книги / Эксплуатация мостов. Особенности эксплуатации железобетонных конструкций мостов

К факторам воздействия окружающей среды следует отнести:

–сейсмические воздействия, характеризующиеся интенсивностью (амплитудой колебания), продолжительностью, а также способностью грунтов строительной площадки гасить колебания;

–физико-химические процессы, протекающие в материалах при изготовлении и эксплуатации конструкций, сооружений;

–климатические воздействия, характеризующиеся влажностью воздуха, перепадом температуры, высушивающей способностью ветра и т.д.;

–агрессивность, химическая активность водной и воздушной среды, в которой находится конструкция, сооружение.

К производственным факторам относятся:

–качество, уровень принятых конструктивных решений;

–уровень и качество изготовления и монтажа конструкций, строительства сооружения;

–силы трения и тяжести, возникающие от действия постоянных и временных нагрузок;

–центробежные, инерционные усилия от временных нагрузок. Воздействие факторов приводит к появлению дефектов и по-

вреждений в конструкции. Дальнейшее их развитие в процессе эксплуатации снижает работоспособность конструкции, ускоряет процесс деградации – постепенное «старение» конструкции и потеря ею эксплуатационных качеств, проявляющихся в виде разрушения структуры, снижения прочностных свойств бетона и образования разного рода трещин. Начало и развитие процесса деградации обусловлено большим количеством комбинаций воздействия вышеперечисленных факторов на конструкции.

Важнейшими из этих факторов являются:

–многократно повторяющиеся воздействия временных нагрузок, снижающие запас пластических свойств бетона;

–попеременное замораживание и оттаивание водонасыщенных зон конструкций;

–сезонные и суточные колебания температуры воздуха;

–коррозионные процессы, протекающие в бетоне вследствие

выщелачивания агрессивной влагой компонентов цементного камня, капиллярной усадки, карбонизации бетона и др.

11

1.2. Виды разрушения бетонных и железобетонных конструкций

1. Физическая коррозия:

–периодическое замораживание и оттаивание увлажненных конструкций;

–знакопеременные усилия (растяжение-сжатие) при перепадах температур зимой-летом, днем-ночью;

–воздействие пролива засоленных вод, нефтепродуктов, масел, нарушающих сцепление арматуры с бетоном и элементов цементного камня между собой;

–механические внешние воздействия.

2. Физико-химическая коррозия:

–выщелачивание бетона;

–кристаллизация сульфатов и сульфоалюминатов внутри цементного камня.

3. Химическая коррозия (реакция замещения):

–взаимодействие элементов цементного камня с кислотами;

–взаимодействие элементов цементного камня с кислыми

солями;

–нейтрализация щелочной среды бетона кислыми газами;

–щелочная коррозия – взаимодействие заполнителей бетона

ссолями щелочных металлов;

–воздействие на стальную арматуру хлор-ионов, содержащихся в солях.

4. Электрохимическая коррозия арматуры под воздействием блуждающих токов.

1.3. Коррозия бетона (разрушение цементного камня)

При воздействии агрессивной среды цементный камень в бетонах и растворах может разрушаться. Это явление называется коррозией цементного камня или коррозией бетона. Коррозия бетона – сложный физико-химический процесс взаимодействия составляющих цементного камня с внешней средой и образование вследствие этого нежелательных соединений, иногда их внутреннее перемеще-

12

ние, что чаще всего вызывает снижение прочности бетона или его полное разрушение.

В зависимости от свойств агрессивной среды (газообразной или водной) коррозия может протекать по трем основным направлениям, в соответствии с которыми различают три основных вида коррозии бетона: коррозию выщелачивания, взаимодействие цементного камня с кислотами и кислыми солями, коррозию кристализации.

1.3.1. Коррозия I вида (коррозия выщелачивания)

Коррозия I вида объединяет процессы, связанные с выщелачиванием растворимых частей цементного камня под воздействием воды – среды (особенно опасны воды с малой бикарбонатной щелочностью, пресные воды). Под выщелачиванием понимают процесс растворения и выноса водой гидроокиси кальция Ca(OH)2 (гашеная известь) из тела бетона.

Образующаяся при твердении бетона гашеная известь Ca(OH)2 имеет небольшую растворимость в воде (1,32 г/л). При действии пресной (в частности дождевой) воды, воды с малой бикарбонатной щелочностью, процесс растворения и выноса Ca(OH)2 протекает значительно быстрее.

Наиболее опасно, когда вода фильтруется через тело бетона под напором. В зависимости от жесткости фильтрующейся воды и интенсивности фильтрации процесс выщелачивания протекает с разной скоростью в одном или двух направлениях. При сильно фильтрующем бетоне и постоянном притоке воды фильтрация идет с незатухающей скоростью, что резко снижает плотность бетона, а следовательно, и его прочность.

В бетонах нормальной плотности, при высокой временной жесткости фильтрующейся воды, медленном ее поступлении к открытой поверхности конструкции в бетоне может происходить медленное затухание процесса фильтрации ввиду явления самоуплотнения бетона и отложения в его порах мельчайших взвешенных в воде минеральных частиц (кольматация пор). Этот процесс не опасен для устойчивости конструкции, но снижает защитные свойства бетона по отношению к арматуре.

13

Процесс выноса Ca(OH)2 вызывает разложение других гидратов, разрушается связь между составляющими бетон компонентами. Выщелачивание Ca(OH)2 в количестве 15–20 % общего содержания его в цементном камне приводит к уменьшению прочности бетона на 40–50 % и более.

Характерные признаки коррозии выщелачивания – образование белых потеков, высолов, пятен, а также хлопьев или сталактитов навнутренней, несоприкасающейся сводой, поверхности бетона.

Меры борьбы с коррозией выщелачивания:

1) применение цементов с содержанием C2S не более 50 % (C2S→ 2CaO SiO2);

2)введение в цемент активных минеральных добавок, связы-

вающих Ca(OH)2;

3)повышение плотности цементного камня за счет снижения

В/Ц;

4)создание благоприятных условий твердения, выдерживание

бетонов на воздухе: Ca(OH)2 + CO2→ CaCO3 + H2O (CaCO3 –

известняк, плотный материал, он замедляет выщелачивание); 5) защита поверхности водонепроницаемыми пленками.

К применению мер борьбы с коррозией выщелачивания следует подходить с определенной критичностью. Так, например, введение добавок ведет к удорожанию цемента; снижение В/Ц ведет к увеличению расхода цемента и затрат энергии на уплотнение бетонной смеси; искусственная карбонизация бетона (создание на поверхности бетона известняка CaCO3 – карбоната кальция) уменьшает защитные свойства бетона по отношению к арматуре, целесообразна к применению для массивных, малоармированных конструкций или конструкций с достаточно большой величиной защитного слоя; укрывание бетона пленками не позволяет бетону «дышать».

1.3.2.Коррозия II вида (взаимодействие цементного камня с кислотами и кислыми солями)

Коррозия II вида объединяет процессы, связанные с обменными реакциями между компонентами цементного камня бетона и агрессивной средой с образованием на поверхности бетона аморфных, малорастворимых продуктов коррозии, не обладающих вяжущими

14

свойствами, а также легкорастворимых соединений, которые вымываются водой. Нарушается сцепление между компонентами цементного камня, при этом бетон становится рыхлым, теряет свою прочность.

Состояние водных растворов среды (кислый, нейтральный, щелочной) оценивается через концентрацию ионов водорода с помощью водородного показателя рН, который численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода (Н+), выраженный в молях на литр, рН = –lg( Н+). Водные растворы могут иметь рН от 1 до 14; в нейтральных растворах рН = 7, в кислых рН <7, в щелочных рН >7.

Оценка степени кислотности или щелочности (значение рН) водных растворов имеет большое значение для распознания вида, направления и скорости коррозионных процессов, а также при оценке степени агрессивности природных вод, содержащих кислоты и кислые соли.

Особенность воздействия отдельных кислот на обычный бетон состоит в том, что они образуют с гидратом окиси кальция (в свободном виде или в виде силикатов и алюминатов) цементного камня кальциевые соли, различные по растворимости и свойствам. Поэтому стойкость обычного бетона в кислотах зависит от степени растворимости этих солей.

Например, сульфаты и хлористый кальций, образующиеся при воздействии на цементный камень соответственно серной и соляной кислот, рыхлые, нестойкие и легко вымываемые водой продукты, значительно ослабляют бетон и способствуют его быстрому разрушению. Так, бетон разрушается под воздействием природной воды, содержащей углекислоту: СаCO3 + СО2 + Н2О → Са(НСО3)2 – бикарбонат кальция хорошо растворим водой.

Под действием соляной кислоты (сточные воды промышленных предприятий) происходит следующая реакция:

2НСl + Ca(OH)2→ CaCl2 + 2H2O, CaCl2 легкорастворим в воде.

15

Под действием хлористого магния, которого много в грунтовых водах и морской воде, происходит реакция

MgCl2 + Ca(OH)2→ Mg(OH)2 + CaCl2.

Визуально пораженный кислотами бетон имеет шероховатую и рыхлую структуру вследствие потери вяжущих свойств, чаще всего бурого или грязно-серого цвета. Наружные поверхности конструкций шелушатся и отслаиваются от основной массы бетона кусками или лещадками.

Практически степень и глубину поражения бетона кислыми (и другими) средами определяют с помощью индикаторов – веществ, меняющих свой цвет в зависимости от относительной концентрации ионов Н+ и ОН. Например, индикатор лакмус окрашивается при избытке Н+ (т.е. в кислой среде) в красный цвет, при избытке ОН (т.е. в щелочной среде) – в синий, в нейтральной среде имеет фиолетовую окраску. Из других индикаторов чаще всего используют фенолфталеин и метилоранж.

С помощью специального набора различных индикаторов можно весьма точно определить значение рН среды.

1.3.3. Коррозия III вида (коррозия кристаллизации)

Коррозия бетона III вида объединяет процессы, связанные с увеличением объема твердой фазы минералов цементного камня, отложения продуктов коррозии, замерзания воды или кристаллизации солей в порах. Под коррозией кристаллизации понимают механическое разрушение бетонных и железобетонных конструкций от внутренних напряжений, возникающих при увеличении объема составляющих материалов.

Сульфатная коррозия. Это особый вид коррозии, возникающий при действии на бетон природных вод, содержащих сульфаты (CaSO4, Na2SO4, MgSO4 и др.). Разрушение проявляется в виде разбухания и искривления бетонных конструкций. В этом случае не только не происходит удаления составляющих из объема цементного камня, а наоборот, в результате химических реакций между ним и веществами, поступающими из внешней среды, образуются новые соединения, объем которых превышает объем твердой фазы компо-

16

PNRPU

нентов цементного камня. Типичный пример такой коррозии – образование «цементной бациллы» – гидросульфоалюмината кальция, который занимает объем, в 2,5 раза больший, чем исходный алюминат кальция, один из компонентов цементного камня:

3СаОAl2O36H2O + 3(CaSO42H2O) + 12H2O→ → 3CaO Al2O33CaSO431H2O,

CaSO42H2O – природный гипс; 3CaO Al2O33CaSO431H2O – це-

ментная бацилла.

В результате появляются внутренние напряжения, которые могут превысить предел прочности бетона при растяжении и тем самым вызвать появление трещин.

Результатом этого вида коррозии иногда бывают образования на поверхности бетона пузырей – явление местного расслаивания; от бетона начинают отскакивать плоские круглые лещадки.

Наиболее интенсивно процесс коррозии идет при наличии сернокислого магния (MgSO4) или другой соли магния.

Особенность воздействия растворов солей магния на цементный камень – их химическое взаимодействие не только с известью, но и с гидроалюминатами и гидросиликатами, составляющими структуру цементного камня, что приводит к увеличению объема и интенсивному трещинообразованию. Низкая плотность бетона, наличие трещин, пустот приводят к быстрому разрушению бетона при этом виде коррозии.

Кристаллизация солей в порах бетона. При постоянном воз-

действии на бетон и железобетон, имеющих открытую испаряющую поверхность, минерализованных растворов в порах бетона накапливаются и кристаллизуются соли. В дальнейшем они переходят из безводной или маловодной формы в кристаллогидраты с высоким содержанием воды и увеличением объема, что создает значительное кристаллизационное давление. Например, накопление хлористого натрия в порах бетона в дальнейшем приводит к образованию двуводного кристаллогидрата (NaCl 2H2O), занимающего объем, в 2–3 раза больший, чем безводная соль. Следовательно, в бетоне доста-

17

точно содержания 43,5 % соли от объема его пор, чтобы появилась возможность развития напряжений.

Накопление растворов солей происходит в основном за счет капиллярного подсоса и испарения воды на внутренних поверхностях строительных конструкций.

Вода считается агрессивной по этому виду коррозии, если содержание растворимых солей в ней превышает 10 г/л для бетона нормальной плотности, 20 г/л для бетона повышенной плотности и 50 г/л для бетона особо плотного.

Щелочная коррозия. Этот вид коррозии возникает в результате взаимодействия заполнителей со щелочными металлами и их солями.

Причиной разрушения являются процессы, происходящие в зоне контакта поверхности заполнителя из некоторых пород и щелочей, содержащихся в цементе, введенных в состав бетона при затворении или при увлажнении бетона щелочными растворами в процессе эксплуатации.

Разрушение характеризуется увеличением объема бетона в результате процессов, возникающих при взаимодействии кремнезема заполнителя (SiO2) и щелочей цемента, введенных при затворении или при увлажнении щелочами. Разрушение при щелочной коррозии проявляется в виде сетки трещин и белых налетов в этих трещинах. При значительном поражении бетона может изменяться состояние породы на контакте с цементным камнем.

1.3.4.Последствия коррозии бетона

Вотдельных условиях виды коррозии бетона могут накладываться один на другой. В этом случае необходимо выделить ведущий вид коррозии, максимальная скорость которого определяет долговечность конструкции.

Интенсивность разрушения бетона зависит от механизма переноса агрессивных сред.

Диффузионный перенос агрессивных веществ имеет место в ненапорных подземных и подводных конструкциях при постоянном воздействии агрессивной среды.

18

Наиболее опасны условия, когда вода фильтруется через тело бетона (непрерывный обмен воды) и через несколько лет в зоне фильтрации вместо бетона – масса, лишенная всякого сцепления. Фильтрационный механизм переноса агрессивной среды имеет место в бетонных и железобетонных конструкциях, частично погруженных в воду и имеющих испаряющую поверхность, при одностороннем напоре, при температурном и влажностном перепадах, при капиллярном подсосе.

		Виды коррозии бетона			Таблица 1.1
Вид	Агрессив-		Продукты коррозии
коррозии	ность	Обязательные		Возможные
бетона	среды	Гель	Кристаллы	Гель		Кристаллы
I	Выщелачи-	mSiO2·nH2o	–	–		–
	вание	Al(OH)3
		Fe(OH)3
	Общеки-	mSiO2·nH2O	–	Al(OH)3		Соли Ca,
	слотная			Fe(OH)3		Al, Fe
	Магнези-	mSiO2·nH2O	Mg(OH)2	–		Соли Ca,
	альная	Al(OH)3				Al, Fe
II		Fe(OH)3
	Углеки-	mSiO2·nH2O	CaCO3	–		–
	слотная	Al(OH)3
		Fe(OH)3
	Щелочная	–	Ca(OH) 2	–		–
III	Сульфатная	–	Цементная	–		Гипс
			бацилла

Продукты коррозии могут состоять из геля, геля + кристаллов (в основном солей кальция) и кристаллов (табл.1.1).

Наименьшим диффузионным сопротивлением обладают продукты гелевого строения.

1.4. Коррозия арматуры

Под коррозией металлов в общем виде понимают процесс постепенного разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с агрессивной средой.

19

В железобетонных конструкциях в качестве арматуры применяются стали различных марок, которые в процессе эксплуатации подвергаются различным видам коррозии.

Интенсивность коррозии зависит от разности потенциалов на отдельных участках поверхности арматуры, новообразований (продуктов коррозии), которые отлагаются на поверхности стали и тем самым пассивируют ее, и степени кислотности или щелочности (рН) среды.

Пассивация (пассивирование) – переход металла в состояние, при котором резко замедляется коррозия. Может быть самопроизвольная пассивация, обусловленная образованием на поверхности металла пленок труднорастворимых соединений, например, оксидов. В технике пассивация осуществляется обработкой металлов специальными веществами – пассиваторами, главным образом окислителями, например хроматами.

Щелочная среда бетона является надежной защитой арматуры от коррозии. Щелочность бетона свежеотформованной конструкции или монолитного бетона составляет рН = 12…14. Очень велика коррозия арматуры в кислых средах. При рН = 6…10 коррозия незначительная, при рН > 10 коррозия замедляется, при рН ≥ 12 коррозия прекращается.

Коррозия арматуры при нейтрализации бетона кислыми га-

зами. Одной из основных причин нарушения пассивного состояния арматуры в бетоне является нейтрализация бетона кислыми газами, в частности карбонизация. Воздействие газов и их характеристика приведены в табл. 1 и 2 приложения.

Проникая в поры бетона, кислые газы растворяются в жидкой фазе, образуют кислоты и, вступая в химические реакции с гидратом окиси кальция [Ca(OH)2], силикатами, алюминатами и другими компонентами цементного камня, нейтрализуют бетон. Образование вследствие нейтрализации кальциевых солей, гелей кремнезема, гидратов алюминия и железа приводят к понижению в защитном слое бетона щелочности и проникновению в глубь бетона кислорода, а следовательно, и потере бетоном способности поддерживать стальную арматуру в пассивном состоянии.

Коррозийная защита бетоном арматурной стали сохраняется при показателе pH ≥ 8,3. Определение глубины карбонизации бето-

20