Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій в агресивному середовищі при дії навантаження

Бліхарський Зіновій Ярославович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор БАРАШИКОВ Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ДОРОФЄЄВ Віталій Степанович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, ректор, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій

доктор технічних наук, професор СТОРОЖЕНКО Леонід Іванович, Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, професор кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас

доктор технічних наук, професор КОРОЛЬОВ Володимир Петрович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих конструкцій

Провідна установа Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ огороджувальних конструкцій будівель та споруд, Державний комітет України з будівництва і архітектури, м. Київ

Захист відбудеться 21 жовтня 2005 р. о 13-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий 15 вересня 2005 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. В.Г. Кобієв

1. Загальна характеристика роботи

бетон арматура корозія навантаження

Актуальність теми. Експлуатація залізобетонних конструкцій будівель та споруд часто відбувається в агресивному навколишньому середовищі. Це стосується більшості промислових будівель, особливо з хімічним виробництвом, відкритих середовищ, морських прибережних споруд тощо. Дія агресивного середовища викликає корозію бетону та арматури залізобетонних конструкцій і, як наслідок, зменшує їх несучу здатність та експлуатаційну придатність. Це накладає свій відбиток на вимоги до їх проектування та прогнозування надійного ресурсу, безпечної експлуатації. Для адекватної оцінки експлуатаційного терміну різних будівель з корозійними пошкодженнями конструкцій необхідно в кожному конкретному випадку враховувати взаємну дію різних чинників на їх працездатність.

Дослідження корозії залізобетонних конструкцій, яка відбувається з часом під навантаженням при наявності агресивного середовища, є актуальною, особливо беручи до уваги те, що за різними даними щорічні втрати від корозії, як в нашій країні, так і за кордоном становлять 4…6% ВВП. За даними Держбуду України із залученням НДІБК та НДІБВ станом на 01.01.2003р. зафіксовано 8000 аварійно небезпечних об'єктів, з них до модернізації рекомендовано 5600, а до ліквідації 2140. Тільки на об'єктах базових галузей експлуатується понад 250 млн. м3 залізобетонних конструкцій, ресурс яких вичерпаний більш, ніж на 50%, в т. ч. 13% автошляхів загального користування і 59% комунальних мостів не задовольняють вимогам безпеки та потребують ремонту і реконструкції, 30% конструкцій причального фронту морських портів внаслідок корозії знаходиться в незадовільному стані і підлягає капітальному ремонту, 39% огороджувальних споруд морських портів є аварійними. З досвіду автора дисертації часто причиною незадовільного стану будівель та споруд є корозія несучих залізобетонних конструкцій.

Актуальність досліджень корозійних впливів на несучу здатність та експлуатаційну придатність залізобетонних конструкцій підтверджується також Указом Президента України №1420/98 від 31.12.1998р. про "Нейтралізацію загроз, обумовлених погіршенням екологічної і техногенної обстановки в Україні", Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 15.05.1997р. "Про забезпечення надійної та безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж", Рішенням Міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14.02.2002р. "Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій та споруд основних галузей господарства України", розпорядженням Кабінету Міністрів України №351-р від 11 червня 2003р. "Про схвалення Концепції державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки".

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематикою наукових досліджень кафедри будівельних конструкцій та мостів Національного університету "Львівська політехніка": "Дослідження міцності, деформативності і надійності звичайних та попередньо-напружених залізобетонних конструкцій", а також в рамках держбюджетних тем: "Розробка методів відновлення експлуатаційної придатності залізобетонних конструкцій, пошкоджених корозією внаслідок дії зовнішнього агресивного середовища" (№ держреєстрації 0103U001352); "Розробити рекомендації з розрахунку несучої здатності залізобетонних існуючих мостів при наявності корозійних пошкоджень арматури" (№ держреєстрації 0104U002384); "Дослідження впливу карбонізації бетону на залишковий ресурс залізобетонних мостів. Розробка проекту методики визначення залишкового ресурсу" (№ держреєстрації 0104U002385). Автор був науковим керівником зазначених держбюджетних тем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є визначення експериментальним та теоретичним шляхом параметрів міцності, тріщиностійкості та деформацій залізобетонних конструкцій при одночасній дії навантаження і агресивного середовища та розробка пропозиції з розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі завдання досліджень:

§ розробити методику експериментальних та теоретичних досліджень впливу корозії бетону, арматури та залізобетонних конструкцій на параметри їх напружено-деформованого стану при одночасній дії агресивного середовища та навантаження в часі;

§ виконати експериментально-теоретичні дослідження впливу корозії на фізико-механічні властивості бетону та арматури при дії навантаження;

§ виконати експериментально-теоретичні дослідження впливу корозії на параметри напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій при дії навантаження;

§ розробити методику розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями на базі діючих норм;

§ подати пропозиції щодо розрахунку підсилених після корозійних пошкоджень залізобетонних конструкцій;

§ запропонувати аналітичні залежності для визначення деформацій усадки і повзучості бетону від наявності різного рівня корозійних пошкоджень;

§ запропонувати методику визначення глибини корозійних руйнувань бетону залізобетонних конструкцій з урахуванням напружено-деформованого стану конструкцій;

§ розробити на основі деформаційної моделі з використанням реальних діаграм - бетону і арматури методику розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями при дії навантаження на будь-якому етапі їх роботи.

Об'єктом досліджень є бетонні і залізобетонні елементи будівельних конструкцій, які експлуатуються в агресивному середовищі.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан бетонних та залізобетонних балкових конструкцій, що перебувають під навантаження при одночасному впливі агресивного середовища.

Методи досліджень передбачали використання експериментальних випробовувань бетонних і залізобетонних елементів з застосуванням, на базі діючих нормативів, спеціально розроблених стендів та пристроїв для забезпечення можливості одночасного прикладання навантаження і агресивного середовища. Використані методи рентгенофазового аналізу (дифрактрометр ДРОН-2), мікроструктурного аналізу (електронний мікроскоп ТЕSLА ВS - 300 та Neophot-2), метод розрахунку за граничними станами залізобетонних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

§ визначені експериментальним шляхом закономірності зміни характеристик міцності та деформативності бетону і арматури в залежності від рівня навантаження і агресивного середовища;

§ отримані експериментальним шляхом параметри напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями при дії навантаження;

§ виведені аналітичні залежності для визначення глибини корозійних пошкоджень бетону залізобетонних конструкцій з урахуванням напружень в бетоні;

§ подані пропозиції щодо визначення параметрів деформацій усадки і повзучості бетону з корозійними пошкодженнями;

§ розроблений інженерний метод розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями та пропозиції щодо розрахунку підсилених після корозії залізобетонних конструкцій;

§ проведене ранжування впливів рівнів корозії бетону і арматури та навантаження за допомогою відповідних коефіцієнтів умов роботи бетону , та арматури ,;

§ запропонований метод розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями при дії навантаження з використанням деформаційної моделі та реальних діаграм - бетону і арматури.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості використання отриманих даних експериментально-теоретичних досліджень при оцінці технічного стану, експлуатаційної придатності, надійності залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями, отриманими в часі при одночасній дії агресивного середовища і навантаження. Розроблені на основі виконаних досліджень пропозиції щодо розрахунку дозволяють з достатньою точністю визначати залишковий ресурс несучої здатності залізобетонних балкових елементів з корозійними пошкодженнями. Запропонована з використанням деформаційної моделі та реальних діаграм - бетону і арматури методика розрахунку та визначення напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями дозволяє визначати параметри міцності, деформативності і тріщиностійкості балок при будь-якому рівні навантаження в часі. Результати роботи впроваджені в інституті ДП ДПІ "Львівський промбудпроект" (м. Львів) при експериментальному проектуванні реконструкції будівель та споруд ЗАТ "Лукор" з корозійними пошкодженнями конструкцій. За участю автора і з використанням результатів виконаних експериментально-теоретичних досліджень визначено технічний стан та залишковий ресурс міцності несучих залізобетонних конструкцій головного корпусу Добротвірської ТЕС ВАТ “Західенерго”, конструкцій будівель та споруд Калушського ЗАТ "Лукор". Результати роботи використано Державною службою автомобільних доріг України (Укравтодор) та Державним науково-дослідним інститутом ДерждорНДІ ім. Шульгіна при розробці методик визначення залишкового ресурсу і підсилення залізобетонних конструкцій мостів з корозійними пошкодженнями. Окремі результати роботи були впроваджені в навчальний процес.

Особистий внесок здобувача в наукові розробки:

§ розроблена методика експериментальних та теоретичних досліджень залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями при дії навантаження;

§ проведені експериментальні дослідження бетону, арматури та залізобетонних елементів при одночасній дії агресивного середовища та навантаження;

§ розроблена методика розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями та конструктивних рішень підсилення таких конструкцій;

§ запропоновані теоретичні основи та аналітичні залежності щодо визначення деформацій усадки і повзучості бетону з корозійними пошкодженнями;

§ розроблені аналітичні залежності для визначення глибини корозійних пошкоджень бетону залізобетонних балок під навантаженням в залежності від рівня напружень;

§ запропонована методика розрахунку та моделювання роботи залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями при дії навантаження в часі з використанням деформаційної моделі та діаграм у - е бетону і арматури.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на IV-му Українсько-Французькому семінарі "Пріоритетні напрямки розвитку ефективних силікатних матеріалів" (м. Львів, 1998р.), ІІ-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" (м. Київ, 1999р.), ІІ-й науково-технічній конференції "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди" (м. Рівне, 1999р.), ІІ-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях та спорудах та їх попередження" (м. Київ, 1999р.), науково-практичному семінарі "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення" (м. Київ, 2000р.), IV-му Міжнародному симпозіумі "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій" (м. Тернопіль, 2000р.), V-й Konferencja Naukowa Rzeszowsko-Lwowsko-Koszycka “Aktualne problemy budownictwa I inzynierii srodowiska” (Rzeszow, 2000), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми" (м. Київ, 2001р.), VI-й Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” Львів-Кошице-Жешув (м. Львів, 2001р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (м. Макіївка, 2001р.), VIІ-й Vedeckej konferencie s medzinбrodnou ъиasќou Koљicko-Lvovsko-Rzeszowska (Koљice, 2002р.), VІ-й Міжнародній конференції "Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів" (м. Львів, 2002р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Сучасні проблеми бетону та його технологій" (м. Київ, 2002р.), V-му Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м. Луцьк, 2002 р.), ІV-й Міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди" (м. Рівне, 2003р.), ІІІ-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону" (м. Львів, 2003р.), науково-практичному семінарі "Діагностика технічного стану автодорожніх мостів" (м. Київ, 2004р.), V-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" (м. Ялта, 2004р), VІІ-й Міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів “КОРОЗІЯ-2004” (м. Львів, 2004 р.), Українському Міжнародному науково-практичному семінарі "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення" (м. Київ, 2004р.), IX-й International Scientific Conference Z. 37 “Current issues of civil and environmental engineering” (Rzeszow, 2004); ІV-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону" (м. Суми, 2005р.); VІ-му Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м. Ужгород, 2005 р.). У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на науковому семінарі кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій та науковому семінарі з будівельної механіки і будівельних конструкцій в Київському національному університеті будівництва і архітектури (Київ, 2005р.).

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи опубліковані у 34 наукових працях, у тому числі 33 у наукових фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України, і один патент.

Основні наукові положення дисертаційної роботи розроблені автором самостійно. Окремі наукові результати отримано у співавторстві з керованими автором аспірантами і опубліковано в наукових статтях. Особистий внесок автора подається в списку опублікованих праць за темою дисертації.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 414 найменувань, 2 додатків. Робота викладена на 348 сторінках, у тому числі містить 281 сторінку основного тексту, з них 23 повних сторінок з рисунками і таблицями, 41 сторінку списку використаних джерел, 52 таблиці і 116 рисунків, 10 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертації, сформульовану мету, завдання і методичні основи виконаних досліджень, наукову новизну та практичне значення роботи, основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі викладено стан проблеми та на основі аналізу попередньо виконаних досліджень сформульовані задачі досліджень. Проаналізовано і узагальнено виконані на даний час експериментальні та теоретичні дослідження корозії бетону, арматури та залізобетонних балок в агресивних середовищах, методик їх розрахунку та підсилення, впливу тривалих процесів.

Дослідженням корозії бетонних та залізобетонних елементів займалося багато вчених, зокрема Алєксєєв С.Н., Ахвердов І.Н, Бабушкін В.І., Байков А.А., Вербиць-кий Г.П., Гузєєв Е.А., Іванов Ф.М., Ларіонова З.М., Лучко Й.Й., Любарська Г.В., Москвін В.М., Новік А.Ф., Овчинніков І.Г., Полак А.Ф., Рубецька Т.В., Саввіна Ю.А., Савицький М.В., Файвусович А.С., Чернявський В.Л. Шнейдерова В.В., Lee F., Scislewski Z., Fagerlund G. та інші. В результаті виконаних досліджень розроблено класифікацію видів корозії, агресивних середовищ та їх впливу, видів корозійних пошкоджень, систем захисту, що ввійшло в діючі норми. Необхідно зауважити, що в розглянутих роботах більше уваги було приділено корозійним процесам в бетоні і відносно менша кількість робіт стосується досліджень корозії залізобетонних конструкцій.

Корозією арматури та металевих елементів, в тому числі і різних сплавів, займалися Алєксєєв С.Н., Вербецький Г.П., Горохов Є.В., Карпенко Г.В., Корольов В.П., Красовська Г.М., Москвін В.М., Похмурський В.І., Хома М.С. та інші. Виконаними дослідженнями встановлено основні аналітичні залежності протікання корозії металів та сплавів, явище корозійного розтріскування сталей в агресивному середовищі, вплив тріщин в залізобетонних елементах на корозію арматури. При цьому недостатньо вивчено особливості протікання корозії в часі для арматурних сталей при дії як статичних, так і динамічних навантажень.

На даний час теоретичною основою нормативного забезпечення вимог надійності є використання методу граничних станів з використанням системи коефіцієнтів, які в поєднанні з умовами рівноваги зовнішніх та внутрішніх зусиль являють собою уточнений на підставі експериментальних досліджень розрахунковий апарат для оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій. Удосконалення методів розрахунку при визначенні резервів несучої здатності залізобетонних конструкцій розглянуто в працях Байкова В.М., Барашикова А.Я., Жукова В.В., Клименка Ф.Є., Клімова Ю.А., Кваші В.Г., Сабітова Х.А., Савицького М.В., Стороженка Л.І., Пічугіна С.Ф., Філатова В.Б. та інших. Вдосконалення методик розрахунку залізобетонних конструкцій з врахуванням різного роду пошкоджень та дефектів (в т.ч. корозійних) присвятили свої праці Бондаренко В.М., Гузєєв Є.А., Дорофєєв В.С., Овчінніков І.Г., Савицький М.В., Стороженко Л.І., Шагін А.Л. та інші. На даний час розробляються нові норми України з проектування залізобетонних конструкцій, в основу яких буде покладено деформаційну модель з використанням реальних діаграм - бетону та арматури. Дослідженням діаграм - матеріалів та розробкою з їх використанням методик розрахунків займалися Байков В.М., Бамбура А.М., Барабаш В.М., Бабич Є.М., Бара-шиков А.Я., Бачинський В.Я., Войцеховський О.В., Гуща Ю.П., Гурківський О.Б., Карпенко Н.І., Михайлов В.В., Узун І.А., Яременко О.Ф. та інші. Однак на даний час не розроблено єдиної методики розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями, особливо з врахуванням дії навантаження, а також використанням реальних діаграм - матеріалів.

Оскільки експлуатація залізобетонних конструкцій відбувається в часі, важливим є вивчення впливу на них тривалих процесів. Дослідженням усадки і повзучості бетону та їх впливу на конструкції займалися Александровський С.В., Арутюнян Н.Х., Барашиков А.Я., Бондаренко В.М., Голишев О.Б., Карапетян К.С., Лівшиц Я.Д., Прокопович І.Є., Уліцький І.І., Borneman E., Brays L., Pargons V. та інші. Однак у цих роботах не досліджувався одночасний вплив агресивного середовища.

При експлуатації залізобетонних конструкцій часто виникають проблеми з їх реконструкції та підсилення. Питаннями підсилення залізобетонних конструкцій займалися Барашиков А.Я., Бондаренко В.М., Валовий О.І., Вахненко П.Ф., Голишев О.Б., Дорофєєв В.С., Клімов Ю.А., Мамаєв Т.Л., Ткаченко І.М., Шагін А.Л., Шмуклер В.С. та багато інших. Більшість авторів не враховували особливостей підсилення залізобетонних конструкцій після корозії.

На основі детального аналізу виконаних на даний час досліджень роботи та методів розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями сформульована мета та задачі досліджень, поставлені в даній роботі.

У другому розділі подано методику експериментальних досліджень, а також описано характеристики матеріалів та конструкцію дослідних зразків.

Експериментальними дослідженнями передбачено випробування при одночасній дії агресивного середовища та навантаження різних рівнів інтенсивності бетонних призм, зразків арматури та залізобетонних балок.

Експериментальні випробування бетонних призм виконано на спеціальних стендах (патент №61706А). Призми чотирьох серій з розмірами 100Ч100Ч400 мм навантажували центрально прикладеним зусиллям до початкового рівня напружень (серії 1…3). Для серій 1…3 бетон мав МПа, для серії 4 - МПа і рівень напружень складав .

Постійну величину зусилля протягом всього терміну випробувань підтримували за допомогою спеціальних металевих пружин, величину зусилля контролювали кільцевими динамометрами.

Як агресивне середовище використовували 10%-ий розчин сірчаної кислоти. Агресивний розчин заливали в спеціально закріплені на призмах ємності. Для кожного виду досліджень випробовували по три призми. При цьому для рівня напружень додатково по дві призми випробували у воді і на повітрі. В загальному, при дії навантаження і середовища випробувано 20 призм. Після випробовування з поперечних перерізів призм відбирали зразки бетону, на яких досліджували мікроструктуру за допомогою растрового мікроскопа ТЕSLА ВS - 300 та виконували рентгенофазовий аналіз (прилад ДРОН-2) для виявлення продуктів корозії.

Експериментальні випробування арматури виконували на спеціальних стандартних зразках, виготовлених з арматурних стержнів Ш20 мм класу А-ІІІ. Випробовування виконували на устаткуванні Фізико-механічного інституту

ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів). Виконано три серії досліджень із загальною кількістю 60 дослідних зразків. В першій серії зразків за допомогою 3%-го розчину NaCl періодичним замочування протягом 15 діб наносили корозійні пошкодження. Після цього їх випробували на розтяг із записом діаграми -. Зразки другої серії прикладанням зусилля центрального розтягу навантажували до рівня напружень . На зразках закріплювали спеціальні циліндричні ємності, заливали в них розчин NaCl і витримували протягом 15, 20, 25 та 30 діб. Після цього зразок з корозійними пошкодженнями доводили до руйнування. До зразків третьої серії прикладали циклічне навантаження з характеристикою асиметрії циклу

.

Границю втоми визначали на базі 5Ч107 циклів на спеціальній машині ІМА-5. Зразки з різним рівнем напружень обертали в агресивному середовищі 3%-го розчину NaCl, який заливали в спеціально закріплену на зразках ємність. Напруження на краєвій поверхні зразків створювали шляхом їх обертання в зігнутому стані. Після випробувань на поперечних перерізах робили шліфи, які досліджували під мікроскопом Neophot-2.

Для дослідження впливу корозії запроектовано, виготовлено і випробувано 6 серій залізобетонних балок загальною кількістю 38 зразків. Залізобетонні балки виготовлені довжиною 2100 мм, висотою 200 мм, шириною 100 мм. Балки виготовлені з бетону на гранітному щебені фракції 5...20 мм, піску Славутського кар'єру з використанням портландцементу М500 Миколаївського цементного заводу. Для зразків 2-ї та 6-ї серій використовувався суперпластифікатор та повітрезахоплююча добавка. Армування балок складало м=1,1; 1,5; 2,0 %.

Експериментальні випробування залізобетонних балок при одночасній дії агресивного середовища та навантаження виконували на спеціально виготовлених стендах. Балки навантажували до заданого рівня 0,3...0,75 (де - згинальний момент при текучості арматури для непошкоджених балок), після чого на них закріпляли спеціальні ємності-ванночки. В ванночки подавали агресивне середовище у вигляді 10%-ного розчину сірчаної кислоти. Постійну величину навантаження, яку заміряли кільцевим динамометром на опорах, підтримували пружинними пристроями. Під час випробовувань щоденно вимірювали величини прогинів, деформації верхньої грані бетону балок та деформації арматури.

Після випробувань балки розрізали через кожних 10 см по довжині для дослідження поперечних перерізів. Для серій 1...4 корозія відбувалась по всій довжині балок, для серій 5...6 тільки в зоні „чистого згину” між двома зосередженими силами, прикладеними в третинах прольоту. При цьому залізобетонні балки серій 5...6 після отриманих корозійних пошкоджень підсилювали під навантаженням шляхом нарощування перерізу влаштуванням залізобетонної обойми. Перед підсиленням поверхню бетону зачищали піскоструменевими установками та перфораторами від продуктів корозії, влаштовували легкий арматурний каркас із дроту Ш1,5 мм, на поверхню бетону наносили спеціальний зклеюючий шар з модифікованого цементу Monotop 610 фірми Sika і в спеціально виготовленій опалубці обетоновували обоймою підсилення. Таким чином балки відновлювали до початкового розміру поперечного перерізу 200Ч100мм. Призмова міцність бетону відновлення була 52,5МПа.

У третьому розділі наведено результати визначення експериментальним шляхом фізико-механічних характеристик бетону та арматури в агресивному середовищі під навантаженням. Згідно з прийнятою методикою в призмах серій 1…3 (призмова міцність Rb=41МПа) створювали наступні рівні напружень: 0,25Rb=10,25МПа; 0,35Rb=14,35МПа; 0,45Rb=18,45МПа, у призмах серії 4 (Rb=53,6МПа) - 0,35Rb=18,5МПа. Експериментальні випробування виконували в лабораторних умовах при середній температурі +170С та відносній вологості 85%.

В результаті виконаних експериментальних випробовувань встановлено, що всі призми в агресивному середовищі при дії постійного стискаючого зусилля зруйнувались внаслідок зменшення розмірів поперечного перерізу і, як наслідок, збільшення напружень в перерізах. Зміна розмірів перерізів проходила практично за лінійною залежністю з деяким прискоренням на початку дії середовища. Площа перерізу при цьому зменшувалась в квадратичній залежності. Форма руйнування призм характерна для центрально-стиснутих бетонних елементів з утворенням пірамід зрізу.

За заміряними в ході випробувань деформаціями побудовано графіки зміни та . При цьому деформації бетону включали деформації від дії стискаючого зусилля, повзучості та усадки (набухання), що показано

Як видно з графіків, при однаковій початковій призмовій міцності діаграми уb _ еb незалежно від початкового рівня напружень практично співпадають. Аналіз отриманих результатів показує, що всі призми в агресивному середовищі при одночасній дії навантаження зруйнувались при напруженнях, менших від призмової міцності бетону уb=0,8…0,91Rb.

Дослідження мікроструктури бетону за допомогою мікроскопа та рентгенофазового аналізу перерізів призм після руйнування показало, що внутрішні шари бетону мають непорушену щільну структуру. Зовнішній шар бетону по периметру перерізів призм був частково деградований, мав корозійні мікротріщини та продукти корозії. Його товщина складала 2…4 мм. Очевидно, що міцність бетону зовнішнього шару була нижчою від початкового значення Rb, а тріщини при дії навантаження служили концентраторами напружень, що і призвело до руйнування призм при напруженнях, нижчих від Rb.

Експериментальними випробуваннями арматурної сталі встановлено, що для зразків з корозійними пошкодженнями, отриманими як без навантаження, так і при дії навантаження не виявлено зменшення характеристик міцності - уу та уu. Однак для зразків, які перебували під одночасною дією корозійного середовища та навантажен-ня, зафіксовано зниження пластичних властивостей. Відносне звуження та відносне видовження зменшились на 20…24 % по відношенню до вихідних зразків без пошкоджень. При цьому суттєво зменшився час від початку пластичної роботи арматурної сталі до руйнування. Таке явище є особливо небезпечним при сейсмічних та інших динамічних впливах, адже значне зменшення часу від початку пластичних деформацій до руйнування одночасно зменшує безпечний час для евакуації людей.

При дії циклічних навантажень з характеристикою асиметрії циклу експериментально зафіксували значне зменшення межі витривалості до МПа (при уу=Rs=319 МПа) при 5Ч107 циклів. Для зразків без корозійних пошкоджень при цій же кількості циклів межа витривалості складала МПа.

Дослідження під мікроскопом шліфів зразків арматури з корозійними пошкодженнями показало, що їх руйнування пройшло внаслідок зародження в вершинах корозійних виразок кількох корозійних тріщин. Для гладких зразків з арматурної сталі без корозійних пошкоджень характерним є зародження однієї тріщини, яка призводить до руйнування.

В четвертому розділі подано результати експериментальних випробовувань залізобетонних балок при одночасній агресивного середовища по всій довжині зразків та навантаження. При цьому вивчали вплив відсотка армування, виду та міцності бетону, рівня початкового навантаження, тривалості дії навантаження і агресивного середовища на параметри міцності, деформативності, тріщиностійкості та інтенсивність протікання корозії.

Характер вичерпання несучої здатності для більшості балок (крім однієї) був однаковим. Руйнування всіх залізобетонних балок пройшло внаслідок вичерпання міцності нормальних перерізів, яке супроводжувалось текучістю робочої арматури з наступним роздробленням стиснутої зони бетону. Причиною було те, що корозія бетону призвела до зменшення розмірів поперечних перерізів та площі стиснутої зони, робочої висоти перерізів, що і викликало значне зростання напружень в арматурі і бетоні. Характер руйнування

В чотирьох балках після текучості робочої арматури відбулось руйнування похилого перерізу і одна балка зруйнувалась внаслідок вичерпання несучої здатності за похилим перерізом до текучості арматури.

Аналіз показав, що причиною руйнування за похилим перерізом була корозія практично всіх поперечних стержнів. Після випробувань балки розрізали і досліджували їх поперечні перерізи

Дослідження показали, що перерізи біля опори були близькі за формою до прямокутних. Перерізи в зоні чистого згину мали овалоподібну форму з найбільшою шириною на рівні верхньої стиснутої і нижньої розтягнутої грані. Отже, із збільшенням напружень в бетоні інтенсивність корозії збільшується. Крім цього, аналогічно до призм, на поверхні перерізів балок виявлено частково деградований шар бетону товщиною 2…4 мм з корозійними тріщинами та продуктами корозії. Внутрішні шари бетону мають непорушену, щільну структуру.

Для всіх дослідних балок було визначено несучу здатність за діючими нормами. Аналіз порівняння експериментальних та розрахункових величин міцності показав, що методика норм у всіх випадках для залізобетонних балок, які перебували в агресивному середовищі при дії навантаження не дозволяє з необхідною точністю визначати їх несучу здатність. Розрахункові величини перевищують експериментальні до 13,7%, тобто норми завищують несучу здатність таких елементів. Це пояснюється впливом зовнішнього частково деградованого шару бетону меншої міцності з продуктами корозії та мікротріщинами, які служать концентраторами напружень. Викликане цим зниження міцності рекомендується враховувати коефіцієнтом умов роботи бетону з корозійними пошкодженнями bc.

Для деформацій бетону та прогинів залізобетонних балок в агресивному середовищі при дії навантаження характерне криволінійне їх наростання. При цьому із збільшенням відсотка армування, а відповідно і величини початкового навантаження, величина деформацій збільшується.

Необхідно зауважити, що деформації бетону крайнього стиснутого волокна на момент руйнування були близькі за величиною до деформацій, визначених на момент руйнування бетонних призм.

При випробуванні залізобетонних балок фіксували утворення, розвиток і ширину розкриття тріщин. Після руйнування відбивали захисний шар і досліджували арматуру на предмет корозії, особливо в місцях розташування тріщин. Було проаналізовано більше ста тріщин. Встановлено, що при ширині розкриття тріщин 0,05 мм корозії арматури не виявлено в 94%. Це пояснюється тим, що при такій ширині розкриття на поверхні бетону біля арматури тріщини практично закриті за рахунок сумісної роботи бетону і арматури. При більшій ширині розкриття виявлено корозію арматури, особливо в місцях зварювання повздовжньої і поперечної арматури. На ділянках між тріщинами встановлено, що навіть при залишковому захисному шарі бетону 5 мм корозія арматури відсутня.

В п'ятому розділі подано результати експериментальних випробувань 18-ти залізобетонних балок. 16 балок мали локальні корозійні пошкодження в зоні “чистого згину”, з них 12 були підсилені, в тому числі 8 під навантаженням.

Балки, які підсилювали, навантажували до початкового рівня 0,3; 0,5; 0,7 (в даному випадку визначали розрахунковим шляхом).

Руйнування залізобетонних балок при дії навантаження в агресивному середовищі з локальними корозійними пошкодженнями пройшло за нормальними перерізами внаслідок текучості арматури з наступним роздробленням стиснутої зони бетону. За аналогічною схемою пройшло і руйнування підсилених після корозії залізобетонних балок. Характер руйнування показано

Аналіз розподілу деформацій бетону по висоті перерізів підсилених балок показав, що на момент руйнування деформації на рівні верху пошкодженого корозією перерізу балок були близькі до граничних, визначених при випробуваннях призм з корозійними пошкодженнями. Деформації бетону на рівні верхньої грані бетону підсилення були менші від граничних, при чому чим вищий був рівень навантаження балок, при якому виконували підсилення, тим менші деформації. Це свідчить про неповне використання фізико-механічних характеристик бетону підсилення, що необхідно враховувати розрахунком.

Необхідно також зауважити, що методика діючих норм як для пошкоджених, так і для підсилених після корозії залізобетонних балок завищує їх розрахункову несучу здатність на 6,4...12%, що не забезпечує надійності результатів розрахунків.

Шостий розділ присвячений розробці інженерних методів розрахунку бетонних, залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями, а також підсилених після корозії залізобетонних балок.

При розрахунку стиснутих елементів запропоновано використовувати поперечний переріз, в якому є внутрішній не пошкоджений корозією бетон з призмовою міцністю та зовнішній частково деградований шар бетону товщиною с із зміненими характеристиками і меншою призмовою міцністю бетону . Для розрахунків рекомендується використовувати приведену призмову міцність бетону:

де , - площа відповідно не пошкодженого і частково деградованого внаслідок корозії бетону; - сумарна площа стиснутого перерізу.

Міцність стиснутих бетонних елементів з корозійними пошкодженнями визначаємо за умовою:

де - коефіцієнт умов роботи бетону з корозійними пошкодженнями, визначений експериментальним шляхом рівним 0,9; _ коефіцієнт, що враховує гнучкість стиснутого елемента.

Розрахункові величини міцності бетонних призм, випробуваних при виконанні даної роботи, задовільно узгоджуються з експериментальними, розбіжність до 5,9%. При цьому розрахункові величини більші від експериментальних.

Тривалі деформації бетонних призм з корозійними пошкодженнями визначали як сумарні: де - деформації бетону при короткочасному навантаженні призм; - деформації бетону, які збільшуються внаслідок приросту напружень в часі внаслідок зменшення поперечного перерізу при корозійних пошкодженнях; - деформації повзучості; - деформації набухання (усадки).

Деформації та визначаємо за діаграмою бетону, прийнятою за ФІП-ЄКБ:

Отримані розрахунковим шляхом повні деформації бетону задовільно узгоджуються з експериментальними даними. При цьому, якщо від експериментальних величин повних деформації бетону відняти деформації повзучості та набухання, отримуємо діаграму - для бетону з корозійними пошкодженнями.

Оскільки експериментальними дослідженнями встановлено, що із збільшенням напружень в бетоні зростає швидкість корозії, запропоновано враховувати це коефіцієнтом інтенсивності корозії , який буде змінюватися в залежності від рівня напружень та наявності стиску чи розтягу. Графік побудовано за запропонованими в дисертації аналітичними залежностями. Як видно, його форма відповідає овалоподібній формі поперечних перерізів балок.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що при низьких рівнях навантажень перерізи балок залишаються практично прямокутними. При високих рівнях навантажень - овалоподібними. В зв'язку з цим запропоновано розглядати розрахунок з двома варіантами перерізів: поперечний переріз після корозійних пошкоджень прямокутної та не прямокутної форми.

При цьому в обох варіантах розрахунковий поперечний переріз складається з не пошкодженого корозією бетону та шару частково деградованого бетону.

1-й варіант. Для оцінки міцності нормальних перерізів як характеристику стиснутої зони бетону використовують приведену призмову міцність .

Висоту стиснутої зони визначають з умови: де - коефіцієнт умов роботи арматури з корозійними пошкодженнями, який на підставі досліджень Москвіна В.М. та Карпенка Г.В. прийнято 0,9.

Оскільки стиснута зона бетону складається з різних за характеристиками міцності та деформативності бетонів, центр ваги її не буде знаходитись на відстані 0,5х, як для однорідних перерізів.

Відстань від верхньої грані до центру ваги приведеного перерізу стиснутої зони бетону:

Міцність нормальних перерізів залізобетонних балок, пошкоджених корозією, перевіряють за умовою:

2-й варіант. Розрахунковий поперечний переріз приймають трапецевидним, що найбільше відповідає овалоподібній формі (

Центр ваги стиснутої зони визначаємо аналогічно, як і в 1-му варіанті. Міцність нормальних перерізів перевіряємо за умовою:

Розрахунок за наведеними формулами дає задовільну збіжність з експериментальними даними (див. табл. 1). Розбіжність не перевищує 5%, для окремих балок 14,7%...17,6%. При цьому розрахункові величини є меншими від експериментальних.

За аналогічним принципом пропонується виконувати розрахунок міцності нормальних перерізів залізобетонних балок, підсилених після корозії. Оскільки поперечний переріз балки складається з бетону балки з корозійними пошкодженнями та бетону підсилення при розрахунках використовуємо приведену міцність бетону: де - сумарна площа стиснутої зони бетону, - площа пошкодженого корозією бетону стиснутої зони та площа бетону відновлення в межах стиснутої зони.

Центр ваги стиснутої зони бетону знаходимо, як для приведеного перерізу. Міцність нормальних перерізів залізобетонних балок, підсилених після корозії, перевіряємо за умови: де , - коефіцієнти умов роботи бетону та арматури при підсиленні під навантаженням, які рекомендується приймати (проміжкові значення за інтерполяцією).

Для розрахунку міцності похилих перерізів, деформативності і тріщиностійкості залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями та підсилених після корозії пропонується користуватись розрахунковими формулами діючих норм з використанням в них приведених характеристик бетону і визначених відносно за таблицями норм ; ; ; . Розбіжність розрахункових і експериментальних величин не перевищує 12%.

В сьомому розділі розглянуто моделювання напружено-деформованого стану залізобетонних балок при дії агресивного середовища та навантаження.

При моделюванні корозійних процесів в залізобетонному елементі в основу покладено закономірності протікання дифузії агресивного середовища в пористий простір бетону і, як наслідок, руйнування бетону при наступних хімічних реакціях (розчинення), що відбуваються між складниками бетону та хімічно активними речовинами агресивного середовища. Основною характеристикою агресивного середовища є його концентрація. За початкову величину прийнята концентрація С0. На межі частково пошкодженого корозією бетону концентрація буде мати величину С1 і на межі не пошкодженого корозією бетону - С2. Основною характеристикою проникнення агресивного середовища в бетон прийнятий коефіцієнт дифузії, який змінюється в залежності від виду бетону, його характеристик, а також виду агресивного середовища та його фазового складу (газ, рідина, тверде тіло). Коефіцієнт дифузії пошкодженого корозією бетону позначено D1, не пошкодженого - D2.

На першому етапі пропонується визначати глибину повних корозійних пошкоджень бетону дк на основі розв'язання рівнянь, визначених за законом Фіка:

Глибину повністю зруйнованого корозією і деградованого бетону д визначаємо за допомогою розв'язання рівнянь другого закону Фіка і задач Стефана про дифузію агресивної речовини:

Виведені рівняння (16) та (17) стосуються елементів, в яких відсутні напруження. При дії стискаючих чи розтягуючих напружень величини д та дk необхідно домножувати на відповідний коефіцієнт інтенсивності корозії kc.

В основу визначення параметрів напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями покладена деформаційна модель з представленням балки, як дискретної системи. Прийнято, що балка ділиться на i ділянок по довжині та j шарів по висоті перерізів. Приймається, що в утворених таким чином елементарних ділянках напружено-деформований стан однаковий. Поперечні перерізи балок складаються з внутрішнього не пошкодженого корозією бетону та зовнішнього частково деградованого шару бетону зі зміненими фізико-механічними характеристиками. При цьому забезпечується сумісна роботи в перерізі двох бетонів. Розрахунковий поперечний переріз подано

Арматуру розтягнутої та стиснутої зон балки прив'язують до перерізу на рівні центрів ваги з величинами захисних шарів а та а'. Необхідно зауважити, що із зменшенням висоти перерізу внаслідок корозії величини а та а' зменшуються.

Крім цього, в основу моделювання були покладені такі положення: зв'язок між напруженнями і деформаціями бетону та арматури подають у вигляді реальних діаграм -; розподіл деформацій по висоті перерізів відбувається згідно з гіпотезою плоских перерізів; приймають умову сумісності деформацій не пошкодженого корозією бетону перерізів, частково деградованого бетону та арматури; в розрахунках використовують принцип незалежної дії різних силових та несилових чинників; деформації усадки і повзучості визначаються за залежностями теорії усадки і повзучості з урахуванням впливу корозійних пошкоджень і сумують з деформаціями, які виникають від дії навантаження; всі характеристики напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями визначають ітераційним методом послідовних наближень.

Визначення напружено-деформованого стану залізобетонних балок при одночасній дії навантаження та агресивного середовища виконували за блок-схемою. Обчислення виконували в такій послідовності:

- задавали рівень навантаження , що діє на балку і починали відлік часу одночасної дії навантаження і агресивного середовища

- визначали глибину корозійних пошкоджень залізобетонної балки (п.4) за формулами (16, 17) з врахуванням коефіцієнтів інтенсивності корозії , який обчислювали в залежності від величини напружень в бетоні та наявності стиску чи розтягу;

- з врахуванням глибини корозійних пошкоджень визначали ширину кожного елементарного шару по висоті перерізів (п.5) та їх площі . Визначали геометричні характеристики перерізів залізобетонних балок , , з врахуванням корозійних пошкоджень та реальних січних модулів бетону та арматури (п.6):

- обчислювали деформації бетону та арматури (п.7):

Деформації повзучості і усадки (набухання) (п.8) визначали з врахуванням корозійних пошкоджень згідно залежностей (5), (6), (7);

- перевіряли умову неперевищення деформацій граничних величин в бетоні та арматурі , встановлених за відповідними діаграмами (п.9). Одночасно перевіряли умову неперевищення деформацій розтягу в шарах розтягнутої зони балки граничних значень . При перевищенні в якомусь із шарів величини вважали, що в шарі пройшла тріщина, модуль деформацій прирівнювали нулю і він виключався з роботи відповідного перерізу. При перевищенні деформацій бетону або арматури граничних величин відповідно та вважали, що балка вичерпала свою несучу здатність за міцністю нормальних перерізів, результати обчислень виводили на друк (п.19) і розрахунок закінчувався;

- якщо деформації в бетоні і арматурі не перевищували граничні значення, визначали сумарні деформації бетону (п.11):

Їх значення на даному етапі обчислень запам'ятовували (п.12), за діаграмами визначали напруження в бетоні і арматурі та коригували відповідні січні модулі

- уточнювали геометричні характеристики перерізів (п. 14) та деформації бетону і арматури. Визначені деформації порівнювали з величинами деформацій, визначених на попередньому етапі обчислень (п.10). Якщо збіжність не перевищувала 1% (), розрахунок для даного терміну часу закінчували. Далі визначали прогини балки (п.16), виводили на роздрук необхідні результати, термін часу збільшували на 1 день і розрахунки для нового відліку часу повторювали згідно описаного за блок-схемою алгоритму. Розрахунки продовжували доки деформації бетону або арматури не перевищували граничних , , що вважається руйнуванням балки.

Розрахунки за даною методикою показали задовільну збіжність результатів з експериментальними даними. Розбіжність не перевищувала 12%.

З використанням описаної методики виконано чисельний експеримент, в результаті якого вибрано оптимальні параметри залізобетонної балки в агресивному середовищі в залежності від зміни відсотка армування, товщини зовнішнього частково деградованого шару бетону, міцності бетону, інтенсивності корозії, рівня навантаження.

Висновки

1. Корозія бетону, арматури, залізобетонних конструкцій достатньо широко досліджена. Однак відносно незначна кількість робіт стосується вивчення корозійних процесів при дії навантаження та їх впливу на зміну параметрів напружено - деформованого стану конструкцій при одночасній дії агресивного середовища та навантаження. Відсутня також єдина методика розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями з використанням її в нормах проектування. Для вирішення цих питань необхідно виконати додаткові експериментально-теоретичні дослідження впливу корозії на бетонні та залізобетонні конструкції при дії навантаження.

2. Розроблено методику експериментальних випробовувань бетону, арматури та залізобетонних балок при одночасній дії агресивного середовища та навантаження для дослідження параметрів міцності, деформацій, тріщиностійкості з врахуванням впливу корозії та тривалих процесів. Розроблено методику відновлення та підсилення залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями під навантаженням, а також методику експериментальних досліджень підсилених балок. Розроблені методики були використані при виконанні експериментальних досліджень, викладених в даній роботі, що дало змогу отримати нові експериментально встановлені параметри напружено-деформованого стану залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями.

3. Виконано експериментальні дослідження бетонних призм при одночасній дії агресивного середовища та постійного за величиною стискаючого зусилля, якими встановлено, що їх руйнування відбулось внаслідок наявності корозійних пошкоджень бетону та зменшення поперечного перерізу. Напруження в бетоні при руйнуванні були меншими від величини призмової міцності бетону на 10...12%. Встановлено, що по контуру перерізу наявний частково деградований шар бетону товщиною 2...4 мм з корозійними мікротріщинами та продуктами корозії.

4. Експериментально-теоретичним шляхом отримано діаграми - бетону з корозійними пошкодженнями. Граничні деформації бетону з корозійними пошкодженнями, які відповідають призмовій міцності бетону в порівнянні з бетоном без корозійних пошкоджень були менші на 18% для бетонів з МПа і на 11,8% для бетону з МПа.

5. Експериментальними випробуваннями зразків арматурної сталі в агресивному середовищі при дії статично прикладеного зусилля розтягу встановлено, що корозійні пошкодження незначно впливають на характеристики міцності. При цьому зафіксовано зменшення величини відносного звуження та відносного видовження на 20...24%. При дії циклічних навантажень в агресивному середовищі при корозійні пошкодження приводять до значного зменшення межі втоми до 20...24% від межі текучості арматури вихідних зразків, що в 2...3 рази нижче межі втоми зразків без корозійних пошкоджень.

6. Виконаними експериментальними дослідженнями залізобетонних балок в агресивному середовищі при дії навантаження різного початкового рівня 0,3...0,75 встановлено, що їх руйнування проходить від корозії при значному зменшенні розмірів поперечного перерізу внаслідок текучості арматури з наступним роздробленням стиснутої зони бетону. При цьому поперечні перерізи після руйнування мали овалоподібну форму з найменшими розмірами в місцях найбільших стискаючих та розтягуючих напружень. По контуру перерізів, як і в бетонних призмах, виявлено частково деградований шар бетону товщиною до 4 мм з наявними корозійними мікротріщинами та продуктами корозії.

7. За розробленою методикою виконано відновлення та підсилення залізобетонних балок після корозії при дії навантаження шляхом влаштування залізобетонної обойми з попередньою обробкою поверхні конструкції та використанням зчеплюючого шару між новим і старим бетоном. Експериментальними випробуванням підсилених після корозії залізобетонних балок встановлено, що незалежно від рівня початкового навантаження в усіх зразках забезпечена надійна сумісна робота існуючого бетону балок та нового бетону підсилення. Цьому сприяло використання при підсиленні зчеплюючого шару та бетону підсилення з низькими деформаціями усадки, внаслідок чого контактні напруження практично відсутні.