РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНЙ ПРИ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЯХ БЕТОНА И АРМАТУРЫ

Творогов Дмитрий Анатольевич

студент 6 курса, кафедра проектирования, строительства зданий и линейных сооружений ЮЗГУ, г. Курск

E-mail: 401Dimon401@mail.ru

Пахомова Екатерина Геннадьевна

научный руководитель, канд. техн. наук, доцент ЮЗГУ, г. Курск  

Повышение надежности и долговечности же­лезобетонных мостов – актуальная, сложная и многофакторная проблема, комплексное решение которой возможно только на основе де­тального рассмотрения различных ее аспектов. Одной из наиболее существенных сторон этой проблемы является анализ коррозионных про­цессов в железобетонной конструкции, проте­кающих под влиянием окружающей среды и снижающих ее долговечность.

Эксплуатационное состояние автодорожных же­лезобетонных мостов – важная проблема нормального функционирования инфраструктуры практически всех современных развитых государств, ре­шаемая на государственном уровне.

По сведениям Всемирного банка, из более чем 60000 автодорожных мостов России 30% находятся в ненадлежащем состоянии вследствие различного рода дефектов, а ежегодно происходит обрушение около 1% автодорожных мостов. Обследование более 600 городских мостов показало, что 20% из них не отвеча­ют по своему состоянию требованиям пропуска современного транспорта, 7% признаны предаварийными, а 4% – аварийными. В той или иной степени в ремонте нуждаются 100% всех обследованных мостов.

В последние годы резко возрос интерес к прогно­зированию срока службы железобетонных мостовых конструкций. Это вызвано, прежде всего, неудовлетворительным состоянием многих железобетонных мо­стов, которые уже после 30-40 лет эксплуатации дости­гают критической степени физического износа.

В настоящее время имеют место два принципиаль­ных направления исследований по вопросу коррозии в железобетонных пролетных строениях автодорожных мостов.

Первое основывается главным образом на изуче­нии и обобщении опыта эксплуатации железобетонных мостов, анализе износа и остаточного ресурса прочности и выносливости различных конструктивных элемен­тов, построении соответствующих теоретических и эмпирических зависимостей. Это направление получило реализацию в работах Васильева А.И., Подвального A.M., Шестерикова В.И., Антроповой Е.А., Бондаренко В.М., Иосилевского Л.И., Чиркова В.П. и в ряде других. Важным этапом в этих исследованиях было создание в 2001 году "Методики расчетного прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений автодо­рожных мостов", утвержденной Минтрансом РФ. За рубежом также имеются серьезные подобные иссле­дования. [1, 7]

Второе направление использует вероятностный под­ход к деградационным процессам применительно к конкретным сооружениям. Данное направление получило реализацию в работах Анисимова А.В., Шилина А.А., Зайцева М.В., Золотарева И.А., в которых анализируются с вероятностных позиций карбонизация бетона и диффузия хлоридов с учетом климатических и сезонных агрессивных воздействий на конструкции.

В подавляющем большинстве случаев главной причиной потери эксплуатационных характеристик железобетонных мостов является коррозия арматуры. В мостах и путепроводах коррозия, как правило, насту­пает в результате двух идущих параллельно процес­сов:

а) карбонизации бетона защитного слоя;

б) проникновения к арматуре хлоридов, чаще все­го поваренной соли, которая попадает на поверхность конструкции в качестве антиобледенителя.

Карбонизация защитного слоя – самое распро­страненное универсальное агрессивное воздей­ствие, которому подвергаются железобетонные конструкции, эксплуатируемые в природной сре­де. Существо ее заключается в том, что углекис­лый газ, содержащийся в атмосфере в средней объемной концентрации С = 0,03%, взаимодей­ствует с гидратом окиси кальция и едкими щело­чами защитного слоя бетона. В результате зна­чение рН жидкой фазы бетона, которое при отсутствии карбонизации находится в пределах 12,4-13,0, падает до 11,0 и более низких значе­ний; функция защитного слоя как электрохимиче­ской защиты арматуры утрачивается, пассивное состояние стали нарушается, и арматура оказы­вается подверженной коррозии. Процесс такого изменения химического состава бетона и назы­вается карбонизацией или нейтрализацией.

Карбонизация   представляется   в   виде   сле­дующей химической реакции                                                             

Ход процесса количественно строго описыва­ется системой дифференциальных уравнений [3], упрощением которой является дифференциаль­ное уравнение 1-го порядка, известное как 1-ый закон Фика. Его решение содержит эмпири­ческие параметры, характеризующиеся неопре­деленностью  и  большим   разбросом  значений, поэтому в  практических  расчетах обычно используется получаемая  на основании 1-го зако­на Фика полуэмпирическая зависимость в форме

где X – глубина (толщина) карбонизированного слоя (см); τ – время (годы);

А – эмпирический ко­эффициент (см/год^0,5).

Формула (2) имеет многочисленные экспери­ментальные подтверждения.

Коэффициент А, если речь идет о конструкци­ях, эксплуатируемых в природной среде, отража­ет совокупное влияние на скорость карбонизации состава и структуры бетона, условий эксплуата­ции и положения железобетонного элемента в сооружении, а также климатических и погодных факторов.

Анализ процесса карбонизации защитного слоя бетона в железобетонных конструкциях, с учетом полученных из опыта статистических параметров этого процесса, а также статистических характеристик толщины защитного слоя позволя­ет осуществлять рациональное нормирование и проектирование толщины защитного слоя для разных элементов железобетонных мостов, а также оценивать время начала коррозии армату­ры в конструкциях эксплуатируемых сооружений.

Таблица.

Рекомендации по максимальному содержанию хлоридов в различных  конструкциях

Главной причиной снижения долговечности экс­плуатируемых железобетонных мостов на автомо­бильных дорогах является коррозия стальной армату­ры вследствие массового применения эксплуатацион­ными службами в зимний период хлористых солей – антиобледенителей.

Определение степени коррозионного износа арма­туры железобетонных конструкций является ответст­венной задачей, поскольку именно эта характеристика в наибольшей степени определяет потерю несущей способности конструкций и, следовательно, от нее главным образом зависит принятие управленческих решений – определение сроков и объемов ремонта, замены поврежденных элементов, ограничения или полного закрытия движения по мосту и др.

Точное определение степени коррозии арматуры может быть выполнено только путем извлечения об­разцов арматурных стержней с последующей их лабо­раторной обработкой – травлением в ингибированной кислоте и определение потери массы по сравнению с ее справочным значением. При этом, для достаточно надежной оценки в соответствии с требованиями математической статистики, учитывая неравномер­ность коррозии, необходимо исследовать порядка 10-15 таких образцов-отрезков.

Между тем, нарушение целостности хотя бы одно­го стержня рабочей арматуры приводит к заметной потере несущей способности железобетонной конст­рукции и уже по этой причине неприемлемо.

Использование при обследованиях оценки степени коррозии по прямым измерениям на обнаженной арма­туре в местах сколов бетона не дает надежных резуль­татов из-за малого числа таких сколов и невозможно­сти выполнить точные измерения.

Поэтому была разработана оценка степени коррозии арматуры опосредованно по ее внешним проявлениям на поверхности конструкции. Таким признаком послужила величина раскрытия продольной трещины в защитном слое бетона, вызван­ная коррозией арматуры.

Было установлено, что деформации (перемещения) защит­ного слоя, отжимаемого корродирующим арматурным стержнем:

f = 2Δ,

где Δ – величина коррозии.

Рис. 1. Изменение сечения арматурного стержня в результате коррозии

r_o – начальный радиус сечения арматурного стержня; r_oк – на­ружный радиус оксидного слоя; r_к – радиус сечения арматурного стержня в результате коррозионного износа

Если трещина в конструкции образовалась в результате карбонизации за­щитного слоя, то на этой стадии можно ограничиться, в основном, профилактическими мероприятиями – окраской и гидрофобизацией бетона, устранением источников локального увлажнения и др. В случае хлоридной агрессии эти меры – недостаточны. [2]

В Мадридском институте строительных наук под руководством известного исследователя проф. К. Андраде был выполнен большой эксперимент по изучению разрушения железобетона вследствие коррозии арматуры.

Стальные стержни закладывали в бетонный обра­зец с защитным слоем h = 30 мм, на стержни наклады­вали постоянный анодный ток, вызывающий коррозию стали, и устанавливали зависимость между шириной раскрытия продольной трещины в защитном слое и коррозионным износом стержня. С этой целью стерж­ни извлекали, протравливали и определяли потерю массы вследствие коррозии.

Выводы, сделанные авторами работы, также совпадают с выводами, которые могут быть получены из предыдущего рассмотрения. [8]

Полученные результаты слабо зависят от характера армирования и в этом смысле обладают устойчиво­стью. Практически, они не зависят и от прочности бе­тона, поскольку для обычных мостовых бетонов клас­сов В30....В40 отношение R_bt/E ≈ const. В то же время, уменьшенная толщина защитного слоя ускоряет его разрушение, что и наблюдается при обследованиях.

Таким образом, выполненное исследование свиде­тельствует о возможности получения оценки коррози­онного износа арматуры в обследуемых балках про­летных строений мостов без вскрытия на значительном протяжении или на большой площади поверхно­сти элемента.

Другим важнейшим фактором при исследованиях железобетонных разрезных мостов является их долговечность.

Рис. 2. Карбонизация бетона  и коррозия арматуры в защитном слое шва объединения балок

Наиболее распространенными методами прогнозирования ресурса мостовых конструкций являются методы, основанные на теории надеж­ности. В их основе лежат методы расчета надежности строительных конст­рукций, разработанные В.В. Болотиным и А.Р. Ржаницыным.

Оценкой ресурса мостов с учётом дефектов и повреждений занимался Потапкин А.А. [5]

В.И. Шестериков предложил для наиболее массовых автодорожных мостов техническое состояние оценивать по показателю их физического износа, что было учтено в [4, 7]. В отличие от прежних подходов состоя­ние моста оценивается по элементам – от покрытия до несущих конструкций (пролётных строений и опор), по которым можно установить и обобщённый показатель износа сооружения как сумму частных износов, взятых со своими коэффициентами значимости.

Износ пролётного строения определяется как снижение его грузоподъёмности, а износ балки пролётного строения – снижение её несущей способ­ности. При определении износа балки учитываются по возможности все де­фекты, зарегистрированные на момент обследования. В основном это дефекты, связанные с деструкцией материалов – бетона и арматуры. Наиболее весомыми из них являются снижение плотности и прочности бетона, снижение жёсткости балки из-за шелушения и разрушения защитного слоя, появления трещин в бетоне, коррозия арматуры. Все эти показатели можно достаточно точно определить непосредственно на объекте и на их основании установить расчётом фактическую несущую способность балки.

В качестве примера для изучения коррозионных повреждений бетона и арматуры мостовых сооружений был исследован разрезной железобетонный мост через р. Рогозна в д. Старково Курской области, находящийся в неудовлетворительном состоянии, для которого произведен расчет несущей способности для следующих элементов:

- для плитного пролетного строения;

- для ребристого пролетного строения.

Рис. 3. Разрезной железобетонный мост через р. Рогозна в д. Старково Курской области

Фотографии дефектов и повреждений данного мостового сооружения показаны ниже.

Рис. 4. Разрушение железобетонной плиты проезжей части по фасаду моста

Рис. 5. Подмостовое пространство. Наклонные трещины в ригеле

Рис. 6. Разрушение бетона с обнажением и коррозией арматуры в ригеле

По результатам исследований разрезной железобетонный мост через р. Рогозна в д. Старково требует немедленного капитального ремонта и проведения необходимых работ, направленных на восстановление нормального рабочего состояния этого моста.

Данная статья подтверждает статистические данные  и результаты исследований многих ученых, занимающихся вопросом коррозии железобетонных конструкций разрезных мостов.

Список литературы:

1. Бондаренко В.М., Иосилевский Л.И., Чирков В.П. На­дежность строительных конструкций. М., 1996.

2. Васильев А.И. Оценка коррозионного износа рабочей арматуры в балках пролетных строений автодорожных мос­тов. М.: Бетон и железобетон, 2000.

3. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М., 1972.-554 с.

4. Иосилевский Л.И. О прогнозировании долговечности мостовых железобетонных конструкций. М.: Транспортное строительство, 1973.- с. 41-43.

5. Потапкин А.А. Оценка ресурсов мостов с учётом дефектов и повреждений. М.: Вестник мостостроения, 1997.-с. 22-23.

6. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции.

7. Методика расчетного прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. М., 2001.-128 с.

8. Andrade К. and oth. Cover Cracking and Amount of Rebar Corrosion. Concrete Repair, Rehabilitation and Corrosion. London., 1996.-р. 263-273.