Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
Проблема обеспечения долговечности железобетонных конструкций является одной из приоритетных в строительстве. Отмечается, что ресурс силового сопротивления несущих конструкций может снижаться на всех этапах жизненного цикла до наступления отказа по предельным состояниям при эксплуатации. Распространенным видом повреждений изгибаемых железобетонных конструкций при агрессивных средовых воздействиях являются коррозионные повреждения. Изучение коррозионных повреждений эксплуатируемых железобетонных конструкций, а также причин их появления позволит сделать конкретные выводы для проектирования и строительства. В статье выполнен анализ наиболее характерных коррозионных повреждений бетона и арматуры изгибаемых железобетонных конструкций. В основу анализа положены отчетные материалы по обследованиям технического состояния такого вида конструкций. Установлено, что на практике у различных изгибаемых железобетонных конструкций чаще всего встречаются: коррозия стальной арматуры и возникающие при ее развитии трещины в бетоне, его отслоение; выщелачивание и выветривание бетона. При этом коррозионные повреждения бетона и арматуры практически всегда проявляются совместно. Не устраненные дефекты изготовления и монтажа железобетонных конструкций способствуют более интенсивному развитию коррозионных процессов. Отмечена необходимость разработки с последующим включением в нормы проектирования единых методик расчета железобетонных конструкций и определения остаточного ресурса при эксплуатации в агрессивных средах.
коррозионное повреждение, изгибаемая железобетонная конструкция, бетон, стальная арматура, агрессивная среда, дефект, эксплуатация
Введение. В последнее время проблема снижения долговечности эксплуатируемых конструкций зданий и сооружений представляется одной из приоритетных в научных исследованиях и практике строительства. Большое количество строительных объектов остро нуждается в незапланированном ремонте, а некоторые и вовсе выходят из строя, не отработав нормативного срока службы.
Срок службы зданий и сооружений определяется продолжительностью работоспособного состояния основных несущих конструкций, физическому износу которых способствует проявление отдельных факторов или их сочетаний: ошибки, допущенные при проектировании; применение низкокачественных конструкционных материалов; дефекты, полученные в ходе изготовления, транспортировки, складирования, монтажа, бытовой и технической эксплуатации; форс-мажорные обстоятельства; повреждения вследствие различных средовых воздействий. Снижение ресурса силового сопротивления несущих строительных конструкций может происходить на всех этапах жизненного цикла до наступления отказа по предельным состояниям при эксплуатации [1].
Распространенными видами повреждений изгибаемых железобетонных конструкций выступают коррозионные повреждения цементного бетона и стальной арматуры в результате развития в них различных химических процессов деградации, вызванных длительным воздействием агрессивной окружающей среды [2-5]. Эти процессы могут протекать как совместно, так и независимо друг от друга.
Коррозия бетона зависит от его плотности, уровня и знака напряженного состояния, свойств цементного вяжущего и степени агрессивности среды [6]. Влияние агрессивной среды на бетон, рассматривается как фактор, изменяющий его деформативно-прочностные характеристики; количественной мерой коррозионного процесса является глубина нейтрализации композитного материала (глубинный показатель).
Коррозия арматуры вызывается недостаточным содержанием цемента или наличием в бетоне вредных примесей, чрезмерным раскрытием трещин, малой толщиной защитного слоя [7]. Обычно считается, что деформативно-прочностные характеристики ненапрягаемой стальной арматуры под влиянием агрессивной среды не изменяются, хотя такое возможно в связи с охрупчиванием и концентрацией напряжений в местах коррозионных каверн и межкристаллических трещин [8]. Количественной мерой коррозии стальной арматуры является потеря площади поперечного сечения продольных растянутых стержней (определяется через глубину коррозионного поражения). Увеличение в объеме продуктов коррозии арматурной стали создает внутреннее давление в бетоне, что при критических значениях может привести к образованию коррозионных трещин и отслоению защитного слоя, снижению сцепления арматуры с бетоном.
В связи с вышесказанным, большое значение приобретают исследования реально имеющихся случаев повреждения и разрушения конструкционных материалов из-за коррозии. Изучение коррозионных повреждений эксплуатируемых железобетонных конструкций, а также причин их появления позволит сделать конкретные выводы для проектирования и строительства.
Основная цель данной статьи: на основании экспертных отчетов по обследованиям технического состояния изгибаемых железобетонных конструкций провести анализ наиболее характерных коррозионных повреждений бетона и арматуры данного вида конструкций.
Методика. При написании работы использовались общенаучные методы исследования, основными из которых являются анализ и обобщение результатов обследований изгибаемых железобетонных конструкций зданий и сооружений.
Основная часть. Согласно экспертным отчетам, обследования технического состояния несущих железобетонных конструкций проводились на территории Белгородской обл. в период с 1989 г. по 2014 г. под общим руководством проф. Смоляго Г.А. и доц. Дронова В.И. и затрагивали 78 строительных объектов, из которых 27 гражданских и 51 промышленных зданий и сооружений, имеющих фактический срок службы соответственно 3-107 лет и 7-66 лет. Установлено, что на практике у изгибаемых железобетонных конструкций больше всего распространены следующие коррозионные повреждения: коррозия стальной арматуры и возникающие при ее развитии трещины в бетоне, его отслоение; выщелачивание и выветривание бетона. Выявленные случаи повреждений сведены в табл. 1, где учтено, что в каждой конструкции из-за коррозии возможно проявление нескольких видов повреждений. Кроме того, в одном здании или сооружении могут встречаться несколько видов изгибаемых железобетонных конструкций.
Развитию коррозионных процессов способствует наличие у изгибаемых железобетонных конструкций дефектов, полученных в ходе изготовления и монтажа [9, 15].
Дефекты изготовления главным образом связаны с недостатками готового бетона. Применение некачественных составляющих бетона, нарушение технологии приготовления бетонной смеси, ее укладки, нарушение технологии ухода за бетоном приводят к снижению заданной прочности и плотности композита. Также следует отметить, что при тепловых режимах пропарки в свежеотформованном бетоне сборных железобетонных конструкций образуется множество сквозных капилляров. В результате всего этого бетон имеет повышенную проницаемость, что облегчает перенос агрессивных реагентов в структуру бетона, тем самым нейтрализуя его защитные свойства по отношению к стальной арматуре за более короткое время. В части технологии армирования значимым дефектом при изготовлении является нарушение проектного пространственного положения арматурных стержней, каркасов и сеток, приводящее к уменьшению величины защитного слоя бетона. Материалы обследований показывают, что на максимальную глубину арматурные стержни прокорродировали в местах конструкций, где защитный слой был меньше допускаемого строительными нормами. В таких случаях фиксаторы арматуры либо устанавливались в недостаточном количестве (арматура провисала между ними), либо вообще отсутствовали, арматурные стержни соприкасались с поверхностями опалубки.
Дефектами монтажа изгибаемых железобетонных конструкций являются различные сколы и разрушения бетона, трещины. Они появляются при нарушении технологии строительно-монтажных работ, при не бережном обращении с конструкциями. Материалы обследований показывают, что такие дефекты впоследствии практически не устраняются, арматура зачастую оголена и контактирует с агрессивной средой.
В плитах перекрытий и покрытий устройство технологических отверстий сопровождается появлением концентраторов напряжений и трещинообразованием в бетоне. В окрестностях отверстий стальная арматура подвержена коррозии более интенсивно.
В связи со сложившейся в последние годы экономической ситуацией наметилась тенденция приостановки строительства объектов из-за отсутствия у инвесторов возможности финансирования работ. Если длительное время внешний контур зданий и сооружений не закрыт, не выполнены работы по консервации объекта, то железобетонные конструкции, как правило, подвержены широкому спектру атмосферно-климатических воздействий (осадки, циклическое замораживание-оттаивание и др.), что, в свою очередь, приводит к коррозионным повреждениям бетона и арматуры.
Таблица 1
Коррозионные повреждения эксплуатируемых изгибаемых железобетонных
конструкций зданий и сооружений
|
Вид изгибаемых железобетонных конструкций |
Количество случаев |
||||||
|
Всего с данным видом конструкций |
В том числе с конструкциями, имеющими коррозионные повреждения |
||||||
|
Коррозия рабочей и конструктивной арматуры |
Коррозионные трещины в бетоне (max. ширина раскрытия, мм) |
Отслоение защитного слоя бетона (min. толщина, мм) |
Следы выщелачивания бетона |
Выветривание бетона |
|||
|
Сборные |
Ребристые плиты перекрытия (3-41) |
24 |
24 (0.2-3.0) |
24 (1-5) |
24 (0-25) |
22 |
1 |
|
Ребристые плиты покрытия (7-107) |
20 |
18 (0.2-5.0) |
18 (1-8) |
18 (0-25) |
18 |
1 |
|
|
Многопустотные плиты перекрытия (17-107) |
19 |
19 (0.1-1.5) |
18 (2) |
18 (0-20) |
16 |
- |
|
|
Многопустотные плиты покрытия |
6 |
5 (0.1-1.0) |
5 |
5 (0-15) |
6 |
1 |
|
|
Перемычки (23-52) |
9 |
9 (0.2-3.0) |
9 (2) |
8 (0-5) |
6 |
1 |
|
|
Балки покрытия |
5 |
5 (0.2-1.5) |
5 (3-5) |
5 (0-10) |
4 |
1 |
|
|
Ригели, прогоны |
5 |
5 (0.5-3.0) |
5 (2-10) |
5 (5) |
5 |
1 |
|
|
Карнизные плиты (27, 37) |
2 |
2 (0.5) |
2 |
2 (0-5) |
2 |
1 |
|
|
Стеновые панели |
2 |
2 (0.1-0.2) |
2 |
1 |
2 |
1 |
|
|
Мелкоразмерные ребристые плиты перекрытия (49, 56) |
2 |
2(0.3) |
1 |
1 |
1 |
- |
|
|
Мелкоразмерные плиты покрытия (24) |
1 |
1 (0.5) |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
Балконные плиты (47) |
1 |
1 (1.5) |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
Безбалочные перекрытия (39) |
1 |
1 (0.3) |
1 |
1 (0-5) |
1 |
- |
|
|
Фермы (21) |
1 |
1 (2.0) |
1 (1) |
1 (0-5) |
1 |
- |
|
|
Всего |
98 |
95 |
93 |
91 |
86 |
10 |
|
|
Монолитные |
Безбалочные перекрытия (22-96) |
10 |
10 (0.2-3.0) |
9 (3-5) |
9 (0-15) |
6 |
- |
|
Ребристые перекрытия |
4 |
3 (1.5-3.0) |
2 |
2 (3-50) |
2 |
- |
|
|
Балки перекрытия |
4 |
4 (0.1-3.0) |
2 (3) |
2 (5-10) |
2 |
- |
|
|
Перекрытия по стальным балкам (50, 107) |
2 |
2 (0.5-2.0) |
2 |
2 (0-5) |
2 |
- |
|
|
Безбалочные покрытия (27) |
1 |
1 (3.0) |
1 |
1 (2-10) |
1 |
- |
|
|
Лестничные площадки (23) |
1 |
1 (0.4) |
1 |
1 |
1 |
- |
|
|
Балконные плиты (57) |
1 |
1 (0.6) |
1 |
1 |
1 |
- |
|
|
Всего |
23 |
22 |
18 |
18 |
15 |
0 |
|
|
ИТОГО |
121 |
117 |
111 |
109 |
101 |
10 |
|
Практически во всех случаях в местах обнаружения серьезных коррозионных повреждений стальной арматуры происходило длительное увлажнение железобетонных конструкций. Когда влага не подступала к поверхностям конструкций, даже при наличии дефектов бетона и малой толщины защитного слоя коррозия арматуры отсутствовала или была незначительной.
Выщелачивание является коррозией первого вида, возникающей в бетоне при действии жидких сред, способных растворять и выносить компоненты цементного камня из структуры бетона [10]. Особенно интенсивно эти процессы протекают при фильтрации мягкой воды через толщу бетона. В результате этого прочность бетона уменьшается, бетон становится более пористым, что способствует снижению сопротивления коррозии арматуры. Повреждения бетона при коррозии выщелачивании в рассматриваемых обследованиях устанавливались по наличию на поверхностях железобетонных конструкций разводов вынесенной из цементного камня извести.
Одним из основных факторов, негативно влияющих на исходные свойства бетона, является действие низких температур и особенно попеременное замораживание-оттаивание воды в капиллярах [11, 14]. Давление замерзшей воды передается на стенки пор, микротрещин, создавая в них высокие растягивающие напряжений. Под влиянием этих внутренних напряжений происходит постепенное разупрочнение бетона, превращение его в рыхлую массу и осыпание (выветривание бетона). Таким образом, создаются условия для коррозии арматуры.
Выводы. Характерными коррозионными повреждениями эксплуатируемых изгибаемых железобетонных конструкций являются: коррозия стальной арматуры и возникающие при ее развитии коррозионные трещины, разрушение и отслоение защитного слоя бетона; коррозия фильтрационного выщелачивания (коррозия первого вида) и выветривание бетона.
Коррозионные повреждения бетона и арматуры практически всегда проявляются совместно.
Определяющим факторами при развитии коррозионных процессов в конструкционных материалах являются степень агрессивности среды и длительность средового воздействия.
Не устраненные дефекты изгибаемых железобетонных конструкций способствуют развитию коррозионных процессов. Необходимо повышение контроля качества изготовления и операционного контроля качества монтажа конструкций.
Своевременная экспертная оценка технического состояния железобетонных конструкций позволяет вовремя провести их ремонт и усиление и тем самым обеспечить долговечность при эксплуатации.
Учитывая все возрастающие случаи преждевременной потери несущей способности конструкций вследствие накопления коррозионных повреждений, назрела необходимость разработки с последующим включением в нормы проектирования единых методик расчета железобетонных конструкций и определения остаточного ресурса при эксплуатации в агрессивных средах [12, 13].
1. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Концепция и направления развития теории конструктивной безопасности зданий и сооружений при силовых и средовых воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 2. С. 28-31.
2. Доркин В.В., Ягупов Б.А. Некоторые вопросы комплексной оценки силового со-противления железобетонных конструкций при интенсивных коррозионных воздействиях // Вестник Московского государственного от-крытого университета. Москва. Серия: Техника и технология. 2011. № 2. С. 36-40.
3. Меркулов С.И., Пахомова Е.Г., Горде-ев А.В., Маяков А.С. Исследование работоспособности изгибаемых железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений // Известия Курского государственно-го технического университета. 2009. № 4 (29). С. 74-78.
4. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры Н., Шиссль П.М. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 320 с.
5. Селяев В.П. Расчет долговечности железобетонных конструкций // Вестник Мордовского университета. 2008. № 4. С. 140-149.
6. Клюева Н.В., Дорофеев А.А. К оценке предельной глубины повреждения нагруженного и корродирующего бетона // Строительство и реконструкция. 2011. № 2 (34). С. 25-29.
7. Берлинов М.В. Оценка напряженного состояния поврежденных коррозией железо-бетонных конструкций перед усилением // Научное обозрение. 2016. № 7. С. 11-14.
8. Смоляго Г.А., Дронов А.В. Исследование и анализ процессов коррозии стальной арматуры железобетонных конструкций под действием агрессивной среды // Бетон и железобетон - взгляд в будущее. Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону: в 7 томах. 2014. С. 415-420.
9. Смоляго Г.А., Дронов В.И., Дронов А.В., Меркулов С.И. Изучение влияния де-фектов железобетонных конструкций на развитие коррозионных процессов арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 12. С. 25-27.
10. Анваров Б.Р., Латыпова Т.В., Латыпов В.М., Крамар Л.Я. К вопросу о механизме повреждения железобетона при коррозии выщелачивания // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2015. № 2 (674). С. 12-26.
11. Овчинникова Т.С., Маринин А.Н., Овчинников И.Г. Коррозия и антикоррозионная защита железобетонных мостовых конструкций // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 5 (24). С. 11.
12. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железо-бетонных конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93-102.
13. Пухонто Л.М. Долговечность железо-бетонных конструкций инженерных сооружений. Монография. М.: Изд-во АСВ, 2004. 424 с.
14. Folic R., Zenunovic D. Durability design of concrete structures - Part 2: modeling and structural assessment. Architecture and Civil En-gineering. 2010. vol. 8. no. 1. pp. 45-66.
15. Stewart M.G. Reliability Safety Assess-ment of Corroding Reinforced Concrete Struc-tures Based on Visual Inspection Information. ACI Structural Journal. 2010. no. 107. pp. 671-679.
