Особенности работы железобетонных конструкций в условиях замораживания и оттаивания

Более полувека вопрос обеспечения стойкости железобетонных конструкций в условиях естественного или технологического воздействия отрицательных температур остается актуальным. Выдвинуто немало гипотез, имеющих целью объяснить физические закономерности морозной деструкции, накоплен большой экспериментальный материал, позволяющий ввести нормативные требования по проектированию железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях низкотемпературных воздействий. Налицо серьезные подвижки в научном понимании процессов морозного, разрушения и разработки практических мер по их реализации на этапах принятия проектных решений.

Однако, при обследованиях железобетонных свай, проведенных в районах с суровыми климатическими условиями [7,44,51,66], было обнаружено значительное количество повреждений. Наиболее характерные дефекты, отмеченные во всех работах это — разрушение защитного слоя, коррозия бетона и арматуры, разрушение бетона на контакте с поверхностными слоями грунта. Появление дефектов обнаруживалось после непродолжительного периода эксплуатации.

В работе [71] приведены результаты обследований Широковской и Иркутской ГЭС. В ней указывается на развитие значительных коррозионных процессов в наиболее загруженных участках подпорных стенок в зоне попеременного уровня воды уже на третьем году эксплуатации.

В исследованиях [76] дан анализ технического состояния конструкций, стадиона «Труд» в г. Иркутске. Отмечено, что за 20 лет эксплуатации, бетон конструкций, подвергаемых систематическому воздействию климатических температур, значительно понизил свою прочность, часть арматуры полностью уничтожена коррозией. Анализ обнаруженных дефектов и повреждений железобетонных конструкций показал, что значительная их часть является последствием влияния низкотемпературных и влажностных воздействий.

Обследования железобетонных железнодорожных и автодорожных мостов, свай теплотрассы, ограждающих панелей жилых домов, проведенные сотрудниками Технического института ЯГУ (г. Нерюнгри) показали существенные повреждения бетона конструкций. На участке Амуро-Якутской магистрали (участок станций Тында-Угольная) было, обследовано 20 железобетонных мостов (94 мостовые балочные разрезные системы без предварительного напряжения), со сроком эксплуатации 10.20 лет. Марка бетона по прочности на сжатие железобетонных балок М300, М400, марка бетона по морозостойкости Р300.

Несмотря на высокие качественные показатели бетона, было обнаружено отслоение и разрушение защитного слоя бетона, коррозия бетона, в виде высо-лов и ржавых потеков, (рис. 0.1) коррозия арматуры.

Известно [16,70,71], что в зимний период при температуре воздуха около минус 10 °C на вертикальных бетонных поверхностях, находящихся под воздействием солнечной инсоляции температура близка к 0 °C или положительна.

Рис. 0.1. Железобетонный железнодорожный мост.

Коррозия бетона в виде высолов и ржавых потеков.

Рис. 0.2. Железнодорожный железобетонный мост.

Хаотично расположенные трещины, находящиеся на стороне мостовой балки, подверженной солнечной инсоляции.

Следовательно, на бетонных поверхностях, обращенных на юг, может происходить оттаивание. Влияние таких температурно-влажностных условий на бетон приводит к возникновению поверхностных хаотично расположенных трещин. Подтверждением вышесказанному служит сравнение результатов обследований поверхностей мостовых железобетонных балок, которые подверглись солнечной инсоляции (рис. 0.2) с остальными балками мостов (рис. 0.3).

Прочность бетона, проверяемая неразрушающим методом контроля (прибор «Оникс-2.3»), с южных сторон пролетных строений снизилась на 28%, по сравнению с прочностью бетона элементов северной ориентации.

На обследуемых автодорожных мостах, в основном, были выявлены те же дефекты и повреждения бетона, как и на железнодорожных железобетонных мостах. На некоторых мостах, под влиянием наледи, были разрушены-опорные подушки под пролетными строениями (рис. 0.4). Характер повреждений и условия эксплуатации позволяют считать, что они обусловлены циклическими температурно-влажностными воздействиями (рис. 0.7.0.10).

С целью установления основных видов разрушений свай III очереди теплотрассы Нерюнгринской ГРЭС и выявления причин их возникновения, проводились работы по обследованию их технического состояния. Теплотрасса была построена в 1986 г., длина обследуемого участка составляла 700 м. Всего было обследовано 1440 железобетонных сваи. Классификация дефектов свай теплотрассы и частость их возникновения представлены в таблице 1.

Рис. 0.3. Железнодорожный железобетонный моет.

Поверхность мостовой балки, ориентированная на север

VЦъ * *.

-. >1.

Рис. 0,4, Автодорожный железобетонный мост.

Разрушение опорЕюй подушки под пролетным строением.

Рис. 0.5. ГП-очередь теплотрассы Мерюнгринской ГРЭС.

Разрушение защитного слоя бетона от поверхности земли на высоту 50 см.

Рис. 0.6. Жилой дом в г. Нерюнгри,.

Морозная коррозия бетона на балконной панели первого этажа.

Рис. 0.7. Железнодорожный железобетонный мост.

Коррозия бетона и арматуры. Разрушение защитного слоя бетона.

Рис. 0.8. Улица г. Нерюнгри. Разрушение бетона бордюрных камней.

Рис. 0.9. Автодорожный мост череч реку Аммунакта.

Высолы на поверхности железобетонной балки.

Рис. 0.10. Автодорожный мос т через реку Чульман.

Коррозия бетона. Отслоение защитного слоя.

Таблица 1.

Дефекты свай теплотрассы п/п Наименование дефекта Кол-во свай, шт/ %.

1 Частично или полностью разрушен защитный слой бетона свай 222/15.

2 Оголение и коррозия рабочей и конструктивной арматуры 378/ 26,3.

3 Нормальные, продольные и поперечные трещины с шириной раскрытия до 7 мм 133/ 9,3.

4 Уменьшение сечения сваи 57/4,1.

На сваях, расположенных в русле рек, на высоту от поверхности земли до 50 см, происходит интенсивное разрушение защитного слоя бетона (рис. 0.5). Такой характер повреждения свай можно объяснить усилением перемещения влаги в верхнюю часть свай при замораживании, т.к. при неравномерном промораживании твердых тел, вода, находящаяся в порах и капиллярах бетона, мигрирует в сторону более холодных зон [67]. В зимний период, при промораживании верха свай влага в бетоне перемещается из нижней части в верхнюю. Миграция влаги увеличивает степень водонасыщения бетона верха свай и способствует развитию гидравлического давления в теле бетона. Сваи, расположенные вне реки таких повреждений не имеют.

Результаты обследований балконных панелей первых этажей жилых домов г. Нерюнгри показали (рис. 0.6), что значительное количество повреждений бетона морозной коррозией имеют панели, где происходит паровыделение из продух цокольного этажа.

Подобные дефекты и повреждения конструкций имеют место и в других районах республики Саха (Якутия). Обследования показывают [14], что около 2/3 из них имеют внешние дефекты, повреждения, значимые изменения показателей конструктивных свойств материалов, что является косвенным свидетельством снижения их эксплуатационных качеств. Особо следует подчеркнуть, что признаки разрушений обнаруживаются через 5. 10 лет эксплуатации, т. е. значительно раньше нормируемого срока долговечности.

Все вышеизложенные факты являются следствием с одной стороны, явной недостаточности существующей системы расчетных, конструктивных и организационно-технологических мер по предотвращению (снижению скорости) морозной деструкции железобетонных конструкций, а с другой — практической невозможности учета в настоящее время влияния всех факторов ее определяющих. Необходимо дальнейшее накопление экспериментальных данных по поведению конструкций в реальных условиях и разработка на их основе моделей, позволяющих наиболее адекватно их оценить.

Последние предложения крупнейших российских ученых в области развития железобетонных конструкций (Звездов А.И., Залесов A.C., Мухамедиев Т. А., Чистяков Е. А., Карпенко Н. И., Ларичева И. Ю. и др.) основаны на использовании деформационных моделей (зависимости, а — е) для бетонов и арматуры, как интегральных характеристик механических свойств материалов и динамики их структурных модификаций при различных внешних воздействиях. В настоящем исследовании предпринята попытка получить экспериментальное подтверждение возможности и целесообразности (достоверности) оценки последствий температурно-влажностных воздействий посредством совместного изучения основных параметров деформационных моделей бетонов. При этом, исходя из практической необходимости, применены режимы внешних воздействий наиболее вероятных для климатических условий строительных районов республики Саха (Якутия).

Целью работы являлось установление статистических закономерностей изменения несущей способности изгибаемых элементов, подвергаемых циклическому замораживанию и оттаиванию с переходом и без перехода максимальных температур в область положительных значений.

При этом было необходимо:

• установить статистические и причинно-следственные связи отказов, дефектов и повреждений железобетонных конструкций, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, с наиболее вероятными значениями температуры и влажности;

• оценить структурные изменения в бетонах, подвергаемых циклическому замораживанию и оттаиванию, посредством экспериментально определяемых диаграмм ст-е в условиях постоянной скорости деформирования;

• выполнить экспериментально-аналитические исследования вероятных изменений прочности изгибаемых элементов различного уровня (коэффициентов) армирования в условиях циклических температурно-влажностных воздействий.

Научную новизну работы составляют:

• гипотеза о возможности использования полных диаграмм деформирования бетонов аь (0 — £ь (0 в качестве обобщенной характеристики изменений структуры бетона, подвергнутого неблагоприятным воздействиям внешней среды;

• результаты анализа и статистико-вероятностного обобщения экспериментальных и модельных исследований бетонов и железобетонных элементов;

• представления об определяющем влиянии конструктивных особенностей железобетонных элементов на изменение их значимых показателей работоспособности при низкотемпературных воздействиях.

Практическое значение работы состоит в.

• разработке системного подхода к прогнозированию изменений несущей способности железобетонных элементов в суровых климатических условиях, включая оценку агрессивности среды, определение структурно-деформативных характеристик бетонов и прочности элемента по нормальному сечению с учетом вероятного характера разрушения;

• реализации разработанной методики и модели поведения бетона при многочисленных обследованиях мостов, зданий и сооружений в различных регионах республики Саха (Якутия).

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции «Проблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южно-Якутского региона» (г. Нерюнгри, 1996 г.) — научно-практической международной конференции «Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона» (г. Нерюнгри, 1998 г.) — научно-практической городской конференции «Проблемы освоения и перспективы развития Южно-Якутского региона» (г. Нерюнгри, 2001 г.) — IV-й научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука — Южно-Якутскому региону» (г. Нерюнгри, 2002 г.) — УН-й Международной научно-практической конференции «Био-сферосовместимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой» (г. Пенза, 2002 г.) — научно-практических конференциях, проходивших в ИрГТУ (г. Иркутск) в 2001;2002 гг.- научно-практической конференции «Вопросы проектирования и строительства транспортных объектов в условиях республики (Саха)» (Якутск, 2003).

Публикации:

• Попов В. М., Туркина И.В.(Хомякова) К вопросу о совершенствовании региональных норм проектирования/ТПроблемы и перспективы освоения природных ресурсов Южно-Якутского региона. Сб. науч. тр. Якутск 1996 г.

• Туркина И. В. (Хомякова) Железобетонные мосты Амуро-Якутской железнодорожной магистрали//Физико-технические проблемы освоения и развития Южно-Якутского региона. Сб. науч. тр. Якутск 1998 г.

• Хомякова И. В. Влияние циклических колебаний температур в отрицательном диапазоне на прочность бетона/УПроблемы освоения и перспективы развития Южно-Якутского региона. Сб. науч. тр. г. Нерюнгри 2001 г.

• Попов В. М., Хомякова И. В. Влияние перепадов температур в отрицательном диапазоне на прочность бетона // Биосферосовместимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой. Сборник материалов УН-й Международной научно-практической конференции. — г. Пенза, 2002 г.

• Хомякова И. В. Влияние циклических колебаний температур на несущую способность изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям// Сб. науч. тр. г. Нерюнгри 2001 г.

• Попов В. М., Хомякова И. В., Пинус Б. И. Влияние армирования на стойкость изгибаемых железобетонных конструкций при температурно-влажностных воздействиях // Актуальные проблемы современной науки: Сборник трудов 4-й Международной конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и докторантов / Технические науки. Части 18−20 Архитектура, строительство, транспорт. — г. Самара, 2003. — С. 53−55.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 137 страницах компьютерного набора, в том числе 103 страницы текста, 24 рисунков, 34 таблиц.

Список литературы

включает 108 наименований.

Выводы по главе.

1. Расчет прочности изгибаемых элементов по деформационным моделям с использованием реальных диаграмм деформирования бетона и стали позволяет более полно и дифференцировано учитывать структурные изменения, которые в них происходят при любых температурно-влажностных воздействиях.

2. Конструктивные особенности элемента (коэффициент армирования, класс арматуры, форма сечения и др.) при прочих равных условиях являются важнейшими факторами, определяющими его напряженно-деформированное состояние и степень влияния на него циклических низкотемпературных воздействий ЦЗО (ЦЗ) практически не сказывается на изменениях прочности конструкций, если их армирование составляет менее 60.70% от граничных значений. При большей насыщенности сечения арматурой снижение момента, воспринимаемого элементом, почти тождественно снижению прочности бетона (см. также п. 5 выводов данной главы).

3. Циклическое замораживание и оттаивание (в меньшей степени ЦЗ) ведут к такой модификации структуры бетона, которая характеризуется постепенным снижением его способности к пластическому деформированию. Следствием этого, является уменьшение полноты эпюры напряжений в бетоне сжатой части сечения, рост ее высоты и, как следствие, рост вероятности хрупкого разрушения.

4. ЦЗО и ЦЗ ведут к снижению величины граничного армирования, что должно быть учтено в расчетах конструкций, эксплуатируемых в сейсмических районах и в районах с суровыми климатическими условиями.

5. Напряжения в арматуре растянутой зоны в предельном состоянии изгибаемых элементов существенно зависят от способности к деформированию сжатого бетона. Для достижения текучести арматуры при обычно используемых коэффициентах ц=0,5.2,0%, величина предельной сжимаемости бетонов (сумма участков 8ы + бьг) не должна быть меньше 4×10″ 3. Этот показатель может рассматриваться и как один из ограничительных критериев исчерпания морозостойкости бетонов.

4. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1. Обоснование необходимости статистического обобщения экспериментальных данных.

Одним из важнейших эксплуатационных данных железобетонных конструкций для рассматриваемых в настоящей работе климатических условий является надежность, составляющими параметрами которой, согласно ГОСТ 1 377 775, принимаются показатели безотказности, ремонтопригодности и долговечности. Их определение возможно только на использовании вероятностных методов прогнозирования последствий взаимодействия случайных нагрузок, воздействий и конструкций, рассматриваемых как системы со случайными изменяющимися во времени характеристиками значимых свойств [94].

В настоящее время вероятностные методы оценки отдельных параметров работоспособности конструкций носят фрагментарный, не системный характер. Они относятся, главным образом, к вопросам нормирования прочностных свойств материалов и нагрузок с установленной обеспеченностью. Что касается реологических (временных) аспектов изменения этих свойств, то предложены аппроксимирующие зависимости, отражающие их кинетику в конкретных условиях эксплуатации, например, при ЦЗО [1,3,74]. Достоверность подобных аналитических моделей проблематична из-за объективно существующей ограниченности для обобщения статистической базы.

Принятая в работе методика испытания и моделирования, основанная на использовании экспериментальных диаграмм деформирования бетона и арматуры, позволяет получать представительные (презентативные) выборки для оценки свойств материалов и конструкций из них, как систем случайных реализаций.

Практическое применение статистических методов обобщения непосредственно связано с получением на базе ограниченных опытных выборок гистограмм аппроксимирующей зависимости в наилучшей степени прогнозирующей распределение генеральной совокупности значений рассматриваемого параметра [46,55]. Библиотека практических распределений прочностных характеристик материалов и конструкций довольна представительна и включает в себя Гамма-распределения (кривые Пирсона), Вейбулла, Гумбеля, экспоненциальное и другие [55]. Однако, наиболее часто реализуемым на практике является нормальное распределение, как предельное, к которому стремятся другие распределения [48]. друга, и, следовательно, закон позволяет описывать явления любого диапазона и направленности изменений.

Необходимо отметить, что распределению Гаусса подчинены случайные явления, величина которых является интегральной характеристикой влияния многих факторов, имеющих свои различные закономерности распределения.

4.1) 2.

Его математическое ожидание (х) и дисперсия (а) независимы друг от.

При этом среди них не должно быть факторов, сильно выделяющихся по своему весовому влиянию на рассматриваемый параметр в сравнении с суммарным влиянием всех остальным. Последнее примечание очень важно в плане обобщения технических характеристик бетона и железобетона при температур-но-влажностных воздействиях.

4.2. Оценка значимых параметров распределения.

В виду относительной ограниченности экспериментальных данных статистический анализ включал оценку с заданной вероятностью Р доверительного интервала математического ожидания случайного параметра М (х) х = Яь, ?ь, М и др.), его дисперсии Д (х). При этом: х-1ра. -<�М (х)<�х+(р хсг. (4.2) где а. = ° - «исправленное» (уточненное) среднеквадратическое отклоне-* Ып-1 ние, а распределения п вариант,.

1р — показатель достоверности, определяемый по таблицам [55] в зависимости от 2(3 и числа степеней свободы рассматриваемой выборки к=п-1- Сходимость среднеквадратического отклонения рассматриваемого ряда экспериментальных данных 8 и теоретического значения дисперсии его генеральной совокупности Д (х) оценивалась по критерию Романовского [55].

Х1^ (4.3).

Расхождения признаются несущественными, если выполняется неравенство х2~к.

4.4) л/2к.

Согласие теоретического и эмпирического распределений оценивалось по критерию Пирсона [55], согласно которому ошибка принятия теоретического распределения считается допустимой, если вероятность Р (х2)^ 0,05.

4.3. Статистики и распределение прочности и деформации бетона.

Даже визуальное сопоставление семейств диаграмм, а — г бетонов различных условий длительных испытаний (см. рис. 2.3.2.5) наглядно свидетельствует об изменении плотности кривых. Речь идет о возрастании диапазона разброса экспериментальных кривых и по прочности, и по деформациям для бетонов, подвергаемых низкотемпературным воздействиям. На различия статистических показателей прочности и деформаций бетона, а также не аддитивность оценки влияния ЦЗО по показателям средних и вероятно-ожидаемых с 0,95 обеспеченностью значений подробно указывалось в работе [74]. Принятая методика экспериментально-аналитических исследований позволяет распространить этот подход на характеристики бетона и железобетонных конструкций, экспериментальные выборки которых представлены в таблицах 4.6 Приложения.

В таблице 4.1 даны уточненные значения основных параметров распределения прочности бетона. Отметим, прежде всего существенное изменение коэффициента вариации: после ЦЗО он увеличился на 62,8%. Это однозначно свидетельствует о различиях в оценке последствий морозных воздействий по средним и вероятным показателям прочности. По средним значениям снижение прочности после ЦЗО составляло 36,7%, а после ЦЗ — 16,3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщение результатов обследования железобетонных конструкций, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, данные выполненных экспериментальных и модельных испытаний позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Исчерпание ресурса работоспособности железобетонных изгибаемых конструкций при совместном действии внешних нагрузок, циклического и глубокого (без перехода через 0°С) замораживания сопряжено с такой структурной модификацией бетона и условий его совместной работы с арматурой, при которых существенно трансформируется его напряженно-деформированное состояние. В своей совокупности это ведет к появлению внешних дефектов (повреждений), снижению величины и плотности распределения прочности железобетонных элементов и, как следствие, к снижению вероятности безопасной работы.

2. Кинетика этих процессов и возрастание риска отказа при прочих равных условиях (составу, материалах, характеру и уровню воздействий и т. п.) предопределяется конструктивными особенностями элемента и, прежде всего его армированием. С ростом коэффициента армирования элемента происходит неуклонное повышение вероятности его хрупкого разрушения из-за раздробления сжатого бетона.

3. При температурно-влажностных воздействиях, ограниченных нормируемой морозостойкостью бетона по ГОСТ [24], проектирование железобетонных конструкций в соответствии со СНиП 2.03.01−84* обеспечивает удовлетворительную сходимость с экспериментально-аналитическими данными при их армировании, не превышающем 70% от граничных (по условию достижения текучести арматуры) значений. При ц > 0,7цк более точный прогноз дает метод расчета с использованием деформационных моделей. Установлено, что для достижения текучести арматуры величина полных деформаций бетона сжатой зоны не должна быть меньше 4×10″ 3.

4. Изменение прочности бетона может рассматриваться как необходимый, но недостаточный показатель, определяющий уровень и вероятные для конструктивных элементов последствия температурно-влажностных воздействий. Деформативность бетона является дополнительной, весьма чувствительной, информативной и статистически более устойчивой характеристикой свойств бетона и основных параметров конструкций с его использованием. При этом деформативность бетона целесообразно рассматривать в виде модели: бь = еьо + £ы + £ъ2-> позволяющей оценивать физико-механические закономерности динамики их изменения при любых внешних воздействиях. В подобной трактовке представляется возможным интегрально определить последствия морозной деструкции (дВьо) и оставшийся потенциал сопротивляемости в условиях свободного (сы) и стесненного (еы + Вьг) деформирования.

5. Величина предельной сжимаемости бетонов существенно зависит от принятого метода испытаний. При нагружении, обеспечивающем постоянство скорости деформирования, она существенно (в 2.4 раза) выше условно нормируемых значений. Если учесть, что принятая схема загружения более адекватна реальным условиям работы бетона в железобетонных элементах, то можно предположить возможность использования арматуры высоких классов А-1У, А-У в качестве сжатой.

6. Циклическое замораживание и оттаивание, а также в меньшей степени суточные перепады температур в отрицательном диапазоне отрицательных значений, снижают потенциал сопротивляемости бетона внешним нагрузкам. Его изменение предлагается оценивать косвенно по величине деформации начального уплотнения бетона при сжатии (£ьо) или площади соответствующего участка кривой сть — еь.