Предупреждение аварий

2.3. Железобетонные конструкции

Дефекты при изготовлении. К ним относятся:

• отклонения геометрических размеров от проектных сверх предусмотренных допусками:
• несоблюдение толщины защитного слоя;

33

• несоответствие диаметра, количества, марок и классов стали, их положения в сечении проектным условиям;
• несоответствие марок и класса бетона;
• некачественная установка закладных деталей;
• отклонение конструкции от проектного положения;
• наличие околов, трещин и каверн в бетоне;
• некачественное выполнение узлов сопряжений;
• неправильное распалубливание.

Дефекты армирования. При изготовлении конструкций следует соблюдать нормативные требования по допускаемым отклонениям при установке арматурных сеток, каркасов и стержней, закладных деталей. Так, расстояние между отдельно устанавливаемыми рабочими стержнями, хомутами и проволокой ячеек сеток должно выдерживаться с точностью ± 10 мм. Отклонения в толщине защитного слоя бетона балок, колонн и плит толщиной более 100 мм не должны превышать ± 5 мм. Стержни должны быть прямолинейными, очищены от грязи и ржавчины.

На практике эти требования часто нарушаются. Особенно опасно смещение рабочих стержней в конструкциях и элементах, испытывающих изгибающие моменты. Известны случаи обрушения конструкций по этой причине. Заранее изготовленные сетки и каркасы при перевозках и хранении иногда значительно повреждаются.

Разрушение конструкций из силикатного бетона. Прочность бетона резко снижается с увеличением влажности и агрессивности среды. В местах систематического замачивания происходит полная потеря прочности с осыпанием бетона.

На одном из цехов Тамбовского завода подшипников скольжения стеновые панели и плоские плиты покрытия были изготовлены из силикатного бетона. Панели на участках систематического увлажнения разрушались и в стенах образовывались дыры. Ряды плит, расположенные у продольных стен и на фонаре, получили значительные прогибы. Несколько плит полностью разрушились. В отдельных плитах прочность бетона менее 3 МПа. Более высокое сопротивление рассматривают лишь как временное, обусловленное главным образом деформациями вязкого элемента.

В.М. Бондаренко отмечает [Б. Ж., 1995, № 2], что деформирование сопровождается расходом энергии. Если напряжения на элементарных площадках сечений выше пределов прочности или выносливости, то со временем энергетический предел сопротивления материала исчерпывается и он разрушается. Для статически неопределимых систем разрушение означает снижение степени статической неопределимости. При дальнейшем увеличении нагрузки степень статической неопределимости последовательно снижается и происходит обрушение.

34

В табл. 2.2 и 2.3 приведены [102] характерные дефекты железобетонных конструкций.

Таблица 2.2

Оценка технического состояния ЖБК

35

Продолжение таблицы 2.2

Таблица 2.3

Типы трещин и причины их образования в железобетонных
конструкциях перекрытий и покрытий

36

Разрушение бетона морозом. При однократном замораживании в раннем возрасте в капиллярах замерзает свободная вода с увеличением ее объема на 9,7 %. Это приводит к разрушению бетона. Чем раньше происходит замораживание, тем больше нарушается структура бетона. Установлено, что бетон до замораживания должен приобрести не менее 50% проектной прочности.

Другим видом разрушения является нарушение структуры затвердевающего бетона при многократном циклическом замораживании - оттаивании. Многократное изменение объема воды в порах и капиллярах постепенно расшатывает структуру бетона. Способность бетона противостоять многоразовому замерзанию и оттаиванию характеризует его морозостойкость. Для достижения высокой морозостойкости рекомендуется применять бетон с В/Ц не более 0,4.

Третьим видом разрушения бетона является трещинообразование. Линейное укорочение протяженных конструкций особенно значительно при температуре - 30 ... 60 °С.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции. Опыт их изготовления и эксплуатации показал, что точность и равномерность натяжения арматуры является одним из основных факторов, влияющих на трещиностойкость и жесткость. При натяжении арматуры на упоры стендов возможно появление технологических трещин в период после тепловой обработки до передачи усилий обжатия. Отмечались случаи обрыва при охлаждении изделий. Во время обжатия бетона технологические трещины частично закрываются, а при эксплуатации раскрываются раньше и на большую величину. Установлено, что на нижних поясах ферм, охлаждающихся длительное время, образуется большое число вертикальных трещин с разной шириной раскрытия. Опорные зоны ферм в отдельных случаях разбиваются на отдельные блоки. Перепад температуры охлаждения достигает 60 °С.

Причинами существенного ухудшения характеристик являются [64]: изменчивость свойств компонентов, разбросы в подборе состава, ошибки в процессе перемешивания, укладки, набора прочности, в системе контроля и испытаний.

Коррозионные разрушения. Ежегодные потери от коррозии огромны. Они складываются из: снижения в несколько раз срока службы конструкций, зданий и сооружений; проведения преждевременных ремонтов; снижения объема и качества продукта; загрязнения окружающей среды; ликвидации аварий и аварийных ситуаций.

Агрессивность среды Классифицируется [139] по следующим признакам:

• агрегатному состоянию (жидкие, твердые, газообразные);
• механизму протекания коррозионных процессов (для стали и арматуры в бетоне - электрохимическая, для бетонов - химическая, физико-химическая и др.);
• условия протекания (атмосферная, контактная, подземная, под действием тока, биокоррозия);

37

• характеру коррозионных повреждений (равномерная, неравномерная, при взаимодействии реакционных заполнителей с цементным камнем, коррозия арматуры в зоне трещин).
• Степень агрессивного воздействия на конструкции повышается вследствие: интенсификации технологических процессов (повышение температуры, давления, концентраций);
• увеличения единичных мощностей;
• перехода от закрытых перемещений к открытым этажеркам;
• увеличения коэффициента застройки площадей;
• применения конструкций, обладающих меньшей коррозионной устойчивостью (панельные стены, предварительно-напряженный железобетон, тонкостенные конструкции и т.д.).

По В.М. Москвину [35] выделяют три основных вида коррозии бетона.

К первому отнесены процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии жидких сред, способных растворять гидроксид кальция при фильтрации воды через толщу бетона. Признаком коррозии этого вида является белый налет на поверхности. Иногда на конструкции вырастают сталактиты и сталагмиты. Основными причинами фильтрации являются трещины из-за температурных напряжений, раскрытие строительных швов, дефекты бетонирования. Применение плотных бетонов и стойких цементов позволяет значительно повысить долговечность конструкций.

Ко второму виду коррозии относят процессы, при которых происходят химические взаимодействия (обменные реакции) между компонентами цементного камня и раствора. Образующиеся продукты реакции или легкорастворимы и выносятся из структуры в результате диффузии или фильтрационным потоком, или отлагаются в виде аморфной массы.

Коррозия происходит в поверхностных слоях бетона, соприкасающихся с агрессивной средой. Наиболее часто эта коррозия возникает при действии углекислых вод (углекислая коррозия). Для защиты от разрушения при действии растворов кислот следует заменять обычные цементы кислотоупорными, применять кислотоупорные бетоны или полимербетоны, устраивать надежную изоляцию поверхности бетона покраской, облицовкой и т.д.

К третьему виду коррозии относят процессы, при развитии которых в порах бетона накапливаются и кристаллизуются малорастворимые продукты реакции с увеличением объема твердой фазы. Развивающиеся в бетоне внутренние напряжения разрушают его структуру. Часто коррозия этого вида возникает при действии сульфатов. Применение плотных и особо плотных бетонов позволяет повысить стойкость бетона к коррозии.

В "чистом" виде коррозия всех трех видов встречается редко. При действии агрессивной водной среды обычно происходят процессы, включающие элементы всех трех видов.

По существу, коррозия бетона в газовых средах не отличается от коррозии в жидкостях, минералы цементного камня термодинамически неустойчивы в атмосфере кислых газов. Степень агрессивности зависит от вида газа, его концентрации и влажности воздуха. В плотных бетонах при невысокой концентрации кислых газов скорости коррозии невелики. Арматура

38

начинает корродировать, когда защитный слой бетона нейтрализован. Цементный раствор пассивирует сталь благодаря высокой щелочности жидкой фазы. Депассивация поверхности стали, т.е. начала коррозии ее, связана с уменьшением щелочности (нейтрализации) жидкой фазы ниже определенного уровня или с достижением критической концентрации в ней веществ-активаторов.

Вследствие воздействия кислых газов на бетон образуются соли кальция. Наиболее значительное влияние оказывают: растворимость и гигроскопичность образовавшейся соли, объем новообразований, агрессивность соли по отношению к арматуре.

Кислые газы разделяют па следующие три основные группы: газы, образующие практически не растворимые и малорастворимые соли кальция; коррозия наступает после нейтрализации защитного слоя бетона; газы, образующие слаборастворимые соли, содержащие более или менее значительное количество кристаллизационной воды; это сопровождается существенным увеличением объема твердых фаз и уплотнением бетона; большие внутренние напряжения могут вызывать разрушение бетона; газы, образующие хорошо растворимые гигроскопические соли; в результате растворения солей и их кристаллизации с большим увеличением объема твердой фазы прочность бетона вначале может увеличиться, а затем уменьшиться.

Твердые агрессивные вещества в виде пыли имеются на всех химических предприятиях. Толщина слоя пыли может достигать 10 см и более. Сухая пыль не оказывает существенного коррозионного воздействия. При увлажнении образуются кислые растворы и процесс коррозии интенсифицируется. Наибольшую опасность представляют твердые среды, обладающие высокой гигроскопичностью.

В [36] отмечается, что в основе процессов коррозии бетона лежат гетерогенные химические реакции между жидкой и твердой или газообразными фазами. Кроме химических реакций на поверхности фаз происходит перенос коррозионной среды и продуктов реакции. Транспортные пути характеризуются системой пор и трещин. Изменение поверхности фаз при агрессивном воздействии среды на бетон показано на рис. 2.3.

Толщина защитного слоя установлена из предположения защитного действия на арматуру щелочной среды бетона. При достаточном качестве защитного слоя и ширине трещин до 0,3 мм снижение долговечности конструкции в атмосферных условиях не происходит. Вследствие нарушения технологии изготовления бетона (изменения состава, неполного уплотнения, недостаточного ухода за бетоном, уменьшения толщины защитного слоя) пассивирующее действие бетона утрачивается. На рис. 2.4 показано влияние состава бетона на защиту арматуры от коррозии.

Глубина карбонизации линейно возрастает с увеличением водоцементного отношения. Проницаемость бетона для газов понижается с увеличением длительности ухода, замедляющего раннее высушивание. С увеличением в бетоне щелочных продуктов гидратации уменьшается скорость перемещения фронта карбонизации вглубь бетона. Введение в цемент доменного шлака или золы от сжигания каменного угля приводит к снижению щелочных компонентов и повышению глубины карбонизации.

39

40

41

На кинетику коррозии бетона влияют [36]:

• вид вяжущего, добавок и заполнителей;
• химический и петрографический состав вяжущего и заполнителей;
• гранулометрический состав вяжущего и заполнителей;
• способ приготовления, состав бетонной смеси и условия ее твердения;
• сроки твердения и воздействия во время твердения;
• вид, химический состав и количество жидкости по отношению к бетону;
• условия взаимодействия жидкости с бетоном (скорость движения жидкости, постоянное или переменное воздействие и т.п.);
• механизм реакции, растворение, обмен основаниями, гидролиз, образование и рост кристаллов, образование комплексов, образование рыхлых структур или плотных пленок-оболочек;
• химические свойства продуктов реакции;
• различные внешние влияния (газовая среда, микроорганизмы);
• температура, ее равномерность, величина;
• продолжительность воздействия.
• Высокопрочная арматура отличается пониженной пластичностью и склонностью к коррозийному растрескиванию.

Стойкость против коррозийного растрескивания арматуры классов А - IV (марка Ст. 5), А - V (марка 35ГС), А - VI (марки 35ГС, 20 ГС) составляет 5 ... 20% от, например, стойкости арматуры классов А - III, A -III (марка 35ГС) и А - IV (марка 80С). Механизм хрупкого разрушения под напряжением пока не изучен до конца. Предполагают, что такое разрушение может происходить в результате избирательного растворения отдельных структурных составляющих металла, его водородного охрупчивания, а также снижения поверхностной энергии при абсорбции поверхностно-активных компонентов среды.

Исследования [36] показали, что склонность к коррозийному растрескиванию термически упрочненной арматуры может быть уменьшена пластической деформацией при волочении, изменением химического состава и оптимальной термической обработкой.

В [36] и [96] отмечены следующие причины снижения долговечности и преждевременных повреждений:

• нарушение правил эксплуатации (механические повреждения, перегрузки, непредусмотренные динамические воздействия, проливы агрессивных жидкостей, пожары, взрывы и т.п.);
• замораживание и оттаивание;
• износ и истирание (дорожные и аэродромные покрытия, морские берегозащитные сооружения, полы и т.п.);
• влияние газовоздушной среды (изменение температуры, влажности, действие кислот и солей);

42

• выщелачивание и коррозия I вида (растворение и вынос компонентов цементного камня);
• химическое взаимодействие веществ, растворенных в воде или контактирующих с бетоном (коррозия II и III видов - действие сульфатов, солей, органических кислот и т.п.);
• коррозия арматуры, закладных деталей, металлических конструкций;
• внутренняя коррозия (взаимодействие щелочей цемента и реакционно-способного заполнителя).

Проектированию антикоррозионной защиты должно уделяться особое внимание в различных частях проекта: архитектурно-строительной, санитарно-технической, конструктивной и технологической.

Наибольший эффект дает первичная защита, включая выбор цементов и марок сталей, обеспечение плотности, ограничение предельных деформаций, уменьшение агрессивных выделений, выбор рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений, проектирование сечений оптимальной формы. [54, 55, 59, 145].

Основным фактором, определяющим стойкость бетона, является его плотность, которую можно повысить введением различных добавок-пластификаторов, подбором состава заполнителей, технологическими приемами твердения и уплотнения. Применением добавок-ингибиторов коррозии стали можно значительно улучшить защитные действия бетона по отношению к арматуре.

Для защиты железобетонных конструкций от коррозии применяют гидрофобизирующие, лакокрасочные, оклеечные, облицовочные и футеровочные материалы в различных сочетаниях.

Автор обследовал большое количество конструкций, поврежденных коррозией. При этом отмечались следующие дефекты: частичное или полное разрушение защитного слоя бетона; оголение арматуры; уменьшение площади поперечного сечения арматуры; появление трещин в бетоне вдоль арматуры, вызванное увеличением объема продуктов коррозии арматуры; уменьшение прочности бетона; изменение цвета бетона; изменение расчетной схемы конструкции.

Срок службы железобетонных конструкций, поврежденных коррозией, может сократиться в несколько раз. Часто причиной разрушения является бесхозяйственность: утечки и проливы технологических растворов и химических веществ, не выполнение ремонтных работ, отсутствие защитных покрытий и др.

Особенной агрессивностью по отношению к бетону обладают [31]:

• мягкая вода (ниже 3° по немецкой шкале жесткости воды), разрушающая известковые соединения;
• вода, содержащая свободные кислоты, разрушающая цемент и карбонатсодержащие заполнители (при величине рН > 4,5 вода считается весьма агрессивной по отношению к бетону);

43

• сероводород двуокись серы, образующие высолы на поверхности бетона;
• свободные органические кислоты (например, уксусная, молочная), растворяющие кальций;
• сульфаты, способствующие образованию сульфоалюмината кальция или гипса;
• соли магния, снижающие прочность соединений, содержащих известь;
• соли аммония, разрушающе действующие на соединения, содержащие известь.

Помимо названных химикатов, вредными для бетона могут оказаться растительные и животные жиры и масла, т.к. они превращают известь в мягкие соли жирных кислот. Химическая агрессия приводит к различным видам повреждения бетона, например, к образованию трещин, отслаиванию отдельных участков бетона, осыпанию песка с бетонных поверхностей и к явлениям вспучивания.

Приведем из [31] величины максимальных толщин защитного слоя бетона в см в зависимости от условий окружающей среды (табл. 2.4).

Внутренняя коррозия бетона. В отдельных случаях через несколько месяцев или лет после изготовления конструкции появляются видимые признаки коррозии - сетка трещин, белые студнеобразные высолы [44]. Анализ показывает наличие в высолах большого количества диоксида кремния и щелочных металлов - натрия и калия. Повреждения развиваются во влажных условиях без участия компонентов внешней среды. Внутренняя коррозия происходит в результате реакции щелочь - кремнезем (взаимодействия цементного камня и заполнителей). Потенциальной реакционной способностью к щелочам, содержащимся, главным образом, в цементе, относятся опал, халцедон, кремний. Из магматических горных пород со щелочами взаимодействуют - граниты, андезиты, базальты, гнейсы; из метаморфических - кварциты, песчаники, роговые обманки и др.; из осадочных - известняки, доломиты и др. Внутренняя коррозия происходит также в результате реакции серы, содержащейся в заполнителе, со щелочами цемента. Повышение содержания щелочей в составе бетона происходит и при введении химических добавок (сульфата натрия, нитрата натрия, поташа и др.). На поверхности частиц заполнителя образуются гелеобразные прослойки, увеличивающие объем бетона.

Заполнитель испытывают на реакционную способность, изменяя деформации расширения во влажной среде. Критерием стойкости является ограничение деформаций в течение 6 месяцев до 0,05%. Определяют также содержание щелочей в цементе.

Остановить начавшийся процесс коррозии можно, создав сухие условия эксплуатации конструкции.

44

Таблица 2.4

Минимальная толщина защитного слоя бетона (см) в зависимости

!!!НЕПРОВЕРЕННАЯ ТАБЛИЦА!!!

45

Морозосолевая коррозия бетона. В период отрицательных температур такая коррозия возникает: при удалении снега и наледи с конструкций с помощью химических реагентов; на поверхности бетонных и железобетонных сооружений в зоне переменного уровня высокоминерализованных вод; в районах выпадения кислых дождей и высокой загазованности атмосферы; при фильтрации технологических растворов через конструкции (стены, перекрытия, емкости); в бетонных и железобетонных конструкциях, изготовленных с применением противоморозных добавок и находящихся в неотапливаемых помещениях, открытых площадках [45].

Отличительными особенностями морозосолевой коррозии являются: внезапное разрушение поверхности с различной глубиной и с образованием периодической льдистости; четко выраженная слоистость при толщине слоев от долей миллиметра до нескольких сантиметров; интенсивная деструкция материала с полной потерей механической прочности; наличие скрытого периода предразрушения, характеризуемого наличием мелких незаметных и малозаметных трещин.

Преждевременное повреждение бетона в обычных условиях. Вопрос этот обсуждается в [45]. Случаи появления дефектов в железобетонных конструкциях стали массовыми. Особое беспокойство вызывают повреждения в процессе строительства.

Фундаментные блоки повреждаются в результате многократного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Такие случаи имеют место, когда монтаж блоков ведется осенью и они остаются без укрытия фунтом. Укрытие конструкций полиэтиленовой пленкой без проветривания способствует накоплению воды и углубляет разрушение. Бетон в этих конструкциях отличается низкой морозостойкостью. Водопоглощение бетона превышает 10 ... 12%.

Большое влияние на морозостойкость бетона оказывает режим твердения бетона. Недопустимо как высушивание бетона в процессе пропаривания, так и выход бетона из пропарочной камеры в водонасыщенном состоянии.

Разрушение усиливается в тех случаях, когда накладываются несколько неблагоприятных факторов, например, повреждение оголовка сваи при забивке, отсутствие резерва морозостойкости, насыщение бетона водой. При забивке свежеизготовленных свай в предзимний и зимний периоды часто появляются несамозалечивающиеся трещины. В сваях, забитых весной или летом, более вероятно самозалечивание трещин.

Преждевременное повреждение железобетонных конструкций происходит в результате грубого нарушения требований к проектированию и производству работ. Скрытой причиной повреждения бетона могут быть недоброкачественные материалы для приготовления бетона, применяемые без должной предварительной проверки.

46

К параметрам внешней среды относят температурно-влажностные характеристики, химический состав внешней среды, скорость изменения внешней среды и др. Часто наблюдается одновременное воздействие различных факторов. Разработан международный стандарт (ДП 9690) по оценке воздействия внешней среды на бетон и железобетон. Это позволит классифицировать мероприятия по защите бетона.

Классификация агрессивности среды приведена в табл.2.5.

Таблица 2.5

Коэффициент поперечной деформации пропитанного нефтепродуктами бетона до двух раз выше по сравнению с контрольным бетоном. Граница микротрещинообразования такого бетона на 0,lR_вп ниже.

Разрушение конструкций микроорганизмами. Контакт железобетонных конструкций с органическими средами вызывает коррозию бетона. Введение в бетон добавок, придающих ему биоцидные свойства, может предотвратить коррозию бетона и создать благоприятную санитарно-гигиеническую обстановку. Наиболее распространенными микроорганизмами являются низшие растения - грибы.

В помещениях мясоперерабатывающей промышленности на строительные конструкции действуют такие органические соединения, как кровь, экскременты животных, жир, жировые эмульсии; на хлебопекарных предприятиях - низшие грибы, вызванные оседанием мучной пыли, адсорбирующей влагу. Плесневые грибы используют в качестве источников питания готовые органические соединения. В процессе метаболизма грибы выделяют органические кислоты (лимонную, щавелевую, уксусную, яблочную и др.), коррозионно-опасные для бетона и арматуры. Кислоты снижают поверхностную прочность бетона,

47

разрыхляют его наружные слои. Налет плесени ухудшает внешний вид помещений. Отмечается высокая устойчивость микроорганизмов к перепадам температуры и влажности, к изменению рН.

Эффективным способом защиты бетона является введение с водой в состав раствора или бетона добавок биоцидов, препятствующих появлению и распространению бактерий и грибов. В качестве биоцидной добавки используют, например, катапин-бактерицид, биоциды на основе оловоорганических соединений (латекс АБП-40) [Б.Ж., 1989, №4].

Приспособляемость конструкций к действию внешней среды. К этому явлению относят [Б.Ж., 1994, №5]: релаксацию; поддержание сопротивляемости бетона в процессе многократного динамического нагружения, меньшего предела выносливости; перераспределение нормальных напряжений между компонентами бетона в соответствии с их модулями упругости; самоуплотнение в водной и газообразной среде; самоупрочнение при умеренных термических и циклических воздействиях; стабилизация (после некоторого спада) прочностных и деформационных свойств при действии высоких температур.

По В.Л. Чернявскому структурно-функциональная адаптация представляет собой совокупность химических реакций и физико-химических процессов, лежащих в основе приспособления бетона к изменению окружающих условий и направлена на удержание существенных переменных внутреннего состояния в некоторых пределах и удовлетворительного спектра функциональных свойств.

В [136] обсуждается вопрос о чувствительности разрабатываемых систем и конструкций к изменениям в проектах, несовершенствам в изготовлении, вариациям внешних воздействий и другим факторам, имеющим детерминированный или вероятностный характер. Анализ чувствительности при проектировании конструкций изучает взаимосвязь между переменными проектирования и переменными состояния.

Коррозионное воздействие глинистых грунтов на арматуру железобетонных конструкций. В [142] показано, что нормативный срок эксплуатации железобетонных водоводов составляет 50 лет, но через 2 ... 7 лет появляются зоны разрушения. На отдельных системах через 5 ... 12 лет выходят из строя целые водоводы. Обследование показало, что в большинстве случаев трубы укладывали в грунты, неотносящиеся к агрессивным по СНиП 2.03.11-85 (концентрация хлор-иона в водной вытяжке > 500 мг/л). Фактически на конструкцию воздействует электролит перового раствора грунта, концентрация хлор-иона в котором во много раз выше, чем в водной вытяжке из грунта или грунтовой воды. Как известно, коррозия стали в железобетоне возникает при проникании в него хлор-иона и накоплении его у поверхности арматуры до критической концентрации.

48