УДК 624.072.2.012.4.042:620.193 Мигунов Виктор Николаевич ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет

УДК 624.072.2.012.4.042:620.193
Мигунов Виктор Николаевич
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства», Россия, Пенза,
к.т.н., доцент кафедры «Городское строительство и архитектура»
Овчинников Игорь Георгиевич
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.», Россия, Саратов,
д.т.н., профессор кафедры «Транспортное строительство»
Шамшина Ксения Викторовна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства», Россия, Пенза,
аспирант кафедры «Строительные конструкции»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЖИДКИХ
ХЛОРИДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И КОРРОЗИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ
АРМАТУРЫ В РАСЧЁТНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИНАХ БЕТОНА
Аннотация. С помощью разработанных методик проведены длительные
экспериментальные исследования кинетики прогибов в зоне чистого изгиба, ширины
раскрытия поперечных трещин, а также характеристик коррозионного поражения
арматуры в поперечных трещинах бетона на прямых моделях изгибаемых
железобетонных конструкций в условиях воздействия переменной нагрузки и жидкой
хлоридсодержащей среды.
Ключевые слова: железобетонные конструкции, прямые модели, бетон, арматура,
переменная ступенчатая повторная нагрузка, жидкая хлоридсодержащая среда, коррозия,
расчётные поперечные трещины, коррозионные продольные трещины, ширина раскрытия
трещин, прогибы, характеристики коррозии арматуры.
Migunov Viktor Nikolaevich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education
«Penza State University of Architecture and Construction», Russia, Penza,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department
of «Urban construction and architecture»
Ovchinnikov Igor Georgievich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of «Transport Construction»
Shamshina Kseniya Victorovna
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education
«Penza State University of Architecture and Construction», Russia, Penza,
Postgraduate student at the Department of «Building construction»
EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF LIQUID CHLORIDE
ENVIRONMENTS ON THE DEFORMATION
PROPERTIES OF REINFORCED CONCRETE ELEMENTS
AND CORROSION DAMAGE OF REINFORCEMENT IN THE
CALCULATED TRANSVERSE CRACKS OF CONCRETE
Annotation. Using techniques developed by experimental studies conducted long kinetics
of deflections in the area of pure bending, the width of the opening of transverse cracks, as well
as the characteristics of corrosion damage reinforcement in the transverse cracks in the concrete
direct models of bent reinforced concrete structures under conditions of variable loads and liquid
chloride-containing environments.
Keywords: reinforced concrete structures, straight pattern, concrete, rebar, variable speed
re-load liquid chloride-containing environments, corrosion, the calculated transverse cracks,
corrosion, longitudinal cracks, the crack opening width, deflection characteristics of
reinforcement corrosion.
Наибольшую опасность для долговечности железобетонных конструкций
представляют жидкие среды, содержащие хлорид-ионы [1]. Главной причиной снижения
долговечности железобетонных транспортных мостов до ограниченного трудоспособного
состояния является коррозия арматуры [2].
Практически все строительные железобетонные конструкции в процессе
эксплуатации имеют расчётные силовые поперечные трещины в защитном слое бетона, по
которым агрессивная среда легитимно поступает к поверхности арматуры.
В расчётных поперечных трещинах бетона наибольшую коррозионную опасность
для арматуры представляют периодически воздействующие жидкие среды, содержащие
хлорид-ионы, вызывающие протекание наиболее интенсивного электрохимического
процесса на её поверхности.
В настоящее время представления о деталях механизма коррозии арматуры в
поперечных трещинах бетона и его контролирующих факторах имеют качественный
характер, из-за недостаточного объёма научных данных о нём [3]. Поэтому объективными
научными
результатами
для
железобетонных
конструкций,
состоящих
из
многокомпонентных материалов, являются данные экспериментальных исследований
коррозионного процесса арматуры в поперечных трещинах бетона, полученные на
прямых моделях железобетонных конструкций, по сравнению с теоретическими
исследованиями [1].
По сравнению с другими видами переменного загружения, эксплуатационные
переменные ступенчатые повторные нагрузки с высоким уровнем нагружения σ mах > 0,6
Rв,б в наибольшей степени увеличивают деформативность железобетонных элементов при
одновременном снижении их долговечности [3, 4]. Циклическое переменное раскрытие
ширины поперечной трещины вызывает снижение щелочности не только бетона стенок
поперечных трещин, но и бетона в зоне влияния поперечных трещин вдоль поверхности
арматурного стержня периодического профиля со скоростью 1-2 мм в год [6].
Для изучения влияния циклических переменных силовых воздействий на кинетику
величины прогибов и ширины раскрытия силовых поперечных трещин в зоне чистого
изгиба обычных железобетонных конструкций
и характеристики коррозионного
поражения арматуры в поперечных трещинах бетона с помощью разработанных методик
проведены два длительных экспериментальных исследования на прямых моделях
изгибаемых железобетонных элементов в условиях воздействия жидких агрессивных сред,
содержащих хлорид-ионы, и переменной эксплуатационной нагрузки.
В первом экспериментальном исследовании изучалось влияние длительной
переменной ступенчатой повторной нагрузки с высоким уровнем загружения на
изменение кинетики величины прогибов и ширины раскрытия поперечных трещин в зоне
чистого изгиба при верхнем и нижнем уровнях действующей переменной нагрузки при
раздельном воздействии на каждый из двух опытных образцов неагрессивной и
агрессивной жидкой хлоридсодержащей среды [1].
В
эксперименте использовались три независимых параметра переменной
ступенчатой повторной нагрузки в цикле загружения: относительное время действия
t M max
максимальной нагрузки в периоде цикла  
, уровень загружения минимальной
tЦ
M min
и продолжительность цикла переменной нагрузки (tц), принимаемых
M max
на четырех уровнях.
Образцы испытывали периодическое увлажнение поверхности бетона жидкой
хлоридсодержащей средой не менее шести раз в сутки. Образец под номером Б 20
увлажнялся 3%-ным раствором NaCℓ, для получения коррозионного процесса на
поверхности арматуры в поперечных трещинах бетона. Образец под номером Б19
увлажнялся раствором 1,5 % NaNO2+1,5 % NaCℓ. Присутствие в растворе ингибитора
коррозии арматуры нитрит- натрия позволяет не допустить коррозионный процесс на
поверхности арматуры в поперечных трещинах бетона, при наличии в растворе хлоридионов [5].
Полученные результаты экспериментальных исследований показывают, что в
начальный период испытания образцов в жидкой агрессивной и неагрессивной средах
наблюдается уменьшение acrc (рис.1), за счёт процесса набухания бетона.
нагрузкой  
Рис.1. Кинетика ширины раскрытия поперечных трещин в защитном слое бетона
на балках Б19, Б20 при действии переменной ступенчатой повторной нагрузки
Параметры нагрузки:   0, 2;   0,533; tц  3,5 суток : ромбы и треугольники –
соответственно от действия максимальной (0,77Мразр) и минимальной (0,41Мразр)
нагрузки для образца Б20 (агрессивные условия: раствор 3 % NaCl),
квадраты и кресты - для образца Б19
(неагрессивные условия: раствор 1,5 % NaNO2+1,5 % NaCl)
Вследствие набухания бетона суммарное усилие в бетоне сжатой зоны становится
меньше, в результате плечо внутренней пары сил в поперечном сечении образцов
увеличивается с соответствующим эффектом снижения напряжения в арматуре. При
этом уменьшается и величина аcrc .
В агрессивной среде продукты коррозии вызывают уменьшение величины
амплитуды изменения ширины раскрытия поперечных трещин при действии верхнего и
нижнего уровней нагрузки, в отличие от их влияния на значения прогибов (рис. 2).
После появления волосяных коррозионных продольных трещин (ат = 15 25 мкм) в
защитном слое бетона балок, испытывающих воздействие переменной нагрузки и
агрессивной жидкой среды, натурная часть экспериментального исследования была
завершена.
Нормативная ширина между непродолжительным  acrc1  и продолжительным
 acrc 2 
раскрытием поперечных трещин для всех групп арматурной стали и различных
степеней агрессивного воздействия жидкой агрессивной среды унифицирована и
составляет 50 мкм, согласно положениям СНиП 2.03.11-85* «Защита строительных
конструкций от коррозии» и ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных
конструкций от коррозии. Общие технические требования».
Рис. 2. Кинетика изменения прогибов балок Б19, Б20 в зоне чистого изгиба
при действии переменной ступенчатой повторной нагрузки. Параметры нагрузки:
  0, 2;   0,533; tц  3,5 суток : ромбы и треугольники – соответственно от действия
максимальной (0,77Мразр) и минимальной (0,41Мразр) нагрузки для образца Б20
(агрессивные условия: раствор 3 % NaCl), квадраты и кресты – для образца Б19
(неагрессивные условия: раствор 1,5 % NaNO2+1,5 % NaCl)
Изучение влияния дифференцированной величины амплитуды изменения ширины
раскрытия поперечных трещин (асrс1 – асrс2) на коррозионное состояние арматуры в
расчётных поперечных трещинах бетона при действии переменной изгибающей нагрузки
и жидкой агрессивной среды, содержащей хлорид-ионы, происходило во втором
длительном эксперименте на девяти прямых моделях обычных железобетонных
конструкций [4].
Научный эксперимент проведён в лабораторных условиях в течение 183 суток при
регулярном шестиразовом увлажнении в течение суток 3 %-ным раствором NaCl
поверхности бетона образцов с геометрическими размерами 200020070 мм и одиночной
несущей арматурой диаметром 14 мм класса А-III до кратковременного увеличения
ширины раскрытия поперечных трещин в зоне чистого изгиба асrс2 = 0,20 мм на трёх
балках в каждой из трёх серий соответственно на 0,05; 0,10 и 0,15 мм, то есть до асrс1 =
0,25 мм; асrс1 =0,30 мм; асrс1 =0,35 мм [4].
Характеристики коррозионного поражения арматуры в зоне чистого изгиба
определялись после вскрытия в бетоне не менее шести поперечных трещин определенной
ширины раскрытия по следующим показателям: площади S и длине ℓ участка поражения,
максимальной и средней глубине язв δmax и δcp, относительной величине поражения по
периметру стержня Р. Изменение величины характеристик коррозионного поражения
арматуры в поперечных трещинах бетона в зависимости от амплитуды их колебания
представлено на рис. 3.
Рис. 3. Изменение характеристик коррозионного поражения арматуры в поперечных
трещинах бетона в зависимости от относительной амплитуды изменения ширины
раскрытия трещин А: 1, 2, 3, 4, 5 – соответственно средняя и максимальная глубина
коррозии δ (площадь S, длина ℓ и относительная величина
поражения по периметру стержня Р
Полученные результаты экспериментального исследования показывают, что при
нормировании асrс при переменном раскрытии поперечных трещин необходимо учитывать
не только абсолютную, но и относительную величину амплитуды изменения ширины
раскрытия трещин А=( асrс1 - асrс2)/ асrс2. Основанием для данного заключения является
анализ графических функциональных изображений на рис.3, показывающих, что
значительное увеличение показателей коррозионного поражения арматуры наблюдается
при относительной величине амплитуды изменения ширины раскрытия поперечных
трещин А ≥ 0,5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое моделирование армированных
конструкций в условиях коррозии: моногр. / В.Н. Мигунов, И.И. Овчинников, И.Г.
Овчинников. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 362 с.
2. Маринин А.Н. Сопротивление железобетонных конструкций воздействию
хлоридной коррозии и карбонизации / А.Н. Маринин, Р.Б. Гарибов,И.Г. Овчинников. –
Саратов: ИЦ «Рата», 2008. – 259 с.
3. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и
долговечности железобетонных конструкций с трещинами: моногр.: в 2 ч. / В.Н. Мигунов.
– Пенза: ПГУАС, 2013. - Ч. 1. - 332с.
4. Мигунов В.Н. Экспериментально-теоретическое исследование коррозии и
долговечности железобетонных конструкций с трещинами: моногр.: в 2 ч. / В.Н. Мигунов.
– Пенза: ПГУАС, 2013. - Ч. 2. – 304 с.
5. Новгородский В.И. Метод определения эффективности ингибиторов коррозии
стали в трещинах бетона/ В.И. Новгородский, А.Б. Островский, В.Н. Мигунов //
Методические рекомендации по исследованию ингибиторов коррозии арматуры в бетоне.
– М.: НИИЖБ, 1980. – С. 18-24.
6. Степанов С.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций,
работающих в агрессивных средах, с учётом коррозионного износа рабочей арматуры:
дис…. канд. техн. наук / С.Н. Степанов. – Н. Новгород, 2005. – 180с.