ПОИСК НОВОГО ПРОФИЛЯ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРЫ ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Бондарь Виктор Александрович

д-р техн. наук, профессор ПолтНТУ,

 г. Полтава

Бондарь Людмила Викторовна

канд. техн. наук, доцент ПолтНТУ,

 г. Полтава

Сушко Владимир Алексеевич

ассистент, ПолтНТУ,

 г. Полтава

E-mail: sushko_w@mail.ru

SEARCH FOR A NEW PROFILE OF REINFORCEMENT WITH HIGH CORROSION RESISTANCE FOR REINFORCE-CONCRETE STRUCTURES

Viktor Bondar

Doctor of Technical Science, Professor of PoltNTU, Poltava

Ludmila Bondar

Candidate of Technical Science, Associate Professor of PoltNTU, Poltava

Vladimir Sushko

Assistant of PoltNTU, Poltava

АННОТАЦИЯ

Предлагается новый периодический профиль стальной стержневой арматуры железобетонных конструкций с минимальной площадью боковой поверхности, обеспечивающий повышенную стойкость к коррозии в условиях мокрой или влажной атмосферной коррозии.

ABSTRACT

The authors offered a new periodic profile of reinforcement for reinforce-concrete constructions with the minimum area of side. It provides a high resistance to corrosion in wet or damp atmospheric corrosion.

Ключевые слова: коррозия; арматура.

Keywords: corrosion; reinforcement.

При возведении зданий и сооружений из сборного и монолитного железобетона для армирования конструкций применяется преимущественно стержневой арматурный прокат традиционного периодического профиля.

 При разработке новых профилей главное внимание уделяется улучшению механических свойств, сцепления с бетоном, хотя практика показывает, что чаще всего железобетонные конструкции выходят из строя по причине коррозии арматуры.

Известно, что интенсивное коррозионное разрушение арматуры может вызвать периодическое увлажнение железобетонной конструкции. При этом образуется устойчивая влажностная оболочка из насыщенного влагой бетона вокруг поверхности арматуры. Причем над гребнями арматуры периодического профиля толщина такой оболочки меньше, чем между ними.

Таким образом, толщина диффузионного слоя для основного деполяризатора кислорода при электрохимической коррозии будет разной над гребнями и между ними, что приводит к образованию макрокоррозионных пар дифференциальной аэрации с анодами на гребнях арматуры и катодами между ними.

Вскрытие арматуры железобетонных конструкций, которые эксплуатируются в условиях попеременного увлажнения, подтвер­ждает данное предположение: поверхность применяемой арматуры периодического профиля сглаживается со временем, теряя свое сечение.

При очередном подсыхании влажная оболочка вокруг арматурного стержня по энергетическим соображениям будет стремиться сократить свою поверхность до минимума, образуя поверхность, показанную на рис. 1.

Аналитически получено уравнение образующей такой поверхности:

 ,

где: x, y — текущие параметры кривой;

С — постоянная профиля.

На арматуре периодического профиля эта поверхность образуется при h-h_k ˃0 (рис. 1), где h_k определяется из уравнения образующей при y=0:

Рисунок 1. Схема образования устойчивой оболочки на поверхности арматуры периодического профиля: h — высота выступов периодического профиля; t — шаг витков; d₁ — диаметр арматуры по гребням; d — то же между витками; 1 — бетон защитного слоя; 2 — влажная оболочка; 3 — арматура

Таким образом, образование оболочки минимальной поверхности при закреплении ее на выступах арматуры периодического профиля будет при условии h-C˃0. Значения h-C для различных профилей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значение h - C для различных профилей арматуры

Непрерывная устойчивая влажная оболочка образуется на поверхности арматурного профиля № 14 и выше. Так как (h-C) для профилей № 6—12 имеет отрицательное значение, энергетически устойчивая оболочка может закрепляться одной стороной на вершине выступа, другой - между ними.

 Оболочка имеет вогнутый вид, а вектор поверхностного натяжения у мест ее закрепления направлен внутрь поверхности, что способствует утончению оболочки у мест ее закрепления, то есть на вершинах выступов для № 14—50 и на вершинах выступов и посредине между смежными выступами для № 6—12. Эти явления в значительной степени определяют кинетику коррозионных процессов на поверхности арматуры: утончение пленки приводит к большей доступности металла арматуры для деполяризатора, следовательно, к более интенсивной коррозии, утолщение — к торможению процесса коррозии, то есть образуются макрогальва­нические пары дифференциальной аэрации. Данное предположение было проверено экспериментально на арматуре без бетонного покрытия.

В качестве образцов принята арматурная сталь периодического профиля № 14 по ГОСТ 5781-82 в виде отдельных стержней длинной 400 мм каждый. Уже через двое суток испытаний после попеременного увлажнения их в 3-х процентном растворе хлористого натрия и высушивания замечен неравномерный характер коррозии на поверхности арматуры. Активные коррозионные процессы начинаются на вершинах выступов, что подтверждает допущение о неравномерности покрытия пленкой влаги поверхности арматуры.

С некоторым приближением можно считать, что аналогичная кинетика коррозионных процессов будет наблюдаться и на арматуре под бетонным покрытием в условиях влажностной или мокрой атмосферной коррозии.

Таким образом, избежать образования макрокоррозионных пар при электрохимической коррозии возможно, исключив образование неравномерной пленки на поверхности арматуры.

Этим требованиям будет отвечать арматурный стержень периодического профиля, в котором впадины между гребнями выполнены по кривой , которая является образующей фигуры с наименьшей боковой поверхностью (рис. 2).

Рисунок 2. Арматурный стержень периодического профиля:
d₁ — наружный диаметр; t₁, h, b — шаг, высота, ширина гребней; b₁ — толщина продольного ребра.

Вращая образующую вокруг оси y, получим минимальную площадь боковой поверхности фигуры вращения [2].

Для построения арматурных профилей на этом принципе необходимо иметь значение постоянной С. Для этого достаточно задать известные координаты, например, точки А (рис. 3) в формулу образующей

                                                   (1)

Рисунок 3. Общий вид кривой  : A(y₀x₀), B(-y₀x₀) — некоторые фиксированные точки на кривой

Если обозначить x=y₀/C, a=x₀/y₀, то уравнение (1) примет вид:

ax=chx                                                       (2)

Решение уравнения (2) находим на пересечении линии y=ax и кривой y=chx. Задаваясь различными значениями a и вычислив значения chx при различных значениях x, находим минимальное значение функции

y=chx — ax → 0

Для случая касания линии y=ax и кривой y=chx выбрано значение a=1,573 при x=1,5. Если принять, что фиксированной точкой А будет вершина гребня арматурного профиля с координатами , то

 .                                                   (3)

Так как a=d₁/t₁ - b, формула для определения t₁ имеет вид:

t₁=d₁/1,573 + b                                            (4)

Уравнение образующей может быть выражено формулой

 .                                      (5)

Для определения боковой поверхности, массы стержня выведены расчетные формулы. Подставив в формулу для определения поверхности фигур вращения [3] , функцию , получим  .

Тогда площадь поверхности тела вращения на один шаг гребней:

 , на один погонный метр         

 .                               (6)

Известная формула для определения объема тел вращения  послужила основой для расчета массы одного погонного метра.

 .                      (7)

Площадь поверхности продольных (рис.5) между смежными ребрами арматурного стержня можно рассчитывать по формуле:

 , на один погонный метр

 .                           (8)

Рисунок 4. Схема для расчета поверхности продольного ребра (определяется заштрихованная площадь)

Масса продольных ребер на один погонный метр арматурного стержня

                                     (9)

Методику определения геометрических параметров и некоторых характеристик данных арматурных стержней проиллюстрируем на примерах.

Пример 1. Дано: d₁₌42,4 мм; b=2 мм; b₁₌2,5 мм, гребни выполнены по однозаходной винтовой линии. Пользуясь уравнениями (3—5), получим: t₁₌29 мм, C=9, уравнение образующей поверхности между гребнями.

Минимальный размер сечения стержня будет при мм, максимальный — при  мм.

Вычисленные по формуле (5) эти параметры составили, соответственно: 25,1 и 30,2 мм. Площадь поперечного сечения стержня с учетом сечения продольного ребра 625,5 мм².

Таким образом, данный стержень можно считать равнопрочным обычному стержню периодического профиля с номинальным диаметром d=28 мм.

Эффективность сцепления арматурного профиля с бетоном характеризуется параметром .

В нашем случае коэффициент охвата

Средняя глубина впадин

Тогда

Относительная площадь среза бетона между выступами

Отношение площади среза к площади смятия  

Соотношение между высотой выступов и номинальным диаметром стержня арматуры  Отношение h/t=7,1/29=0,24.

Площадь поверхности впадин и продольных ребер на один погонный метр

Масса одного погонного метра стержня:

Пример 2. Дано: d₁₌21,2 мм; b=1 мм; b₁=2 мм, гребни выполнены по однозаходной винтовой линии. Аналогично вычислены значения для данного профиля: t₁₌13,5 мм; C=4,5; ; номинальный диаметр равнопрочного стержня d=14 мм.

Площадь поверхности впадин и продольных ребер на один метр погонный:

Масса одного погонного метра стержня:

Параметры арматурных стержней приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры арматурных стержней по ГОСТ 5781-82 и предлагаемых

Основные показатели предлагаемого арматурного стержня отвечают рекомендуемым значениям или близким к ним. Увеличение радиуса кривизны перехода гребня к стержню и расстояния между гребнями повышает его выносливость. Разрежение гребней улучшает анкеровочные свойства арматуры. Профиль обеспечивает минималь­ное значение свободной энергии системы «жидкая оболочка — металл», что исключает образование жидкостных манжет, а следовательно, образование локальных очагов коррозии арматуры.

Список литературы:

1.        ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций

2.        Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. — М.: ГТТИ, 1954. — 340 с.

3.        Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. — М.: Стройиздат, 1974. — 394 с.

4.        Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление. — М.: Наука, 1985. — 412 с.