Современные проблемы оценки степени ухудшения эксплуатационных качеств, снижения несущей способности бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооруже

• Введение
• Железобетон, как композиционный строительный материал. История, характеристики
• Основные принципы проектирования железобетонных конструкций
• О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений
• Специфика обследования состояния железобетонных конструкций в условиях агрессивного воздействия воды
• Применение ультразвукового метода для оценки зоны повреждения железобетона после пожара
• Огнестойкость железобетонных конструкций: модели и методы расчета
• Список использованных источников

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ зданий и cooружений - предельный срок службы зданий и сооружений, в течение которого они не утрачивают необходимых эксплуатационных качеств. Долговечность здания и сооружения определяется сроком службы его основных конструкций (напр., фундаментов, несущих стен или каркаса). Др. конструктивные элементы (заполнение стен, перекрытий, кровля, полы, оконные переплеты, двери и пр.) обычно обладают меньшей долговечностью, изнашиваются быстрее и заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение общего срока его службы. У наружных частей здания наиболее короткие сроки службы характерны для кровель, изоляционных и защитно-отделочных слоев и др. элементов, подверженных интенсивному разрушающему влиянию.

Постепенный износ конструкции происходит неравномерно в течение общего срока службы здания; в первый период после постройки — быстрее (что связано с усушкой материалов, деформациями конструкций, неравномерными осадками грунта), а в последующий, преобладающий по длительности, — медленнее (нормальный износ). По окончании первого периода эксплуатации здания, характеризующегося относительно быстрым износом, отд. конструкции могут нуждаться в спец. послеосадочном ремонте.

В последний период эксплуатации здания, прослужившего много лет, т. е. когда его конструкции существенно износились и материалы, входящие в их состав, частично разрушились, быстрота износа конструкций вновь возрастает, что может приводить к авариям, если здания находятся без постоянного технич. надзора.

Долговечность сокращается при неправильной эксплуатации зданий и сооружений, перегрузках конструкций, а также при резко выраженных разрушающих влияниях окружающей среды (действии влаги, ветра, мороза и т. п.). Сокращение долговечности выражается постепенной потерей прочности, а для нек-рых конструкций (напр., кровель) более быстро наступающей утратой непроницаемости. Большое значение для обеспечения Д. имеет правильный выбор конструктивных решений с учетом особенностей климата и условий эксплуатации. При игнорировании этого разрушение конструкций может произойти очень быстро. Так, долговечность каменных (кирпичных и др.) стен жилых домов составляет сотни лет, а такие же (не защищенные дополнительно от действия влаги) стены бань и т. п. зданий с высокой влажностью разрушаются в течение нескольких десятков лет и даже быстрее. Влияние внешних климатических условий на сокращение

наружной части строительных конструкций наиболее заметно на территориях с влажным климатом (см. Климатология строительная, Климатическое районирование); исключение составляют конструкции, выполненные из нек-рых материалов на основе высокомолекулярных соединений (напр., рулонные материалы, пластмассы и т. п.), к-рые быстрее разрушаются под действием солнечных лучей и резких колебаний темп-ры.

Повышение долговечности конструкций достигается применением строит, и изоляционных материалов с высокой стойкостью (см. Стойкость строительных материалов, Морозостойкость, Влагостойкость, Биостойкость) и защитой конструкции от проникновения внутрь ее разрушающих агентов и прежде всего жидкой влаги.

Практических инженерных расчетов долговечности пока еще не существует; в связи с этим степени долговечности конструкций, указываемые в строит. нормах и правилах, условны и используются гл. обр. для экономич. предположений (1-я степень — срок службы более 100 лет; 2-я — более 50 лет; 3-я — более 20 лет).

железобетонная конструкция сооружение вода

Железобетон, как композиционный строительный материал. История, характеристики

Железобетомн — строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру. Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений. Термин «железобетон» абстрактен и употребляется обычно в выражении «теория железобетона». Если речь идёт о конкретном объекте, будет правильнее говорить «железобетонная конструкция», «ж/б конструкция», «железобетонный элемент» [источник не указан 110 дней].

История

В 1802 г. при строительстве Царскосельского дворца российские зодчие использовали металлические стержни для армирования перекрытия, выполненного из известкового бетона. В 1829 г. английский инженер Фокс реализовал армированное металлом бетонное перекрытие. В 1849 г. во Франции Ламбо построил лодку из армоцемента. В 1854 г. Уилкинсон в Англии получил патент на огнестойкое железобетонное перекрытие. В 1861 г. во Франции Куанье опубликовал книгу о 10 летнем опыте применения железобетона. Он же в 1864 г. построил церковь из железобетона. В 1865 г. Улкинсон построил дом из железобетона. И только в 1867 г. Монье, которого часто считают «автором» железобетона, получил патент на кадки из армоцемента. В 1868 г. Монье построил железобетонный бассейн, а с 1873 по 1885 гг. получил патенты на железобетонный мост, железобетонные шпалы, железобетонные перекрытия, балки, своды и железобетонные трубы. В 1877 г. первая книга по железобетону опубликована Т. Хайэтом в США. С 1884 по 1887 гг. в Москве осуществлялось применение железобетона при устройстве плоских перекрытий, сводов, резервуаров. В это же время проводились испытания конструкций, были реализованы железобетонные перекрытия по металлическим балкам. В 1886 г. в США П. Джексон подал заявку на патент на использование преднапряжения арматуры при строительстве мостов. В 1888 г. патент на преднапряжение получен в Германии В. Дерингом, в 1896 г. в Австрии И. Мандлем, в 1905;07 гг. в Норвегии И. Лундом, в 1906 г. в Германии М. Кененом. В 1886 г. в Германии (фирма Вайс) под руководством проф. Баушингера проведены испытания плит и сводов. В 1886−87 гг.М. Кенен в Германии разрабатывает способ расчета железобетонных конструкций. В 1891 г. в России проф. Н. А. Белелюбский проводит широкомасштабные исследования железобетонных плит, балок, мостов. В этом же году выходит книга инж. Д. Ф. Жаринцева «Слово о бетонных постройках», а в 1893 г. — «Железобетонные сооружения». С 1892 по 1899 г. во Франции Ф. Геннебиком реализовано более 300 проектов с применением железобетона. В 1895 г. на 2 съезде зодчих в России выступает А. Ф. Лолейт, создавший впоследствии основные положения современной теории железобетона. В 1899 г. инженерный совет министерства официально разрешает применять железобетон в России. Первые нормы по проектированию и применению железобетонных конструкций появились в 1904 г. в Германии и Швеции, в 1906 г. во Франции, в 1908 г. в России. Развитие теории железобетона в России в первой половине 20 в. связано с именами А. Ф. Лолейта, А. А. Гвоздева, В. В. Михайлова, М. С. Боришанского, А. П. Васильева, В. И. Мурашева, П. Л. Пастернака, Я. В. Столярова, О. Я. Берга и др. В XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве

Характеристики

К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:

долговечность;

невысокая цена — железобетонные конструкции значительно дешевле стальных;

пожаростойкость — в сравнении со сталью;

технологичность — несложно при бетонировании получать любую форму конструкции;

химическая и биологическая стойкость;

высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам;

можно создавать сложные формы.

К недостаткам железобетонных конструкций относятся:

невысокая прочность при большой массе — прочность бетона при растяжении в среднем в 10 раз меньше прочности стали. В больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки.

Выделяют сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке).

Основные принципы проектирования железобетонных конструкций

Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в преднапряжённые сжатые зоны.

В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-ой и 2-ой группе предельных состояний.

по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);

по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны, фундаменты).

Изгибаемые элементы (балки, плиты)

При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:

по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,

по наклонным сечениям — от действия поперечных сил.

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).

Изгиб и армирование железобетонной балки

Элементы конструкции:

1. Верхняя (сжатая) арматура

2. Нижняя (растянутая) арматура

3. Поперечная арматура

4. Распределительная арматура

Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположенном направлении.

Основные параметры конструкции:

L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров

H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально HІ

B — ширина сечения

a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды

s — шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (см. рисунок).

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

Сжатые элементы (колонны)

При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.

Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например ветер, давление грунта на подпорную стенку).

Типичное армирование колонны представлено на рисунке.

Работа и армирование сжатой колонны на рисунке:

1 — продольная арматура

2 — поперечная арматура

В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.

Центрально сжатые колонны проектируются квадратного сечения.

Массивными считаются колонны минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, т. е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения — террористические атаки, взрывы и т. д.) — они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т.о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем и кроме этого малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим строительством (Sustainable construction) www.concreteresearch.org

Изготовление железобетонных конструкций

Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы:

Подготовка арматуры

Опалубочные работы

Армирование

Бетонирование

Уход за твердеющим бетоном

Изготовление сборных железобетонных конструкций

Сущность сборных железобетонной конструкций, против монолитных, состоит в том, что конструкции изготавливаются на заводах ЖБИ, а затем доставляются на стройплощадку и монтируются в проектное положение. Основное преимущество технологии сборного железобетона в том, что ключевые технологические процессы происходят на заводе. Это позволяет достичь высоких показателей по срокам изготовления и качеству конструкций. Кроме того, изготовление предварительно напряженных ЖБК возможно, как правило, только в заводских условиях.

Недостатком заводского способа изготовления является невозможность выпускать широкий ассортимент конструкций. Особенно это относится к разнообразию форм изготавливаемых конструкций, которые ограничиваются типовыми опалубками. Фактически, на заводах ЖБИ изготавливаются только конструкции, требующие массового применения. В свете этого обстоятельства, широкое внедрение технологии сборного железобетона приводит к появлению большого количества однотипных зданий, что, в свою очередь, приводит к деградации архитектуры региона. Такое явление наблюдалось в СССР в период массового строительства.

Большое внимание на заводе ЖБИ уделяется технологической схеме изготовления. Используется несколько технологических схем:

Конвейерная технология. Элементы изготовляют в формах, которые перемещаются от одного агрегата к другому. Технологические процессы выполняются последовательно, по мере перемещения формы.

Поточно-агрегатная технология Технологические операции производят в соответствующих отделениях завода, а форма с изделием перемещается от одного агрегата к другому кранами.

Стендовая технология. Изделия в процессе изготовления остаются неподвижными, а агрегаты перемещаются вдоль неподвижных форм.

В предварительно напряженных конструкциях применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон, а также два основных способа натяжения арматуры: электротермический и электротермомеханический.

Изготовление монолитных железобетонных конструкций

При изготовлении монолитных железобетонных конструкций следует учитывать, что физико-механические характеристики арматуры относительно стабильны, а вот те же характеристики бетона изменяются во времени. Необходимо всегда находить компромисс между запасами при конструировании и проектировании (выбор форм и сечений — выбор между надежностью, «жизнью», но тяжестью массивных конструкций и между изяществом, ажурностью, легкостью, но «мертвостью» конструкций с большим модулем поверхности), стоимостью и качеством исходных материалов, затратами на изготовление монолитных железобетонных конструкций, усилением оперативного контроля работниками ИТР на всех этапах, назначением мероприятий по уходу за бетоном, защитой его во времени (созданием условий для наращивания во времени его характеристик, что может понадобится к моменту начала эксплуатации для сопротивления прогрессирующему разрушению), контролем динамики набора основных прочностных и деформативных характеристик бетона. [4] То есть, очень много зависит от того, с чьих позиций проектируют конструкции и технологию, исполняют и контролируют работы, и что ставится во главу угла: надежность и долговечность, экономичность, технологичность выполнения, безопасность эксплуатации, возможность дальнейшего применения путем усилений и реконструкций, так называемый рациональный (англ. sustainable) подход, то есть проектирование от обратного (сначала думаем, как следующие поколения будут все это разбирать и заново использовать). [5]

О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений

В последние годы популярность и доступность различных методов контроля прочности бетона и реализующих их приборов резко возросла. И несмотря на требования нормативных документов, резко ограничивающие возможность применения большинства методов для использования в ходе обследования конструкций зданий и сооружений, в том или ином объеме они применяются большинством организаций.

Необходимо уточнить, что в данной статье речь идет только о прочности бетона на сжатие и далее под «прочностью» понимается именно этот параметр бетона.

Рассмотрим следующие вопросы.

1. Какие методы определения (оценки) прочности бетона применяются и какие наиболее доступны?

2. Каковы параметры основных применяемых методов с точки зрения стоимости оборудования, производительности и погрешности измерений?

3. Какие методы в реальных условиях объектов обследования, с учетом сложившейся на рынке ситуации, можно применять, соблюдая требования норм.

Исследования прочности бетона должны выполняться по требованиям ГОСТ 28 570 [1], 22 690 [2],

17 624 [3], ГОСТ Р 53 231 [4], СТО. Условно все применяемые методы можно разделить на 3 группы, представленные на рис. 1.

Рисунок 1. Классификация методов контроля прочности бетона

Результаты, полученные методами первой группы, являются наиболее соответствующими истинному значению прочности материала по следующим причинам. Во-первых, измеряется именно искомый параметр — усилие, соответствующее разрушению при сжатии. Во-вторых, исследуется образец материала, изъятый из тела конструкции, а не только из поверхностного слоя. В-третьих, влияние на результат измерения внешних факторов: влажность, армирование, дефекты поверхностного слоя и прочих, — можно свести к минимуму.

Однако данный подход для рядовых объектов на практике применяется крайне редко. Это обусловлено тремя основными причинами: высокая стоимость оборудования, большая трудоемкость процесса измерения и, следовательно, его себестоимость и локальное повреждение конструкций, которое в большинстве случаев заказчик не приемлет.

Подсчитаем оценочную стоимость необходимого для первого вида измерений оборудования. Учитывая, что метод выбуривания кернов по сравнению с отбором проб выпиливанием характеризуется меньшей трудоемкостью и повреждением, наносимым конструкции, рассмотрим оборудование именно для него.

Рассмотрим комплект оборудования, доступного на рынке, со средним качеством и минимальными необходимыми параметрами. В минимальный комплект можно включить: перфоратор (Bosch GBH 2−26), установка алмазного сверления для отбора кернов диаметром до 100 мм (Husqvarna DMS 160A), камнерезный станок (Diam SK-600) и пресс гидравлический (ПГМ-1000МГ4). Данные сведены в таблицу 1.

Трудозатраты для выполнения измерений будут состоять из выбуривания трех кернов (согласно п. СП 13−102 для определения прочности одного конструктивного элемента), доставки с объекта в лабораторию (в расчет взят 1 ч), торцовки на камнерезном станке и испытания на прессе с последующей обработкой результатов.

Для всех методов контроля, указанных на рис. 1, по требованиям ГОСТов [1,2,3] необходимо до выполнения измерений (отбора проб) определить наличие и расположение арматуры. Данная операция, как правило, выполняется магнитным методом по ГОСТ 22 904. Эта составляющая в затраты на приборное обеспечение и трудоемкость не включена.

Подсчитаем оценочную стоимость необходимого для второго вида измерений оборудования. Расчет выполнен для метода отрыва со скалыванием, так как в отличие от методов отрыва и скалывания ребра, данный метод в отечественной практике обследования нашел наибольшее применение.

В минимальный комплект можно включить перфоратор (Bosch GBH 2−26) и прибор для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием (ПОС-50МГ4). Трудозатраты для выполнения измерения методом отрыва со скалыванием будут состоять из бурения шпура, закладки анкера и проведения измерения. Количество единичных измерений для определения прочности бетона участка конструкции должно быть не менее трех [4,6]. Данные представлены в таблице 1.

Во всех косвенных неразрушающих методах контроля прочности для реализации достаточно наличия самого прибора контроля. Трудоемкость состоит непосредственно из измерений того или иного параметра (отскок, скорость ультразвука, диаметр отпечатка и пр.) после выполнения надлежащего количества измерений.

Измерение прочности методом пластической деформации характеризуется большей трудоемкостью, так как помимо нанесения отпечатков на поверхность бетона конструкции необходимо производить измерение их диаметров и дальнейший расчет их отношения (при использовании молотка Кашкарова).

Таблица 1. Сводные данные по методам измерения

Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод о том, что приборы третьей группы характеризуются очевидными преимуществами. Они обладают наименьшей трудоемкостью и, соответственно, стоимостью единичного испытания. Величина инвестиций в приобретение оборудования также минимальна по сравнению с методами 1 и 2 групп. Помимо этого все косвенные методы контроля являются полностью «неразрушающими» и не наносят повреждений бетону конструкций при измерениях.

Именно эти факторы являются основной причиной большой популярности методов группы 3 у различных организаций, занимающихся обследованием и испытаниями бетона. Особенно это относится к фирмам, стремящимся минимизировать расходы на оборудование, либо «молодым» организациям, а также к организациям, основной целью которых является не качество выполненной работы.

Рассмотрим другую сторону проблемы.

Согласно п. 3.14 ГОСТ 22 690 [2], «для определения прочности бетона в конструкциях предварительно устанавливают градуировочную зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой прочности (в виде графика, таблицы или формулы)». Применение методов упругого отскока, ударного импульса или пластической деформации при обследовании конструкций, бетон которых обладает параметрами, отличающимися от бетона, на котором построена градуировочная зависимость (то есть всегда), возможно только с уточнением данной зависимости. Уточнение зависимости подразумевает испытание бетона методом группы 2 или 1.

Согласно п. 3.16. ГОСТ Р 53 231 [4], использование всех косвенных методов контроля (группа 3) возможно только с построением градуировочной зависимости.

Согласно п. 8.3.1 и Приложению Б СП 13−102 [6], определение прочности бетона выполняется неразрушающими методами в соответствии с ГОСТ 22 690 [2], и без построения градуировочной зависимости может быть выполнено только методами отрыва со скалыванием, отрыва, скалывания ребра и по испытанию отобранных образцов.

Иными словами, применять все методы контроля прочности, входящие в группу 3 (рис.1), без построения градуировочной зависимости НЕЛЬЗЯ, а построение зависимости ведет к неизбежному использованию методов группы 1 или 2. По результатам анализа отчетов сторонних организаций, а также общения с коллегами из различных регионов России можно утверждать, что в отечественной практике обследования указанными нормами пренебрегает большинство организаций. Почему так происходит, описано выше.

Рассмотрим, чем вызвано такое категоричное требование норм по отношению к косвенным неразрушающим методам контроля.

Во-первых, это большая неопределенность (погрешность) результатов измерения фиксируемого параметра. Помимо наличия приборной составляющей погрешности (износ пружины, низкий заряд аккумуляторов и т. п.), которая вносит определенный вклад в результирующую погрешность, превалирующую роль играют многочисленные внешние факторы. К ним относятся:

качество обработки поверхности бетона;

наличие дефектов (скрытых и явных) в зоне измерения (микротрещины, поры, каверны, расслоения и т. п.);

включения крупного заполнителя;

наличие арматуры в зоне измерения;

повреждение поверхностного слоя (размораживание, промасливание, увлажнение, карбонизация и другие виды коррозии);

сила прижатия датчика (для ультразвукового метода);

другие факторы.

Все перечисленные факторы в определенном сочетании имеют место всегда, а минимизация их влияния либо невозможна, либо снижает производительность измерений в разы (например, предварительная шлифовка поверхности бетона).

Во-вторых, даже при сведении к минимуму влияния внешних факторов путем тщательной подготовки и проведения исследований, а также статистической обработки результатов измерений и отбраковки их части, полученный результат не может быть использован без частной градуировочной зависимости для конкретного исследуемого бетона.

Установление градуировочной зависимости, например, для ультразвукового метода, по требованиям п. 3.4 ГОСТ 17 624 подразумевает испытание не менее 30 образцов кубов (15 серий по 2 куба в каждой). На большинстве объектов среднего масштаба, а также при выборочном обследовании бетонных конструкций выполнение такого количества прямых испытаний сводит к нулю необходимость применения неразрушающих методов вообще.

Необходимо отметить, что на практике, даже при соблюдении минимального количества образцов для построения градуировочной зависимости, найденная зависимость может оказаться не удовлетворяющей требованиям норм по статистическим параметрам оценки (допустимое среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации). Таким образом, выполненная исследовательская работа может оказаться бесполезной.

Тем не менее, применять косвенные методы неразрушающего контроля можно. Это целесообразно в следующих случаях:

когда нет необходимости определять прочность бетона (например, для расчета), а необходимо только оценить ее значение и использовать как один из ряда факторов, характеризующих техническое состояние конструкции (однородность, сплошность и др.);

когда необходимо качественно выявить зоны неоднородности прочности бетона для дальнейшего применения методов групп 1 и 2 в этих зонах;

когда есть возможность и необходимость выполнения комплексных работ и построения частной градуировочной зависимости согласно требованиям ГОСТ.

Учитывая, что методов третьей группы несколько, рассмотрим, какой из них оптимален. Параметры трудоемкости и стоимости имеются в таблице 1. Ниже рассмотрим третий немаловажный фактор — погрешность измерения.

На одном из обследованных в 2011 г объектов автором было проведено исследование, в ходе которого осуществлен контроль прочности бетона тремя косвенными неразрушающими методами с последующим испытанием отобранных образцов. Метод пластической деформации не применялся ввиду его низкой производительности.

Объект представляет собой колодец, выполненный из монолитного железобетона, радиусом 12 м и глубиной 8 м. Бетонирование стен колодца велось захватками, разделяющими колодец по высоте на 8 ярусов. Результаты измерений, выполненных различными методами, представлены в таблице 2. Для измерений использованы следующие приборы: ультразвуковой метод — Пульсар 1.1 (НПП «Интерприбор»); метод упругого отскока — Original Schmidt N (Proseq); метод ударного импульса — ИПС МГ4.03 (СКБ «Стройприбор»).

Среднее значение регистрируемых параметров, представленное в таблице, получено по выборке, состоящей из результатов не менее чем 30 единичных измерений. Коэффициент вариации V определен как отношение среднего квадратичного отклонения к среднему значению (математическому ожиданию).

Таблица 2. Результаты исследования прочности бетона колодца различными методами

По данным представленным в таблице, видно, что наименьшей погрешностью измерения характеризуется ультразвуковой метод. Метод упругого откоса имеет коэффициент вариации приблизительно в два раза выше. Разброс результатов измерений методом ударного импульса максимален и характеризуется коэффициентом вариации, превышающим 40% при среднем значении 31,6%.

Для сопоставления результатов измерений, приведенных в таблице, они представлены в графическом виде на рис. 2. Значения приведены в виде отклонений результата измерения по каждому ярусу от среднего по всем ярусам.

По графикам (рис.2) можно сделать вывод, что результаты измерений методами ударного импульса и ультразвуковым характеризуются высокой корреляцией и в целом сопоставимы с результатами испытания на прессе. Результаты измерений методом ударного импульса не характеризуются тесной связью ни с другими методами неразрушающего контроля, ни с результатами испытания на прессе.

Рисунок 2. Сравнение результатов измерения прочности бетона различными методами

Из всего описанного выше можно сделать следующие выводы и рекомендации

1. Для измерения прочности бетона обследуемых конструкций без нарушения требований современных норм можно применять только методы 1 и 2 групп (испытание отобранных образцов и методы отрыва и скалывания).

2. Оптимальным по точности, трудоемкости, стоимости и доступности оборудования, универсальности использования и масштабу разрушения конструкции является метод отрыва со скалыванием по ГОСТ 22 690.

3. В случаях, когда поверхностный слой имеет глубокое повреждение, бетон конструкции заморожен, а также требуются наиболее достоверные результаты, необходимо выполнять отбор проб и испытание в лабораторных условиях.

4. Применение методов 3 группы целесообразно для приблизительной оценки прочности, а также для выявления зон с отклонением прочности от среднего значения.

5. Из всех косвенных методов неразрушающего контроля рекомендуется использование ультразвукового метода или метода ударного импульса, а при возможности их сочетание, что также рекомендуется в литературе [11,12].

Специфика обследования состояния железобетонных конструкций в условиях агрессивного воздействия воды

Среди различных факторов, негативно влияющих на прочность и долговечность железобетонных конструкций, особенное место занимает, несомненно, вода. Воздействие воды — атмосферной, грунтовой, техногенной — настолько многогранно и всеобъемлюще, что делает настоятельно необходимым обратиться к этой проблеме, тем более что при обследовании специалисты практически всегда сталкиваются с ней.

В качестве примеров, на которых явно видна негативная роль воды в образовании дефектов и повреждений строительных конструкций, следует привести два. Первый из них касается ответственного подземного сооружения — тоннеля — в условиях воздействия грунтовых вод, а второй — конструкции перекрытия промышленного здания под воздействием техногенной воды.

Нефтепроводный тоннель на юге России, сооружён в 1965;1967 гг.

Длина тоннеля 3300 м.

Диаметр внутренний 5,3 м.

Глубина заложения — более 300 м.

Разность отметок порталов — 70 м.

Материал обделки:

на участках порталов — чугунные тюбинги производства различных ленинградских заводов;

остальная часть — сборные железобетонные блоки;

камера сбойки — чугунные тюбинги.

Со стороны северного портала проходка велась щитом, со стороны южного портала — буровзрывным методом.

Внутренность тоннеля на высоту более половины заполнена песчано-гравийной смесью, в которой проложены продуктопроводы различного диаметра. По поверхности засыпки проложены два продуктопровода большого диаметра.

В течение всего периода эксплуатации внутри тоннеля поддерживается относительно однородный температурно-влажностный режим. Вентиляция действует постоянно в принудительном режиме.

Среди различных факторов, негативно влияющих на эксплуатационные свойства материала обделки, выявленных за период наблюдения, мы выделим только один, наиболее ярко проявившийся, каковым является грунтовая вода.

Интенсивность действия этого фактора чётко проявляется по участкам тоннеля:

участок, прилегающий к северному порталу, имеющий длину около 1000 метров.

участок, прилегающий к южному порталу, длиной 600…700 метров.

средний участок тоннеля

Первый участок характеризуется относительно сильным проявлением воздействия воды на строительные конструкции.

Второй участок — зона относительно более слабых проявлений воздействия воды.

Третий участок — зона относительно слабых проявлений воздействия воды.

Внешним и наиболее массовым признаком проникновения грунтовой воды сквозь обделку тоннеля служат многочисленные сталактиты. Местами их основной дислокации стали стыки между блоками на доступной визуальному наблюдению поверхности обделки (рис. 3, 4).

Наиболее интересным в процессе образования сталактитов следует считать факт необычайно быстрого их роста. От момента зарождения до размеров 50…500 мм проходит немногим более года. Подобный факт можно объяснить уникальными условиями микроклимата в тоннеле.

Рисунок 3. Образование сталактитов на внутренней стороне обделки тоннеля

Рисунок 6. Размер сталактита достигает 500 мм

Перечень мероприятий по наблюдению за состоянием обделки тоннеля.

1. Периодический визуальный контроль состояния поверхности обделки тоннеля.

2. Контроль состояния маяков, установленных по всей длине тоннеля.

3. Фотофиксация выявленных дефектов и текущих разрушений.

4. Лабораторный анализ проб грунтовых вод, проникающих сквозь обделку, и проб бетона обделки, отобранных на местах выявленных разрушений.

5. Анализ полученных результатов.

Просачивание воды через стыки между блоками обделки — наиболее частый случай. Оценочно около 90% случаев. В остальных случаях вода проникает через другие «слабые» места. Согласно данным лабораторного анализа, вода пресная. Эта вода, проходя через толщу бетона, растворяет составляющие материала бетона. Таким образом, происходит коррозия бетона по первому виду, описанному теорией, разработанной проф. В. М. Москвиным.

Рисунок 5. Свободное проникновение воды сквозь обделку тоннеля

Пресные воды, соприкасаясь с цементным камнем, вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента известь Са (ОН) 2, которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продуктами гидратации. Удаляющаяся из цементного камня гидроокись кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются. Особенно быстро эти процессы протекают при фильтрации воды сквозь толщу бетона. В доказательство можно привести факты образования сквозных канальцев (рис.7) с вытекающими из них струями воды.

При просачивании воды выносимые ею из бетона растворённые вещества выпадают из раствора и кристаллизуются в виде многочисленных сталактитов.

Необычно быстрый рост сталактитов объясняется действием специфических условий, создающихся в атмосфере тоннеля. В нём поддерживается относительно постоянная температура и непрерывный ток воздушного потока, создаваемый вентиляционными установками. В такой среде скорость роста сталактитов повышается многократно по сравнению с классической, описанной в научной литературе.

Длина сталактитов за короткий период времени (по экспертным опросам — год и менее) вырастает от 25−30 мм до 100−250 мм, а в отдельных местах — до 500 мм.

Процесс фильтрации воды сквозь обделку происходит непрерывно и сам себя инициирует по следующей схеме:

испарение влаги со свободной поверхности обделки тоннеля способствует капиллярному подсосу

воды, так называемой миграции в сторону свободной поверхности;

при прохождении воды через толщу бетона происходит трение её о внутренние поверхности

капилляров и, как следствие, накопление статического электричества;

испаряющаяся влага оставляет на поверхности бетона свой статический разряд;

разряд накапливается и между слоями бетона возникает электрическое поле малой напряжённости;

под действием поля нарастает процесс миграции воды.

В связи с проникновением грунтовых вод через обделку тоннеля развился и продолжает нарастать процесс коррозии арматуры обделки, зримым результатом которого стало разрушение (откол) защитного слоя бетона.

В процессе фильтрации сквозь толщу обделки тоннеля вода, вступая в химическую реакцию с арматурой в присутствии кислорода, образует соединение

4Fe+2H2O+3O2=4FeO (OH),

т.е. ржавчину. Кроме того, железо вступает в химические реакции с иными соединениями, растворёнными в воде. Все эти вещества обладают объёмом, превышающим объём исходных материалов. Это приводит к нарастанию внутреннего давления в теле бетона и, как результат, к разрушению (отколу) защитного слоя бетона (рис. 6, 7).

Рисунок 6. Откол защитного слоя бетона обделки в результате коррозии арматуры

Рисунок 7. Откол защитного слоя бетона обделки в результате коррозии арматуры

Обнажившаяся масса коррозировавшего металла имеет достаточно рыхлую структуру. Через неё к поверхности арматуры поступает кислород воздуха, являющийся сильнейшим окислителем, и влага, содержащаяся в воздухе и мигрирующая по порам и трещинам бетона обделки. В результате процесс коррозии металла ускоряется. Судя по нашим наблюдениям, процесс разрушения защитного слоя бетона обделки набирает скорость.

Здание постройки конца XIX века на Старопетергофском проспекте, Санкт-Петербург

Воздействие воды на строительные конструкции может иметь и несколько необычные формы. Так, обследование здания постройки конца XIX века на Старопетергофском проспекте выявило картину разрушения покрытия пола, связанную с многолетним воздействием медленно проникающей воды на материал засыпки основания пола, состоящего из «извести и гари» (терминология исходного архивного документа). Перекрытие пролётом около 6 м в виде бетонных сводов по стальным балкам. Покрытие пола — мозаичное, монолитное. Некоторое время назад сотрудники предприятия обратили внимание на сильное вздутие полов в нескольких местах цеха. Выяснилось, что вода, вследствие длительного протекания технологических трубопроводов, проникла в массу засыпки, вступила с ней в вялотекущую реакцию гашения извести. В результате помола исходного сырья получается негашеная молотая известь, содержащая значительное количество медленно гасящихся частиц (пережог). Такая известь в смеси с гарью (зола, остатки недогоревшего твёрдого топлива и пр.) и была применена в засыпке под полы.

При взаимодействии с водой происходит гашение извести по реакции

СаО+Н2О=Са (ОН2) =15,5 ккал.

Содержащийся в смеси пережог гасится очень медленно. При этом его объём в общей массе увеличивается, происходит его вспучивание, растрескивание. Выделение значительного количества тепла при гашении извести приводит к образованию водяного пара. Находясь в замкнутом пространстве, ограниченном сверху плотной плитой покрытия пола, снизу — конструкцией бетонного свода, а с боков — металлическими балками, увеличившаяся в объёме масса выравнивающей засыпки выдавливается к самому слабому месту — замку свода перекрытия и разрушает его, что проявляется в видимом «вспучивании» поверхности пола (50…60мм) и образовании трещин, расположенных вдоль балок. Кроме того, горизонтальная составляющего усилий приводит к разрушению самого свода с образованием выраженных трещин в верхней части и со смещением сторон образовавшейся трещины относительно друг друга (рис.10).

Рисунок 10. Механизм разрушения конструкции пола и бетонных сводов

Недооценка воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции может привести к тяжёлым последствиям, тем более, что часто проявления такого воздействия могут маскироваться иными влияниями и не всегда распознаются при обследовании.

Применение ультразвукового метода для оценки зоны повреждения железобетона после пожара

Пожары относятся к наиболее часто встречающимся стихийным бедствиям, приводящим к значительным повреждениям, а иногда и полному уничтожению строительных конструкций. В зависимости от интенсивности и продолжительности огневого воздействия конструкции из разных строительных материалов получают повреждения разной степени, вплоть до полного разрушения.

Железобетон состоит из двух разнородных материалов: бетона и стальной арматуры, имеющих разные физико-механические характеристики. Температура нагрева бетонных элементов по их толщине не является постоянной. Это создает сложности при определении характеристик бетона в различных его слоях.

При нагреве бетона свыше 60⁰С происходит необратимое снижение его механических характеристик При огневом воздействии пожара происходит также снижение сцепления бетона с арматурой, что снижает несущую способность железобетонного элемента и повышает его деформативность. Так, абсолютная деформация удлинения арматурного стержня, не имеющего сцепления с бетоном, в 1,5 раза больше деформации удлинения стержня, имеющего сцепление с бетоном по всей его длине. (предела прочности, модуля деформации)

При значительном уменьшении сцепления бетона с арматурой может произойти проскальзывание последней и разрушение изгибаемого элемента по наклонному сечению.

При нагреве арматуры из сталей классов А-I, А-II, А-III, до температуры 700 0С и последующем её охлаждении сохраняется её первоначальный предел текучести.

Можно сделать вывод, что при нагреве до температуры 500 0С и охлаждении обычных железобетонных элементов, в которых использована арматура из сталей классов А-I, А-II, А-III, предел текучести арматуры, а следовательно, и её расчетное сопротивление, остается первоначальным.

Согласно имеющимся нормативам [2], прочность бетона, температура нагрева которого превысила 500 0С, принимается равной нулю. Однако в действительности иметь в виду, что из-за неравномерности распределения температур по глубине сечения конструкций, максимальный нагрев имеет только наружный (подверженный огневому воздействию) слой. На рис. 11 приведены изотермы распределения температур по сечению ж/б балки, полученные по результатам расчета. Как видно по рисунку, при нагреве поверхности до 600⁰С (при длительности огневого воздействия 20 мин.) на глубине, равной толщине защитного слоя, температура бетона конструкции уменьшится в два раза.

Рисунок 11. Распределение температур нагрева бетона по поперечному сечению балки при времени огневого воздействия 10 и 20 мин

В ходе обследования конструкций в здании, расположенном по адресу: г. Санкт-Петербург, Невский пр., д. 55, выполненного специалистами ГОУ СПбГПУ и ПНИПКУ «Венчур» в январе-феврале 2009 года, вышеуказанная задача была одной из основных

По информации, указанной в «Акте о пожаре», а также свидетельству очевидцев, установлено, что возгорание началось 25 декабря около 2000 (согласно времени сообщения о пожаре). Пожар был ликвидирован заливкой воды к 2242 25 декабря. Причина возгорания, его длительность и максимальная температура в Акте указаны не были.

По визуальным признакам в результате огневого воздействия были повреждены следующие конструкции, выполненные из монолитного железобетона:

колонны 2 этажа;

балки перекрытия над 2 этажом;

плита перекрытия над 2 этажом.

Предположительная максимальная температура нагрева бетона конструкции около 800−900 ⁰С была установлена по следующим косвенным признакам:

цвет бетона — серый;

части колонн и большая часть перекрытия покрыты сажей;

имеются отслаивания защитного слоя бетона и его обрушение;

бетон колонн откалывается молотком по углам сечения на глубину до 20 мм;

поверхность бетона покрыта сеткой неглубоких температурно-усадочных трещин.

Наиболее существенными повреждениями, снижающими несущую способность конструкций, являлись:

1.) образование поперечных трещин, а также сетки трещин в защитном слое бетона балок раскрытием до 0,3 мм;

2.) образование сетки трещин в защитном слое бетона колонн и перекрытия раскрытием до 0,3 мм;

3.) обрушение защитного слоя бетона перекрытия с обнажением рабочей арматуры нижней сетки на площади = 310 м²;

4) деформация и отслоение арматуры плиты перекрытия с последующим прогибом до 5 см.

Для решения задачи по выяснению фактической площади повреждения плиты перекрытия были выполнены измерения скорости прохождения ультразвуковых волн (УЗВ) сквозь плиту. Измерения производились как в зоне с наличием визуально определимых дефектов (скол защитного слоя, сажа и т. п.), так и за ее пределами. В ходе исследований измерения были проведены в 60 точках, расположенных с шагом 3,0 м на поверхности плиты перекрытия.

Работы выполнялись с помощью ультразвукового прибора Пульсар 1.1 производства НПП «Интерприбор». Сквозное прозвучивание осуществлялось соосным приложением датчиков прибора с нижней и верхней стороны плиты. Для определения расположения точек с обратной поверхности плиты, а также для обеспечения их соосности в каждом исследуемом участке осуществлялось бурение сквозного вертикального отверстия диаметром 10 мм. В этом же отверстии определялась и фактическая толщина перекрытия для каждой точки измерения. Для определения отсутствия арматуры в точке измерения (бурения отверстия) применялся магнитный метод по ГОСТ 22 904–93. Отношение определенной толщины перекрытия в каждой точке к времени распространения УЗВ, которое измеряется прибором, дало значение скорости УЗВ.

Известно, что прочность бетона находится в тесной связи со скоростью распространения УЗВ в нем, что и используется в ходе неразрушающего контроля прочности по ГОСТ 17 624–87. Наличие дефектов в толще бетона, таких как трещины, расслоения, не провибрированные зоны также существенно сказывается на величине скорости УЗВ, которая при наличии дефектов резко снижается.

Рисунок 8. План расположения точек измерения на плите перекрытия с указанием скорости УЗВ и определенной зоны повреждения

Два данных обстоятельства и легли в основу применимости данного метода в исследовании.

По результатам измерений было выявлено, что в поврежденной зоне вокруг очага возгорания скорость УЗВ в бетоне имела величины от 2700 до 4300 м/с. Вне зоны повреждения скорость УЗВ имела среднее значение 4500 м/с. По результатам измерений была выделена поврежденная зона перекрытия (рис. 8).

Для решения второй поставленной задачи, а именно определения глубины повреждения бетона конструкций, и произведено выбуривание кернов диаметром 75−100 мм из плиты перекрытия, колонн и балок. Отбор кернов произведен в 10 участках из плиты, в 7 из балок и в 12 из колонн. Точки отбора кернов располагались как на конструкциях, имеющих визуальные признаки повреждения, так и на неповрежденные.