Trwałość konstrukcji żelbetowych - Reinforced concrete structures durability

Konstrukcja trwałość żelbetowych konstrukcji zostały niedawno wprowadzone w przepisach krajowych i międzynarodowych. Wymagane jest, aby konstrukcje były projektowane tak, aby zachowały swoje właściwości przez cały okres użytkowania, unikając przedwczesnej awarii oraz konieczności wykonywania nadzwyczajnych prac konserwacyjnych i renowacyjnych. Znaczne wysiłki związku z tym w ostatnich dekadach, w celu określenia użytecznych modeli opisujących procesy degradacji wpływających żelbetowe konstrukcje, które mają być wykorzystane na etapie projektowania w celu oceny właściwości materiału i układ strukturalny konstrukcji.

Żywotność konstrukcji żelbetowej

Okresy inicjacji i propagacji korozji stalowych prętów zbrojeniowych w konstrukcji żelbetowej

Początkowo reakcje chemiczne, które normalnie zachodzą w paście cementowej, generują środowisko zasadowe , doprowadzając roztwór w porach pasty cementowej do wartości pH około 13. W tych warunkach zachodzi pasywacja stalowego pręta zbrojeniowego, ze względu na spontaniczne wytwarzanie cienkiej warstwa tlenków chroniąca stal przed korozją. Z biegiem czasu cienka warstwa może ulec uszkodzeniu i rozpoczyna się korozja stalowych prętów zbrojeniowych. Korozję stalowego zbrojenia jest jedną z głównych przyczyn przedwczesnego uszkodzenia żelbetowe konstrukcje granicą, głównie w wyniku dwóch procesów degradacji, dwutlenkiem węgla i wnikanie chlorków . Jeśli chodzi o proces degradacji korozyjnej , prostym i akredytowanym modelem oceny żywotności jest ten zaproponowany przez Tuutti w 1982 r. Zgodnie z tym modelem, żywotność konstrukcji żelbetowej można podzielić na dwie odrębne fazy. .

• ${\ displaystyle t_ {i}}$ , czas inicjacji : od momentu wykonania konstrukcji do momentu zainicjowania korozji w stalowym pręcie zbrojeniowym. W szczególności jest to czas potrzebny, aby agresywne czynniki ( dwutlenek węgla i chlorki) wniknęły w grubość otuliny betonowej, dotarły do ​​osadzonego stalowego pręta zbrojeniowego, zmieniły początkowy stan pasywacji na powierzchni stali i spowodowały zainicjowanie korozji.
• ${\ displaystyle t_ {p}}$ , czas propagacji : który jest definiowany jako czas od początku aktywnej korozji do osiągnięcia ostatecznego stanu granicznego, tj. rozprzestrzeniania się korozji osiąga wartość graniczną odpowiadającą niedopuszczalnemu uszkodzeniu konstrukcji, takim jak pękanie i odrywanie grubości otuliny betonowej .

Identyfikacja czasu inicjacji i czasu propagacji jest przydatna do dalszej identyfikacji głównych zmiennych i procesów wpływających na żywotność konstrukcji, które są specyficzne dla każdej fazy okresu użytkowania i rozważanego procesu degradacji.

Korozja wywołana karbonatyzacją

Czas inicjacji jest powiązany z szybkością propagacji karbonatyzacji w grubości otuliny betonowej . Gdy karbonatyzacja dotrze do powierzchni stali, zmieniając lokalną wartość pH środowiska, ochronna cienka warstwa tlenków na powierzchni stali staje się niestabilna i rozpoczyna się korozja obejmująca wydłużoną część powierzchni stali. Jednym z najbardziej uproszczonych i akredytowanych modeli opisujących propagację karbonatyzacji w czasie jest rozważenie głębokości penetracji proporcjonalnej do pierwiastka kwadratowego z czasu, zgodnie z korelacją

${\ displaystyle x = K {\ sqrt {t}}}$

gdzie jest głębokość karbonatyzacji, to czas i współczynnik karbonatyzacji. Początek korozji ma miejsce, gdy głębokość karbonatyzacji osiąga grubość otuliny betonowej i dlatego można ją ocenić jako ${\ displaystyle x}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle K}$

${\ Displaystyle t_ {i} = \ lewo ({\ Frac {c} {K}} \ prawej) ^ {2}}$

gdzie jest grubość otuliny betonowej . ${\ displaystyle c}$

${\ displaystyle K}$ to kluczowy parametr projektowy do oceny czasu inicjacji w przypadku korozji wywołanej karbonatyzacją. Wyrażana jest w mm / rok ^1/2 i zależy od właściwości betonu i warunków ekspozycji. Wnikanie gazowego CO ₂ do porowatego ośrodka, takiego jak beton, następuje poprzez dyfuzję . Wilgotność betonu jest jednym z głównych czynników wpływających na dyfuzję CO ₂ w betonie. Jeśli pory betonu są całkowicie i trwale nasycone (na przykład w konstrukcjach zanurzonych ), dyfuzja CO ₂ jest niemożliwa. Z drugiej strony w przypadku całkowicie suchego betonu nie może wystąpić reakcja chemiczna karbonatyzacji . Innym czynnikiem wpływającym na szybkość dyfuzji CO ₂ jest porowatość betonu . Beton otrzymany z wyższym współczynnikiem w / c lub uzyskany w wyniku nieprawidłowego procesu utwardzania ma wyższą porowatość w stanie utwardzonym i dlatego podlega wyższemu stopniowi nasycania dwutlenkiem węgla. Czynniki wpływające na warunki narażenia to temperatura otoczenia, wilgotność i stężenie CO ₂ . Szybkość karbonatyzacji jest wyższa w środowiskach o wyższej wilgotności i temperaturze, a wzrasta w zanieczyszczonych środowiskach, takich jak centra miejskie i wewnątrz zamkniętych przestrzeni, takich jak tunele.

Aby ocenić czas propagacji w przypadku korozji wywołanej karbonatyzacją , zaproponowano kilka modeli. W uproszczonej, ale powszechnie akceptowanej metodzie, czas propagacji ocenia się jako funkcję szybkości propagacji korozji. Jeżeli szybkość korozji uważa się za stałą, t _p można oszacować jako:

${\ displaystyle t_ {p} = {\ frac {p_ {lim}} {v_ {corr}}}}$

gdzie jest graniczna penetracja korozji w stali i jest szybkością propagacji korozji . musi być zdefiniowana w funkcji rozpatrywanego stanu granicznego. Generalnie w przypadku korozji wywołanej karbonatyzacją pękanie otuliny betonowej uważa się za stan graniczny iw tym przypadku przyjmuje się wartość równą 100 μm. zależy od czynników środowiskowych w pobliżu procesu korozji , takich jak dostępność tlenu i wody na głębokości otuliny betonowej. Tlen jest ogólnie dostępny na powierzchni stali, z wyjątkiem konstrukcji zanurzonych. Jeśli pory są stale w pełni nasycone, bardzo mała ilość tlenu dociera do powierzchni stali, a szybkość korozji można uznać za nieistotną. W przypadku betonów bardzo suchych jest znikoma ze względu na brak wody, co zapobiega chemicznej reakcji korozji . W przypadku pośredniej wilgotności betonu szybkość korozji wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wilgoci w betonie. Ponieważ zawartość wilgoci w betonie może się znacznie zmieniać w ciągu roku, generalnie nie jest możliwe określenie stałej . Jednym z możliwych podejść jest rozważenie średniej rocznej wartości . ${\ displaystyle p_ {lim}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle p_ {lim}}$${\ displaystyle p_ {lim}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$${\ displaystyle v_ {corr}}$

Korozja wywołana chlorkami

Obecność chlorków na powierzchni stali, powyżej pewnej ilości krytycznej, może miejscowo zerwać ochronną cienką warstwę tlenków na powierzchni stali, nawet jeśli beton jest nadal zasadowy, powodując bardzo lokalną i agresywną formę korozji zwaną wżerami . Obecne przepisy zabraniają stosowania surowców zanieczyszczonych chlorkami, dlatego jednym z czynników wpływających na czas inicjacji jest szybkość przenikania chlorków ze środowiska. Jest to skomplikowane zadanie, ponieważ roztwory chlorków wnikają w beton poprzez połączenie kilku zjawisk transportowych, takich jak dyfuzja , efekt kapilarny i ciśnienie hydrostatyczne . Wiązanie chlorków to kolejne zjawisko wpływające na kinetykę penetracji chlorków. Część całkowitych jonów chlorkowych może zostać zaabsorbowana lub może reagować chemicznie z niektórymi składnikami zaczynu cementowego, prowadząc do redukcji chlorków w roztworze porowym (wolne chlorki, które są stalą zdolną do penetracji betonu). Zdolność wiązania betonu do chlorków jest związana z rodzajem cementu i jest wyższa w przypadku cementów mieszanych zawierających pył krzemionkowy, popiół lotny lub żużel piecowy.

Ponieważ modelowanie penetracji chlorków w betonie jest szczególnie złożone, ogólnie przyjmuje się uproszczoną korelację, którą po raz pierwszy zaproponował Collepardi w 1972 r.

${\ Displaystyle C (x, t) = C_ {s} \ lewo [1- \ mathrm {erf} \ lewo ({\ Frac {x} {2 {\ sqrt {Dt}}}} \ po prawej) \ prawej] }$

Gdzie jest stężenie chlorków na odsłoniętej powierzchni, x to głębokość penetracji chlorków, D to współczynnik dyfuzji chlorków, a t to czas. ${\ displaystyle C_ {s}}$

Równanie to jest rozwiązaniem II prawa dyfuzji Ficka przy założeniu, że początkowa zawartość chlorków wynosi zero, czyli jest stała w czasie na całej powierzchni, a D jest stała w czasie i przez otulinę betonową. Z i D znane równanie może być wykorzystane do oceny rozwoju czasowego profilu stężenia chlorku w osłonie betonu i oceny czasu inicjacji jako moment, w którym próg krytyczny chlorkiem ( ) osiąga się na głębokości stalowych prętów zbrojeniowych. ${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$

Jednak istnieje wiele krytycznych kwestii związanych z praktycznym zastosowaniem tego modelu. Dla istniejących konstrukcji żelbetowych w środowisku zawierającym chlorki i D można zidentyfikować obliczając najlepiej dopasowaną krzywą dla zmierzonych profili zgrupowania chlorków. Z pobranych próbek betonowych na polu jest zatem możliwe określenie wartości C _y i D dla pozostałego oceny żywotności. Z drugiej strony, w przypadku nowych konstrukcji bardziej skomplikowane jest zdefiniowanie i D. Parametry te zależą od warunków ekspozycji, właściwości betonu, takich jak porowatość (a zatem stosunek w / c i proces utwardzania ) oraz rodzaju zastosowanego cementu. Ponadto, dla oceny długoterminowego zachowania konstrukcji, krytyczną kwestią jest fakt, że i D nie można uznać za stałe w czasie, oraz że przenikanie chlorków przez transport można uznać za czystą dyfuzję tylko w przypadku konstrukcji zanurzonych. Kolejną kwestią jest ocena . Istnieje wiele czynników wpływających, takich jak potencjał zbrojenia stalowego i pH roztworu zawartego w porach betonu. Ponadto inicjacja korozji wżerowej jest zjawiskiem o charakterze stochastycznym, dlatego też można ją zdefiniować jedynie na podstawie statystycznej. ${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {s}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$${\ displaystyle C_ {cl}}$

Zapobieganie korozji

Ocena trwałości została wprowadzona do europejskich norm projektowych na początku lat 90-tych. Wymagane jest od projektantów uwzględnienie skutków długotrwałej korozji prętów zbrojeniowych na etapie projektowania w celu uniknięcia niedopuszczalnych uszkodzeń w okresie użytkowania konstrukcji. Dostępne są wówczas różne podejścia do projektowania trwałości.

Podejście standardowe

Jest to znormalizowana metoda radzenia sobie z trwałością, zwana również podejściem uznanym za spełniającą i przewidziana w aktualnych przepisach europejskich EN 206. Wymagane jest, aby projektant określił warunki narażenia środowiska i oczekiwany proces degradacji, oceniając prawidłowe narażenie. klasa. Po określeniu tego kod projektowy podaje standardowe zalecenia dotyczące współczynnika w / c, zawartości cementu i grubości otuliny betonowej.

Podejście to stanowi krok do poprawy w zakresie projektowania trwałości konstrukcji żelbetowych, jest odpowiednie do projektowania zwykłych konstrukcji zaprojektowanych z tradycyjnych materiałów (cement portlandzki, zbrojenie ze stali węglowej) i których oczekiwany okres użytkowania wynosi 50 lat. Niemniej jednak w niektórych przypadkach uważa się, że nie jest to całkowicie wyczerpujące. Proste zalecenia nie pozwalają na optymalizację projektu dla różnych części konstrukcji o różnych lokalnych warunkach ekspozycji. Ponadto nie pozwalają na uwzględnienie wpływu specjalnych środków, takich jak zastosowanie dodatkowych zabezpieczeń, na żywotność.

Podejście oparte na wydajności

Rysunek 2 - Prawdopodobieństwo uszkodzenia i docelowy okres użytkowania w modelach trwałości użytkowych opartych na właściwościach dla konstrukcji żelbetowych

Podejścia oparte na wydajności zapewniają rzeczywisty projekt trwałości w oparciu o modele opisujące ewolucję w czasie procesów degradacji oraz definicję czasów, w których określone stany graniczne zostaną osiągnięte. Aby wziąć pod uwagę szeroką gamę czynników wpływających na żywotność i ich zmienność, podejścia oparte na wydajności rozwiązują problem z probabilistycznego lub półprobabilistycznego punktu widzenia.

Model żywotności oparty na wydajności, zaproponowany w europejskim projekcie DuraCrete i przez FIB Model Code for Service Life Design, oparty jest na podejściu probabilistycznym, podobnym do przyjętego w projektowaniu konstrukcji. Czynniki środowiskowe są uważane za obciążenia S (t), podczas gdy właściwości materiału, takie jak odporność na penetrację chlorków, są traktowane jako opory R (t), jak pokazano na rysunku 2. Dla każdego procesu degradacji ustalane są równania projektowe w celu oceny prawdopodobieństwa uszkodzenia wstępnie zdefiniowanego właściwości użytkowe konstrukcji, gdzie dopuszczalne prawdopodobieństwo jest wybierane na podstawie rozpatrywanego stanu granicznego. Procesy degradacji są nadal opisywane za pomocą modeli wcześniej zdefiniowanych dla korozji wywołanej karbonatyzacją i chlorkami, ale aby odzwierciedlić statystyczny charakter problemu, zmienne traktuje się jako krzywe rozkładu prawdopodobieństwa w czasie. W celu oceny niektórych parametrów projektowych trwałości sugeruje się zastosowanie przyspieszonego testu laboratoryjnego, takiego jak tzw. Szybki test migracji chlorków do oceny odporności betonu na penetrację chlorków ”. Poprzez zastosowanie parametrów korygujących można ocenić długoterminowe zachowanie konstrukcji w rzeczywistych warunkach narażenia.

Zastosowanie probabilistycznych modeli żywotności pozwala na realizację rzeczywistego projektu trwałościowego, który mógłby zostać wdrożony na etapie projektowania konstrukcji. Podejście to jest szczególnie interesujące, gdy wymagany jest dłuższy okres użytkowania (> 50 lat) lub gdy warunki narażenia środowiska są szczególnie agresywne. W każdym razie możliwość zastosowania tego rodzaju modeli jest nadal ograniczona. Główne kwestie krytyczne nadal dotyczą, na przykład, wyodrębnienia przyspieszonych testów laboratoryjnych w celu scharakteryzowania właściwości betonu, wiarygodnych współczynników korygujących, które mają być stosowane do oceny długoterminowej trwałości oraz walidacji tych modeli w oparciu o rzeczywistą długoterminową trwałość. występy.

Zobacz też

• Beton
• Degradacja betonu
• Wzmocniony beton

Bibliografia