О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона

Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций на территории РФ осуществляется по СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии». Однако в данном документе отсутствует нормативная методика оценки долговечности железобетонных конструкций, что связано со сложностью физико-химических процессов коррозии бетона и ненадёжностью прогнозирования параметров эксплуатационной среды. Наиболее удобной в использовании расчётной моделью для применения в инженерных расчетах является один из результатов многочисленных исследований в области прогноза долговечности бетона или железобетона, а именно - расчётная зависимость глубины коррозионного поражения от времени эксплуатации конструкции L=f(ff

Классическое решение, основанное на упрощении математического аппарата и схематизации физико-химических процессов коррозии бетона, имеет вид общепринятого в области долговечности железобетона «закона корня квадратного от времени»:

L = K/t. (1)

Анализ современных предложений по совершенствованию расчётных моделей долговечности железобетона показывает практически полное отсутствие формул, удобных для инженерных расчетов. Однако построение математической модели коррозии железобетона для получения закономерности L=f(t) с использованием современных численных методов, реализованных в прикладных программных математических пакетах, позволило авторам работы [1] получить выражение (2) с показателем степени п при корне, равном 3(3). Не обходимо заметить, что при этом характер агрессивной среды не рассматривался (газ, жидкость), а целью решения было получение общего вида расчетной зависимости Дг). Для учета особенностей среды в работе [1] предложено использовать в расчетной формуле коэффициенты условий работы mt:

L = m^t ; (2)

L = mjAMi . (3)

Для подтверждения, опровержения или оптимизации полученных расчётных моделей необходимо наличие серии экспериментальных точек. Однако в связи с большой длительностью проведения экспериментов (независимо от вида среды), большинство исследователей получали зависимость лишь по одной экспериментальной точке (глубине коррозионного поражения от времени) или в редком случае - по двум точкам, полученным в результате обследования железобетонных конструкций, а для дальнейших расчётов принимали функцию вида (1).

Единственными из известных экспериментальных данных по нескольким срокам испытаний на образцах в естественных условиях (при воздействии углекислого газа воздуха) являются данные Л.А. Вандаловской [2] для бетонов с различным водоцементным отношением (В/Ц). Из этих данных следует, что показатель степени п при корне может принимать значения 2,05...3,05. Исследователи Т. Isida и К. Maekawa [3] приводят экспериментальные данные по глубине нейтрализации бетона с различным водоцементным отношением при 10%-ной концентрации углекислого газа СО₂, из которых следует, что значение п в выражении (2)

Рис. 1. Определение глубины нейтрализации бетона на макроснимке

Схема протекания

* Ц ементно-пе счаный р ас тв ор Ц :Д= 1:3, В/Ц =0,7

■ Цементно-песчаный раствор Ц :Д= 1:3, В/Ц =0,5 5

Ц ементно-пе счаный р ас тв op SI КА М onotop 612                          . .

Цементно-песчаный раствор ЕМ АС О Nano Crete R4

Рис. 2. Скорость нейтрализации образцов

Таблица 1

Результаты испытаний

Материал образца	8~ II	II >1	MM	Фрагменты сколов образцов сделанные в определенный момент времени, ч
				ю \ 30              I 150
Цементно-песчаный раствор Ц:П=1:3, В/Ц=0,7	3.1%	W2	0 — 10™ 20—
Цементно-песчаный раствор Ц:П-1:3, В/Ц=0,55	5.6%	W4
Цементно-песчаный раствор SIKA Monotop 612	3 9%	WW	0 — 10 -^ 20—
Цементно-песчаный раствор ЕМАСО Nanocrete R4	2.5%	W16	0 — 10—• 20—

Фёдоров П.А., Анваров Б.Р., Латыпова Т.В., Анваров А.Р., Латыпов В.М.

О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона

Таблица 2

Результаты расчета

Тип образца Расчетные функции скорости нейтрализации раствора и статистический коэффициент детерминации L = A„ft Ь = А^ L = A34t А„ п R1 Al п я2 A3 п Я2 Цементно-песчаный раствор Ц:П =1:3, В/Ц=0,7 4,00 2,77 0,928 2,60 2 0,743 4,30 3 0,926 Цементно-песчаный раствор Ц:П =1:3, В/Ц=0,55 1,95 2,17 0,985 1,70 0,981 2,90 0,852 Цементно-песчаный раствор SIKA Monotop 612 1,35 2,94 0,875 0,65 0,561 1,34 0,785 Цементно-песчаный раствор ЕМАСО Nanocrete R4 0,01 1,45 0,935 0,025 0,925 0,05 0,749 изменяется в пределах 1,94...2,65. В целом анализ немногочисленных экспериментальных данных показал, что возможные значения показателя степени п в выражении (2) изменяются от 1,48 до 3,05.

С целью определения значений Л и п в выражении (2) были проведены ускоренные испытания, согласно ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии», на модифицированной установке. Испытания проведены на образцах 40x40x160 мм в герметичной камере, с относительной влажностью 75±3 %, температурой среды 20±5 °C, концентрацией углекислого газа 4 %. Через 10, 30, 60 и 150 часов проводился скол по сечению образца с обработкой его раствором фенолфталеина. Глубина нейтрализации бетона в каждом сечении определялась по макроснимку (рис. 1) и рассчитывалась по результатам 20 измерений. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и на рис. 2, а результаты вычисленных значений А и п представлены в табл. 2. Из этих данных следует, что показатель степени и в выражении (2) при воздействии углекислого газа воздуха является величиной непостоянной и меняется в зависимости от плотности цементно-песчаного раствора. Это, по-видимому, связано с тем, что в бетонах повышенной плотности происходит закупорка пор влагой, выделяющейся в ходе карбони зации бетона, что кардинально меняет механизм процесса массопереноса (см. схему на рис. 2) за счет перехода диффузии газа СО2 в диффузию Н2СО3 в жидкой фазе.

Необходимо отметить, что полученные данные можно рассматривать как предварительные, обосновывающие необходимость проведения детальных экспериментальных исследований, в том числе в жидких агрессивных средах.