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.
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-
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-
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)
где Кic —вязкость разрушения высокопрочной проволочной арматуры |
на растяжение,
'мм; F1.— 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 Рх (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-
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.