Полный текст

Введение В практике обследования железобетонных строительных конструкций, эксплуатирующихся в условиях открытого воздуха и атмосферной влажности, часто выявляют повреждения защитного бетонного слоя [1, 2]. Причина данной проблемы кроется в карбонизации бетона. Наиболее часто описываемое явление встречается при обследовании конструкций, эксплуатируемых длительное время во влажной среде (рис. 1) [3, 4]. На рис. 1 хорошо виден поврежденный в результате карбонизации защитный слой бетона, оголенная продольная напрягаемая арматура, покрытая продуктами коррозии. Исследования в данной области показывают, что карбонизация бетона продолжается во все время эксплуатации строительных конструкций, однако процесс карбонизации не распространяется на значительную глубину [3, 4]. Стоит отметить, что в настоящее время наиболее используемым способом выявления карбонизации и определения глубины ее фронта в полевых условиях является метод фенолфталеиновой пробы [5]. Особенностью этого метода является наличие одного рабочего интервала рН-перехода окраски раствора фенолфталеина, а также отсутствие единого мнения о значении рН бетона [6-8], при которых он начинает терять свои пассивирующие свойства по отношению к стальной арматуре. Рис. 1. Карбонизация ребристой плиты покрытия. Срок эксплуатации конструкции более 35 лет Fig. 1. Carbonization of the ribbed cover plate. The service life of the structure is more than 35 years В связи с этим авторами статьи была предпринята попытка поиска способа усовершенствования метода фенолфталеиновой пробы, повышения его эргономичности или создания альтернативных методов выявления карбонизации в полевых условиях с более высокими показателями точности. Актуальность темы исследования очевидна, поскольку процесс карбонизации влияет на долговечность железобетонных конструкций, приводит к снижению физико-механических свойств бетона [6]. Материалы и методы В качестве объектов исследования использовались пять образцов кубической формы с гранью 10 см из тяжелого бетона класса прочности В30, марки по водонепроницаемости W6 и десять образцов кубической формы с гранью 3 см из мелкозернистого бетона, изготовленные на основе портландцемента марки ЦЕМ I 42,5 с водоцементным отношением, равным 0,3. Величина отклонения образцов не превышала ± 1,5 мм. Возраст образцов с гранью 10 см составлял около 3-5 лет, а возраст образцов с гранью 3 см не превышал 180 сут. Разный возраст образцов был выбран с целью более точного определения работы растворов испытуемых кислотно-основных индикаторов. Для проведения экспериментальных исследований применялись следующие приборы и оборудование: измеритель влажности диэлькометрический Testo 606-1, портативный рН-метр электрометрический Testo 206-рН1 (сертификат Госреестра СИ РФ DE.C.31.010.A № 43924/1), цифровая зеркальная фотокамера с возможностью быстрой съёмки марки Canon 1200D, аппарат для газирования очищенной и дистиллированной воды модели Oursson OS1000SK, перфоратор аккумуляторный DeWALT DCH133M1. Для выявления участков поврежденного бетона в лабораторных условиях применялась авторская методика создания искусственных условий нейтрализации «свободного» гидроксида кальция [7]. Грани испытуемых образцов предварительно смачивались дистиллированной водой и погружались в открытый пластиковый сосуд. После пластиковый сосуд устанавливался в другой закрытый герметичный сосуд большего размера. В закрытом сосуде находилась активная коррозионная среда - дистиллированная вода, насыщенная углекислым газом (рис. 2). Рис. 2. Создание условий искусственной нейтрализации рН бетона в условиях действия угольной кислоты Fig. 2. Creation of conditions for artificial neutralization of the pH of concrete under the action of carbonic acid В среде углекислого газа образцы находились 28 сут, после чего вынимались и помещались непосредственно в раствор угольной кислоты на 120 сут (рис. 3). Раствор угольной кислоты менялся один раз в два дня для поддержания необходимого уровня рН раствора (также сам раствор дополнительно подкисляли), при этом каждый день проверялась и контролировалась влажность бетонных образцов. Рис. 3. Нахождение образцов в растворе коррозионно-активной среды (угольной кислоты) Fig. 3. Finding samples in a solution of a corrosive medium (carbonic acid) Часть испытуемых образцов находилась в условиях открытого воздуха без доступа к углекислой коррозионной среде. После нахождения образцов в агрессивной углекислой среде в течение указанного срока производилось полное высушивание образцов. Высушенные образцы подвергали предварительной подготовке - наносили разметку по срединным линиям (рис. 4, а). Мелкоразмерные образцы подвергали раскалыванию по срединной линии (рис. 4, б), после чего в местах скола производили определение фактической глубины карбонизированного слоя растворами кислотно-основных индикаторов - КОИ (рис. 4, в, г). Рис. 4. Стадии лабораторных испытаний мелкоразмерных образцов-кубиков: а - просушивание и разметка образца по срединной линии; б - раскалывание образца; в - промазывание поверхности образца в месте скола раствором кислотно-основных индикаторов; г - определение карбонизированного слоя на границе скола Fig. 4. Stages of laboratory testing of small-sized cube samples: а - drying and marking the sample along the midline; б - splitting the sample; в - smearing the sample surface at the cleavage site with a solution of acid-base indicators; г - determination of the carbonized layer at the cleavage boundary Образцы с гранью в 10 см также подвергали высушиванию и разметке по срединным линиям. В центре пересечения срединных линий просверливались контрольные отверстия диаметром 24 и глубиной 36 мм (рис. 5). Полости отверстий тщательно очищались от пыли (в том числе и дистиллированной водой), после чего по стенкам отверстий наносили приготовленные растворы кислотно-основных индикаторов. В течение некоторого времени в местах карбонизированного слоя фиксировали характерное окрашивание раствора индикатора с помощью фотоаппарата. a б Рис. 5. Определение фактической глубины карбонизации образцов методом контрольных отверстий: а - сечении испытуемого образца; б - разрез А-А по сечению образца Fig. 5. Determining the actual depth of carbonization of samples by the method of control holes: а - the section of the test specimen; б - section A-A along the section of the sample Растворы индикаторов ализарина и нейтрального красного подготавливали в соответствии с требованиями приготовления ализаринсодержащих и других индикаторов по государственным стандартам, используемым для определения рН различных сред [8-10]. Применялись 0,1 и 1%-ные растворы ализарина и нейтрального красного в этиловом спирте по требованиям государственных стандартов. Результаты В ходе проведения экспериментов при нормальном атмосферном давлении происходило выделение углекислого газа из раствора угольной кислоты, вследствие чего его молекулы адсорбировались в поры бетонных образцов и во влажной среде начинался медленный процесс нейтрализации «свободного» гидроксида кальция по реакциям (1) и (2). При непосредственном нахождении образцов в коррозионно-активной среде было зафиксировано ускорение нейтрализации щелочной среды бетона [11-16]. Са (ОН) 2 + СО2 → СаСО3↓ + Н2О (1) рН ˃ 11 рН ˃ 8 СаСО3↓ + СО2 +Н2О → Са(НСО3)2 (2) Спиртовой раствор ализарина имеет три интервала перехода окраски, благодаря чему возможно определение границ зон бетона высокой щелочности с 12 ≥ рН ≥ 10,1 и границ зон нейтрализованного и подкисленного бетона с рН ˂ 7,5 [13, 17-19]. Согласно теоретическим данным, оттенок окрашивания ализарина более темный, вследствие чего участки карбонизированного бетона при попеременном нанесении на поверхность двух индикаторов должны быть заметны. Следовательно, использование раствора данного индикатора в теории позволит повысить универсальность применения метода фенолфталеиновой пробы. Спиртовой раствор нейтрального красного имеет один интервал перехода окраски, но в сторону меньшего значения рН бетона с 6,8 ≤ рН ˂ 8,0 [20-22]. Cмена окраски индикатора настолько явная, что позволяет без проблем контролировать состояние поверхности бетона. Фактическую глубину карбонизации определяли растворами кислотно-основных индикаторов по зонам видимых областей характерного окрашивания (рис. 6). a б в Рис. 6. Расположение контрольных отверстий (а); наименование сторон в лабораторных образцах (б); окрашивание щелочных зон бетона раствором ализарина по стенкам контрольных отверстий (в) Fig. 6. The location of the control holes (а); the name of the parties in the laboratory samples (б); staining of alkaline zones of concrete with a solution of alizarin along the walls of the control holes (в) В то же время определение фактической глубины карбонизации бетона [23-26] нескольких образцов проводили и методом фенолфталеиновой пробы с целью сравнения точности и границ применения методов. В результате экспериментов для испытуемых образцов была определена фактическая глубина карбонизации бетона с использованием исходного и модернизированного методов фенолфталеиновой пробы. Результаты приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Значение фактической глубины нейтрализации бетона испытуемых образцов размером 3 ´ 3 ´ 3 см Table 1 The value of the actual depth of neutralization of the concrete of the test samples 3 ´ 3 ´ 3 sm № образца Наименование лабораторных образцов, сторона Среда эксплуатации Фактическая глубина карбонизации Х, мм исходный метод модернизированный метод 1 Куб № 1 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 ~4,0 3,7 Нижняя грань 3,9 3,8 2 Куб № 2 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 4,2 4,0 Нижняя грань 3,25 3,5 3 Куб № 3 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 4,0 3,8 Нижняя грань 3,7 3,7 4 Куб № 4 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 3,9 3,9 Нижняя грань 4,1 3,9 Окончание табл. 1 № образца Наименование лабораторных образцов, сторона Среда эксплуатации Фактическая глубина карбонизации Х, мм исходный метод модернизированный метод 5 Куб № 5 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 4,0 4,0 Нижняя грань 4,0 3,8 6 Куб № 6 Верхняя и боковые грани Агр. СО2 4,2 3,8 Нижняя грань 4,0 3,6 7 Куб № 7 Неагрессивная 0 0 8 Куб № 8 Неагрессивная 0 0 9 Куб № 9 Неагрессивная 0,1 0,1 10 Куб № 10 Неагрессивная 0 0 Примечание: в табл. 1, 2 агр. - агрессивный. Таблица 2 Значение фактической глубины нейтрализации бетона испытуемых образцов размером 10 ´ 10 ´ 10 см Table 2 The value of the actual depth of neutralization of the concrete of the test samples 10 ´ 10 ´ 10 sm № образца Фактическая глубина карбонизации Х, мм Среда эксплуатации Наименование лабораторных образцов, сторона 11 Агр. СО2 куб № 1 (возраст 5 лет) стороны куба α β γ δ ε ζ Исходный метод 2,0 1,5 1,7 1,5 1,6 2,1 Модернизированный метод 2,0 1,6 1,5 1,7 1,7 2,4 12 Агр. СО2 Куб № 2 (возраст 5 лет) Исходный метод 1,8 1,5 1,55 1,45 1,5 1,9 Модернизированный метод 1,6 1,6 1,6 1,6 1,5 1,8 13 Агр. СО2 Куб № 3 (возраст 5 лет) Исходный метод 2,1 1,6 1,9 1,9 1,7 2,0 Модернизированный метод 2,0 1,6 1,8 1,8 1,7 2,0 14 Неагрессивная (хранение на улице) Куб № 4 (возраст 3 г.) Исходный метод 0,1 0,1 0,15 0,1 0,15 0,1 Модернизированный метод 0,1 0 0,2 0,2 0,1 0,1 15 Неагрессивная (хранение на улице) Куб № 5 (возраст 3 г.) Исходный метод Карбонизации не выявлено Модернизированный метод 0,1 0 0 0 0 0,1 На основании результатов, представленных в табл. 1 и 2, были сформулированы выводы, определяющие возможность применения на практике предложенных методов исследования. Заключение Модернизированный метод фенолфталеиновой пробы обладает повышенной точностью (в некоторых случаях более чем на 8-10 % в сравнении с обычным методом). Раствор нейтрального красного помогает расширить применение метода фенолфталеиновой пробы для определения зон карбонизации бетона при 6 < рН < 10,5. В результате испытаний выявлено, что использование ализарина в дополнение к раствору фенолфталеина является затруднительным, поскольку раствор индикатора имеет слишком тусклое окрашивание, вследствие чего определение зон сильнощелочного бетона является неточным. Можно отметить, что сам по себе метод фенолфталеиновой пробы имеет несколько основных ограничений, которые могут затруднить работу исследователей на полевой стадии, вследствие чего есть смысл продолжать поиск индикаторов, которые смогут дополнить или полноценно заменить фенолфталеин для данных целей.

Об авторах

И. Н. Гоглев

Ивановский государственный политехнический университет

С. А. Логинова

Ярославский государственный технический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 84

PDF (Russian) - 86

Ссылки

• Ссылки не определены.