Прогнозирование срока службы конструкций по данным натурных обследований
Необходимость в прогнозировании долговечности железобетонных конструкций возникает тогда, когда нужно решение и определить виды, объемы а время выполнения работ по восстановлению и антикоррозийной защите конструкций. В частность, при реконструкции или ремонте объекта. проводящихся в несколько этапов, когда требуется установить, может ли поврежденная конструкция эксплуатироваться в заданных условиях с заданной надежностью до намеченного срока при реконструкции предполагавши уменьшить расчетные нагрузки на Данную конструкцию и требуется установить, достаточен ли образовавшийся для эксплуатации с заданной Надежностью в течение данного периода времени; если в процессе эксплуатации Изменились характер или интенсивность агрессивных воздействий. Результаты прогнозирования долговечности можно использовать при разработке способов проектирования железобетонных конструкций, рассчитанных на фиксированный срок службы (например, до ожидаемой реконструкции) с учетом сроков их ремонта.
В настоящее время разработаны и используются ил практике методы количественной оценки: срока сохранения бетоном прочности при фильтрации воды через конструкцию или при смывании водой ее поверхности (с учетом кольматации пор бетона гидроксидом и карбонатом кальция); скорости разрушения бетона при действии кислот (с учетом тормозящего действия продуктов коррозии); скорости нейтрализации бетона углекислым газом или накопления активизирующих сталь хлор-ионов у арматуры ч т. д..
Однако в реальных условиях эксплуатации нередки случаи, когда железобетонные элементы испытывают воздействие одновременно нескольких агрессивных факторов различной природы, интенсивности и режима (увлажнение конденсатом и жидкими средами, нагрев, замораживание, динамические нагрузки и т. п.), взаимное влияние которых и нестабильность параметров во времени существенно сказываются на характере и скорости коррозионных процессов
Свойства бетона и параметры железобетонной конструкции также различны не только я однотипных элементах одного здания или сооружения, но часто и в пределах одной конструкции. Поэтому способы прогнозирования долговечности конструкций, основанные на оценке качественных параметров какого-либо преобладающего процесса, не всегда применимы. В строительных научно-исследовательских и учебных институтах накоплены данные о видах повреждений железобетонных элементов на различных объектах, сроках эксплуатации и других факторах, сказывающихся на долговечности конструкций.
Оценивалось также изменение физико-механических характеристик бетона под влиянием различных, в том числе нестационарных физико-химических воздействий. В выполненных в лаборатории после каждых 25 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Кроме того, процесс деструкции бетона оценивался по изменению скорости УЗВ в одних и тех же образцах по мере увеличения числа циклов испытаний.
Сходство процессов разрушения образцов бетона, отобранных из эксплуатировавшихся конструкций и испытывавшихся в лабораторных условиях, оценивалось по ряду признаков, определяемых методами оптико-микроскопического, фазового рентгеновского и дифференциально- термического анализов и рН-метрии. Процесс группировки выполняли методом потенциалов (алгоритм «ОБЪЕДИНЕНИЕ»), Сопоставление позволило, используя данные лабораторных исследований и натурных обследований, разработать методику прогноза срока службы элементов в зависимости от свойств бетона и их фактического состояния к моменту, принятому за исходный. При этом процесс экстраполяции, каким принято считать всякое прогнозирование, заменяется процессом интерполяции.
Сущность методики заключается л оценке ожидаемой стойкости бетона в упомянутых нестационарных условиях эксплуатации по начальным характеристикам материала — прочности, плотности и коррозионной активности по отношению к сульфатсодержащей среде. Последняя определяется содержанием С3А в цементе.
Исходными данными для прогнозирования долговечности бетона в лабораторных условиях служили результаты испытаний 2,5 тыс. образцов бетона 78 составов, изготовленных с применением цементов, содержащих C3S — 39—67%; C-.S — 12—75%; С3А — 4—9%; GAF2 — 10—17%. Марки бетонов по прочности — М200—М600, по водонепроницаемости — B2-BI0.
Сочетания начальных характеристик материалов группировали в классы в зависимости от числа циклов, которое выдерживал каждый образец до достижения предельного состояния. (Классом долговечности называли диапазон числа циклов воздействий, кратный 25.) Введение классов вместо числа циклов вызвано неоднородностью исходных данных (коэффициент неоднородности бетона на завершающем этапе испытаний доходил до 25%).
Сопоставляя результаты физико-химических исследований образцов, испытывавшихся в лабораторных и натурных условиях, составили графики, связывающие выбранные начальные признаки — прочность, величину капиллярного водопоглощения бетона и минеральный состав цемента (содержания С3А) со сроком службы Т (в годах). Фактически условиях опытах варьировались и фиксировались параметры бетона (прочность, плотность, состав цемента и агрессивных сред). Наличие данных позволило предложить способ прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в сложных нестационарных условиях, в частности при увлажнении сульфатсодержащими растворами и периодическом интенсивном нагреве (с температурой в пределах 40—Ю0°С).
Эмпирические зависимости, связывающие сроки службы бетона в условных (количество циклов воздействий) и реальных (годы) единицах времени, а также свойства бетона (начальные, если прогнозируется долговечность уже эксплуатировавшейся конструкции) получены путем статистической обработки данных применительно к объектам черной металлургии.
Конструкции группировали по условиям температурно-влажностного режима эксплуатации: конвективный нагрев до 690°С и периодическое увлажнение атмосферными осадками и конденсатом (в зимнее время); лучистый или конвективный нагрев до 7sS90°C и частое (1—3 раза в сутки) увлажнение при гидросмыве пыли; систематическое увлажнение паром; систематическое увлажнение водой и нагрев до 7=100°С (иногда до 120°С).
Внутри каждой группы конструкции классифицировали по прочности и плотности внутренних слоев бетона, не испытывавших интенсивных воздействий (М150—400, водопоглощение от 3 до 10% и более); величине защитного слоя (от 5 до 40 мм), сроку службы (5—35 лет), виду напряженного состояния (сжатая, растянутая зона бетона).
Фактическим сроком службы конструкции считается период от ввода объекта в эксплуатацию до уровня ее физического износа, т. с. до капитального ремонта. Такое состояние характеризуется наличием одного или нескольких признаков, соответствующих III категории по классификации [2]. В большинстве случаев оно вызывает отказ конструкции при расчете ее по несущей способности или другим предельным состояниям.
Для оценки предложенной методики были выполнены примеры прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, обследованных в 1962— 1967 гг. Повторное обследование покгзз- ло удовлетворительное совпадение прогнозируемого и фактического состоя:--и конструкции.