автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Продольные трещины в защитном слое бетона в условиях коррозионных повреждений

Ставская Ирина Сергеевна

ПРОДОЛЬНЫЕ ТРЕЩИНЫ В ЗАЩИТНОМ СЛОЕ БЕТОНА В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ш 1Щ

Москва 2014

005556506

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Марков Сергей Витальевич

Официальные оппоненты: Селяев Владимир Павлович, доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва»

Смоляго Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, начальник отдела строительного аудита ООО «Строительная экспертиза» г. Белгород

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Владимирский государ-

ственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Защита состоится «22» декабря 2014 в на заседании диссертацион-

ного совета Д 212.138.04, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, 26, «Открытая сеть», аудитория № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте www.mgsu.ru

Автореферат разослан «

/^^<^2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Каган Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время при строительстве зданий и сооружений наиболее востребованы железобетонные конструкции. Такие конструкции часто подвергаются воздействию агрессивных сред, что влечет за собой возникновение коррозионных повреждений. Данное явление снижает их трещиностойкость, значительно влияет на их эксплуатационную пригодность и конструктивную безопасность.

Экспериментально выявлено, что структура бетона, его плотность, коррозионная проницаемость связаны с уровнем действующих напряжений. Используемые методы оценки ресурса трещиностойкости с учетом влияния коррозионных повреждений бетона и арматуры находятся в стадии разработки, и в существующих публикациях недостаточно предложений по учету некоторых значимых факторов, таких как, фактор влияния уровня напряженного состояния на коррозионные повреждения защитного слоя бетона, трещиностойкость бетона при эксплуатации железобетонных конструкций.

Таким образом, обеспечения конструктивной безопасности конструкций на заданный срок связано с прогнозируемым моментом появления продольных трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций с учетом факторов коррозионного происхождения.

В связи с этим актуальна разработка методов теоретического прогноза силового сопротивления по продольной трещиностойкости железобетонных конструкций, эксплуатируемых в реальных средах.

Целью диссертационной работы является оценка влияния напряженно-деформированного состояния, проникновение коррозионных повреждений на момент возникновения продольных трещин в железобетонных конструкциях и разработка метода их расчетного прогнозирования.

Автор защищает:

- способ назначения ограничений продвижения коррозионных повреждений применительно к трещиностойкости в зависимости от уровня напряженного состояния эксплуатируемых железобетонных конструкций;

- расчетную модель и методы оценки силового сопротивления образованию продольной трещины в защитном слое бетона железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений бетона и арматуры в растянутой зоне;

- расчетную модель, содержащую оценку сопротивления образованию продольной трещины при коррозионных повреждениях в условиях двухосного состояния растяжения.

Научную новизну работы составляют:

- построение, применительно к расчету момента образования продольной трещины, расчетных ограничений эксплуатационных повреждений по уровню действующих напряжений;

- применение классификации процессов коррозионных повреждений по кинетическим признакам: затухающий процесс, фильтрационный процесс и лавинный процесс;

- применение единого коэффициента сохранения количественных характеристик всех механических свойств бетона при решении задачи образования продольной трещины;

- расчетную модель влияния двухосного состояния растяжения на силовое сопротивление образованию продольной трещины и характера коррозионных повреждений бетона и арматуры на момент образования продольных трещин растянутой зоны сечения элемента в эксплуатируемых железобетонных конструкциях

- расчетный алгоритм определения глубины проникновения коррозии при напряженных состояниях растяжения защитного слоя бетона;

- построение расчетных ограничений длины продольной трещины в зависимости от расстояния между поперечными трещинами при коррозионных повреждений бетона и арматуры эксплуатируемых железобетонных конструкций.

Личное участие автора в полученных результатах, изложенных в работе, заключается в следующем:

в выборе и обосновании актуальности темы исследования; в формулировании и взаимоувязки задач, направленных на достижение поставленной в работе цели;

в проведенном анализе работ отечественных и зарубежных исследователей по проблеме трещиностойкости железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями;

в разработке расчетной модели влияния двухосного состояния растяжения на силовое сопротивление образованию продольной трещины и характера коррозионных повреждений бетона и арматуры на момент образования продольных трещин растянутой зоны сечения элемента в эксплуатируемых железобетонных конструкциях

в предложении расчетного алгоритма определения глубины проникновения коррозии при напряженных состояниях растяжения защитного слоя бетона;

в предложении расчетного ограничения длины продольной трещины в зависимости от расстояния между поперечными трещинами при коррозионных повреждениях защитного слоя бетона и арматуры эксплуатируемых железобетонных конструкций.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов в диссертации обеспечена использованием базовых положений сопротивления материалов, строительной механики и теории железобетона, согласованностью с экспериментальными и теоретическими исследованиями по коррозионному повреждению бетона и арматуры в железобетонных конструкциях, имеющихся в доступных публикациях.

Практическое значение и реализация результатов работы. Работа содержит результаты, которые имеют как теоретическую, так и прикладную значимость, так как позволяют дать более точную оценку образования продольных трещин в железобетонных конструкциях с учетом коррозионных повреждений бетона и арматуры растянутой зоны сечения.

Разработанный расчетный аппарат может быть использован как часть

решения проблемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Результаты настоящих исследований применены в ГУП ПИ «Владком-мунпроект» и ГУП ВО «Владимиргражданпроект» при расчете по реконструкции и усилению железобетонных конструкций.

Апробация работы:

В полном объеме работа неоднократно докладывалась на заседании кафедры «Реконструкции и ремонта объектов ЖКК» Московского государственного строительного университета, на совместном заседании кафедры «Железобетонные конструкции» и кафедры «Строительные конструкции» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства, на семнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных.

По теме диссертации опубликовано 6 научных статей, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы из 168 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 118 страницах основного текста, включая 26 рисунков, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, приведена общая характеристика работы и её основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе диссертации изложено состояние проблемы, представлен краткий обзор исследований о структуре и механических свойствах бетона; природе, механизме, кинетики коррозионных повреждений бетона и арматуры, трещиностойкости железобетонных конструкций.

Обосновано показано образование и классификация трещин в железобетоне. Рассмотрены работы по структуре, свойствах бетона, работы о влиянии коррозионных повреждений на бетон эксплуатирующихся и реконструированных железобетонных конструкций, выполненные В.О. Алмазовым, В.И. Бабушкиным, О.В. Байдиным, В.М. Бондаренко, Р.Б. Гарибовым, Е.А. Гузеевым, Б.В. Гусевым, В.Т. Ерофеевым, А .С. Коломац-

ким, П.Г. Комоховым, C.B. Марковым, В.М. Москвиным, И.Г. Овчинниковым, A.M. Подвальным, А.И. Попеско, JI.M. Пухонто, Ш.М. Рахимбаевым, В.И. Римшиным, Н.К. Розенталем, В.П. Селяевым, В.Ф. Степановой, B.C. Федоровым, В.П. Федосовым и др.

Изучению процессов коррозии арматуры железобетонных конструкций посвящены исследования С.Н. Алексеева, Н.К. Розенталя, Г.П. Вербицкого, А.И. Попеско, A.A. Старосельского, В.П. Чиркова, В.Я. Шаповалова и др.

Рассмотрены работы по трещиностойкости и работоспособности железобетона выполненные в разное время О.В. Байдиным, В.М. Бондарен-ко, А.Б. Голышевым, Ю.В. Зайцевым, А.П. Епифановым, A.B. Караваевым, Н.И. Карпенко, А. Клейнлогелем, Вл.И. Колчуновым, Е.А. Король, Н.В. Клюевой, A.A. Кудрявцевым, Р.Г. Литвиновым, В.И. Майоровым, C.B. Марковым, Е. Мершем, В.И. Мурашевым, E.H. Пересыпкиным, Б.С. Расторгуевым, С.И. Рощиной, Е.Г. Смоляго, А.Г. Тамразяном, Г.Д. Цискре-ли и др.

Таким образом, многими авторами коррозия бетона рассматривается в достаточно широком аспекте, но ими, кроме В.М. Бондаренко и О.В. Байдина, не учитывалось влияние уровня напряжений на коррозионный процесс.

В целом по трещиностойкости железобетона при коррозионных повреждениях не было найдено литературных источников, кроме публикации Е.Г. Смоляго и О.В. Байдина, в которых даны первые предложения по оценке влияния коррозии на трещиностойкость для нормальных (поперечных) трещин.

Выполненный анализ свидетельствует о необходимости развития методик расчета по трещиностойкости железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями, разработки модели силового сопротивления железобетонных конструкций при коррозионном повреждении для продольных трещин в растянутой части сечения, как менее изученных, так как данные трещины в зоне анкеровки могут быть причиной потери конструктивной безопасности конструкции.

Во второй главе показаны методики расчета поврежденных коррозией железобетонных конструкций по образованию нормальных трещин, по раскрытию нормальных трещин. Дана оценка параметров коррозионного повреждения бетона при одноосном и двухосном растяжении. Показан расчет момента трещинообразования с учетом коррозионных повреждений бетона в растянутой зоне сечения железобетонного элемента для поперечных тещин, как основного фактора возникновения продольной трещины и определения ее длины.

В работе рассматриваются железобетонные конструкции, воспринимающие одновременно силовые и средовые воздействия, которые вызывают потерю защитного потенциала самих сооружений, так как началом процесса

разрушения служит момент образования трещин в бетоне растянутой части сечения.

В связи с этим проблемное значение обеспечения на заданный срок сохранения целостности конструкции имеет задача прогнозирования момента появления трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций с максимальным по количеству и по значимости учетом факторов силового и коррозионного влияния.

При построении модели прогноза момента образования трещин в бетоне растянутой зоны поперечных сечений изгибаемых элементов нормальные напряжения принимаются равными предельным Rbt> в сжатой зоне аЬф. Считается, что коррозионные повреждения бетона и арматуры со временем стабилизируются - проникновения фронта коррозии принято согласно нелинейных обобщений уравнений кинетики, описанных В.М. Бондаренко:

а^ = -а[А6Ш)Г, где AÄfo.t) = 1 V= f. ™

aL Кр "ДЛ

где 8(rj,t) -текущая глубина повреждения; a,m,Sv~ параметры кинетики

развития повреждений, как функции уровня действующих напряжений сжатия;

- в расчетах ограничиваются областью устойчивого силового сопротивления, принимая т > 1;

- повреждения учитываются для арматуры коэффициентом со s (уменьшения расчетной площади поперечного сечения арматуры), а для бетона с помощью формулы сохранения характеристики силового сопротивления К*:

КЧ5-2) = 1?=0аг(5)2г; (2)

Значения коэффициента ah устанавливаются из условий геометрического сопряжения: при z = р К' = 1", ^ — 0; z = х°; К' = К^.

при а0 = 1 + {Kl - 1) • (§)* ; ах - -2 (К? - а2 =

где К^— значение функции сохранения характеристик бетона на поверхности контакта между агрессивной средой и бетоном растянутой зоны согласно рисунку 1; z - ордината, отсчитываемая от линии нулевых напряжений; р - толщина неповрежденного слоя (рисунок 1); 5 - глубина коррозионных повреждений: из (1) при т=1 следует

S(t, t0) = [1 - Даде-^-^КДСо) (3)

где to,t - время начала коррозионных повреждений, время стабилизации повреждений.

Принимается, что к моменту исчерпания силового сопротивления образованию трещин напряжения в бетоне растянутой части сечения очерчиваются прямоугольником , а реологические уравнения для бетона и арматуры устанавливаются в линейной зависимости:

ait) Г d

e(t0.t) = + a(t)C'(t, t) - j ст(т) —С*(т, t)dr, (4)

to

Поскольку (2) вытекает только из геометрических условий, поскольку функция К* в равной мере относится ко всем характеристикам поврежденного коррозией материала:

(5)

R Е с* "'

где значок (верхний индекс) - 0 («нолик») относится к характеристикам исходного материала, а значок (верхний индекс) - * («звездочка») - к характеристикам поврежденного материала; R -предел прочности; Е -модуль деформации; С - мера простой ползучести.

При этом расчетные характеристики для частей сечения с разными компонентами устанавливаются как средневзвешенные:

-_ZrtA,

где A площадь компонента (например, для арматуры растянутой зоны A*s = wsAs, для бетона растянутой зоны Ab = b(h — X) (рисунок 1); у,— эмпирический параметр скорости ползучести; Р, - то же для to= t.

Рассматривается вариант напряженно - деформированного состояния поперечного сечения поврежденного коррозией изгибаемого элемента с наличием слоя полного разрушения (zx и zf ).

В арматуре напряжения назначаются из условия совместности деформирования с бетоном:

Рисунок 1. Поперечное сечение железобетонного элемента

и эпюр сохранения К", К^ при расчете момента образования трещин X - высота сжатой части бетонного сечения (рисунок 1); Ь, Ь - ширина и высота поперечного сечения (рисунок 1).

Из условия равновесия всех сил на горизонтальную ось находится толщина сжатого сечения X или высота растянутой части сечения к — X в момент образования трещины £рС = £ьс таким образом:

ШоЛоСГо - ш[л{а{ 1 г Яь \ йь (8)

X = -_ ? +-(——- 5 + ——

Ь (Йй + Дм) 3 Чйь + ВыУ (Яь +

^(ЯьЛь,)^ + (йь+ЬйМ)Л;

Проникновение агрессивной среды в растянутую часть сечения увеличивает толщину сжатой зоны X и уменьшает толщину растянутой зон Х1 = к-Х.

Положение центра тяжести приведенного сечения относительно расчетной грани, зависящее от жесткостсй компонентов, которые в свою очередь определяются временными модулями деформаций, их площадями сечений и расстоянием от центра тяжести компонентов, от расчетной грани сечения, определяемой по формуле:

_ (9)

Уцт. г ... >

¿.£=1 свр.ДЛ1

Определяются расстояния между этими центрами тяжести и центрами тяжести компонентов сечений, и вычисляются их расчетные жесткости (отпорности, податливости): О* = ХД*.

Отсюда:

М М_ £ (10)

р " ¿V2 & ' £ р '

к-Х

Еф, =-'

Р

где: р - радиус кривизны деформируемой балки прямоугольного сечения; и - функция прогиба балки прямоугольного сечения; х - абсцисса сечения, X - высота сжатой зоны; £ф,- относительное удлинение фибрового растянутого волокна.

Тогда изгибающий момент, соответствующий образованию трещин,

равен:

М'-р = , ' - ПРИ ЕФ> = Кп£к,.

/1 — Л

где: М тр'~ искомый изгибающий момент, при котором образуется первая трещина;

Kit ~ коэффициент силового сопротивления для фибрового растянутого волокна бетона;

R, - предельная относительная деформация для фибрового растянутого волокна при изгибе; h - общая высота сечения;

D* - жесткость наиболее нагруженного (опасного) сечения поврежденного коррозией изгибаемого элемента.

В отличие от сжатия, при котором в диапазоне от нуля до микротре-щинообразования бетон уплотняется, а его проницаемость уменьшается, при дальнейшем увеличении напряжений сжатия, когда пористость и трехцино-стойкость увеличиваются (до Яда вплоть до разрушения) и одновременно растет проницаемость, при растяжении связь между напряжениями и пористостью обуславливается - по мере роста напряжений растяжения проницаемость увеличивается.

В отличие от сжатия, когда значения параметров а, т, Зкр имеют экстремум, соответствующий уровню изменением уровня напряжения структура бетона изменяется, одновременно меняется проницаемость и, в следствии этого, изменяются параметры: в диапазоне от нулевых напряжений до микро-трещинообразования (с « 0.45йдл ; г] — 0,45йдд = 0,45), а при

растяжении с ростом напряжений пористость и проницаемость следуют за напряженно деформированным состоянием и не имеют экстремума.

Rl /Rtan

Рисунок 2. Схема изменения параметров т, а, в растянутой зоне сечения, поврежденного коррозией.

Л = ае"^

а, т, 8КрГ эмпирические параметры кинетики развития повреждений, зависящие от уровня действующих растягивающих напряжений определяв-

мых экспериментально для каждого возможного варианта бетона и агрессора.

В дисертационной работе рассматриваются два напряженных состояния растяжения - одноосное состояние растяжение применительно к неэксплуатирующимся железобетонным конструкциям.

Изменение праметров а, 5кр в растянутой зоне ссчения, поврежденного коррозией при одноосном состоянии растяжения согласно рисунку 2:

mt(7?) = £i=oat; vU (13)

0?) = awe6«"^; (14)

W»> = aSKpaebs^-, (15)

При двухосном состоянии растяжения глубина проникновения коррозионных повреждений равна:

StKp (*У) = (*)(i + »)

Тогда из (13) при ао=т(0) получаем:

atд = —mt(l) + 4mt(0.5) - 3mt(0) (16)

at.2 = -4 [mt(0.5) - 0.5mt(0) - 0.5mt(l)] (17)

<5tKp (*У) при at < RbtA , и mt(3) > 1 находим St

Таким образом при двухосном растяжении бетона в растянутой зоне сечения при коррозионном повреждении:

1. Сохраняются условия для кинетики продвижения коррозионного фронта mt > 1;

2. В отличие от одноосного растяжения при двухосном растяжении вводится множитель проницаемости ц = 1 4- ■в, где д- коэффициент Пуассона;

3. В момент появления продольной трещины напряжения достигают Rbtl оценка их влияния на порядок меньше Rbt это позволяет использовать коэффициент Пуассона, принимаемый одинаковым при сжатии и растяжении, числовое значение которого принимается i9 = const;

4. После этого устанавливается, что 8Kpt(xy) = fiSKpt(x), где 5крС(ху) - некая критическая величина, при двухосном растяжении, связанная с повреждением равна St = / ■ 8кр[(ху), где при m > 1 ,

Х7/,1)=1-{[Д5(т/Д)]К-т)+1+а[(-т) + (18)

5. По значению 8t вычисляем функцию сохранения:

Kf'O}) = <PiSt) = tdiZh

функция справедлива для всех характеристик силового сопротивления бетона, получаем расчетный предел прочности бетона при коррозионных повреждениях для двухосного растяжения:

= K't' Rt,X' (19>

6. И^ху- это значение вводится в дальнейший расчет по образованию продольной трещины в растянутой части сечения при двухосном растяжении с учетом влияния агрессивной среды, при этом

должно сравниваться с фактическими напряжениям. При двухосном состоянии растяжения напряжения прикладываются в двух направлениях:

Г7П Я (2°)

аху = )ах + Оу из условия ах = ау, получаем аху = стх V/;

Щрсу > оху = ох^г = 1А7ах. (21)

На основании предложенных методик разработан алгоритм, приведенный в главе 4.

В третьей главе приведен анализ экспериментальных исследований В.Н. Мигунова и И.Г. Овчинникова.1

Если образование продольных трещин в защитном слое бетона в результате коррозии арматуры происходит в зоне анкеровки, это приводит к предаварийному состоянию железобетонных конструкций. Время до появления продольных волосяных трещин (апт = 15 ^25 мкм) вдоль арматуры в защитном слое бетона на отдельных экспериментальных образцах при лабораторном складском хранении составило два года. Следовательно, в сильноагрессивной среде при коэффициенте ускорения коррозионного процесса арматурной стали в трещинах бетона с асгс = 0,20 мм, равном К£м*=10, период до появления продольных трещин на обычных железобетонных конструкциях с аналогичными значениями асгс в условиях воздействия слабоагрессивной жидкой среды, содержащей хлорид-ионы, может составить 20 лет.

В диссертационной работе приведены аналитические обобщения экспериментальных данных, что позволило предложить простейшую формулу для расчета длины продольной трещины:

1пр = аа,. <22)

где /пр - длина продольной трещины (рисунок 3); ат- значение ширины раскрытия продольной трещины, полученное экспериментально, а - эмпирический коэффициент, зависящий от диаметра арматуры, прочности бетона и т.п.

В четвертой главе показана методика и разработан алгоритм расчета, учитывающий влияние двухосного состояния растяжения и характер коррозионных повреждений в растянутой зоне сечения на момент образования продольных трещин в элементах железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации, а также алгоритм определения длины продольной трещины в растянутой зоне сечения при коррозионном воздействии.

'Мшунов В.Н. , Овчинников И.Г. Экспериментальные исследования влияния поперечных и продольных трещин на долговечность, деформационные и прочностные свойства обычных железобетонных элементов в условиях воздействия хлоридсодержащих сред//26-й выпуск сборника «Дороги и мосты»: ФГУП Росдоршш 2011 г. С.173-204

Продольные трещины появляются, как правило, в около арматурных зонах, расположенных между поперечными трещинами согласно рисунку 3.

Рисунок 3. Расположение продольных трещин Причиной возникновения продольной трещины является образование на поверхности арматурного стержня продуктов коррозии железа, объем которых в 2-3 раза превышает объем прокорродировавшего металла. Продукты коррозии, тем самым, создают давление на бетон, и чем тоньше защитный слой бетона, тем скорее он начнет разрушаться.

Внутреннее давление продуктов коррозии арматуры Р на защитный слой бетона, считается пропорциональным разнице между объемом коррозионных продуктов свободно лежащей арматуры Уо и соответственно величине объема коррозионных продуктов стесненных защитным слоем бетона Уст согласно рисунку 4 а,б:

причем величина Ур постепенно возрастает во времени, а скорость наполнения продукта коррозии во времени уменьшается в соответствии с уменьшением поверхности расчетного сохранившегося сечения арматуры и стабилизируется продвижение коррозии.

I,

УР= Уо - V,

а б

Рисунок 4. а) свободный арматурный стержень вне бетона; б) арматурный

стержень в бетоне железобетонного элемента Внутреннее давление продуктов коррозии арматуры Р на защитный слой бетона, считаем как Р= е Е

L КОР L'KOp

где Екор- экспериментальный модуль деформаций продуктов коррозии арматуры

Экспериментальный модуль деформаций продуктов коррозии арматуры зависит от плотности коррозии, в стесненном состоянии зависит от уровня обжатия продукта коррозии, меняется с течением времени. Данный вопрос не изучен в полной мере. Таким образом, давление продуктов коррозии на окружающий бетон определяется на основании теории упругости как радиальные напряжения в любой точке поперечного сечения цилиндра по формуле:

2Е*врДг*

^кр ~-772—71-г » (23)

vros~'s s

где д *с- коэффициент Пуассона для поврежденного бетона; D -диаметр арматуры ; dn- толщина слоя пор бетона на границе с поверхностью арматуры; Egp-модуль временной деформации поврежденного бетона, соответствующий моменту разрушения при растяжении, определяемый по формуле:

Е\Р=К1 Евр, (24)

F _ £врл (25)

вр 5(0) '

где 5(0) < 1- функция нелинейности, которую с точностью до 97% обосновал C.B. Бондаренко. При а = Rt, Евр = 0.85Еврл.

Расчетная модель принимается в виде полого цилиндра, толщина стенок которого равна минимальной толщине защитного слоя (задача Ламе) согласно рисунку 5.

Рисунок 5. Главные напряжения ах аупри напряженном состоянии «растяжение - растяжение» Следуя решению задачи Ламе, рассмотрим однородное тело цилиндрической формы, нагруженное так, что внешняя нагрузка является осесим-метричной и вдоль оси цилиндра не меняется. Размеры цилиндра могут быть произвольными, и на соотношение между внутренним и наружным радиусами

цилиндра ограничения не накладывать. Длину цилиндра пока также будем считать произвольной. В дальнейшем по этому поводу будут сделаны некоторые оговорки. Каждая точка цилиндра при его деформации получит перемещения. По условиям симметрии эти перемещения, очевидно, будут происходить в радиальных плоскостях.

Таким образом, тахР ,без образования продольных трещин находится из условия

Суммарное усилие растяжения в защитном бетонном цилиндре

ахг$(2г3+а5) (25) (2г/+2а$гг+а!)

Общее силовое сопротивление бетонного защитного цилиндра:

Ря.1=с аДЫху* (26)

К-Ыху =К Ды (27)

Фактические напряжения Окордолжны быть больше

КыхУ*<Кы; „ <р „__

•Зкор^^Ьку* —

-тахР

(2г/ +2а5г5 +а|)

(34)

где К - функция сохранения, представляемая в виде полинома 2-й степени согласно рисунку 6.

Агесшбная среда

^ Агессийиая срейа

(28) (29)

С

5 Г>0

Рисунок 6. Схема накопления коррозионных повреждений

(2г?+2а5г5+а1)

"К Ыху

(30)

гП2г5+а5)

где Кьцвухосн зависит от коррозии бетона и от уровня напряженно деформированного состояния. Таким образом:

К'ы(г)=К'(2)Кь, (31)

Следовательно:

Х'ъ^)=Кх-(2)КЬ,

Я-Ыху(2)=Кху-ты (32)

Рисунок 7. а) структура бетона при одноосном растяжении; б) структура бетона при двухосном растяжении.

Воздействие коррозии на бетона влияет на его прочностные характеристики, таким образом, прочность бетона при одноосном растяжении будет отличаться от прочности бетона при двухосном растяжении; в работе учтено влияние двухосного состояния растяжения на проницаемость бетона, что влияет на глубину проникновения фронта коррозии при одноосном и двухосном растяжении (5*р < 3*р) согласно рисунку 7, соответственно:

Кх' > Кху* Кых > ^Ыху

(33)

(34)

при мы имеем более глубокое проникновении коррозии в бетон, следовательно, предполагаем что:

гдеМ>1

(35)

¡л- эмпирический коэффициент, учитывающий глубину коррозионного повреждения при двухосном состоянии растяжения. До экспериментального уточнения принимаем:

11 = 1 +VI при оКОр<онагр (36)

Следует заметить, что (8) и (30) должны удовлетворять требованию: Р4ак<шахР

Считаем что давление продуктов коррозии арматуры Ркр на защитный слой бетона пропорционально объему коррозионных повреждений, причем величина ДУ постепенно возрастает во времени, а скорость образования продукта коррозии во времени уменьшается в соответствии с уменьшением поверхности расчетного сохранившегося сечения арматуры и стабилизируется продвижение коррозии таким образом вводим уравнение состояния силового сопротивления:

(37)

^ = а(АУ)т где ДУ=^, при ш»1

сИ Учс

(ДУ)"1

аск, где т=1

гдеУ- объем продукта коррозии арматуры, Уус- некоторое конечное значение объема продуктов коррозии арматуры,а, т, - параметры кинетики повреждений зависящие от уровня напряженного состояния материала:

уус= срссД или уус=(1 — е~ас)тахУ, (38)

где тахУ- переход всего металла в коррозию

у=2л(г5 — г/) с, отсюда <1у=с5(1)(к, в-окружность, с- расчетная ширина цилиндра с=1

у= С(к

условие 8расч=Ркр5о; Ркр- эмпирический коэффициент, где %=2псГц

Рфак=тахР; (39)

где Р^ вычисляем по формуле (23).

Следует отметить, что давление коррозионных продуктов арматуры на бетон колеблется от 10-200 мПа, это связано с жесткостью бетонного кольца окружающего арматуру (если кольцо жесткое, например усиленное обмоткой из проволоки, то внутреннее давление продуктов коррозии арматуры будет больше, в отличие от бетонного кольца жесткость которого, потеряна например, из-за ползучести, повреждений, толщины самого кольца соответственно давление продуктов коррозии арматуры на защитный бетон будет значительно меньше).

1. Учтен неравновесный характер развития и связь коррозионных повреждений бетона с уровнем действующих напряжений при плоском напряженно-деформированном состоянии.

2. Приведены схема и ограничения продвижения коррозионного фронта и зонирование сечений железобетонных элементов в зависимости от степени коррозионных повреждений.

3. Предложены расчетные модели учета влияния двухосного состояния растяжения железобетона, коррозионных повреждений бетона по глубине проникновения коррозии.

Учитывая выше сказанное

1. В решении поставленной задачи значение внутреннего давления продуктов коррозии арматуры на защитный слой бетона принимается по литературным данным, так как количественные изменения данного показателя на суть решения поставленной задачи не влияют, изменения будут касаться только результатов расчета.

2. В трещиностойкости есть различные аспекты, момент образования трещин, момент раскрытия трещин, сцепление арматуры с бетоном, растянутые зоны при оценке жесткостей, вместе с тем влияние коррозионных повреждений, в имеющихся публикациях, и бетона и арматуры одновременно применительно к трещинообразованию практически отсутствует.

Расстояния между поперечными трещинами (рисунок 3) в защитном

слое бетона растянутой зоны с учетом влияния коррозии определяем на основе формулы предложенной В.И. Мурашевым для гладкой арматуры, имеет общий вид:

I = 1 вы а*. (41)

5 2 КЬопЛ Рз'

Считается, что функция К* в равной мере относится ко всем характеристикам поврежденного коррозией материала (5). В растянутой зоне сечения с учетом коррозии необходимо принимать коэффициент К^ - коэффициент силового сопротивления для фибрового растянутого волокна бетона Таким образом:

К'ь (2)ЯЫ, (42)

Копа(-)= «и (У Йьопй (43)

Как говорилось ранее, продольные трещины образуются между поперечными трещинами. Длину продольной трещины необходимо ограничивать условием < 1£, для того чтобы продольная трещина не вышла за пределы анхеровки.

В подтверждении изложенного в таблице 1 показаны изменение расчетных характеристик для одноосного состояния растяжения и двухосного состояния растяжения при коррозионном воздействии.

Таблица 1

Варианты напряженного состояния рисунок 2 Одноосное состояние растяжения Двухосное состояние растяжения

Растянутая зона сечения Растянутая зона сечения

8{(мм) Ки (МПа) 8^ (мм) Ки Яьс (МПа)

"гдл. 38,00 0,88 1,72 47,50 0,75 1,46

*?£ =шр-= 0,45 (т. 2) «едя. 88,00 0,65 1,26 110,00 0,45 0,88

"Гдл. 110,00 0,48 0,94 137,50 0,37 0,72

При двухосном состоянии растяжения меняется структура бетона, увеличивается его пористость и проницаемость. В связи с этим, предельная глубина повреждений отличается от глубины повреждений при одноосном состоянии

растяжения (таблица 1) показатель <5^ - глубина коррозионных повреждений в растянутой зоне сечения, при одноосном состоянии растяжения изменяется от уровня напряженного состояния с 38,00 мм до 110,00 мм, этот же показатель при двухосном состоянии растяжения изменяется с 47,50 мм до 137,50 мм. Значения функции сохранения также изменяются от уровня напряженного состояния при одноосном состоянии растяжения К^ от 0,88 до 0,48, а при двухосном состоянии растяжения К[ь изменяется от 0,75 до 0,37.

С уменьшением К^ в растянутой зоне сечения падают значения предела прочности бетона на растяжения при коррозионных воздействиях агрессивной среды, так при двухосном состоянии растяжения меняется от 1,46 до 0,36.

Таким образом, двухосное состояние растяжения происходит от внешней нагрузки, от давления продуктов коррозии арматуры на защитный слой бетона, поэтому в реальной конструкции испытывающей нагрузку и влияние агрессивной среды при расчете по продольной трещиностойкости, необходимо применять показатели для двухосного состояния растяжения согласно таблице 1. Показатели при двухосном состоянии растяжении отличаются от показателей при одноосном состояния растяжения, что существенно влияет на сам расчет.

В приложениях приведены материалы, подтверждающие внедрение результатов диссертационных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. В диссертационной работе выявлены особенности образования продольных трещин с учетом коррозии бетона и арматуры в условиях нагру-жения железобетонных конструкций внешней нагрузкой, как менее изученных.

2. Учтен неравновесный характер развития и связь коррозионных повреждений бетона с уровнем действующих напряжений при двухосном состоянии растяжения.

3. Учитываются кинетические ограничения развития коррозионных повреждений силового сопротивления бетона коррозионным повреждениям для реальных железобетонных конструкций, с учетом увеличения глубины повреждений при двухосном состоянии растяжения.

4. Рассмотрен и введен, с учетом уровня напряженно-деформированного состояния, обусловленного одновременно действием внешней нагрузки и давлением продуктов коррозии арматуры, глубины коррозионных повреждений, расчетные способы оценки силового сопротивления реальных железобетонных конструкций, испытывающих одновременно эксплуатационные нагрузки и агрессивное воздействие коррозионной среды.

5. При оценке силового сопротивления бетона при двухосном растяжении, возникающем в растянутой зоне изгибаемых элементов, внесены предложения учета влияния уровня нагружения на глубину повреждения.

6. Построен прогнозный аппарат для оценки момента продольного тре-щинообразования, уточняющий результаты расчета до 20% (таблица 1).

Основные положения диссертационной работы изложены в опубликованных научных работах:

- публикации в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ставская, И.С. Продольные трещины в защитном слое бетона в условиях коррозионных повреждений/И.С. Ставская, C.B. Марков, О.В. Морозова// Строительство и реконструкция.-2012.-№3.-С.35-41с.

2. Ставская, И.С. Совместный учет силового сопротивления и влияния коррозионных повреждений железобетонных элементов при расчет е статически неопределимых стержневых систем/О.В. Морозова, C.B. Марков, И.С. Ставская// Строительство и реконструкция.-2012.-№4.-С.48-53с.

- публикации в других научных изданиях:

1. Ставская, И.С. Предпосылки и модель развития сцепления арматуры и бетона при коррозионных повреждениях/ И.С.Ставская, С.В Марков// Труды Международной конференции Стройинвест -2012 «Организационно-технологические инновации жилищно-коммунального и инвестиционно-строительного комплексов в развитии города», Москва, 16-18 апреля 2012 г.-МГАКХиС, 2012. - С.556-560с.

2. Ставская, И.С. К расчету статически неопределимых стержневых железобетонных систем при коррозионных повреждениях/О.В. Морозова, C.B. Марков, И.С. Ставская// Наука: 21 век.-2012,- №4.-С.26-35с.

3. Ставская, И.С. Учет коррозионных повреждений при оценке образования продольных трещин в железобетоне эксплуатируемой конструкции/ И.С. Ставская, C.B. Марков, О.В. Морозова// Наука: 21 век.-2012,- №4.-С.35-42с.

4. Ставская, И.С. Параметры коррозионного повреждения бетона в растянутой зоне сечения железобетонных конструкций при продольном трещинооб-разовании// Сборник трудов семнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных / М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Московский гос. строит, у-т». - М.: МГСУ, 2014. - С.313-317с.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.iu