книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Л.В. Янковский, П.Б. Рапопорт, А.В. Кочетков

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 625.84-047.36 Я62

Рецензент:

действительный член РАТ, МАН ВШ, ЖКАРФ, АПКРФ,

АИНРФ, РОНКТД, ASCE, IABSE, RILEM,

д-р техн. наук, профессор И.Г. Овчинников (Саратовский государственный технический университет)

Янковский, Л.В.

Я62 Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций : моногр. / Л.В. Янковский, П.Б. Рапопорт, А.В. Кочетков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 237 с.

ISBN 978-5-398-00874-6

Рассмотрены результаты теоретических и практических исследований по оценке состояния цементобетонных дорожных конструкций на основе исследования влияния климата на бетон конструкций с целью принятия решений о проведении или непроведении ремонтных работ и прогнозирования срока службы.

Изложен метод определения долговечности элементов цементобетонных конструкций автодорожной инфраструктуры, испытывающих влияние резко континентального климата Урала и Сибири. Приведены примеры расчёта и экономическое обоснование применения пластификаторов.

Предназначено для инженерно-технических и научных работников проектных, дорожно-строительных организаций, а также преподавателей, студентов и аспирантов автодорожных факультетов вузов, обучающихся по направлению «Строительство».

УДК 625.84-047.36

2

ВВЕДЕНИЕ

Среди строительных материалов лидирующее место во всем мире занимает цементобетон (далее бетон). В настоящее время в нашей стране производится за год около 17 млн м3 сборных железобетонных конструкций, более 30 млн м3 монолитного бетона и раствора и приблизительно 5 млн м3 мелких бетонных блоков, ежегодное производство бетона и железобетона в мире превышает 3 млрд м3. Из 2800 млн м2 жилого фонда России на здания, построенные с применением бетона и железобетона, приходится не менее 2 млрд м2. Доля сборного и монолитного железобетона составляет более 40 % стоимости валовой продукции и основных фондов промышленности строительных материалов России, на построенные здания и сооружения в стоимостном выражении приходится 60 % национального достояния страны. При этом не менее 2/3 зданий и сооружений выполнено с применением бетона и железобетонных конструкций

[7, 29].

По уровню технических и экономических показателей бетон и железобетон являются основным конструкционным материалом, занимая приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции. Эффективность функционирования отрасли производства бетона и железобетона в значительной мере определяет уровень всей промышленности стройматериалов. Бетон и железобетон как строительный материал в наибольшей степени отвечает критериям устойчивого развития, главным из которых является применение долговечных бетонов, требующих в процессе эксплуатации минимальных затрат на ремонт [43].

Проблема долговечности бетона возникла более ста лет назад, и со временем в связи с огромными масштабами применения этого строительного материала острота и значимость этого вопроса только возрастали. Обеспечение долговечности цементного бетона является серьезной проблемой.

В технической литературе достаточно широко представлены многочисленные случаи преждевременного разрушения по различным причинам бетонов сооружений, как правило, построенных в течение последних 30–40 лет. Установлено, что в настоящее время скорость разрушения бетонных сооружений выше, чем в прошлом.

Среди наиболее быстро повреждаемых сооружений можно выделить железобетонные мосты, скорость разрушения которых на 50 % превыша-

3

ет скорость разрушения прочих сооружений (мост метро в Лужниках), путепроводы (путепровод у метро «Парк культуры», путепровод на Самотечной площади, подземные переходы и переходы над железнодорожными путями в пределах г. Москвы), коммунальные тоннели и каналы, очистные сооружения, коллекторы сточных вод, проходные тоннели с линиями электроснабжения, связи, холодного и горячего водоснабжения; подземные сооружения типа подвалов; фундаментные сооружения и т.п. [157].

Недостаточная долговечность выявлена у цементобетонных дорожных покрытий, железобетонных шпал, сборных железобетонных лотков ирригационных каналов, подпорных стен, цементобетонных силосов

ит.д.

Врезультате обследования 3948 плотин в США установлено, что 988 из них находятся в опасном состоянии, а 58 требуют срочного ремонта, эксплуатируется более 595 тыс. автодорожных мостов, примерно 25 % из которых имеют те или иные повреждения и требуют ремонта или замены.

Аварии зданий и сооружений из бетона и железобетона имеют тенденцию к росту. Так, в РФ произошло 16 аварий за 2007 г. и 10 – за 2008 г., в 2009 г. – 26. Обрушаются как эксплуатируемые, так и строящиеся здания и сооружения. В качестве примеров могут быть приведены некоторые случаи обрушения: плит перекрытия двухэтажной подземной автостоянки на Кожевнической улице, универсального культурно-спортивного центра в Турчаниновом переулке, подземного гаража дома № 3 по ул. Широкой (Северное Медведково) в г. Москве и т.п.

Имеет место увеличение случаев аварий при производстве ремонтновосстановительных работ и реконструкции существующих зданий. Так, в течение 2009 г. в Москве произошли обрушения стены в музее-усадьбе Коломенское в Москве, перекрытий домов в г. Дзержинске Нижегородской области и в Гороховском районе Удмуртии, старой гостиницы в г. Казани, части здания горсуда в Санкт-Петербурге; обрушение при демонтаже сборной железобетонной оболочки двоякой кривизны размером

40×40 м на Люблинском рынке и т.п.

Обрушение зданий и сооружений происходит также и за рубежом: 24.01.2009 г. Сант-Бои-дель-Лобрегат, Барселона, Испания – крыша спортивного комплекса; 16.03.2009 г. – торговый центр в микрорайоне Вильнюса, Литва; 28.04.2009 г. – строящийся отель п. Бильгя, Баку, Азербайджан; 29.06.2009 г. – часть шестиэтажного здания автостоянки (сдано в эксплуатацию в 2001 г.) в штате Джорджия, Атланта, США.

4

До 90 % аварий происходит уже во время эксплуатации строительных конструкций. Обеспечение долговечности бетонов, предназначенных для использования при строительстве долговременных сооружений (тоннели, мосты, различного типа подземные сооружения, метрополитены, цементобетонные покрытия автомобильных дорог и т.п.), стало основной проблемой, решаемой при проектировании и строительстве.

Объем уже построенных и эксплуатирующихся в условиях воздействия климата сооружений велик и растет с каждым годом, соответственно растет и объем ремонтно-восстановительных работ, требующих вложения значительных средств за счет выделяемых народнохозяйственными планами фондов на капитальное строительство.

Затраты труда, материальных ресурсов и средств на поддержание зданий и сооружений промышленности в нужном для нормальной эксплуатации состоянии в целом по РФ составляют около 6 млрд руб. в год [36]. В настоящее время в США стоимость эксплуатации мостов превышает $1 млрд ежегодно, а стоимость эксплуатации всех зданий и сооружений превышает $20 млрд.

По оценкам специалистов, в РФ до 75 % зданий и сооружений, в том числе мостов и дорог, подвергаются агрессивным природным воздействиям, в том числе климатическим.

Систематическое воздействие меняющихся параметров климатической среды на бетон конструкций и сооружений способствует развитию микро- и макротрещин в бетоне и может приводить к нежелательным последствиям.

Обследование железобетонных и бетонных конструкций и сооружений, воздвигнутых и эксплуатируемых в условиях непосредственного воздействия климата (железобетонные шпалы [192], сборные железобетонные лотки ирригационных каналов [105], подпорные стены, каналы, лотки [52, 132], элеватор [99], цементобетонные дорожные покрытия [147], цементные силосы цементного завода [99], очистные сооружения), выявило их недостаточную долговечность.

Особенно значительным может быть влияние микродефектов бетона на работу конструкций, эксплуатируемых в природных климатических условиях. Неблагоприятное воздействие климатической среды на бетон должно быть снижено, особенно в конструкциях, к которым предъявляются повышенные требования с точки зрения эксплуатационной надежности (транспортные, гидротехнические и другие сооружения).

5

Изучению последствий влияния климата на структуру и свойства бетонов посвящено большое число различных исследований. При этом действие реальной климатической среды зачастую заменяется действием различного типа имитационных сред. Значительная часть этих исследований ограничивается изучением последствий воздействия климата на бетон в период становления его структуры и направлена на выработку мер технологического характера, снижающих нежелательное воздействие климата на потребительские свойства бетонов. Использование различных типов имитационных сред и методов оценки последствий воздействия климата на бетоны создает затруднения, а в отдельных случаях делает невозможным сопоставление результатов, полученных разными исследователями.

Всвязи с этим необходима разработка достаточно надежного и обоснованного метода оценки и прогнозирования состояния бетонов, испытывающих воздействие природных условий климата, комплексно учитывающего наряду с влиянием климатической среды особенности поведения самого бетона как неоднородного многокомпонентного материала сложной структуры.

Вэтом отношении наименее изученным является изменение свойств

иструктуры бетонов при длительном действии реальной климатической среды. Недостаточно исследован вопрос о взаимосвязи различных характеристик свойств и структуры бетонов, испытывающих воздействие климата. Наконец, до настоящего времени нет единой точки зрения, какие свойства бетона являются определяющими в изменении состояния бетона под воздействием климата. Общепринятые рекомендации связывают

обеспечение долговечности бетонов в условиях воздействия климата с увеличением значений прочностных характеристик к началу этого воздействия, что в ряде случаев может оказаться малоэффективным (особенно, если повышенная прочность обеспечивается увеличенными расходами цемента, использованием жестких режимов пропарки, применением некоторых видов добавок).

Решение поставленных вопросов важно как в научном, так и практическом отношении. Актуальность проблемы особенно возросла в последние годы в связи с расширением использования для приготовления бетонов местных материалов, новых технологий, материалов и химических добавок, в том числе пластифицирующих, что не может не отразиться на его свойствах.

6

В последние годы к вопросам долговечности бетона привлечено внимание многих специалистов, и расчёты конструкций на долговечность становятся нормой во многих странах мира. В ЮАР, например, введены упрощенные контрольные испытания на долговечность, которые используются для оценки срока службы изделия. Эти испытания, базирующиеся на эксплуатационных характеристиках испытуемого изделия, дают возможность подобрать состав смеси для индивидуальных проектов. В этих условиях возможность прогнозирования долговечности бетонов в условиях воздействия климата приобретает первостепенное значение, служит решению народнохозяйственной проблемы рационального использования материальных ресурсов в строительстве.

Настоящая работа посвящена исследованию комплекса свойств бетона изделий с добавкой пластификатора и без нее, испытывающего воздействие климата, с целью оценки и прогнозирования его состояния.

Особенностью работы является комплексность изучения свойств бетона и оценка их относительной информативности с позиций долговечности в условиях воздействия реальной климатической среды. В рамках данной работы рассматриваются только тяжелые бетоны, изготовленные на портландцементе и заполнителе из плотных горных пород в условиях климатической среды Урала и Сибири.

Для разработки экономически рациональной стратегии сохранности, содержания и ремонта конструкций и сооружений из бетона и железобетона необходима также оценка их остаточного ресурса на текущем этапе эксплуатации. Эффективность любой системы управления состоянием зданий и сооружений определяется достоверностью прогнозирования изменений состояния и процесса разрушения цементного бетона. Неадекватность моделей и расчетных формул, заложенных в системе управления, реальным процессам, происходящим в ходе эксплуатации, может привести к принятию неверных технических решений и значительному снижению практической значимости разработанных стратегий, сохранности конструкций и сооружений. Именно поэтому совершенствование методов оценки остаточного ресурса и долговечности цементных бетонов является актуальной задачей строительной отрасли.

Целью исследования является исследование особенностей изменения характеристик свойств и структур различных бетонов при длительном (18–34 месяца) воздействии природной климатической среды, выявление комплекса характеристик, достаточно полно описывающих состояние бе-

7

тона, а также разработка теоретических основ и методов оценки состояния, определения остаточного ресурса и прогнозирования долговечности цементных бетонов, эксплуатирующихся в условиях воздействия климата Урала и Сибири.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

•разработана методика проведения исследований;

•проведены экспериментальные исследования по изучению изменения характеристик свойств и структуры бетонов естественного твердения, пропаренных, с добавкой ПЯ-01 и без добавки при длительном 18–34 месяца воздействии природной климатической среды;

•определены относительные информативные характеристики свойств и структур бетонов с позиций стойкости в условиях воздействия природного климата;

•разработаны принципы и основные положения оценки остаточного ресурса бетонов эксплуатируемых конструкций и сооружений;

•проведена оценка влияния пластификации бетонной смеси добавкой ПЯ-01 на стойкость бетона в условиях воздействия природной климатической среды;

•усовершенствованы известные математические модели для описания характеристик свойств бетона конструкций и сооружений, проверены их адекватность, проведён численный эксперимент, включающий сопос-

тавительный анализ состояний бетонов различных условий твердения

впроцессе эксплуатации;

•разработана математическая модель накопления повреждений цементных бетонов в условиях воздействия природной климатической среды Урала и Сибири;

•разработана теоретическая основа и метод оценки состояния на текущем этапе эксплуатации и прогнозирования долговечности бетона в условиях воздействия природной климатической среды с использованием теории распознавания образа;

•разработан теоретико-экспериментальный метод оценки остаточного ресурса бетона эксплуатируемых конструкций и сооружений;

•проведено апробирование разработанных моделей и методик на собственных экспериментальных данных и на опубликованных результатах других зарубежных и отечественных учёных.

Объектом исследования являются цементные бетоны лабораторных образцов, натурных конструкций и эксплуатируемых сооружений.

8

Предметом исследований является совокупность теоретических, методологических и практических аспектов оценки остаточного ресурса

ипрогнозирования долговечности бетонов эксплуатируемых конструкций

исооружений.

Методологической базой исследований является системный подход, включающий комплексное использование теоретических и экспериментальных средств и методов. Исходные положения теоретической части работы базируются на результатах фундаментальных исследований в области аналитических и численных методов. Экспериментальные средства

иметоды основаны на использовании современной аппаратурной базы

иматематических методах обработки данных на ЭВМ.

Фактический материал. В основу научной работы положены результаты лабораторных исследований, выполненных авторами в 1996–2010 гг.

спомощью строительных предприятий (ООО «Строительный комплекс Звёздный», ООО «Ремонтно-строительное», ООО «СКЗ-ПЛЮС»,

ООО «Урал-Тайзер», ОАО «Трест № 7», 2ПУ «Уралхиммонтаж» и др.) на площадках сборного железобетона в Пермском крае и Новосибирской области. Исследования проведены на лабораторных образцах и образцах отобранных из конструкций, выполненных из обычного бетона на портландцементе и заполнителе из горных пород с добавкой ПЯ-01 и без неё, изготовленных и твердевших в природных климатических условиях Урала и Сибири и нормальных условиях.

Всего исследовано шесть разновидностей бетонов, изучены свойства бетона натурных изделий плит ПДН и ПГ, свай, лотков.

Научная новизна состоит в создании и реализации принципиально нового комплексного подхода к оценке остаточного ресурса цементобетона дорожных конструкций и сооружений, эксплуатируемых в условиях воздействия реального климата, основанного на применении теоретических методов моделирования накопления повреждений цементного бетона с учетом реального состояния, выявленного экспериментально на текущем этапе эксплуатации.

Новые научные результаты состоят в следующем:

•вскрыты основные закономерности изменения состояния бетонов

сдобавкой ПЯ-01 под воздействием реальной климатической среды;

•экспериментально исследовано изменение совокупности характеристик свойств и структуры бетонов заводского изготовления с добавкой ПЯ-01 и без добавки под воздействием природной климатической среды

9

в сопоставлении с аналогичными характеристиками пропаренных и непропаренных бетонов, твердевших после изготовления в нормальных условиях;

• доказано, что состояние бетона, испытывающего воздействие природной климатической среды, достаточно полно описывается относительными значениями призменной прочности (Rb), нижнего уровня мик-

ротрещинообразования (Rcrc0 ), водопоглощения (W). Установлены коли-

чественные и качественные оценки изменения характеристик состояния бетонов в процессе эксплуатации с выявлением основных параметров, обуславливающих накопление дефектов бетонов;

•выявлена связь характеристик свойств и структуры бетона с его состоянием, получены математические зависимости, позволяющие оценивать состояния бетонов по степени близости к состоянию, принятому за предельное;

•выявлено, что защита плёнкообразующим препаратом К-9 позволяет компенсировать снижение стойкости бетонов, пластифицированных добавкой ПЯ-01;

•разработана модель накопления повреждений бетонов с учетом повторяемости реальных воздействий климата в процессе эксплуатации, позволяющая оценивать их остаточный ресурс;

•разработан алгоритм и реализована программа для прогнозирования изменения состояния бетонов под воздействием природной климатической среды;

•развиты теоретические основы прогнозирования долговечности бетонов и проведена проверка адекватности предложенных математических моделей путем сопоставления с результатами натурных экспериментов.

Достоверность теоретических решений определяется математиче-

ской строгостью и обоснованностью применения методов теории распознавания образов, использованием подходов теории надежности при разработке математических моделей, а также сопоставлением расчетных характеристик с экспериментальными данными, полученными в натурных условиях, в том числе другими учёными. Достоверность получаемых результатов обеспечена также статистическим анализом и многократной проверкой результатов испытаний, корректным применением современных методов исследований (химического, рентгенографического и диф- ференциально-термического анализа).

10