Защитный слой арматуры в фундаменте: Защитный слой бетона для арматуры, СНИП, толщина и минимальный слой

Содержание

Защита арматуры с помощью бетона

Железобетонные конструкции состоят из двух компонентов:

  1. Бетон – искусственный камень, который отлично работает на сжатие, не боится воды, но совершенно неустойчив к растяжению на изгиб;
  2. Cтальная арматура – строительный компонент для каркаса бетонных конструкций. Металл работает на изгиб, поэтому создает запас напряжения для бетонных элементов, чтобы они не разрушались под действием вертикально направленных нагрузок.

Сколько бы не было металлических компонентов в камне, они должны быть надежно защищены от губительной влаги. В пустотных плитах, лестничных маршах, в монолитном или сборном фундаменте – везде необходим защитный слой бетона для арматуры. Он определяется конструктивно.

Нормативная документация

Размер защитного слоя определяется, согласно:

  • СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»;
  • СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»;
  • СНиП 52.
    01.2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».

Для плиты межэтажного перекрытия и фундаментного блока минимальный/максимальный размер защиты армирования определяется по-разному, в зависимости от условий эксплуатации элемента и марки используемого бетона, а также расположения металлических прутов. Все эти нюансы отражены в нормативной документации.

Толщина защитного слоя бетона

Инженеры и проектировщики принимают толщину защитного слоя арматуры, опираясь на нормы из СНиП 2.03.01-84*, с применением формул, а также с учетом ряда факторов.

В зависимости от условий эксплуатации минимальная толщина слоя бетона для арматуры определяется по-разному.

Условия эксплуатации Минимальная толщина бетона, мм

Закрытые помещения с нормальной и пониженной влажностью

20

В закрытых помещениях с повышенной влажностью, если не применены дополнительные меры защиты

25

На открытом воздухе без дополнительной защиты

30

В грунте (фундаментные элементы (стены, подушки), без дополнительной защиты

40

 

Эти факторы являются определяющими при выборе толщины защиты стального каркаса.

Поскольку не для каждой конструкции есть возможность устанавливать слой бетона по таблице в виду разных обстоятельств (размеры элементов, диаметр прутков, дополнительная гидроизоляция), специалисты сделали обобщающую сводку:

Тип конструкции Примечание Толщина слоя, мм

Плиты, перегородки, стенки с шириной

До 100 мм

10

Более 100 мм

15

Балки, ребра жесткости с высотой

Менее 250 мм

15

Более 250 мм

20

Колонны (для вертикальных и горизонтальных прутьев)

 

20

Балки фундаментные

 

30

Сборные фундаменты

 

30

Монолитные фундаменты и подземные конструкции

С бетонной подготовкой

35

Без бетонной подготовки

70

Поперечная, распределительная и конструктивная арматура

Высота сечения конструкции менее 250 мм

10

Более 250 мм

15

 

Также учитывается длина изделия при определении слоев, защищающих торцы прутков:

  • до 9 метров – 10 мм;
  • до 12 м – 15 мм;
  • более 12 м – 20 мм.

Влияние марки бетона

Для легких бетонов защитный слой арматуры будет больше, чем для тяжелых при одинаковых размерах аналогичных конструкций. Дело в том, что легкие камни, как правило, обладают увеличенной пористостью, в которые проникает вода. Совсем плохо, если используемые для создания конструкций и элементов бетоны обладают пористостью открытого типа, то есть влага проникает из одной поры в другую.

Так, для изделий из тяжелого бетона М300-М400 минимальный слой в нормальных условиях составит 10 мм, для облеченного В7,5 – 20 мм, а для ячеистого – все 25 мм.

Несколько базовых правил

Принятие толщины защитного слоя бетона для арматуры – это процесс творческий, но требующий соблюдения точного расчета и тщательного обдумывания, поскольку от него зависит в последующем срок эксплуатации конструкций, а значит, надежность зданий и сооружений. Несколько основных правил:

  • приведенные табличные данные актуальны для изготовления элементов сборных конструкций (если не оговорено иное). Для монолитного строительства значения следует увеличить на 5 мм;
  • защитная прослойка не может быть менее, чем 1-2 диаметра арматуры, но и не менее 10 мм;
  • при использовании конструктивной арматуры защитный слой из таблиц можно уменьшить на 5 мм.

Как обустраивается слой бетона для защиты арматуры

Величина минимального защитного слоя бетона строго обязательно к изготовлению. Не будет считаться ошибкой, если он увеличен. Это наиболее возможно в частном строительстве. Заводские изделия производятся по ГОСТам и другим нормативным документам, поэтому обладают точными геометрическими размерами и параметрами изготовления.

Как соблюсти толщину защитного слоя при армировании:

  1. Вяжут каркас строго по проектным показателям.
  2. Опалубку выставляют с учетом общей ширины, высоты и длины элемента/конструкции. Для фиксации в ней арматурного каркаса используют различные приспособления, но можно обойтись самодельными прокладками камнями, перевязки арматуры и стенок формы проволокой.
  3. Заливают бетон. Толщину слоя можно проконтролировать с помощью линейки, пока раствор еще свежий и не схватился.

Если монтажные работы проводила строительная бригада или элементы сборных конструкций произведены на заводе, проконтролировать в них расстояние от поверхности до арматуры можно магнитным способом, используя специальные измерительные приборы.

Представляем интересное видео, в котором мастер покажет самодельную замену фиксаторов для каркаса и расскажет о необходимости создания защитного слоя для арматуры:

А вот так гниёт бетон, если защитный слой был недостаточным или камень отслужил немалый срок:

Армирование столбчатого фундамента | ИНФОПГС

Пособие попроектированию бетонных и железобетонных конструкций (к СП 52-101-2003)
2. 4. Для железобетонных конструкций рекомендуется принимать класс бетона на сжатие не ниже В15; при этом для сильно нагруженных сжатых стержневых элементов рекомендуется принимать класс бетона не ниже В25.

Продольное армирование
Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона(без предварительного напряжения) МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1978 г.

3.31. Подколонники, если необходимо по расчету, должны армироваться продольной и поперечной арматурой по принципу армирования колонн.
Площадь сечения продольной арматуры с каждой стороны железобетонного подколонника должна быть не менее 0,05 % площади поперечного сечения подколонника.
Диаметр продольных стержней монолитных подколонников должен быть не менее 12 мм.

Шаг поперечного армирования
СП 52.103-2007
8.3.12 Во внецентренно сжатых линейных элементах, а также в изгибаемых элементах при наличии необходимой по расчету сжатой продольной арматуры с целью предотвращения выпучивания продольной арматуры следует устанавливать поперечную арматуру с шагом не более 15d и не более 500 мм (d — диаметр сжатой продольной арматуры).


Если площадь сечения сжатой продольной арматуры, устанавливаемой у одной из граней элемента, более 1,5 %, поперечную арматуру следует устанавливать с шагом не более 10d и не более 300 мм.

Армирование подошвы
Руководство по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений промышленых предприятий. МОСКВА 1978г
 5.14 Армирование подошвы отдельных фундаментов рекомендуется осуществлять сварными сетками. Расстояние между осями стержней сеток должно приниматься равным 200 мм.
 Диаметр рабочих стержней, укладываемых вдоль стороны фундамента размером 3м и менее, должен быть не менее 10 мм; диаметр рабочих стержней укладываемых вдоль стороны размером более 3 м — не менее 12 мм.
 Арматурные сетки должны быть сварены во всех точках пересечения стержней. Допускается часть пересечений связывать проволокой при условии обязательной сварки всех точек пересечения в двух крайних рядах по периметру сеток.
 
Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона(без предварительного напряжения) МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1978 г.
3.27. Диаметр рабочих стержней арматуры (сварной или вязаной) подошвы, укладываемых вдоль стороны 3 м и менее, должен быть не менее 10 мм, а стержней, укладываемых вдоль стороны более 3 м, — не менее 12 мм.

3.29. Допускается, при необходимости, армировать подошвы фундаментов отдельными стержнями. В этом случае стержни раскладываются во взаимно-перпендикулярных направлениях, параллельных сторонам подошвы. Шаг стержней рекомендуется принимать 200 мм, длина стержней каждого направления должна быть одинаковой. В случае применения арматуры периодического профиля два крайних ряда пересечений стержней по периметру сетки должны быть соединены сваркой. Допускается применение дуговой сварки. Внутренние пересечения должны быть перевязаны через узел в шахматном порядке. Если для армирования подошв применяется гладкая арматура, стержни должны заканчиваться крюками, а сварка пересечений по периметру в этом случае не требуется.

Подготовка
СП 50.101-2004
13. 2.22. При возведении монолитных фундаментов, как правило, устраивают подготовку из уплотненного слоя щебня или тощего бетона, обеспечивающую надежную установку арматуры и не допускающую утечки раствора из бетонной смеси бетонируемого фундамента. Если основание сложено глинистыми грунтами с показателем текучести более 0,5 или водонасыщенными песками, уплотнение следует выполнять легкими катками или трамбовками.

Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона(без предварительного напряжения) МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1978 г.

3.24. Под монолитными фундаментами независимо от грунтовых условий (кроме скальных грунтов) рекомендуется всегда предусматривать бетонную подготовку толщиной 100 мм из бетона марки М50, а под сборными — из среднезернистого песка слоем 100 мм.
При необходимости устройства фундаментов на скальных грунтах следует предусматривать выравнивающий слой по грунту из бетона марки М50.
3.26. Толщина защитного слоя бетона аб для рабочей арматуры подошвы монолитных фундаментов должна удовлетворять требованиям п. 3.3 настоящего Руководства и приниматься не менее 35 мм (с учетом, что выполняется бетонная подготовка), а при отсутствии бетонной подготовки — 70 мм. Толщина защитного слоя в сборных фундаментах и подколонниках монолитных фундаментов должна быть не менее 30 мм.

При необходимости армирования подошвы фундамента, устраиваемого на скальном грунте, следует предусматривать защитный слой бетона толщиной 35 мм.

Защитный слой бетона
СП 52-101-2004
8.3.2 Толщину защитного слоя бетона назначают исходя из требований 8.3.1 с учетом типа конструкций, роли арматуры в конструкциях (продольная рабочая, поперечная, распределительная, конструктивная арматура), условий окружающей среды и диаметра арматуры.

Минимальные значения толщины слоя бетона рабочей арматуры следует принимать по таблице 8.1.

Условия эксплуатации конструкций зданий

 

Толщина защитного слоя бетона, мм, не менее

1. В закрытых помещениях при нормальной и пониженной влажности

20

2. В закрытых помещениях при повышенной влажности (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)

25

3. На открытом воздухе (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)

30

4. В грунте (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий), в фундаментах при наличии бетонной подготовки

40

Для сборных элементов минимальные значения толщины защитного слоя бетона рабочей арматуры, указанные в таблице 8.1, уменьшают на 5 мм.

Для конструктивной арматуры минимальные значения толщины защитного слоя бетона принимают на 5 мм меньше по сравнению с требуемыми для рабочей арматуры.

Во всех случаях толщину защитного слоя бетона следует также принимать не менее диаметра стержня арматуры.

Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона(без предварительного напряжения) МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1978 г.
3.26. Толщина защитного слоя бетона аб для рабочей арматуры подошвы монолитных фундаментов должна удовлетворять требованиям п. 3.3 настоящего Руководства и приниматься не менее 35 мм (с учетом, что выполняется бетонная подготовка), а при отсутствии бетонной подготовки — 70 мм. Толщина защитного слоя в сборных фундаментах и подколонниках монолитных фундаментов должна быть не менее 30 мм.
При необходимости армирования подошвы фундамента, устраиваемого на скальном грунте, следует предусматривать защитный слой бетона толщиной 35 мм.
 

Армирование ленточного монолитного фундамента

27.04.2013 21:42

Армирование ленточного монолитного фундамента

Бетон – это не пластичный материал, работающий в основном только на сжатие.

В случае оказания на бетон растягивающих усилий, он начинает трескаться и разрушается. Сила морозного пучения в зимний период оказывает серьёзные разрушающие воздействия на основания фундамента. Предотвратить процесс  разрушения и растрескивания бетона фундамента помогает его усиление с помощью армирования. Растрескивание фундамента происходит в зонах растяжения бетона. Максимальное количество арматуры укладывают именно в зонах растяжения. Сталь в отличие от бетона очень эффективно работает на растяжение и вместе с бетоном образует мощную несущую конструкцию, устойчивую к растягивающим и сжимающим нагрузкам.

Как правильно армировать ленточный фундамент

Армирование ленточного монолитного фундамента необходимо выполнять  в местах, где возникают максимальные растягивающие усилия. Пиковые растягивающие усилия образуются на поверхности бетонного фундамента, поэтому арматурные стержни должны максимально близко располагаться к краям тела бетона, но при этом должен быть обеспечен защитный слой бетона равный 2-3см по боковым краям и до 5см сверху фундамента.

Бетонная конструкция в виде ленточного фундамента под воздействием нагрузок от здания сверху или от сил морозного пучения снизу, постоянно изгибается то вниз, то вверх. В результате этого верхняя и нижняя зона армирования ленточного фундамента выполняется из арматуры повышенного диаметра 12мм и более. Арматура, которую укладывают в зоны повышенных нагрузок, называется рабочей арматурой. В тех зонах фундамента, где нагрузки минимальны, устанавливают только поддерживающую арматуру, которая носит название конструктивная арматура. Рабочая арматура всегда должна быть ребристой, так как она максимально обеспечивает контакт с бетоном. Поддерживающая арматура в виде хомутов и стоек может быть гладкой и меньшего диаметра.

Так как ленточный монолитный фундамент имеет большую длину, но при этом маленькую ширину, то максимальные нагрузки в нём будут возникать только в продольном направлении, а поперечные нагрузки будут сведены к нулю. Соответственно, рабочую арматуру в ленточном фундаменте необходимо располагать в продольном направлении, а в поперечном ограничиться использованием гладкой конструктивной арматурой диаметром менее 10 мм. Можно конечно использовать везде рабочую арматуру одинакового диаметра, но это будет очень не дёшево.

Армирование углов ленточного фундамента

Максимальные деформации могут возникать не только в середине фундамента, но и в угловых его частях. Поэтому необходимо знать, как  армировать углы фундамента.

Армирование в углах фундамента необходимо производить из заранее подготовленной гнутой рабочей арматуры, концы которой будут заходить в боковые стены фундамента. Технология армирования углов фундамента проста. После того, как основной арматурный каркас будет установлен, останется только с помощью вязальной проволоки закрепить нагнутые под 90 градусов угловые каркасы к продольным арматурным стержням. Усиливающие угловые каркасы должны заходить в тело стены минимум на 70 см. Также необходимо при установке угловой арматуры соблюсти защитный слой бетона равный снизу и сверху не менее 5см, а по бокам не менее3см. Все арматурные стержни между собой крепят с помощью вязальной проволоки. Как вязать арматуру, Вы можете прочитать на сайте компании АСК Эгида.

После установки арматурного каркаса выполняют монтаж стен опалубки. Опалубка может быть как инвентарной, так и деревянной. Деревянную опалубку собирают из досок, как правило, толщиной 40мм. Для того чтобы доска хорошо снималась после заливки фундамента и не впитывала в себя цементное молоко, всю внутреннюю её часть обрабатывают маслом или оббивают плёнкой. Перед заливкой бетона необходимо помнить о вентиляции цокольного помещения и установить асбестоцементные трубы в арматурный каркас, которые в дальнейшем будут играть роль продухов. Для заливки ленточного фундамента необходимо использовать бетон марки 200 и проверенных поставщиков бетона, которые не привезут бетон класса прочности ниже заявленного Вами. Если Вы решили установить ленточный фундамент своими руками, обязательно ознакомьтесь с инструкцией по установке бетонного фундамента. Также в помощь дачнику мы написали статью: что делать если фундамент треснул. В ней подробно описаны мероприятия по усилению фундамента.


Армирование фундамента своими руками: пошаговая инструкция, схема

Бетон – один из самых прочных материалов, используемых в строительстве, выдерживает большие нагрузки на сжатие, но очень плохо работает на изгиб и растяжение – трескается и раскалывается. В фундаментах допускается применение неармированного бетона, так как основное усилие там идет как раз на сжатие. Но из-за возможной неравномерной осадки сооружения во избежание трещин и разломов рекомендуется армировка.

Оглавление:

  1. Виды арматуры
  2. Защита фундаментов разных типов
  3. Инструкция по шагам
  4. Распространенные ошибки и полезные советы

Расчет должен быть проведен на стадии проектирования. В проекте можно посмотреть технологию производства, данные по размерам, процент армировки и требуемые диаметры стержней (а в некоторых случаях также приведены чертежи, на которых показаны схемы армирования, шаг, длины и другие данные). Если решено сэкономить на работах и устроить основание своими руками – нужно понять, как правильно это сделать. А если предполагается самостоятельное строительство какого-то небольшого помещения без предварительного проекта, то знаний потребуется чуть больше.

Классификация

Изделия отличаются классом прочности. В ходе устройства фундамента домов коттеджного типа и других одноэтажных сооружений чаще используют металлические, классов А240 и А400 (А500С).

Также различают арматуру:

  • Стержневого или проволочного вида.
  • Периодического или гладкого профиля.

Проволочную, согласно технологии, используют для хомутов, вязки каркаса и т.п. В качестве рабочей применяются только стержни. А периодический профиль обеспечивает лучший контакт с бетоном, включая его в совместную работу. От гладкопрофильной бетон может отслоиться.

Арматура подразделяется на:

  1. Рабочую (чаще – продольная) – главная, необходима для восприятия основных усилий от нагрузок, классом А400 или А500. Обычно диаметр ее больше остальных.
  2. Конструктивную – служит для распределения нагрузок по прутьям, для включения их в совместную работу. Для пространственных связей зачастую используются хомуты.
  3. Монтажную – для облегчения пространственной сборки каркасов и выравнивания в проектное положение перед бетонированием.

Особенности армирования

При просадке грунта, в зависимости от того, случилось это по краям основания или посередине – растягивающие напряжения в теле конструкции могут возникнуть как сверху, так и снизу. Поэтому по правилам необходимо создать два пояса, в верхней и нижней части фундамента соответственно. Пояса состоят из нескольких прутьев рабочей арматуры, согласно инструкции их необходимо объединить между собой поперечными связями или хомутами, которые должны обхватывать продольные стержни с внешней стороны.

Армировка требует много физической силы, времени и носит травмоопасный характер. У неподготовленного человека на это могут уйти недели.

Конструктивные правила к армированию, изложенные в СП 63.13330.2012 в пункте 10.3, направлены на то, чтобы максимально обеспечить совместную работу арматуры с бетоном, а именно:

  1. Защитный слой бетона. Его величина должна быть такой, чтобы свободно можно было выполнить стыки стержней, и достаточной для предохранения от внешней среды (во избежание образования ржавчины). Для фундаментов, залегающих ниже поверхности грунта, минимальный защитный слой бетона составляет 4 см, чаще применяют 5, для рабочей арматуры он может достигать 7 см.
  2. Расстояние в свету. Между прутьями должны быть обеспечены зазоры, которые не будут препятствовать укладке бетонной смеси (она густая, и зачастую со щебнем или другим наполнителем, зазор между стрежнями должен быть больше фракции наполнителя, и такой, чтобы раствор беспрепятственно заполнял все пространство, без образования пустот). Расстояние между прутками в свету не должно быть меньше самого большого из используемых диаметров стержня, при этом не менее 50 мм для нижней арматуры, и не менее 25 мм для верхней.
  3. Продольная армировка. Расчет сводится к определению ее процента в теле конструкции. Общая площадь сечения рабочих прутьев должна составлять не менее 0,1% от площади сечения фундамента. Для 120х50 см=6000 см2, 0,1% от него – 6 см2. Теперь подбирается диаметр по сечению, например, это может быть 6 прутков 12 (по 3 штуки в верхнем и нижнем поясе) или 4 с d=14 (по 2 вверху и внизу). На участках Т-образного примыкания процент армирования рекомендуется увеличить до 0,4%.

В таблице приведена площадь поперечного сечения согласно ГОСТ 5781-82:

Диаметр68101214161820
Поперечное сечение см20,2830,5030,7851,1311,542,012,543,14

Шаг между прутьями – не более 400 мм. По верхнему и нижнему поясу фундамента должно быть заложено по 2 рабочие арматуры как минимум, связанных между собой хомутами или отдельными поперечными стержнями, обычно меньшего диаметра.

  • Поперечное армирование. В вязаных каркасах диаметр должен быть не менее 6 мм, а также не менее 0,25 от продольных прутьев. Шаг – не более 15 диаметров.
  • Соединения. Стыки можно закреплять при помощи вязальной проволоки, сварки или муфт. Для снижения потерь по прочности при продольном соединении рекомендуется делать перепуск не менее чем на 250 мм в одну сторону. Сварные соединения нужно производить согласно ГОСТ 14098. При соединении муфтами – они должны быть той же несущей способности, что и арматура.
  • Гнутые стержни. Во избежание разрушения прутов и бетона в этих местах существуют требования по минимальным диаметрам ее загиба.

Для периодического профиля диаметр загиба должен быть не менее 5 диаметров самой арматуры, а для гладкопрофильной – не менее 2,5.

Инструкция по этапам

Подготовительные работы:

  • Расчистить и выровнять предполагаемую площадку строительства.
  • Вынести на местность план при помощи маячков с леской.
  • Вырыть котлован. Иногда при армировании фундамента своими руками основание делают непосредственно в аккуратно вырытых траншеях, где боковые стенки грунта играют роль опалубки. Сроки очень сжаты, так как под воздействием первого же дождя поверхностные воды частично размоют его. В этом случае армкаркасы изготавливают заблаговременно, до начала рытья траншей. По технологии правильнее будет устроить общий котлован под фундамент, утрамбовать землю и сделать щебеночное основание 20 см на подушке из песка, залив все поверх бетонной подготовкой толщиной 10 см.
  • Далее установить опалубку согласно планировке.
  • Подготовить все к армировке. Прутки нарезать нужной длины и сделать отгибы. Для облегчения представления о том, как будет выглядеть армокаркас, можно составлять для себя набросок, схему, в которой обозначить зазоры, получившиеся длины и другую вспомогательную информацию.

Устройство каркаса:

1. Нарезка. Необходимая длина определяется по высоте основания минус верхний и нижний зазоры под защитный слой бетона. Для вертикальных прутьев расчет будет складываться так: длина арматуры = высота фундамента – 50 см снизу – 50 см сверху. Для укладываемых по ширине, а также продольных рабочих стержней длина определяется аналогично.

Продольные стержни рекомендуется использовать на всю возможную длину, если составлять из кусков, получится значительный перерасход материала по причине обеспечения перехлестов (как минимум полметра) при каждом стыке. Рабочую арматуру ни в коем случае нельзя соединять «встык», даже если применяется сварка – требования по перепуску такие же.

2. Сбор каркаса. Вспомогательные материалы – это специальная проволока и вязальный крючок для нее, пластиковые фиксаторы и временные подпорки. Длинные прямолинейные участки собираются на земле, затем опускается в опалубку. Проволока должна быть обожженная (иначе она будет ломкая), отрезанная необходимой длины и сложенная вдвое. Чтобы самому зафиксировать ей одно перекрестие стержней, к примеру, диаметром 12 мм, надо отрезать кусок проволоки не менее 200 мм, а для большего диаметра или количества связываемой арматуры – длиннее. То есть 2 прутка по 12 мм (24 мм) нужно обхватить (умножить на два) и перекрутить между собой «хвосты» (как минимум 50 см) получится 100 мм, плюс для повышения прочности она должна быть сложена вдвое = 200 мм, при этом необходимо руководствоваться схемой.

3. Установить каркас в опалубку. Чтобы обеспечить защитный слой бетона снизу фундамента, можно воспользоваться специальными несъемными пластиковыми фиксаторами (подставками). Использовать для этого стальные подставки или арматуру запрещается, так как оставшийся там без защитного слоя метал, подвержен ржавчине и может «заразить» ей весь каркас. Деревянные брусья тоже не рекомендуются, так как они впитывают влагу и могут передать ее металлическому каркасу, который начнет ржаветь.

4. Выполнить правильное армирование углов согласно инструкции. Для этого применяются гнутые с требуемым радиусом стержни, с заданной величиной перепуска. Также устраиваются и Т-образные примыкания основания.

Распространенные ошибки и рекомендации

Устраивать углы при помощи прямых пересечений не советуется, гнуть арматуру очень тяжело. Порой при армировании углов ленточного основания прибегают к хитростям: раскалить металл до более податливого состояния и согнуть, или сделать подпил болгаркой и согнуть в этом месте – ни один, ни другой вариант неприемлем. Потерянная в этих манипуляциях почти вся прочность прутьев при неравномерной просадке сооружения может привести к тому, что фундамент не выдержит, и трещина пойдет по углу на всю высоту строения.

Зачастую при устройстве фундамента своими силами есть непреодолимое стремление «сделать все понадежнее и покрепче, что б наверняка», это приводит к увеличению стержней, диаметра и шага, при этом затрачивается необоснованно больше материала, средств и сил. Процент армирования колеблется от 0,1% до 4% от площади сечения основания, для частного строительства значения 0,1% будет больше чем достаточно.

Армирование фундамента.

   
   Монолитный ленточный фундамент испытывает на себе различные нагрузки. Сверху идёт давление веса строения, снизу, особенно в зимний период, фундамент может выдавливаться наружу пучинистым грунтом.

● Ленточный фундамент имеет небольшую ширину и поэтому поперечного напряжения нет. Опасными являются продольные растягивающие нагрузки. Застывший бетон не относится к пластичным материалам и под серьёзными нагрузками может потерять свою структурную целостность. Во избежание этого негатива бетонный раствор в процессе заливки подвергается армированию.

Для усиления бетонного фундамента и повышения его стойкости к растягиванию применяется стальной арматурный каркас, основными элементами которого являются продольные горизонтальные прутья — нитки (рабочая арматура). Применяется стойкая к коррозии и разрывным нагрузкам арматура класса А3 с серповидным сечением или кольцевой ребристостью — для лучшего взаимодействия с раствором. При армировании фундамента для относительно лёгких строений используется арматура с сечением 8-10 мм, а для более тяжёлых домов применяется рабочая арматура в 12-16 мм. Также толстые нитки используются при наличии пучинистого грунта, который в зимний период давит на фундамент в значительной степени. При сборке арматурного каркаса применяется монтажная арматура с гладким сечением. Прутья этой распределительной арматуры имеют сечение 6-8 мм — они тоньше, чем рабочие нитки по причине того, что не подвергаются сильным нагрузкам.


Расстояние между осями рабочей арматуры не должно превышать 400 мм, а суммарное значение сечений ниток арматуры — не менее 0,1% от площади сечения монолитного бетонного элемента. Для незаглублённого фундамента можно использовать 4 продольных прута, а для заглублённого фундамента с высотой более 700 мм применяются шесть и более продольных ниток. В зависимости от ширины ленточного фундамента в одном ярусе используются два или три стержня. Распределительные прутья для поперечного и вертикального армирования не должны быть удалены на более, чем 600 мм друг от друга. Промежуточные нитки называются конструктивными. Расположение арматуры в бетоне регламентируется нормативным документом СП 52-101-2003 «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжёлого бетона без предварительного напряжения арматуры», а также пособием по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий». Виды армирования.

Арматура в фундаменте располагается максимально близко к верхней и нижней плоскостям — так как сильнейшие растягивающие нагрузки ленточный фундамент испытывает именно там. В случаях с многоярусным армировании высоких монолитов нижний и верхний ярусы могут содержать больше стержней, чем промежуточные ярусы. Между стенками фундамента и элементами арматуры необходимо сделать защитный слой материала, который защитит арматурный каркас от влаги, обеспечит возможность соединения всех элементов каркаса согласно плану, установит чёткое взаимодействие бетона и стальной арматуры. В монолитных фундаментах на бетонной площадке защитный слой составляет 35 мм. Если бетонная подошва отсутствует, то защитный слой должен составлять 70 мм. Данный размер можно выдержать посредством подкладывания кусков бетона 10х10 см («сухари») или фиксаторов из пластика различной размерности. Для поднятия арматурного каркаса не используются щебень, древесина, арматура, кирпичный бой. Выставить каркас с боковыми зазорами можно с использованием удлинённых горизонтальных монтажных прутьев, упирающихся в стенки опалубки фундамента. Также для выставления зазора подойдут и пластиковые приспособления.

Армирование углов и примыканий. Эти места подвергаются сильным и разнонаправленным нагрузкам и именно по этой причине должны быть снабжены дополнительными силовыми элементами. Также к углам и примыканиям предъявляются дополнительные требования к качеству соединения арматурных нитей и соблюдению необходимой длины их перехлёстки. Усиление анкеровки углов достигается путём добавления монтажных прутьев и использованием вспомогательных П-образных и Г-образных элементов. Дополнительные монтажные прутки могут быть вертикальными — в точках пересечения арматуры и горизонтальными — с половинным шагом.

 

Закрепление стержней рабочей арматуры в бетоне (анкеровка) ведётся прямым окончанием, с круглым загибом — крюком, петлёй — U-образным окончанием, с прямоугольным загибом — лапкой, с приваренными поперечными прутьями. Окончание гладкой монтажной арматуры класса А1 должно быть загнутым или иметь анкер.

Стыковка арматуры является очень ответственным мероприятием. Сам стык рабочей арматуры — слабое место — и поэтому не следует делать его в напрягаемых участках, к которым относятся примыкания, углы, середина длинной стены. В одном арматурном ярусе соседние стыки следует делать с некоторым смещением. Прутья диаметром до 40 мм могут соединяться без применения сварки — с помощью вязальной проволоки в трёх точках нахлёстки. Также для этого можно применять обжимные гильзы или специальные муфты.

Сборка каркаса арматуры. Так как профиль каркаса известен, то готовые арматурные секции можно создать по шаблону на верстаке — т. е. нет необходимости проводить все монтажные работы в траншее фундамента, предварительно нарезав монтажную арматуру на короткие прутки. Для того, чтобы заранее подготовить секции каркаса, надо будет на плоской поверхности очертить поперечное сечение каркаса и в местах прохода продольной рабочей арматуры закрепить небольшие штыри, роль которых могут выполнить приваренные на стальной лист четыре болта. Вокруг этих штырей изогнуть гладкую распределительную арматуру. По углам, внутри этих замкнутых или открытых кольцевых элементов будут раскрепляться рабочие ребристые пруты.

Сборку каркаса можно производить традиционной электродуговой сваркой, а для малых диаметров — методом точечной сварки. Также применяется вязка арматурных прутьев стальной проволокой сечением 0,8-1,2 мм. Для этого отрезок проволоки длиной до 300 мм складывается вдвое и оборачивается вокруг пересечения арматурных прутьев. Для облегчения данной операции можно воспользоваться специальным пистолетом для вязки арматуры.


Внимание! В процессе установки арматуры и опалубки нельзя забывать про дополнительные проёмы под необходимые коммуникации в будущем фундаменте. Для этих целей внутри опалубки устанавливается деревянный короб враспор со стенками, который после созревания бетона удаляется вместе со щитами опалубки. Также можно использовать гильзу из полимерной трубы или полнотелый куб из пенопласта.
 

Коррозия закладных материалов

Коррозия арматурной стали и других закладных металлов является основной причиной износа бетона. При коррозии стали образующаяся ржавчина занимает больший объем, чем сама сталь. Это расширение создает растягивающие напряжения в бетоне, что в конечном итоге может привести к растрескиванию, расслаиванию и отслаиванию.

Сталь подвергается коррозии, поскольку она не является природным материалом. Скорее, железная руда плавится и очищается для производства стали. Производственные этапы, которые превращают железную руду в сталь, добавляют металлу энергии.

Сталь, как и большинство металлов, за исключением золота и платины, термодинамически нестабильна в нормальных атмосферных условиях, высвобождает энергию и возвращается в свое естественное состояние — оксид железа или ржавчину. Этот процесс называется коррозией.

Для возникновения коррозии должны присутствовать следующие элементы:

  • Должно быть не менее двух металлов (или два места на одном металле) с разными уровнями энергии
  • электролит
  • металлическое соединение

В железобетоне арматурный стержень может иметь множество отдельных участков с разными энергетическими уровнями. Бетон действует как электролит, а металлическое соединение обеспечивается проволочными стяжками, опорами стульев или самой арматурой.

Коррозия представляет собой электрохимический процесс, связанный с потоком зарядов (электронов и ионов). На активных участках стержня, называемых анодами, атомы железа теряют электроны и перемещаются в окружающий бетон в виде ионов двухвалентного железа. Этот процесс называется реакцией полуэлементного окисления, или анодной реакцией, и представляется как: катоды, где они соединяются с водой и кислородом в бетоне.Реакция на катоде называется реакцией восстановления. Обычная реакция восстановления:

2H 2 O + O 2 + 4e → 4OH

катодные участки, где они соединяются с образованием гидроксидов железа или ржавчины:

2Fe 2+ + 4OH → 2Fe(OH)  

Этот первоначальный осажденный гидроксид имеет тенденцию вступать в дальнейшие реакции с кислородом с образованием высших оксидов. Увеличение объема по мере дальнейшего взаимодействия продуктов реакции с растворенным кислородом приводит к внутреннему напряжению в бетоне, которого может быть достаточно, чтобы вызвать растрескивание и отслоение бетонного покрытия.

                    

Коррозию залитых в бетон металлов можно значительно уменьшить, укладывая бетон без трещин с низкой проницаемостью и достаточным бетонным покрытием. Бетон с низкой проницаемостью может быть получен за счет уменьшения соотношения воды и вяжущих материалов в бетоне и использования пуццоланов и шлака.Пуццоланы и шлак также повышают удельное сопротивление бетона, тем самым снижая скорость коррозии даже после ее начала. ACI 318-11, Требования строительных норм и правил к конструкционному бетону  предусматривает минимальные требования к бетонному покрытию, которые помогут защитить встроенные металлы от коррозионно-активных материалов. Дополнительные меры по снижению коррозии стальной арматуры в бетоне включают применение антикоррозионных добавок, покрытие арматуры (например, эпоксидной смолой), нанесение герметиков и мембран на поверхность бетона. Герметики и мембраны, если они используются, необходимо периодически наносить повторно.

Бетон и пассивный слой

Хотя сталь имеет естественную склонность к коррозии, щелочная среда бетона (pH от 12 до 13) обеспечивает защиту стали от коррозии. При высоком pH на стали образуется тонкий оксидный слой, препятствующий растворению атомов металла. Эта пассивная пленка на самом деле не останавливает коррозию; снижает скорость коррозии до незначительного уровня. Для стали в бетоне скорость пассивной коррозии обычно равна 0.1 мкм в год. Без пассивной пленки скорость коррозии стали бы как минимум в 1000 раз выше (ACI222 2001).

Благодаря присущей бетону защите, арматурная сталь не подвергается коррозии в большинстве бетонных элементов и конструкций. Однако при разрушении пассивного слоя может возникнуть коррозия. Разрушение пассивного слоя происходит при снижении щелочности бетона или при повышении концентрации хлоридов в бетоне до определенного уровня.

Роль ионов хлора

Воздействие ионов хлора на железобетон является основной причиной преждевременной коррозии стальной арматуры. Проникновение ионов хлора, присутствующих в солях против обледенения и морской воде, в железобетон может вызвать коррозию стали, если кислород и влага также доступны для поддержания реакции. Растворенные в воде хлориды могут проникать сквозь прочный бетон или достигать стали через трещины. Хлорсодержащие примеси также могут вызывать коррозию.

Ни один другой загрязнитель не упоминается в литературе так широко, как причина коррозии металлов в бетоне, чем ионы хлорида. Механизм, с помощью которого хлориды способствуют коррозии, не совсем понятен, но наиболее популярная теория состоит в том, что ионы хлорида проникают через защитную оксидную пленку легче, чем другие ионы, делая сталь уязвимой для коррозии.

Риск коррозии возрастает по мере увеличения содержания хлоридов в бетоне. Когда содержание хлоридов на поверхности стали превышает определенный предел, называемый пороговым значением, возникает коррозия, если также доступны вода и кислород.Исследования Федерального управления автомобильных дорог (FHWA) показали, что пороговое значение в 0,20% общего (кислоторастворимого) хлорида от массы цемента может вызвать коррозию арматурной стали настила моста (Clear 1976). Однако только водорастворимые хлориды способствуют коррозии; некоторые растворимые в кислоте хлориды могут быть связаны внутри агрегатов и, следовательно, не могут способствовать коррозии. Работа в FHWA (Clear 1973) показала, что коэффициент преобразования кислоторастворимых хлоридов в водорастворимые может находиться в диапазоне от 0.от 35 до 0,90, в зависимости от состава и истории бетона. Произвольно было выбрано значение 0,75, в результате чего предел водорастворимых хлоридов составил 0,15 процента от веса цемента.

Хотя хлориды напрямую ответственны за инициирование коррозии, они, по-видимому, играют лишь косвенную роль в скорости коррозии после ее инициирования. Основными факторами, контролирующими скорость, являются наличие кислорода, удельное электрическое сопротивление и относительная влажность бетона, а также pH и температура.

Карбонизация

Карбонизация происходит, когда углекислый газ из воздуха проникает в бетон и реагирует с гидроксидами, такими как гидроксид кальция, с образованием карбонатов. В реакции с гидроксидом кальция образуется карбонат кальция:

  Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O

Эта реакция снижает pH порового раствора до 8,5, при котором пассивная пленка на сталь не стабильна.

Карбонизация обычно является медленным процессом. Было подсчитано, что в высококачественном бетоне карбонизация будет происходить со скоростью до 0,04 дюйма в год. Количество карбонизации значительно увеличивается в бетоне с высоким водоцементным отношением, низким содержанием цемента, коротким периодом отверждения, низкой прочностью и высокопроницаемой или пористой массой.

Карбонизация сильно зависит от относительной влажности бетона. Самые высокие показатели карбонизации возникают, когда относительная влажность поддерживается в пределах от 50 до 75 процентов.Ниже 25 процентов относительной влажности степень карбонизации считается незначительной. При относительной влажности выше 75 процентов влага в порах ограничивает проникновение CO2. Коррозия, вызванная карбонизацией, часто возникает на участках фасадов зданий, которые подвергаются воздействию осадков, затенены от солнечного света и имеют низкое бетонное покрытие поверх арматурной стали.

Карбонизация бетона также снижает количество ионов хлора, необходимых для ускорения коррозии. В новом бетоне с pH от 12 до 13 требуется от 7000 до 8000 частей на миллион хлоридов, чтобы начать коррозию закладной стали.Однако если рН снизить до диапазона от 10 до 11, пороговое значение хлоридов для коррозии будет значительно ниже — на уровне 100 частей на миллион или ниже. Однако, как и ионы хлорида, карбонизация разрушает пассивную пленку арматуры, но не влияет на скорость коррозии.

Пример карбонизации фасада здания.

Коррозия разнородных металлов

Когда два разных металла, таких как алюминий и сталь, соприкасаются внутри бетона, может возникнуть коррозия, поскольку каждый металл имеет уникальный электрохимический потенциал.Знакомый тип коррозии разнородных металлов происходит в обычной батарейке для фонарика. Цинковый корпус и угольный стержень представляют собой два металла, а влажная паста действует как электролит. Когда углерод и цинк соединены проводом, течет ток. В железобетоне коррозия разнородных металлов может возникать на балконах, где встроенные алюминиевые перила соприкасаются с арматурной сталью. Ниже приведен список металлов в порядке электрохимической активности:

1. Цинк                     5. Никель                9.Медь

2. Алюминий 6. Олоча 10. Бронза

3. Сталь 7. Лидирование 11. Нержавеющая сталь

4. Железо 8. ЛАТЬ 12. Золотой

Когда металлы вступают в контакт в активном электролите, тем меньше активный металл (нижний номер) в ряду корродирует.

Каталожные номера

Комитет ACI 222, Защита металлов в бетоне от коррозии , ACI 222R-01, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган, 2001 г., 41 страница.

Комитет ACI 318, Требования строительных норм и правил к конструкционному бетону , ACI 318-05, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган, 2005 г. , 443 страницы.

Клир, К.С., и Хэй, Р.Е., «Время до коррозии арматурной стали в бетонной плите, т. 1: Влияние состава смеси и параметров конструкции», FHWA-RD-73-32, Федеральное управление автомобильных дорог, Вашингтон, округ Колумбия, апрель 1973 г., 103 страницы.

Clear K.C., «Время до коррозии арматурной стали в бетонных плитах», Федеральное управление автомобильных дорог, PB 258 446, Vol.3, апрель 1976 г.

PCA, Типы и причины разрушения бетона, Ассоциация портландцемента, Скоки, Иллинойс, 2002 г., 16 страниц.

Растрескивание защитного слоя бетона, вызванное неравномерной коррозией арматуры

Материалы (Базель). 2019 декабрь; 12(24): 4245.

Лу Чжан

1 Факультет гражданского строительства, Сианьский университет архитектуры и технологий, Сиань 710055, Китай; [email protected]

Ditao Niu

2 Государственная ключевая лаборатория зеленого строительства в Западном Китае, факультет гражданского строительства, Сианьский университет архитектуры и технологий, Сиань 710055, Китай

Bo Wen

2 Государственная ключевая лаборатория зеленого строительства в Западном Китае, Факультет гражданского строительства, Сианьский университет архитектуры и технологии, Сиань 710055, Китай

Daming Luo

2 Государственная ключевая лаборатория Зеленое строительство в Западном Китае, Факультет гражданского строительства, Сианьский архитектурно-технологический университет, Сиань 710055, Китай

1 Факультет гражданского строительства, Сианьский архитектурно-технологический университет, Сиань 710055, Китай ; нк. [email protected]

2 Ключевая государственная лаборатория экологического строительства в Западном Китае, Департамент гражданского строительства, Сианьский университет архитектуры и технологий, Сиань 710055, Китай

Поступила в редакцию 23 октября 2019 г.; Принято 10 декабря 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Эта статья цитировалась в других статьях в PMC. .

Abstract

Объемное расширение продуктов коррозии арматуры в результате коррозии стальной арматуры, встроенной в бетон, приводит к растрескиванию или отслаиванию защитного слоя бетона, что снижает долговечность бетонной конструкции. Таким образом, необходимо анализировать растрескивание бетона, вызванное коррозией арматуры. Это исследование было сосредоточено на возникновении неравномерной коррозии арматуры в естественной среде. Характеристики слоя ржавчины использовались для вывода неравной функции распределения радиального смещения бетона вокруг угловых и неугловых стержней.Кроме того, была установлена ​​количественная связь между коэффициентом коррозии и радиальным смещением бетона вокруг стержня. Растрескивание бетона из-за неравномерной коррозии арматуры моделировали с помощью заделанных в бетон стальных стержней, которые имели неравномерное смещение из-за распространения ржавчины. Было исследовано распределение главного растягивающего напряжения вокруг стержня. Была получена формула для расчета критического радиального смещения в точке начала растрескивания, которая использовалась для прогнозирования коэффициента коррозии бетонного покрытия.Определенный аналитический коэффициент коррозии хорошо согласуется с результатом испытания. Анализ фактора влияния, основанный на методе конечных элементов, показал, что увеличение прочности бетона и толщины защитного слоя бетона задерживает растрескивание бетона и что соседний арматурный стержень вызывает явление суперпозиции напряжений.

Ключевые слова: неравномерная коррозия, радиальное смещение, коэффициент коррозии, МКЭ, распределение напряжений

1. Введение

Многие факторы могут снизить долговечность железобетонной (ЖБ) конструкции.Среди них основной причиной является коррозия материалов внутренней арматуры, известная как коррозия арматуры. Объемное расширение, вызванное коррозией арматурных стержней в бетоне, приводит к растрескиванию или отслаиванию защитного слоя бетона по мере развития коррозии с последующим разрушением бетонной конструкции на прочность [1,2]. Коррозия стальных стержней приводит к снижению силы сцепления с бетоном [3,4,5,6]. Коррозия стали нанесла неисчислимый ущерб нескольким железобетонным конструкциям, что потребовало их ремонта или удаления.Таким образом, структурные повреждения, вызванные коррозией стали, стали глобальной проблемой риска бедствий. Разрушение из-за коррозии стали — сложный процесс, и еще предстоит решить несколько проблем.

После того, как арматура подверглась коррозии, продукты коррозии вызывают силу выдавливания на бетон вокруг арматуры. Под действием этой силы расширения ржавчины арматура бетон трескается дальше. По мере увеличения степени ржавчины трещины постепенно расширяются к поверхности защитного слоя бетона.Было проведено несколько теоретических исследований силы распространения ржавчины в арматуре. Согласно упругому анализу в процессе растрескивания корродированных изделий, Bazant et al. [7] предложили три типа разрушения бетона. Weyers [8,9] провел механический анализ процесса растрескивания, рассматривая диффузию продуктов ржавчины в поры бетона вокруг стальных стержней. Кроме того, была предложена формула окружного напряжения, основанная на механике упругости, для неповрежденной части цилиндра с единичным радиусом длины.Чжао и др. [10,11] проанализировали механическое поведение как бетонного защитного слоя, так и слоя ржавчины, используя теорию упругости, чтобы получить взаимосвязь координации деформации между затвердевшим грунтом и слоем ржавчины. В соответствии с теорией механики повреждений и механики упругих твердых тел они ввели переменную повреждения, чтобы создать модель растрескивания частично растрескавшегося защитного бетонного слоя из-за ржавчины. Ли и др. [12] использовали механику разрушения для анализа напряжений и деформаций в бетоне.Их модель определила зависимость между шириной трещин в защитном слое и глубиной коррозии арматуры. Модель основной теоретической основой является механика упругих тел и механика разрушения. Процесс расчета был сложным, и требовались данные полевых измерений, поэтому инженерное приложение было относительно сложным.

Экспериментальные исследования растрескивания защитного слоя бетона под воздействием ржавчины сосредоточены в основном на двух темах: (1) время от ржавления стального стержня до момента, когда на поверхности бетона появляются трещины, или коррозионные потери во время трещин на поверхности бетона и (2) разработка закона для прогнозирования ширины трещин на поверхности бетона в результате коррозии арматуры.Многочисленные ученые провели эксперименты по созданию эмпирических моделей времени и ширины трещины в бетоне. Андраде и др. В работе [13] были проведены ускоренные коррозионные испытания на четырех тестовых образцах с различным положением арматуры, диаметром арматуры и толщиной защитного слоя при воздействии различных электрических полей. Предполагая равномерную коррозию стальных стержней, глубину коррозии стали в данный момент времени рассчитывали по закону Фарадея, используя ток питания и время возбуждения.Алонсо и др. [14] использовали аналогичное испытательное оборудование при различной силе тока, чтобы установить взаимосвязь между глубиной коррозии и силой тока. О и др. [15] использовали значение деформации для оценки растрескивания бетона, определив, что начальная трещина появляется на поверхности бетона защитного слоя, когда контролируемая деформация достигает значения деформации растрескивания бетона. Таким образом, связь между скоростью коррозии стальной арматуры и толщиной защитного слоя устанавливали путем определения точки, в которой происходит растрескивание бетонной поверхности защитного слоя.Сонг и др. [16] исследовали скорость коррозии ржавчины при расширении бетона с добавками с помощью ускоренных коррозионных испытаний под действием электрического поля. Они создали математическую модель для описания скорости коррозии стали в случае защитного слоя бетона в различных условиях окружающей среды с учетом сходства между быстрой электрохимической коррозией и естественным коррозионным процессом.

Растрескиванию бетонных конструкций из-за коррозионного расширения способствуют различные факторы, но эти факторы не могут быть всесторонне проанализированы с использованием эмпирических формул.Результаты предыдущих исследований не могут быть применены к другим тестам на растрескивание от ржавчины на основе небольшого подмножества факторов. Поэтому в этом исследовании была создана модель скорости коррозии стали для ситуации, когда защитный слой бетона трескается, с учетом различных факторов, таких как толщина бетонного покрытия, соотношение вода-вяжущее и диаметр стального стержня.

Разрушение бетона под действием силы расширения ржавчины стали моделируется с помощью программного обеспечения конечных элементов или специальной компьютерной программы, разработанной для этой цели.Вал и др. В работе [17] изучался процесс заполнения ржавчиной на стадии свободного расширения коррозии с использованием конечно-элементной модели двумерной (2D) плоскости с отверстиями. Разница между экспериментальным значением коррозии во время растрескивания и соответствующими результатами численного моделирования отражает количество заполнения ржавчиной. Джанг и др. [18] провели численное моделирование для изучения растрескивания бетона, вызванного неравномерной коррозией. Диаметр стального стержня, толщина покрытия и диаметр арматуры во время растрескивания бетона определялись путем регулирования нагрузок, параметров материала и геометрических размеров.Чжао и др. [19] проанализировали модель распространения слоя ржавчины различной толщины вокруг стального стержня. В качестве основы смещающей нагрузки в модели конечных элементов были подготовлены корродированные образцы RC, чтобы облегчить изучение неравномерного процесса растрескивания, вызванного ржавчиной. Распределение поля напряжений в бетоне, вызванное неравномерной коррозией внутреннего стального стержня, развитие и распространение трещины расширения ржавчины и коррозионная расширяющая сила были получены с помощью модели конечных элементов.Ожболт и др. В работе [20] использовалась трехмерная (3D) численная модель для анализа переходных процессов после депассивации арматуры в бетоне, актуальная для расчета скорости коррозии. Модель предсказала, что трещины не влияют на скорость коррозии в случае, когда трещина влияет только на скорость, с которой кислород может достичь стали. Ду и др. [21] исследовали растрескивание защитного слоя бетона, вызванное неравномерной коррозией арматуры, с помощью численного моделирования в микромасштабе.Исследовано влияние диаметра арматуры, толщины защитного слоя и положения арматуры на растрескивание защитного слоя бетона в условиях неоднородной коррозии. Чжан и др. [22] численно смоделировали неравномерную коррозию арматуры, вызывающую растрескивание бетона в железобетонных конструкциях, загрязненных хлоридами. Было изучено влияние толщины бетонного покрытия, диаметра арматуры и расстояния между арматурными стержнями на характер разрушения бетонного покрытия и распространение трещин, а также были установлены ограничивающие критерии для режимов растрескивания.Фахи и др. В работе [23] рассмотрен перенос продуктов коррозии в поры и трещины в бетоне при прогнозировании коррозионного растрескивания в железобетонных конструкциях. Транспорт под давлением изучался с использованием модели осесимметричного толстостенного цилиндра и сетевого метода. Жень и др. В работе [24] изучалось влияние различных факторов на время зарождения и распространения трещины с использованием метода теплового моделирования с трехмерной нелинейной моделью конечных элементов. Результаты показали, что наиболее значимыми параметрами, влияющими на время зарождения трещины, являются типы продуктов коррозии, толщина межфазной переходной зоны и скорость коррозии.Си и др. [25,26] установили мезомасштабную модель разрушения смешанного типа для растрескивания бетонной конструкции. Влияние совокупной хаотичности на развитие ширины трещины разницы между однородностью и неоднородностью бетонных конструкций заключается в том, что были исследованы и предложены комплексные параметры коррозии. Ян и др. [27] выполнили численный прогноз ширины трещины в бетоне и разработали численный метод прогнозирования ширины трещины в бетоне для коррозионно-активных бетонных конструкций. Точный прогноз ширины трещины и своевременное техническое обслуживание важны для срока службы железобетонных конструкций.

В настоящее время стандартным подходом к моделированию процесса растрескивания бетона, вызванного коррозионным расширением, является использование 2D-модели с круглым отверстием внутри бетона. Однако такую ​​двумерную модель нельзя использовать для анализа взаимодействия секций, развития трещин или выкрашивания бетона после образования трещин, вызванных ржавчиной. Поэтому в этом исследовании, посвященном неравномерной коррозии арматуры в естественных условиях, с использованием характеристик слоя ржавчины была выведена неравная функция распределения радиального смещения для бетона вокруг угловых и неугловых стальных стержней.По результатам численного регрессионного анализа получена математическая модель критического радиального смещения в точке трещины защитного слоя бетона. Зависимость между радиальным смещением и скоростью коррозии стали использовалась для получения расчетной модели скорости коррозии стали во время образования трещин. Модель прогнозирования использовалась для оценки времени растрескивания защитного слоя. Наконец, модель расчета неравномерной ржавчины была подтверждена путем сравнения результатов численного анализа с экспериментальными результатами.

2. Поле радиального смещения бетона с неоднородной коррозионной сталью

После того, как армирующие материалы начинают корродировать, продукты коррозии оказывают выдавливающее усилие на бетон вокруг арматуры. Под действием этой силы ржавчины арматуры в бетоне, окружающем арматуру, создается поле радиального смещения. Если это поле радиального смещения может быть определено, объемное расширение продукта ржавчины может быть смоделировано с помощью метода смещения.В реальных условиях коррозия стали в железобетонных элементах неравномерна. Бетонная сторона вблизи защитного слоя имеет тенденцию к сильной коррозии, в то время как другая сторона демонстрирует противоположную картину. Поле радиального смещения арматуры в угловых и неугловых областях может быть определено с использованием результатов предыдущих исследований.

2.1. Неугловая арматура

Коррозия арматуры распространяется таким образом, что толщина слоя ржавчины обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию до защитного слоя бетона.Точка, расположенная ближе к поверхности бетона, соответствует более толстому слою ржавчины на арматуре. Предложена эллиптическая модель внешней контурной линии слоя ржавчины в неугловой области армирования. Перед расширением из-за коррозии арматуры бетон растрескивается, коррозия арматуры распространяется полукругом с одной стороны бетонного защитного слоя, а слой ржавчины с другой стороны полукруга настолько сравнительно мал, что в расчетах не учитывается [28].Однако после того, как в бетоне начинают появляться трещины, модель распределения слоя коррозии стали можно разделить на две части: эллиптическую модель, расположенную вблизи соответствующей одной стороне защитного слоя бетона, и однородную модель коррозии, соответствующую другой сторона. Модель распределения радиального смещения для неугловой арматуры показана и дается уравнением (1).

u(θ)=0≤θ≤π(r+u1)⋅(r+u2)(r+u1)2cos2θ+(r+u2)2sin2θ−rπ≤θ≤2πu2

(1)

где r — первоначальный радиус стального стержня, u θ — толщина корродированного слоя в точке θ по полярной координате, u 1 боковой стержень) или максимальная толщина коррозии на углу образца бетона (для углового стержня), а u 2 — толщина коррозии на стороне, удаленной от бетонного покрытия.

Модель распределения радиального смещения для неугловой арматуры.

2.2. Угловая арматура

На основании результатов предыдущего исследования [28] предлагается модель двойного эллипса для коррозионного слоя арматуры в угловой области. Предполагается, что форма остаточного сечения арматурного стержня приблизительно эллиптическая. Модель распределения радиального смещения для угловой арматуры показана и дается уравнением (2).

u(θ)=−π2≤θ≤0(r+u1)⋅(r+u2)(r+u2)2cos2θ+(r+u1)2sin2θ−r0≤θ≤π2u1π2≤θ≤π(r+ u1)⋅(r+u2)(r+u1)2cos2θ+(r+u2)2sin2θ−rπ≤θ≤3π2u2

(2)

Модель распределения радиальных смещений для угловой арматуры.

2.3. Поле радиального смещения и коррозионные потери Модель

Процесс растрескивания бетона состоит из трех стадий [29]: стадия расширения без ржавчины, стадия растяжения бетонного покрытия и стадия растрескивания бетонного покрытия. Общее количество продуктов коррозии стали должно быть суммой продуктов коррозии для каждой из трех стадий. Капиллярные поры на границе сталь-бетон имеют одинаковый размер вокруг арматуры.

Толщина переходной зоны пор между сталью и бетоном δ 0 , объем переходной зоны пор в единице длины 2π 0 , коррозионный объем арматурного материала в длина блока В с 1 .Таким образом, объем V 1 продуктов коррозии является суммой объема поровой переходной зоны и объема коррозии арматуры, определяемой уравнением (3).

Объем продукта коррозии на стадии растяжения бетонного покрытия и стадии растрескивания бетонного покрытия V 2 . Когда переходная зона пор заполнена продуктами коррозии арматуры, бетон вокруг арматурного стержня смещается под действием силы расширения ржавчины арматуры.Таким образом, расширенный объем бетона вокруг арматуры в единице длины ( V c ) рассчитывается с использованием радиального смещения вокруг арматуры, как показано уравнением (4). На обеих стадиях объем коррозии арматуры в единице длины составляет V с 2 . Таким образом, объем V 2 продукта коррозии представляет собой сумму расширенного объема бетона и объема коррозии арматуры, как показано уравнением (5).

Армирование неуглового участка: Vc=12πr(u1+3u2) Армирование углового участка: Vc=πr(u1+u2)

(4)

Общее количество V r продуктов коррозии В 1 и В 2 , как показано уравнениями (6) и (7). Скорость расширения продуктов коррозии арматуры составляет ρ , а соотношение между V r и V s приведено в уравнении (8). Общий объем коррозии арматуры на единицу длины ( V s ) определяется уравнением (9). Скорость коррозии арматуры определяется уравнением (10). Связь между скоростью коррозии арматуры и радиальным смещением определяется уравнением (11).

η=Vsπr2=2πr0+Vc(ρ−1)πr

(10)

Армирование неуглового участка: η=4δ0+u1+3u22(ρ−1)r Угловой участок армирования: η=2δ0+u1+ u2(ρ−1)r

(11)

До того, как коррозионное расширение образует трещины в бетоне, коррозия арматуры распространяется полукругом у одной стороны защитного слоя бетона, а слой ржавчины с другой стороны полукруг остается относительно небольшим.Поэтому, по данным литературы [30], связь между максимальным радиальным смещением u 1 и минимальным радиальным смещением u 2 определяется уравнением (12). Уравнение радиального смещения получается путем включения скорости коррозии арматуры (уравнения (13) и (14)).

Арматура неуглового участка:

u(θ)=0≤θ≤πr2[1+2(ρ−1)η]−4δ0r[r+2r(ρ−1)η−4δ0]2cos2θ+r2sin2θ− rπ≤θ≤2π2(ρ−1)rη−4δ0/30

(13)

Угловая арматура:

u(θ)=−π2≤θ≤0r2[1+2(ρ−1)η] −4δ0r[r+2r(ρ−1)η−4δ0]2sin2θ+r2cos2θ−r0 ≤θ≤π22(ρ−1)rη−4δ0π2≤θ≤πr2[1+2(ρ−1)η]−4δ0r[ r+2r(ρ−1)η−4δ0]2cos2θ+r2sin2θ−r π≤θ≤3π22(ρ−1)rη−4δ0/30

(14)

При радиальных перемещениях u 1 и u 2 можно определить скорость коррозии и количество коррозии стальной арматуры в момент, когда расширение ржавчины вызывает растрескивание бетона. По характеристикам коррозионного слоя стали в бетоне получена математическая модель неравномерного поля распределения радиальных смещений, вызванных воздействием коррозии стали на бетон, как для неугловой, так и для угловой области. Модель объясняет условия, лежащие в основе поля дополнительных напряжений, вызванных коррозионным расширением стали, и позволяет анализировать модель методом конечных элементов для прогнозирования трещин в бетоне. Кроме того, количественная связь между скоростью потери сечения неоднородной корродированной арматуры и радиальным смещением бетона вокруг стальных стержней получена путем анализа всего процесса коррозии, который приводит к растрескиванию бетона.

3. Модель численного анализа

В настоящее время существует два подхода к анализу растрескивания защитного слоя бетона: теоретико-аналитический подход и экспериментальный подход. Теоретический анализ в основном включает в себя анализ механики и анализ методом конечных элементов. Подход к анализу упругой механики, принятый учеными, включает рассмотрение упругой механики модели толстостенного цилиндра, в которой предполагается, что сила расширения продукта коррозии равномерно распределена по внутренней стенке бетонного цилиндра. Однако это предположение нереалистично. Дополнительным недостатком анализа упругой механики является сложность точного количественного определения повреждений, вызванных растрескиванием бетона. Хотя анализ конечных элементов является рекомендуемым и общепринятым методом анализа повреждения бетона трещинами, вызванными коррозией стали, необходимо также рассмотреть альтернативный подход — эксперимент. Экспериментальные методы включают метод ускоренных испытаний с приложенным током и метод испытаний с моделированием.Первый обычно широко используется исследователями, поскольку он имеет преимущество относительно короткого времени тестирования. Однако коррозионные результаты метода ускоренных испытаний приложенным током плохо коррелируют с условиями естественной коррозии. Между тем, метод имитационного испытания плохо подходит для имитации неравномерного характера коррозии арматуры. По сравнению с экспериментальным методом, преимущества метода теоретического анализа, заключающиеся в коротком периоде анализа и низкой стоимости, гарантируют, что он играет важную роль в области исследования повреждения бетона трещинами, включая создание модели коррозии арматуры как до, так и во время разрушения. растрескивание бетона [31,32,33] и учет количественной связи между шириной трещины и скоростью коррозии.В настоящем исследовании использовалось программное обеспечение конечных элементов для исследования процесса растрескивания защитного слоя бетона, вызванного неравномерной коррозией и расширением стальной арматуры, а также для выявления влияющих факторов.

3.1. Определяющее соотношение и критерий разрушения бетона

Определяющее отношение бетона относится, главным образом, к соотношению между напряжением и деформацией бетона, подвергающегося одноосным и многоосным нагрузкам. Модель дисперсионной трещины бетона используется для описания нелинейного поведения бетона, вызванного изотропным твердением при упругопластическом сжатии и упругом растрескивании при растяжении.Поверхность текучести при сжатии и функция поверхности обнаружения трещин в плоскости p – q (повреждение при сжатии) показаны на , а поверхность текучести при сжатии и функция поверхности обнаружения трещин при двухосном напряжении (повреждение при растяжении) показаны на .

Повреждение сжатия бетона на плоскости p–q.

Поверхности текучести и разрушения при двухосном напряжении.

Нелинейное поведение бетона под нагрузкой выражается перегородками модели. Упругопластическая модель изотропного упрочнения используется в области модели давление-давление, а модель упругого растрескивания используется в других областях.Линейно-упругое определяющее соотношение принимается до растрескивания бетона, поверхность обнаружения трещины (повреждение при растяжении) определяется напряженным состоянием и направлением разрушения во время растрескивания, а упругое определяющее соотношение принимается после растрескивания. Эквивалентное гидростатическое давление и эквивалентное девиаторное напряжение используются для выражения поверхности текучести при сжатии и обнаружения трещин (повреждения при растяжении) соответственно. Параметр «Коэффициенты отказа» определяет форму поверхностей отказа.Для выражения модели необходимы четыре значения:

  • (1)

    Отношение двухосного предельного напряжения сжатия к одноосному предельному напряжению сжатия;

  • (2)

    Отношение предельного напряжения разрушения при одноосном растяжении к предельному напряжению при одноосном сжатии;

  • (3)

    Отношение главной составляющей пластической деформации при двухосном предельном напряжении сжатия к составляющей пластической деформации, соответствующей одноосному предельному напряжению сжатия; и

  • (4)

    Отношение главного растягивающего напряжения при растрескивании (два других главных напряжения объединяются, чтобы сформировать предельное сжимающее напряжение) к напряжению во время одноосного растрескивания при растяжении.

Одноосное сжимающее напряжение-деформация бетона определяется опцией «бетон». В этом исследовании была принята одноосная зависимость напряжения сжатия от деформации GB50010-2010 [34]. Реляционная модель задается следующим образом:

σc=fc·αaεεc+3−αaεεc2+αa−2εεc3,

(15)

где f c представляет максимальное напряжение одноосного сжатия, ε c представляет собой максимальную деформацию одноосного сжатия, а α a представляет собой соответствующий параметр кривой напряжение-деформация одноосного сжатия.

Растрескивание является одним из наиболее важных механических свойств бетонных материалов. Выражение трещины и моделирование формы после образования трещины являются ключевыми частями модели. При численном анализе бетона с учетом нелинейного поведения ключевой проблемой является моделирование растрескивания бетона. В этом исследовании была принята модель дисперсионного растрескивания с независимыми поверхностями обнаружения трещин. Бетонные трещины развиваются, когда напряжение достигает поверхности обнаружения трещины. Затем направления трещин сохраняются и используются для последующего анализа и расчетов.Поскольку используется теория повреждения, направление разрушения может повлиять на последующий расчет после образования трещины (трещина может быть открытой или закрытой). Последующее разрушение зоны трещины было смоделировано с помощью «упрочнения при растяжении», которое должно быть определено в модели растрескивания бетона. Существует два режима жесткости при растяжении: соотношение между напряжением и деформацией после разрушения и критерий трещины энергии разрушения. Для простого бетона использовался режим отношения напряжения к деформации после разрушения, но результаты его расчета показали чувствительность к сетке.Для решения этой проблемы был принят режим критерия энергии разрушения трещины. Смещение поверхности трещины составило 0,05 мм при нулевом напряжении в модели. Настройка «TYPE=DISPLACEMENT» в опции «TENSION STIFFENING» в параметрах модели использовалась для применения начального смещения.

3.2. Модель конечных элементов

Образец железобетона с размером сечения 200 мм × 200 мм был смоделирован с использованием модели анализа методом конечных элементов, в которой арматура была заменена отверстием того же диаметра.Элементы C3D8R использовались для имитации бетона. C3D8R представляет собой трехмерный восьмиузловой линейный шестигранный блок теплопроводности с твердым телом, в котором используется линейный редукционный интеграл мелкоячеистого деления. Была принята технология построения структурной сетки с размером сетки 0,005 м. Ячейки вокруг отверстий более мелкие, в которых размер сетки составлял 2 мм. Плотность и форма деления сетки должны быть указаны для расчетов методом конечных элементов. Относительно сходящееся решение может быть получено методом проб и ошибок с различной плотностью сетки.Предполагалось, что сталь и бетон идеально связаны. Для моделирования взаимодействия между бетоном и сталью использовалась «встроенная» команда. Кроме того, в качестве граничного условия использовалось неподвижное соединение в конце бетонного покрытия. При анализе трещин основными задачами были добавление параметров механических свойств материалов, изменение типов анализа, добавление граничных условий смещения, приложение нагрузок и вывод результатов расчета.

Предполагалось, что коррозия арматуры однородна в осевом направлении, так что коррозионное расширение арматуры можно рассматривать как задачу плоской деформации.Были смоделированы модель бетонного уголка и модель бетонного бокового стержня (). Окружающее деление сетки было зашифровано из-за концентрации напряжений вокруг отверстия.

Модели из железобетона (ЖБ).

3.3. Параметры модели

Основными факторами, влияющими на растрескивание бетона, являются прочность бетона, толщина защитного слоя бетона, диаметр арматуры и положение стали. Влияющие факторы, рассматриваемые в данном исследовании, представлены в . Эти факторы были объединены по-разному, чтобы создать 54 модели процесса растрескивания бетона.

Таблица 1

Number Rebar Diameter / мм Толщина крышки / мм Прочность на растяжение / МПа Усиленное расположение
1 18 25 1,5450 Боковая арматура
2 209 20 30 1,78 1. 78 Угловая арматура
3 25 35 2.01

3.4. Метод нагружения

Эллиптическая модель, описанная выше, была принята для анализа поля радиального смещения, а радиальное смещение применялось для имитации неравномерного коррозионного расширения арматуры. Шарнирные подшипники были установлены на границе модели так, чтобы модели находились под напряжением как в радиальном, так и в осевом направлениях. Для облегчения анализа исходные дефекты и микротрещины в исследовании не учитывались. Для арматуры в угловых и неугловых областях, радиальное смещение бетона применялось в соответствии с уравнениями (13) и (14).

4. Результаты анализа

4.1. Анализ напряжения бетона

Была проанализирована модель бетона с прочностью бетона C30, толщиной покрытия 30 мм и диаметром стали 20 мм.

4.1.1. Одиночный стальной стержень

Нефограмма и карта изолиний основного растягивающего напряжения были получены путем применения значения смещения u 1 = 1 мкм для смоделированного распределения напряжения в бетоне без трещин, как показано на и (единица измерения: Па) . Здесь основное растягивающее напряжение бетона на краю отверстия распределялось неравномерно.Оно постепенно уменьшалось от края к внешней области, тогда как основное растягивающее напряжение на краю внешней поверхности возрастало.

Неугловая арматура (единица измерения: Па). ( a ) Нефограмма главного растягивающего напряжения. ( b ) Карта изолиний модели главных растягивающих напряжений.

Арматура угловой части (единица измерения: Па). ( a ) Нефограмма главного растягивающего напряжения. ( b ) Карта изолиний модели главных растягивающих напряжений.

4.1.2. Мультиармирование

Здесь три отверстия (одно центральное и два угловых, каждое диаметром 20 мм) были расположены равномерно. Равное радиальное смещение применялось для получения нефограммы и карты изолиний основного растягивающего напряжения, как показано на рис. Цифры показывают, что напряжение в бетоне возникало между соседними стальными стержнями и что это напряжение было больше, чем напряжение в защитном слое бетона. Можно сделать вывод, что когда стальные стержни ржавеют одновременно, бетон трескается горизонтально вдоль стальных стержней из-за наложения напряжений и даже начинает отслаиваться.

Многокомпонентная арматура: ( a ) Нефограмма основного растягивающего напряжения; ( b ) Карта изолиний модели главных растягивающих напряжений.

4.2. Радиальное смещение арматуры в угловой зоне

4.
2.1. Результаты численного анализа

Модель бетона с прочностью бетона C30, толщиной покрытия 30 мм и диаметром стали 20 мм была проанализирована для получения критического радиального смещения при трещинах в бетоне. При радиальном смещении u 1 = 2.Было нанесено 5 мкм, в бетоне вокруг стального стержня появились трещины. При радиальном смещении u 1 = 5 мкм трещины распространяются во всех направлениях. При радиальном смещении u 1 = 6 мкм в защитном слое бетона появились трещины. При радиальном смещении u 1 = 7,2 мкм в защитный слой бетона проникли трещины. Горизонтальная и вертикальная составляющие значений напряжения бетона для поверхности с трещинами показаны на , а результаты численного анализа растрескивания бетона, вызванного неравномерной коррозией арматурной стали в угловой области, представлены на .

Горизонтальная и вертикальная составляющие напряжения в бетоне (единица измерения: Па). ( a ) u 1 = 2,5 мкм; ( b ) u 1 = 5 мкм; ( c ) u 1 = 6 мкм; ( d ) u 1 = 7,2 мкм.

Таблица 2

Критическое радиальное смещение угловой арматуры.

1 U 1 / мкм 9 9 9 90 5. 2
Кол. Прочность на растяжение/МПа Диаметр арматуры/мм Толщина защитного слоя/мм Радиальное смещение u 1 /мкм Кол. Прочность на растяжение / MPA Rebar Diameter / мм толщина крышки / мм
1 1 18 25 4,6 15 1 1,78 20 70450
2 1,54 18 30 30 5. 8 16 1,78 25 25 9 5.1
3 3 18 18 35 7.0 17 9 25 30 9 6. 2
4 1,54 9 20 25 4.6 18 18 1,78 25 35 70450
5 9 9 9 20 30 5. 7 19 2,01 18 25 5.9
6 6 9 20 9 9 9 9 9 18 30 9 7
7 1,54 9 25 25 4. 4 21 21 21 18 35 9 9 8 9 9
8
9 25 25 30 9
22 22 2,01 20 25 5. 8
9 9 9 25 35 5.9 23 20 30 9 7.2
10 1.78 18 25 5. 3 24 24 201 20 35 80450
11 18 18 30 604450 60450 25 2,01 25 25 5. 6
12 12 18 18 35 8.0 26 25 25 30 9 6049 9
13 1,78 20 25 27 27 27 9 259 25 35 8.3
14 1,78 20 30 6
4.
2.2. Анализ влияющих факторов

(1) Марка прочности бетона

Согласно , была установлена ​​зависимость между радиальным смещением u 1 и пределом прочности бетона при растяжении защитного слоя бетона, как показано на рис. Радиальное смещение u 1 постепенно увеличивается по мере увеличения предела прочности при растяжении, когда толщина защитного слоя бетона и диаметр арматуры остаются постоянными.

Радиальное смещение u 1 и прочность бетона на растяжение.

(2) Толщина бетонного покрытия и диаметр арматурного стержня

представляет зависимость между радиальным смещением u 1 и отношением толщины бетонного покрытия к диаметру арматурного стержня, когда бетонный защитный слой трескается, как показано на рис. Можно сделать вывод, что радиальное смещение u 1 постепенно увеличивается по мере увеличения относительной толщины покрытия, когда предел прочности бетона на растяжение остается постоянным.

Радиальное смещение u 1 и относительная толщина покрытия c / d .

(3) Данные регрессионного анализа

Результаты факторного анализа показали, что формулу регрессии, учитывающую критическое радиальное смещение, прочность бетона, толщину защитного слоя и диаметр арматуры, можно получить с помощью множественного логистического регрессионного анализа. Модель регрессии была создана с использованием подгоночной функции уравнения (16), как указано в уравнении (17).

u1=k·ftA·(1+c/d)B·dC

(16)

u1=0,0338·ft0,92·(1+c/d)2·d

(17)

где u 1 представляет собой критическое радиальное смещение, f t представляет собой прочность бетона на растяжение, c представляет толщину защитного слоя, а d представляет собой диаметр арматурного стержня.

4.3. Радиальное смещение арматуры в неугловой зоне

4.3.1. Результаты численного анализа

Модель бетона с прочностью бетона C30, толщиной покрытия 30 мм и диаметром стали 20 мм была проанализирована для определения критического радиального смещения при растрескивании бетона. При радиальном смещении u 1 = 4,5 мкм в бетоне вокруг стального стержня появились трещины. При радиальном смещении u 1 = 7.Было нанесено 4 мкм, трещины распространились во всех направлениях. При радиальном смещении u 1 = 11,3 мкм в защитном слое бетона появились трещины. При радиальном смещении u 1 = 11,9 мкм трещины проникли в защитный слой бетона. Горизонтальная и вертикальная составляющие напряжения бетона на поверхности с трещинами показаны на рис. Результаты численного анализа трещинообразования бетона, вызванного неравномерной коррозией арматурной стали в неугловой области, представлены в .

Горизонтальная и вертикальная составляющие напряжения в бетоне (единица измерения: Па): ( a ) u 1 = 4,5 мкм; ( b ) u 1 = 7,4 мкм; ( c ) u 1 = 11,3 мкм; ( d ) u 1 = 11,9 мкм.

Таблица 3

Критическое радиальное смещение неугловой арматуры.

1 / мкм 8. 8 9 9 9 9 9
Кол. Прочность на растяжение/МПа Диаметр арматуры/мм Толщина защитного слоя/мм Радиальное смещение u 1 /мкм Кол. Прочность на растяжение / МПа диаметр арматуры / мм толщина крышки / мм
1 1,54 18 25 7. 8 15 15 1,78 20 35 12.6
2 18 18 30 9 9.6 16 1,78 25 25
3 18 18 35 11.4 17 25 30 9 10.6
4 4 9 20 25 7. 7 18 18 1,78 25 35 12.3
5 9 9 20 30 9.4 199 2,01 18 25 9. 9
6 6 1,54 20 9 9 11.1 9 9 18 30 9 12.0
7 9 7 25 25 7. 8 21 21 21 18 9 9 14.2 14.2
8 8 9 25 30 9.3 22 22 2,01 20 25 9. 8
9 9 9 25 9 10.8 23 20 20 30 9 9 9
10 10 1,78 18 25 8,9 24 24 201 20 9 9 13. 9 13.9
11 9 18 18 30 9 10.9 25 2,01 25 25 9.9
9 12 18 18 35 12. 9 26 25 25 9
13 9 9 20 25 8.8 27 27 27 9 25 25 13. 7 13.7
14 1,78 20 30 10.6
4.3.2. Анализ влияющих факторов

(1) Марка прочности бетона

Зависимость между радиальным смещением u 1 и пределом прочности бетона при растяжении при трещинах в защитном слое бетона может быть определена и показана на рис. Радиальное смещение u 1 постепенно увеличивается по мере увеличения предела прочности при растяжении, когда толщина защитного слоя бетона и диаметр арматуры остаются постоянными.

Радиальное смещение u 1 и прочность бетона на растяжение.

(2) Относительная толщина защитного слоя бетона

Зависимость между радиальным смещением u 1 и отношением толщины защитного слоя бетона к диаметру арматурного стержня при появлении трещин в защитном слое бетона может быть определена из и показана на . Радиальное смещение u 1 постепенно увеличивается по мере увеличения относительной толщины защитного слоя, когда предел прочности бетона на растяжение остается постоянным.

Радиальное смещение u 1 и относительная толщина покрытия c / d .

(3) Данные регрессионного анализа

Критическое радиальное смещение неугловой области армирования больше, чем у угловой области армирования, на что указывает . Отношение первого ко второму составляет примерно 1,68. Таким образом, для надлежащего учета влияния неуглового расположения был принят параметр коррекции положения арматуры. Регрессионная модель для критического радиального смещения u 1 защитного слоя, вызванного неравномерной ржавчиной в неугловой области, была скорректирована в соответствии с уравнением (18).

u1=0,0568·ft0,92·(1+c/d)2·d

(18)

Таблица 4

Соотношение критического радиального смещения.

4,5 4,04 904 49 40496 1,60
Кол. Неугловое радиальное смещение/мкм Угловое радиальное смещение/мкм Отношение Кол. Неугловое радиальное смещение/мкм Угловое радиальное смещение/мкм Отношение
1 7,8
15 12,6 7,7 1,64
2 9,6 5,8 1,66 16 8,8 5,1 1,73
3 11,4 7,0 1. 63 17 17 10.6 6.2 91 1,71
4 7 4,6 1,67 18 7.3 7.4 1,66
5 9,4 5,7 1,65 19 9,9 5,9 1,68
6 11,1 6,8 1,63 20 12,0 70450 70450 1,62
7 7 70450 4 49 21 21 14. 2 8.9 1.60
8 9.3 5,4 1,72 22 9,8 5,8 1,69
9 10,8 5,9 1,83 23 11,9 7,2 1,65
10 80450 8. 9 5.3 5.3 1,68 24 13.9
11 10.9 6.6 1.65 25 9.9 5,6 1,77
12 12,9 8,0 1,61 26 11,8 6,9 1,71
13 8,8 5,2 1,69 27 13,7 8,3 1,65
14 10,6 6,4

Здесь u 1 представляет собой критическое радиальное смещение, f t представляет собой прочность бетона на растяжение, c представляет диаметр арматуры6 4 , а представляет собой диаметр арматуры6 4 .

4.4. Модель скорости коррозии арматуры

Уравнения (17) и (18), соответственно, были заменены уравнением (11), а модели скорости коррозии стали для неугловой и угловой областей приведены в уравнении (19). Математическая модель регрессии скорости коррозии стали была получена с использованием параметров коррекции положения арматуры, как указано в уравнении (20). Уравнение радиального смещения было получено путем включения скорости коррозии арматуры, как указано в уравнениях (21) и (22).

Арматура неуглового участка η=4δ0+0,063·ft0,92·(1+c/d)2·d(ρ−1)d Армирование углового участка η=4δ0+0,07·ft0,92·(1+c/ г)2·d(ρ−1)d

(19)

η=4δ0+k·0,07·ft0,92·(1+c/d)2·d(ρ−1)d

(20 )

Здесь δ 0 представляет собой толщину переходной зоны пор между сталью и бетоном, ρ представляет собой скорость расширения продуктов коррозии арматуры, а k представляет собой параметр коррекции положения арматуры, что равно 1 в угловой области и 0. 9 для усиления в неугловой области.

Арматура неуглового участка:

u(θ)=0≤θ≤πr2+8δ0r2/d+0,126r2ft0,92(1+c/d)2−4δ0r[r+8δ0r/d+0,126rft0,92 (1+c/d)2−4δ0]2cos2θ+r2sin2θ−rπ≤θ≤2π0,267δ0r/d+0,004rft0,92(1+c/d)2−0,133δ0

(21)

Армирование углового участка :

u(θ)=−π2≤θ≤0r2+8δ0r2/d+0,126r2ft0,92(1+c/d)2−4δ0r[r+8δ0r/d+0,126rft0,92(1+c/d) 2−4δ0]2cos2θ+r2sin2θ−r0≤θ≤π28δ0r/d+0,126rft0,92(1+c/d)2−4δ0π2≤θ≤πr2+8δ0r2/d+0,126r2ft0,92(1+c/d) 2−4δ0r[r+8δ0r/d+0.126rft0,92(1+c/d)2−4δ0]2sin2θ+r2cos2θ−rπ≤θ≤3π20,267δ0r/d+0,004rft0,92(1+c/d)2−0,133δ0

(22)

4.5. Подтверждение испытаний

Для подтверждения формулы образец железобетона размерами 300 мм × 300 мм × 500 мм был испытан для определения скорости коррозии стали. В качестве вяжущего материала в эксперименте использовали обычный портландцемент марки Р.О42,5. Рядовые бетонные мелкие заполнители изготавливались из речного песка с модулем крупности 2,4. Крупные заполнители изготавливали из базальтового гравия крупностью 5–20 мм. Как мелкий, так и крупный заполнитель удовлетворяли требованиям кривой сортности заполнителя. Водоредуцирующей добавкой служил суперпластификатор на основе поликарбоновой кислоты со степенью редукции воды 25-30% (массовая доля), водой затворения — водопроводная вода. Прочность бетона на растяжение была получена с помощью испытания на раскалывание кубических образцов. Прочность бетона на растяжение при раскалывании оценивалась для трех кубических испытательных блоков размерами 150 мм × 150 мм × 150 мм. Для уменьшения влияния факторов заливки была принята одна и та же партия отверждения образцов.Соотношения смеси бетона С30 представлены в . Свойства бетонных тестовых блоков представлены в . Состав и механические свойства арматуры представлены в . Скорость коррозии стальной арматуры оценивали методом коррозии, ускоряемой электрическим полем. Образцы РЦ помещали в 3,5% раствор NaCl. Нержавеющая сталь в растворе в качестве вспомогательного электрода (катода) подключалась к отрицательному электроду стабилизированного амперметра. Ржавая арматура в бетонном испытательном блоке служила анодом и была соединена с положительным электродом стабилизированного амперметра, как показано на рис. Плотность тока коррозии была зафиксирована на уровне 2 А/мм 2 . Ширину трещин контролировали с помощью измерителя ширины трещин. Когда было установлено, что ширина трещины поверхности образца вдоль продольной арматуры составляет 0,10 мм, сломанный образец был удален для удаления ржавчины и взвешивания. Скоростью потери веса арматуры была скорость коррозии при растрескивании защитного слоя.

Испытание на ускорение в полевых условиях. ( a ) Тестовое устройство. ( b ) Образец бетона.

Таблица 5

Состав бетонной смеси (кг/м 3 ).

Номер Цемент Вода Вода
Переходник
Водно-Binder Ratio мелкозернистого Грубый Совокупные
C30 381 171 1,48 0 . 45 718 718 1068 1068

9

9

9
) (в Китае), Проекта Национального фонда естественных наук (№ 51578450, № 51808438) (в Китае) ), Программа инновационной исследовательской группы Университета Министерства образования Китая (грант No. IRT_17R84) (в Китае) и «Проекты международного сотрудничества провинции Шэньси» (№ 2019KW-047) (в Китае), «Научно-технический проект электроэнергетической компании провинции Шэньси» (SGSNJY00SJJS1

5) (в Китае).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Литература

1. Мишель А. Проникновение продуктов коррозии и вызванное коррозией растрескивание в армированных цементных материалах: экспериментальные исследования и численное моделирование.Цем. Конкр. Композиции 2014;47:75–86. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2013.04.011. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]2. Лю Ю.П., Вейерс Р.Э. Моделирование времени до коррозионного растрескивания в железобетонных конструкциях, загрязненных хлоридами. АКИ Матер. Дж. 1998; 95: 675–681. [Google Академия]3. Петр Д., Даниэль В., Кшиштоф О. Эффект верхнего стержня в образцах с одной точкой отливки на одной кромке в высокоэффективном самоуплотняющемся бетоне. Дж. Адв. Конкр. Технол. 2018;16:282–292. [Google Академия]5. Ли Ю.Ю., Сунь Ю.М., Цю Дж.Л., Лю Т., Ян Л., Ше Х.Д. Характеристики влагопоглощения и теплоизоляционные характеристики теплоизоляционных материалов для тоннелей холодного региона. Констр. Строить. Матер. 2020;237:117765. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117765. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 6. Лай Дж.С., Ван С.Л., Цю Дж.Л., Чен Дж.С., Ху З., Ван Х. Характеристики экстремальной деформации и контрмеры для туннеля в сложных грунтах на юге Шэньси, Китай. Окружающая среда. наук о Земле. 2018;77:706. doi: 10.1007/s12665-018-7888-2.[Перекрестная ссылка] [Академия Google] 7. Базант З.П. Физическая модель коррозии стали в бетонных морских сооружениях – теория. ASCE J. Структура. Отд. 1979; 105: 1137–1154. [Google Академия]8. Верьерс М.П. Модель срока службы железобетонных конструкций в среде с высоким содержанием хлоридов. АКИ Матер. Дж. 1998; 4:445–453. [Google Академия]9. Верьерс М.П., ​​Кларк Л.А. Структурный эффект коррозии — обзор механизма; Материалы Конкретного сообщения 2000 года; Бирмингем, Великобритания. 29–30 июня 2000 г.; стр. 409–421. [Google Академия] 10.Чжао Ю.С., Цзинь В. Моделирование степени коррозии стали при растрескивании бетонного покрытия. Доп. Структура англ. 2006; 9: 687–696. doi: 10.1260/136943306778827556. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 11. Чжао Ю.С., Ю Дж., Джин В. Анализ повреждений и модель растрескивания железобетонных конструкций при коррозии арматуры. Коррос. науч. 2011;53:3388–3397. doi: 10.1016/j.corsci.2011.06.018. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 12. Ли К.К., Мельчерс Р.Э., Чжэн Дж.Дж. Аналитическая модель ширины коррозионной трещины в железобетонных конструкциях.Структура АКИ. Дж. 2006; 103:479–487. [Google Академия] 13. Андраде К., Алонсо К., Молина Ф. Дж. Растрескивание покрытия как функция коррозии стержня: Часть 1 — экспериментальное испытание. Матер. Структура 1993; 26: 453–464. doi: 10.1007/BF02472805. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 14. Алонсо К., Андраде К., Родригес Дж., Диез Дж. М. Факторы, контролирующие растрескивание бетона, подверженного коррозии арматуры. Матер. Структура 1998; 31: 435–441. doi: 10.1007/BF02480466. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 15. О Б., Ким К.Х., Чан Б.С. Критическая величина коррозии, вызывающая растрескивание железобетонных конструкций.АКИ Матер. Дж. 2009; 106: 333–339. [Google Академия] 16. Сонг Х., Ню Д., Лю С. Аналитическая модель глубины проникновения коррозии при растрескивании покрытия в железобетонных конструкциях. Ключ инж. Матер. 2009; 400–402: 227–232. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.400-402.227. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 17. Вал Д.В., Чернин Л., Стюарт М.Г. Экспериментальное и численное исследование коррозионного растрескивания защитного слоя железобетонных конструкций. Дж. Структура. англ. АССЕ. 2009; 135: 376–385. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2009)135:4(376).[Перекрестная ссылка] [Академия Google] 18. Джанг Б.С., О Б. Влияние неравномерной коррозии на растрескивание и срок службы железобетонных конструкций. Цем. Конкр. Рез. 2010;40:1441–1450. doi: 10.1016/j.cemconres.2010.03.018. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19. Чжао Ю.С., Карими А.Р., Вонг Х.С. Сравнение однородных и неоднородных коррозионных повреждений железобетона на основе гауссовского описания коррозионного слоя. Коррос. науч. 2011;53:2803–2814. doi: 10.1016/j.corsci.2011.05.017. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 20.Ожболт Ю., Балабаник Г., Куштер М. Трехмерное численное моделирование коррозии стали в бетонных конструкциях. Коррос. науч. 2011;53:4166–4177. doi: 10.1016/j.corsci.2011.08.026. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 21. Du X., Jin L., Zhang R. Моделирование растрескивания защитного бетона из-за неравномерной коррозии арматуры. Коррос. науч. 2014; 89: 189–202. doi: 10.1016/j.corsci.2014.08.025. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 22. Чжан Дж., Линг С., Гуан З. Конечно-элементное моделирование распространения трещин в защитном слое бетона из-за неравномерной коррозии арматуры.Констр. Строить. Матер. 2017; 132:487–499. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.019. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 23. Фэйи С., Уилер С., Галлиполи Д., Грассл П. Растрескивание, вызванное коррозией, смоделировано с помощью комбинированного транспортно-структурного подхода. Цем. Конкр. Рез. 2017;94:24–35. doi: 10.1016/j.cemconres.2017.01.007. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 24. Жень С., Алипур А. Растрескивание бетонного покрытия и прогнозирование срока службы железобетонных конструкций в агрессивных средах. Констр. Строить. Матер. 2018; 159: 652–671.[Google Академия] 25. Xi X., Yang S., Li C. Модель неоднородной коррозии и мезомасштабное моделирование разрушения бетона. Цем. Конкр. Рез. 2018;108:87–102. doi: 10.1016/j.cemconres.2018.03.009. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 26. Xi X., Yang S., Li C., Cai M. Мезомасштабное моделирование смешанных разрушений железобетонных конструкций, подверженных неравномерной коррозии. англ. Фракт. мех. Дж. 2018; 199:114–130. doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.036. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 27. Ян С.Т., Ли К.Ф., Ли К.К.Численное определение ширины бетонной трещины для подверженных коррозии бетонных конструкций. вычисл. Структура 2018;207:75–82. doi: 10.1016/j.compstruct.2017.07.016. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 28. Юань Ю., Цзи Ю.С. Моделирование конфигурации коррозионного сечения стального стержня в бетонной конструкции. Констр. Строить. Матер. 2009; 23: 2461–2466. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2008.09.026. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 29. Чжао Ю.С., Ху Б.Ю., Джин В.Л. Неравномерное распределение слоя ржавчины вокруг стального стержня в бетоне. Коррос.науч. 2011;53:4300–4308. doi: 10.1016/j.corsci.2011.08.045. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 30. Юань Ю., Цзян Дж. Модель климатической нагрузки – спектр воздействия климата для прогнозирования долговечности бетонной конструкции. Констр. Строить. Матер. 2012; 29: 291–298. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.10.034. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 31. Ву К., Стюарт М.Г., Маллард Дж. Растрескивание, вызванное коррозией: экспериментальные данные и прогностические модели. Аци Структура. Дж. 2005; 102: 719–726. [Google Академия] 32. Видаль Т., Кастель А., Франсуа Р. Анализ ширины трещины для прогнозирования коррозии в железобетоне.Цем. Конкр. Рез. 2004; 34: 165–174. doi: 10.1016/S0008-8846(03)00246-1. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 33. Чжан Р., Кастель А., Франсуа Р. Растрескивание бетонного покрытия с коррозией арматуры железобетонной балки в процессе коррозии, вызванной хлоридами. Цем. Конкр. Рез. 2010;40:415–425. doi: 10.1016/j.cemconres.2009.09.026. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 34. ГБ50010-2010. Кодекс проектирования бетонных конструкций. Архитектура и Строительная Пресса; Пекин, Китай: 2012. стр. 112–115. [Google Scholar]

%PDF-1.3 % 338 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 338 255 0000000016 00000 н 0000005470 00000 н 0000005570 00000 н 0000006968 00000 н 0000007126 00000 н 0000007210 00000 н 0000007297 00000 н 0000007386 00000 н 0000007487 00000 н 0000007548 00000 н 0000007679 00000 н 0000007740 00000 н 0000007886 00000 н 0000007947 00000 н 0000008064 00000 н 0000008125 00000 н 0000008266 00000 н 0000008327 00000 н 0000008464 00000 н 0000008525 00000 н 0000008642 00000 н 0000008703 00000 н 0000008818 00000 н 0000008879 00000 н 0000008981 00000 н 0000009042 00000 н 0000009167 00000 н 0000009228 00000 н 0000009349 00000 н 0000009410 00000 н 0000009530 00000 н 0000009591 00000 н 0000009702 00000 н 0000009763 00000 н 0000009869 00000 н 0000009929 00000 н 0000010049 00000 н 0000010109 00000 н 0000010222 00000 н 0000010282 00000 н 0000010394 00000 н 0000010454 00000 н 0000010513 00000 н 0000010572 00000 н 0000012648 00000 н 0000012703 00000 н 0000012756 00000 н 0000012811 00000 н 0000012865 00000 н 0000012920 00000 н 0000012975 00000 н 0000013030 00000 н 0000013085 00000 н 0000013140 00000 н 0000013195 00000 н 0000013250 00000 н 0000013305 00000 н 0000013360 00000 н 0000013415 00000 н 0000013470 00000 н 0000013525 00000 н 0000013580 00000 н 0000013635 00000 н 0000013690 00000 н 0000013745 00000 н 0000013800 00000 н 0000013855 00000 н 0000013910 00000 н 0000013965 00000 н 0000014020 00000 н 0000014075 00000 н 0000014130 00000 н 0000014185 00000 н 0000014238 00000 н 0000014293 00000 н 0000014348 00000 н 0000014403 00000 н 0000014458 00000 н 0000014513 00000 н 0000014568 00000 н 0000014623 00000 н 0000014678 00000 н 0000014733 00000 н 0000014788 00000 н 0000014843 00000 н 0000014898 00000 н 0000014953 00000 н 0000015008 00000 н 0000015062 00000 н 0000015117 00000 н 0000015172 00000 н 0000015227 00000 н 0000015282 00000 н 0000015337 00000 н 0000015392 00000 н 0000015447 00000 н 0000015502 00000 н 0000015557 00000 н 0000015611 00000 н 0000015665 00000 н 0000015718 00000 н 0000015773 00000 н 0000015828 00000 н 0000015883 00000 н 0000015938 00000 н 0000015993 00000 н 0000016048 00000 н 0000016103 00000 н 0000016158 00000 н 0000016213 00000 н 0000016268 00000 н 0000017537 00000 н 0000017560 00000 н 0000018898 00000 н 0000019961 00000 н 0000020165 00000 н 0000021223 00000 н 0000021421 00000 н 0000021936 00000 н 0000022394 00000 н 0000023068 00000 н 0000023551 00000 н 0000024090 00000 н 0000024634 00000 н 0000025405 00000 н 0000025859 00000 н 0000026618 00000 н 0000027137 00000 н 0000027969 00000 н 0000028504 00000 н 0000029389 00000 н 0000029945 00000 н 0000030403 00000 н 0000031154 00000 н 0000031624 00000 н 0000032521 00000 н 0000032604 00000 н 0000032692 00000 н 0000033231 00000 н 0000033770 00000 н 0000034005 00000 н 0000034488 00000 н 0000035182 00000 н 0000035677 00000 н 0000036464 00000 н 0000037397 00000 н 0000038306 00000 н 0000038577 00000 н 0000039368 00000 н 0000039456 00000 н 0000040012 00000 н 0000040324 00000 н 0000040770 00000 н 0000041578 00000 н 0000042134 00000 н 0000042592 00000 н 0000043274 00000 н 0000043960 00000 н 0000044520 00000 н 0000045271 00000 н 0000046022 00000 н 0000046728 00000 н 0000047020 00000 н 0000047551 00000 н 0000048078 00000 н 0000048617 00000 н 0000049051 00000 н 0000049725 00000 н 0000050232 00000 н 0000050946 00000 н 0000051412 00000 н 0000051968 00000 н 0000052670 00000 н 0000053360 00000 н 0000053867 00000 н 0000054589 00000 н 0000055397 00000 н 0000055965 00000 н 0000056801 00000 н 0000057308 00000 н 0000057823 00000 н 0000058574 00000 н 0000059398 00000 н 0000059881 00000 н 0000060329 00000 н 0000061259 00000 н 0000062505 00000 н 0000064306 00000 н 0000066425 00000 н 0000068236 00000 н 0000069489 00000 н 0000070414 00000 н 0000071178 00000 н 0000072003 00000 н 0000072920 00000 н 0000073857 00000 н 0000075196 00000 н 0000076767 00000 н 0000078353 00000 н 0000079810 00000 н 0000081365 00000 н 0000082700 00000 н 0000083925 00000 н 0000085073 00000 н 0000086178 00000 н 0000087400 00000 н 0000088713 00000 н 00000 00000 н 00000

00000 н 0000092833 00000 н 0000094248 00000 н 0000095398 00000 н 0000096248 00000 н 0000096620 00000 н 0000096891 00000 н 0000097280 00000 н 0000097719 00000 н 0000098349 00000 н 0000099120 00000 н 0000099996 00000 н 0000100867 00000 н 0000101566 00000 н 0000102166 00000 н 0000102691 00000 н 0000103200 00000 н 0000103709 00000 н 0000104219 00000 н 0000104734 00000 н 0000105270 00000 н 0000105927 00000 н 0000106666 00000 н 0000107423 00000 н 0000108135 00000 н 0000108825 00000 н 0000109552 00000 н 0000110224 00000 н 0000110883 00000 н 0000111454 00000 н 0000111993 00000 н 0000112572 00000 н 0000113176 00000 н 0000113760 00000 н 0000114350 00000 н 0000114965 00000 н 0000115572 00000 н 0000116182 00000 н 0000116786 00000 н 0000117330 00000 н 0000117741 00000 н 0000118091 00000 н 0000118312 00000 н 0000119891 00000 н 0000119970 00000 н 0000005711 00000 н 0000006945 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 339 0 объект > эндообъект 340 0 объект IGg;\\i/21jKd3s$C9) /U (/X*DJh⻘SJ t4jn=Lu]) /П-60 /В 1 >> эндообъект 591 0 объект > поток KM{QRw?*NEWIQ7YXO7rZ7R>Nj6,T>’Q. ~ РГ~:\ɭD5Uyx ?1ۖΜd]»TSCFԋQOY0?p1*+Ueo)7©X EpMp#Cչ

Защитный слой бетона для защиты арматуры от окружающей среды

Защитный слой бетона и его толщина интересуют многих людей, которые занимаются строительством железобетонных конструкций. По сути, это покрытие, начинающееся с поверхности и доходящее до армирующих деталей.

Применяется для защиты армирующих элементов от коррозионных изменений, перегрева, повышенной влажности, негативного воздействия окружающей среды.В его задачу также входит обеспечение качественного сцепления бетонного раствора и арматуры.

Конструкция

В железобетонных зданиях защитный слой образуется за счет удаленного расположения армирующих элементов от общей плоскости. Стоит отметить, что защитный слой бетона для армирования имеет толщину, которая устанавливается в зависимости от используемых элементов, их размера и типа. Кроме того, на показатель влияют и другие факторы, такие как тип бетона, размеры секций.

Для предотвращения обрушения балок в растянутой части конструкции уложена стальная арматура. Бетон при твердении тщательно скрепляется с ним и несет на себе большую часть растягивающих усилий.

Ударопрочность

Соблюдение оптимальной толщины – важное условие работы. Если слой тонкий, начнется быстрое разрушение металлических элементов, что может привести к последующим изменениям всей конструкции.

При этом слишком большая толщина защитного слоя бетона становится не лучшим вариантом, так как это способствует необоснованному удорожанию конструкции.Поэтому нужно уметь грамотно рассчитать необходимый размер. Среди влияющих факторов стоит отметить следующие:

  • Нагрузка на арматурные элементы. Есть два варианта, исходя из этого индикатора. К ним относится расслабленный и напряженный тип подкрепления.
  • Различные компоненты. Используется как поперечный, так и продольный вид. Также есть рабочая и конструктивная арматура.

Большое влияние, помимо указанного выше, оказывают ожидаемые условия эксплуатации.Его можно использовать в помещении или на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности или при контакте с почвой. Это также требует обязательного учета.

Подбор

Для упрощения процесса подбора толщины стоит обратить внимание на установленные нормы, указанные в СНиП. Армирующий ненапрягаемый продольный элемент должен иметь бетонный защитный слой, превышающий или равный диаметральному размеру стержня. Если стены и плиты имеют показатели менее 100 мм, то начинать покрытие следует с 10 мм.При превышении этого уровня, если высота балок до 250 мм, показатель равен 15 мм.

При строительстве с продольно-напряженным типом арматуры, где нагрузка передается на бетонную часть, слой должен иметь толщину примерно два диаметра. Это касается как арматурных стержней, так и стальных канатов.

Перечисленные выше показатели и нормы требуют стандартных погодных условий. Для проверки имеющейся толщины разработаны специальные измерительные приборы, работа которых основана на магнитном принципе.

Фиксация

Особое значение имеет фиксатор защитного слоя, позволяющий создавать точные размеры конструкции при ее армировании. На такие приспособления укладывают армирующие нижележащие сети, пока формируется фундамент. Защитный слой бетона толщиной 60 см в этом случае намного проще.

Наибольшее распространение на сегодняшний день имеют пластмассовые фиксаторы, хотя не так давно вместо них использовали заготовки из арматуры.Их нужно было предварительно изготовить еще до самого начала укладки. Сегодняшние варианты относительно недороги и просты в установке. Они предназначены для максимального упрощения армирующих работ и последующего бетонирования монолитных конструкций.

Преимущества использования

Благодаря замкам появилась возможность зафиксировать элементы усиления в нужном виде. Так появилась автоматизированная заливка раствора из бетона. При этом можно не беспокоиться о смещении арматуры, так как гарантирован постоянный одинаковый защитный слой бетона.СНиП 2.01.02-85 содержит основные требования к его созданию. Это устройство становится особенно полезным при восстановлении покрытия.

Использование защелок открывает следующие возможности:

  • Снижение затрат на строительство;
  • Сокращается время на выполнение работ, связанных с бетонированием и армированием;
  • Защитное покрытие фундамента всегда под контролем;
  • Повышается качество выполнения работ.

Также следует отметить, что на надежность и качество конечной бетонной конструкции оказывает достаточное влияние и равномерный уровень защитного покрытия.

Выполнение работ

Даже максимальный защитный слой бетона со временем требует восстановительных работ из-за прихода в негодное состояние. Свита реконструируется двумя методами:

  • Полная замена верхней части;
  • Частичные ремонтные работы, в том числе заделка сколов и трещин.

Во втором варианте не требуется много сил и времени, здесь необходимо обработать поврежденные места, зачистить их и промазать грунтовкой. Приступать к прошивке можно только после завершения всех подготовительных работ.

Полная замена верхней части защитного слоя должна происходить при соблюдении определенных требований и правил. Необходимость полной реконструкции возникает в следующих ситуациях:

  • Разделение защитного слоя;
  • Изменение характеристик материалов;
  • Металлы начали разрушаться из-за химического взаимодействия с окружающей их средой.

Замена резервуара

Работа начинается с определения толщины, для этого используется измеритель защитного слоя бетона. Он позволяет измерить защитный цементный слой, непригодные части которого впоследствии удаляются с особой осторожностью до точки крепления стального каркаса.

При необходимости металлические поверхности в железобетонной конструкции очищаются от коррозионных слоев, а также от имеющейся пыли и грязи.

Нанесение бетонного раствора начинается после завершения подготовительных действий. Используется механическое нанесение смеси, представляющее собой распределение материала под давлением в виде сжатого воздуха. Благодаря использованию этого приема обеспечивается более плотное взаимодействие раствора с плоскостью конструкции и прилипание мельчайших частиц. Раствор должен иметь толщину не менее 3 см.

При наличии на поверхности здания значительных повреждений, от которых нельзя избавиться при частичном ремонте, на предыдущий можно нанести новый защитный слой бетона.Устройства с алмазными наконечниками используются, когда необходима механическая обработка.

Анкеровка

Для железобетонных конструкций особое значение имеет анкеровка армирующих элементов, обеспечивающая передачу расчетного усилия в установленном сечении. Его длину определяют в соответствии с тем, что усилие, действующее в арматуре, должно передаваться ее сцеплением с поверхностью бетона, расположенной по всей длине анкеровки. А также сопротивление скрепляющих устройств в зависимости от возможностей растяжения бетона, профиля и размера арматуры, напряженного состояния материалов.

Анкеровка арматуры поперечного типа путем ее изгиба и приварки к продольному варианту или ее охвату осуществляется. При этом продольная арматура должна иметь диаметр не менее половины размера поперечной арматуры.

Перекрытие должно выполняться на расстоянии, обеспечивающем передачу расчетного усилия с одной детали на другую. Длину перекрытия по основной анкеровке определяют с учетом пространства между стыками и стержнями, защитного слоя бетона, количества арматуры поперечного типа в месте стыка и стержней, соединенных в одной точке.

Коррозия стали в бетоне — что, почему и как? – Готовая смесь Невада

Информация от Национальной ассоциации производителей товарного бетона

ЧТО такое коррозия стали?

Терминология ASTM (G 15) определяет коррозию как «химическую или электрохимическую реакцию между материалом, обычно металлом, и окружающей средой, которая вызывает ухудшение материала и его свойств». Для стали, встроенной в бетон, коррозия приводит к образованию ржавчины, которая в два-четыре раза превышает объем исходной стали и не имеет хороших механических свойств. Коррозия также приводит к образованию ямок или отверстий на поверхности арматурной стали, что снижает ее прочностные характеристики в результате уменьшения площади поперечного сечения.
ПОЧЕМУ вызывает беспокойство коррозия стали?

В армированном бетоне используется сталь для обеспечения свойств на растяжение, которые необходимы в конструкционном бетоне. Он предотвращает разрушение бетонных конструкций, которые подвергаются растягивающим и изгибающим напряжениям из-за движения транспорта, ветра, статической нагрузки и термоциклирования. Однако при коррозии арматуры образование ржавчины приводит к потере связи между сталью и бетоном и последующему расслаиванию и выкрашиванию.Если его не остановить, целостность конструкции может быть нарушена. Уменьшение площади поперечного сечения стали снижает ее прочностные характеристики. Это особенно отрицательно сказывается на работе натянутых прядей в предварительно напряженном бетоне.

ПОЧЕМУ сталь в бетоне подвергается коррозии?

Сталь в бетоне обычно находится в некорродирующем, пассивном состоянии. Однако железобетон часто используется в суровых условиях, где присутствует морская вода или соли против обледенения. Когда хлорид попадает в бетон, он разрушает пассивный слой, защищающий сталь, вызывая ее ржавчину и ямки.

Карбонизация бетона является еще одной причиной коррозии стали. При карбонизации бетона до уровня стальной арматуры обычно щелочная среда, защищающая сталь от коррозии, сменяется более нейтральной средой. В этих условиях сталь не пассивна и начинается быстрая коррозия. Скорость коррозии из-за карбонизированного бетонного покрытия меньше, чем коррозия, вызванная хлоридами.

Иногда недостаток кислорода вокруг стальной арматуры приводит к растворению металла, оставляя жидкость с низким pH.

КАК предотвратить коррозию?

Качественный бетон – практика бетона

  • Первой защитой от коррозии стали в бетоне является качественный бетон и достаточное бетонное покрытие арматурных стержней. Качественный бетон имеет соотношение воды и вяжущего материала (в/ц), достаточно низкое, чтобы замедлить проникновение хлористых солей и развитие карбонизации. Отношение вода/цемент должно быть менее 0,50, чтобы замедлить скорость карбонизации, и менее 0.40, чтобы свести к минимуму проникновение хлоридов. Бетоны с низким соотношением вода/цемент могут быть получены путем (1) увеличения содержания цемента; (2) снижение содержания воды с помощью понизителей содержания воды и суперпластификаторов; или (3) путем использования большего количества летучей золы, шлака или других вяжущих материалов. Кроме того, следует ограничить использование компонентов бетона, содержащих хлориды. Строительный кодекс ACI 318 устанавливает ограничения на максимальное количество растворимых хлоридов в бетонной смеси.
  • Еще одним компонентом хорошего качества бетона является воздухововлечение.Бетон необходимо защитить от промерзания и оттаивания. Вовлечение воздуха также уменьшает кровотечение и соответствующее увеличение проницаемости за счет каналов слива. Выкрашивание и образование окалины может ускорить коррозионное повреждение закладных арматурных стержней. Надлежащее планирование отделочных операций необходимо для обеспечения того, чтобы бетон не шелушился, не отслаивался и не трескался чрезмерно.
  • Правильное количество стали поможет закрыть трещины. ACI 224 помогает инженеру-конструктору свести к минимуму образование трещин, которые могут повредить закладную сталь.Как правило, максимально допустимая ширина трещины составляет 0,007 дюйма в среде противогололедных солей и 0,006 дюйма в морской среде.
  • Надлежащее покрытие арматурной стали также является важным фактором. Проникновение хлоридов и карбонизация будут происходить на внешней поверхности бетона даже с низкой проницаемостью. Увеличение покрытия задержит начало коррозии. Например, время, в течение которого ионы хлорида достигают стальной арматуры на расстоянии 2 дюймов от поверхности, в четыре раза больше, чем при покрытии толщиной 1 дюйм.ACI 318 рекомендует покрытие минимум 1,5 дюйма для большинства конструкций и увеличивает его до 2 дюймов для защиты от солей против обледенения. ACI 357 рекомендует минимальное покрытие 2,5 дюйма в морской среде. Большие заполнители требуют большего покрытия. Для заполнителей размером более 3/4 дюйма эмпирическое правило состоит в том, чтобы добавить к номинальному максимальному размеру заполнителя 3/4 дюйма покрытия для воздействия соли против обледенения или 1-3/4 дюйма покрытия для воздействия морской среды. Например, бетон с 1-дюймовым заполнителем в морской среде должен иметь минимальное покрытие 2-3/4 дюйма.
  • Бетон должен быть надлежащим образом уплотнен и отвержден. Влажное отверждение в течение как минимум семи дней при температуре 70°F необходимо для бетона с соотношением В/Ц 0,40, тогда как для соотношения В/Ц 0,60 требуется шесть месяцев для получения эквивалентных характеристик. Многочисленные исследования показывают, что пористость бетона значительно снижается с увеличением времени отверждения и, соответственно, повышается коррозионная стойкость.
Модифицированные бетоны и системы защиты от коррозии

Повышение коррозионной стойкости также может быть достигнуто за счет использования добавок в бетон. Кремнеземные пары, зола-унос и доменный шлак снижают проницаемость бетона для проникновения ионов хлора. Ингибиторы коррозии, такие как нитрит кальция, предотвращают коррозию в присутствии ионов хлора. Во всех случаях их добавляют в качественный бетон при водоцементном отношении меньше или равном 0,45.

Водоотталкивающие средства могут в ограниченной степени уменьшить проникновение влаги и хлоридов. Однако ACI 222 указывает, что они неэффективны для обеспечения долговременной защиты.Поскольку бетон хорошего качества уже имеет низкую водопроницаемость, дополнительные преимущества гидрофобизаторов не столь значительны.

Другие методы защиты включают защитные мембраны, катодную защиту, арматурные стержни с эпоксидным покрытием и герметики для бетона (при повторном применении каждые четыре-пять лет).

Каталожные номера

  1. «Требования строительных норм и правил для железобетона», ACI 318, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган.
  2. «Коррозия металлов в бетоне», Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган.
  3. «Контроль образования трещин в бетонных конструкциях», ACI 224R, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган.
  4. Проектирование и строительство стационарных морских бетонных конструкций», ACI 357R, Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, Мичиган.
  5. Перенчио В.Ф., «Коррозия арматурной стали», ASTM STP 169C, 1994, стр. 164-172.
  6. Уайтинг, Д., изд., Симпозиум Пола Клигера по характеристикам бетона, ACI SP-122, 1990, 499 стр.
  7. Берке, Н.С., «Ингибиторы коррозии в бетоне», Concrete International, Vol.13, № 7, 1991, стр. 24-27.
  8. Берке, Н.С., Пфайфер, Д.В., и Вейл, Т.Г., «Защита от коррозии, вызванной хлоридами», Concrete International, Vol. 10, № 12, 1988, стр. 44-55.
Назад к бетонным наконечникам

ИСПОЛЬЗУЕТСЯ С РАЗРЕШЕНИЯ NRMCA

Продление срока службы железобетонных конструкций

31. 10.16   Хайдер Х. Аль-Хилал, PE, SMSI, CIP-1, CCI-2, термографист уровня 1, ICRI CSMT | Еще от этого автора

Продление срока службы железобетонных конструкций

Человеческой природе свойственно откладывать расходы на техническое обслуживание до тех пор, пока ситуация не станет срочной, но информированные владельцы знают, что они могут сэкономить в долгосрочной перспективе и избежать многолетнего разочарования, планируя заранее.Независимо от того, насколько хорошо спроектированы и построены, бетонные конструкции необходимо периодически и должным образом оценивать и обслуживать, чтобы продлить срок их службы и снизить потребность в дорогостоящем капитальном ремонте. Понимание наиболее распространенных причин износа, этапов срока службы, видов ремонта и типичных затрат, связанных с ними, важно для принятия разумных и экономически эффективных решений по техническому обслуживанию и ремонту.

Ухудшение состояния – что больше всего влияет?
На севере Соединенных Штатов коррозия металла, встроенного в бетон, в первую очередь арматурной стали, является основной причиной износа бетона, особенно наружных бетонных конструкций, таких как парковочные площадки и мосты.Эти конструкции страдают от круглогодичного воздействия элементов в сочетании с коррозионным воздействием кислотных дождей и солей против обледенения, циклами замерзания-оттаивания, иногда некачественными конструкциями и дефектами проектирования, а также отложенным обслуживанием.


Повреждение железобетона в результате коррозии закладной арматуры.

 Без надлежащего обслуживания коррозия неизбежна. Однако есть практические способы отсрочить его и смягчить его последствия.

Как коррозия влияет на срок службы железобетонных конструкций? Можно ли предсказать оставшийся срок службы и что можно сделать для его продления? Модели срока службы бетона Туутти (1982 г. ) и Сонга (2007 г.) отвечают на эти вопросы и могут использоваться для прогнозирования срока службы бетона на основе степени коррозии стали и наглядно иллюстрируют преимущества активного технического обслуживания и своевременного ремонта.


Фазы срока службы бетона – модели Туутти и Сонга

В модели Туутти срок службы железобетонных конструкций делится на две фазы: зарождение и распространение. Фаза инициации – это промежуток времени, необходимый для начала коррозии арматурной стали. Скорость карбонизации и миграции хлоридов через бетон определяет продолжительность фазы инициации. На этом этапе происходит потеря пассивного слоя, который покрывает и защищает встроенную арматурную сталь, значительно снижая скорость коррозии до очень небольшой величины, которая возникает, когда карбонизация достигает поверхности арматурной стали.

После того, как пассивный слой разрушится в результате эффекта карбонизации, снижающего pH, коррозия встроенной арматурной стали будет происходить быстрее, особенно в присутствии ионов хлорида (коррозия, вызванная хлоридами), что приводит к фазе распространения. Коррозия, вызванная хлоридами, возникает, когда значение концентрации ионов хлорида на поверхности арматурной стали превышает определенное значение, известное как критический пороговый уровень (CTL). Надлежащее проектирование, строительство и техническое обслуживание железобетонных конструкций с учетом сведения к минимуму эффектов карбонизации и миграции хлоридов значительно удлинят начальный этап.На этапе распространения происходит ускоренная коррозия и объемное расширение (накопление ржавчины), что приводит к высоким растягивающим напряжениям в бетоне, которые могут привести к растрескиванию и расслаиванию окружающего бетона и вызвать сколы, т. е. отслоение бетонного материала. Эти состояния уступают место фазам ускорения и ухудшения, которые позже были определены в модели Сонга. Возникающее в результате расслоение и растрескивание имеют тенденцию ухудшать эксплуатационные характеристики бетона и, если их не устранить, могут повлиять на прочность, что приведет к разрушению конструкции.


Ремонт, выполненный на этапе запуска, по сравнению с этапами распространения, ускорения и износа

Ремонт на начальном этапе обычно состоит из местной обработки поверхности, такой как нанесение поверхностного герметика и/или покрытия вместе с местной обработкой трещин. Это отличается от ремонта на этапах распространения, ускорения и износа, который обычно включает удаление бетона, чтобы обнажить и очистить проржавевшую арматуру, и замену карбонизированного, богатого хлоридами бетона.

Стоимость местной обработки поверхности обычно колеблется от 2 до 7 долларов за квадратный фут площади бетонной поверхности. Стоимость ремонта на этапах распространения, ускорения и износа обычно колеблется от 25 до 200 долларов плюс за квадратный фут. Следовательно, очевидно, что более экономично начинать профилактическое обслуживание и мелкий ремонт на этапе инициации, прежде чем жизненный цикл бетона достигнет своей фазы распространения. Проиллюстрированы четыре фазы срока службы бетона с расчетными затратами на техническое обслуживание.


Иллюстрация фаз возникновения, распространения, ускорения и ухудшения срока службы железобетона (на основе моделей Тутти и Сонга).

Заключение
Продление срока службы железобетонных конструкций экономически эффективным способом возможно, если понять основные причины износа, понять их влияние на срок службы и принять упреждающие меры по техническому обслуживанию и ремонту в течение срока службы железобетона, когда затраты на ремонт относительно низкий.Внедрение программы активного мониторинга и технического обслуживания, позволяющей регулярно проверять состояние железобетонных элементов, минимизировать затраты на ремонт за счет обнаружения и устранения проблем до того, как они станут дорогостоящим ремонтом и вероятными проблемами безопасности.

Если вас беспокоит дорогостоящий ремонт ваших железобетонных конструкций? Есть еще вопросы о том, как облегчить проблемы? Инженеры SME оценили и подготовили спецификации по восстановлению бетонных конструкций по всему миру. Мы можем помочь!

За дополнительной информацией обращайтесь к Хайдер Аль-Хилал.


Почему бетон армируют сталью: полное руководство

Железобетон — один из самых распространенных строительных материалов в мире. Однако сам по себе бетон на самом деле намного более хрупок, чем можно было бы ожидать, и вряд ли полезен в каких-либо, кроме очень немногих, ограниченных приложений. Однако при армировании сталью бетон можно использовать для плит, стен, балок, колонн, фундаментов, рам и многого другого.

Бетон прочен только против сил сжатия и имеет низкую прочность на растяжение и пластичность. Армирующие материалы необходимы для того, чтобы выдерживать сдвигающие и растягивающие усилия бетона. Сталь используется потому, что она хорошо сцепляется с бетоном и расширяется и сжимается из-за температуры с одинаковой скоростью.

Когда вы углубитесь в науку о том, как сталь и бетон ведут себя по отдельности, вы быстро увидите, что их свойства дополняют друг друга таким образом, что они идеально подходят для совместного использования. Их совокупные свойства полезны тем, что делают железобетон удивительным материалом, ответственным за впечатляющие сооружения, такие как плотина Гувера.

Нужно ли армировать бетон сталью?

Бетон выглядит чрезвычайно прочным. По сути, это камень, который вы выращиваете из порошкообразной формулы. В некотором смысле бетон действительно очень прочен, но только если давление применяется в одном определенном направлении. Когда сила прикладывается в любом другом направлении, что чаще всего имеет место в большинстве строительных конструкций, бетон становится на удивление хрупким.

Существует три основных типа стресса:

  1. сжатие (сжатие),
  2. растяжение (растягивание) и
  3. сдвиг (скольжение по линии или плоскости).

Бетон устойчив к усилиям или сжатию, но слаб к растяжению и сдвигу. Сталь, с другой стороны, устойчива ко всем трем видам нагрузки.

  1. Сжатие

Бетон устойчив к силам сжатия. Вот почему это такая мощная база. Еще в древние времена римские строители могли использовать ранние формы бетона (который никак не армировался) для таких конструкций, как купола, акведуки, арены и Колизеи.

Во всех этих ранних примерах бетон использовался только таким образом, чтобы использовать преимущества прочности бетона против сил сжатия. Вес конструкции только давил на бетон, который сжимал бетон вместе и который бетон мог легко поддерживать.

Тот факт, что древние римские сооружения, такие как Колизей и Парфенон, простояли тысячи лет, является свидетельством прочности бетона на сжатие. Даже цилиндр, сделанный из цементной смеси с большим количеством воды, может выдержать давление сжатия в 1000 фунтов (450 кг). Другие смеси могут выдержать еще большее давление.

  1. Растяжение

Растяжение фактически противоположно сжатию в том смысле, что это сила, которая разрывает объект на части.Бетон слаб против сил растяжения, что означает, что он имеет низкую прочность на растяжение.

Когда цилиндр, сделанный из той же высоководной смеси бетона, описанной выше, был испытан путем подвешивания к нему груза, образец сломался, когда было подвешено около 80 фунтов (36 кг). Это означает, что бетон менее чем на 10 процентов прочнее против сил растяжения, чем против сил сжатия.

Может быть не сразу понятно, почему это проблема для использования бетона в качестве строительного материала.Кажется, это только указывает на то, что бетон нельзя использовать в качестве веревки. Однако, если вы посмотрите на внутренние напряжения в бетоне, вы увидите, что при сжатии часто возникает и растяжение.

Представьте себе горизонтальную бетонную балку, на которую сверху вниз оказывается давление. Это было бы похоже на ходьбу по бетонному полу второго этажа. В верхней части бетонной балки действует сжимающая сила, так как бетон сжимается. Однако внизу, когда балка изгибается, бетон разрывается силой натяжения.Здесь обычный бетон не работает.

  1. Сдвиг

Бетон также устойчив к силам сдвига, которые заставляют материал двигаться вдоль линии или плоскости. Неармированная бетонная стена разрушится, если испытает слишком большую силу сдвига от:

  • Ветер
  • Землетрясения
  • Напряжение сдвига

Как мы видим, простой бетон полезен, если вы прикладываете вес непосредственно к нему, например, к основанию статуи.Однако современные здания должны выдерживать давление многих типов источников во всех направлениях. Без армирования простой бетон в этих условиях просто не выдержит.

Типы отказов

Когда простой бетон разрушается, это происходит внезапно. В один момент бетон цел, а в следующий момент, когда сила больше, чем бетон может выдержать, он крошится или разбивается на куски. Этот внезапный выход из строя известен как хрупкий режим отказ.

Основным недостатком этого типа отказа является отсутствие визуальных предупреждающих знаков. Если вы не знаете удельную прочность материала и активно не измеряете величину напряжения, приложенного к материалу (условия, которые абсолютно невыполнимы вне лабораторных условий), невозможно предсказать разрушение.

Железобетон, с другой стороны, испытывает пластический режим разрушения. Это означает, что трещины начинают образовываться до полного разрушения бетона.Это связано с тем, что, хотя бетон растянулся больше, чем он может стоять сам по себе, стальная арматура по-прежнему удерживает конструкцию вместе.

Если конструкция подвергается только сжимающим усилиям (например, плита пола), эти трещины могут не иметь большого значения. Если вода не просочится в трещину и не подорвет конструкцию из-за ржавления арматуры или расширения трещины при замерзании, трещины просто сожмутся при дальнейшем сжатии. В других ситуациях трещины означают необходимость ремонта участка.

Почему используется сталь

Как мы узнали, простой бетон полезен только в очень ограниченных случаях, потому что он прочен против сил сжатия, но слаб против сил растяжения и сдвига. Чтобы быть таким универсальным, бетон должен быть армирован каким-либо материалом, который преодолевает эти недостатки. Сталь используется для армирования бетона чаще, чем любой другой материал.

Причина, по которой сталь используется для армирования бетона, заключается в том, что сталь обладает несколькими свойствами, которые делают ее особенно подходящей для этого применения.

Высокопластичная сталь

Пластичность — это мера того, какой деформации может подвергнуться материал, прежде чем он сломается. Бетон имеет очень низкую пластичность. Если скрутить кусок бетона с достаточной силой, он рассыплется у вас в руках. Древесина, например, довольно пластична, ее можно немного согнуть, прежде чем она сломается. Однако сталь очень пластична. Если его согнуть, он просто останется согнутым.

Пластичность стали полезна перед заливкой цемента, потому что ее можно согнуть в любую форму, которая лучше всего поддерживает форму, которую нужно залить.Из-за этого легко создать сетку из арматурной стали любой формы, необходимой для конструкции здания.

Пластичность стали

также полезна, если она является компонентом железобетона. Когда к конструкции приложено достаточное усилие, чтобы деформировать ее, бетон может треснуть, но стальная арматура останется неповрежденной в деформированной форме. Часто сталь все еще способна поддерживать конструкцию до тех пор, пока ее не отремонтируют или не заменят.

Бетон и сталь имеют одинаковые коэффициенты теплового расширения

При нагревании твердых тел молекулы внутри материалов движутся быстрее.Эти более активные атомы занимают тем больше места, чем быстрее они движутся, поэтому каждая молекула, а значит, и материал в целом расширяется. Обратное происходит при охлаждении твердого тела. В результате твердые тела расширяются при нагревании и уменьшаются в размерах при охлаждении.

Хотя это справедливо для всех твердых тел, это происходит с разной скоростью для разных материалов. По чрезвычайно удачному совпадению сталь и бетон имеют очень близкие коэффициенты теплового расширения. Это означает, что когда они подвергаются воздействию тепла (или холода), они расширяются (или сжимаются) практически с одинаковой скоростью.

Если бы это было не так, сталь была бы плохим выбором для армирования бетона. Представьте, например, корн-дог. Если бы при приготовлении хот-дог увеличился вдвое, а кукурузный хлеб увеличился лишь немного, то хот-дог быстро прорвался бы через кукурузную муку. И наоборот, если бы кукурузный хлеб расширился быстрее, чем хот-дог, вокруг приготовленного хот-дога образовался бы большой воздушный карман.

Хотя любой из этих сценариев приведет к конструктивно слабой корн-дог, это не то, что происходит в случае бетона, армированного сталью.Два материала расширяются и сжимаются почти с одинаковой скоростью, обеспечивая прочную связь при любой температуре.

Сталь подвергается той же деформации, что и бетон

Связь между бетоном и сталью настолько сильна, что железобетон действует как новый, более прочный материал, чем просто сочетание бетона и стали. Это еще больше усиливается за счет создания арматуры с множеством гребней, вокруг которых цемент найдет прочную основу по мере высыхания.

Другие причины, по которым используется сталь, включают:

  1. Легко сваривается
  2. Легко перерабатывается
  3. Дешево и доступно .
1. Сталь легко сваривается

Поскольку железобетон используется во многих различных ситуациях, часто необходимо построить довольно сложные внутренние каркасы из стальной арматуры перед заливкой цемента. Даже если форма не уникальна, размер проекта может потребовать, чтобы длина арматурного стержня была намного больше, чем возможно изготовить.

В этих сценариях можно приварить стальную арматуру, чтобы опора была надежно закреплена там, где она необходима.Сталь является одним из наиболее часто свариваемых металлов, так как она легко плавится, не прожигая и не отводя тепло слишком далеко от места сварки. Этот процесс также не оказывает отрицательного влияния на свойства, которые делают его таким хорошим выбором для армирования бетона.

2. Сталь легко перерабатывать

Железобетон рассчитан на долгие годы, что делает его отличным строительным материалом для долговечных конструкций. Однако, когда придет время для деконструкции, вам будет приятно узнать, что его также легко перерабатывать.

При наличии соответствующего оборудования можно легко измельчить железобетон, чтобы отделить стальную арматуру от бетона. Бетон может быть дополнительно измельчен и повторно использован как часть смеси крупных и мелких заполнителей, которые составляют от 60 до 75 процентов цементной смеси. Сталь можно переплавить и преобразовать в новую стальную арматуру для усиления следующего проекта.

3. Сталь дешевая и доступная

Довольно удачно, что металл, обладающий столь многими полезными свойствами для армирования бетона, также недорог и доступен в изобилии.Если бы золото или бриллианты имели все эти совместимые функции, это, вероятно, не было бы столь полезным.

Однако сталь

легкодоступна по относительно низкой цене.

Предварительно напряженный и постнапряженный бетон

Каким бы прочным ни был железобетон, он все же может треснуть. Хотя этот пластичный режим разрушения не приводит к немедленному разрушению конструкции (как это произошло бы при хрупком разрушении), это первая фаза разрушительного процесса, известного как «растрескивание».

Когда вода просачивается в трещины в железобетоне, она может повредить структурную целостность здания тремя способами.

1. Поскольку жидкость может заполнить любой карман, в который она попадет, вода легко просочится и заполнит любые трещины в железобетоне. Если температура упадет ниже 32 градусов по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию), он замерзнет.

Когда вода замерзает, она образует структуру из взаимосвязанных кристаллов льда.Эти кристаллы льда занимают больше места, чем молекулы жидкой воды, а это означает, что лед занимает больше места, чем вода. Это означает, что при замерзании вода давит на бетон и еще больше расширяет трещины.

Когда лед затем тает, трещина становится шире, позволяя большему количеству воды заполнить щель, которая затем замерзает и расширяется еще больше. Этот цикл не только физически раздвигает бетон, но и позволяет все большему количеству воды проникать в структуру, увеличивая количество повреждений, вызванных двумя другими формами повреждений.

2. В конце концов трещины станут достаточно широкими и глубокими, чтобы вода и воздух могли достичь стальной арматуры, встроенной в железобетон. Это воздействие может привести к коррозии арматуры. В присутствии воды кислород воздуха взаимодействует с железом в стали, образуя ржавчину.

Чешуйчатое покрытие на поверхности ржавеющей арматуры не защищает внутренние слои железа от процесса коррозии (подобно тому, как образование слоя патины предотвращает дальнейшую коррозию медных поверхностей), поэтому арматуру можно постоянно деградирует до тех пор, пока не перестанет выдерживать силы растяжения, действующие на конструкцию.

Явным признаком того, что происходит этот тип коррозии, является появление на бетоне коричневых пятен. Этот цвет происходит от частиц ржавчины, которые окрашивают воду в коричневый цвет и стекают через трещины в железобетоне.

3. Когда вода проникает в железобетон, она может изменить баланс pH окружающей среды и вызвать химические реакции внутри бетона. Этот риск усугубляется тем фактом, что на дорожных покрытиях и мостах использование соли для удаления льда с дорог зимой означает, что просачивающаяся вода, скорее всего, будет сильно щелочной.

Эти щелочи в воде могут реагировать с кремнеземом в заполнителях бетона, вызывая образование новых кристаллов. Эти новые кристаллы занимают место и физически раздвигают армированный бетон так же, как это делал замерзающий лед в примере 1. Разница в том, что кристаллы не плавятся, поэтому бетон непрерывно раздвигается.

Понятно, что лучше бы железобетон не давал трещин. Однако, поскольку сталь настолько пластична, она будет растягиваться или изгибаться, что приводит к растрескиванию окружающего бетона. Это, конечно, если что-то не делается, чтобы сталь не действовала таким образом.

Предварительно напряженный бетон

Во избежание растрескивания стальную арматуру перед заливкой цемента можно растянуть. Это известно как предварительное напряжение (или предварительное натяжение), потому что оно добавляет силу растяжения к стали до того, как будет сформирован железобетон. Делая это, сталь находится в постоянном состоянии, возвращаясь к своей естественной форме, втягивая окружающий бетон внутрь, создавая силу сжатия.

Сохранение бетона в предварительно напряженном состоянии фактически делает его прочнее, потому что бетон устойчив к силам сжатия. Это что-то вроде мышцы, которая сильнее, когда натянута.

При предварительном напряжении железобетон становится прочнее по двум причинам.

  1. Вероятность образования трещин меньше. Поскольку сталь уже стягивает бетон, ей не разрешается растягиваться так, как если бы сталь не была предварительно напряжена.
  2. Любые образовавшиеся трещины постоянно закрываются силой стали, пытающейся вернуться в свое расслабленное состояние. Это ограничивает количество воды, которая может проникать и разъедать железобетон.

Постнапряженный бетон

Такого же эффекта можно добиться, затягивая сталь после того, как бетон начал затвердевать. Бетон, кажется, затвердевает за считанные часы, но на самом деле для его полного затвердевания требуется около месяца, и он продолжает твердеть и укрепляться в течение как минимум пяти лет после заливки.

Предварительно напряженный и постнапряженный бетон не только дает меньше трещин, но и настолько прочнее обычного железобетона, что меньшие и более тонкие секции предварительно напряженного или постнапряженного бетона могут нести ту же нагрузку, что и ненапряженный железобетон.

Почему бы просто не использовать сталь?

Когда вы посмотрите на особенности работы железобетона, вы можете начать задаваться вопросом, почему мы вообще пытаемся использовать бетон в этом процессе. Бетон, в конце концов, прочен только против сил сжатия, тогда как сталь сильна против:

  • Сжатие
  • Растяжение
  • Сдвиг  

На самом деле сталь в 100-140 раз прочнее бетона, когда речь идет о прочности на растяжение.

Обычный бетон сам по себе бесполезен. Только железобетон, и предпочтительно предварительно напряженный (или постнапряженный) бетон, является удивительным строительным материалом, о котором мы думаем, когда представляем себе современную архитектуру. Поскольку бетон на самом деле относительно бесполезен без стальной арматуры, то почему бы просто не строить из стали?

Бетон

предлагает множество преимуществ для строительства, которые делают его лучшим строительным материалом, чем просто сталь.

  1. Коррозия
  2. Вес
  3. Стоимость
1.Коррозия

Как мы видели, когда сталь подвергается воздействию воздуха и влаги, она ржавеет. Хотя существуют способы предотвращения этого окисления, они требуют гораздо большего ухода, чем это возможно. Стальную арматуру, например, часто обрабатывают перед заливкой цемента, чтобы защитить ее от непогоды, даже если вскоре ее зальют бетоном. Несмотря на это, как мы видели, он все еще может ржаветь.

С другой стороны, бетон

достаточно устойчив к коррозии. Сначала должны образоваться трещины, и часто требуется несколько лет проникновения воды, замерзания и повторного замерзания, чтобы нарушить структурную целостность железобетона.Если проводятся регулярные осмотры, это дает достаточно времени для ремонта или замены корродирующей секции.

2. Масса

Сталь очень тяжелая, и ее нужно будет доставлять на строительную площадку в полном объеме. Бетон, с другой стороны, примерно на треть плотнее стали, и его можно транспортировать в гораздо более легких составных частях.

Преимущество этого двоякое. Первое преимущество – это транспорт. Сталь необходимо будет доставить на строительную площадку, а затем сварить вместе, чтобы сформировать конструкцию.Это было бы очень дорого, так как сталь тяжелая. Бетон, с другой стороны, гораздо легче транспортировать в виде составных частей, затем смешивать и заливать на месте, затвердевая до окончательной формы.

Вторым преимуществом является вес конечной конструкции. Поскольку бетон в три раза плотнее стали (и даже содержит от 5 до 10 процентов захваченного воздуха), общий вес здания из железобетона намного меньше, чем здание, полностью построенное из стали. Железобетон обычно содержит от 1 до 4 процентов стали, поэтому в конечном итоге он весит намного меньше.

3. Стоимость

Сталь, хотя и относительно дешевая и распространенная, намного дороже бетона. Просто имеет смысл армировать бетон сталью, потому что вы можете получить преимущества прочности стали, сохраняя при этом низкую стоимость и простоту использования бетона.

История железобетона

В то время как использование первых форм цемента было задокументировано в древних культурах, насчитывающих много тысячелетий, именно древние римляне представили самую раннюю форму бетона, известную нам сегодня. При добыче известняка для раствора римляне случайно обнаружили на склонах горы Везувий минерал, содержащий кремнезем и глинозем.

При смешивании с известняком и обжиге получается цемент, который, в свою очередь, можно смешать с водой и песком, чтобы получить раствор, более твердый, прочный и более липкий, чем обычный известковый раствор. Эта смесь могла затвердевать как под водой, так и на воздухе, как современный бетон. В 2000 году до нашей эры римляне использовали тип бетона под названием пуццолана, в котором использовался вулканический пепел, для строительства Колизея и Пантеона в Риме.

Затем, примерно с 400 по 1750 г. н.э., нет никаких свидетельств использования бетона. Это фактически стало «темными веками» бетона, которые длились от падения Римской империи до тех пор, пока английский инженер Джон Смитон заново не открыл, как делать «гидравлический» цемент при строительстве маяка в Плимуте, Англия.

Железобетон был изобретен и запатентован французом Жозефом Монье в 1867 году нашей эры, но он применил эту технику только для цементирования цветочных горшков. Железобетон не стал широко используемым строительным материалом до тех пор, пока в 1880-х годах не были разработаны витая арматура и предварительно напряженный бетон.

Первая бетонная дорога была залита в 1891 году в Беллефонтейне, штат Огайо. Плотина Гувера, самое большое бетонное сооружение, когда-либо построенное на тот момент, была построена в 1936 году. Американский архитектор Фрэнк Ллойд Райт построил множество культовых бетонных зданий в 1950-х годах. Брутализм, архитектурный стиль, в котором упор делался на открытый бетон, был популярен с 1950-х по 1970-е годы.

Заключение

Бетон — удивительный строительный материал, который был открыт тысячи лет назад, а затем забыт.Это невероятно полезный строительный материал, потому что его можно смешать из порошка для создания каменных структур любой формы.

Однако его полезность ограничена тем фактом, что бетон устойчив только против сил сжатия и легко крошится под действием растягивающих и сдвигающих усилий.

LEAVE A REPLY

Ваш адрес email не будет опубликован.

Rebar Diameter / мм Толщина крышки / мм Прочность на растяжение / МПа
1 18 25 2 2 9
2 18 30 9 201
3 189 35 2,01
4 20 30 2. Таблица 7

Сталь Тип Композиция /% Механические свойства
C Si Mn P S Fe Уровень доходности / МПа Удлинитель / МПа Удлинение Коэффициент текучести
HRB400 0. 25 0.31 0.31 1.08 0.08 0.015 0.025 0.025 480450 630 630 1,31 1,20

После ускоренных тестов коррозии образцы были разрезаны дольшами для анализа шаблона коррозии под микроскопом во внутреннем армированном растворе. Половина образца использовалась для анализа процесса коррозии с использованием метода интеркорреляционного изображения на верхней поверхности. Слой ржавчины на строительном растворе анализировали с помощью ПЗС-камеры.Согласно микроскопическому тесту, δ 0 составляло 12,5 мкм, а ρ равнялось 2. Модель математической регрессии для скорости коррозии стали была упрощена до уравнения (23). Скорость коррозии стальной арматуры оценивали методом невесомости. Результаты испытаний и численного моделирования представлены в .

η=0,05d−1+k·0,07·ft0,92·(1+c/d)2

(23)

Таблица 8

Результаты испытаний и численного моделирования.

Номер Стальной коррозионную скорость /%
Метод численного моделирования Тест Ошибка
1 0. 686 0,715 4,27
2 0,854 0,890 4,18
3 1,041 1,089 4,62
4 0,751 0,780 3,80
5 0,582 0,605 3,97

Из этой таблицы расчетные результаты близки к экспериментальным, погрешность между ними <5%. Ошибка возникла из-за того, что при численном моделировании не учитывались явление заполнения трещины продуктами ржавчины и эффект ползучести бетона.

5. Выводы

Поскольку коррозия стальных стержней серьезно влияет на долговечность бетонных конструкций, анализ процесса растрескивания бетона, вызванного коррозией арматуры, имеет важное исследовательское значение. Для неравномерной коррозии стальных стержней использовалось неравномерное смещение расширения ржавчины для моделирования процесса растрескивания защитного слоя бетона с помощью численного моделирования.

  • (1)

    По возникновению неравномерной коррозии и характеристикам слоя ржавчины была сделана вывод о неравномерной функции распределения радиального смещения бетона как вокруг углового, так и неуглового стержня.

  • (2)

    Распределение поля напряжений в защитном слое бетона, вызванное коррозией стали, было обобщено, а наличие соседних стальных стержней вызвало наложение напряжений в бетоне между стальными стержнями.

  • (3)

    Формула для расчета критического радиального смещения была получена в момент начала растрескивания и использована для прогнозирования коэффициента коррозии бетона покрытия.

  • (4)

    Получена математическая модель радиального смещения в момент возникновения трещины, которая связана с пределом прочности бетона, относительным защитным слоем и диаметром арматуры.

  • (5)

    Правильность модели расчета неравномерной ржавчины была проверена путем сравнения результатов численного анализа с экспериментальными результатами.

Вклад авторов

Сбор данных, Л.З.; Написание — первоначальный вариант, Д.Н.; Методология, BW; Валидация, Д.Л.

Финансирование

Авторы выражают благодарность в адрес Большой программы Национального фонда естественных наук (№ 515