книги / Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сокращение капитального строительства новых объектов с од­ новременным существенным увеличением объемов реконструкции стало одним из главных направлений в области капитального стро­ ительства.- Огромные масштабы применения железобетона и ка­ менных материалов в конструкциях зданий и сооружений и огра­ ничения сроков службы в различных средах обусловили нарастаю­ щие объемы работ по ремонту и восстановлению таких конструк­ ций.

В процессе эксплуатации и реконструкции объектов изменяют­ ся объемно-планировочные решения, возникает необходимость вос­ становления, усиления или повышения несущей способности кон­ струкций, обеспечения их антикоррозионной защиты, соответству­ ющей изменяющимся условиям эксплуатации. Выполнение указан­ ных задач требует определенного уровня специальной подготовки и навыков инженерных кадров.

Настоящее пособие написано с целью дать представление дип­ ломникам специальности 290300 «Промышленное и гражданское строительство», а также молодым специалистам об основных ви­ дах воздействий, вызывающих дефекты и повреждения при эксплу­ атации железобетонных и каменных конструкций зданий и соору­ жений, о принятой классификации дефектов и повреждений, основ­ ных правилах проведения обследований и оценке технического сос­ тояния рассматриваемых видов конструкций, об основах выполне­ ния поверочных расчетов по оценке несущей способности, трещиностойкости и перемещений железобетонных и каменных конструкций с дефектами и повреждениями и основных принципах усиления кон­ струкций и устранения в них дефектов и повреждений.

Учитывая, что в данном объеме пособия невозможно детально осветить все вопросы обследования и усиления рассматриваемых видов конструкций, авторы приводят обширный список литерату­ ры, из которого заинтересованные читатели могут получить допол­ нительные сведения.

3

Г л а в а 1

ВИДЫ АГРЕССИВНЫХ СРЕД И ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ И КАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Применение железобетонных и каменных конструкций в различ­ ных отраслях народного хозяйства показало, что продолжитель­ ность безремонтной эксплуатации конструкций резко различается. Наиболее интенсивные повреждения отмечаются при воздействии на железобетонные и каменные конструкции внешней среды, со­ держащей кислоты (в виде водных растворов) или кислые газы, образующие кислоты при растворении в конденсате или воде.

Как показывают обследования, повреждения железобетонных и каменных конструкций зависят от многих факторов: вида, состава среды и условий контакта, от влажности среды и температуры, а также от химических свойств вяжущего бетона, его структурной проницаемости, от конструктивных решений и, в частности, от ви­ да, количества и расположения арматуры, вида и уровня напря­ женного состояния в бетоне и в арматуре, а также в составляющих каменной кладки.

К внешним факторам, определяющим интенсивность коррози­ онных процессов железобетона и каменной кладки, относят: вид среды, ее химический состав, концентрацию, температуру и режим действия. К внутренним факторам, определяющим сопротивление железобетона и каменной кладки относятся: вид вяжущего в бето­ не, его химический, минеральный состав, химический состав запол­ нителей, плотность бетона, его структура, вид арматуры, вид при­ меняемых для каменной кладки материалов и др.

1. Классификация агрессивной среды

По физическому состоянию агрессивные среды классифицируют­ ся на газовлажные, жидкие и твердые. Для железобетонных и ка-

4

менных конструкций это природные и промышленные водные раст­ воры, содержащие различное количество растворимых вещестз (кислот, солей, щелочей) или некоторые органические жидкости.

Газовлажные среды характеризуются относительной влаж­

ностью воздуха в пределах от 60 до 100% и содержанием в возду­ хе газов по концентрации.

По характеру взаимодействия с бетоном, цементным камнем, гидроксидом кальция газы подразделяются на три группы.

Газы 1-й группы, проникая в поровое пространство бетона, обра­ зуют с раствором гидроксида кальция малорастворимые соли каль­ ция. Объем продуктов взаимодействия несколько увеличивается и проницаемость порового пространства уменьшается. Основная схе­ ма действия газов 1-й группы на бетон — нейтрализация щелочнос­ ти цементного камня и. исключение защитного действия арматуры.

Газы 2-й группы образуют в поровом пространстве цементного камня слаборастворимые соли (например, гипс), способные увели­ чиваться в объеме более двух раз. Возникающие напряжения пре­ вышают Ret и наблюдается послойное шелушение поверхности.

Газы 3-й группы образуют в поровом пространстве хорошорастворимые соли кальция (например, хлористый кальций) — гигро­ скопичные вещества, активно засасываемые в капилляры и транс­ портирующие хлор-ионы к арматуре. В зоне контакта с бетоном наблюдается существенное размягчение бетона в слое 5— 10 мм.

Жидкие среды: грунтовые воды (мягкие, талые снеговые);

минерализованные воды с содержанием солей СГ до 100 — 150 г/л, Mg2+— 15—40 г/л, S 0 2.r — 20—60 г/л, Са — 2—7 г/л; мор­ ские соли — СГ — 12— 17 г/л, Mg + — 3—8 г/л, S 0 4 — 7 г/л.

При взаимодействии воды и растворов солей в них с цементным камнем бетона происходят обменные реакции на замещение иона кальция в мягких обессоленных водах — процессы выщелачивания с понижением прочности бетона в зоне растворения и выноса гид­ рата окиси кальция. Грунтовые воды, как правило, многокомпонент­ ны и в них протекают процессы параллельно с образованием хло­ ристых, сульфатных и магнезиальных солей кальция. Наиболее ин­ тенсивно развиваются процессы сульфатной коррозии и процессы образования кристаллогидратов.

Эти процессы в поровой структуре цементного камня протекают с увеличением объема новообразований в 2—5 и более раз вслед­ ствие присоединения воды. Б бетоне наблюдается шелушение по­ верхности, появляется сетка трещин, фрагментация на блоки с вы­ падением заполнителя. Процесс продвигается вглубь бетона посто­ янно по стадиям: уплотнение — упрочнение — разупрочнение — разрыхление. В зависимости от пористости бетона ц минералоги­ ческого состава цемента скорость процесса от 0,5— 1 мм до 1 — 1,5 см в год. Процесс ускоряется климатическими воздействиями: замораживанием — оттаиванием, намоканием — высушиванием.

К особой категории жидких сред следует отнести техногенные воды, к которым относятся: оборотные воды; воды замкнутого цик­ ла. В этой группе вод содержатся кислоты, щелочи, растворители,

5

масла. Как правило, очистка этих вод является неудовлетвори­ тельной.

Твердые среды: сухие минерализованные грунты, содержащие

соли СГ, S 0 2- 4, Mg2+, Na, К; удобрения; производственная пыль. Агрессивность твердых веществ определяется растворимостью в воде 2 г/л и более и гигроскопичностью при влажности 60% и ме­

нее.

2. Коррозия бетона и арматуры в железобетонных конструкциях

Хотя бетон и является одним из наиболее долговечных материа­ лов, конструкции из него из-за агрессивного воздействия среды, не­ брежной эксплуатации, некачественного выполнения и по некото­ рым другим причинам все же подвергаются разрушению раньше того срока службы, на который они рассчитаны.

На основании результатов изучения процессов коррозии бетона, характера разрушения эксплуатируемых железобетонных конструк­ ций все процессы коррозии можно классифицировать на три основ­ ных вида. Ниже приводятся общие характерные признаки каждо­ го из них.

К коррозии I вида могут быть отнесены все процессы, протека­ ющие в бетоне при взаимодействии его с внешней водной средой, сопровождающиеся растворением и выносом растворимых состав­ ных частей цементного камня. Наибольшее развитие процессов кор­ розии этого вида наблюдается при действии на бетон быстротеку­ щих вод или при фильтрации вод с малой временной жесткостью. Наличие в растворе солей (но не солей кальция), не реагирующих непосредственно с составными частями цементного камня, но повы­ шающих ионную силу раствора, увеличивает растворимость гид­ рата окиси кальция, наиболее растворимой составной части це­ ментного камня, и соответственно усиливает и ускоряет развитие процессов коррозии I вида.

Ккоррозии II вида могут быть отнесены процессы, протекаю­ щие в бетоне при взаимодействии его с внешней агрессивной сре­ дой, при которых в результате обменных реакций между составны­ ми частями цементного камня и веществами, растворенными в воде, образуются легкорастворимые соли и аморфные малорастворимые продукты реакций, и те и другие не обладающие вяжущей способ­ ностью. К этому виду могут быть отнесены, например, процессы коррозии бетона при действии растворов кислот, магнезиальных со­ лей, солей аммония и др.

Ккоррозии III вида могут быть отнесены все те процессы кор­ розии бетона, в результате которых продукты реакции накаплива­ ются и кристаллизуются в порах и капиллярах бетона. На опре­ деленной стадии развития этих процессов рост кристаллообразо­ ваний способствует возникновению растущих по величине напря­ жений и деформаций в ограждающих стенках, а затем и разруше­ нию структуры. Деструктивные процессы могут вызываться не только непосредственно продуктами реакции,.но также и другими

6

солями, поступающими извне в виде раствора и кристаллизующи­ мися в бетоне. К этому виду могут быть отнесены процессы корро­ зии при действии сульфатов, связанные с накоплением и ростом кристаллов гидросульфоалюмината, гипса и др.

Очень часто в бетоне развиваются процессы коррозии всех трех видов, но при таком, сложном воздействии среды всегда можно вы­ делить роль преобладающего вида коррозии и второстепенного для данных конкретных условий.

Скорость, последовательность развития процессов коррозии каждого из этих трех видов и формы деструктивных процессов, протекающих в бетоне и вызывающих в конечном счете потерю бетоном своих основных свойств, будут весьма различны при корро­ зии различных видов.

При коррозии I вида ведущим фактором является выщелачи­ вание растворимых составных частей цементного камня и соответ­ ствующее разрушение его структурных элементов.

При интенсивном: развитии в. бетоне коррозии II вида ведущим является процесс взаимодействия агрессивных растворов с твер­ дой фазой цементного камня при катионном обмене и разрушение основных структурных элементов цементного камня.

Ведущими факторами при коррозии III вида являются также процессы, протекающие в бетоне при взаимодействии его с агрес­ сивной внешней средой, сопровождающиеся кристаллизацией со­ лей в капиллярах. Накопление солей идет как за счет химических реакций (цементный камень — агрессивная среда), так и за счет механического переноса солей к месту их кристаллизации.

При коррозии I вида резко уменьшается .содержание СаО в твердой фазе, но его количество остается достаточным для обра­ зования в слое продуктов коррозии не гелей ЭЮг, А1(ОН)3 н Fe(O H )3, а низкоосновных их соединений.

Долговечность бетона в сульфатных средах зависит от минера­ логического состава примененного цемента, а также от плотности и структуры бетона. Однако вода — среда, содержащая более 5000 мг/л SO*-2, агрессивна далее по отношению к особо плотному бетону, приготовленному на сульфатостойком портландцементе.

Проницаемость бетона — один из основных показателей его долговечности в агрессивной среде. Для тонкостенных железобе­ тонных конструкций промышленных знаний и соорулеений, эксплу­ атирующихся в агрессивных средах, характерен диффузионный ха­ рактер проникания агрессивной среды в бетон, при этом диффузия воды в цементном камне осуществляется преимущественно по ка­ пиллярам, т. е. происходит самодиффузия воды.

Под защитными свойствами бетона понимают его способность поддерживать металл в пассивном состоянии как в данный момент времени, так и в длительные сроки при воздействии на конструк­ цию агрессивной среды.

Бетон как коррозионная среда имеет ряд существенных особен­ ностей: в нем практически полностью отсутствует перемешивание порового электролита, затруднен массообмен у поверхности кор­

7

родирующего металла (в частности удаление продуктов коррозии) и иногда ограничено поступление кислорода. Многие виды бетонов имеют высокое значение pH порового электролита. Бетоны высо­ кой плотности или при малой влажности отличаются большим омическим сопротивлением.

Воздействие коррозионных сред вызывает в бетоне развитие физико-механических и физико-химических коррозионных процес­ сов. что приводит к изменению свойств бетона, перераспределению внутренних усилий в сечениях нагруженных элементов и измене­ нию условий сохранности арматурной стали.

Существенную роль в обеспечении надежности и долговечности железобетонных конструкций играет состояние ее стальной арма­ туры.

В плотном неповрежденном бетоне на цементном вяжущем стальная арматура может находиться в полной сохранности на протяжении длительного срока эксплуатации конструкций при лю­ бых условиях влажности окружающей среды. Это объясняется тем, что наличие щелочной влаги (pH примерно равно 12,5) у поверх­ ности металла способствует сохранению пассивного состояния ста­ ли.

Коррозия стали в бетоне возникает в результате нарушения ее пассивности, которое может'быть вызвано:

1) уменьшением щелочности окружающего арматуру электро­ лита до pH, равного или меньше 12 при карбонизации или корро­ зии бетона;

2) активирующим действием хлорид- и сульфат-ионов, которые проникают к поверхности арматуры через дефекты структуры и трещины бетона.

Скорость протекания коррозионного процесса в случае наруше­ ния пассивности зависит от влажностного состояния бетона и его плотности, а также от присутствия агрессивных веществ у поверх­ ности арматуры.

Трещины в бетоне облегчают поступление влаги, воздуха и аг­ рессивных-веществ из окружающей среды к поверхности армату­ ры, вследствие чего ее пассивное состояние в местах расположе­ ния трещин нарушается.

Одним из видов трещин в железобетонных конструкциях явля­ ются коррозионные трещины, которые образуются в‘защитном слое бетона в результате возникновения больших растягивающих нап­ ряжений из-за накопления ржавчины на поверхности арматуры,, если условия эксплуатации способствуют коррозии. Коррозия ар­ матуры при первоначально монолитном защитном слое вызывает­ ся многими причинами, в том числе высокой пористостью бетона, карбонизацией, влиянием блуждающих токов, агрессивными газа­ ми и др. Трещины такого характера, независимо от ширины их рас­ крытия, являются опасными и свидетельствуют об агрессивности среды, в которой бетон не выполняет своей защитной функции по отношению к арматуре, а также о протекании незатухающего про­ цесса коррозии.

8

В -подавляющем большинстве случаев коррозия металлов — процесс электрохимический, для протекания которого необходимы:

1)наличие на поверхности металла разности потенциалов, т. е.

ееэлектрохимическая неоднородность;

2)наличие пленки электролита для электролитической связи между участками поверхности металла с различными потенциала­ ми;

3)активное состояние стали на анодных участках поверхностн, где происходит растворение металла по реакции

пН20--;-Ме— >-Ме :пН20 —е

4) поступление деполяризатора, в частности кислорода, к ка­ тодным участкам поверхности для ассимиляции избыточных элект­ ронов

4e-j-02+ 2H 20 — >40Н ~

Электрохимическая коррозия стали происходит только под сло­ ем электролита. В железобетонных конструкциях электролитом служит вода, диссоциированная на ионы Н + и ОН" благодаря растворенным в ней веществам, в частности Са(ОН)2. Влага мо­ жет поступать в трещины железобетонных конструкций при их ув­ лажнении, вызванном различными причинами, или же путем ка­ пиллярного подсоса. Если в защитном слое бетона нет трещин, электролит может образоваться в результате сорбции влаги из воздуха и ее конденсации в микрокапиллярах цементного камня, примыкающих к поверхности арматуры. При постоянной относи­ тельной влажности воздуха менее 60% и отсутствии увлажнения' конструкции сорбция влаги из воздуха микрокапиллярамн очень мала, слой электролита на поверхности арматуры не образуется,

икоррозия становится невозможной.

Влюбом случае развитие процессов коррозии арматуры в бе­ тоне свидетельствует о том, что не выполняется 3-е условие, т. е. по той или иной причине ее поверхность остается активной, либо не полностью пассивируется при изготовлении конструкции, либо теряет пассивность в процессе эксплуатации. Причинами возмож­ ной коррозии арматуры в бетоне могут быть:

1) введение в бетон коррозионноактивных добавок (главным образом, хлоридов) или их диффузия из внешней среды;

2) уменьшение щелочности влаги в бетоне ниже критической (рЫ= 11,5— 11,8) путем выщелачивания или нейтрализации кис­ лыми газами Са(ОН)2;

3)механическое пли коррозионное разрушение защитного слои

бетона; 4) образование трещин в бетоне.

Установлено, что плотный цементный бетон обеспечивает пер­ воначальную защиту стальной арматуры от коррозии благодаря пассивации поверхности стали в результате ее контакта со щелоч­ ной поровой жидкостью (рН =12,5). При pH ниже 11,8 начинается коррозия стали. Снижение щелочности бетона наблюдается при взаимодействии цементного камня с агрессивными газами окружаю-

9

шей среды. Наиболее интенсивно этот процесс протекает под воз­ действием углекислого газа, который является одним из компонен­

диссоциирует и взаимодействует с гидроксидом кальция с образо­ ванием бикарбоната и карбоната кальция. Последний кристалли­ зуется, т. е. происходит карбонизация бетона, в результате чего pH жидкой фазы снижается и при рИ =8,5 — 9 защита арматуры от коррозии уже не обеспечивается. Глубина карбонизации зави­ сит от плотности бетона, влажности воздуха, вида цемента и мо­ жет составлять от десятых долей миллиметра до нескольких мил­ лиметров в год.

Пассивность стали в щелочной среде не устанавливается в при­ сутствии некоторых активирующих ионов, в частности хлор-ионов. Это происходит, например, при действии на конструкции техноло­ гических растворов или хлорсодержащих газовых сред. Для арма­ туры считается опасным содержание хлоридов более 0,1—0,3 7о массы растворной части бетона. Критическое содержание хлор-ио­ нов зависит от pH и парциального давления кислорода у поверх­ ности стали, т. е. от степени затруднения его доступа к арматуре.

Коррозия стали в присутствии хлоридов имеет обычно язвенный характер и обусловлена местными разрушениями защитной окисной пленки на поверхности металла. Считают, что при наличии хлор-ионов в щелочном растворе вместо плотного защитного слоя гидроокиси железа образуется хлористое железо, не создающее за­ щитной пленки. Разрушение защитной пленки на отдельных участ­ ках обуславливает образование коррозионных пар, в которых ак­ тивный участок является анодом, а участок, имеющий защитную пленку, — катодом.

При содержании хлор-ионов в растворной части (0,24%) на по­ верхности стали в отдельных случаях появляются зеленый налет и , пятна ржавчины. Заметно повышение поляризующего тока с увели­ чением концентрации хлор-ионов. Одновременно увеличивается степень коррозии стали. При концентрации хлор-ионов от 0»32 ,до 0,46% обнаружена черная ржавчина.в виде пятен или сплошная. Таким образом, количество хлор-ионов, равное 0,24—0,32% веса растворной части бетона, является опасным для арматурной стали в бетоне.

Таким образом, в условиях эксплуатации, когда возможно кор­ розионное поражение арматурной стали в бетоне, наиболее значи­ тельными параметрами, влияющими на развитие электрохимичес­ ких процессов на поверхности арматуры, являются проницаемость бетона через микро- и макродефекты структуры, степень щелоч­ ности бетона защитного слоя.

Одним из видов коррозионного поражения арматуры является коррозионное растрескивание арматурной стали в бетоне, которое возможно в случаях воздействия на нее специфических видов аг-

10