Изменение свойств арматуры и бетона при электрокоррозии

Коррозионная стойкость является одним из наиболее важных пара­метров железобетонных опор и фундаментов контактной сети, от кото­рого в значительной степени зависит их надежность и долговечность. Длительный опыт эксплуатации железобетонных опор и фундаментов показывает, что данные конструкции являются достаточно стойкими при воздействии агрессивной среды и способны противостоять ему без дополнительных защитных мероприятий. В условиях такой среды опо­ры и фундаменты могут сохранять свои эксплуатационные качества в течение длительного времени и обеспечивать безопасность и беспере­бойность движения поездов.

 

 

94

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

Наиболее опасным и требующим специальных усилий по нейтрали­зации и предотвращению является известный фактор воздействия на опоры и фундаменты контактной сети токов утечки с тяговых рельсов на участках постоянного тока. Под влиянием этих токов, попадающих на конструкции через цепи заземления, возникают электрокоррозион­ные явления на поверхности металлической арматуры, анкерных болтов, закладных металлических устройств, приводящие к интенсивному раз­рушению этих металлических деталей. Основные причины утечки то­ков с рельсов, закономерности их формирования, критерии опасности и пути ограничения рассмотрены в фундаментальных работах А. В. Котельникова, В. И. Ивановой, К. Г. Марквардта [31] и ряда других уче­ных. В результате этих исследований установлено, что наиболее тяже­лые последствия токи утечки вызывают в анодных и знакопеременных зонах потенциалов рельс — земля при низких сопротивлениях цепей заземления опор и фундаментов. Такие последствия возникают всег­да, когда плотность тока утечки с арматуры, анкерных болтов опор и фундаментов превышает величину 0,6 мА/дм² или сопротивление цепи заземления оказывается менее 25 Ом/В среднего потенциала рельс — земля. Опоры, у которых плотность тока с арматуры в подземной части опор больше или величина сопротивления цепи заземления меньше от­меченных величин, принято относить к категории электрокоррозионно опасных опор.

При воздействии токов утечки электрокоррозионному разрушению подвергаются как арматура, так и бетон [32]. В последнем под влияни­ем анодного тока происходит ряд необратимых изменений: часть бето­на в результате выноса положительных ионов выключается из работы из-за увеличения макропористости; другая часть, в которой возрастают напряжения из-за перекристаллизации ряда веществ, становится менее прочной, увеличивается ее неоднородность. Одновременно с этим уве­личивается проницаемость бетона вследствие увеличения его пористо­сти и роста среднего диаметра пор. При этом увеличивается опасность проникновения агрессивных веществ в структуру бетона. Однако следу­ет отметить, что указанные изменения в бетоне происходят с небольшой скоростью, а основные отрицательные последствия воздействия посто­янного тока на железобетон связаны в основном с электрокоррозион­ным разрушением арматуры и других металлических несущих элементов в подземной части опор и фундаментов. В результате длительных наблю­дений и исследований удалось определить основные особенности и за­кономерности протекания процессов электрокоррозионного разруше­ния арматуры и металлических деталей фундаментов в подземной части опор. Прежде всего следует отметить неравномерность выноса металла по глубине подземной части конструкций при электрокоррозии армату­ры и металлических деталей. Сейчас совершенно однозначно установ-

 

 

95

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

лено, что наибольший вынос металла из подземной части опор и фунда­ментов наблюдается на глубине 0,7 - 1 м от поверхности грунта при от­сутствии грунтовых вод и в уровне грунтовых вод при их наличии. Кроме этой неравномерности выноса металла по глубине подземной части опор и фундаментов, наблюдается также неравномерность выноса металла по поверхности арматуры и анкерных болтов. На поверхности последних образуются многочисленные язвы, питтинговая коррозия, углубления с открытыми краями. В значительной степени такое протекание электро­коррозионного разрушения арматуры и болтов объясняется присутстви­ем в бетоне крупного заполнителя, экранирующего в местах контактов поверхность арматуры от анодных токов и создающего повышенную плотность тока вне этих контактов. Подтверждением влияния крупно­го заполнителя на характер разрушения поверхности арматуры и болтов может служить факт отсутствия неравномерности разрушения армату­ры при воздействии анодного тока в водных электролитах и цементно-песчаных растворах. В этих средах арматура растворяется практически равномерно без образования глубоких язв, питтинга и углублений. При этом под действием анодного тока растворяется сначала периодический профиль, затем разрушается основной металл. Арматура в этом случае приобретает практически гладкую поверхность.

Образующиеся на поверхности арматуры или анкерных болтов ука­занные повреждения создают концентраторы напряжений и являются одной из причин непропорционального уменьшения площади попереч­ного сечения арматуры и снижения ее прочности. Особенно чувстви­тельной к появлению этих концентраторов и снижению прочности явля­ется арматура из высокопрочной проволоки. Экспериментами установ­лено, что при среднем уменьшении площади сечения такой арматуры в пределах 3 — 4% при воздействии электрокоррозионных процессов ее прочность снижается на 30 — 40%. Одновременно под влиянием кон­центраторов напряжений резко меняется характер разрушения армату­ры при действии растягивающих напряжений и уменьшается ее дефор-мативность. В предельной стадии при разрушении арматуры исчезает характерная для неповрежденной арматуры «шейка», а разрушение про­исходит путем «скола» по наклонной плоскости. При этом разрушение происходит хрупко без появления пластических деформаций. Умень­шение деформативности и повышение хрупкости арматуры с повреж­дениями ее поверхности при этом приводит к нарушению совместной работы проволок в растянутой части арматурного пакета и исчезнове­нию влияния количества арматуры на несущую способность опор. Это влияние определяется в предположении, что в работу опор в предельном состоянии включается весь арматурный пакет. Опоры с поврежденной проволочной арматурой разрушаются от последовательного достиже­ния каждой проволокой своей прочности. Из-за этого часто разруше-

 

 

96

 

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ние опор происходит при значительном количестве остаточного металла в сечении и сопровождается характерным треском, возникающим при разрыве каждой проволоки.

В случае небольших выносов металла при электрокоррозии прово­лочной арматуры, составляющих не более 10% исходного веса прово­локи, прочность арматуры на растяжение может быть оценена с помо­щью выражения

                         (3.18)

                   

на растяжение,

'мм; F ₁.— безразмерный коэффициент, зависящий

от глубины трещин и учитывающий влияние повреждений на поверх­ности арматуры, их шага и диаметра арматуры; а и Ь — коэффициенты, равные а = (0,025/0,029) см; Ь = (14 / 15) см/г; - удельные потери металла на единицу длины, г/см.

На рис. 3.30 показаны кривые изменения прочности металла ар­матуры в зависимости от удельного среднего выноса металла и раз­личных параметров трещин, в частности их глубины и шага. Анализ приведенных кривых показывает, что зависимость (3.18) достаточ­но точно количественно и качественно отражает процесс изменения прочности проволочной арматуры при ее электрокоррозии. Экспе­риментальная кривая изменения прочности арматуры, построенная по результатам испытаний корро-

дированных образцов, взятых из натурных опор, находится в по­ле, ограниченном теоретически­ми кривыми изменения прочно­сти. При соответствующем под­боре значений коэффициента Р_х (рис. 3.31) можно добиться высо­кой степени совпадения экспери­ментальных и теорети-ческих зна­чений прочности.

Приведенное выражение (3.18) для оценки прочности проволоки справедливо, как указывалось, при небольших выносах металла, не превышающих 10% исходного веса проволоки, и при неболь-ших глу­бинах поперечных трещин и боль-

 

97

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

шом их шаге, превышаю-щем диаметр проволоки. Оценка прочности армату-ры при этих ограничениях важна тем, что в этом случае при электрокорро­зии арматуры могут еще не по­явиться продольные тре-щины и опоры сохраняют монолит­ность и все признаки конструк­ции. Снижение деформативных свойств арматуры находит­ся только в начальной стадии. В более поздней стадии оцен­ку прочности прово-лочной ар­матуры проводить нет смысла, так как на этой стадии теряются как проч-ностные, так и деформа-тивные свойства арматуры и опоры начинают работать в иной схеме, чем это предусматривается их расчетом. Следует отметить, что рассмотренные закономерности изменения прочности и деформативности арматуры в общем характерны для вы­сокопрочной проволоки и практически не наблюдаются при электро­коррозии низкоуглеродистых арматурных сталей и анкерных болтов, изготовленных из этих сталей. Несмотря на то что на них также обра­зуются концентраторы напряжений, они вследствие высокой пластич­ности оказываются нечувствительными к этим концентраторам, а их прочность уменьшается пропорционально уменьшению площади сече­ния арматуры. В связи с этим во многих случаях опоры, армированные стержневой низкоуглеродистой арматурой, даже при появлении в них продольных трещин и наличии коррозии сохраняют несущую способ­ность, достаточную для восприятия внешних нагрузок.

4.2. Развитие трещинообразования в бетоне при электрокоррозии арматуры

Процесс электрокоррозии арматуры и анкерных болтов сопровожда­ется, кроме собственно растворения металла, появлением продуктов его коррозии. Последние имеют больший объем, чем объем растворен­ного металла, и вследствие этого создают в бетоне механическое давле-

 

98

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

ние. В результате этого давления в бетоне появляются растягивающие напряжения, при превышении которыми предела прочности бетона на растяжение появляются трещины. Для оценки механизма появления и развития этих трещин целесообразно рассмотреть модель, представлен­ную на рис. 3.32. В этой модели предполагается, что пучок арматуры на­ходится на достаточной глубине от поверхности и в нем при появлении продуктов коррозии реализуется состояние всестороннего сжатия, а в бетоне на контакте с арматурой появляются радиальные сжимающие и тангенциальные растягивающие напряжения. При достижении послед­ними предела прочности в бетоне, как отмечалось, образуются трещины. Ранее уже указывалось (см. гл. II), что прочность центрифугированного бетона на растяжение неодинакова по различным направлениям. Наи­меньшее значение этой прочности отмечается по площадкам, парал­лельным боковой поверхности опор, и поэтому трещины образуются в первую очередь на этих площадках. В силу наличия в бетоне различ­ных ослаблений длина образующихся трещин оказывается значительно большей общего диаметра пучка. В этом случае для нахождения длины тангенциальных трещин можно применить простой асимптотический метод, основанный на принципе микроскопа. В соответствии с этим ме­тодом действующее на бетон от арматуры давление продуктов коррозии заменяется двумя силами F, приложенными к противоположным бере­гам прямолинейной трещины длиной 2С. Эти силы действуют в середи­не трещины перпендикулярно к ее поверхности. В удалении от трещи­ны напряжения в бетоне отсутствуют. При силе F = pD и коэффициен­та те интенсивности напряжений K₁=F/ П 2Сдлина трещин при условии К₁=К_IC,   оказывается равной [33]    

                                                                                      

                                                          

                                                                                                      (3.19)

 

 

99

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор

В последнем выражении величины К_}С и р в момент образования трещин изменяются незначительно. В первом приближении при нача­ле развития электрокоррозии их можно принять равными: р = 2 МПа; К_1С = 0,1 МПасм⁰⁵. При этих условиях длина трещин в основном зави­сит от диаметра D пучка проволок. Если положить, что опора армирова­на проволокой диаметром 4 мм, то при одиночном расположении прово­лок длина трещин составляет 3,2см, при парном расположении струн — 12,8 см, при трех струнах в пучке — 41 см. В подземной части обычных центрифугированных опор расстояние между пучками арматуры состав­ляет порядка 8 см. Это показывает, что уже при попарном расположении проволок трещины от соседних пучков при элсктрокоррозии соединяют­ся в одну трещину. В результате этого образуется единая кольцевая тре­щина, разделяющая подземную часть на два цилиндра, входящих друг в друга. Сечение опоры приобретает составной характер.

Образование кольцевой трещины в стенке опоры приводит к увели­чению диаметра наружного цилиндра, которое компенсируется возник­новением продольных трещин. Процесс образования и места их распо­ложения во многом носят случайный характер. Во всяком случае, уста­новлено, что в подземной части опор возникает несколько продольных трещин и их количество значительно меньше числа пучков арматуры.

Отмеченный механизм возникновения и развития кольцевых и про­дольных трещин в целом характерен и для опор, армированных стержня­ми. В фундаментах этот механизм несколько иной и характеризует­ся образованием одной трещины над анкерным болтом по каждой грани.

Следует отметить еще одну важ­ную деталь в возникновении и раз­витии трещин в подземной части опор и фундаментов при появле­нии электрокоррозионных разру­шений арматуры и бетона. Она со­стоит в том, что, наряду с развитием трещин в кольцевом тангенциаль­ном направлении и последующим образованием продольных трещин в подземной части опор, под вли­янием давления продуктов корро­зии в подземной части происходит развитие кольцевых и продольных трещин и в надземную часть опор (рис. 3.33).

 

100

 

 

При этом, как показывают наблюдения, высота развития трещин в надземной части достигает 10 — 15 см. Этот факт является примечатель­ным, так как позволяет в ряде случаев обнаруживать электрокоррозию арматуры подземной части без откопки.

Электрокоррозия арматуры, металлических болтов и деталей в опо­рах контактной сети и их фундаментах является наиболее опасным повреждением. Для предотвращения ее необходимо всемерно повы­шать электрическое сопротивление верхнего пояса опор и фундамен­тов контактной сети. В настоящее время для этих целей разработан комплекс изолирующих элементов (рис. 3.34) и конструкций фунда­ментов, обеспечивающих высокую степень защищенности опор от воздействия токов утечки и исключающих электрокоррозионные по­вреждения.

Процессы электрокоррозии арматуры протекают в любом бетоне, и на скорость этих процессов мало влияют характеристики бетона, в частности его прочность и плотность. Испытаниями, проведенными во ВНИИЖТе на призматических образцах длиной 200 мм и сечением 50x50 мм, изготовленных из бетона различной прочности и имеющих в их центре заделанные стальные электроды, установлено, что после воздействия анодного тока одинаковой плотности на металлические электроды трещины в бетоне различной прочности появляются прак­тически одновременно. В любом случае, появление трещин в образцах, изготовленных из бетона МЗОО, происходило всего лишь на несколько часов (в пределах 5 — 10 ч) раньше, чем в образцах, изготовленных из бетона М600.

 

 

101

 

Глава 3. Эксплуатационные воздействия и работоспособность опор