Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование методов восстановления защитного слоя бетона железобетонных конструкций

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящей магистерской диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

СН РК EN 1992-1-1:2004/2011 «Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий» с Национальным приложением

НТП РК 02-01-1.1-2011 (к СН РК EN 1992-1-1:2004) «Проектирование

бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых бетонов без предварительного напряжения арматуры»

СН РК 5.03-07-2013 «Несущие и ограждающие конструкции» СП РК 5.03-107-2013 «Несущие и ограждающие конструкции» СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»

СН РК 1.04-01-2012 «Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений»

СП РК 1.04-101-2012 «Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений»

СП 164.1325800.2014. Свод правил. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования

Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами /ООО «Интераква» (инж. Чернявский В.Л., д.т.н. Хаютин Ю.Г., к.т.н. Аксельрод Е.З.), НИИЖБ (д.т.н., проф. Клевцов В.А., инж. Фаткуллин Н.В.). НИИЖБ, 2006.

ACI 440.2R-08. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening of Concrete Structures. Michigan: American Concrete Institute, ACI Com-mittee 440. 2008. 76 p.

EN 1998-3 (2005). Еврокод 8: Проектирование сооружений для сейсмостойкости - Часть 3: Оценка и переоборудование зданий.

СН РК EN 1998-1:2004/2012. Еврокод 8: Проектирование сейсмостойких конструкций. Часть 1: Общие правила, сейсмические воздействия и правила для зданий.

ГОСТ 32943-2014 «Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных конструкций. Требования к клеевым соединениям элементов усиления конструкций»

ГОСТ «Материалы и системы для защиты и ремонта бетонных конструкций. Требования к анкерующим составам и адгезионно-силовым креплениям элементов усиления».

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящей магистерской диссертации применяются следующие термины с соответствующими определениями:

Бетон - искусственный камневидный материал, представляющий собой затвердевшую бетонную смесь. Различают следующие стадии готовности бетона: бетонная смесь, свежеуложенный бетон и затвердевший бетон.

Дефект - несоответствие стандартам, техническим условиям, нормам проектирования и проекту.

Реконструкция - комплекс строительных работ и организационно- технических мероприятий, связанных с изменением основных технико- экономических показателей.

Усиление конструкций - комплекс конструктивных мероприятий и технологических работ, направленных на повышение несущей способности и эксплуатационных свойств конструкции.

Восстановление (ремонт) железобетонной конструкции - комплекс конструктивных мероприятий и технологических работ, направленных на восстановление несущей способности и эксплуатационных свойств конструкции, нарушенных вследствие дефектов изготовления или в процессе ее эксплуатации.

Композиционный материал - материал, сочетающие армирующие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев с менее прочными связующими компонентами -- матрицами.

Фиброармированные пластики - группа композиционных материалов, армированных высокопрочными волокнами, помещенными в полимерные матрицы.

Адгезионные составы (клеи) - клеящие составы, воспринимающие сдвигающие и отрывающие усилия между контактными поверхностями соединяемых элементов.

Ламинаты - готовые для устройства внешнего армирования конструкций многослойные ленты различной толщины и ширины, изготовленные в заводских условиях путем пропитки и горячего прессования.

Холсты - тканые ленты и полотна из углеродных, арамидных и стеклянных волокон, предназначенные для изготовления системы внешнего армирования в построечных условиях.

Праймер - материал, применяемый для предварительной подготовки основания железобетонной конструкции перед нанесением адгезива.

Основание (железобетонной конструкции) - поверхность железобетонной конструкции, на которую наклеивают ламинаты или изделия из непрерывного углеродного или стеклянного волокна (сетки, холсты и другие тканые материалы) при ее усилении или восстановлении внешним армированием из композитных материалов.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей магистерской диссертации применяются следующие обозначения и сокращения:

КМ- композиционный материал

ФАП- фиброармированные пластики

М0-изгибающий момент, воспринимаемый сечением до усиления

Мult-сумма моментов всех внутренних сил в предельном состоянии относительно оси, перпендикулярной плоскости действия моментов

СЕ- коэффициент условия работы КМ, зависящий от условий окружающей среды

km- коэффициент условия работы КМ в зависимости от жесткости КМ

Ef- модуль упругости КМ

Es- модуль упругости стержневой арматуры

Eb- начальный модуль упругости бетона

w- характеристика сжатой зоны бетона

ebu1- предельная относительная деформация бетона

Eft- расчетное значение модуля упругости КМ

Rb- расчетное значение сопротивления бетона сжатию для предельных состояний первой группы

Rf- нормативная прочность на растяжение КМ

Rft-расчетная прочность на растяжение КМ с учетом

коэффициента условия работы С_Е и коэффициента надежности gn

Rfu- минимальное значение расчетной прочности на растяжение

КМ

Rs- расчетная прочность стержневой арматуры растяжению

Rsc- расчетная прочность стержневой арматуры сжатию

Rt- средняя прочность волокон при растяжении на базе 10 мм

ef- нормативная деформация растяжения КМ

eft-расчетная деформация растяжения КМ с учетом

коэффициента условия работы С_Е и коэффициента надежности gn

Af- площадь сечения арматуры КМ

As- площадь сечения растянутой стержневой арматуры

As?- площадь сечения сжатой стержневой арматуры

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Сложные условия эксплуатации объекта такие как морская вода, высокий уровень атмосферных осадков, резкие перепады температуры, интенсивная ветровая нагрузка, высокая сейсмическая активность приводят к разрушению защитного слоя бетона. Во избежание разрушения элемента конструкции необходимо проводить соответствующие мероприятия по защите конструкции от агрессивных воздействий. Проблема восстановления защитного слоя бетона всегда актуальна, поскольку своевременное восстановление помогает избежать тяжелых последствий, таких как обрушение конструктивного элемента или коррозия стержней арматуры.

Цель работы: сравнительный анализ методов восстановления защитного слоя бетона, а также разработка практических рекомендаций по оптимальному выбору методов восстановления.

Основные задачи:

- определение критериев для анализа методов восстановления защитного слоя бетона;

- определение перспективного метода восстановления защитного слоя бетона;

Практическая значимость: Рекомендации разработка рекомендаций строительным организациям по восстановлению защитного слоя бетона.

Практическая ценность: Реализация предлагаемого гипотезы улучшит техническое обеспечение и реализацию восстановления защитного слоя бетона в строительных конструкциях, повысит квалификацию и потенциал работников, уменьшит шум и загрязнение окружающей среды вследствие отказа от вскрышных, сварочных и трудоемких работ, повысит долговечность восстанавливаемых конструкций.

Методика исследования: Мониторинг и сравнительный анализ методов восстановления защитного слоя бетона.

Научная новизна: Новые технологические решения для восстановления защитного слоя бетона с использованием современных материалов и технологий.

Ожидаемые результаты: Рекомендации по результатам исследований для использования в реальном восстановлении защитного слоя бетона. Результаты влияния усиления бетонных составов армирующими фибро- материалами на долговечность конструкции.

Публикация: По теме диссертации опубликованы 2 научные работы:

- Сборник материалов XIV Международной конференции студентов и молодых ученых “GYLYM ZHANE BILIM - 2019” - Нур-Султан.

- Сборник материалов XV Международной конференции студентов и молодых ученых “GYLYM ZHANE BILIM - 2020” - Нур-Султан, 2020.

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ БЕТОНА

1.1 Существующие причины разрушения защитного слоя бетона

В процессе эксплуатации сооружения защитный слой бетона подвергается различным внешним воздействиям, как правило, приводящим к частичной его потере. Причинами могут являться длительное воздействие влаги (рис.1), коррозии рабочей арматуры фермы покрытия (рис.2) и прочие причины природного и техногенного характера.

Рис.1 - Оголение и коррозия рабочей арматуры с потерей сечения балки перекрытия в результате длительного воздействия влаги.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2 - Отслоение защитного слоя бетона в результате коррозии рабочей арматуры фермы покрытия.

Разрушение защитного слоя бетона влечет за собой потерю несущей способности конструктивного элемента, и может привести к частичному или полному обрушению здания или сооружения.

Причины разрушения защитного слоя бетона делятся на несколько групп:

- Химические

- Физические

- Механические

Химические факторы

Основные разрушения защитного слоя бетона происходят от воздействия внешней среды и воздействия сульфатов, хлоридов и щелочей возникающих в процессе химических реакций наполнителей и вяжущих составов.

В конструкциях подвергающихся атмосферному воздействию, углекислота вызывает формирование карбоната кальция, в гидравлических сооружениях под его воздействием в составе воды наблюдается выщелачивание, ему подвержены вяжущие материалы.

Образование карбоната кальция происходит в процессе трансформации углекислоты. Его концентрация зависит от окружающих внешних условий, эксплуатации сооружения и уровня промышленного загрязнения. При воздействии карбонатов на защитный слой в нем понижается уровень щелочной среды, что в свою очередь ведёт к агрессивному влиянию влаги и кислорода, это приводит к агрессивной коррозии метала и новообразованию вокруг арматурных стержней. Бетон в этих местах начинает вспучиваться, отслаиваться и отпадать. Появляются новые пути доступа кислорода и влаги в глубь бетонной конструкции.

Выщелочивание бетона такой же процесс, но проходит в присутствии влаги и представляет собой удаление цементного камня, разрушение усиливается под воздействием воды содержащей в себе углекислоту, серную кислоту органического происхождения.

Разрушения сульфатами происходит от естественных примесей, таких как гипс и ангидриды. Из-за разницы размеров частиц в заполнителях и ускорителях, что в последствии приводит к образованию эттригита и растрескиванию поверхностного слоя бетона.

Разрушение хлоридами наблюдается при воздействии на бетон морской воды, солей и антиобледенителей. При проникновении хлора в бетон до арматурных стержней происходит растворение пассивирующей пленки оксидов железа и начинается процесс коррозии. Скорость проникновения хлоридов в тело бетона зависит от концентрации хлоридов, проницаемости бетона и влажности. Как только начинается процесс коррозии, начинается разрушение бетона по нарастающей, из-за отслоений будут образовываться новые пути проникновения агрессивных веществ. Концентрация хлоридов оддерживающая коррозию, прямо пропорциональна рН бетона, в связи с чем можно связать разрушение из-за образования карбонатов и разрушения хлоридов в единый аспект и протекают часто параллельно.

Взаимодействие щелочей цемента с заполнителями еще одно из химических разрушений бетона, выражается во взаимодействие цемента с заполнителями, которое приводит к серьезным разрушениям. Некоторые заполнители содержат реакционноспособный кремнезем, который взаимодействует со щелочами калия и натрия находящихся в цементе или их солями, которые поступают из вне в форме хлоридов. В результате реакции образуется гель, который расширяется в присутствии воды или влаги и разламывает бетон вокруг этих образований. В результате реакции образуются силикаты натрия и гидратированного калия, обладающих большой объемистостью. При этом на поверхности бетона появляются трещины, подрыв участков бетона, вспучивание. Ускорить реакцию способна дополнительная влажность, а так же циклы замерзания и оттаивания.

Физические факторы

Замерзание и оттаивание это когда вода проникает внутрь бетона и впоследствии замерзания создает напряжение взламывая бетон. Чтобы ограничить такие последствия необходимо сократить капиллярную микропористость на стадии изготовления бетона добавлением морозостойких заполнителей и воздухововлекающих добавок, которые поддерживают соотношение между водой и цементом.

Высокие температуры так же приводят к разрушительному эффекту на бетон. Разрушение возникают в результате разного расширения бетона и арматуры, разрыва заполнителя с вяжущим, при быстром остывании в результате воздействия воды при пожаре или иных обстоятельствах образование извести, быстрой конденсации пара, что приводит к разрывам и растрескиванию.

Усадка бетона бывает двух типов, пластическая и гигрометрическая.

Пластическая усадка происходит в пластичной стадии бетона (в момент укладки бетона или первых дней после нее), причина, быстрое выделение влаги в окружающую среду. При пластической усадке на его поверхности образуются микротрещины, трещины, провалы.

Гигрометрическая усадка происходит уже после схватывания бетона в первые несколько месяцев. Избежать гигрометрическую усадку помогают добавки снижающие водоцементное соотношение между инертными материалами и цементом, одним словом, чем меньше воды в свежеприготовленном бетоне, тем меньше в последующем усадка.

Механические факторы

Истирание когда бетон подвергается постоянным нагрузкам твердых частиц, механических и пешеходных нагрузок и зависит от характеристик материалов из которых состоит бетон. В основном истиранию подвержены бетонные полы.

Ударное воздействие разрушение в результате интенсивных ударных нагрузок, движения механических транспортных средств, ударов. Так как бетон хрупкий материал, кромки на швах и стыках надламываются.

Чтобы повысить ударостойкость применяется более прочный бетон армированный фиброволокнами, что способствует равномерному распределению ударного воздействия и правильный подбор шовного герметика.

1.2 Химическое воздействие щелочной среды на защитный слой бетона

Коррозия бетона - процесс разрушения его структуры, охрупчивания под воздействием окружающей среды. Коррозия бетона может быть трёх видов:

1. Растворение составных частей цементного камня. Это наиболее распространённый вид коррозионного разрушения бетона. Бетонные изделия эксплуатируются в основном на открытом воздухе. При этом они подвергаются воздействию атмосферных осадков и других жидких сред. Составной частью бетона является образовавшийся гидрат окиси кальция (Ca(OH)2) - гашеная известь. Это самый растворимый компонент.

2. Коррозия бетона при взаимодействии цементного камня с содержащимися в воде кислотами. Под воздействием кислот коррозия бетона протекает либо с увеличением его объема, либо с вымыванием легкорастворимых известковых соединений. Увеличение объема происходит по реакции

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3+ H2O, CaCO3

не растворяется в воде. Постепенно происходит его отложение в порах цементного камня, за счет чего идет увеличение объема бетона, а в дальнейшем его растрескивание и разрушение. При контакте бетона с водными растворами кислот образуется легкорастворимый бикарбонат кальция, который агрессивный для бетона, а при наличии воды растворяется в ней и постепенно вымывается из структуры бетонного камня. Образование бикарбоната кальция описывается реакцией: CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2,

Помимо растворения наблюдается и протекание химической коррозии бетона:

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O,

При этом вымываются соли хлористого кальция. Если разрушение бетона происходит под воздействием сульфатов воды - применяют пуццолановый портландцемент, а также сульфатостойкий портландцемент.

3. Коррозия бетона вследствие образования и кристализации в порах труднорастворимых веществ. Кроме вышеописанных коррозионных разрушений бетона при наличии микроорганизмов возможно протекание биокоррозии. Грибки, бактерии и некоторые водоросли могут проникать в поры бетонного камня. В порах откладываются продукты их метаболизма и вскоре разрушают структуру бетонного камня.

Коррозия бетона в экстремальных условия эксплуатации.

Экстремальными условиями можно назвать воздействие на бетонный камень низких температур, а так же различных веществ, обладающих повышенной агрессивностью.

Достаточно распространенным случаем коррозии бетона в экстремальных условиях является разрушение материала под воздействием сульфатов (химическая коррозия бетона). В первую очередь, с сульфатами взаимодействуют алюминатные составляющие бетонного камня и гидроксид кальция. Очень нежелательным является взаимодействие алюминатных минералов и сульфатов. В результате образуется несколько модификаций гидросульфоалюмината, самым опасным из которых, является эттрингит (3СaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O). Данная соль по мере своего роста (увеличения кристаллов) образует внутри бетона очень высокие напряжения, которые значительно превышают прочностные характеристики цементного камня. В результате, под воздействием растворов, в состав которых входят сульфаты, коррозионное разрушение бетона протекает очень интенсивно.

Коррозия арматуры в бетоне

В железобетонных конструкциях возможно протекание вида разрушения

- коррозии арматуры в бетоне. Под воздействием вод окружающей среды или при наличии в воздухе сероводорода, хлора, сернистых газов арматура подвергается коррозии, вследствие образуются продукты коррозии арматуры. По объему они превышают начальный объем арматуры, из-за чего внутри бетона образуются дополнительные напряжение, приводящие к разрушению защитного слоя бетона.

Сквозь поры в цементном камне к арматуре проникает воздух и влага. Подвод их к поверхности металла осуществляется не равномерно из-за чего на разных участках поверхности наблюдаются разные потенциалы - протекает электрохимическая коррозия.

Разрушение бетона происходит вследствие повышения растворимости составляющих цементного камня, содержащих кремнезем и глинозем и образования щелочноземельных силикатов и алюминатов при взаимодействии этих частиц со щелочами.

1. Растворимость гидрата окиси кальция в цементном камне при контактировании с растворами щелочей вследствие присутствия ионов он значительно понижается.

2. Клинкерные минералы портландцемента по-разному взаимодействуют со щелочами. Наибольшую активность проявляет С3А, несколько меньшую С4АF, еще меньшую С2S и совсем малую С3S. Алюминатные составляющие в растворе едкой щелочи относительно быстро разрушаются. Алюминаты кальция Са склонны к гидролизу и распаду в воде. Эта особенность поведения алюминатов обуславливает снижение щелочестойкости цементного камня с 1,5 до 5 раз в случае увеличения С3А в составе портландцементного клинкера в 2 раза.

3. Бетоны на портландцементе показали большую стойкость в растворах щелочей, чем на пуц. и шлакопортландцементе это объясняется повышенной пористостью цементного камня и большим содержанием растворимого щелочью SiO2.

Коррозия бетона при растворении щелочами составляющей цементного камня м.б. отнесена к коррозии II вида, которая в последствии переходит в коррозию I вида.

1. При карбонизации щелочей углекислотой окружающего воздуха происходит кристаллизация образующихся углекислых солей и возможно разрушению бетона. Это коррозия III вида.

2. Не менее опасна коррозия бетона вследствие разрушения щелочами заполнителей. Появление коррозии обусловлено взаимодействием щелочей с SiO2 заполнителей и разрушением его. Это приводит к снижению прочности бетона, вплоть до полного разрушения - здесь также коррозия III вида. Необходимо отметить, что бетоны на заполнителях из карбонатных и ультраосновных горных породах имеют преимущества перед бетонами на заполнителях из кислых горных пород.

Бетоны разрушаются более интенсивно при одновременном накоплении в их структуре нерастворимых новообразований и снижении прочности цементного камня вследствие растворения его составляющих. С повышением температуры растворов щелочей значительно ускоряются процессы коррозии бетона.

Сквозь поры в цементном камне к арматуре проникает воздух и влага. Подвод их к поверхности металла осуществляется неравномерно из-за чего на разных участках поверхности наблюдаются разные потенциалы - протекает электрохимическая коррозия. Скорость протекания электрохимической

коррозии арматуры зависит от влагопроницаемости, пористости бетонного камня и наличия в нём трещин.

Наличие в воде растворенных веществ усиливает коррозию арматуры с повышением концентрации электролита.

При длительном выдерживании бетона на воздухе на поверхности образуется очень тонкая (5-10мкм) защитная пленка, которая не растворяется в воде и не взаимодействует с сульфатами. Процесс возникновения защитной пленки под воздействием углекислоты воздуха называется карбонизацией. Карбонизация защищает бетон от коррозии, но способствует коррозии арматуры в бетоне.

1.3 Физические факторы разрушения бетона

Из физических факторов, влияющих на прочность бетона, следует выделить усадку и негативные температурные условия.

Усадка делится на два типа:

1. Пластическая - наблюдается в пластичной стадии, то есть во время или в первые дни после укладки бетона, и обусловлена быстрым выделением содержащейся в нем влаги. При этом на поверхности материала образуются провалы, микротрещины или трещины

2. Гигрометрическая - происходит в первые месяцы после схватывания бетона.

Деформации интенсивно развиваются после укладки и уплотнения бетонной смеси и затухают уже через 30-90 минут. Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси и уменьшается при снижении водосодержания бетонной смеси, расхода цементного теста, применении тонкомолотых водоудерживающих добавок, создании жесткого скелета крупного заполнителя. В условиях сухого жаркого климата водопотребность увеличивается с повышением температуры бетонной смеси. При ненадлежащем влажностном уходе и повышенной скорости испарения воды создаются условия для пластического трещинообразования. Пластическая усадка превышает в 5-10 раз усадку, развиваемую после схватывания цемента. Она усиливается с увеличением модуля поверхности конструкций, уменьшением степени армирования.

Усадочные деформации вызывают в бетоне внутренние напряжения, ведущие к ускоренному разрушению защитного слоя, особо значительно это сказывается в случаях неравномерного высыхания конструкции. Усадочные напряжения негативно влияют на морозостойкость, непроницаемость вызывают потери предварительного напряжения арматуры.

1.4 Механические факторы

К механическим факторам относятся:

1. Истирание за счёт регулярного воздействия твердых абразивных частиц, пешеходных и механических нагрузок. Стойкость к истиранию увеличивается за счёт повышения водоцементного соотношения или путем насыщения верхнего слоя бетона специальными полимерами или цементами с твердыми добавками

2. Ударное разрушение в результате интенсивных ударов, передвижения механических транспортных средств. Повышение удоростойкости можно добиться применением более точного бетона, схемой армирования и правильным подбором шовного герметика

3. Выветривание или эрозия за счет воздействия ветра, воды или обледенения, вызывающее оголение поверхности бетона до заполнителя. Если в результате визуального контроля обнаружился процесс эрозии, необходимо обеспечить своевременный ремонт и защиту поверхности бетонной конструкции

Выводы по первому разделу

В первой главе были освещены основные виды разрушения бетона, в ходе анализа было установлено следующее:

1. Все виды разрушения связаны с прямым взаимодействием окружающей среды с защитным слоем бетона. В силу проникания внутрь бетона влаги, кислотных составов, эрозионных воздействий и др.

2. Защитный слой бетона разрушается в результате образований внутри бетона непредусмотренных напряжений, из-за таких процессов как карбонизация, коррозия арматурных рабочих стержней, биологическая коррозия

Конечной целью диссертации является образование доказательной базы о необходимости усиления защитного слоя бетона, методами, продиктованными условиями окружающей сред и эксплуатации объекта.

2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ БЕТОНА

2.1 Существующие методы восстановления защитного слоя бетона

В современной строительной индустрии существует ряд способов, применяемых для восстановления и укрепления защитного бетонного слоя.

- Оштукатуривание строительной конструкции плотным цементно- песчаным раствором с последующим нанесением трещиностойкого лакокрасочного покрытия(рис.3);

- Обетонирование поверхности цементным или полимерным бетоном, имеющим прочность не ниже восстанавливаемой конструкции(рис.4);

- Нанесение на поверхность специальных полимерных клеевых материалов(рис.5);

- Торкретирование бетонных поверхностей(рис.6);

Первые три способа позволяют эффективно избавиться от повреждений защитного слоя, однако они применимы в случае малых объемах работ, и не подойдут в случае масштабных мероприятиях по восстановлению защитного слоя.

Рис.3 - Пример оштукатуривания стен



Рис.4 - Обетонирование стены

Рис.5 - Нанесение клеевого материала

Рис.6 - Метод торкретирования

Оштукатуривание бетона - бетонная поверхность оштукатуривается слоем цементно-песчаного раствора (при необходимости используются добавки, повышающие трещиностойкость, водонепроницаемость и морозостойкость слоя), который затем окрашивается различными лакокрасочными покрытиями.

В зависимости от вяжущего вещества в составе оштукатуривания, свойства имеют разные степени прочности, к вяжущим веществам относятся:

1. Цементные

2. Известковые

3. Цементно-известковые

4. Гипсовые

5. Полимерные

Поскольку основным критерием восстановления защитного слоя помимо защиты арматуры от коррозии является восстановление несущей способности элемента до проектной отметки следующие вяжущие вещества не могут быть использованы: Гипсовые, Полимерные.

Так как гипсовые штукатурки предназначены для звуко и теплоизоляции, а полимерные применяются в финишных декоративных работах.

В силу вышеописанных фактов, остается только 3 типа вяжущего вещества подходящих для восстановления защитного слоя.

Главным достоинством цементого раствора является прочность и влагостойкость, однако в силу недостаточной пластичности подвергается образованию трещин. Известковые вяжущие обладают высокой устойчивостью к растрескиванию, минусом является низкая прочность и армирующие элементы будут релевантным добавлением, для создания долговечного покрытия.

Обетонирование - покрытие бетонным слоем до восстановление проектного сечения элемента. Выполняется в рамках соответствия класса бетона поверхности и наносимого бетона.(рис.7)



Рис.7 - Обетонирование поверхности

Главным недостатком является недолговечность, так как факторы разрушившие слой бетона, сделают то же самое с нанесённым бетоном.

Наиболее универсальным и быстрым для больших объемов работ (более 2000 кв.м.) способом восстановления защитного бетонного слоя является торкретирование (рис.2), которое представляет собой механизированное нанесение на поверхность бетонных или железобетонных конструкций специального раствора (бетонная, цементная смесь и др.). Нанесение раствора (торкрета) происходит под давлением с помощью цемент-пушки.

Процесс наращивания слоя торкретбетона происходит следующим образом: - в первый период (исчисляется миллисекундами) практически вся смесь отскакивает от поверхности; на поверхности остается только цементное молоко, которое образует клеящий слой; - в следующее мгновение на поверхности остается самый мелкий заполнитель, все остальное отскакивает; - в дальнейшем все более крупный заполнитель остается на поверхности, до тех пор пока отскок не стабилизируется

Торкретирование может применяться на поверхностях с любыми неровностями, расположенными в любой плоскости. Главным достоинством торкретбетона является высокая прочность сцепления ремонтного слоя с поверхностью ремонтируемой конструкции. Получаемый после торкретирования бетонный слой обладает повышенной плотностью, механической прочностью, водонепроницаемостью и морозостойкостью. Важными преимуществами торкретирования являются высокая производительность и относительно низкая себестоимость ремонтных работ.

Существует два метода торкретирования - «мокрое» торкретирование и «сухое» торкретирование.

При «мокром» торкретировании (рис.6) смесь цемента, воды и специальных добавок готовиться заранее, а уже затем через транспортировочный шланг подается на ремонтируемую поверхность.

«Мокрое» торкретирование обладает следующими преимуществами - однородный состав бетона, возможность проведения работ в тесном помещении, минимальный отскок и др.

Специальные добавки подразделяются на четыре категории: ускорители, воздухововлекающие реагенты, замедлители и измельченные инертные или активные гидравлические реагенты. Однако, поскольку последние три категории используются в тех же самых целях что и в обычном бетоне, мы будем рассматривать именно ускорители.

Обычно это щелочи, CaCl и органические вещества. Химические состав включает в себя преимущественно алюминат натрия, гидроксид либо карбонат натрия или кальция, триэтаноламин, сульфат трехвалентного железа и фтористый натрий.

Дозы добавок порошкообразного ускорителя составляют приблизительно 2-6% массы цемента, в зависимости от вида химического реагента.

Рис.8 - Мокрый метод торкретирования

Высокое качество мокрого торкретирования достигается следующими действиями:

- адгезия с поверхностью - путем принудительного нанесения клеящего

слоя;

- нанесение толстого слоя - введением ускорителей схватывания, раствор

которых подводится к соплу отдельным шлангом;

- оптимальное водоцементное соотношение - применение пластификаторов.

Соблюдение вышеуказанных пунктов ведет к:

- понижению пылеобразования;

- минимальному отскоку.

«Мокрое» торкретирование в большей степени соответствует индустриальному методу строительной промышленности. Бетонная смесь может приготавливаться на специализированном предприятии (бетонный завод), доставляется автобетоносмесителем и при её нанесении квалификация сопловщика играет меньшую роль.

При «сухом» торкретировании (рис.7) торкрет и вода смешиваются только на выходе из сопла торкрет-установки. Применение метода «сухого» торкретирования не требует подготовки основания Однако, необходимость введения добавок существенно удорожает стоимость наносимой смеси. Кроме того, транспортировка по шлангу затворенного бетона исключает возможность даже кратковременных перерывов в торкретировании без трудоемкой операции промывки шланга (бетонная смесь схватывается в шланге) ремонтируемой поверхности, позволяет за один проход наносить толстый слой торкрета и дает возможность осуществлять ремонтные работы с перерывами (в отличие от «мокрого» торкретирования, при котором приготовленная смесь должна использоваться непрерывно).



Рис.9 - Сухой метод торкретирования

Метод сухого торкретирования обладает следующими преимуществами:

- высокая производительность;

- высокая надёжность и срок эксплуатации оборудования;

- длительный срок хранения материала;

- высокой начальной прочностью торкретбетона;

- высокая адгезия за счет образования цементного молочка с мелким заполнителем;

- высокая плотность и когезия за счет высокой скорости полёта частиц смеси - частицы вбиваются в нанесенный слой торкретбетона;

- оптимальное водоцементное соотношение;

- возможность нанесения слоя до 10-15 см за один проход - высокая консистенция наносимого состава.

Однако в отскок уходит до 25% смеси.

Метод сухого торкретирования упрощает возведение тонкостенных железобетонных конструкций, применяется при устройстве отделки в тоннелях, гидроизоляции и заделке стыков сборных конструктивных элементов, ремонте и усилении бетонных и железобетонных конструкций, укреплении откосов при строительстве автомобильных и железных дорог.

Высокие степень пылеобразования, отскок при ведении торкрет-работ и затраты на элементы, подвергающиеся износу, а также большая потребность в сжатом воздухе негативно влияют на эффективность данного метода.

Выбор между сухим и мокрым торкретированием осуществляется, исходя из специфики работы на объекте, особенностей конструкции и других факторов. Для каждой технологии выпускаются свои торкрет-смеси, состав которых оптимизирован под определенный технологический процесс.

Непосредственно перед началом процесса торкретирования, необходимо провести соответствующие мероприятия по очистке арматуры от ржавчины. Очистка подразумевает под собой 2 основных метода: механическая очистка и химическая.

Механическая очистка - Механическая очистка арматуры подразумевает её обработку, жёсткой металлической щёткой, однако:

- процесс занимает большое количество времени, что особенно неприемлемо в случае необходимости строительства больших зданий;

- невозможность полной очистки поверхности ввиду ребристой структуры материала;

- образование большого количества пыли, которое мастеру приходится вдыхать ;

Так же механическая обработка включает в себя множество методов: пескоструйный метод, шлифовальная машинка, электродрель с насадкой- металлической щеткой.

Химическая очистка (рис.7) - Очистка арматуры от ржавчины перед бетонированием с помощью специальных химических средств более приемлемый способ подготовки данного материала.

Существует множество составов, которые предполагают, как погружение арматуры в специальные ванны, так и просто поверхностное нанесение кистью. При этом удаётся не только избавиться от налёта, но и предотвратить дальнейшее образование коррозии благодаря специальным ингибиторам.

Метод отличается целым рядом достоинств:

- быстрая и качественная очистка за короткий промежуток времени;

- возможность удаления ржавчины со всей поверхности арматуры;

- последующая защита от образования коррозии;



Рис.10 - Очистка арматуры методом химического воздействия.

В заключении можно сказать, что торкретирование является наиболее перспективным методом восстановления защитного слоя бетона при условии больших объемов работ. Это обусловлено высокой производительностью и длительным сроком службы нанесённого слоя.

2.2 Особенности ремонта дефектов бетона с оголением арматуры

- Глубина расчистки бетона за арматурой должна быть минмум 20мм

- Оголенную арматуру лучше всего очищать от коррозии при помощи пескоструйного аппарата

- При поврежденности арматуры более чем на 30% следует произвести замену

Произвести укладку ремонтного материала, необходимого для конкретного технологического решения, одним из двух методов:

Заполнить полость дефекта тиксотропным материалом методом послойного нанесения



Рис.11- Послойное нанесение тиксотропного материала.

Заполнить полость дефекта методом заливки литьевым материалом

Рис.12 - Заливка литьевым материалом, используя опалубку.

Ремонт защитного слоя бетона вручную

Ремонт защитного слоя вручную осуществляется при помощи материалов для конструкционного ремонта, предназначенных для реконструкции основных несущих элементов, восстановления геометрических размеров и первоначальных характеристик объектов из бетона и железобетона.

Для защиты бетонной конструкции от дальнейших разрушений, в материалы для ремонта и бетона добавляются специальные комплексные компоненты, обеспечивающие влагостойкое покрытие и выдерживающее длительное воздействие воды.

Прежде чем начать ремонт, следует заняться подготовкой поверхности к нанесению ремонтных составов. Для этого удаляются весь непрочный бетон, оголяют всю корродированную арматуру до исчезновения следов коррозии, нанося защитный состав после очистки.

При ремонте защитного слоя предусматриваются следующие виды работ:

- Заделка отдельных выколов и раковин(рис.13);

- Замена или восстановление защитного слоя (частичная или сплошная);

Рис.13 - Заделка выколов

При сплошной замене толщина защитного составляет не менее 30мм для рабочей арматуры и не менее 20мм для хомутов и нерабочей арматуры.

Замена защитного слоя бетона производится в тех случаях, когда его свойства понижены, арматура поражена коррозией или защитный слой отслаивается. В этих случаях старый защитный слой бетона подлежит полному удалению, а арматура должна быть очищена от ржавчины.

Для укладки защитного слоя бетона рекомендуется обычный бетон, но с мелкими фракциями.

Железобетонные рубашки рекомендуется устраивать при значительных разрушениях поверхностного слоя бетона конструкции с целью предохранения сооружения от дальнейшего разрушения.

Для заделки незначительных по протяженности повреждений защитного слоя применяются ручные приемы штукатурных работ.

Для нанесения бетона (раствора) используется мастерок. Уложенный раствор примерно через час смачивают водой, присыпают сухим цементом и заглаживают с помощью кельмы, деревянной или металлической гладилками. При этом глубина выколотых участков, подготавливаемой к ремонту поверхности, не должна сходить на нет к краю выкола, она всюду должна быть не менее 1 см. Переход места выкола к неповрежденному защитному слою должен быть сделан ступенькой под углом 90.

При большом объеме работ наиболее эффективным способом нанесения бетонов является торкретирование, при котором достигается получение весьма плотного прочного защитного слоя.

При подготовке поверхности к бетонированию одиночные трещины с шириной раскрытия свыше 1 мм разделываются в виде прямоугольника на глубину и зачеканиваются бетоном.

В местах больших отколов бетона и обнажения арматуры устанавливают дополнительную армирующую сетку с размером ячеек от 2,5 до 10 см и диаметром проволоки от 0,5 до 6 мм с прикреплением вновь устанавливаемых сеток к основной арматуре конструкции.

Для увеличения сил сцепления между новым и старым бетоном рекомендуется применять прослойку из эпоксидно-тиоколового клея К-153. При восстановлении защитного слоя с применением эпоксидно-тиоколовой прослойки бетон должен быть уложен до потери липкости клея.

В зависимости от степени развития трещин применяются следующие способы ремонта конструкций:

- Устройство защитных пленок и покрытий, для ремонта трещиноватых поверхностей, имеющих трещины раскрытием до 0.2мм;

- Герметизация трещин (заполнение их водонепроницаемыми эластичными материалами), для ремонта конструкций, имеющих трещины раскрытием более 0.3 мм;

- Поверхностная заделка трещин (устройство герметизирующей накладки, перекрывающей трещину и усиливающей сечение с трещиной) для ремонта конструкций, имеющих сквозные трещины с раскрытием более 0.2 мм;

- Прочностная заделка (омоноличивание полости трещины клеящим составом) для ремонта конструкций с трещинами раскрытием более 0.3мм.

Покрытие ремонтируемых поверхностей пленками предназначается для защиты бетона и поверхности конструкции от атмосферной и химической коррозии. Устройство защитных пленок и покрытий осуществляется путем окраски бетонной поверхности полимерцементными красками или синтетическими лаками.

Герметизация трещин высокоэластичными материалами без восстановления монолитности конструкции предназначается для закрытия доступа влаги и других агентов, вызывающих коррозию, к арматуре, обеспечивая ее сохранность.

Герметизация трещин эластичными материалами в виде мастики производится с помощью шприцев.

Прочностная заделка рекомендуется при необходимости одновременно с ликвидацией трещин восстановить монолитность конструкции. Прочностная заделка может быть выполнена с помощью инъектирования эпоксидного состава или цементного раствора в полость трещины.

До инъектирования должны быть устроены отверстия и установлены в них ниппели, через которые производится подача клеящего состава. После установки ниппелей трещина по поверхности бетона герметизируется с помощью наклейки стеклоткани, предотвращающей вытекание клеящего состава. Как правило, инъектирование должно начинаться с нижнего ниппеля.

Общие требования по защите бетонных и железобетонных конструкций от коррозии

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, их коррозионную стойкость следует обеспечивать применением коррозионно-стойких материалов, добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и его защитную способность для стальной арматуры, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категории трещиностойкости, ширине расчетного раскрытия трещин, толщине защитного слоя бетона.

В случае недостаточной эффективности названных выше мер должна быть предусмотрена защита поверхности конструкции:

- Лакокрасочными материалами;

- Оклеечной изоляцией из листовых и пленочных материалов;

- Облицовкой, футеровкой или применением изделий из керамики, шлакоситалла, стекла, каменного литья, природного камня;

- Штукатурными покрытиями на основе цементных, полимерных вяжущих, жидкого стекла, битума;

- Уплотняющей пропиткой химически стойкими материалами.

Меры защиты железобетонных конструкций от коррозии следует проектировать с учетом вида и особенностей защищаемых конструкций, технологии их изготовления, возведения и условий эксплуатации.

Для бетонных и железобетонных конструкций следует предусматривать бетон нормируемой проницаемости.

Проницаемость бетона характеризуется прямыми показателями (маркой бетона по водонепроницаемости или коэффициентом фильтрации). Косвенные показатели (водопоглощение бетона и водоцементное отношение) являются ориентировочными и дополнительными к прямым.

Таб.1 - Классификация агрессивных газовых сред

Степень агрессивного воздействия сред

Степени агрессивного воздействия сред на конструкции из бетона и железобетона приведены:

газообразных сред - в табл. 2; твердых сред - в табл. 3;

грунтов выше уровня грунтовых вод - в табл. 4; жидких неорганических сред - в табл. 5 - 7;

жидких органических сред и биологически активных сред - в табл. 8 и 8а.

Степень агрессивного воздействия сред на конструкции из армоцемента принимается как для конструкций из железобетона по табл. 2 и 3.

Таб.2-Группы агрессивных газов в зависимости от их вида концентрации

Таб.3 - Классификация агрессивных твердых сред

Таб.4 - Степень агрессивного воздействия жидких органических сред

Требования к материалам и конструкциям

Бетон железобетонных конструкций зданий и сооружений с агрессивными средами следует принимать марки по водонепроницаемости W4 и выше.

К бетону железобетонных конструкций, подвергающемуся воздействию агрессивных жидких сред (хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей), при наличии испаряющих поверхностей по табл. 5, и одновременно попеременному замораживанию и оттаиванию, должны предъявляться требования по морозостойкости, выше указанных в табл. 9 СНиП 2.03.01-84.

К бетону железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных жидких сред (хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей при наличии испаряющихся поверхностей) и одновременному переменному замораживанию и оттаиванию, должны предъявляться требования по морозостойкости. Испытания на морозостойкость должны выполняться по ГОСТ 10060.2-95.

Выводы по второму разделу

Во втором разделе рассмотрены основные методы восстановления защитного слоя бетона, были проанализированы в каких случаях использовать тот или иной метод. Целью главы было ознакомление с наиболее распространенными методами, а так же техническими требованиями предъявляемые к защитному слою в железобетонных конструкциях.

3. ВЫБОР ПЕРСПЕКТИВНОГО МЕТОДА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

3.1 Торкретирование

Торкретирование - прогрессивный способ нанесения на обрабатываемую поверхность одного или нескольких слоев раствора или бетона из цемента, песка, щебня или гравия и воды, в том числе с возможностью применения традиционной арматуры или с возможностью использования в качестве армирующих компонентов металлических (преимущественно стальных) или неметаллических фибр, осуществляемого под давлением сжатого воздуха при производстве работ, связанных с возведением, ремонтом или восстановлением несущих и ограждающих строительных конструкций, зданий и сооружений

В результате нанесения раствора или бетона на поверхность под давлением образуется уплотненный слой торкрета, свойства которого отличаются от свойств обычного бетона или раствора. По сравнению с обычным бетоном торкрет обладают повышенной механической прочностью, морозостойкостью, водонепроницаемостью, лучшим сцеплением с поверхностью обрабатываемой конструкции.

Ключевым преимуществом торкретирования перед другими методами является полная механизация процессов, требующими больших затрат труда, и в соединении в одной технологической операции транспортирования, укладки и уплотнения раствора или бетона.

Торкрет-бетон хорошо держится на потолках и стенах, не требует опалубки, его транспорт к рабочему участку не встречает затруднений, гибкий транспортный трубопровод легко проводит через узкие места, поэтому производство работ по торкретированию может осуществляться не только в открытом пространстве, но и в стесненных условиях.

Значительное внимание уделяется технологическим вопросам получения и применения в строительной практике торкрет-фибробетона, особенностям создания защитных покрытий с использованием этого материала. Успех применения торкрет-фибробетона связан с оптимизацией параметров дисперсного армирования и зависит от характеристики используемых фибр. Их прочности и объемного содержания в торкрет-бетоне, диаметра и длины фибр, соотношения между диаметром и длиной, профиля и качества их поверхности, обусловливающих анкеровку в бетонной матрице, а также от технологических приемов создания защитных покрытий. Применение фибр в качестве армирующих компонентов в торкрет-бетоне повышает его способность к пластической деформации, трещиностойкость, прочность при растяжении и изгибе, сопротивление к динамическим и огневым воздействиям, при это частичное или полное исключение из сечения торкрет-бетонного покрытия традиционной стержневой арматуры создает предпосылки трудозатрат при производстве работ, сокращения сроков строительства.

Области применения торкрет-бетона предусматривают создание покрытий с использованием данного материала:

- Строительство резервуаров, емкостей, башен, в том числе питьевого водоснабжения

- Гидроизоляция гидротехнических сооружений, туннелей и коллекторов

- Строительство элементов гидротехнических сооружений

- Реконструкция железнодорожных и автомобильных туннелей

- Окончательная отдела штолен, шахт, туннелей и пещер

- Нанесение поверхностных покрытий в штольнях и безнапорных водоводах с целью улучшения протекания жидкости

- Крепление строительных котлованов

- Крепление скальных стен и откосов

- Подведение контропор и фундаментов под сооружения

- Отделка и поверхностные покрытия при надземном строительстве

- Усиление конструкций из кладки и бетона

- Защитные работы в подземных сооружениях

- Огнеупорная облицовка

- Антикоррозионная защита стальных конструкций

- Восстановление защитного слоя бетона

Исходные материалы

Для получения торкрет-бетона должны использоваться следующие основные компоненты: вяжущие, заполнители, добавки, затворитель-вода. При обосновании в состав торкрет-бетонной смеси могут быть введены также армирующие компоненты - фибры и для создания декоративной поверхности - пигменты.

Вяжущие:

- Портландцемент и шлакопортландцемент по ГОСТ 10178

- Сульфатостойкий цемент по ГОСТ 22266

- Белый портландцемент по ГОСТ 15825

Заполнители:

-Песок по ГОСТ 8736, 26633, 9757

- Щебень или гравий по ГОСТ 8267

- Легкие заполнители по ГОСТ 9757

Гранулометрический состав заполнителей должен соответствовать графику рассева

Таб.5 - Гранулометрический рассев

Песок, используемый для получения торкрет-бетонной смеси должен иметь следующие характеристики:

- Модуль крупности - не менее 2 (использование песка с модулем менее 2 допускается при специальном обосновании)

- Относительная влажность - не менее 2% и не более 7%

Примечание. При относительной влажности менее 2% процесс производства работ сопровождается большим выделением пыли, возникновением неблагоприятных условий для осуществления этих работ оператором-сопловщиком. При относительной влажности более 7% возникают технологические трудности транспортирования сухой смеси в трубопроводе.

- Предельное содержание глинистых частиц - до 0.5%

- Содержание зерен фракций меньше 0.14мм - до 10%

- Предельное содержание фракций крупнее 5мм - не более 5%

Требования к торкрет-бетонным смесям

Торкрет-бетон должен соответствовать требованиям ГОСТ 26633, МГСН 2.09-03 в отношении мелкозернистых бетонов, изготавливаться должен в рамках технологического процесса.

Выбор состава торкрет-бетонной смеси, в том числе в части заполнителей, воды и любых добавок или армирующего волокна, должен обеспечивать достижение всех технологических качеств и эксплуатационных характеристик, заданных для свежеуложенного и затвердевшего торкрет- бетона. Минимальное содержание цемента в уложенном торкрет-бетоне должно быть 300 кг/м³.

Максимальное содержание минеральных добавок по таблице 6.

Таб.6-Максимальное содержание минеральных добавок в портландцементе.

Для торкрет-бетона установлены следующие классы по прочности на сжатие В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60

Для торкрет-бетона установлены следующие классы по прочности на растяжение при изгибе: Btb3.6, Btb4.0, Btb4.4, Btb4.8, Btb5.2, Btb5.6, Btb6.0

В зависимости от класса торкрет-бетона по прочности на сжатие марку цемента следует назначать по таблице 7

Таб. 7 - Назначение марки цемента по классу бетона.

Прочность торкрет-бетона с основанием (в дальнейшем адгезия), на которое он наносится, должна соответствовать требованиям таблицы в которой указаны минимальные значения прочности сцепления с бетонной поверхностью и скальным грунтом.

...