Диагностика и испытание строительных конструкций

Тексты лекций

по дисциплине

«Диагностика и испытание строительных конструкций»

1. Обследование зданий

Техническое обследование зданий проводят с целью получения объективных данных о фактическом состоянии строительных конструкций и инженерного оборудования с учётом изменения во времени.

При обследовании изучается проектная документация, уточняются конструкции отдельных узлов, определяется характер армирования железобетонных элементов, исследуется степень поражения материала конструкций коррозией, анализируются причины образования трещин и механических повреждений.

Обследование проводится в 3 этапа.

Первый этап — сбор и изучение технической документации, обобщение сведений по строительству и эксплуатации здания.

Второй этап — обследование несущих и ограждающих конструкций наземной части здания.

Третий этап — обследование фундаментов и грунтов основания.

При ознакомлении с техническими документами изучаются исполнительные рабочие чертежи здания, акты на скрытые работы, заключения комиссии по результатам ранее произведённых обследований, данные геологических изысканий. Особое внимание уделяется сведениям по технической эксплуатации здания: присутствию вибрационных технологических нагрузок, агрессивных воздействиях, случаям промораживания грунта в основании фундаментов, подтоплениям подвальных помещений атмосферными, грунтовыми или техническими водами и пр.

Обследование наземной части здания, как правило, начинается с оценки соответствия объёмно-планировочных и конструктивных решений здания в натуре исходному проекту. При этом проверяются важнейшие размеры конструктивной схемы: длина пролётов, размеры сечения несущих конструкций, высота этажей и пр. Диагностика состояния конструкций обычно производится с использованием нескольких методов: визуально, простейшими механическими инструментами, приборами неразрушимого контроля, лабораторными и натурными испытаниями.

В задачу визуального осмотра входит оценка физического состояния отдельных конструктивных элементов и здания в целом. Осмотру подлежат все несущие и ограждающие конструкции здания: кровля, стропила, перекрытия, стены и фундаменты. Особо тщательно обследуются узлы сопряжения элементов, длина опирания и качество сварных соединений. По результатам визуального осмотра составляется карта дефектов и оценивается степень физического износа конструкций. Помогают в этом и специальные таблицы, разработанные в Госгражданстрое.

В процессе визуального осмотра выявляются конструктивные элементы, несущая способность которых вызывает опасение. К ним относятся: железобетонные конструкции с опасными нормальными и наклонными трещинами, следы коррозии арматуры: каменные конструкции с трещинами и глубокими повреждениями кладки.

При осмотре стен устанавливаются дефектные зоны, снижающие теплозащиту и прочность стенового ограждения. В панельных зданиях особо тщательно обследуются стыки стеновых панелей, из-за неудовлетворительной герметизации которых часто происходит промерзания стен, а также возрастает их водопроницаемость и продуваемость.

В кирпичных зданиях исследуется состояние кирпичной, определяются зоны механических и физико-химических разрушений.

К особо опасным повреждениям относятся трещин, которые образуются в результате неравномерной осадки фундаментов и перегрузки. Участки стен с серьёзными повреждениями обследуются инструментально приборами неразрушающего контроля, а при необходимости отбираются пробы материала стен для испытания в лабораторных условиях.

По результатам испытаний и проверочных расчётов уточняются физический износ стен и оцениваются их эксплуатационные качества.

При осмотре колонн обращают внимание на состояние поверхности, выявляются участки механических повреждений мостовыми кранами, перемещаемым грузом и автотранспортом, фиксируются имеющиеся трещины и анализируются причины их образования. Трещины могут свидетельствовать о коррозии арматуры в бетоне, потере местной устойчивости сжатых стержней (при редком шаге поперечной арматуры), перегрузке колонн и т. п.

При осмотре перекрытий первоначально оценивается общее состояние их элементов (балок и настила), а затем — состояние полов. Те из элементов, где обнаружены большие прогибы, трещины или следы коррозии материала, подвергаются более глубокому обследованию. Одновременно уточняется длина площадки опирания элементов на поддерживающую конструкцию (консоли колонн, стены, ригели) и корректируется расчётная схема.

При осмотре покрытия основное внимание обращается на состояние несущих конструкций: стропильных ферм, балок и плит настила. Кроме того, обследуются кровля и утеплитель. Обнаруженные следы протечек кровли, зоны переувлажнения утеплителя и разрыва водоизоляционного ковра заносятся на карту дефектов кровли.

Увеличение нагрузки от водонасыщенного утеплителя учитываются в поверочном расчёте прочности покрытия, а снижение теплозащитных свойств утеплителя — в теплотехническом расчёте.

Целью инструментального обследования зданий является получение количественных данных о состоянии несущих и ограждающих конструкций: деформациях, прочности, трещинообразовании и влажности.

Инструментальному обследованию подлежат конструкции с явно выраженными дефектами и разрушениями, обнаруженными при визуальном осмотре, либо конструкции, определяемые выборочно по условию: не менее 10% и не менее трёх штук в температурном блоке, методы инструментального обследования и используемая для этого аппаратура приводятся в таблице 1.

Таблица № 1. Методы инструментального обследования

Особое внимание уделяется обследованию зданий, испытавших воздействие пожара. При этом обследование условно разделяют на предварительное и детальное.

В процессе предварительного обследования собираются сведения о пожаре, устанавливается место нахождения очага пожара, время обнаружения и ликвидация пожара, максимальная температура, продолжительность интенсивного горения и средства тушения.

На основе имеющейся строительной документации и данных натурного обследования составляются планы этажей, где указываются места расположения аварийных помещений и конструкций. Результаты предварительного обследования оформляют актом и в дальнейшем используются при разработке плана мероприятий детального обследования. К акту прилагается таблица результатов предварительного обследования по форме, указанной в таблице № 2.

Таблица № 2. Результаты предварительного обследования зданий после пожара

В задачу детального обследования входит определение структурных и физико-механических повреждений материала конструкций, вызванных действием высоких температур и резким охлаждением при тушении пожара.

В процессе детального обследования определяется температура нагрева поверхности конструкций, а также оценивается прочность бетона и арматуры.

Особое внимание при обследовании уделяют прочности материалов конструкций. Прочность бетона определяется как неразрушающими методами (ультразвук, пластическая деформация), так и с частичным разрушением тела конструкции (отрыв со скалыванием, извлечение кернов для лабораторных испытаний и пр.).

Следует подчеркнуть, что наиболее достоверную информацию о прочности бетона даёт испытание кернов. Именно этот метод рекомендуется использовать при обследовании ответственных конструкций.

Показатели прочности арматуры устанавливают испытанием образцов, вырезанных из конструкций, в наибольшей степени поврежденных пожаром.

Если отсутствуют экспериментальные данные, то величину снижения прочности бетона и арматуры определяют через понижающие коэффициенты, регламентируемые нормами.

Обследование грунтов основания и фундаментов производят при увеличении существующих нагрузок на фундаменты или в связи с неравномерными деформациями основания, приведшими к образованию трещин в стенах эксплуатируемого здания. При этом грунты исследуются с помощью разведочных скважин и шурфов.

Количество разведочных скважин устанавливается по результатам предварительного изучения инженерно-геологической документации, данных натурного обследования конструкций и конфигурации здания.

В районах со сложным инженерно-геологическими условиями, характеризуемыми наличием просадочных или набухающих грунтов, возможностью оползней, количество разведочных скважин увеличивается, а инженерные изыскания проводятся силами специализированных организаций.

Дополнительно к скважинам обследование грунтов основания производится с помощью шурфов.

Шурфы откапываются у стен здания или отдельно стоящих опор на 1,5 метра ниже отметки подошвы фундамента. Количество шурфов устанавливается в зависимости от характера повреждений здания, состояния несущих стен и фундаментов. Если повреждения не связаны с увеличением нагрузок на основание и отсутствуют признаки неравномерной осадки фундаментов, количество шурфов принимается не более трёх на здание с застроечной площадью до 1000 м². Количество шурфов соответственно увеличивается при сложных гидрогеологических условиях и просадочных грунтах. Шурфы закладываются в местах с наибольшей деформации стен и подвалов, на участках с разрушенной отмосткой, в зонах локальных подтоплений из водопроводно-канализационной сети.

Из шурфов отбираются пробы грунта для определения физико-механических свойств: влажности, плотности, угла внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформаций. Количество проб, необходимое для определения нормативных и расчётных характеристик, устанавливается в зависимости от степени неоднородности грунта и класса здания.

Результаты инженерно-геологических изысканий представляются в форме отчёта, где отражаются литологическое строение основания, гидрогеологическая характеристика, результаты определения физико-механических свойств грунта. К отчёту прилагаются геологические и гидрогеологические карты, а также инженерно-геологические разрезы толщи грунта (колонки скважин).

Обследование фундаментов производится из тех же шурфов, из которых отбирались пробы грунта. При этом устанавливается тип фундамента, его конфигурация и вид применяемых материалов. Одновременно определяется глубина заложения фундамента, а с помощью сверления или подкопа с использованием Г-образного щупа — и ширина подошвы. При обследовании свайных фундаментов замеряется сечение свай и интервал между ними (на 1 п.м. длины фундамента).

Особо тщательно осматривают узлы сопряжения фундаментов с другими конструкциями: свай с ростверком, отдельных фундаментов с фундаментными балками и колоннами, ленточных фундаментов со стенами. При обнаружении в конструкции фундаментов дефектов производится его дополнительное обследование физическими или механическими методами. Для определения класса бетона обычно используются методы пластического деформирования, а для обнаружения скрытых дефектов — ультразвук.

После выполнения работ по обследованию фундамента шурф послойно засыпается грунтом, утрамбовывается, а затем восстанавливается отмостка.

Результаты обследования фундаментов завершаются составлением технического заключения, где приводятся данные изучения архивных материалов: конструктивные изменения здания в период эксплуатации, даты экстремальных подтоплений грунтовыми технологическими водами, происшедшие деформации фундаментов, изменения технологических (эксплуатационных) нагрузок и пр. Кроме того, представляются эскизы конструкций фундаментов с указанием основных размеров и глубины заложения, а также результаты исследования прочности материала фундамента.

2. Повреждения строительных конструкций

Повреждения строительных конструкций вызываются рядом причин, среди которых — технические недоработки изготовления, низкое качество монтажа, неучтённые проектом силовые и температурные воздействия, нарушение условий эксплуатации (рис. 1).

Повреждения классифицируются по виду и значимости (рис. 2). К наиболее характерным повреждениям, образующимися при эксплуатации зданий, обычно относятся увлажнение, коррозия материала и трещины в конструкциях, а также повреждения, вызванные высокой температурой и резким охлаждением конструкций при пожарах.

Увлажнение конструкций

Повышенное влагосодержание характерно для многих конструкций, контактирующих с водой в процессе изготовления и эксплуатации, при этом различается пять видов увлажнения:

при изготовление конструкций (строительная влага);

атмосферными осадками;

утечками из водопроводно-канализационной сети;

конденсатом водяных паров воздуха;

капиллярным и электроосмотическим подсосом грунтовой воды.

Практика показывает, что повышенное влагосодержание отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях несущих и ограждающих конструкций. С увеличением влажности возрастает коэффициент теплопроводности материала, ухудшаются его теплотехнические свойства. Кроме того, при изменении влажности изменяется объём материала, а при многократном увлажнении расшатывается его структура и снижается долговечность. Неблагоприятно сказывается переувлажнение и на состоянии воздушной среды помещений, ухудшая её с гигиенической точки зрения.

Содержание строительной влаги в конструкциях обусловлено спецификой их изготовления и в начальный период не превышает следующих величин: для бетонных и железобетонных конструкций — 6…9%, для каменных и армокаменных конструкций — 8…12%.

В дальнейшем при неблагоприятных условиях эксплуатации влажность материала конструкции может существенно увеличиваться.

Увлажнение атмосферными осадками происходит при повреждениях кровли, неудовлетворительном состоянии водоотводящего оборудования здания (водосточных труб, желобов, водосливов), коротких карнизах и носит преимущественно сезонный характер.

Для защиты стен от увлажнения атмосферными осадками проводятся конструктивные мероприятия, направленные на удлинение коротких карнизов, ремонт и восстановление желобов, водосточных труб и водосливов. Кроме того, поверхность стен оштукатуривается или облицовывается водостойкими материалами. Применяется также покраска стен эмалевыми и лакокрасочными составами.

Увлажнение утечками из водопроводно-канализационной сети обычно встречаются в зданиях с изношенным санитарно-техническим оборудованием при нарушении сроков проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР). Утечки приводят к переувлажнению и быстрому разрушению кладки стен, особенно из силикатного кирпича. Места увлажнения утечками легко обнаруживаются при обследовании стен по характерным пятнам.

Увлажнение утечками устраняется путём ремонта санитарно-технического оборудования с последующим просушиванием конструкций тёплым воздухом.

Увлажнение ограждающих конструкций конденсатом водяных паров воздуха происходит при температуре точки росы, когда влажность воздуха у поверхности конструкции или в порах её материала оказывается выше максимальной упругости пара при данной температуре и избыток влаги переходит в жидкую фазу.

Механизм образования конденсата внутри ограждающей конструкции достаточно сложен и зависит от многих параметров: разности парциального давления паров воздуха у противоположных поверхностей конструкций, относительной влажности и температуры воздуха внутри и снаружи помещения, а также плотности материала. Степень насыщения воздуха парами воды выражается через относительную влажность воздуха ?,%, определяемую по формуле:

где E — максимальная упругость паров воды при данной температуре;

e — действительная упругость паров воды.

Для средней полосы России при разности температуры внутреннего и наружного воздуха в январе месяце 40⁰С, .

Значения относительной влажности воздуха и максимальной упругости паров воды составляет соответственно:

Действительная упругость паров воды составляет:

;

.

Парциальное давление паров на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции (стены):

Существенная величина парциального давления позволяет воздушному потоку достаточно свободно проникать сквозь толщу наружной стены. Замечено, что чем ниже теплоизоляция наружной стены и больше относительная влажность воздуха в помещении за этой стеной, тем выше опасность ее переувлажнения водяными парами из помещения. Если же наружная поверхность стены покрыта плотным паронепроницаемым материалом, то проникающий через стену водяной пар имеет возможность конденсировать внутри стены, переувлажняя её и увеличивая теплопроводность.

Конденсационное увлажнение предотвращается путем рационального конструирования стен, основанного на выполнении требований норм и расчёте температурно-влажностного режима. Так, например, в зданиях, эксплуатируемых в условиях умеренно-влажностного и сухого климата, сопротивление наружных стен уменьшается от внутренней поверхности к наружной, при этом пароизоляция располагается на внутренней поверхности стены. Особенно это важно при защите от переувлажнения наружных стен влажных и мокрых помещений (бань, саун, прачечных и др.).

При выборе наружной отделки стен следует помнить, что опасны как ее паронепроницаемость, так и чрезмерная пористость. Если в первом случае возможно переувлажнение стены конденсатом, то во втором — атмосферной влагой.

Увлажнение капиллярным и электроосмотическим подсосом грунтовой влаги характерно для стен, у которых отсутствует горизонтальная гидроизоляция или когда гидроизоляция расположена ниже отмостки.

Механизм капиллярного увлажнения основан на действии сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкости (явление смачивания). При отсутствии в материале стены гидрофобных (водоотталкивающих) веществ вода смачивает стенки капилляров и поднимается по ним. Высоту поднятия воды в капилляре h можно определить по известной формуле Д. Жюрена:

где — радиус капилляра, см;

и — соответственно плотность воды и воздуха, ;

— ускорение свободного падения, ;

— поверхностное натяжение воды, .

В капиллярно-пористых материалах, таких как плотный бетон, цементно-песчаный раствор или кирпич, радиус капилляров находится в пределах:. Поверхностное натяжение воды при температуре составляет. Если пренебречь плотностью воздуха, то максимальная высота подъёма воды в капилляре за счёт сил смачивания составит примерно 1,5 м.

При обследовании зданий подъём грунтовой влаги в стенах наблюдался на высоту до 5 м, что существенно превышает высоту капиллярного подсоса. По-видимому, решающую роль в этом играет действие электроосмотических сил.

Под электроосмосом понимается направленное движение жидкости, от анода к катоду, через капилляры или пористые диафрагмы при наложении электрического поля.

Следует отметить, что слабые электрические поля всегда присутствуют в стенах, испытывающих перепады температуры по длине или на противоположных поверхностях (термоэлектрический эффект Зеебека). При этом положительные заряды (аноды) группируются главным образом у основания стены в зоне контакта с грунтом, а отрицательные (катоды) — вверху.

Рассматривая стены из капиллярно-пористого материала как своеобразную диафрагму, следует полагать, что грунтовая вода за счёт электроосмотических сил поднимается вверх по стене в сторону катода. Так как потенциал электрического поля стены изменяется под воздействием внешних факторов (перепада температуры, интенсивной солнечной инсоляции, влажности воздуха), то и величина электроосмотического увлажнения — переменная.

Изложенные теоретические предпосылки дают основание к применению электроосмоса для регулирования влажности и осушения стен.

Электроосмотическое осушение стен производится тремя способами:

а) коротким (посредством стальных полос) замыканием противоположных полюсов электрического поля стены, включая фундамент (пассивное осушение). Для этого стальные полосы на наружной поверхности стены располагаются с шагом 0,3−0,5 м. Длина полос принимается не менее высоты увлажнения стены;

б) наложенным током с напряжением 40−60 В и силой тока 3−5А. При этом электрический ток подаётся от генератора постоянного тока. Положительный полюс генератора подключается к стальной полосе, расположенной в верхней части стены, а отрицательный — к полосе, закреплённой на фундаменте. Продолжительность сушки наложенным током обычно не превышает двух-трёх недель. в) гальваническими элементами (медно-цинковыми, угольно-цинковыми и пр.).

Активный элемент (протектор) устанавливается в грунте на уровне подошвы фундамента, а пассивный — на внутренней поверхности осушаемой стены. Расстояние между электродами гальванических пар определяется расчётным путём на основании данных о гальванической активности элементов, пористости стены, радиусе капилляров, коэффициенте электроосмоса и удельной электропроводности воды.

Расчётные формулы приводятся в [8,1]. Электроосмотическое осушение стен гальваническими элементами пока не нашло широкого применения и находится в стадии дальнейшей разработки и совершенствования.

При реконструкции зданий, рассчитанных на длительную эксплуатацию (50 и более лет), радикальными методами защиты стен от увлажнения грунтовыми водами считаются водоотведения, а также восстановление или устройство новой гидроизоляции стен.

Одним из эффективных способов отведения грунтовых вод от стен подвальных помещений и заглублённых сооружений является дренаж.

При проектировании дренажа необходимо учитывать, что водопонижение, особенно в глинистых и пылеватых песчаных грунтах, влечёт за собой уплотнение и осадку осушаемой толщи грунта, что может привести к значительным деформациям фундаментов. Дополнительная осадка зданий на осушаемой территории определяется из расчёта, что каждый метр понижения уровня подземных вод соответствует увеличению нагрузки на грунт 9,8 кН/м. Для защиты подземных сооружений от грунтовых вод в комбинации с дренажом эффективно устройство противофильтрационных завес, выполняемых набивкой глины или нагнетанием битума.

К наиболее сложным и трудоёмким процессам или в ремонтных работах относятся восстановление или устройство новой гидроизоляции стен здания. Значения гидроизоляции трудно переоценить, поскольку она является единственным надёжным способом защиты стен от воздействия и проникновения капиллярной грунтовой влаги, безнапорных и напорных грунтовых вод. При этом горизонтальная гидроизоляция препятствует капиллярному и электроосмотическому подсосу влаги вверх по стене, а вертикальная — поверхностному увлажнению и проникновению влаги в подвальные помещения.

Проведению ремонтно-восстановительных работ по гидроизоляции здания предшествует тщательное обследование его подземной части, особенно стен подвальных помещений, выполненных из бетонных блоков, бутовой или кирпичной кладки и имеющих большое количество швов. Обследование проводится при временном понижении уровня грунтовых вод путём их откачивания из шурфов или иглофильтрами. Для предотвращения вымывания грунта из подошвы фундаментов шурфы и иглофильтры размещаются вне подвальных помещений.

Выявленные участки повреждений гидроизоляции удаляются вручную с помощью металлических щёток и скребков или с использованием механических способов. При незначительных повреждениях гидроизоляция ремонтируется с применением, по возможности, тех же гидроизоляционных материалов. Если повреждения превышают 40%, то целесообразна замена гидроизоляции на более эффективную. При выборе типа гидроизоляции учитываются гидрогеологические условия эксплуатации здания, категория сухости помещений и трещиностойкость ограждающей конструкции.

Ремонт и восстановление горизонтальной гидроизоляции стен может производиться двумя методами: инъецированием в кладку стен гидрофобных веществ, препятствующих капиллярному подсосу влаги, и закладкой нового гидроизоляционного слоя из рулонных материалов.

Инъецирование производится растворами кремнийорганических соединений ГКЖ-10 и ГКЖ-11 через отверстия в стенах, располагаемые в один или два ряда. Расстояние между рядами принимается 25 см, а между отверстиями в ряду — 35…40см. Отверстия диаметром 30…40мм сверлятся на глубину, примерно равную 0,9 толщины стены. Подача раствора производится одновременно через 10−12 инъекторов (стальные трубки диаметром 25мм), вставленных в отверстия в стене, и зачеканенных паклей.

Количество раствора, необходимое для гидроизоляции 1 п.м. стены, определяется по формуле [9]:

где — толщина стены, м;

— высота обрабатываемой зоны, м (?0,6м);

— пористость материала стены,% (?20%).

Гидроизоляцию нежилых помещений можно производить с помощью электросиликатизации по методу проф. Л. А. Цебертовича. В этом случае через инъекторы подаются последовательно растворы жидкого стекла и хлористого кальция. В результате химического взаимодействия образуется гель кремниевой кислоты, заполняемый поры в материале кладки и препятствующий капиллярному подсосу влаги. Обработка кирпичной кладки стен производится в поле постоянного тока с градиентом потенциала 0,7−1В/см.

Восстановление горизонтальной гидроизоляции стен рулонными материалами (рубероидом, гидроизол-пергамином и пр.) производится участками длиной 1−1,5 м. Для этого с помощью отбойного молотка или других механизмов пробиваются сквозные отверстия в стене на высоту двух рядов кладки, в которые укладываются два слоя рулонного материала на битумной мастике. Затем отверстия заделываются кирпичом на обычном цементно-песчаном растворе М75−100. Для включения в работу восстановленного участка стены зазор между новой и старой кладкой тщательно зачеканивается раствором, приготовленном на расширяющемся цементе.

Горизонтальная гидроизоляция рулонными материалами устраивается примерно на 30 см выше планировочной отметки (отмостки здания) и на расстоянии не менее 5 см от нижней плоскости перекрытия подполья. В зданиях с полами по грунту, расположенными в уровне отмостки, горизонтальную гидроизоляцию стен целесообразно восстанавливать методом инъецирования гидрофобных составов, размещая инъекторы на 5 см выше уровня отмостки.

Коррозия железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции постоянно подвергаются воздействию внешней среды, в результате которого возникает коррозия материала. По характеру воздействий различают химическую, электрохимическую и механическую коррозию. Следует отметить, что граница между химической и электрохимической коррозией часто бывает условной и зависит от многих параметров окружающей среды.

При химической коррозии происходит непосредственное химическое взаимодействие между материалами конструкции и агрессивной средой, не сопровождающееся возникновением электрического тока. Химическая коррозия может быть газовой и жидкой, однако в обоих случаях отсутствуют электролиты.

При электрохимической коррозии коррозионные процессы протекают в водных растворах электролитов, во влажных газах, в расплавленных солях и щелочах. Характерным является возникновение электрических токов как результата коррозионного процесса, при этом в арматуре и закладных деталях одновременно протекают окислительный и восстановительный процессы.

Механическая коррозия (деструкция) имеет место в материалах неорганического происхождения (цементный камень, растворная составляющая бетона, заполнитель) и вызывается напряжениями внутри материала, достигающими предела его прочности на растяжение. Внутренние напряжения в пористой структуре материала возникают вследствие разных причин, среди которых кристаллизация солей, отложение продуктов коррозии, давление льда при замерзании воды в порах и капиллярах. В композиционных материалах, характерным представителем которых является бетон, внутренние напряжения в зоне контакта заполнитель — цементный камень возникает при резких сменах температур в результате разных коэффициентов линейно-температурного расширения.

Из-за ограниченного объёма учебного пособия вопросы коррозии бетона и арматуры в железобетонных конструкциях рассматривается в тезисной форме. Для более углублённого изучения данного вопроса следует использовать специальную литературу.

Коррозия бетона

Бетон, как искусственный конгломерат, по составу исходных материалов достаточно долговечен и не нуждается в специальном уходе, если эксплуатируется в нормальных температурно-влажностных условиях и отсутствии агрессивной среды. В таких условиях работает относительно небольшой класс конструкций, расположенных внутри жилых и общественных зданий или же в сооружениях, эксплуатируемых в тёплых и сухих климатических районах.

Различаются три вида физико-химической коррозии.

Коррозия I вида. Внешним ее признаком является налёт на поверхности бетона в месте испарения или фильтрации свободной воды. Коррозия вызывается фильтрацией мягкой воды сквозь толщину бетона и вымыванием из него гидрата окиси кальция: Ca (OH)₂ (гашёная известь) и CaO (негашёная известь). В связи с этим происходит разрушение и других компонентов цементного камня: гидросиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов, так как их стабильное существование возможно лишь в растворах Ca (OH)₂ определённой концентрации. Описанный процесс называется выщелачиванием цементного камня. По результатам исследований выщелачивание из бетона 16% извести приводит к снижению его прочности примерно на 20%, при 30%-ном выщелачивании прочность снижается уже на 50%. Полное исчерпание прочности бетона наступает при 40−50%-ной потере извести.

Следует учитывать, что если приток мягкой воды незначительный и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция не вымывается, а остаётся в бетоне, уплотняет его, тем самым прекращая его дальнейшую фильтрацию. Этот процесс называется самозалечиванием бетона.

Коррозии I вида особо подвержены бетоны на портландцементе. Стойкими оказываются бетоны на пуццолановом портландцементе и шлакопортландцементе с гидравлическими добавкими.

Коррозии II вида. Характерным для коррозии II вида является химическое разрушение компонентов бетона (цементного камня и заполнителей) под воздействием кислот и щелочей.

Кислотная коррозия цементного камня обусловлена химическим взаимодействием гидрата окиси кальция с кислотами:

а) соляной: Ca (OH)₂+2HCl=CaCl₂+H₂O;

б) серной: Ca (OH)₂+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O;

в) азотной: Ca (OH)₂+H₂NO₃=Ca (NO)₃+H₂O,

в результате чего Ca (OH)₂ разрушается.

При фильтрации кислотных растворов через толщу бетона продукты разрушения вымываются, его структура делается пористой, и конструкция утрачивает несущую способность. Таким образом, скорость коррозии возрастает с увеличением концентрации кислоты и скорости фильтрации.

Влияния углекислоты на бетон неоднозначно. При малой концентрации СO₂ углекислота, взаимодействую с известью, карбонизует её, т. е.

Ca (OH)₂+H₂СO₃=CaСO₃+2H₂O

Образующийся в результате химической реакции карбонат кальция CaСO₃ является малорастворимым, поэтому концентрации его на поверхности предохраняет бетон от разрушения в зоне контакты с водной средой, увеличивает его физическую долговечность.

При высокой концентрации СO₂ углекислота реагирует с карбонатом, превращая его в легкорастворимый бикарбонат Ca (HСO₃)₂, который при фильтрации агрессивной воды вымывается из бетона, существенно снижая его прочность.

Таким образом, скорость разрушения бетона, с одной стороны, зависит от толщины карбонизированного слоя, а с другой — от притока раствора углекислоты.

В реальных конструкциях процесс коррозии бетона оценивается по результатам анализа продуктов фильтрации: если в фильтрате обнаруживается бикарбонат Ca (HСO₃)₂, то это свидетельствует о развитии коррозии. Безопасным для бетона считается раствор углекислоты с содержанием СO₂ < 15 мг/л и скоростью фильтрации менее 0,1 м/с.

Следует отметить, что при концентрации растворов кислот выше 0,0001N, практически все цементные бетоны, за исключением кислотоупорных, быстро разрушаются. Однако при этом более стойкими оказываются бетоны плотной структуры на портландцементе.

Стойкость бетонов в кислотной среде также зависит от вида заполнителей. Менее подвержены разрушению заполнители силикатных пород (гранит, сиенит, базальт, песчаник, кварцит).

Щелочная коррозия цементного камня происходит при высокой концентрации щелочей и положительной температуре среды. В этих условиях растворяются составляющие цементного клинкера (кремнезём и полуторные окислы), что и вызывает разрушение бетона. Более стойкими к щелочной коррозии являются бетоны на портландцементе и заполнителях карбонатных пород.

К особо агрессивным средам, вызывающим коррозию II вида, следует отнести:

а) свободные органические кислоты (например, уксусная, молочная), растворяющие кальций;

б) сульфаты, способствующие образованию сульфоалюмината кальция или гипса;

в) соли магния, снижающие прочность соединений, содержащих известь;

г) соли аммония, разрушающе действующие на композиты, содержащие известь.

Помимо названных химикатов вредными для бетона являются растительные и животные жиры и масла, так как они, превращая известь в мягкие соли жирных кислот, разрушают цементный камень.

Коррозия III вида. Признаком кристаллизационной коррозии III вида является разрушение структуры бетона продуктами кристаллообразования солей, накапливающихся в порах и капиллярах.

Кристаллизация солей может идти двумя путями:

а) химическим взаимодействием агрессивной среды с компонентами камня;

б) подсосом извне соляных растворов.

И в том и в другом случаях кристаллы соли выпадают в осадок, кальматирую (заполняя) пустоты в бетоне. На начальном этапе это позитивный процесс, ведущий к уплотнению бетона и повышению его прочности. Однако в последующем продукты кристаллизации настолько увеличиваются в объёме, что начинают рвать структурные связи, приводя к интенсивному трещинообразованию и многочисленным локальным разрушениям бетона.

Определяющим фактором кристаллизационной коррозии является наличие в водных растворах сульфатов кальция, магния, натрия, способных при взаимодействии с трёхкальциевым гидроалюминатом цемента образовывать кристаллы. Следовательно, к более стойким к коррозии III вида следует относить такие бетоны, в которых использованы цементы с низким содержанием трёхкальциевого алюмината, а именно: в портландцементе — до 5%, в пуццолановом и шлакопортландцементе — до 7%.

Физико-механическая деструкция (разрушение) бетона при периодическом замораживании и оттаивании характерна для многих конструкций, незащищённых от атмосферных воздействий (открытые эстакады, путепроводы, опоры ЛЭП и др.). Разрушающих факторов при замораживании бетона в водонасыщенном состоянии несколько: кристаллизационное давление льда; гидравлическое давление воды, возникающее в капиллярах вследствие отжатия ее из зоны замерзания; различие в коэффициентах линейного расширения льда и скелета материала и пр.

Постепенное разрушение бетона при замораживании происходит вследствие накопления дефектов, образующихся во время отдельных циклов. Скорость разрушения зависит от степени водонасыщения бетона, пористости цементного камня, вида заполнителя. Более морозостойки бетоны плотной структуры с низким коэффициентом водопоглащения.

Влияние производственных масел (нефтепродуктов) на прочность бетона неоднозначно. Разрушающе действуют на бетон только те нефтепродукты, которые в значительном количестве содержат поверхностно-активные смолы. К ним относятся все минеральные масла, дизельное топливо. В то же время бензин, керосин, вазелиновое масло практически не снижают прочности бетона, однако, как и другие нефтепродукты, уменьшают сцепление бетона с гладкой арматурой уменьшается примерно на 50%.

Прочность промасленного бетона при свободной фильтрации минерального масла можно определить по формуле [3]:

где — продолжительность пропитки маслом, г:

— первоначальная прочность бетона, МПа.

Если время пропитки более 8 лет, прочность бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.

При периодическом попадании масел на конструкцию (1−2 раза в год) прочность промасленного бетона следует подсчитывать по формуле

.

Формула справедлива при воздействии масла в течение 25−30лет. В более поздние сроки прочность бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.

Методы защиты бетона эксплуатируемых конструкций при физико-химических и физико-механических агрессивных воздействиях

Защита бетона эксплуатируемых конструкций осуществляется различными способами в зависимости от характера разрушительного воздействия. Классификация методов защиты приведена на рисунке 6.

Подготовка бетонной поверхности к проведению ремонтно-восстановительных работ состоит в тщательной очистке разрушенных участков от посторонних включений и наслоений. Очистка может быть проведена вручную с помощью зубила и металлической щётки, механическим способом с применением вращающихся проволочных щёток или с помощью пескоструйного аппарата. Подготовленная поверхность грунтуется специальными составами, обладающими высокими адгезионными свойствами. Для этого часто используется растворная смесь из портландцемента и кварцевой муки, замешанная на воде с добавлением синтетических смол. Свежая грунтовка посыпается сухим кварцевым песком крупностью 0,2−0,7 мм. В качестве грунта могут быть использованы синтетические смолы в «чистом виде».

Наложение шпаклёвочной массы необходимо производить по несхватившейся поверхности грунтовки. В шпаклёвку желательно добавить кварцевый песок крупностью 0,1−0,4 мм.

Если поверхность ремонтируемого участка достаточно большая (0,5 м и более), то целесообразно делать набрызг цементного раствора и торкретирование.

Торкретирование производится растворной смесью в соотношении цемент: песок=1:3. Смесь подаётся с помощью цемент-пушки под давлением 5−6 атм. Разбрызгивающее сопло располагается на расстоянии 0,5−1 м от ремонтируемой поверхности. Торкретирование ведётся слоями, толщина каждого из которых не более 4 см. Все последующие слои можно наносить только после схватывания предыдущего.

На отремонтированные участки и окружающие бетонные поверхности наносится защитный слой покрытия, вид которого обусловлен возможными агрессивными воздействиями.

Эффективной защитой железобетонных конструкций от атмосферных осадков может служить их гидрофобизация или флюатирование. В первом случае бетон пропитывается на глубину 2−10мм гидрофобными (водоотталкивающими) составами на основе кремнийорганических полимерных материалов: ГКЖ-94, ГКЖ-10. Составы наносятся кистью или пульвелизатором на предварительно очищенную сухую поверхность конструкции.

Во втором случае делается обработка бетона 3−7%-ным раствором кремнийфтористоводородной кислоты. При этом кремнийфтористомагний MgSiF₆, реагирую с ионами кальция, образует на стенках пор и капилляров цементного камня нерастворимый защитный слой из кристаллов фтористого кальция и кремнезёма.

Флюат наносится на поверхность бетона в 3−4 слоя. Интервал между нанесением слоёв обычно составляет 4 часа.

Коррозия арматуры

Арматура в бетоне играет исключительно важную роль, так как воспринимает растягивающее напряжение от внешней нагрузки, обеспечивая прочность конструкции, поэтому коррозия арматуры недопустима.

Рассмотрим некоторые химические процессы, обусловливающие защитные и разрушительные факторы, воздействующие на арматуру.

Под влиянием щелочной среды цементного бетона (pH=12,5−12,6) стальная арматура пассивируется, т. е. защищается от окисления. Однако щелочность защитного слоя бетона в результате воздействия воды и содержащихся в воздухе двуокисей углерода CO₂ и серы SO₂ постепенно снижается, и, если она оказывается ниже значений pH=9,5, в арматуре начинаются окислительные процессы.

Последовательность образования агрессивной среды и депассивация арматуры происходит следующим образом:

образование и воздействие углекислоты

CO₂+H₂O=H₂CO₃,

которая, реагирую с окисью кальция, содержащейся в бетоне, образует карбонат кальция и остаточную воду

H₂CO₃CaO=CaCO₃+H₂O

(указанная реакция протекает в течение нескольких лет, понижаю величину pH в защитном слое бетона на 2,5−4 ед.);

образование и воздействие серной кислоты

SO₂+H₂O= H₂SO₄,

которая, реагируя с окисью кальция, образует гипс и остаточную воду

H₂SO₄+CaO=CaSO₄+H₂O,

(в результате этой реакции величина pH дополнительно может снижаться на 1−3ед., достигая велицины pH=6(7).

Скорость депассивации арматуры зависит главным образом от толщины защитного слоя бетона и степени агрессивности среды. Нормы регламентируют эти величины также с учётом показателя проницаемости бетона [4, табл. 1] и типа арматурной стали [4, табл. 10].

Виды коррозии арматуры

Коррозия арматуры может быть вызвана разными неблагоприятными факторами, обусловливающими химическое и электрохимическое воздействие. К ним относятся растворы кислот, щелочей, солей, влажные газы, природные и промышленные воды, а также блуждающие токи.

В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (соляная кислота), стальная арматура сильно корродирует в результате образования растворимых в воде и кислоте продуктов коррозии, причём с увеличением концентрации соляной кислоты скорость коррозии возрастает.

В кислотах, обладающих окислительными свойствами (азотная, серная и др.), при высоких концентрациях скорость коррозии, наоборот, уменьшается из-за пассивации поверхности арматуры.

Скорость коррозии арматуры в щелочных растворах при pH>10 резко снижается из-за образования нерастворимых гидратов закиси железа. Растворы едких щелочей и карбонаты щелочных металлов практически не разрушают арматуру, если их концентрация не превышает 40%.

Солевая коррозия арматуры зависит от природы анионов и катионов, содержащихся в водных растворах солей.

В присутствии сульфатов, хлоридов и нитратов щелочных металлов, хорошо растворимых в воде, солевая коррозия усиливается. И, наоборот, присутствие карбонатов и фосфатов, образующих нерастворимые продукты коррозии на анодных участках, способствует затуханию коррозии. На интенсивность солевой коррозии арматуры влияет кислород, который окисляет ионы двухвалентного железа и понижает перенапряжение водорода на катодных участках. С повышением концентрации кислорода скорость коррозии увеличивается.

Рассматривая воздействие газов, следует особо отметить агрессивность окислов азота NO, NO₂, N₂O и хлора Cl, которые в присутствии влаги вызывают сильную коррозию арматуры.

Практика обследования железобетонных конструкций, соприкасающихся с грунтом, указывает на частные случаи разрушения арматуры блуждающими токами, которые появляются из-за утечек электроэнергии с рельсов электрифицированных железных дорог, работающих на постоянном токе, или других источников. В месте входа тока в конструкцию образуется катодная зона, а в месте выхода — анодная, или зона коррозии. Опыты показывают, что блуждающие токи распространяются на десятки километров в стороны от источника, практически не утрачивая силы тока, которая может достигать сотни ампер. Расчёты с использованием закона Фарадея показывают, что ток силою всего в 1−2А, стекая с конструкции, в течение года может уносить до 10 кг железа. Обычно скорость разрушения арматуры блуждающими токами заметно превышает скорость разрушения от химической коррозии. Опасной для конструкции считается плотность тока При анализе агрессивных воздействий на железобетонные конструкции учитываются факторы, сопутствующие коррозии арматуры, и, кроме того, разрабатываются соответствующие защитные мероприятия.

Требования к армированию конструкций, работающих в агрессивной среде

В соответствии с рекомендациями не допускается использование в предварительно-напряжённых конструкциях, эксплуатируемых в сильноагрессивных газообразных и жидких средах, стержневой арматуры класса A-V и термически упрочнённой арматуры всех классов. Нельзя также применять проволочную арматуру класс B-II, Bp-II и стержневую классов A-V, Aт-IV в конструкциях из бетона на пористых заполнителях, эксплуатируемых в агрессивной среде, если не предусмотрены специальные защитные покрытия.

Оцинкованная арматура рекомендуется к применению только в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемую плотность бетона и толщину защитного слоя.

Восстановление эксплуатационных качеств конструкции с корродированной арматурой

Образование продуктов химической коррозии на арматуре увеличивает её объём, вследствие чего бетон защитного слоя механически разрушается. Это выражается в появлении волосных трещин по направлению арматурного стержня. Со временем трещины раскрываются, бетон защитного слоя отслаивается, и корродированная арматура оголяется. Для восстановления эксплуатационных качеств необходимо с помощью металлической щётки или пескоструйного аппарата очистить арматуру от ржавчины и оценить степень её коррозии. Если коррозией повреждено более 50% площади сечения арматурного стержня, то повреждённый участок вырезается и производится его замена на новый, равноценный по площади стержень, привариваемый электродуговой сваркой. При площади менее 50% повреждённый участок не вырезается, а на него наваривается дополнительный стержень усиления, компенсируемый разрушенное сечение.

На все оголённые участки арматуры наносится защитное покрытие из эпоксидной смолы, обладающей хорошей адгезией к бетону и стали.

Хорошей защитой арматуры также является послойное нанесение торкретбетона толщиной слоёв 1−1,5 см, приготовленного на смеси цемент: песок=1:2 (1:3) и наносимого на обрабатываемую поверхность с расстояния 1−1,2 м.

Характеристики бетонного покрытия (плотность бетона, толщина защитного слоя), независимо от способа нанесения покрытия, должны соответствовать показателям и требованиям, представленным в таблицах 3 и 4.

Таблица № 3. Требования к бетону конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах

Таблица № 4. Требования к плотности и толщине защитного слоя бетона

Трещины в железобетонных конструкциях

Трещины в железобетонных конструкциях эксплуатируемых зданий встречаются достаточно часто, являясь следствием ряда причин. Они могут возникать как от силового воздействия на конструкции, так и в результате температурных и усадочных напряжений в бетоне.

Ввиду большого разнообразия, трещины обычно разделяются по следующим признакам:

причине возникновения:

а) трещины от внешних силовых воздействий при эксплуатации конструкций Т;

б) трещины от силового воздействия при неправильном складировании, перевозке и монтаже конструкций Т_м;

в) трещины от силового воздействия при обжатии бетона предварительно-напряжённой арматурой Т_о;

г) трещины технологические (от усадки бетона, плохого уплотнения бетонной смеси, неравномерного паропрогрева, жесткого режима тепловлажностной обработки бетона) Т_у;

д) трещины, образовавшиеся в результате коррозии арматуры, Т_к;

значению:

а) трещины, указывающие на аварийное состояние конструкции;

б) трещины, увеличивающие водопроницаемость бетона (в резервуарах, трубах, стенах подвала);

в) трещины, снижающие долговечность конструкции из-за интенсивной коррозии арматуры;