книги / Мониторинг состояния цементобетонных дорожных конструкций

Практическая ценность результатов исследований состоит в следующем:

•решена важная народнохозяйственная проблема – увеличение сроков службы цементных бетонов конструкций и сооружений, эксплуатирующихся в условиях воздействия природной климатической среды;

•разработанные теоретические и методологические основы оценки остаточного ресурса бетонов позволяют выполнять моделирование накопления повреждений при различных параметрах климатической среды

ипроводить имитационные эксперименты для решения практических задач проектирования бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, оценки эффективности различных видов ремонтных работ, продления жизненного цикла конструкций и сооружений;

•показаны реальные пути, позволяющие осуществлять совместный анализ и сопоставление опытных данных по изменению свойств бетонов различного качества под воздействием климата;

•разработаны предложения по оценке качества бетона изделий, предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия реальной климатической среды;

•разработаны рекомендации по оценке состояния бетона конструкций, эксплуатирующихся в климатических условиях Урала и Сибири;

•разработан метод прогнозирования долговечности бетона в условиях воздействия реальной климатической среды;

•разработанный метод оценки и прогнозирования состояния бетонов позволяет определять допускаемые изменения значений характеристик свойств бетонов, обеспечивающие проектный срок их службы в природных климатических условиях, что повышает надёжность оценки стойкости проектируемых бетонов в связи с их составами и технологиями изготовления;

•результаты исследований рекомендуются для использования при обследовании бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, эксплуатирующихся в условиях воздействия климатической среды.

Реализация результатов исследований. Результаты работы использо-

вались при проведении исследований в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», связанных с разработкой методики прогнозирования долговечности бетонов, в том числе в рамках реализации Федеральной

11

Глава 1

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ НАПРАВЛЕНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

НА СОСТОЯНИЕ ЦЕМЕНТОБЕТОНА

1.1. Роль цементных бетонов в строительной отрасли

Среди строительных материалов в прошлом столетии лидирующее место во всем мире занимал цементобетон (далее бетон). В ХХ веке только в России было использовано более 21 млрд кубометров бетона и железобетона. На его производство ушло более 70 % всего выпущенного цемента и 30 % нерудных строительных материалов. В стоимостном выражении на бетон и железобетон приходится около 60 % от стоимости всех применяемых в строительстве материалов. В этой отрасли занято примерно 400 тыс. работников, а доля продукции составляет 2 % от общего валового продукта Российской Федерации (вся промышленность стройматериалов – 3 %).

По уровню технических и экономических показателей бетон и, соответственно, железобетон по-прежнему остаются основным конструкционным материалом, занимая приоритетные места в общей структуре мирового производства строительной продукции (ежегодное производство бетона и железобетона в мире превышает 3 млрд м3). Из 2800 млн м2 жилого фонда России на здания, построенные с применением бетона и железобетона приходится не менее 2 млрд м2. Доля сборного и монолитного железобетона составляет более 40 % стоимости валовой продукции и основных фондов промышленности строительных материалов России, на построенные здания и сооружения в стоимостном выражении приходится 60 % национального достояния страны. При этом не менее 2/3 зданий и сооружений выполнено с применением бетона и железобетонных конструкций. В настоящее время в нашей стране производится за год около 17 млн м3 сборных железобетонных конструкций, более 30 млн м3 монолитного бетона и раствора и приблизительно 5 млн м3 мелких бетонных блоков. Эта отрасль промышленности строительных материалов за первое полугодие 2010 г. по сравнению с тем же периодом 2009 г. дала прирост в 2,1 %.

13

Бетон и железобетон сохранят свою лидирующую роль в строительстве и в ХХI веке.

В России наметился новый крупный сектор экономики, в котором будут применяться в больших масштабах цементные бетоны, – это строительство автомобильных дорог (рис. 1.1). Руководство дорожной отрасли заявило, что если в ближайшие годы не улучшится качество отечественного битума, Россия откажется от асфальтобетонных дорог в пользу цементобетонных. Уже сейчас количество проектов по строительству дорог с цементобетонными покрытиями больше, чем с асфальтобетонными2.

Рис. 1.1. Применение цементобетона при строительстве автомобильных дорог

В докладе Всемирного банка в марте 2011 г., посвященном экономике РФ, отмечено, что уровень затрат на содержание и капитальный ремонт автомобильных дорог чрезвычайно высок. Согласно данным экспертов, годовые затраты на содержание 1 км автомобильных дорог РФ составляют от 27 до 55 тыс. долл., что превышает аналогичные затраты во

2 Янковский Л.В. Анализ и перспективы строительства цементобетонных автомобильных дорог в России // Урбанистика: Вестник ПНИПУ. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. № 2. С. 82–93.

14

многих странах мира. Переход на строительство дорог с цементобетонным покрытием позволит существенно снизить затраты на содержание дорог. Срок службы автомобильных дорог с цементобетонным покрытием по нормам РФ составляет 25 лет, но специалисты считают, что их долговечность может достигать 50 и более лет.

Жесткие дорожные покрытия, изготовленные по современным технологиям, выгодно отличаются: обеспечивается хорошее сцепление колеса с дорогой при любой температуре и влажности; нет колеи, волн и «гребенки»; в жару покрытие не размягчается, в стужу – не трескается; небольшие швы, выполненные без сколов и просадок, заполненные качественной мастикой, не создают шума (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Автомобильные дороги с цементобетонным покрытием

Эффективность функционирования отрасли производства бетона и железобетона в значительной мере определяет уровень всей российской промышленности стройматериалов. На смену безграничному «техническому прогрессу» мировое сообщество выдвинуло концепцию устойчивого развития современной цивилизации, учитывающую интересы грядущих поколений. В этих условиях материалам и технологиям в области строительства должны быть присущи все признаки пятого технологического уклада в мировом развитии, который уже утвердился в развитых странах.

15

Бетон и железобетон как строительный материал в наибольшей степени отвечает критериям устойчивого развития, главным из которых является применение долговечных бетонов, требующих в процессе эксплуатации минимальных затрат на ремонт при правильной технологии укладки3.

1.2.Современные представления о физической природе влияния климатических условий на состояние

идолговечность цементобетона

1.2.1. Характеристика климатических условий

Цементные бетоны в составе конструкций и сооружений на всём протяжении жизненного цикла, включая и период изготовления, испытывают в числе прочих и климатические воздействия.

Тип климата – это совокупность климатических показателей для определенной территории. Традиционными показателями климата являются: средняя годовая температура воздуха, годовая амплитуда колебания температуры, количество и время выпадения осадков, господствующие ветры. В основу схемы климатического районирования профессора МГУ Б.П. Алисова, положена циркуляция атмосферы (циклоническая деятельность и перенос тёплых и холодных воздушных масс) и особенности радиационного режима. Согласно его классификации, существует 7 типов климата, составляющих климатические пояса: четыре основных – экваториальный, тропический, умеренный, полярный (арктический и антарктический); три переходных – субэкваториальный, субтропический, субполярный (субарктический и субантарктический) (рис. 1.3).

Рассмотрим основные четыре типы климата.

Экваториальный климатический пояс. В экваториальном поясе сформировался один тип климата – экваториальный. Этот климат отличается высокими положительными температурами воздуха в течение всего года (24–28 °С), незначительными колебаниями температуры, обильными осадками (2000–3000 мм в год), которые распределяются равномерно в течение года. Экваториальный тип климата в России отсутствует.

3 Янковский Л.В., Кочетков А.В. Опасность дефектов // Автомобильные до-

роги. 2012. № 4. С. 78–81.

16

PNRPU

Рис. 1.3. Карта климатических поясов Земли

Тропический климатический пояс. Этот тип климата формирует два тропических климатических пояса (в Северном и Южном полушарии). В этом типе климата состояние атмосферы над материком и океаном различно, поэтому различают материковый тропический климат и океанический тропический климат.

Материковый тропический климат характеризуются осадками от

100 до 250 мм, отличается жарким летом (35–40 °С). Зимой температура 10–15 °С. Характеризуется резкими суточными (до 40 °С) и сезонными перепадами температур. Западные и восточные побережья сильно отличаются друг от друга. Западные характеризуется низкой температурой воздуха (18–20 °С) и малым количеством осадков (менее 100 мм), на восточных побережьях температура выше, а осадков больше.

Океанический тропический климат. Лето над океанами не столь жар-

кое (20–27 °С), а зима прохладная (+10…–15 °С). Осадки выпадают преимущественно летом (до 50 мм).

Тропический тип климата в России отсутствует.

Умеренный климатический пояс. Характеризуется умеренно теп-

лым летом (от 10 до 25–28 °С) и холодной зимой (от 4 до –50 °С). Годовое

17

количество осадков от 1000 до 3000 мм по окраинам материка и до 100 мм во внутренних районах. Умеренно континентальный климат характерен для европейской части России и крайнего северо-запада умеренного пояса в пределах Западной Сибири. Основными признаками этого вида умеренного климата является жаркое лето (в его середине температура поднимается до 30 °С) и морозная зима (температура опускается до – 30 °С). Муссонный подтип умеренного климата, господствующий на востоке Евразии от Камчатки до Кореи и на севере Японии, на северовостоке Китая, характеризуется сменой устойчивых ветров (муссонов) по сезонам. Зимой здесь дует холодный ветер с континента, зима ясная и холодная (–20…–27 °С). На Камчатке, Сахалине выпадает от 1600 до 2000 мм осадков. Муссонный климат наблюдается на восточной окраине России и характеризуется прохладным летом (средняя температура в июле 15–20 °С). Зимой температура иногда опускается до 40 °С (средняя около 25 °С). Умеренный климат подразделяется на четыре подтипа:

–морской, который отличается прохладным летом (15–20 °С) и теплой зимой (от 5 °С). Осадки, приносимые западными ветрами, выпадают круглый год (от 500 мм до 1000 мм, в горах до 6000 мм);

–переходный от морского к континентальному;

–континентальный, лето здесь теплое (17–26 °С), а зима холодная (–10…–24 °С) с устойчивым многомесячным снежным покровом. Наиболее ярко континентальный климат наблюдается в Якутии, где средние январские температуры могут опускаться до –40 °С и выпадает мало осадков. Континентальный климат в большей части Западной Сибири и крайнего юго-востока Восточно-Европейской равнины (полупустыни и пустыни Прикаспия). На севере выпадает в 3 раза больше осадков, чем на юге. Усиливается разница между температурами лета и зимы. Средняя температура в июле достигает 26 °С, а в январе –25 °С. Здесь ещё можно выделить резко континентальный климат, который характерен для умеренного пояса Средней Сибири (жаркое лето и морозная зима). Малое количество осадков в зимний период способствует сильному промерзанию почвы и сохранению многолетний мерзлоты. В пределах этой климатической зоны находится лишь одна природная зона – тайга, для которой практически нет температурных различий между севером и югом;

–муссонный – холодная и сухая зима, прохладное и дождливое лето. Полярный тип климата. Выше 70° северной и 65° южной широт

господствует полярный климат, образующий два пояса: арктический

18

и антарктический (воздух сильно охлажден, снежный покров не тает весь год). Осадков выпадает мало, воздух насыщен мелкими ледяными иглами. Оседая, они дают в сумме только 100 мм осадков в год. Средняя температура лета не превышает 0 °С, а зимы –20…–40 °С;

– арктический климатический пояс расположен на Сибирском побе-

режье Северного Ледовитого океана и его островах, за исключением южного острова Новой Земли, островов Вайгача, Колгуева и других в южной части Баренцева моря. Температура воздуха в зимнее время может опускаться до –60 °С. Зима длится примерно 10 месяцев. Времён года практически два (весна и осень отсутствуют). Лето холодное (температура обычно не поднимается выше 5 °С);

– антарктический климатический пояс аналогичен арктическому,

в России отсутствует. Дополнительные три типа климата:

Субэкваториальный климатический пояс. Лето: много осадков

(1000–3000 мм), средняя температура воздуха 30 °С. Зима прохладнее, чем лето (14 °С). Осадков выпадает мало. В России отсутствует.

Субтропический климатический пояс. Жаркое, сухое лето (от 30

до 50 °С) и холодная зима с осадками, устойчивого снежного покрова не образуется. Годовое количество осадков около 500 мм. Климат сухих субтропиков характеризуется жарким летом (до 50 °С) и неустойчивой зимой, когда возможны морозы до –20 °С, осадков выпадает 120 мм и меньше. В западных частях – средиземноморский климат, который характеризуется жарким, малооблачным летом без осадков и прохладной, ветреной и дождливой зимой. В средиземноморском климате осадков выпадает больше, 450–600 мм. Субтропический климат восточных берегов материков является муссонным. Зима здесь сравнительно с другими климатами субтропического пояса холодная и сухая, а лето жаркое (25 °С) и влажное (800 мм). В России также отсутствует.

Субполярный климат. Лето прохладное (от 5 до 10 °С) и выпадает около 300 мм осадков (на северо-востоке Якутии 100 мм), зима холодная (температура до –50 °С). Субполярные климатические пояса расположены только на северных окраинах Евразии и Северной Америки, а также

вприантарктических водах и называются соответственно субарктический и субантарктический.

Субарктический климатический пояс расположен за полярным кругом

впределах Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири, на северо-

19

востоке простирается до 60° с.ш. К нему относятся и острова южной части Баренцева моря. Зимы в этом климатическом поясе продолжительные

ихолодные, менее суровые, чем в Арктике. Лето немного теплее (до 12°), но также короткое. Количество осадков примерно 200–400 мм в год.

Субантарктический климатический пояс в России отсутствует.

Климатическое районирование территории России и стран СНГ осуществлено преимущественно по температуре (СНиП 23-01–99 «Строительная климатология») и включает четыре района (I, II, III и IV), которые, в свою очередь, имеют подрайоны (А, Б, В, Г). На территории РФ расположены I, II и III климатические районы, IV климатический район находится в Закавказье, Средней Азии и в Крыму.

Климатические зоны располагаются с севера на юг в такой последовательности:

•I климатический район находится до 70° северной широты. Средняя температура воздуха в январе в этом районе колеблется от –14 до –28 °С

иниже, а в июле от 0 до 21 °С;

•II климатический район расположен примерно между 70 и 60° северной широты, а среднемесячная температура составляет в январе от –3

до –20 °С, в июле 8–21 °С;

•III климатический район соответственно между 60 и 45° северной широты, температура в январе от –5 до –20 °С, а в июле 21–27 °С;

•IV климатический район лежит ниже 45° северной широты, температура в январе колеблется от –12 °С до 6 °С, а в июле до 31 °С и выше.

Климат подразделяют также на умеренно-континентальный (европейская часть России и крайнего северо-запада умеренного пояса в пределах Западной Сибири; континентальный (большая часть Западной Сибири и крайнего юго-востока Восточно-Европейской равнины (полупустыни и пустыни Прикаспия); резко континентальный (умеренный пояс Средней Сибири, муссонный климат наблюдается на восточной окраине России).

Наряду с общепринятой классификацией исследователи влияния климатических условий на цементные бетоны ввели и используют на практике следующие виды климата: «сухой жаркий климат», «влажный жаркий климат», «суровый климат» и т.п. Однако подобного типа классификация в нормативных документах не отражена, поэтому мы в рамках

данной работы будем использовать классификацию, приведенную в СНиП 23-01–99 «Строительная климатология», и традиционную.

20