Прогноз состояния ЖБЭ в различных воздушных средах с учетом карбонизации бетона

Основным видом коррозии бетона, способствующим развитию коррозии стальной арматуры различной степени интенсивности и определяющим в целом техническое состояние железобетонных элементов (ЖБЭ), является карбонизация бетона. При карбонизации происходят структурные изменения цементного камня, вызывающие деградацию бетона и снижение его защитных свойств по отношению к стальной арматуре. Значительная толщина защитного слоя и щелочная среда самого бетона обеспечивают ему наличие защитных свойств сразу после изготовления.

Однако в процессе эксплуатации химические свойства цементного камня бетона постоянно изменяются, приводя к постепенному снижению щелочности от поверхности вглубь конструкции. Таким образом, процесс коррозионного разрушения строительной конструкции начинается с ее поверхности. В первую очередь теряет свои эксплуатационные свойства бетон защитного слоя. Изменение его структуры происходит без видимых повреждений, коррозия арматуры начинается внутри бетона. Образующиеся продукты коррозии стали занимают в 2–2,5 раза больший объем, чем слой прокорродировавшего металла, и вызывают развитие растягивающих напряжений в бетоне, превышающих его прочность, в результате чего появляются трещины в защитном слое, ориентированные вдоль корродирующих стержней. Их образование облегчает доступ агрессивных агентов к стальной арматуре и ускоряет, как правило, ее коррозию. В дальнейшем, при отсутствии защитных и восстанавливающих мероприятий, развитие коррозии стальной арматуры приводит к отслаиванию и разрушению защитного слоя, нарушению сцепления арматуры с бетоном и падению несущей способности конструкции. Для изгибаемых элементов потеря несущей способности от нарушения сцепления стальной арматуры с бетоном составляет 30–35 %. Последующее интенсивное коррозионное разрушение стальной арматуры приводит к полной потере несущей способности конструкции (при практически сохранившемся бетоне в более глубоких слоях) и созданию аварийной ситуации.

В соответствии с общепринятыми представлениями карбонизация развивается линейно с поверхности вглубь конструкции, при этом реакция карбонизации происходит в узкой (около 1 мм) зоне. Скорость ее определяется диффузионными процессами. Процесс карбонизации рассматривается как конечный во времени и по сечению бетона.

До настоящего времени не удалось предотвратить отрицательное воздействие СО₂ на бетонные и железобетонные конструкции. Поэтому изучению карбонизации уделялось и уделяется большое внимание. Влияние карбонизации на физико-химические характеристики бетона и зависимость скорости карбонизации от различных факторов изучалось и изучается различными авторами.

На основании исследований разработаны и предложены различные модели карбонизации. Однако в своей основе они практически все базируются на оценке бетона индикаторными методами.

Результаты исследований ряда ученых и практиков не только значительно отличаются, но и зачастую носят противоречивый характер, что не позволяет придти к единому мнению о механизме карбонизации, модели ее развития во времени по сечению бетона и, соответственно, о способах ее оценки и прогнозирования.

Единственным способом оценки состояния бетона и его защитных свойств по отношению к арматуре во всем мире является индикаторный тест (фенолфталеиновый тест – ФФТ либо тимолфталеиновый – ТФТ).

Сама по себе карбонизация не вызывает коррозии стальной арматуры, однако развиваясь во времени она изменяет щелочность бетона, измеряемую показателем рН – водородным показателем вод­ной вытяжки цементного камня.

Сегодня нет единого мнения о граничном значении показателя рН, при котором бетон можно считать карбонизированным. Большинство исследователей считают, что бетон полностью карбонизируется при рН ≈ 9, однако в литературе приводятся и другие значения.

Лабораторные исследования ФФТ образцов бетона (порошков, полученных из различных длительно эксплуатируемых конструкций) показывают, что значение границы перехода окраски карбонизированного слоя соответствует показателю рН ≈ 10,3, т. е. по ФФТ бетон нейтрализуется при рН ≈ 10,3. Таким образом, значение рН = 10,3 по ФФТ не является граничной величиной и очень условно определяет границу карбонизации и состояние защитных свойств бетона по отношению к арматуре. Кроме того, авторские исследования показывают, что при оценке степени карбонизации бетона значения толщины слоя, в котором он потерял защитные свойства по отношению к арматуре, определенные индикаторным тестом и физико-химическим методом (методами рН- и карбометрии), могут отличаться в несколько раз. Коррозионные процессы различной интенсивности в арматуре присутствуют в зоне, в которой по индикаторному тесту бетон сохраняет свои защитные свойства по отношению к арматуре. Индикаторный метод не позволяет количественно оценивать показатель рН в зоне расположения арматуры, детально судить о его изменении в нейтрализованной зоне и за ее пределами и, как следствие, о состоянии защитных свойств бетона по отношению к арматуре. Таким образом, он не позволяет объективно оценивать и прогнозировать карбонизацию и техническое состояние ЖБЭ.

На основе многолетних авторских исследований лабораторных образцов бетона различных составов, образцов, отобранных в зоне расположения арматуры и по сечению бетона ЖБЭ, эксплуатируемых длительные сроки в различных атмосферных условиях, а также изучения взаимодействия СО₂ воздуха с Са(ОН)₂, являющейся основой поровой жидкости бетонов, выявлено, что карбонизация бетона в ЖБЭ не происходит широким фронтом с узкой границей, делящей его на карбонизированный и находящийся в удовлетворительном состоянии. Она развивается с поверхностных слоев вглубь бетона по сложной экспоненциальной зависимости, при этом степень карбонизации в поверхностных слоях достигает 90 % и более, а в глубине ≈ 20 %. Процесс карбонизации начинается с момента перемешивания смесей и продолжается при формовании изделий, их твердении и весь срок эксплуатации

Результаты исследований позволили предложить модели развития карбонизации бетона и изменения его защитных свойств по отношению к стальной арматуре (показателя рН) классов бетона по прочности С12/15 – С30/37 для атмосферных условий эксплуатации, условий эксплуатации общественных и сельскохозяйственных зданий при различной агрессивности среды. Данные модели не имеют аналогов в мире.

В качестве примера в графическом выражении на рисунке 1 представлена модель карбонизации бетона класса по прочности С20/25 для условий обычной агрессивности сельскохозяйственных зданий.

 

В представленной модели КС0 – значения карбонатной составляющей сразу после изготовления бетона (с учетом стандартной ТВО), КСmax – максимальные значения КС для определенного возраста бетона. Максимальную величину карбонизации КСmax определяли из условия предельной величины карбонизации бетона с учетом изменения во времени степени гидратации цемента, определенной по зависимостям, полученным профессором В. В. Бабицким.

На рисунке 2 приведена в графическом выражении модель изменения защитных свойств по отношению к стальной арматуре аналогичного бетона.

 

Величины карбонатной составляющей для различных классов бетона по прочности зависят от количества использованного цемента (Ц), В/Ц, способа твердения бетона и др. Одно и то же численное значение КС для одних бетонов может свидетельствовать о начале карбонизации, а для других – уже о полной карбонизации в рассматриваемом сечении. Для объективной оценки коррозии бетона вследствие его карбонизации необходимо использование такого параметра, который бы независимо от состава бетона позволял бы оценивать его коррозионное состояние. Таким показателем является степень карбонизации бетона (СК) – величина, определяющая процент гидроокиси кальция и гидратированных клинкерных материалов, перешедших в карбонаты на разной глубине бетона. СК рассчитывается из пропорции как отношение величины карбонатной составляющей в определенном сечении бетона к величине предельной карбонизации.

Получены модели изменения степени карбонизации во времени по сечению бетонов различных классов по прочности.

В качестве примера на рисунке 3 приведена модель изменения степени карбонизации бетона класса по прочности С20/25 для условий обычной агрессивности сельскохозяйственных зданий.

 

Анализ результатов многолетних исследований изменения состояния бетона при карбонизации во времени по сечению ЖБЭ позволил предложить шесть категорий степени карбонизации бетона (табл. 1).

Предлагаемые критерии позволяют качественно оценивать количественные показатели карбонизации бетона, что дает возможность использовать их для определения его состояния.

Для объективной оценки технического состояния ЖБЭ одним из основных критериев является точная оценка коррозионных повреждений стальной арматуры. В результате многолетних обследований различных типов ЖБЭ, эксплуатировавшихся длительные сроки в разных атмосферных условиях, при определении состояния бетона и стальной арматуры были выявлены различные степени их коррозионных повреждений.

Для оценки состояния арматуры, выявляемой после вскрытия защитного слоя бетона, предложена соответствующая балльная система, приведенная в таблице 2.

Результаты обследования различных объектов были систематизированы с целью сопоставления коррозионного состояния стальной арматуры с физико-химическими параметрами защитного слоя бетона.

Для оценки зависимости коррозионного состояния арматуры от физико-химических показателей бетона определяли показатель рН водных вытяжек цементного камня бетона, находящегося в зоне расположения арматуры.

Путем статистической обработки данных (исследовались от 40 до 60 проб бетона для каждой степени коррозии) получены области распределения показателя рН с исключением выбросов и с доверительной вероятностью 0,95 для различных степеней коррозии арматуры.

Установлено, что стальная арматура ЖБЭ не корродирует при щелочности поровой жидкости, характеризующейся значением рН ≥ 11,8, что полностью соответствует общепринятым представлениям. Снижение рН менее граничного значения рН = 11,8 способствует образованию и развитию коррозии стальной арматуры разной степени интенсивности в условиях переменной влажности.

С учетом того, что именно показатель рН определяет как защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре, по результатам многолетних исследований предложено шесть категорий оценки.

Взаимосвязь параметров СК и рН по сечению бетона в графическом выражении представлена на рисунке 4.

 

Предлагаемая зависимость иллюстрирует изменение состояния бетона и его защитных свойств по отношению к стальной арматуре по сечению бетона и может быть использована при оценке и прогнозировании данных свойств.

Результаты обследования различных типов ЖБЭ с использованием методов рН- и карбометрии и оценкой состояния стальной арматуры позволили назначить количественные критерии качественной оценки технического состояния ЖБЭ по физико-химическим показателям цементно-песчаной фракции бетона защитного слоя, степеням карбонизации и коррозии арматуры (табл. 3).

 

Критерии оценки технического состояния ЖБЭ разработаны только для конструкций из тяжелого бетона, обеспечивающего пассивное состояние стальной арматуры, начиная с момента изготовления конструкции. При снижении показателя рН поровой влаги в пределах защитного слоя ниже рН = 11,8 возможно нарушение пассивного состояния арматуры. В таком состоянии развитие коррозии арматуры и бетона зависит от условий эксплуатации. В сухих условиях скорость коррозии арматуры будет тормозиться большим омическим сопротивлением сухого бетона с одновременным замедлением карбонизации самого бетона, если относительная влажность воздуха составляет 60 %.

На основании вышеприведенных результатов исследования развития карбонизации во времени по сечению бетонных и железобетонных элементов и ее влияния на изменение состояния бетона и его защитных свойств по отношению к стальной арматуре разработан метод оценки и прогнозирования технического состояния железобетонных элементов, эксплуатирующихся в различных воздушных средах, включающий в себя:

• методику оценки и прогнозирования состояния бетона;
• методику оценки и прогнозирования состояния защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре защитного слоя бетона, состояния стальной арматуры и технического состояния ЖБЭ в целом.

Предлагаемый метод, позволяющий оценивать и прогнозировать долговечность ЖБЭ с учетом процессов карбонизации бетона, является дополнительным неразрушающим методом обследования железобетонных элементов и конструкций, эксплуатирующихся длительные сроки в различных атмосферных условиях.

Он дает возможность при детальном обследовании ЖБЭ в зависимости от цели исследования:

• оценивать и прогнозировать состояние бетона по сечению ЖБЭ;
• оценивать состояние защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре и состояние стальной арматуры по сечению ЖБК по физико-химическим показателям бетона защитного слоя в зоне расположения арматуры;
• оценивать техническое состояние ЖБЭ и прогнозировать его как для свежеизготовленных, так и для длительно эксплуатируемых ЖБЭ по физико-химическим показателям бетона защитного слоя;
• в зависимости от полученного (прогнозируемого) при обследовании технического состояния ЖБЭ рекомендовать комплекс мероприятий по их восстановлению для дальнейшей длительной, безопасной эксплуатации зданий и сооружений.

Предлагаемый метод, в основе которого лежат разработанные расчетно-экспериментальные модели изменения во времени по сечению бетона карбонизации и щелочности поровой жидкости, назначенные категории состояния стальной арматуры ЖБЭ и состояния защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре, критерии качественной оценки технического состояния ЖБЭ по физико-химическим показателям цементно-песчаной фракции бетона защитного слоя не имеет аналогов в мире.

 (Белорусский государственный университет транспорта, Гомель)