна, применяемых для этого, приведены в таблице.

Таблица

Фирма-изготовитель	Толщина, мм	Прочность при растяжении, МПа	Модуль упругости, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %
ЛАМИНАТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН
Tyfo	1,4	2 300	200 000	1,1
CLEVER	1,4	1 900 - 2 600	150 000 - 200 000	1,3
Sika	1,2 - 1,4	1 400 - 2 400	150 000 - 300 000	0,8 - 1,9
КОМПОЗИТЫ ^МОКРОГО» ФОРМИРОВАНИЯ (ДАННЫЕ ДЛЯ МОНОСЛОЯ)
		Из углеродной ткани
Tyfo	1,04	1 000	69 000	1,5
CLEVER	0,13 - 1,00	1 000 - 3 500	73 000 - 230 000	1,3- 1,5
Sika	0,12 - 0,23	2 600 - 3 900	240 000 - 640 000	0,4 - 1,5
МВТ	0,16	3 000 - 3 600	230 000 - 380 000	0,8 - 1,5
Fosroc	0,11 - 0,17	1 900 - 2 300	230 000 - 375 000	0,5 - 1,0
Replarc	0,11 - 0,17	1 900 - 6 400	230 000 - 640 000	0,3 — 1,5
Freyssinet*	0,43	1 400	105 000	1,8 - 2,1
Россия	0,13- 0,25	1 200 - 1 400	100 000 - 140 000	0,8 - 1,2
Из стекловолокна
Tyfo	0,4- 1,3	200 - 500	14 000 - 27 000	1,5 - 2,0
CLEVER	0,14	1 700	65 000	2,8
МВТ	0,12 - 0,35	1 600 - 1 700	71 000 - 88 000	2,0
Sika	1,00	600	26 000	2,2
Fosroc	0,12	100	73 000	1,4
Россия	0,12	80	51 000	2,5

Примечание: * — производитель двунаправленной ткани.

Коррозионные повреждения сечений железобетонных конструкций снижают их силовое сопротивление, а также, разрушая узлы и связи, меняют соотношения жесткостей элементов конструкций, их расчетные схемы и степень статической неопределимости . Б условиях реальной эксплуатации они распределяются неравномерно по мере удаления от граничной поверхности, то есть от внешней агрессивной среды. Наиболее повреждаются периферийные слои, непосредственно примыкающие к ней.

При этом возможно как полное разрушение наружных слоев с перемещением поверхности контакта с агрессивной средой в глубину конструкции (50), так и ча- ния бетона в переходных слоях [7]. Другими словами, на глубине 5 бетон оказывается неизмененным, а слои, расположенные промежуточно (5 -2*), имеют переходные характеристики силового сопротивления (рис. 1).

Связь механических характеристик силового сопротивления переходной зоны с одноименными характеристиками исходного материала может быть представлена

где 2

К — функция повреждения;

/?q— прочность неповрежденного бетона;

ЕГ ^   "И'хтт*^ тгитгитгг хттгиттс ж.жт'хг^тэажхтглй

Л-rQ       11« ^<*^11^1.1 Ь#1 XL 1’1 ^Д j ^ЛМ 1’ju IJ-^JUVllll-V**

деформации;

Рис. 1. Схема коррозионного повреждения бетонного образца: а — случай неповрежденного образца; б — случай неполного повреждения фибровых слоев образца; в — случай полного разрушения фибровых слоев образца

Cq — предельная мера ползучести.

На границе переходной и неповрежденной зон функции К, становясь равными единице, сопрягаются. С учетом этого и исходя из геометрической интерпретации функций повреждения далее используем упрощение

K_R= К_Е= К_с= К, (2) а саму функцию повреждений будем искать в виде некоторого полинома

1—3       . л           i—3        , .

К^= ^-г'-.^-К^- -Lia, ?-',® i=0 ^dz z=0

где а^— параметры, определяемые из граничных условий.

Запись для К (3) предполагает возможность как более общей, нелинейной аппроксимации [i > 1], так и частной, прикладной линейной.

В нелинейном варианте аппроксимации К, принимая п = 3 (кубическая запись), для случая б — неполного коррозионного повреждения фибровых слоев, граничные условия будут следующими:

приг = х К = К_Х, --_G_b (4) dz '

при г = х - б К = 1, ---= 0,    (5)

а для случая в — полного коррозионного повреждения фибровых слоев:

при г = x-z* К = 0, ^- = Go; (6) dz при z = х - б К = 1,     - 0,     (7)

az где К — начальное значение функции повреждения;

G|, Go — эмпирические характеристики сопротивления материала повреждениям.                                '

Реализация соотношений (3), (4), (5) дает для случая 6

tig — [/’С] + ^ + (^Х^ + tZgA2 )]> где р^^^-^-а^-гх;

^^[^-(г-бУфгр-б); О

P3=l[r3-(z-6)3]-3z2;

^4 = ^ t3 - (^ - ^)3]^ 3

Реализация соотношений (3), (6), (7) дает для случая в

—L-^-ftJ-G^ ^р6^ - ^Р5^Р8

у+ G_o - а₃Р₇

где Pg = ₇——- fo-z^-G-S)²]-

- 2(r - z *);

^y^b-^-^-s)2]-

-2(z-5);         (И)

- 2(x - z *^ ;

Р8=-^-?)^-^,)3-(^-5У]

-з^-д)2

Здесь 8 — глубина коррозионного повреждения (глубина нейтрализации).

В линейном варианте аппроксимации К вместо тривиального отбрасывания нелинейных членов в формулах (3) (t = 2, 3...) рационально использовать упрощенные решения:

для случая неполного повреждения фибровых слоев, зафиксировав условия при 2 — х К - Ко, при z = х - О К = 1, получим:

«О = у[^-(^-5)К0];

<12)

^=у(к0-1);

о для случая полного повреждения фибровых слоев, зафиксировав условия при z = x - z* К-О, при z - х 8 К = 1, получим:

^уУ^у!- <13>

О - 2 0-2*

Влияние коррозионных повреждений арматуры на ее силовое сопротивление оценивается условным уменьшением расчетной площади ее поперечного сечения:

^5 - ^S - Дз^ >

где о)$ — коэффициент коррозионного снижения расчетной площади арматуры;

Лс — площадь поперечного сечения не поврежденной коррозией арматуры.