Диагностика и испытание строительных конструкций

метки: Конструкция, Испытание, Применять, Строительство, Строительный, Основной, Коррозия, Прочность

«Диагностика и испытание конструкций»

1. Обследование зданий

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

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

Обследование проводится в 3 этапа.

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

Второй этап – обследование несущих и ограждающих 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 высота этажей и пр. Диагностика состояния обычно производится с использованием нескольких методов: визуально, простейшими механическими приборами неразрушимого контроля, лабораторными и натурными испытаниями.

В задачу визуального осмотра входит оценка физического состояния отдельных элементов и здания в целом. Осмотру подлежат все несущие и ограждающие здания: кровля, 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 [7].

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

Обследование стальных конструкций

... элементов связей. В первую очередь при обследовании следует обращать внимание на дефекты, приводящие к снижению несущей способности конструкций или к ненадежности и несовершенству общей пространственной схемы обследуемого здания ... заводские сертификаты на поставленные стальные конструкции-документы (сертификаты и др.), ... металлических конструкций. С этой целью до начала визуального обследования должна ...

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 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.

перекрытий

При осмотре покрытия основное внимание обращается на состояние несущих конструкций: 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 обследования зданий является получение количественных данных о состоянии несущих и ограждающих деформациях, прочности, трещинообразовании и влажности.

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

Таблица №1. Методы обследования

№ п/п	Исследуемый параметр	Метод испытания или измерения	Инструменты, приборы, оборудование
1.	Объёмная деформация здания	Нивелирование; теодолитная съёмка	Нивелиры: Н-3, Н-10, НА-3 и др. Теодолиты: Т-2, Т-15, ТаН и др. Фотоаппараты, стереокомпаратор
2.	Прогибы и перемещения	Нивелирование Прогибомерами: а) механического действия б) жидкостными на принципе сообщающихся сосудов	Нивелиры: Н-3, Н-10, НА-1 и др. ПМ-2, ПМ-3, ПАО-5 П-1
3.	Прочность бетона	Метод пластических деформаций (ГОСТ 22690.0-88) Ультразвуковой метод (ГОСТ 17624-87) Метод отрыва со скалыванием (ГОСТ 226900-88) Метод сдавливания	Молоток Физделя, молоток Кашкарова, пружинистые приборы: КМ, ПМ, ХПС и др. УКБ-2, Бетон-5, УК-14П, Бетон-12 и др. ГПНВ-5, ГПНС-4 Динамометрические клещи
4.	Прочность раствора	Метод пластической деформации	Склерометр СД-2
5.	Скрытые дефекты материала	Ультразвуковой метод Радиометрический метод	Приборы: УКБ-1, УКБ-2, Бетон-12, Бетон-5, УК-14П Приборы: РПП-1, РПП-2, РП6С
6.	Глубина трещин в бетоне и каменной кладке	Подсечка трещин Ультразвуковой метод	Молоток, зубило, линейка УК-10ПМ, Бетон-12, УК-14П, Бетон-5, Бетон-8УРЦ и др.
7.	Ширина раскрытия трещин	Измерение стальными щупами и пр. С помощью отсчётного микроскопа	Щуп, линейка, штангенциркуль МИР-2
8.	Толщина защитного слоя бетона	Магнитометрический метод	Приборы: ИЗС-2, МИ-1, ИСМ
9.	Плотность бетона, камня и сыпучих материалов	Радиометрический метод (ГОСТ 17623-87)	Выносной элемент типа ИП-3 Счётные (радиометры): Б-3, Б-4, Бетон-8-УРЦ
10.	Влажность бетона и камня	Нейтронный метод	Счётные СЧ-3, СЧ-4, «Бамбук»
11.	Воздухопроницаемость	Пневматический метод	ДСК-3-1, ИВС-2М
12.	Теплозащитные качества стенового ограждения	Электрический метод	Термощупы: ТМ, ЦЛЭМ, Теплометр ЛТИХП
13.	Звукопроводность стен и перекрытий	Акустический метод	Генератор «белого» шума ГШН-1 Усилители: УМ-50, У-50 Шумомер Ш-60В Спектометр 2112
14.	Параметры вибрации	Визуальный метод Механический метод Электрооптический метод	Вибромарка Виброграф Гейгера, ручной виброграф ВР-1 Осциллографы: Н-105, Н-700, ОТ-24-51, комплект вибродатчиков
15.	Осадка фундамента	Нивелирование	Нивелиры: Н-3, Н-10, НА-1 и др.

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 документации и данных натурного обследования составляются планы этажей, где указываются места расположения аварийных помещений и 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

№ п/п	Обследуемые части здания (оси, этажи)	Полностью разрушенные (указать характер разрушения)	Частично разрушенные (указать характер разрушения)	Вывод о необходимости замены или усиления возможность нахождения людей на конструкциях или под ними	Вывод о возможности нахождения людей в обследуемых помещениях
1	2	3	4	5	6

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

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

Особое внимание при обследовании уделяют прочности материалов 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

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 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 площадью до 1000 м ² . 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 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 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: 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 конструкций

Повреждения 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 а также повреждения, вызванные высокой температурой и резким охлаждением при пожарах.

Увлажнение

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

1. при изготовление (строительная влага);

2. атмосферными осадками;

3. утечками из водопроводно-канализационной сети;

4. конденсатом водяных паров воздуха;

5. капиллярным и электроосмотическим подсосом грунтовой воды.

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

Содержание влаги

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

атмосферными осадками

Для защиты стен от увлажнения атмосферными осадками проводятся 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.

утечками из водопроводно-канализационной сети

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

конденсатом водяных паров воздуха

Механизм образования конденсата внутри ограждающей достаточно сложен и зависит от многих параметров: разности парциального давления паров воздуха у противоположных поверхностей относительной влажности и температуры воздуха внутри и снаружи помещения, а также плотности материала. Степень насыщения воздуха парами воды выражается через относительную влажность воздуха φ,%, 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 40 ⁰ С , .

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

,

,

Действительная упругость паров воды составляет:

;

.

Парциальное давление паров на внутреннюю поверхность ограждающей (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 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.

капиллярным и электроосмотическим подсосом

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 1,5м.

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

электроосмосом

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 0,3-0,5м. Длина полос принимается не менее высоты увлажнения стены;

— б) наложенным током с напряжением 40-60В 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 [2].

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 противофильтрационных завес, выполняемых набивкой глины или нагнетанием битума.

восстановление или устройство новой гидроизоляции стен здания

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

горизонтальной

Инъецирование производится растворами кремнийорганических соединений ГКЖ-10 и ГКЖ-11 через отверстия в стенах, располагаемые в один или два ряда. Расстояние между рядами принимается 25см, 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 [9].

Восстановление горизонтальной гидроизоляции стен рулонными материалами (рубероидом, гидроизол-пергамином и пр.) производится участками длиной 1-1,5м. 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 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

Железобетонные 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 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 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 рассматривается в тезисной форме. Для более углублённого изучения данного вопроса следует использовать специальную литературу [10].

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 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 [2] 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.

самозалечиванием

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

а) соляной: Ca(OH) ₂ +2HCl=CaCl₂ +H₂ O;

б) серной: Ca(OH) ₂ +H₂ SO₄ =CaSO₄ +H₂ O;

в) азотной: Ca(OH) ₂ +H₂ NO₃ =Ca(NO)₃ +H₂ O,

в результате чего Ca(OH) ₂ разрушается.

При фильтрации кислотных растворов через толщу бетона продукты разрушения вымываются, 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 СO ₂ углекислота, взаимодействую с известью, карбонизует её, т.е.

Ca(OH) ₂ +H₂ СO₃ =CaСO₃ +2H₂ O

Образующийся в результате химической реакции карбонат кальция CaСO ₃ является малорастворимым, поэтому концентрации его на поверхности предохраняет бетон от разрушения в зоне контакты с водной средой, увеличивает его физическую долговечность.

При высокой концентрации СO ₂ 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(HСO ₃ )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, Однако при этом более стойкими оказываются бетоны плотной портландцементе.

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

Щелочная коррозия

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 бетона продуктами кристаллообразования солей, накапливающихся в порах и капиллярах.

Кристаллизация солей

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 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 (разрушение) бетона при периодическом замораживании и оттаивании

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 низким коэффициентом водопоглащения.

Влияние производственных масел

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

,

где