книги / Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений
..pdfПРЕДИСЛОВИЕ
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
1.1. в о з д е й с т в и |
е а г р е с с и в н ы х с р е д и а т м о с ф е р н ы х |
в о з д е й с т в и й |
н а ж е л е з о б е т о н н ы е и к а м е н н ы е |
|
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
тов атмосферного воздуха. |
Его содержание составляет |
около |
0,03% по объему, что значительно больше остальных газов. |
||
Углекислый газ, растворяясь в поровой жидкости цементного |
||
камня, образует угольную |
кислоту (С 02+ Н 20 = Н2С 0з), |
которая |
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