Оценка износа бетона АЭС - причины, следствия и методы исследования

Повышение долговечности железобетонных конструкций для устойчивых конструкций: обзор различных подходов

1 Факультет технических и прикладных наук, Университет Бергамо, Виале Маркони 5, 24044 Далмине, Италия; ti.gbinu@inirbac.aniram (MC); ti.gbinu@itteffoc.ynned (округ Колумбия); ti.gbinu@iznerol.oigres (SL); ti.gbinu@erotsap.osammot (ТП)

Сильвия Беретта

Мария Кьяра Биньоцци

3 Факультет гражданского, химического, экологического и материаловедения, Болонский университет, Via Terracini 28, 40131 Болонья, Италия; ti.obinu@izzongib.airam (MCB); ti.obinu@4iznam.ainafets (SM)

Фабио Больцони

Андреа Бренна

Марина Кабрини

Себастьяно Кандамано

4 Кафедра механики, энергетики и управления, Университет Калабрии, Via Bucci-Cubo 46C, 87036 Rende, Италия; ti.lacinu@onamadnac.onaitsabes (Южная Каролина); ti.lacinu@aerc.otanutrof (ФК)

Доменико Капуто

5 Факультет химии, материалов и промышленной инженерии, Университет «Федерико II» в Неаполе, Piazzale Tecchio 80, 80125 Неаполь, Италия; ti.aninu@otupac.ocinemod

Маддалена Карсана

Раффаэле Чоффи

Денни Коффетти

Франческо Коланджело

Фортунато Креа

Сабино Де Гизи

7 Кафедра гражданской, экологической, земельной, строительной инженерии и химии, Политехнический университет Бари, Виа Орабона 4, 70126 Бари, Италия; ti.abilop@isiged.onibas (ЦУР); ti.abilop@acnaibal.aidualc (CL); ti.abilop@alocinraton.elehcim (Миннесота); ti.abilop@allertep.aerdna (AP); ti.abilop@oradot.ocsecnarf (FT)

Мария Виттория Диаманти

Клаудио Фероне

Патриция Фронтера

8 Кафедра гражданского строительства, энергетики, окружающей среды и материалов, Средиземноморский университет Реджо-ди-Калабрия, Via dell’Università 25, 89122 Реджо-ди-Калабрия, Италия; ti.crinu@aretnorf.aizirtap

Маттео Мария Гастальди

Клаудия Лабианка

Федерика Лоллини

Серджио Лоренци

Стефания Манци

Милена Маррокколи

9 Школа инженерии, Университет делла Базиликата, Viale dell’Ateneo Lucano 10, 85100 Potenza, Италия; ti.sabinu@iloccorram.anelim (MM); ti.sabinu@acselet.oinotna (AT)

Мишель Нотарникола

Марко Ормеллезе

Томмазо Пасторе

МарияПиа Педеферри

Андреа Петрелла

Елена Редаэлли

Джузеппина Ровиелло

Антонио Телеска

Франческо Тодаро

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

Связанные данные

Абстрактные

Тема устойчивости железобетонных конструкций тесно связана с их стойкостью в агрессивных средах. В частности, при равном воздействии на окружающую среду, чем выше долговечность строительных материалов, тем выше устойчивость. В настоящем обзоре рассматриваются возможные стратегии, направленные на создание устойчивых и прочных железобетонных конструкций в различных условиях. Основное внимание уделяется методологиям проектирования, а также использованию нетрадиционной коррозионностойкой арматуры, связующих веществ, альтернативных портландцементу, а также инновационных или традиционных решений для защиты железобетона и предотвращения коррозии арматуры, таких как ингибиторы коррозии, покрытия, методы самовосстановления, и гидроизоляционные заполнители. Анализ научной литературы показывает, что не существует предпочтительного способа производства «зеленого» бетона, но что устойчивость строительных материалов может быть достигнута только путем одновременной реализации нескольких стратегий, направленных на снижение воздействия на окружающую среду и повышение как долговечности, так и производительности.

1. Введение

В области строительных материалов становится все более очевидным, что традиционные параметры окружающей среды (такие как потенциал глобального потепления (GWP) и общая потребность в энергии (GER)), а также анализ жизненного цикла необходимы — но недостаточны — для определения устойчивости. из строительного материала. Простые параметры, основанные на составе бетона, CO₂ выбросы и прочность на сжатие, такие как предложенные Damineli et al. [1] уже не подходят для целостного рассмотрения проблемы. Важно сочетать информацию о характеристиках и долговечности материала с оценкой его воздействия на окружающую среду. Другими словами, невозможно определить строительный материал как «зеленый» без глубокого исследования эволюции его свойств в различных средах с течением времени.

Явления ранней деградации, в первую очередь вызванные углекислым газом или хлоридами, могут значительно снизить устойчивость вяжущих материалов, как традиционных, так и инновационных, о чем широко сообщается в научной литературе [2,3]. Поэтому целью данного обзора является сбор основных доступных в настоящее время стратегий получения прочных и устойчивых железобетонных конструкций с использованием как традиционных, так и инновационных материалов.

2. Механизмы коррозии в железобетонных конструкциях.

Защитная способность железобетона от коррозии углеродистой стали является одним из основных моментов, которые сделали его наиболее используемым строительным материалом для промышленных и гражданских сооружений. Стальная арматура придает цементным материалам прочность на растяжение, а бетон создает защитные условия для защиты стали от коррозии, что делает возможным производство долговечных конструкций. Защитное действие обусловлено образованием продуктов гидратации портландцемента, повышающих щелочность воды внутри пор затвердевшего бетона. Фактически на коррозионное поведение углеродистой стали сильно влияет рН порового раствора, и считается, что он пассивен, когда он превышает 11.5. В этих условиях скорость коррозии арматуры из углеродистой стали становится незначительной из-за образования защитной пассивной пленки, замедляющей анодный процесс растворения металла. Портландцемент состоит из силикатов кальция, которые, реагируя с водой в процессе твердения, приводят к образованию гидроксида кальция. Это вещество представляет собой сильный малорастворимый гидроксид, насыщающий поры водой. При комнатной температуре простой насыщенный раствор этого вещества имеет рН около 12.5. Однако рН свежего цементного теста, как правило, выше из-за присутствия небольших количеств гидроксидов натрия и калия, что определяет повышение рН до 13.5. Эти уровни щелочности достигаются сразу во время смешивания, что способствует быстрой пассивации арматуры [4,5]. Потенциал свободной коррозии арматуры быстро увеличивается в фазе схватывания и твердения до потенциалов, характерных для пассивных условий [6,7]. Свежий бетон представляет собой взвесь воды, твердых частиц различной гранулометрии и цементной пыли, где вода составляет всего около 20 %. Раствор, контактирующий со стальной арматурой, ограничивается прилегающей водной пленкой, а соотношение твердой и жидкой фаз увеличивается по мере увеличения степени гидратации. Содержание щелочи в этом водном тонком слое, ответственном за пассивность стали, зависит не только от содержания вышеупомянутых гидроксидов или от возможного присутствия пуццоланового материала, но и от расхода гидроксильных ионов на образование сама пассивная пленка. Защитная способность имеет тенденцию к увеличению со временем и становится стабильной только после нескольких месяцев погружения в цементную матрицу, о чем также сообщает Andrade et al. [8].

Защитное действие бетона на портландцементе, однако, обусловлено не только высокими значениями pH, но также зависит от присутствия хлоридов и от способности цементной матрицы уменьшать проникновение хлоридов и карбонизации через защитный слой бетона.

Хлориды разрушают пассивирующую пленку и способствуют возникновению локальной коррозии арматуры. Это основная форма коррозии, ответственная за повреждение бетона, подвергающегося воздействию морской среды, или настилов мостов и гражданских зданий, подвергающихся воздействию солей против обледенения. Локальная коррозия возникает, когда концентрация хлоридов (в процентах от массы цемента) превышает порог критической концентрации на поверхности стали. В конструкциях, подверженных воздействию атмосферы, где закладная стальная арматура характеризуется высоким коррозионным потенциалом, этот критический порог в портландцементном бетоне обычно составляет от 0.4 до 1 % [9]. Более высокие значения обнаруживаются в водонасыщенном бетоне, в котором потенциал коррозии стали ниже. Щелочность и характеристики границы раздела бетон/арматура являются основными факторами, влияющими на порог критической концентрации хлоридов [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]. Он увеличивается с увеличением pH и может быть описан через критическое молярное отношение хлорида к гидроксилу, которое обычно считается равным 0.6. Таким образом, в соответствии с этим соотношением щелочность портландцементного бетона делает возможным локализованное инициирование коррозии только при проникновении хлоридов из окружающей среды. В бетоне это значение может быть еще выше из-за буферного эффекта, создаваемого гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента [12,20, 21]. Присутствие этой фазы на поверхности металла представляет собой «запас щелочности», который контрастирует на границе раздела металл/цементная паста с изменениями рН, участвующими в механизме инициирования локальной коррозии. Только часть общего количества хлоридов, уже присутствующих в бетоне, способствует возникновению локальной коррозии. Свободные хлориды, растворенные в растворе, содержащемся в порах, активны, при этом значительная их часть связана с составляющими цемента [22] и не влияет на явление коррозии. Двумя основными механизмами связывания хлоридов являются адсорбция, особенно на гидратированном силикате кальция (CSH) [23,24,25], и химическое замещение в моносульфатном алюминате кальция (фаза AFm) [25,26,27,28] с образованием соли Фриделя. . Помимо этих фаз, хлориды также могут адсорбироваться на портландите (CH), эттрингите (AFt) и других солях [XNUMX, XNUMX, XNUMX, XNUMX].

Читайте также:

Сип-панель - фото и идеи | Хоузз

Долговечность железобетонных конструкций строго связана с двумя основными процессами, управляющими коррозией стальной арматуры, такими как проникновение хлоридов и карбонизация. Оба процесса влияют на защитную способность бетона от коррозии стальной арматуры. Скорость проникновения хлоридов и углекислого газа в основном зависит от пористости бетонной матрицы, размера и распределения пор. На самом деле хорошо известно, что долговечность бетона в основном зависит от состава смеси, ее укладки и отверждения. С этой точки зрения толщина защитного слоя бетона может рассматриваться как ключевой определяющий фактор, определяющий время, необходимое для того, чтобы агрессивные вещества достигли арматуры.

Низкая скорость коррозии арматуры определяется в основном пассивностью. Кислород обычно присутствует и достигает поверхности арматуры в количествах, способствующих процессу коррозии. Однако после разрушения пассивирующего слоя могут возникать совершенно другие коррозионные условия в зависимости от насыщения пор водой. Только в водонасыщенном бетоне снижение поступления кислорода из-за медленной диффузии через поры, закупоренные водной фазой, может ограничивать процесс коррозии. Это можно наблюдать в постоянно погруженном бетоне, в котором даже возможная потеря пассивности не привела бы к какой-либо значительной коррозии [29]. Однако бетон, как правило, не насыщен водой, а доступ кислорода таков, что не составляет ограничивающего фактора из-за быстрой диффузии через воздух, содержащийся в порах, лишь частично заполненных водой. В этом случае скорость коррозии определяется наличием воды, необходимой для ускорения процесса коррозии.

В очень влажных, но ненасыщенных бетонах коррозионный процесс может протекать со значительными скоростями, главным образом, при наличии значительных хлоридных загрязнений. В этих бетонах количества воды достаточно, чтобы гарантировать низкое удельное электрическое сопротивление цементной матрицы, что способствует действию гальванической пары, которая контролирует механизм локализованной коррозии.

В карбонизированном бетоне без хлоридов скорость коррозии намного ниже и возникает общая коррозия. Скорость коррозии принимает относительно низкие значения, особенно в бетонах, подвергающихся воздействию низких уровней влажности. Количество электролита очень мало, и, следовательно, скорость коррозии тоже низкая. Кроме того, продукты коррозии имеют тенденцию уменьшать малый объем электролита, способствуя тем самым образованию патины на арматуре, что еще больше замедляет процесс анодного окисления металла. Возникает ситуация псевдопассивности с относительно высокими потенциалами коррозии, но с пренебрежимо малыми скоростями коррозии. Период распространения становится основным процессом в сроке службы карбонатных конструкций.

Кроме того, наличие трещин и дефектов может представлять собой предпочтительную точку доступа для коррозионно-активных веществ в бетоне. Однако бетон на портландцементе обладает «умными» свойствами, которые препятствуют этому эффекту, делая его гораздо менее важным, чем можно было бы ожидать. Взаимодействие между бетоном и окружающей средой приводит к выпадению в осадок веществ, которые запечатывают трещины, делая их гораздо менее опасными. Так происходит, например, в морской среде или при контакте с водой, содержащей ионы бикарбоната, ионы кальция и ионы магния в виде растворенных солей. При контакте со щелочью бетонных стен карбонаты кальция и магния ограничивают попадание воды и могут заделывать относительно крупные трещины (менее 300 мкм) [30]. Барьерные свойства бетона каким-то образом восстанавливаются, что продлевает время возникновения коррозионных явлений. Эффект значителен только для мелких трещин и зависит от характеристик воды и свойств бетона [31,32]. Однако при наличии крупных дефектов этот эффект нельзя учитывать, и механизмами скорости коррозии являются скорее атмосферная коррозия, чем коррозия арматуры из углеродистой стали в бетоне.

3. Ингибиторы коррозии и обработка поверхности

Дополнительные методы защиты необходимы для железобетонных конструкций, работающих в тяжелых полевых условиях или когда требуется очень длительный срок службы: устойчивая к коррозии арматура, катодная профилактика, ингибиторы коррозии и обработка поверхности представляют собой подходящие «инструменты» для предотвращения коррозии в очень агрессивных средах. 33].

Поверхностные обработки для нанесения на поверхность железобетонных элементов являются эффективными защитными методами при относительно низкой стоимости. Европейский стандарт EN 1504-2 определяет:

Защитный слой бетона для армирования: зависимость толщины от условий, размер в ЖБ изделии

Питер Шоу, Aimin Xu STK Inter Test AB, S-254 67 Хельсингборг, Швеция Подтверждение:
ДЕМОНСТРАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ NDE И ПРОВЕРКА КВАЛИФИКАЦИИ
Материалы совместного совещания специалистов ЕС ОЭСР МАГАТЭ, состоявшегося в Петтене 11–13 марта 1997 г.
Под редакцией У. фон Эсторфа и П. ЛЕМЕТРА.
Европейская комиссия JRC, Институт передовых материалов, а/я 2, NL-1755 ZG Petten, Нидерланды
Генеральная дирекция Объединенного исследовательского центра

Абстрактные
Парадокс влажности
Повреждение в зависимости от возраста конструкции
Некоторые примеры потенциальных внутренних неисправностей и проблем с долговечностью
- Строительство в технике скользящей опалубки
- Предварительно напряженные тросы и их защита
- Влажность бетона и дифференциальная усадка
- Коррозия арматуры, вызванная хлоридами – примеры из практики
- Щелочно-агрегатные реакции
АБСТРАКТ НАЯ
Парадокс влажности
Повреждение в зависимости от возраста конструкции
Срок службы конструкции может сократиться или может потребоваться обширное техническое обслуживание в результате износа материалов, обычно стали, подверженной коррозии. Свидетельства этого типа повреждения могут появиться через 15 или 20 лет и сильно зависят от окружающей среды. Процессы повреждения могут происходить в вспомогательных сооружениях АЭС и аналогичны многим другим видам бетонных конструкций. Коррозию можно обнаружить на ранней стадии и до того, как произойдет серьезное повреждение в той мере, в какой это повлияет на функциональность конструкции.

Некоторые примеры потенциальных внутренних неисправностей и проблем с долговечностью
Строительство в технике скользящей опалубки
Процесс шликерного формования включает в себя использование формы, которая непрерывно перемещается вверх со скоростью до 300 мм в час, в то время как сверху заливают свежий бетон слоями по 150 мм. Как показано на рис. I, формы наклонены внутрь примерно на 6 мм/м, чтобы бетон мог отделиться от нижней части формы. Пластиковый бетон, помещенный в верхнюю часть опалубки, должен быть устойчивым к тому времени, когда опалубка выходит из нее (сопротивление проникновению от 50 до 200 фунтов на квадратный дюйм, измеренное в соответствии с ASTM C 403, обычно требуется на задней кромке опалубки). поэтому не провисает.

На рис.1 видно, что толщина бетонной стены последовательно увеличивается от вершины формы до конца боковой опоры. Этому увеличению толщины частично препятствует армирование вблизи поверхностей. Это означает, что бетон снаружи арматуры может легче двигаться против формы, чем бетон внутри. Таким образом, риск образования трещин зависит от консистенции бетона, рис. 1 (а). Этот тип растрескивания опасен на открытом воздухе, где агрессивные элементы, такие как Cl, CO₂, SO₂ и дождевая вода может проникнуть в арматуру.
Другая форма растрескивания возникает из-за отделения верхней части пластичного бетона в форме. Развивается крупная горизонтальная отрывная трещина, маскируемая цементным тестом, который смазан формой на поверхности, рис. 1 (б).

Предварительно напряженные тросы и их защита
Растягивающие напряжения в стенах защитной оболочки и кровле АЭС предназначены для сдерживания предварительно напряженными тросами. Это высокопрочные стальные тросы или провода, которые помещаются в каналы диаметром около 70 мм. После натяжения кабельные каналы заливаются цементным раствором для защиты от коррозии. В некоторых случаях каналы заполнены смазкой или маслом. После заливки цементным раствором снять кабели для осмотра невозможно. Вообще говоря, предварительно напряженные кабели могут быть подвержены одному или нескольким типам повреждений, перечисленных ниже:
- коррозия стальных тросов из-за внешних воздействий (внедрение агрессивных элементов)
- начальное повреждение, вызванное процессом термообработки
- устранение повреждений при транспортировке и строительстве
- погодные условия во время строительства
- процесс впрыска
- инъекционный материал и его химический состав
- водородное охрупчивание и коррозия под напряжением
- токи утечки (образование водорода на катоде или эффекты анодной коррозии)
В самых крайних случаях повреждение предварительно напряженных тросов может привести к выходу из строя и обрушению, как это происходит в случае мостов и промышленных зданий в Германии и Великобритании.
Одной из основных областей коррозионного воздействия нагруженных кабелей является пустота в кабельном канале, так как сталь не защищена щелочной цементной средой и подвержена воздействию агрессивных элементов. Таким образом, при испытании необходимо сначала обнаружить кабельные каналы в бетонных элементах (предпочтительно неразрушающими средствами), а затем обнаружить пустоты в цементном растворе, заполняющем каналы. Если физическое состояние стальных тросов можно определить с помощью неразрушающего контроля, то это, конечно, плюс.

Пример толстого бетонного элемента с односторонним напором воды показан на рис.3. Профиль влажности в этом случае показан для глубин 150, 300 и 800 мм от «сухой» поверхности. Возраст конструкции на момент испытаний составлял примерно 25 лет. Было обнаружено, что видимые трещины на поверхности достигают глубины примерно 300 мм.

Коррозия арматуры, вызванная хлоридами – примеры из практики
Присутствие хлорида (Cl) в армированном бетоне было признано с 1950-х годов одной из основных причин коррозии армирующей стали в армированном бетоне, например, в морских сооружениях, автодорожных мостах и настилах парковок в районах, глазури соли используются в течение зимнего сезона. Коррозию связывают с тем, что cl разрушает защитную пассивирующую пленку, которая образуется на стальных поверхностях из-за условий высокого pH в поровом растворе бетона (pH=12-13).

В последние десятилетия исследования долговечности бетона значительно расширились и показали, что многие из серьезных проблем, таких как растрескивание, отслоение и расслоение бетона, связаны с коррозией стали, вызванной хлором. Повреждения, вызванные коррозией, представляют собой серьезную проблему для инфраструктуры и обычно встречаются в элементах конструкции, таких как колонны и балки. Если морская вода используется в качестве охлаждающей жидкости на электростанциях, это, конечно, может повлиять на систему водяного охлаждения бетона и привести к остановке производства.

Поверхностный слой толщиной в несколько миллиметров содержит меньше Cl. Это более очевидно для бетона более низкого качества (Структура 2) и для бетона в полусухих условиях и может быть в основном связано с ухудшением качества бетона. Поверхностный бетон в зоне брызг морской воды карбонизировался CO.₂ м окружающий воздух. Он был вымыт морской водой и дождем, что вызвало разложение цементного теста из-за выщелачивания извести, а также подверглось другим физическим и химическим процессам разрушения, таким как воздействие сульфатов и магния.

Максимальное содержание хлора составляет около 0.2 % по массе бетона и находится на глубине около 5 мм под поверхностью для конструкции 1. Максимальное содержание хлора в конструкции 2 составляет около 0.25 %, что кажется довольно высоким, учитывая тот факт, что содержание хлора в морской воде в этом районе всего 1.8 г/л (или 0.05 моль/л). Это можно объяснить более низкой расчетной прочностью (более высоким водоцементным отношением), что соответствует более высокой пористости и водопроницаемости. Экспериментальные результаты также показали, что около 70% общего количества хлора в бетоне может быть извлечено водой, что указывает на то, что большая часть ионов хлора слабо адсорбируется бетоном и может участвовать в процессе коррозии стали.

Действительно, измерение электрохимического потенциала конструкции 2 на месте показало активные области, где арматура могла начать подвергаться коррозии. Согласно Саго-Крентсилу и Глассеру [2], в разбавленном растворе Cl 0.010-0.015 моль/л растворимость железа при рН ок. 13 резко возрастает почти от нуля до 0.170-180 моль/л, т.е. коррозия, вероятно, будет происходить даже при такой низкой концентрации хлора. Более высокое пороговое значение, предложенное ранее Хаусманном [3], составляет мольное отношение Cl/OH > 0.6 (Cl=0.06 моль/л в бетоне с pH=13), что, как можно ожидать, вызовет быстрый процесс коррозии.

Щелочно-агрегатные реакции
Это форма химической реакции, которая происходит между заполнителями, содержащими щелочеактивные компоненты, и цементными щелочами в поровой воде бетона. Наиболее распространенным случаем является щелочно-кремнеземная реакция (ASR), которая представляет собой реакцию между щелочью и некоторыми кремнийсодержащими соединениями в агрегатах с образованием типа геля. При контакте с водой гели набухают, вызывая растягивающие напряжения и, в конечном итоге, растрескиваются, что часто приводит к образованию «рисунка карты» на поверхности бетона. Из скандинавских стран повреждение ASR до сих пор было серьезной проблемой только в Дании.

Методы испытаний
– Быстрые и эффективные неразрушающие методы, охватывающие большие площади и объемы
– Методы, которые можно использовать для характеристики отклонений или предполагаемых дефектов.

Методы могут быть прямыми или косвенными, например, они могут использоваться для получения информации о размере, глубине или физическом состоянии, или они могут на основе одного или нескольких измеренных параметров давать информацию, которая может использоваться для оценки риска повреждения или продолжающихся процессов износа. . Они также могут давать информацию, касающуюся прочности материала, потенциальной долговечности или несущей способности. Конечно, есть преимущества в доступе к нескольким методам, которые дополняют друг друга.

В следующих таблицах дается сводка потенциальных типов повреждений и подходящих методов неразрушающего контроля для их оценки, включая их существующие возможности. Перечисленные методы испытаний являются исключительно теми, с которыми авторы имеют непосредственный опыт, и представляют собой современные методы испытаний бетона на месте. Сводная оценка методов с точки зрения надежности и полезности основана на практическом опыте в конкретных ситуациях, и не предполагается, что эти оценки универсально применимы к данным методам.
Похожие записи: