Исследование влияния климатических факторов на скорость карбонизации бетона

В ходе работы было установлено, что на процесс карбонизации оказывают влияния технологические и климатические факторы. Кроме того, характеристики карбонизированного бетона также изменяются.
На основании анализа факторов, влияющих на карбонизацию, была выбрана математическая модель, учитывающая наиболее значимые технологические и климатические факторы. Также были даны рекомендации по определению основных переменных, входящих в выбранную модель карбонизации.
В условиях открытой атмосферы климатические факторы включают в себя природное увлажнение дождем и морозную деструкцию. Для исследования влияния климатических факторов на карбонизацию в условиях климата Республики Беларусь были выполнены расчеты коэффициентов влияния природного увлажнения kw и морозной деструкции kF, а также коэффициент их совместного влияния kcl.
Результаты исследования показали, что природное увлажнение бетона замедляет процесс карбонизации, причем, чем больше число дней с осадками и срок эксплуатации ЖБЭ (ЖБК), тем существеннее замедляющий эффект. Также было установлено, что за счет влияния природного увлажнения глубина карбонизации на территории Республики Беларусь может отличаться. Так, при расчетном сроке эксплуатации 100 лет, глубина карбонизации бетона на территории Республики Беларусь может отличаться до 19 % – для горизонтальных элементов, и до 13 % – для вертикальных.
Исследование влияние морозной деструкции показало, что она существенно ускоряет процесс карбонизации, однако использование бетонов более высоких марок по морозостойкости, способно снизить этот ускоряющий эффект. Установлено, что за счет влияния морозной деструкции бетона глубина карбонизации на территории Республики Беларусь значительно отличается, причем разница между глубиной карбонизации со временем нарастает. Так, при расчетном сроке эксплуатации 100 лет, глубина карбонизации может отличаться для марки бетона по морозостойкости F100 – до 73 %, для F150 – до 58 %, для F200 – до 48 %, для F250 – до 41 %.
Оценка совокупного влияния климатических факторов на карбонизацию показала, что ускоряющий эффект морозной деструкции сильнее замедляющего эффекта природного увлажнения. Однако ускоряющий эффект от влияния климатических факторов сказывается по мере увеличения срока эксплуатации и зависит от марки бетона по морозостойкости и расположения ЖБК (ЖБЭ). Так, для горизонтальных элементов, ускоряющий эффект климатического воздействия в различных городах Беларуси проявляется: для F100 – через 6–8 лет, для F150 – через 12–15 лет, для F200 – через 19–24 года, для F250 – через 26–33 года. Для вертикальных элементов: для F100 – через 5–7 лет, для F150 – через 12–14 лет, для F200 – через 18–24 года, для F250 – через 25–31 год.
Также установлено, что за счет совокупного влияния климатических факторов глубина карбонизации на территории Беларуси при расчетном сроке эксплуатации 100 лет может отличаться для горизонтальных элементов марки бетона по морозостойкости F100 – до 66 %, для F150 – до 49 %, для F200 – до 39 %, для F250 – до 31 %. Разница для вертикальных элементов может составлять для марки бетона по морозостойкости F100 – до 69 %, для F150 – до 51 %, для F200 – до 41 %, для F250 – до 34 %.
Выбранную модель карбонизации и рассчитанные коэффициенты kcl можно использовать для расчета глубины карбонизации, которая определит минимально необходимую толщину защитного слоя для ЖБЭ (ЖБК). Так, был выполнен расчет глубины карбонизации защитного слоя колонны для климатических условий Республики Беларусь, который показал, нормативное значение толщины защитного слоя (30 мм) соответствует расчетному для Минска, Бреста и Гомеля, а для Гродно, Витебска и Могилева требуется увеличение толщины защитного слоя.

1. Алексеев, С. Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах С. Н. Алексеев, Ф. М. Иванов, С. Модры, П. Шисль. – М. : Стройиздат, 1990. – 320 с.
2. Алексеев, С. Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С. Н. Алексеев, Н. К. Розенталь. – М. : Стройиздат, 1976. – 205 с.
3. Ахвердов, И. И. Механизм разрушения пористых ма¬териалов при насыщении их солями / И. И. Ахвердов, И. В. Станишевская / ДАН БССР. – Мн., 1967. – Т. 11, № 4. – С. 320–323.
4. Бабицкий В.В. Прогнозирование степени гидратации цемента с химическими добавками // Материалы, технологии, инструменты. – 2005. – №1. – С. 76-79.
5. Бабицкий, В. В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона : дис. … д-ра техн. наук : 05.23.05 / В. В. Бабицкий ; БНТУ. – Минск, 2005. – 540 с.
6. Бабицкий, В.В. Метод прогнозирования коррозионного состояния стальной арматуры железобетона // В.В. Бабицкий, С.Н. Ковшар // Вестник Полоцкого государственного университета. – 2016. – № 8. – С. 33–37.
7. Бабицкий, В.В. Прочность бетона и глубина его карбонизации / В.В. Бабицкий // Инновации в бетоноведении, строительном производстве и подготовке инженерных кадров: сб. ст. по материалам Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения И. Н. Ахвердова и С. С. Атаева, 9–10 июня 2016 г. : в 2 ч. – Минск, 2016. – С. 22–27.
8. Бетонные и железобетонные конструкции (с изменениями): СНБ 5.03.01 – 02. – Введ. 20.06.2003. – Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2003. – 177 с.
9. Бондаренко, В. М. Износ, повреждения и безопасность железо-бетонных сооружений / В. М. Бондаренко, А. В. Боровских. – М. : ИД Русанова, 2000. – 144 с.
10. Бородай, Д. И. Прогноз долговечности типовых железобетонных пролетных строений автодорожных мостов / Д. И. Бородай // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры – Макеевка, 2011. – Вып. 87. – C. 169–176.
11. Бородай, Д. І. До оцінки ресурсу залізобетонних елементів мостів на стадії проектування / Д. І. Бородай // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2010. – Вип. 79. – С. 101–112.
12. Вандаловская, Л. А. Долговечность строительных конструкций / Л. А. Вандаловская // Будiвельнi конструкцii : сб. ст.– Киев : Будiвельнiк, 1972. – С. 34–39.
13. Васильев А.А. Методика оценки и прогнозирования состояния длительно эксплуатируемых железобетонных конструкций // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. – Гомель: ГГТУ, 2006. – №3. – С. 30–41.
14. Васильев, А.И. О выборе толщины защитного слоя бетона мостовых конструкций / А.И. Васильев, А.С. Бейвель, А.М. Подвальный // Бетон и железобетон. – 2001. – № 5. – С. 25–27.
15. Голшани, М. Влияние структурных особенностей бетона на глубину его карбонизации / М. Голшани, М.С. Бибик, В.В. Бабицкий // Строительная наука и техника. – 2011. – № 6. – С. 21–25.
16. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев [и др.]. // Совм. Изд. СССР – ЧССР – ФРГ. – М.: Стройиздат, 1990.– 320 с.
17. Карапетов, Э.С. Прогноз сроков службы железобетонных мостов на основе модели процесса карбонизации защитного слоя / Э.С. Карапетов, Д.А. Шестовицкий // Известия ПГУПС. – 2016. – Вып. 1. – С. 14–24.
18. Лантух-Лященко А. І. Проблема довговічності залізобетонних прогонових будов автодорожніх мостів // Зб. «Автомобільні дороги і дорожнє будівництво». – Вип. 73 . – Національний транспортний університет. – К., 2006. – С. 204–210.
19. Леонович, С.Н. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций при карбонизации / С. Н. Леонович, О. Ю. Чернякевич // Строительные материалы. – 2013. – № 1. – С. 28-31.
20. Овчинников, И. Г. Определение долговечности элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой / И. Г. Овчинников, В. В. Петров // Строительная механика и расчет сооружений. – 1982. – № 2. – С. 13–18.
21. Порывай, Г. А. Предупреждение преждевременного износа зданий / Г. А. Порывай. – М. : Стройиздат, 1979. – 284 с.
22. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях: монография : в 2 ч. Ч. 2. / С.Н. Леонович [и др.], под ред. С.Н. Леоновича. – Минск: БНТУ, 2016. – 204 с.
23. Пухонто, Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, подпорных стен): монография / Л.М. Пухонто. – М.: Изд-во АСВ, 2004. – 424 с.
24. Розенталь, Н. К. Карбонизация бетона в условиях тропического климата / Н. К. Розенталь, Х. Суаснабар // Бетон и железобетон. – 1986. – № 7. – С. 11–13.
25. Розенталь, Н. К. Коррозионная стойкость цементных бетонов низкой и оcобо низкой проницаемости : дис. … д-ра техн. наук : 05.23.05 / Н. К. Розенталь, НИИЖБ – М., 2004. – 432 с.
26. Ройтман, А. Г. Надежность конструкций эксплуатируемых зданий. – М. : Стройиздат, 1985. – 175 с.
27. Савицкий, Н.В. Количественный метод проектирования первичной защиты бетона защитного слоя в условиях атмосферных климатических воздействий / Н.В. Савицкий, А.А. Тытюк, А.А. Тытюк // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2015. – № 6. – С. 27–36.
28. Строительная климатология = Будаўнічая кліматалогія: СНБ 2.04.02 - 2000. – Введ. 01.07.2001 (с отменой СНиП 2.01.01-82 в части требований строительной климатологии). – Минск: Министерство архитектуры и строительства, 2001. – 37 с.
29. Троян, В.В. Прогнозирование совместного влияния на бетон циклического замораживания–оттаивания и карбонизации / В.В. Троян // Журнал «Аpriori». – 2015. – № 1. – С. 1–7.
30. Чернякевич, О. Ю. Применение европейских стандартов при оценке эксплуатационной пригодности железобетонных конструкций при коррозии карбонизации / О. Ю. Чернякевич, С. Н. Леонович // Вопросы внедрения норм проектирования и стандартов Европейского союза в области строительства : сборник научно-технических статей (материалы научно-методического семинара), 22–23 мая 2013 г. В 2 ч. Ч. 2 / ред. колл.: В. Ф. Зверев [и др.]. – Минск : БНТУ, 2013. – С. 210 - 224.
31. Чернякевич, О. Ю. Расчет состава бетона железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в условиях класса ХС1, в зависимости от толщины защитного слоя / О.Ю. Чернякевич, С.Н. Леонович // Наука и техника. – Т.15, № 6. – С. 460–468.
32. Шестовицкий Д.А. Прогнозирование срока службы железобетонных пролетных строений автодорожных мостов: дис. … канд. техн. наук : 05.23.11 / Д.А. Шестовицкий; ФГБОУ ВО ПГУПС. – 2017. – 254 л.
33. Bob, C. Probabilistic assessment of reinforcement corrosion in existing structures / C. Bob // Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee. – Scotland, 1996. – P. 17-28.
34. Chi, J. M. Effects of carbonation on mechanical properties and durability of concrete using accelerated testing method / Jack M. Chi, Ran Huang, C. C. Yang // Journal of Marine Science and Technology. – 2002. – Vol. 10, No 1. – P. 14–20.
35. DuraCrete. Modelling of Degradation: Probabilistic Performance based Durability design of Concrete Structures. Document BE-1347 / R4-5. — December, 1998.
36. Effect of carbonation on the rebound number and compressive strength of concrete / J. Kim [et al.] // Cem. Concr. Compos. – 2009. – Vol. 31. – P. 139-144.
37. Gehlen, C. Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbeton bauwerken / C. Gehlen // Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton. – Berlin, 2000. – Heft 510. – 106 p.
38. Houst, Y. F. Influence of Porosity and Water Content on the Diffusivity of CO2 and O2, through Hydrated Cement Paste / Y. F. Houst, F. H. Wittmann // Cement and Concrete Research. – 1994. – Vol. 24.– P. 1165–1176.
39. Houst, Y. F. The Role of Moisture in the Carbonation of Cementitious Materials / Y. F. Houst // Internationale Zeitschrift fur Bauinstandsetzen 2. Jahrgang, Heft 1. – 1996. – P. 49–66.
40. Keeling Curve [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.co2.earth/co2-acceleration. – Дата доступа: 29.05.2018.
41. Khuthongkeaw, J. A study on carbonation depth prediction for fly ash concrete / J. Khuthongkeaw, S. Tangtermsirikul, T. Leelawat // Constructing and Building Materials. – 2006. – Vol. 20. – P. 744–753.
42. Papadakis V. Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress / G. Papadakis Vagelis // Cement and Concrete Research. – 2000. – Vol. 30. – P. 291–299.
43. Papadakis, V. Effect of composition, environmental factors and cement-lime mortar coating on concrete carbonation / V. Papadakis, M. Fardis, C. Vayenas // Materials and Structures. – 1992. – No 25. – P. 293–304.
44. Peng, L. Climate change and corrosion damage risks for reinforced concrete infrastructure in China / L. Peng, M.G. Stewart // Structure and Infrastructure Engineering. – 2016. – Vol. 12, iss. 6. – P. 499–516.
45. Prediction model for carbonation of concrete structure considering heat and moisture transfer / Y. Kishitani [et al.] // J. Structural and Construction Engi¬neering. – 2005. – Vol. 70, iss. 595. – P. 17-23.
46. Rahman, A.A. Comparative studies of the carbonation of hydrated cements / A.A. Rahman, F.P. Glasser // Adv. Cem. Res. – 1989. – Vol. 2, iss. 6. – P. 49-54.
47. Saetta, A. V. 2-D Model for carbonation and moisture heat flow in porous materials / A. V. Saetta, B. A. Schrefler, R. V. Vitaliani // Cem. Concr. Res. – 1995. – № 25 (8). – P. 1703–1712.
48. Sisomphon, K. Carbonation rates of concretes containing high volume of pozzolanic materials / K. Sisomphon, L. Franke // Cement and Concrete Research. – 2007. – Vol. 37. – P. 1647–1653.
49. Studies on the carbonation of hydrated cement and its effect on microstructure and strength / H. Matsusato [et al.] // Performance and durability of concrete and cement systems: Proceedings of the 9th Int. Congress on the Chemistry of Cement. – New Dehli, 1992. – vol. 5. – P. 363–369.
50. Uomoto, T. Factors affecting concrete carbonation rate / T. Uomoto, Y. Takada // Durability of Building Material and Components : proceedings of the Sixth International Conference, Omiya, Japan, 26-29 October 1993. – Omiya, 1993. – P. 1133–1141.
51. Yoda, A. Carbonation depth of concrete using different types of cement / A. Yoda, T. Yokomuro // Proceedings of the Japan Concrete Institute. – 1987. – № 9. – P. 327–332.
52. Yoon, I. Prediction of Carbonation Depth of Concrete Structures Considering Atmospheric Change / I. Yoon, C. Lee, J. Seol // CONSEC’04 : Proceedings of the 4th International Conference on Concrete Under Severe Conditions. – Seoul, 2004. – P. 189-204.
53. Yoon, I. S. Effect of global climatic change on carbonation progress of concrete / I. S. Yoon, C. Oguzhan, E. B. Park // Atmospheric Environment. – 2007. – Vol. 41. – P. 7274-7285.