24 Окт 12 ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Ф. М. Иванов (СССР)

Когда появился железобетон — искусственный камень, коюрыи не ржавеет — как сталь, не гниет и не горит как дерево, многим казалось, что, наконец, найден материал, который будет, если не вечным, то, во всяком случае длительно стойким и сроки его службы будут измеряться столетиями. Но прошли первые десятилетия эксплуатации бетонных и железобетонных сооружений и выяснилось, что взаимодействие железо­бетона с окружающей средой достаточно сложно, и все чаще стали отме­чаться случаи, когда обычный бетон оказывался недостаточно стойким. Прежде всего это было обнаружено на морских сооружениях — первона­чально главной области применения бетона и железобетона. Выявилась необходимость исследования процессов взаимодействия бетона и железо­бетона с окружающей средой как в природных условиях, так и в про­мышленных средах. На основании этих исследований в настоящее время созданы нормативы для проектирования, изготовления н применения железобетонных конструкций повышенной долговечности длл различ­ных и специальных условий эксплуатации.

Как правило, железобетон используется в сооружениях и конструк­циях, предназначенных для достаточно длительных сроков эксплуатации. Следует иметь в виду трудности с повторным использованием железобе­тона. Это стало особенно заметно в последние годы, когда случаи преж­девременного повреждения конструкций участились, а во время рекон­струкции предприятий в связи с совершенствованием технологии и обо­рудования потребовались разборка и замена конструкций. Если при ме­таллических конструкциях в этих условиях возможна их переплавка — использование как вторичного сырья в металлургии, то испопьзовать вы­шедший из строя железобетон не так просто. Это требует проектирова­ния и возведения сооружений, рассчитанных не на возможно более дли­тельный срок эксплуатации, а на заранее заданный рациональный срок службы. С этих позиций железобетонные сооружения можно разделить на две основные группы: сооружения, срок службы которых практичес­ки не ограничен и исчисляется сотнями лет, и на сооружения, для кото­рых срок службы может быть заранее назначен с достаточной точностью, например с точностью в 10—20 лет. К первой группе можно отнести сооружения, которые, условно говоря, корректируют природу — морс­кие берегоукрепительные сооружения, сооружения защиты от лавин, некоторые категории мостов, для которых можно предвидеть стабиль­ные нагрузки во времени, большинство подземных сооружений, в кото­рых трудно предвидеть возможность реконструкции, большие плотины, ирригационные сооружения, уникальные сооружения (телебашни, мемо­риальные сооружения) и т. п. Ко второй группе относятся промышлен­ные сооружения, сроки службы которых определяются сроками корен­ных изменений в технологии и в развитии техники, жилые л обществен­ные здания, требования к которым определяются ростом потребностей человека.

Придание конструкциям стойкости к внешним воздействиям пред­ставляет собой сложную эколого-технологическую проблему, которая появилась в результате вторжения человека со своими сооружениями в природную среду. Для анализа возможных процессов, возникающих при контакте среды и материала сооружений необходимо знание характерис­тик окружающей среды, агрессивных по отношению к железобетону и свойств бетонов и арматуры различного вида и состава — их поведения в различных средах. Основной тенденцией в современном развитии тех­ники повышения долговечности железобетона в агрессивных внешних условиях приоритет отдается так называемым методам первичной защи­ты — повышению стойкости бетона и его защитных свойств по отноше­нию к арматуре. Лишь для железобетона, предназначенного для эксплуа­тации в сильноагрессивных средах разрабатываются методы изоляции по­верхности сооружений от контакта с внешней средой методом защиты поверхности пленочными покрытиями, т. е. вторичной защиты.

Способы придания долговечности железобетонным конструкциям — в значительной степени технико-экономическая задача, и, как всякая задача, решение которой дает не сиюминутный эффект, требует сопостав­ления расходов на повышение долговечное ги не только с прямым эф­фектом, но и со многими дополнительными эффектами в виде улучше­ния экологической обстановки, улучшения санитарно-гигиенических условий в помещениях промышленных предприятий, жилых и общест­венных зданиях.

Состояние воздуха в промышленных центрах привело к усилению агрессивного влияния окружающей среды на конструкции, что ухудшает не только их декоративный внешний вид, но и создает опасность появле­ния преждевременной коррозии конструктивных элементов. При ЭТОМ, в первую очередь, повреждаются ответственные чувствительные к кор­розии соединительные элементы сборных конструкций современных зданий, особенно крупнопанельного домостроения.

Рассмотрение проблем повышения долговечности должно осуществ­ляться в двух аспектах: изучение характеристик окружающей среды и выявление ведущих факторов воздействий среды на арматуру и бетон, особенно на железобетонные конструкции в целом; изучение механиз­ма и кинетики коррозионных процессов и разработка на этой основе способов повышения стойкости бетона и железобетона в агрессивных средах.

Есть различные определения термина "долговечность" применительно к строительным материалам, конструкциям и сооружениям. Долгове1 ность для строительных материалов — относительное понятие, так как она будет различной в разных условиях эксплуатации. Это создает опре­деленные трудности при классификации агрессивных сред, так как оценка степени агрессивности внешней среды по отношению к конструк­циям из различных материалов будет неоднозначной.

Долговечность может быть определена как способность материала или конструкции из этого материала сохранять эксплуатационную пригод­ность в течение определенного заданного в проекте срока ее службы.

При вероятностном подходе к проектированию конструкций опреде­ляющим показателем качества конструкции является ее надежность, которая связана с вероятностью успешной эксплуатации в течение задан­ного срока, в то время как долговечность связана с вероятным сроком существования в запроектированных условиях.

Для оценки долговечности материала необходимы единицы измере­ния. В этом случае долговечность может определяться как "мера" сопро­тивления материала износу и физико-химическим изменениям в опреде­ленных условиях использования и (или) хранения. Такое определение позволяет обосноваїь меюды испытаний на долговечность, приняв и ка­честве критерия стойкость к воздействиям, характерным для условий эксплуатации материала или конструкции из него. Стойкость может определяться как фактическая, так и относительная но сравнению с мате­риалом известной стойкости. Однако в первом случае испытании могут оказаться слишком длительными, а их ускорение за счет изменения вида или условий воздействия агрессивной среды может внести изменения в механизм коррозионных процессов. Вопрос о прогнозе стойкосш бетона во времени рассматривается в гл. 11.

Только при соответствии свойств бетона внешним воздейсі виим воз­можно длительное существование сооружений. Есть много примеров, когда сооружения из одинаковых материалов длительно существовали в одних условиях и быстро разрушались — в других. Так, на побережье Средиземного моря сохранились сооружения, построенные римлянами на пуццолановом вяжущем, в течение почти 2000 лет. В то же время на побережье Баренцева моря, где сооружения в приливно-отливной зоне подвергаются более чем 300 циклам 'вмораживания и оттаивании в год, при насыщении морской водой обычные бетоны разрушаются в течение нескольких дней. Устойчивыми в этих условиях оказываются только специальные бетоны.

Особенности конструкции опор моста через реку Эмба в районе с силыюминерализованными грунтами и грунтовыми водами (рис. 1.1) учитывали как условия эксплуатации железобетона в этих агрессивных условиях, так и особенности производства работ в пустынной местности. Старая конструкция опор была неиндустриальной — требовала проведе­ния на месте большого объема работ, в том числе ручного труда для изо­ляции бетона от контакта с агрессивной средой; ведения puGoi при во­доотливе и т. п. Примененная конструкция свай но-эстакадных опор, основным несущим элементом которых явились центрифугированные железобетонные сваи диаметром 60 см из бетона низкой проницаемости и дополнительно защищенные поверхностной пропиткой раствором би­тума в керосине при 80°С с выполнением всех работ, кроме погружения, в заводских условиях позволила индустриализировать работы и придаїь надежность конструкции при службе в агрессивных условиях. Эксплуа­тация в течение 25 лет подтвердила надежность решения. Этот пример по­казывает зависимость долговечности железобетона в сооружениях от конструктивных особенностей сооружения и необходимость отказа от устаревших решений, не учитывающих условия производства работ и требования долговечности.

В суровых климатических условиях основные повреждения бетона и железобетона бывают обусловлены недостаточной морозостойкостью бе­тона при многократном попеременном замораживании и оттаивании или при длительном вмерзании конструкций в лед, особенно в условиях за­соленности грунтовых или поверхностных вод.

Случаи быстрого повреждения строительных конструкций в зданиях и сооружениях химической промышленности, цветной металлургии, гальванических цехов и других производств, в технологическом процес­се которых используются сильные кислоты, растворы солей и щелочей, в значительной степени определяются нарушениями правил эксплуатации оборудования и зданий, в которых это оборудование расположено. Ава­рийные проливы агрессивных жидкостей, неисправные трубопроводы,

Рис. 1.1. Свайно-эстакадный мост в районе с силытоминерализован - ными грунтами А - бетонная опора старой кон­струкции на деревянных сваях и с вторичной защитой поверх ности бетона; б — свайная опо­ра на железобетонных сваях, изготовленных методом цент­рифугирования и обработанных раствором битума в керосине [1.5]

Нарушение работы вентиляции приводят к попаданию на поверхность бе­тонных и железобетонных конструкций веществ, реагирующих с цемент­ным камнем, что сопровождается быстрым падением прочности бетона, а в дальнейшем коррозией арматуры и потерей несущей способности кон­струкции. В ряде случаев коррозионные повреждения развиваются, ког­да конструкции спроектированы без учета возможных агрессивных воз­действий. Так было, например, с плитами проезжей части железобетон­ных мостов. Для борьбы с гололедом применялись хлористые соли. Вследствие диффузии хлор-ионов в тело бетона и депассивации началась коррозия арматуры.

Коррозия арматуры в настоящее время является одной из главных причин повреждения железобетонных конструкций. Недостаточная тол­щина защитного слоя, повышенная проницаемость бетона, подвергавше­гося тепловой обработке, не создают достаточно надежной защиты сталь­ной арматуры от коррозии в эксплуатационных условиях повышенной влажности и температуры. Примером преждевременного выхода из строя железобетонных конструкций являются кровельные плиты покры­тий в цехах тепловой обработки заводов сЬорного железобетона [1.7]. Массовое повреждение таких плит отмечается после 10—15 леї эксплуа­тации. Это приводит к значительным затратам на восстановление и ре­монт сооружений.

Долговечность железобетонных конструкций может быть гарантиро­вана, если бетон, арматура и железобетонная конструкция в целом соот­ветствуют условиям работы — воздействиям внешней среды.

Можно привести много примеров недостаточной длительности сроков службы бетона в различных условиях. В качестве основных причин пов­реждения в работе [1.16] справедливо названы:

Нарушение правил эксплуатации (перегрузки, динамический удар, усталость, проливы агрессивных жидкостей и т. п.);

Истирание и износ (дорожные и аэродромные покрытия, морские берегозащитные сооружения, полы и т. п.);

Замораживание и оттаивание (изменения температуры и .щажности окружающей среды);

Влияние і лзовоздуїпііоіі среды (изменения температуры и влажности, действие углекислоты);

Выщелачивание — коррозия первого вида (растворение и вынос ком­понентов цементного камня);

Химическое воздействие веществ, растворенных в воде или кошами - рующих с бетоном (коррозия II и III видов — действие кислот, сульфа­тов, солей, органических кислот и т. п.);

Внутренняя коррозия (взаимодействие щелочей цемента и реакцион - носпособного заполнителя); коррозия арматуры;

Несовместимость материалов бетона (различие в деформативных свойствах, термическая несовместимость и др.).

Воздействие этих факторов, рассматриваемых в дальнейшем, и опре­деляет сроки службы бетона и железобетона в конкретных условиях. Данные о сроках службы железобетона в различных сооружениях в настоящее время приводятся на основании опыта эксплуатации сооруже­ний в различных странах.

Например, в работах [1.14, 1.15] приведены данные о средних сроках службы железобетонных конструкций (табл. 1.1), которые приняты за основу при проектировании и экономических расчетах в Японии.

Обобщенные данные о сроках службы морских сооружений (годы) на побережье Японского моря [1.11] показывают значительное различие долговечности сооружений в зависимости от их конструктивных ре­шений :

Набережные из массивов сплошной кладки............................................... 75 -85

TOC \o "1-3" \h \z пирсы и набережные на бычковых опорах из массивов............................. 70-75

Набережные и пирсы из массивов-гигантов............................................. 45—50

Эстакада из железобетонных свай............................................................. 14—16

Трудность решения вопроса о сроках службы состоит в том, что мы уверенно можем говорить о сроках службы сооружений, построенных сравнительно давно, которые подверглись достаточно длительному воздействию внешней среды. В то же время техника изготовления же­лезобетонных конструкций так же, как и технология производства цемента и его свойства, изменялись во времени. Неуклонное стремление повысить марку цемента привело к повышению средней тонкости помо­ла цемента, а это, в свою очередь, к увеличению степени гидратации це­мента в начальный период и уменьшению клинкерного фонда в затвер­девшем цементном камне, что снижает способность его к самозалечива­нию [1.10].

Внедрение интенсивных технологических режимов в производство сборного железобетона — широкое применение прогрева с целью интен­сификации твердения - приводит к изменению структуры цементного камня в бетоне и изменению соответственно его стойкости. При анализе причин повреждения железобетонных конструкций затруднительно исключить возможные случайные отклонения от нормативных требова­ний при производстве работ в условиях эксплуатации. Однако могут быть выявлены некоторые общие закономерности коррозионных воз­действий и их результатов. Обратимся к типичным примерам, извест­ным в технической литературе.

Материал	Материал н конструкция	Срок службы (предел), годы
		Нижний^ средний J верхний

Таблица 1.1. Расчетные сроки службы бетона и железобетонных конструкций [1.15]

Бетон Обычный бетон Автоклавный легкий бетон Бетонные блоки Сборный железобетон толщиной, см: 4 8 12 Плиты

30 10 10

70 35 45

Нет предела 60+ о 70 +с

Сталь Дерево

При мечанне. Срок а может быть учтен при очень умеренном воздействии окружающей среды.

По данным [1.9], отмечены типичные повреждения железобетонных дымовых труб в верхней части, в так называемой "зоне окутывания" от­ходящими газами. Это естественно, так как именно в этой зоне газы, ры - ходящие из трубы, охлаждаясь, приближаются к точке росы или при вы­сокой влажности воздуха образуют конденсат, содержащий, если это ды­мовые газы от сжигания угля, сернистую и серную кислоты. Именно эти агрегаты являются источником "кислых" дождей, которые в дальней­шем разрушающе действуют не только на конструкцию трубы, но могут быть причиной коррозии сооружений и на большом отдалении, от места выхода в атмосферу. Можно полагать, что только введение более со­вершенных методов газоочистки и улавливания агрессивных веществ бу­дет способствовать улучшению охраны окружающей среды и соответст­венно снижению ее агрессивности.

Не менее показательны повреждения строительных конструкций на химических предприятиях, в технологическом процессе которых приме­няются реагенты, агрессивные по отношению к бетону и железобетону.

Обзорные и обобщающие данные о коррозии бетона и железобетона в различных средах и о способах защиты от коррозии содержатся в рабо­тах [1.8 и 1.13]. На проектирование защиты строительных конструкций химических предприятий от коррозии [1.12] как основное направление в реализации результатов исследований стойкосіи бетона и железобетона и методов ее повышения должно быть обращено основное внимание. Вторичная защита покрытием поверхности лакокрасочными материала­ми, мастиками, облицовкой необходима только в том случае, если нель­зя избежать контакта сильноагрессивной среды с поверхностью бетона.

15 25 30 15 15 10

40 55 70 40 50 35

60 +а 80 Нсопред. 60 +в 100 80 + a

Вопросы коррозии арматуры и железобетонных конструкций деталь­но рассмотрены в [1.1, 1.2]. Коррозии и защите бетона гидротехничес­ких сооружений посвящена книга [1.6], содержащая обширный экспери­ментальный материал. Защита от коррозии железобетонных конструк­ций транспортных сооружений рассматривается в работах [1.3, 1.5].

В работе [1.4] проведен анализ массовых повреждений свай в морс­ких сооружениях на черноморском побережье. Статистическая обработ­ка результатов обследования, при котором фиксировалось появление трещин в зоне переменною горизонта воды на сваях, различавшихся по срокам твердении до заПинкн, выявила вполне четкую картину (рис. 1.2, 1.3). Обследование цен грифу тированных опор копык інші сені на линиях в местности с континентальным климатом показало преимуще­ственное повреждение в виде продольных трещин, обусловленных пере­падом ісмнсрагур но сечению опоры при неравномерном щюцн не опор, освещаемых солнцем, чю было подтверждено расчетом іемпсратурньїх напряжений. Продольные трещины создавали опасность коррозии арма­туры.

При обследовании таких же опор на участке, где линия железной доро­ги проходила вдоль мелкого водоема, заполненного минерализованной водой, можно было четко видеть развитие коррозии бетона в виде шелу­шении и коррозии арматуры со стороны водоема. Местность характери­зовалась сильными ветрами, при которых с водоема неслись брызги во­ды, содержащей соли [1.5].

Аналогичная картина наблюдалась на столбах освещения автодороги, расположенных вблизи проезжей чаасги. Зимой при усиленной обраоох- ке проезжей части растворами антиобледенителей брызги при проезде автомашин попадали на поверхность опор и примерно на высоту 1 —1.5 м отмечалось повреждение бетона — шелушение.

Можно привести много примеров повреждения строительных конст­рукций в промышленных зданиях различных производств. В первую оче­редь повреждаются конструкции в местах возможного попадания проли­вов жидких агрессивных сред — в проемах перекрытий, через которые проходят трубопроводы в нижней части колонн, на которые попадают агрессивные жидкости при мокрой уборке, в местах выхода воздуха, со­держащего агрессивные газы, например, в проемах фонарей и рядом рас­положенных ферм и других конструкциях покрытий.

60

0,05 0,15 0,25 0,55 0,Ь56в„,„а НАЧАЛЬНОЕ ОБЖАТИЕ Рис. 1.3. Влияние продолжителен сти твердения бетона свай до первого ч. імо - раживания на их повреждаемость N — то же, что на рис. 1.2

ЬО 20

• OV •s	О
И		О п	О
	• О	• *	О

N, % N;/.

60 20

Рис. 1.2. Повреждаемость свай в за­висимости от начального обжатня предиапряженных свай N - поврежденные сваи в первый год после забивки [1.4],%

40 80 І20 І60

ВРЕМЯ ОТ ЗАБИВКИ ДО ЗАМОРАЖИВАНИЯ. СУТ

Естественно, что в промышленных зданиях кроме основных строи­тельных конструкций коррозионному воздействию подверіаїшся в наи­большей степени технологические лотки и резервуары, а іакже конст­рукции подземных сооружений — тоннелей, приямков, подвалов и і. п. Мертвые зоны под перекрытиями также являются часто местом наиоо. чь - ших коррозионных повреждений.

Важным обстоятельством, которое должно учитываться при определе­нии стойкости железобетонной конструкции, является влияние напря­женного состояния конструкции на ее стойкость. Как бетон, так и арма­тура изменяют свои свойства, находясь в напряженном состоянии. При сжатии до определенного предела (нижний предел микротрещинообразо - вания) бетон уплотняется, а его стойкость повышается как к действию замораживания и оттаивания, так и химически агрессивной среды. При растягивающих напряжениях стойкость быстро уменьшается, так как разрушение бетона происходит, когда сумма растягивающих напряжений от внешней нагрузки и от коррозионных процессов превысит прочность бетона на растяжение (см. гл. 10).