авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Оптимизация параметров первичной защиты железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха

На правах рукописи

ФЕДОРОВ ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРВИЧНОЙ ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ВОЗДУХА Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Строительные конструкции» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Латыпов Валерий Марказович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Крамар Людмила Яковлевна кандидат технических наук Оратовская Анна Александровна Ведущая организация ГОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 28 декабря 2010 г. в 16 часов 00 мин. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.02 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации размещн на официальном сайте университета:

http://www.rusoil.net.

Просим принять участие в защите и направить Ваш отзыв на диссертационную работу по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа. Ул. Космонавтов, 1.

Автореферат разослан ноября 2010 г.

Учный секретарь совета Недосеко И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сборный и монолитный железобетон был и в ближайшие десятилетия останется основным строительным материалом, о чм свидетельствуют как статистические данные об объмах его применения в России и за рубежом, так и прогнозные оценки ведущих специалистов.

Общепризнанно, что железобетон является не статичным конгломератом, а композитным материалом, изменяющим свои свойства во времени под действием эксплуатационной среды. Эти изменения свойств происходят, как правило, в худшую сторону и в широком интервале: от относительной стабилизации на уровне, обеспечивающем восприятие эксплуатационных нагрузок (вследствие «адаптационной изменчивости бетона» – по В.Л. Чернявскому, И.Н. Заславскому, А.Г. Ольгинскому), до полной деградации композита.

Практически любая эксплуатационная среда изменяет свойства железобетона. Однако, наибольшее распространение имеет углекислый газ воздуха, прямому воздействию которого подвергаются все надземные конструкции зданий и сооружений. Кроме того, агрессивность атмосферы неуклонно возрастает вследствие техногенных выбросов, а динамика эмиссии углекислого газа такова, что на последнем (пятом) национальном конгрессе по бетону (г. Москва, октябрь 2010г.) этот вопрос обсуждался на специально созданной секции, доклады на которой сделали представители более 50 стран. В связи с этим в настоящее время карбонизация бетона является наиболее распространнной причиной резкого снижения эксплуатационного ресурса железобетонных конструкций со сроком службы более 20…30 лет вследствие депассивации арматуры и е коррозии из-за нейтрализации защитного слоя бетона и последующего его разрушения увеличивающимися в объеме продуктами коррозии стали – ржавчиной. В отдельных случаях коррозионные повреждения железобетонных конструкций наблюдаются уже в первые годы эксплуатации. Это происходит по трм основным причинам: низкому качеству бетона (его высокой пористости);

малой толщине защитного слоя;

высокой концентрации углекислого газа (в подвальных помещениях, резервуарах, технологических установках с повышенным выделением СО2).

С середины 20в. и до последнего времени в качестве «скрытой» расчетной модели, обосновывающей требования норм (СНиП 2.03.11-85 и ГОСТ 31384-2008), принимался «закон корня квадратного от времени». В последние годы появились работы, из данных которых следует, что карбонизация бетона в ряде случаев точнее описывается «законом корня кубического от времени». Столь большое различие приводит к разности оценок, достигающей 150…200% за 50 лет эксплуатации, что очень велико для инженерных расчтов.

В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на уточнение классических и новых расчетных зависимостей, описывающих кинетику карбонизации бетона, с целью обоснования возможности уменьшения коэффициента запаса при назначении параметров первичной защиты железобетона.

Цель работы заключается в экспериментально-теоретическом обосновании требуемых значений параметров первичной защиты, обеспечивающих получение железобетона с проектной долговечностью при агрессивном воздействии углекислого газа воздуха.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

проведение исследований кинетики карбонизации бетона в соответствии с ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» по ускоренной методике с целью получения массива экспериментальных данных, достаточного для получения статистически обоснованных математических моделей карбонизации;

получение зависимости расчетного срока безопасной эксплуатации конструкции от плотности бетона, условий эксплуатации и толщины защитного слоя бетона;

определение значений параметров первичной защиты железобетона, обеспечивающих получение конструкций с проектной долговечностью при различных условиях эксплуатации.



Научная новизна:

установлено, что кинетика карбонизации бетона с наибольшей достоверностью описывается степенной функцией вида L=Аnt1/n (где L – глубина карбонизации, Аn – коэффициент), которая может быть использована для инженерных расчетов при любом проектном сроке эксплуатации, не привязываясь к установленному в ГОСТ 31384- «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» одному конкретному значению Тн=50лет;

показатель степени n в зависимости L=L(t) является величиной не постоянной и зависит главным образом от плотности бетона: в пористом бетоне с маркой по водонепроницаемости W2…W4 значение n изменяется от 1,90 до 2,19;

для плотных бетонов с W6…W8 получено n = 2,25…2,45;

в особоплотных бетонах с W12…W16 имеется практически полное торможение процесса: значение показателя степени n изменяется от n 10 до n ;

уточнены кинетические особенности процесса карбонизации особо плотных бетонов, замедление и даже стабилизация фронта коррозии в которых обусловлена сменой механизма массопереноса: от диффузии СО2 в газовой среде до диффузии углекислоты в жидкой фазе – поровой жидкости.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

– разработана модифицированная экспериментальная установка, с целью уточнения методики проведения испытаний по карбонизации бетона ускоренным методом согласно ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний»;

– определены требуемые значения параметров первичной защиты железобетона (толщина и плотность защитного слоя бетона), обеспечивающие достижение проектного срока службы конструкций при различных условиях эксплуатации;

– разработаны «Рекомендации по назначению параметров первичной защиты железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте».

Результаты исследований были использованы:

– при оценке технического состояния конструкций, прогнозе их долговечности и разработке способов ремонта поврежднных конструкций на 12 объектах МУП «Уфаводоканал» и ООО «Газпром трансгаз Уфа», а также в проектах двух новых сооружений в Республике Башкортостан: мкостного сооружения для хранения твердых осадков сточных вод емкостью 83 тыс. м3 и резервуара чистой воды емкостью 8 тыс. м3.

– при разработке «Рекомендаций по назначению параметров первичной защиты железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте»;

– в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при чтении курса «Повышение долговечности строительных конструкций зданий и сооружений» для студентов специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также для магистрантов по направлению подготовки 270100 «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

– международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2007-2010 гг.);

– всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (г. Челябинск, 2010 г.);

– V Академических чтениях РААСН «Наносистемы в строительном материаловедении» (г. Белгород, 2010 г.);

– научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учных ГОУ ВПО УГНТУ (г. Уфа, 2006 – 2010 гг.).

По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.

Работа выполнена в рамках исследований, проведенных лично автором по разделам отчетов исследований по гранту Минобрнауки РФ «Программа совершенствование и развитие инновационной инфраструктуры ГОУ ВПО УГНТУ» (ГК №13д37.31.0026, 2010 г.);

гранту по федеральной целевой программы "Разработка рациональной технологии восстановления эксплуатационной надежности поврежденных бетонных и железобетонных конструкций в процессе их ремонта после деструктивного воздействия агрессивных сред" (ГК №П1126, 2010г.);

гранту РААСН «Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов» (ГК №РА-01-01, 2010г.), а также двух госбюджетных НИР Минстройтранса Республики Башкортостан (2008-2010гг.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка использованной литературы и трех приложений. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 51 иллюстрацию и 29 таблиц. Список использованной литературы включает 165 наименований.

Автор выражает благодарность сотрудникам ХНИЛ и аккредитованной испытательной лаборатории «Стройтехэкспертиза» кафедры «Строительные конструкции» ГОУ ВПО УГНТУ за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы цель диссертации, е научная новизна, актуальность исследований, а также датся краткое описание структуры диссертационной работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса обеспечения долговечности железобетона при воздействии углекислого газа воздуха, главным образом в естественных условиях эксплуатации. В настоящее время проблема обеспечения стойкости железобетона в этих условиях обостряется в связи с достижением вс большим числом объектов нормативного срока эксплуатации и соответствующим увеличением доли поврежднных конструкций, для продления эксплуатационного ресурса которых требуется проведение дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ.

Основным компонентом воздуха, агрессивным по отношению к бетону, является углекислый газ, который нейтрализует цементный камень. По современным представлениям другие кислые газы взаимодействуют с уже карбонизированным бетоном. Таким образом, воздействие углекислого газа (карбонизация) является наиболее распространенной причиной повреждения железобетона, ему подвержены практически все надземные конструкции и, частично, подземные. Карбонизация бетона в пределах толщины защитного слоя вызывает депассивацию стальной арматуры, в результате чего сталь корродирует, затем происходит отслоение защитного слоя под давлением продуктов коррозии стали, что является причиной снижения эксплуатационной наджности железобетона, а в большом числе случаев – приводит конструкции в аварийное состояние до наступления нормативного срока службы.





Изучению вопроса о воздействии на железобетон агрессивных сред посвящены работы многих известных отечественных и зарубежных учных:

С.Н. Алексеева, В.И. Бабушкина, В.Г. Батракова, А.И. Васильева Е.А.

Гузеева, Б.В. Гусева, В.С. Жолудова, Ф.М. Иванова, В.М. Москвина, В.И.

Новгородского, А.Ф. Полака, Ш.М. Рахимбаева, Н.К. Розенталя, А.С.

Файвусовича, В.П. Шевякова, В.В. Яковлева, а также M. Hamada, K. Kishitany, Sl. Modry, T. Nishi, P. Schiessel, H.G. Smolzyk, H.I. Wiering.

Детальному изучению особенностей процесса проникания в бетон разных по составу газовоздушных сред, с учтом частичного заполнения пор и капилляров поровой влагой, посвящены работы С.Н. Алексеева, Ф.М.

Иванова, Н.К. Розенталя, В.В. Яковлева, P. Schiessel, К. Maekawa, Т. Ishida.

По данным этих исследователей скорость карбонизации бетона зависит от состава бетона (в особенности, от расхода и вида цемента), проницаемости бетона, технологии изготовления бетона (в том числе условий твердения), температурно-влажностных условий эксплуатации, концентрации углекислого газа в воздушной среде, а также ряда других факторов.

Согласно действующих норм (СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» и ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии») для обеспечения нормативной долговечности железобетона (Т=50лет) при неблагоприятных температурно влажностных условиях эксплуатации с нормальной или повышенной концентрацией СО2 в воздушной среде необходимо применять два способа защиты: первичную – за счет увеличения толщины и плотности защитного слоя бетона и вторичную – путем применения защитных покрытий I и II групп.

В большинстве случаев технико-экономически целесообразно применять первичную (а не вторичную) защиту, поскольку она дешевле и надежнее. Оценить же требуемые параметры первичной защиты (необходимую толщину и плотность защитного слоя) для гарантированного обеспечения заданного нормативного срока службы конструкции можно лишь на основе расчетной модели, т.е. формулы. В действующем СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» и в других документах по защите железобетона такая формула отсутствует, как отсутствует и нормативный срок службы конструкций. В новом ГОСТ 31384 2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» приводится два взаимосвязанных параметра: нормативный срок службы конструкций (50 лет) и допускаемая глубина повреждения бетона в среде разной степени агрессивности. Однако, формула для расчета глубины карбонизации бетона в этом нормативном документе также отсутствует.

Таким образом, до настоящего времени актуальным остается высказывание проф. С.В. Шестоперова о том, что «…отсутствие точных зависимостей, которые позволяют перевести проектирование долговечных бетонов к прямому расчету по формулам, является существенным недостатком в настоящее время» (1966г.). Сложившееся положение вызвано в первую очередь тем, что до настоящего времени нет единого мнения о формуле, по которой можно рассчитывать глубину карбонизации бетона. Почему?

Потому, что «…цементные композиты представляют наибольшую сложность с позиции математического выражения» (А.П. Харитонов, 2009г.). Другой причиной является трудность надежного прогнозирования двух основных параметров эксплуатационной среды – концентрации углекислого газа и температурно-влажностного режима.

Предложения по математическому описанию процессов сопротивления бетона коррозии предпринимались с начала 20 в. (проф. Г.К. Дементьев, г.) практически параллельно с созданием теории сопротивления бетона механическим воздействиям, и их можно условно разделить на две группы:

статистические модели и детерминированные модели. По целому ряду причин считается, что детерминированные модели, основанные на физической сущности явления, имеют преимущества. Поэтому в данной работе предпринята попытка экспериментального уточнения известных к настоящему времени математических моделей, базирующихся на физико химической сущности процессов коррозии.

Признанное в настоящее время классическим решение, основанное на упрощении математического аппарата и схематизации физико-химических процессов коррозии бетона, было получено в 60-70-х гг. XXв. проф.

А.Ф. Полаком методами математического моделирования. Это формула для расчета глубины коррозии L, которая имеет вид общепринятого в области долговечности железобетона «закона корня квадратного от времени»:

L k t или L A2 t 1/2. (1) Необходимо отметить, что в эти же годы целым рядом ученых были предложены аналогичные выражения, но с менее строгим физико химическим обоснованием (В.М. Москвин, А.И. Минас, Ф.М. Иванов, С.Н. Алексеев и другие, несколько позже – S. Prudil, P. Schiessel и др.).

Формула (1) лишена математической «нагрузки» в виде интегралов и дифференциалов и поэтому весьма удобна для выполнения инженерных расчетов при условии, что известно значение параметра k – константы скорости коррозии бетона (см2/год). Упрощения математического аппарата, принятые исследователями при выводе уравнения (1), были вынужденными, поскольку дифференциальные уравнения второго порядка в частных производных, описывающие процесс коррозии бетона, не имеют аналитического решения, т.е. лаконичная инженерная формула отсутствует.

Численные же методы решения приводили к громоздким формулам, которые нельзя было помещать в нормативные документы (в том числе СНиП).

В конце 20 – начале 21в. с развитием вычислительной техники появились решения не решаемых ранее уравнений математической физики, описывающих процесс коррозии (Б.В. Гусев, А.С. Файвусович, В.Ф.

Степанова, Н.К. Розенталь). Но эти формулы по-прежнему были далеки от стиля и лаконизма инженерных формул.

Лишь в 2007г. использование современных численных методов, реализованных в прикладной программе символьной (аналитической) математики Maple 9.5, позволило получить А.Р. Анварову простое решение в виде выражения (2). Но при этом оказалось, что показатель степени n при корне равен n 3, а не n = 2 (точнее n = 2,94) – см. формулу (3).

L An t 1/n, (2) L A3 t 1/3. (3) Необходимо заметить, что при этом характер агрессивной среды не рассматривался (газ, жидкость), а целью решения было лишь получение общего вида расчетной зависимости L(t), т.е. «закон корня квадратного» от времени трансформировался в «закон корня кубического».

Для подтверждения, опровержения или оптимизации расчтных моделей (1), (2) и (3) необходимо наличие серии экспериментальных точек. Однако, в связи с техническими сложностями и большой длительностью проведения экспериментов, большинство исследователей получали зависимость L=L(t) лишь по одной экспериментальной точке (глубине коррозии от времени) или, в редком случае – по двум точкам, полученным в результате обследования одних и тех же железобетонных конструкций через какой-то интервал времени, а для дальнейших расчтов всегда принималась функция вида (1).

Единственными из известных нам экспериментальных данных по нескольким срокам испытаний на образцах в естественных условиях (при воздействии углекислого газа воздуха) являются данные Л.А. Вандаловской, из этих данных следует, что показатель степени n при корне может принимать значения n=2,05…3,05 для бетонов с различным В/Ц.

Исследователи Т. Isida и K. Maekawa приводят экспериментальные данные по глубине нейтрализации бетона с различным водоцементным отношением при высокой (10%-ной) концентрации углекислого газа, из которых следует, что значение n в выражении (2) изменяется в пределах n=1,94…2,65. В целом анализ этих немногочисленных экспериментальных данных показал, что возможные значения показателя степени n в выражении (2) могут изменяться от 1,48 до 3,05. Необходимо отметить, что проф. А.И. Минас (1974г.) приводит формулу, идентичную выражению (2), отмечая, что значение показателя степени n «…может быть равно, больше или меньше 1».

Аналогичный вывод следует также из работ проф. Ш.М. Рахимбаева и Н.М.

Авершиной (1995г.) – рис.1.

Рис. 1. Разновидности кинетики коррозии цементного камня (по Ш.М. Рахимбаеву и А.М. Авершиной) Степень коррозии 1 – коррозия с самоускорением;

2 – коррозия с падающим во времени коэффициентом диффузии;

3 – процесс с постоянным во времени коэффициентом диффузии;

4 – процесс с постоянной скоростью;

5 – процесс с полным торможением.

Время В связи с существующей неопределенностью, целью исследований являлось также проверка того, насколько функция вида (2) адекватно (т.е.

статистически надежно) отражает процесс карбонизации бетона, критерием адекватности модели служила статистическая достоверность определения параметров формулы (2): показателя степени n и интегрального параметра А, имеющего смысл константы скорости коррозии, отражающей свойства бетона и внешней среды.

Во второй главе приведена характеристика сырьевых материалов, и изложены методики физико-механических и физико-химических исследований образцов.

Ускоренные испытания проведены по методике ГОСТ Р 52804- «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» на модифицированной установке с учтом рекомендаций, приведнных в европейском нормативе EN 13295:2004 «Products and systems for the protection and repair of concrete structures-Test methods-Determination of resistance to carbonation = Продукты и системы защиты и ремонта бетонных конструкций. Методы испытания. Определение стойкости к карбонизации».

В качестве прототипа использовалась установка, разработанная Н.К.

Розенталем и П.В. Язевым. Для контроля концентрации углекислого газа применялся автоматический газоанализатор марки ОКА-Т-СО2. Общий вид установки приведен на рис.2.

а) 4 5 б) А 1 Вид А 2 Б 1 Вид Б Рис. 2. Установка для определения кинетики карбонизации бетона а – схема установки, разработанной Н.К. Розенталем и П.В. Язевым;

б – модифицированная установка;

1 – герметичная камера;

2 – баллон с СО2;

3 – редуктор;

– гибкий рукав;

5 – химический газоанализатор;

6 – вентилятор;

7 – образцы;

8 – чаша с насыщенным раствором поваренной соли;

9 – стеллаж;

10 – U-образная трубка;

11 – пульт управления автоматическим газоанализатором ОКА-Т-СО2;

12 – датчик автоматического газоанализатора, установленный внутри камеры;

13 – система тихоходных вентиляторов;

14 – решетка для установки образцов.

Условия эксперимента: образцы размером 40х40х160мм, относительная влажность (20±5)0С, температура среды (75±3)%, концентрация углекислого газа – (5±0,5)%.

Через определенные промежутки времени проводился скол по сечению образца с шагом 15…20мм с обработкой его раствором Рис. 3. Определение глубины фенолфталеина. Поскольку такой параметр, как нейтрализации бетона «глубина карбонизации» L имеет чрезвычайно на фотоснимке большой разброс (по данным С.Н. Алексеева и Н.К. Розенталя среднеквадратическое отклонение в некоторых случаях может совпадать с самим значением глубины карбонизации L), определение глубины карбонизации L осуществлялось по схеме, приведенной на рис.3, а именно: значение L в каждом сечении определялась по макроснимку и рассчитывалась как среднее значение по результатам 10 измерений с учтом коэффициента Стьюдента 0,95 в программе Statistica v 6.0.

Тонкие методы анализа состава новообразований в карбонизированном слое проведены по стандартным методикам: фазовый состав определен на рентгеновском дифрактометре марки ДРОН-7 в «Институте проблем сверхпластичности металлов» Уфимского научного центра РАН;

дифференциально-термический анализ выполнен на дериватограф марки Q-1500D в НИТИ «Гербицидов и регуляторов роста растений» АН Респ.

Башкортостан;

химический анализ проведен комплексонометрическим методом и методом рН-метрии в лабораториях ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»;

электронно микроскопический и микрорентгеноспектральный анализ выполнен с помощью растрового электронного микроскопа Jeol-JSM 6460 LV в ГОУ ВПО «Южно-уральский государственный университет».

Натурные обследования проведены в соответствии с СП 13-102- «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений».

В третьей главе приводится описание полученных результатов исследований.

Результаты экспериментов по кинетике карбонизации приведены на рис. и 5, а полученные в ускоренных испытаниях значения Aу и n представлены в табл.1. Оценка полученных математических моделей осуществлялось с помощью коэффициента сходимости R2 (коэффициента детерминации).

Из данных рис.4 получена зависимость показателя степени n от водоцементного отношения в виде показательной функции с d В/Ц, (4) n где c = 0,29 и d = 2,35 – эмпирические коэффициенты.

Переход от ускоренных испытаний к естественным условиям (при концентрации углекислого газа, равной 0,03%) осуществлен по формуле Аn Ау n С0,03% / C у, (5) где Аn – коэффициент для естественных условий эксплуатации;

Ау – эмпирический коэффициент, полученный при ускоренных испытаниях (табл.1);

С0,03% – концентрация СО2 в естественных условиях эксплуатации, %;

Су – концентрация СО2 при ускоренных испытаниях (5%).

Глубина карбонизации, мм 20, L Aу t1/ n 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2, Время, сут.

0, 0 20 30 40 50 60 70 Рис. 4. Скорость карбонизации образцов из мелкозернистого бетона состава 1:3 с разным водоцементным отношением R2 – коэффициент сходимости (коэффициент детерминации) Самоуплотняющиеся Глубина карбонизации, мм 20,0 смеси L Aу t 1/ n SIKA Monotop 18, 16, 14, 12, 10, ЭМАКО Nanocrete R4, 8,0 Цементный камень ЦМИД-3, Макфлоу 6, 4, 2, Время, сут.

n 0, 20 0 10 30 40 50 60 80 90 100 Рис. 5. Скорость карбонизации образцов из самоуплотняющихся растворных смесей (особоплотный бетон) и цементного камня Таблица Водоцементное Марка по Коэффициент Коэффициент Показатель Ау, см/год-n Аn, см/год-n отношение водонепроницаемости степени n в В/Ц формуле (2) W 0,70 2 4,03 0,29 1, 0,65 2 3,03 0,25 2, 0,60 4 2,58 0,20 2, 0,55 4 1,66 0,16 2, 0,50 6 0,81 0,11 2, 0,45 8 0,41 0,07 2, Анализ полученных данных (см. рис. 4 и 5) свидетельствует о том, что глубина карбонизации бетона определяется плотностью образцов, причм образцы из мелкозернистого бетона дают чтко выраженную зависимость степени карбонизации от их плотности (n = 1,89…2,33).

Данные для образцов из цементного камня также соответствуют этой общей зависимости, а некоторое расхождение результатов расчета значений n с выражением (4) может быть объяснено погрешностями в определении глубины карбонизации в начальной фазе эксперимента (0 – 10 сут.), в более поздние сроки общая закономерность соблюдается.

Образцы из самоуплотняющихся составов «ЦМИД-3», «Макфлоу» и «EMACO®Nanocrete R4», представляющие собой особоплотный бетон с W и более, практически не карбонизируются (n). Эффект резкого замедления диффузии СО2 в особоплотных бетонах был обнаружен Н.К. Розенталем, из работ которого следует, что в данном случае образуются «…некарбонизирующиеся бетоны». Объяснение этого эффекта следует также из классических представлений о массопереносе в капиллярно-пористых телах, развитых в работах З.М. Товбиной, А.Ф. Полака, В.В. Яковлева, В.М. Кравцова и Ф.М. Иванова, согласно которым диффузия вещества вглубь бетона замедляется по сравнению с диффузией в модельном цилиндрическом капилляре с условной площадью сечения F = 1 за счт трех основных факторов:

1) механической блокировки потока диффундирующего вещества твердой (условно непроницаемой) фазой кристаллогидратов цементного камня и заполнителя (F 1);

2) уменьшения эффективного сечения капилляров за счт наличия пристенного слоя воды, всегда присутствующего на поверхности пор в гигроскопичном цементном бетоне;

3) извилистости капилляров.

В особоплотных бетонах имеет место F 1, а пристенный слой по видимому «смыкается», образуя сплошные пробки поровой жидкости, оказывающие (за счет высокой вязкости) существенно большее сопротивление диффузии, чем в случае свободной диффузии в объеме жидкости. Можно полагать, что основной причиной практически полного торможения проникания углекислого газа в особоплотном бетоне является смена механизма массопереноса, т.е. переход от диффузии в газовой фазе к диффузии в жидкой фазе. В этих условиях по Н.К. Розенталю на небольшой глубине от внешней поверхности бетона устанавливается равновесие – «стоячий фронт» - за счет равенства потоков диффундирующих веществ:

направленного вглубь бетона потока агрессивного вещества q2 (углекислоты, образовавшейся за счт растворенного в поровой жидкости СО2) и встречного потока растворимых компонентов цементного камня q (представленных, в основном, гидроксидом кальция), т.е. по А.Ф. Полаку:

q2 q1, (6) где µ – стехиометрический коэффициент.

Однако, получение некарбонизирующегося бетона нельзя объяснить одним только увеличением сопротивления диффузии: определнную роль может играть способность цементного камня вступать в химическое взаимодействие с углекислотой (так называемая «реакционная способность бетона» m0). С целью определения влияния параметра m0 на кинетику процесса были проведены исследования на образцах, изготовленных из состава SIKA Monotop 612. Особенностью данного состава является отсутствие свободной извести CaO, связанной специально введенной кремнеземистой добавкой. В результате исследований установлено, что особоплотный бетон из состава SIKA Monotop 612 (марка по водонепроницаемости W10) карбонизируется с той же скоростью, что и обычный бетон (W4) на рядовом цементе без добавок, связывающих известь (рис. 5 и 6). То есть, если диффундирующий поток q1 мал по величине, то равновесие (6) нарушается (q2 µq1) и углекислота продолжает диффундировать вглубь бетона. Эту особенность необходимо учитывать при определении значений параметров первичной защиты железобетона – толщины и плотности защитного слоя бетона.

2 сут. 5 сут. 40 сут. 60 сут. 80 сут. 90 сут.

Рис. 6. Характерные сколы образцов из SIKA Monotop 612 через разные сроки экспозиции В целом из данных, ускоренных испытаний, следует, что:

1) показатель степени n в выражении (2) при воздействии углекислого газа является величиной не постоянной и меняется в зависимости от плотности образца;

2) это связано с тем, что в особоплотных бетонах помимо уменьшения общей и дифференциальной пористости по-видимому происходит смена механизма массопереноса агрессивного вещества, а именно: переход от «газовой коррозии» – для бетонов с маркой по водонепроницаемости W2…W6, к «коррозии в жидких средах» (при W W10) за счт кольматации пор влагой, выделяющейся в ходе реакции нейтрализации бетона углекислым газом;

3) характер кривых, представленных на рис.4 и рис.5, соответствует характеру кривых 2, 3 и 5 на рис. 1.

Физико-химические исследования проведены с целью изучения вопроса, не приводит ли очень большое увеличение концентрации СО2 в ускоренных испытаниях (в 5% : 0,03% = 167 раз) к искажению результатов из-за смены механизма коррозии за счет глубокой карбонизации цементного камня (до pH8).

С этой целью был подвергнут анализу карбонизированный образец на рядовом среднеалюминатном цементе ЗАО «Катавский цемент» (г. Катав Ивановск) (рис. 7).

При петрографическом анализе сколов тестируемого образца из мелкозернистого бетона состава 1:3 В/Ц=0,65 было зафиксировано четыре слоя, четко различаемых по цвету: внешний карбонизированный слой толщиной 5-6 мм светло-серого цвета, внутренний карбонизированный слой 2 (5 мм) серого цвета, переходной слой 3 (5 мм) темно-серого цвета и внутренний слой 4 непораженной зоны серо-голубого цвета.

При комплексном анализе состава и структуры этих слов было установлено:

1) по данным дифференциально-термического анализа во всех четырех пробах установлено наличие кальцита (эндотермический эффект при температуре 850…8950С), при этом в наружных слоях 1, 2 и 3 данный пик просматривается значительно более четко по сравнению с некарбонизированным слоем.

CaCO3, % 14 12, 12 10, 7, 6 4, 0 5 10 15 Глубина отбора пробы, мм Рис.8. Карбонизированный образец из Рис.9. Распределение CaCO3, мелкозернистого бетона для по сечению образца (глубина нейтрализации 15 мм) послойного анализа 2) по данным рентгенофазового анализа во внешнем слое (слой 1) обнаружено присутствие в значительном количестве кальцита (СаСО3), фиксируемого на рентгенограммах по дифракционным пикам с d = 3,8314;

3,0287;

2,2779;

2,1037;

1,9090;

1,8720 и ватерита (µ*СаСО3) d = 4,2461;

3,5670;

3,2798;

2,7253…1,5403;

во внутреннем карбонизированном слое (слой 2) обнаружены более интенсивные пики кальцита. В переходном слое (слой 3) и, особенно, во внутреннем некарбонизированном слое (слой 4) отражения портландита (Са(ОН)2) становятся более интенсивными (d =4,89;

3,11;

2,63;

2,45…1,02). Во внутреннем некарбонизированном слое зафиксировано также присутствие арагонита.

3) по данным химического анализа установлено повышение рН водных вытя жек в следующей последовательности: наружный карбонизированный (слой 1) внутренний карбонизированный (слой 2) переходный (слой 3) некарбонизированный (слой 4) как 7,5 8,0 8,8 12,5, соответствен но.

4) результаты электронно-микроскопического и микрорентгенос пектрального анализов (рис.10) в целом подтвердили данные, полученные другими методами анализа.

а) Элемент С О Ca Mg Al Si Количество, % 15,96 51,86 22,11 1,43 2,25 4, б) Элемент С О Ca Mg Al Si Количество, % 15,81 51,33 23,27 2,45 0,81 4, в) Элемент С О Ca Mg Al Si Количество, % 13,97 48,53 26,92 0,88 1,79 4, г) Элемент С О Ca Mg Al Si Количество, % 9,85 47,45 29,11 1,52 2,24 6, Рис. 10. Результаты электронно-микроскопического и микрорентгеноспектрального анализов а – наружный карбонизированный (слой 1);

б – внутренний карбонизированный (слой 2);

в – переходный (слой 3);

г – некарбонизированный (слой 4).

Таким образом, анализ результатов проведенных физико-химических исследований позволяет сделать вывод о том, что значительное увеличение концентрации СО2, принятое в ускоренных испытаниях, не изменяет существенно механизм процесса карбонизации бетона, поскольку глубокая карбонизация (до pH=7,5) имеет место лишь в поверхностном слое.

В четвертой главе приводится сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами обследования технического состояния бетонных и железобетонных конструкций, проведенных на большом числе объектов с разным режимом эксплуатации.

An, смгод-n, 0, А3=3,44В/Ц – 1, 0, Аn=2,16В/Ц – 0, 0, А2=1,48В/Ц – 0, 0, А3=2,60В/Ц – 1, 0, 0,20 А2=1,02В/Ц – 0, 0,10 Аn=0,90В/Ц – 0, 0, 0, 0,55 0,60 0, 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0, Водоцементное отношение (В/Ц) 4 14 12 10 Марка по водонепроницаемости W, соответствующая данному В/Ц (по данным С.А. Подмазовой), – по данным натурных обследований;

, – по данным ускоренных лабораторных исследований.

Рис. 11. Зависимость коэффициента Аn от плотности бетона:

1 – наши экспериментальные данные для влажного (или мокрого) режимов эксплуатации;

2 – наши экспериментальные данные для нормального режима эксплуатации;

3, 4 – данные Е.В. Луцык, полученные по результатам обследования большого числа объектов;

5, 6 – данные А.Р. Анварова, полученные по результатам численного анализа.

На рис. 11 показаны данные Луцык Е.В. для А2, полученные путем обработки большого массива результатов обследования (по одной точке Lобсл. tобсл.) по формуле L А2 t и данные А.Р. Анварова для А3, полученные путем обработки этого же массива по формуле L A3 3 t.

Как видно, результаты проведенных ускоренных исследований Ау, приведенные к обычной концентрации Аn по формуле (5), удовлетворительно согласуются с результатами обследования конструкций.

Таким образом, прогноз глубины карбонизации бетона может быть осуществлен по формулам (6), (7) и (8) L An t 1 / n ;

(6) (7) Аn=0.90В/Ц – 0,34;

(8) Аn=2,16В/Ц – 0,65, где значение Аn для влажного или мокрого режимов эксплуатации определяется по формуле (7), а для нормального режима эксплуатации – по формуле (8).

Численные значения коэффициента Аn приведены в табл.2.

Таблица -n Значения показателя степени n и коэффициента An (смгод ) в зависимости от плотности бетона (В/Ц) и режима эксплуатации конструкции Водоцементное Марка по Показатель Значение An отношение водонепроницаемости степени n Нормальный Влажный В/Ц расч. по режим или мокрый W формуле эксплуатации режим эксплуатации (4) 0,70 2 1,90 0,86 0, 0,65 2 1,98 0,75 0, 0,60 4 2,07 0,65 0, 0,55 4 2,16 0,54 0, 0,50 6 2,25 0,43 0, 0,45 8 2,35 0,32 0, 0,40 10 2,45 0,21 0, В пятой главе представлены рекомендации по проектированию железобетона с расчтной долговечностью при агрессивности воздействия углекислого газа воздуха, основанные на экспериментально определнных значениях параметра процесса Аn и показателя степени n. В результате расчетов по формулам (6) – (8) с учетом данных табл. 2 установлено, что на стадии проектирования железобетонных конструкций достижение нормативного срока эксплуатации в условиях воздействия углекислого газа может быть обеспечено только средствам первичной защиты – назначением толщины защитного слоя aз, а также необходимой марки бетона по водонепроницаемости W (рис. 12).

В строительной отрасли в настоящее время имеются все технические и технологические возможности для достижения требуемой марки бетона по водонепроницаемости и контроля толщины защитного слоя при изготовлении железобетонных конструкций.

Т, год а) Арматура 50 СО аз=5 мм аз=10 мм 30 аз=15 мм 20 аз=20 мм аз=25 мм Бетон аз=30 мм 00. 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0. б) аз=15 мм аз=20 мм 80 аз=25 мм 70 аз=30 мм 60 Арматура 50 СО 10 Бетон 00.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0. 0, 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0, Водоцементное отношение (В/Ц) 14 12 10 8 6 Марка бетона по водонепроницаемости W, соответствующая данному В/Ц (по данным С.А. Подмазовой) ( ) – для расчетной зависимости вида ;

( )– ;

( )– Рис. 12. Зависимость срока эксплуатации конструкции (T) от марки бетона по водонепроницаемости (W) в разных условиях эксплуатации (согласно СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии»):

а – при влажном или мокром режиме (относительная влажность воздуха 60%);

б – при нормальном режиме (относительная влажность воздуха 60%) Шестая глава посвящена данным о внедрении результатов исследований и их экономической эффективности.

Результаты исследований были применены для оценки технического состояния конструкций, прогнозе их долговечности и разработке способов ремонта поврежднных конструкций на 12 объектах МУП «Уфаводоканал» и ООО «Газпром трансгаз Уфа», а также в проектах двух новых сооружений в Республике Башкортостан: мкостного сооружения для длительного (условно бессрочного) хранения твердых осадков сточных вод емкостью 83 тыс. м3 и резервуара чистой воды емкостью 8 тыс. м3. По материалам исследований подготовлены «Рекомендации по назначению параметров первичной железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте».

Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в продлении срока службы бетонных и железобетонных конструкций до расчетных (нормативных) значений как при строительстве новых объектов, так и при ремонте и реконструкции эксплуатирующийся объектов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведены ускоренные исследования кинетики карбонизации бетона по методике ГОСТ Р 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» на модифицированной установке, в результате которых получены экспериментальные данные для бетонов разной плотности в объеме, достаточном для построения статистически обоснованных математических моделей карбонизации бетона.

Установлено, что кинетика карбонизации бетона с наибольшей достоверностью описывается степенной функцией вида L=Аnt1/n (где L – глубина карбонизации, Аn – коэффициент), которая может быть использована для инженерных расчетов при любом проектном сроке эксплуатации, не привязываясь к установленному в ГОСТ 31384- «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» одному конкретному значению Тн=50лет.

Установлено, что показатель степени n в зависимости L=L(t) является величиной не постоянной и зависит главным образом от плотности бетона: в пористом бетоне с маркой по водонепроницаемости W2…W значение n изменяется от 1,90 до 2,16;

для плотных бетонов с W6…W получено n = 2,25…2,45;

в особоплотных бетонах с W12…W16 имеется практически полное торможение процесса: значение показателя степени n изменяется от n 10 до n.

Уточнены кинетические особенности процесса карбонизации особоплотных бетонов, в которых замедление и даже стабилизация фронта карбонизации обусловлена сменой механизма массопереноса – от диффузии СО2 в газовой среде до диффузии углекислоты в жидкой фазе – поровой жидкости.

На основе полученных экспериментальных значений коэффициентов математической модели карбонизации бетона определены требуемые значения параметров первичной защиты железобетона, обеспечивающие получение конструкций с проектной долговечностью при различных условиях эксплуатации без применения средств вторичной защиты.

Разработанные методы обеспечения долговечности железобетона реализованы при восстановлении поврежденных конструкций на объектах МУП «Уфаводоканал» и ООО «Газпром трансгаз Уфа», в проектах двух новых емкостных сооружений, при разработке «Рекомендаций по назначению параметров первичной железобетона в условиях воздействия углекислого газа воздуха при новом строительстве и ремонте», а также в методических материалах курса «Повышение долговечности строительных конструкций зданий и сооружений», читаемого в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» для студентов строительных специальностей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных трудах, из них №№8, 9 и 12 опубликованы в журналах, включнных в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Латыпов, В.М. О проектировании антикоррозионной защиты железобетонных конструкций систем водоотведения / В.М. Латыпов, P.P.

Ахмадуллин, П.А. Федоров и др. // Проблемы строительного комплекса России: мат-лы XI Межд. научной-техн. конф.: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. – C. 3-4.

2. Анваров, А.Р. Параметры первичной защиты, обеспечивающие долговечность железобетона в естественных условиях эксплуатации / А.Р.

Анваров, В.Г. Архипов, П.А. Федоров // Проблемы строительного комплекса России: материалы XI Межд. научно-техн. конф.: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С. 40.

3. Латыпов, В.М. О возможности проведения ускоренных испытаний при исследовании карбонизации бетона / В.М. Латыпов, П.А.Федоров // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Межд.

научно-техн. конф.: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 50-51.

4. Федоров, П.А. Защитные покрытия для бетонных и железобетонных конструкций, подверженных карбонизации / П.А. Федоров // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Межд. научно-техн.

конф.: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С. 48-49.

5. Анваров, А.Р. Современные математические модели оценки скорости коррозии бетона / А.Р. Анваров, В.М. Латыпов, Т.В. Латыпова, П.А. Федоров // Материалы 59-й научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С. 19-21.

6. Федоров, П.А. Рациональные методы восстановления несущей способности ж/б площадки подстанции 35/6 кВт «Нижегородка» в г.Уфе / Федоров П.А. // Материалы 59-й научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С. 62.

7. Федоров, П.А. О ремонте мостовых железобетонных конструкций / П.А.

Федоров // Материалы 59-й научно-техн. конф. студентов. аспирантов и молодых ученых УГНТУ: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – С.82.

8. Латыпов, В.М. Восстановление бетона и железобетона после де структивного воздействия серосодержащих соединений / В.М.

Латыпов, Т.В. Латыпова, П.А. Федоров и др. // Строительные материалы.-2009.- №3. - С.58- 9. Федоров, П.А. О математической зависимости, описывающей процесс нейтрализации бетона / П.А. Фдоров, Б.Р. Анваров, Т.В.

Латыпова, А.Р. Анваров, В.М. Латыпов // Вестник Южно-уральского государственного университета.- 2010.-№15– С.13- 10. Кривцов, С.И. Обеспечение эксплуатационной наджности железобетонных конструкций пожарных резервуаров на КС «Москово» Дюртюлинского ЛПУМГ/ С.И. Кривцов, Т.В.Латыпова, П.А.Федоров, Б.Р. Анваров // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIV Межд. научно-техн. конф.: тез. докл. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. – С. 82-83.

11. Федоров, П.А. Карбонизация бетона. По какой формуле рассчитывать глубину коррозии? / П.А. Федоров, Б.Р. Анваров, Т.В. Латыпова, А.Р.

Анваров, В.М. Латыпов // Межд. аналитическое обозрение АЛИТинформ «Бетон. Цемент. Сухие смеси».– 2010.– №4-5 (16) – С.54- 12. Луцык, Е.В. Применение наноматериалов на цементной основе при ремонте железобетона / Е.В. Луцык, П.А. Федоров, А.Н. Авренюк и др. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2010. – №2 – С.20- Подписано в печать_. Бумага офсетная. Формат 60х84 1/ Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1.

Тираж 90. Заказ_.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии:



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.