автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Долговечность бетона и железобетона в природных эксплуатационных средах

/

Петербургский государственный университет путей сообщения

Латыпов Валерий Марказович

УДК 691.327; 620.193

Долговечность бетона и железобетона в природных эксплуатационных средах

Специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор,

действительный член РААСН \ КОМОХОВ П.Г.

Санкт-Петербург 1998

Содержание

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАЩИТЫ

БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ...........................................................7

1.1. Разрушение бетона и коррозия стальной арматуры в условиях воздействия агрессивных сред...................................................................................9

1.1.1. Коррозионное воздействие среды на бетон...................................................... 9

1.1.2. Условия депассивации стальной арматуры....................................................19

1.2. Анализ нормативных документов по защите бетонных и железобетонных конструкций от коррозии............................................................25

1.3. Аналитические методы оценки долговечности железобетонных конструкций и проектирования их первичной и вторичной защиты.................29

1.4. Защита металлических конструкций и трубопроводов цементными покрытиями..................................................................................................................42

1.5. Цель и задачи исследований.....................................................................................51

ГЛАВА 2. ЦЕМЕНТНАЯ МАТРИЦА КАК ИНГИБИТОР КОРРОЗИИ СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ.......52

2.1. Электрохимические исследования защитной способности водных суспензий цемента и его мономинералов..........................................................52

2.2. Физико-химические исследования состава и структуры защитных пленок, формирующихся на поверхности стали в водных суспензиях

гидратирующего цемента и его мономинералов..............................................„..56

2.3. Ингибирующие свойства цементной матрицы.....................................................74

Выводы.................................................................................................................................78

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ.......................................................................................................................79

3.1. Йринципы математического моделирования коррозионных процессов в бетоне.............................................................................................................................80

3.2. Механизм разрушения бетона как совокупность элементарных процессов деструкции. Математические модели коррозии бетона в агрессивных средах....................................................................................................82

Выводы.................................................................................................................................91

ГЛАВА 4. КОРРОЗИЯ БЕТОНА В СУЛЬФАТНЫХ СРЕДАХ...........................................................................92

4.1. Предпосылки описания механизма деструкции бетона на основе критерия интенсивности солевых отложений.......................................................92

4.1.1. Эффективная пористость цементного камня и бетона..................................93

4.1.2. Оценка интенсивности осадка новообразований...........................................96

4.1.3. Предлагаемый механизм разрушения структуры бетона............................102

4.2. Моделирование процесса образования и роста кристаллов

новообразований в порах бетона...........................................................................105

4.2.1. Модель отложения новообразований............................................................105

4.2.2. Сульфатостойкость бетона в зависимости от интенсивности солевых

отложений........................................................................................................113

4.3. Экспериментальные исследования закономерностей сульфатной

коррозии бетона.........................................................................................................115

•4.3.1. Определение степени заполнения пор новообразованиями........................115

4.3.2. Физико-химические исследования корродированного бетона...................126

4.3.3. Первичный и вторичный процессы при сульфатной коррозии бетона......136

4.3.4. Определение сульфатостойкости по методу коэффициента

стойкости и методу плоских призм...............................................................140

4.3.5. Определение констант скорости коррозии...................................................144

4.4. Натурные обследования объектов, эксплуатируемых в сульфатных

средах..........................................................................................................................147

4.5. Методология оценки долговечности конструкций в сульфатных средах .... 148

4.5.1. Обоснование норм агрессивности сульфатных сред по концентрации раствора............................................................................................................149

4.5.2. Проектирование конструкций с заданной долговечностью........................152

Выводы...............................................................................................................................159

ГЛАВА 5. ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ..............................................................160

5.1. Моделирование массопереноса агрессивных компонентов эксплуатационной среды через цементное покрытие........................................160

5.1.1. Нейтральные к материалу покрытия среды.................................................. 161

5.1.2. Агрессивные к материалу покрытия среды..................................................165

5.1.3. Обоснование рациональных систем защитных покрытий..........................170

5.2. Влияние технологии нанесения и режима твердения покрытия на выбор состава цементной композиции............................................................................171

5.2.1. Базовые технологии нанесения покрытий....................................................172

5.2.2. Полевые технологии нанесения покрытий...................................................174

5.3. Цементные композиции с улучшенными свойствами......................................179

5.3.1. Составы модифицированных композиций...................................................180

5.3.2. Сравнительная оценка эксплуатационных свойств модифицированных композиций...................................................................185

5.4. Комбинированные покрытия..................................................................................189

5.4.1. Грунтовочный слой.........................................................................................189

5.4.2. Цементный слой.............................................................................................190

5.4.3. Полимерный слой............................................................................................194

5.5. Определение параметров математических моделей процесса коррозии......196

5.5.1. Критическая концентрация хлор-ионов у поверхности стали....................196

5.5.2. Константы скорости коррозии и эффективные коэффициенты диффузии..........................................................................................................199

5.6. Прогнозирование срока защитного действия цементных и комбинированных покрытий...................................................................................201

Выводы...............................................................................................................................204

ГЛАВА 6. КОРРОЗИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА.........................205

6.1. Обследование технического состояния железобетонных конструкций •эксплуатирующихся зданий и сооружений........................................................207

6.1.1. Методика проведения обследований............................................................. 207

6.1.2. Результаты обследования некоторых объектов............................................209

6.2. Моделирование массопереноса и факторы, определяющие кинетику коррозии.......................................................................................................................222

6.3. Оценка долговечности железобетонных конструкций.....................................230

6.3.1. Оценка долговечности на этапе проектирования.......................................230

6.3.2. Оценка ресурса эксплуатирующихся конструкций......................................233

Выводы...............................................................................................................................233

ГЛАВА 7. ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ В АСПЕКТЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ........................................................................................................................................235

7.1. Расширение области применения среднеалюминатных цементов в условиях сульфатной агрессии.............................................................................235

7.2. Защита труб и трубопроводов от коррозии путем устройства цементных

и комбинированных покрытий..............................1.................................................240

7.3 Повышение долговечности железобетонных конструкций в условиях

коррозии карбонизации..........................................................................................245

Выводы...............................................................................................................................246

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................247

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................................251

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................................................269

Приложение 1. Внедрение результатов исследований по

сульфатостойкости бетона на средне а люминатном цементе ...270

Приложение 2. Внедрение результатов исследований по защите трубопроводов цементными и комбинированными покрытиями...........................................................................................275

Приложение 3. Внедрение результатов исследований по оценке

агрессивности углекислого газа к железобетонным конструкциям эксплуатирующихся зданий и сооружений........281

Приложение 4. Результаты экспериментов по определению

степени заполнения пор в образцах из цементного камня,

цементно-песчаного раствора и бетона..........................................288

Введение

Бетон и железобетон являются уже несколько десятилетий основными конструкционными материалами, обеспечивающими потребности промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства. На изготовление бетонных и железобетонных конструкций ежегодно расходуется около 11% годового производства проката черных металлов и более 70% выпуска цемента. В результате выполненных в последние годы натурных обследований и экспертных оценок установлено, что в зависимости от назначения зданий и сооружений от 20 до 75% строительных конструкций подвергаются воздействию агрессивных сред, что сопровождается снижением долговечности самих конструкций, а также потерями вследствие остановок производства и необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ; размер общего ущерба от коррозии в строительстве в развитых странах достигает 4% национального дохода и продолжает возрастать.

Проблема обеспечения нормативной долговечности зданий и сооружений в нашей стране имеет три основных аспекта: социальный, технический и связанный с уровнем научных исследований. В отношении первого аспекта можно полагать, что помимо нарушений условий эксплуатации и правил выполнения строительно-монтажных работ, причиной ускоренного разрушения бетона и железобетона являлась недооценка опасности коррозионных процессов, поскольку коррозионные повреждения становятся заметными зачастую через многие годы эксплуатации. Кроме того, ответственность проектировщиков и строителей распространялась на срок, как правило не превышающий двух-трех лет после сдачи объекта в эксплуатацию. Можно надеяться, что по мере формирования новых финансово-экономических отношений ситуация в этой области начнет изменяться. Заметное нарастание количества отказов в последние годы связано также с тем, что основная часть эксплуатируемого производственного и жилого фонда была введена примерно 30...40 лет назад и к настоящему времени частью этого фонда нормативная долговечность уже исчерпана. По поводу третьего аспекта можно сказать следующее. Анализ результатов обследования технического состояния бетонных и железобетонных конструкций разных по назначению объектов свидетельствует о том, что предельное состояние по условию сохранности бетона или арматуры для большого числа конструкций наступает значительно раньше нормативного срока эксплуатации, причем повреждение тонкостенных конструкций достаточно часто происходит даже при обычных условиях эксплуатации. С другой стороны, в целом ряде случаев массивные конструкции имеют технико-экономически необоснованный запас долговечности. Таким образом, одной из главных причин несоответствия ожидаемой и фактической долговечности бетонных и железобетонных конструкций является тот факт, что проектирование их защиты в агрессивных средах до настоящего времени осуществляется в соответствии со СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии" без использования каких-либо (даже простейших) расчетных методов. Последнее обусловлено главным образом сложностью физико-химических процессов коррозии, а также

недостаточнрй надежностью прогнозирования во времени изменения параметров эксплуатационной среды. Вместе с тем, с середины 60-х годов в нашей стране и зарубежом интенсивно развиваются исследования, имеющие целью создание теоретически и экспериментально обоснованных расчетных методов определения долговечности. В фундаментальных работах Алексеева С.Н., Бабушкина В.И., Батракова В.Г., Вербецкого Г.П., Гузеева Е.А., Иванова Ф.М., Минаса А.И., Москвина В.М., Мчедлова-Петросяна О.П., Овчинникова И.Г., Подвального A.M., Полака А.Ф., Ратинова В.Б., Рахимбаева Ш.М., Рахимова Р.З., Розенберг Т.И., Со-ломатова В.И., Франк-Каменецкого Д.А., Шестоперова С.В., а также Jambor J., Kalousek G., Mehta P., Modry S., Nadu M., Prudil S., Scott G., Schiesl P. и других ученых заложены теоретические основы этого приоритетного в настоящее время направления исследований.

Целью данной работы является разработка аналитических методов определения долговечности бетона и железобетона, эксплуатирующегося в агрессивных средах. Теоретическое и экспериментальное обоснование таких методов должно послужить основой для проектирования заданной долговечности бетонных и железобетонных конструкций в рамках третьего предельного состояния, наряду с традиционным проектированием по состояниям первой и второй групп согласно СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Глава 1. Современное состояние вопроса проектирования

защиты бетона и железобетона в агрессивных средах

В условиях воздействия агрессивных сред снижение несущей способности бетонных и железобетонных конструкций происходит, как правило, не от механических нагрузок, а вследствие повреждений бетона или арматуры, вызванных коррозионными нагрузками. В этой связи представляет интерес высказывание A.A. Байкова [21], сделанное им еще в начале XX века: «...Все бетонные сооружения из портландцемента неизбежно должны подвергаться процессу выщелачивания извести и по истечении известного времени утрачивать всякую связность и разрушаться. Это разрушение вытекает из самой природы портландцемента... Существование многочисленных гидротехнических сооружений из портландцемента отнюдь не является опровержением такого положения; все эти сооружения находятся в стадии разрушения и окончательное их разрушение наступает по истечении довольно значительного времени лишь вследствие того, что в естественных условиях всегда имеют место некоторые обстоятельства, которые чрезвычайно замедляют процесс выщелачивания извести». Поэтому задачей исследований в области долговечности бетона и железобетона является в конечном счете определение условий, при которых неизбежные деструктивные процессы в бетоне будут протекать в контролируемые сроки и на заданную глубину. Опыт проектирования защиты конструкций зданий и сооружений показывает, что общую оценку активности эксплуатационной среды целесообразно осуществлять на трех уровнях {материал —> конструкция —> сооружение), так же, как и решать задачи по повышению долговечности конструкций (рис. 1.1 и 1.2). В данной работе рассматриваются главным образом первые два уровня. Кроме того, при выборе для исследования агрессивных сред исходили из того, что в первую очередь следует рассматривать естественные (природные) среды, а не техногенные, поскольку непосредственное воздействие на бетон или железобетон агрессивных жидких химических веществ должно рассматриваться как прямое нарушение нормальной эксплуатации, а долговечность конструкций в этих условиях следует обеспечивать правильным выбором средств вторичной защиты. Аналогичный подход должен быть использован и при оценке агрессивности газовых сред, где кроме того следует учитывать, что агрессивные к железобетону концентрации газов значительно превышают значения ПДК, установленные по санитарно-гигиеническим нормам. Отметим, что в последние годы значительно увеличился объем информации о преждевременном разрушении бетонных и

Уровни оценки коррозионной активности эксплуатационной среды [219]

Схема структурно-функциональной адаптации бетона к воздействию эксплуатационной среды [212 ]

Рис. 1.1.

Уровни решения задач по повышению долговечности конструкций [48]

Условия внешней среды

Адекватные Неадекватные

—5 Бетон исходный — >'

<омпоненты структуры

\ \/ \г

Обычные гидраты Модифицирован- Продукты ные гидраты коррозии

._ * г—_

Сохранение " Частичная утра-

свойств та свойств

I Г

Бетон адаптированный

I

Функциональное состояние

w \ г \(

Улучшенное Сохраненное Частично утраченное

Рис. 1.2.

Изменение прочности бетона в условиях воздействия разных сред

[212]

/Ro,%r

120 110 100' 90 80 70 60

©

(D

"42 3 4 5 лет

N Сз>

^KJ

КСи 1.2

0.8

0.4 0

0 2 4 6 8 10 í.Mec.

— сульфатостойкий цемент {Cyi = 5%) [154]; 2;

3]; 3 —то же "" 12%) [236].

Рис. 1.6.

\д «