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

рессивных веществ и только при использовании в конструкциях ар­ матуры со структурами, имеющими склонность к этому виду кор­ розии в напряженном состоянии. К коррозионному растрескиванию под напряжением выше порогового уровня склонны в основном вы­ сокопрочные термически упрочненные стали и некоторые виды вы­ сокопрочной холоднотянутой арматуры. Этот вид коррозии вызы­ вают агрессивные среды, содержащие ионы хлора, нитратные, ро­ данистые и некоторые другие соли.

Первопричиной коррозионного растрескивания арматуры в бе­ тоне являются электрохимические процессы, на интенсивность ко­ торых на. участках контакта среды активатора коррозии металла в бетоне или в трещинах в замкнутом: слое бетона может влиять напряжение от внешней нагрузки.

Для конструкций с ненапрягаемой арматурой из высокоплас­ тичных сталей характерно постепенное разрушение, когда в ре­ зультате развития коррозии арматуры под давлением растущего слоя ржавчины защитный слой бетона растрескивается и отпадает. При наличии этих легко заметных симптомов необходимо сразу осуществить ремонт или усиление, не допуская исчерпания несу­ щей способности конструкции как следствия уменьшения сечения арматуры и потери ее сцепления с бетоном.

Опасность внезапного обрушения присуща конструкциям с на­ прягаемой арматурой из высокопрочных сталей, которая при кор­ розии имеет склонность к хрупкому обрыву.

Различают два основных периода эксплуатации железобетон­ ной конструкции — инкубационный, соответствующий пассивному состоянию стали в бетоне, и период развития процесса коррозии арматуры, когда растрескивается и откалывается защитный слой. Наиболее надежная долговечность железобетонной конструкции может быть достигнута только за счет обеспечения достаточной длительности первого — инкубационного периода ее взаимодейст­ вия со средой.

3. Биоповреждения железобетонных и каменных конструкций

Биоповреждения железобетонных конструкций

Одним из видов коррозионных процессов в структуре бетона является биокоррозия, приводящая к биоповреждениям (биодесгрукции), являющимся одной из актуальных проблем микологии.

Микробиологический фактор воздействий характерен для пред­ приятий мясомолочной, пищевой, рыбной, кожевенной, сельхозперерабатывающей, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и других отраслей, связанных с использованием нефти, газа, горючих и смазочных материалов органического про­ исхождения.

В коррозионных процессах принимают участие бактерии, грибы» антиномицеты, водоросли.

П

Как правило, в бетонах биоповреждеиня обусловлены воздей­ ствием продуктов метаболизма микроорганизмов и лишь в редких случаях непосредственно механическим воздействием биоорганиз­ мов (например, камнесверлилыциков).

Основные процессы разрушения обусловлены действием кисло г, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Пе­ речень таких кислот весьма обширен: от сильных минеральных (серной и азотной) до многоатомных органических (гумпновых, пировиноградиой). Выделяются и более простые по структуре ор­ ганические кислоты: уксусная, молочная, щавелевая, фумаровая, яблочная, лимонная и др. Условия развития процессов биокорро­ зии и их различные случаи, имеющие значение для разработки мер защиты, рассмотрены в [34].

Наиболее активны в коррозионном отношении литотрофиые бак­ терии, окисляющие неорганические соединения: серу, сульфиды, сульфат закиси железа, аммиак—с образованием серной и азотной кислоты. В условиях повышенной аэрации или высокой насыщен­ ности среды кислородом при низком значении pH (2—4) элемен­ тарная сера, сульфиды металлов, сульфат закиси железа активно окисляются тионовымн бактериями до серной кислоты.

• Несмотря на широкий класс зданий и сооружений, конструкции которых подвергаются микробиологическим воздействиям, до на­ стоящего времени отсутствует нормативная база, регламентирую­ щая вопросы строительства и долговечности в таких средах.

Установлено, что процесс изменения прочности бетона в боль­ шинстве биологических сред можно разделить на два периода. Первый (втечение 5— 18.месяцев) характеризуется продолжающим­ ся естественным ростом прочности бетона, на который накладыва­ ется процесс уплотнения структуры за счет заполнения пор бетона продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к некоторому общему повышению прочностных характеристик бето­ на. Картина «ложное упрочнение» особенно характерна для высо­ копрочных бетонов.

Второй период (18—22 месяца) характерен разрушением струк­ туры бетона за счет реагирования компонентов клинкера с продук­ тами метаболизма микроорганизмов, накопленными к этому вре­ мени в порах бетона в результате жизнедеятельности бактерий. Скорость процесса зависит от класса бетона и характера среды. Деструкция материала носит затухающий характер, и снижение прочности бетона'в микробиологических средах достигает в сред­ нем 40—50%. Влияет микробиологическое воздействие и на другие параметры бетона. Так, отмечается уменьшение предельной

ходит медленнее, чем снижение прочности. Через три года сниже­ ние Е ь составляет 30—45%.

Изменение прочности бетона в конструкциях, подверженных

12

биологическому воздействию, происходит неравномерно по высоте

иширине сечения, что приводит к искривлению эпюры напряжений

исмещению центра тяжести в сторону нейтральной оси; снижение прочности бетона приводит к увеличению граничной относительной величины сжатой зоны бетона §.

Биоповреждения каменных конструкций

В определенных условиях наряду с физическими и химическими факторами значительную роль в разрушении материалов камен­ ных конструкций в атмосферных условиях могут играть микроор­ ганизмы и низшие растения, живущие на поверхности и в порах камня.

Общим свойством каменных материалов является их порис­ тость. Чем она больше, тем сильнее на камень воздействуют фак­ торы разрушения, не только абиотические, но и биологические. Чем крупнее поры, тем больше они удерживают влаги и органи­ ческой пыли, которые являются необходимым условием, роста мик­ роорганизмов и тем глубже в породу могут проникать микробы и, следовательно, тем интенсивнее протекает процесс биоповрежде­ ния.

Поселяясь на каменных материалах, микроорганизмы и низшие растения разрушают их химически и механически.

Химическое разрушение камня возникает в результате дейст­ вия на него кислых продуктов, образующихся в процессе роста мик­ роорганизмов: неорганических и органических кислот, а также уг­ лекислого газа. Наиболее сильно разрушают каменные материалы азотная и серная кислоты, продукты окисления микроорганизмами газов, присутствующих в атмосфере. Грибы, водоросли, лишайни­ ки разрушают каменные материалы не только химически, действи­ ем продуктов метаболизма, но и непосредственно, механически. Рост биомассы микроорганизмов, внедрившихся в поры и микродрещины, способствует их расширению. Периодическое увлажне­ ние и высыхание лишайников, сопровождающееся значительным изменением объёма клеток, приводит к циклическому давлению на етенки трещин и усталостному разрушению камня.

Между биологическими, химическими и механическими факто­ рами, несомненно, существует взаимодействие. Трещины,, проявив­ шиеся в результате температурных напряжений и выветривания, облегчают химические реакции между каменным материалом и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. В свою очередь, ■биологические повреждения камня делают его более податливым к действию химических и механических фактрров и тем самым уве­ личивают интенсивность разрушений.

Кроме того, грибы, водоросли и лишайники, растущие на камен­ ных материалах, способствуют задержанию пыли и грязи, заноси­ мых ветром и птицами. Такие микропылевые ассоциации начина­ ют служить дополнительным источником питания и причиной прог­ рессирующего разрушения.

13

1.2.ВОЗДЕЙСТВИЕ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ

ИКАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Силовые воздействия на конструкции являются следствием вне­ шних природных и искусственных нагрузок, приложенных к эле­ ментам, и собственной их массы. Совместное и неблагоприятное со­ четание всех возможных нагрузок создает силовые воздействия на конструкцию в виде продольных сжимающих и растягивающих сил, изгибающих и крутящих моментов или их комбинацию. Силовые воздействия на элемент создают в его сечениях различные напря­ женные состояния, основными из которых являются: сжатие, рас­ тяжение, внецентренное сжатие и растяжение, изгиб, сдвиг, круче­ ние или их сочетания.

Силовые повреждения строительных конструкций происходят в случае, если внешнее усилие окажется больше внутреннего, чго возможно либо вследствие незапланированного повышения нагру­ зок, либо при наличии ошибок в проектировании и изготовлении конструкций.

Влияние силовых факторов на различные железобетонные эле­ менты проявляется следующим образом:

1. В сжатых железобетонных элементах с малым или случай­ ным эксцентриситетом повреждение от воздействия продолной си­ лы проявляется в разрушении защитного слоя бетона сжатой зо­ ны и потере устойчивости сжатых продольных арматурных стерж­ ней. Потеряв устойчивость, арматурный стержень выпучивается на участках между поперечными стержнями, разрушая тонкий защит­ ный слой бетона (рис. 1.1). Последующее увеличение нагрузки приводит к разрыву хомутов и полному разрушению сжатого желе­ зобетонного элемента.

При отсутствии поперечных стержней в сжатых элементах или при постановке их с увеличенным против норм шагом выпучива­ ние продольной арматуры и разрушение элемента происходит при меньших нагрузках, так как продольная сила, вызывающая поте­ рю устойчивости находится в обратно пропорциональной зависи­ мости от длины незакрепленного участка стержня.

2. В изгибаемых железобетонных элементах повреждения о г воздействия силовых факторов проявляются сначала в появлении на наиболее напряженных участках растянутой зоны нормальных трещин, а в зоне действия больших значений поперечной силы — наклонных трещин (рис. 1.2, а). При увеличении нагрузки трещины

раскрываются и развиваются вверх по сечению. Разрушение эле­ мента произойдет при достижении в растянутой арматуре напря­ жения, равного пределу текучести, и бетоном сжатой зоны — приз­ менной прочности. При избыточном содержании рабочей армату­ ры разрушение происходит по сжатой зоне с раздроблением сжа­ того бетона при напряжениях в арматуре, не достигающих преде­ ла текучести.

3. Силовые повреждения внецентренно-сжатых элементов с большими эксцентриситетами продольной силы проявляются так

14

а

— i . J L j J - J J ' —

- ео 1 ео.

*

1 ii

ь

Рис. 1.2. Характер силовых повреждений железобетонных эле-

менТОВ: а — изгибаемых от внешней нагрузки; б — виецентренносжатых (при больших (1) и малых (2) эксцентриситетах); в — изги­ баемых от усилия обжатия

тить внимание обследователей на такое силовое воздействие на железобетонные элементы, как усилие предварительного обжатия. В практике изготовления и использования предварительно-напря­ женных конструкций очень часто наблюдается их повреждение усилием предварительного обжатия.

Усилие предварительного обжатия, действующее .на элемент как внешняя сила, приложенная по центру тяжести напрягаемой арматуры, при недостаточной пречности бетона может вызвать об­ разование трещин в верхней зоне сечения, проскальзывание напря­ женных арматурных стержней с образованием продольных трещин

16

в защитном слое бетона и даже разрушение элемента (рис. 1.2, в).

Дефекты и повреждения каменной кладки от воздействия сило­ вых факторов возникают в наиболее нагруженных элементах ка­ менных конструкций: несущих каменных столбах, простенках, пи­ лястрах и др.

Эти элементы работают в основном на центральное и внецентренное сжатие. Повреждение каменных сжатых элементов от си­ ловых воздействий обычно сводится к образованию продольных трещин, которые с увеличением нагрузки развиваются по высоте, соединяются между собой, и разделяют кладку на отдельные вер­ тикальные гибкие столбики (рис. 1.3). Из-за потери устойчивости

4

Рис. 1.3. Характер си­ ловых повреждений сжатого кирпичного столба

столбики последовательно разрушаются, что приводит в конечном итоге к разрушению всей конструкции.

Наиболее часто встречающимся силовым повреждением кладки является повреждение, вызванное местной перегрузкой при опирании металлических или железобетонных балок на кирпичные сте­ ны без устройства опорных железобетонных подушек или при при­ менении неармированных бетонных подушек (рис. 1.4).

I I

Рис. 1.4. Повреждение кирпич­ ной пилястры при местной пе­ регрузке из-за разрушения неармированной подушки

1.3. ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ И ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ИХ РАБОТУ В СТАДИИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

1. Сборные железобетонные конструкции

При изготовлении сборных железобетонных конструкций в за­ водских условиях наиболее часто встречающимися технологичес­ кими отклонениями, влияющими на несущую способность и долго­ вечность элементов, являются:

1.Несоблюдение толщины защитного слоя бетона, а зачастую, практически полное его отсутствие. В этом случае арматурные стержни либо выходят на поверхность, либо закрыты лишь тонким слоем цементного раствора. Последствия данного отклонения при­ водят при эксплуатации элемента к быстрой коррозии арматуры, снижению сцепления арматуры с бетоном и преждевременному выходу конструкции из строя.

2.Смещение закладных деталей по поверхности изделия и по

18

его толщине. При этом происходит и смещение точек приложения нагрузок, создавая в элементе дополнительные усилия — изгиба­ ющие и крутящие моменты, на которые данные конструкции заве­ домо не рассчитывались. Возможные последствия — перенапряже* ние сечений с появлением трещин в растянутых зонах. Кроме того, при чрезмерно заглубленных закладных деталях в условиях стро­ ительной площадки либо делаются попытки обнажить закладные детали (при этом происходит механическое повреждение бетона), либо предлагается вариант установки новых, не всегда надежных, закладных деталей путем изготовления обойм, хомутов и т. п., ли­ бо соединение стыкуемых конструктивных элементов вообще не про­ изводится (что меняет расчетную схему конструкций или сущест­ венно снижает жесткость узла со всеми вытекающими отсюда пос­ ледствиями).

3. Недостаточное уплотнение бетона при бетонировании изде­ лия, приводящее к образованию пустот и раковин в теле изделия и на его поверхности. Наличие пустот и раковин в теле бетона может существенно сказаться на несущей способности сечения, особенно в случае нахождения этого дефекта в зоне максимального значе­ ния усилий.

4. Снижение прочности бетона по сравнению с проектной во всем конструктивном элементе или его отдельный зонах может яв­ ляться следствием неправильного подбора состава бетона, пони­ женной активности цемента, недостаточного времени перемешива­ ния бетона в бетоносмесительных установках, применения загряз­ ненных заполнителей (наличие глины, ила и других загрязняющих включений) и применения • пылевидных песков и песков с малым модулем крупности. Снижение прочности бетона в изделии или в его отдельных зонах прямо связано со снижением несущей способ­ ности элемента.

5. Применение чрезмерно подвижных бетонов (с повышенным значением В/Ц) и использование,жестких режимов термообработ­ ки изделий приводит к образованию усадочных трещин на откры­ тий поверхности изделия, сориентированных вдоль стержней арма­ туры. При эксплуатации таких изделий в условиях повышенной влажности или атмосферных воздействий влага через усадочные трещины проникает к арматуре и вызывает ее коррозию. Увеличе­ ние в объеме продуктов начавшейся коррозии приводит к раскры­ тию усадочной трещины, а в дальнейшем к разрушению защитного слоя бетона.

6.Отклонения от проектных размеров железобетонных изделий

вплане и по толщине, превышающие предельно допустимые от­ клонения. В узлах .соединений сборных железобетонных элемен­ тов, имеющих отклонение размеров, может иметь место недоста­ точная длина опирания и как следствие недостаточная длина ан­ керовки продольной рабочей арматуры; появление дополнитель­ ных эксцентриситетов приложения усилий и соответствующих из­ гибающих или крутящих моментов, не учтенных расчетом; искрив­

ление (неплоскостность) опорных поверхностей, вызванное дефек­

тами опалубочных форм, приводит к точечному опиранню конст­ рукции вместо опирания по всей плоскости и опасности проявле­ ния местного смятия материала при резко возрастающих напря­ жениях, а также изменению расчетной схемы элемента.

7. Применение химических добавок в бетон для повышения его удобоукладываемости и экономии цемента, а также для быстрей­ шего приобретения необходимой прочности бетона без соблюдения требований технических условий как по виду добавок, так и по их дозировке может привести к коррозии арматуры в изделиях, сни­ жению стойкости цементного камня в сульфатной среде и повыше­ нию усадки.

8.Обрыв напряженных стержней происходит в изделии обычно

впериод формовки или термовлажностной обработки. Причиной обрыва является чрезмерное растяжение стержней при отсутствии контроля за величиной предварительного напряжения арматуры, обрыв временных концевых анкеров, пониженная прочность арма­ турной стали и др. При обрыве напряженный стержень проскаль­ зывает в бетоне, теряет сцепление с бетоном, повреждает защит­ ный слой бетона и практически выключается из работы при со­ ответствующем снижении несущей способности, трещиностойкостн

ижесткости изделия.

р. Монолитные железобетонные конструкции

Для монолитных железобетонных конструкций отклонения в технологии их возведения ивлияние отклонений на работу конст­ рукций под нагрузкой имеют, в основном, такой же характер, как и ' в сборных железобетонных конструкциях.

Специфическими для монолитных железобетонных конструкций могут считаться такие отклонения, как:

1. Преждевременное снятие опалубки; элемент, не набравший проектную прочность бетона, может оказаться не в состоянии вос­

бетона. Они встречаются чаще всего в местах менее доступных,для качественного уплотнения: в колоннах и в высоких балках. Недос­ таточно подвижная (пластичная) бетонная масса при густом арми­ ровании, слишком крупный щебень и подача бетона в опалубку с большой высоты и большими порциями благоприятствуют образо­ ванию пустот и раковин, которые ослабляют конструкцию.

3. Нарушение требования о беспрерывности возведения при применении скользящей опалубки. Это нарушение приводит зачас­ тую к многочисленным дефектам, в частности, к срывам и зависа­ ниям бетона (горизонтальным трещинам и круговым раковинам). Срывы бетона и нарушения его структуры также могут происхо­ дить в процессе его схватывания элементами скользящей опалуб­ ки, которые часто имеют различные дефекты, в частности, обрат­ ную конусность, спосрбствующие образованию срывов бетона.

20