Понимание долгосрочного поведения при стрессе стали в различных условиях окружающей среды

Престрессовая сталь является основой современного гражданского строительства, обеспечивая сжимающую силу, которая позволяет бетонным конструкциям преодолевать большие расстояния и нести тяжелые нагрузки. От протяженных мостов и высотных зданий до контейнеров для сдерживания на атомных станциях надежность предварительно напряженного бетона зависит от долгосрочной целостности его сухожилий. Тем не менее, эти стальные элементы не являются неразрушимыми. За десятилетия службы, воздействие влаги, перепады температуры, химические вещества и устойчивое механическое напряжение могут инициировать процессы деградации, которые, если их не контролировать, скомпрометируют целые структуры. Глубокое понимание того, как предварительный стресс сталь ведет себя в течение срока службы в различных условиях окружающей среды, имеет важное значение для инженеров, которым поручено проектировать прочную, безопасную и экономически эффективную инфраструктуру.

Механизмы ухудшения в стрессовой стали

Деградация под давлением редко является результатом одной причины. Вместо этого она возникает из-за взаимодействия электрохимических, механических и экологических факторов. Идентификация доминирующего механизма является ключом к выбору соответствующих стратегий профилактики или восстановления.

Коррозия

Коррозия остается наиболее распространенной угрозой для предварительного напряжения стали. В щелочной среде бетона (рН обычно выше 12,5) тонкий пассивный слой оксидов железа защищает сталь от коррозии. Эта пассивная пленка может быть разрушена карбонизацией - реакцией атмосферного углекислого газа с гидроксидом кальция в бетоне, снижением рН до примерно 9 - или проникновением ионов хлорида из солей, содержащих обледенение, морской воды или богатых хлоридом агрегатов. Как только пассивный слой депассивируется, образуется электрохимическая клетка с анодными участками, где окисляется железо и катодные участки, где кислород уменьшается. Этот процесс потребляет сталь, производя экспансивные продукты коррозии (ржавчина), которые оказывают растягивающие напряжения на окружающий бетон, что приводит к растрескиванию, разбрызгиванию и потере связи между сталью и бетоном. Для предварительного напряжения сталь, которая работает при высоких растягивающих напряжениях (обычно 70-80% от ее конечной прочности на растяжение),

Усвоение водорода

Водородная хрупкость (HE) является особенно коварным режимом отказа для высокопрочных сталей, используемых при предварительном напряжении. Атомный водород может поступать в стальную решетку во время изготовления (пиклинг, гальваническое покрытие), сварки или в эксплуатации из-за катодной защиты перенапряжение или коррозионные реакции. После поглощения атомы водорода диффундируют в области с высоким трехосным напряжением, например, на кончике коррозионной ямы или на выемке. Там они снижают когерентную прочность решетки, способствуя инициированию трещин и распространению вдоль границ зерна или плоскостей скольжения. HE часто задерживается и может возникать через недели или месяцы после коррозионного события, что затрудняет его обнаружение. Риск выше в закаленных и закаленных сталях с прочностью выхода выше 1000 МПа. Правильный выбор стали - с использованием марок с низкой восприимчивостью - и управление потенциалами катодной защиты (сохранение их более положительным, чем -0,85 В / CuSO4) смяг

Коррозионное стрекозывание (SCC)

SCC — это синергетическая атака, сочетающая растягивающее напряжение и коррозионную среду. Для предварительного нажатия на сталь наиболее распространенными агентами SCC являются хлориды, нитраты и карбонаты. Трещины инициируются при микроскопических поверхностных дефектах, коррозионных ямах или металлургических включениях и хрупко распространяются перпендикулярно растягивающему напряжению. SCC может возникать даже при отсутствии общей коррозии, что затрудняет его обнаружение визуальным осмотром. Микроструктура стали сильно влияет на восприимчивость SCC; тонкий закаленный мартенсит обычно более устойчив, чем грубый перлит. Такие стандарты, как ASTM A416, требуют тестирования на устойчивость SCC в соответствующих условиях.

Усталость и раздражающая усталость

Престрессовые сухожилия подвергаются циклическим напряжениям от дорожных нагрузок, ветра, теплового расширения и вибраций. Усталость высокого цикла может инициировать трещины на усилителях напряжения, таких как крепления, соединительные устройства или коррозионные ямы. Усталость при фреттинге возникает в точках контакта между сталью и протоком или между отдельными проводами в пряди при небольших колебательных движениях. Это особая проблема на промежуточных якорных стоянках и в изогнутых сухожилиях. Усталостная прочность пристёгивающей стали снижается при наличии коррозионных ям или водорода, подчеркивая взаимодействие между механизмами деградации.

Экологические факторы, влияющие на деградацию

Влага и хлориды

Прибрежные структуры, мосты над морской водой и гаражи, подверженные воздействию солей обледенения, подвергаются наибольшему риску. Ионы хлоридов проникают в бетон через капиллярное поглощение, диффузию и миграцию, особенно в пористом или трещинистом бетоне. Как только на поверхности стали критическая концентрация хлорида (обычно 0,4-1,0% по весу цемента) достаточна для депассивации стали. Время начала коррозии зависит от глубины бетонного покрытия, качества (низкое соотношение воды и цемента, надлежащее отверждение) и наличия дополнительных цементных материалов, таких как зола мухи или шлак. В приливных зонах циклическое смачивание и сушка ускоряет концентрацию хлорида и доступность кислорода, что приводит к быстрому распространению коррозии.

Температурные крайности и пожар

Повышенные температуры смягчают сталь и снижают ее выходную прочность. При 300°С (572°F) преднапряженная сталь теряет около 10% своей прочности; при 500°С (932°F) потери превышают 50%. При пожаре преднапряженный бетон может страдать от взрывного разбрызгивания из-за давления поры воды, подвергая сухожилия непосредственно пламени. Оценка после пожара должна учитывать металлургические изменения, включая эффекты закалки и возможный прием водорода от огнетушащих агентов. При низких температурах сталь становится более хрупкой. В то время как преднапряженные стали обычно имеют более низкую температуру перехода от пластичной к хрупкой, чем конструкционные стали, повторяющиеся циклы замерзания-оттаивания могут вызвать микротрещину в бетоне, что позволяет проникать влаге и последующей коррозии.

Химическая атака из окружающей среды

Промышленные атмосферы, содержащие диоксид серы (SO2) или оксиды азота (NOx), производят кислотные дожди, которые могут атаковать бетон и понижать его рН. Сульфаты из почвы или грунтовых вод могут вступать в реакцию с гидроксидом кальция и моносульфатом с образованием эттингита, вызывая обширное растрескивание, которое подвергает сталь. В средах, содержащих аммиак (например, сельскохозяйственные структуры), было зарегистрировано коррозионное растрескивание высокопрочных сталей. Кислые грунтовые воды в горнодобывающих или геотермальных районах также представляют опасность.

Углерод и конкретная нейтрализация

Углеродование — это медленный процесс, который снижает рН бетона с 12,5—13 до ниже 9. Как только фронт карбонирования достигает стали, пассивный слой растворяется, позволяя коррозии начаться, если присутствуют влага и кислород. Углеродирование протекает быстрее в средах с высоким содержанием CO2 (трубочки движения, парковочные конструкции) и в бетоне с низким щелочным запасом. Глубина карбонизации следует за соотношением квадратного корня времени; использование карбонационно-стойкого бетона (низкое соотношение воды и цемента, адекватное покрытие) задерживает начало коррозии.

Стратегии проектирования и защиты для долголетия

Выбор материала

Выбор правильного сорта подпорной стали является первой линией обороны. Варианты включают:

• Сталь с низким коэффициентом релаксации (ASTM A416 270 класса): термообработанная для уменьшения ползучести и расслабления от стресса, улучшающая долгосрочное удержание под давлением.
• Оцинкованные или покрытые эпоксидным покрытием нити: обеспечивают барьер против хлоридов и влаги.Однако целостность покрытия должна быть обеспечена — царапины или праздники могут привести к локализованной атаке.
• Нержавеющая сталь (например, дуплекс UNS S32205): обеспечивает высокую коррозионную стойкость, но при значительно более высокой стоимости. Используется в экстремальных условиях, таких как якорные стоянки мостов, пересекающих море.
• Высокопрочная сталь с добавлением сплава : микролегирование хромом, ванадием или ниобием может повысить коррозионную стойкость и снизить чувствительность к водороду.

Защитные системы

Помимо самой стали, несколько инженерных систем продлевают срок службы:

• Нагнетание насадки в протоках после натяжения: цементная затирка создает щелочную среду, которая пассивирует сталь. Современные предварительно меченые, низко кровоточащие, экспансивные затирки уменьшают пустоты и улучшают однородность. Использование антикоррозионных примесей (например, нитрита кальция) является обычным явлением.
• Восковые или смазочные покрытия для несвязанных сухожилий: физически изолировать сталь от влаги. Используется в одноцепочечных системах в зданиях и гаражах.
• Катодическая защита (CP): применяется, когда коррозия началась или неизбежна. Впечатленные токовые CP или жертвенные аноды (цинк, алюминий) могут остановить коррозию, поляризуя сталь до потенциала, где коррозия термодинамически невозможна. CP обычно применяется к элементам подструктуры в морской среде.
• Бетонная крышка и примеси: Увеличение глубины крышки (например, от 25 мм до 50 мм для умеренно агрессивных сред) резко задерживает прибытие хлорида. Добавление дыма кремнезема или золы мухи снижает проницаемость и улучшает структуру пор.

Детали структурного дизайна

Хорошая детализация предотвращает попадание влаги и агрессивных агентов в сухожилия:

• Системы дренажа: на мостовых палубах, мостовых сиденьях и всех горизонтальных поверхностях для предотвращения обдумывания.
• Морские совместные сборки: на якорных стоянках для предотвращения попадания воды.
• Управление солей в холодном климате, использование водонепроницаемых мембран и дорожных навесов, всплывающих над мостовыми палубами.
• Адекватная бетонная крышка в соответствии со стандартами (AASHTO, Еврокод 2) с допусками для строительства.
• Оберточные системы: для существующих конструкций обертки из армированного волокнами полимера (FRP) могут обеспечивать влагозащитный барьер и добавлять удержание.