ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Коротков Л.И. – ЗАО «Строймостмонтаж»

В железобетонных конструкциях главным элементом, обеспечивающим несущую способность  (грузоподъемность)  является арматура. Поэтому принимаются всевозможные меры для ее сохранности, т.е. для  обеспечения долговечности конструкции. Результаты многочисленных обследований мостов отмечают, что наиболее распространенными  повреждениями являются повреждения и дефекты, снижающие их долговечность и, главным образом, вызывающие коррозию стальной арматуры.

Известны разнообразные способы обеспечения долговечности железобетона.

С начала применения железобетона самым распространенным методом защиты арматурных каркасов железобетонных конструкций от коррозии является устройство защитного слоя бетона.

В расчетах на прочность железобетонных элементов бетон растянутых зон не учитывается, и он является «мертвым» грузом (особенно защитный слой),  увеличивающим собственный вес конструкции. Поэтому при разработке конструкций предельно снижали площадь сечения растянутой зоны. Классическим примером эффективного технического решения изгибаемого элемента из обычного ненапрягаемого бетона являются балки с вертикальным расположением рабочей арматуры, разработанные в 1940г И.А. Матаровым  (Матаровские балки). Это решение до сих пор используется в самых востребованных типовых проектах пролетных строений железнодорожных и автодорожных мостов.

СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» ограничивал минимальную величину защитного слоя бетона 2см. Однако, в актуализированной версии этого документа, величина защитного слоя бетона увеличена до 3см как в монолитных, так и в сборных железобетонных конструкциях.

Такое решение приведет к неоправданному увеличению собственного веса сборных элементов с увеличением расхода материалов, что потребует более мощные транспортные средства и крановое оборудование, а также изменения опалубок для типовых конструкций.

К бетону предъявляются высокие требования по водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для обеспечения этих требований применяются разнообразные добавки и технологии приготовления бетонов, его укладки и ухода. Кроме того, в последние годы производится покраска конструкций как различными красками, так и полимерными покрытиями. Кстати, последние при не продуманном их применении могут принести непоправимый вред сооружению. Классическим примером является нанесение покрытий на затяжку Лужниковского моста. Попадавшая под покрытие вода при ежедневной уборке платформы станции метрополитена не имела выхода и провоцировала ускорение коррозионного процесса арматуры. Автор в процессе выполнения ремонтов мостов при применении упругих полимерных покрытий всегда предусматривал зоны выхода воды.

В настоящее время разработаны покрытия и краски, которые задерживают воду, но свободно пропускают газы и пар.

Одним из таких эффективных покрытий являются краски на основе водного раствора кремнийорганического полимера силоксана - «Силатех» (ООО «Проводник ХХ1»). В отличие от пленкообразующих материалов он образует не сплошную пленку, а макромолекулярную микросетку с ячейкой меньше молекулы воды, но больше молекул газов и водяного пара. Поэтому вода через обработанный материал не проходит, а молекулы газов, воздух и водяной пар проходят свободно. Силоксан, глубоко проникая в поры и капилляры материалов, химически взаимодействуют с поверхностью активными функциональными группами и обволакивают ее молекулами силоксана. В результате образуется макромолекулярная сетчатая гидрофобная поверхность, характеризующаяся эластичностью, высокой адгезией к основанию, высокой стойкостью к пониженной и повышенной температуре, отличной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, воздействию воды, влаги и атмосферных явлений, большой прочностью и т.д.

Упомянутые краски выпускаются для металлов, бетона, дерева и других материалов. Они не образуют пленки, а проникают в материал подложки и поэтому обладают очень высокой адгезией к основанию материала и не разрушаются в зоне трещины, в том числе работающей при испытании образцов на выносливость.

Рецептура этих красок была разработана Писаревой Г.И. на Подольском домостроительном комбинате.  Там началось их производство, затем оно было продолжено в ООО «Готика». Эти краски экспонировались на нескольких международных выставках в Москве и получили диплом второй степени.

В течение нескольких лет автор в филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Мосты» совместно с лабораторией КММ при мостовой инспекции (Кениг В.Г.) проводили нестандартные исследования этих красок с целью определения возможности и условий их применения в мостостроении.

На основании дополнительных испытаний красок ООО «Готика» в 2014г автор в ЗАО «Строймостмонтаж» разработал «Рекомендации по применению в мостостроении красок ООО «Готика», согласованные ОАО «Гипротрасмост» и ОИС ОАО «Союздорпроект».

В 2005г ЗАО «Строймостмонтаж» выполнило покраску большого автодорожного железобетонного моста длиной 352м через Озернинское водохранилище на участке г.Руза – г. Волоколамск окружной автодороги.

На этом мосту красили как железобетонные конструкции, так и металлические усиления круглых стоек опор моста.

Более 10 лет во дворе НИЦ «Мосты» находятся под наблюдением бетонные кубики и железобетонные балки длиной 2,9м, покрашенные красками Подольского ДК. Образцы находятся под воздействием городской окружающей среды и не получили каких-либо повреждений.

Однако в ненапрягаемых конструкциях нормативными документами допускается появление трещин и их раскрытие до определенной величины. Кроме того, довольно часто расчет на трещиностойкость является определяющим при подборе поперечного сечения элемента.

После появления трещин защитный слой в значительной степени теряет свою необходимость и арматура, перекрывающая трещину, подвергается воздействию агрессивных факторов, вызывающих коррозию металла. Кроме того, специалистов беспокоит проблема долговечности мостов, в которых арматура подвержена риску из-за проникновения ионов хлора через защитный слой бетона в связи с применением различных химических составов для борьбы с обледенением проезжей части автодорог.

Самый простой способ – применение в качестве арматуры коррозионностойких материалов. Наиболее эффективными в настоящее время являются композитные материалы. Но их широкое применение сдерживается их очень высокой стоимостью и необходимостью разработки принципиально новых конструктивных решений и технологий их изготовления. Из-за высокой коррозионной стойкости композитных материалов традиционное применение в качестве арматуры с защитным слоем бетона теряет смысл. Наиболее эффективное их применение может в виде внешнего армирования/1/.

В настоящее время существует иной более эффективный способ предохранения арматуры железобетонных конструкций от коррозии – это нанесение на стержни каркаса (всего или только на основную рабочую арматуру) специальных защитных покрытий. Этот метод давно применяется в развитых странах, и частности в США (материалы симпозиума АИПК, Ленинград,1991г. «Мосты. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями. Сборник трудов /2/).

Многочисленные обследования железобетонных мостов выявили одно из распространенных повреждений в виде потери защитного слоя бетона с обнажением арматуры в местах протечек воды. Самыми уязвимыми являются приопорные зоны пролетных строений, где вода протекает по деформационным швам. В местах протечек защитный слой аккумулирует воду, которая провоцирует коррозию металла. Со временем накопившиеся продукты коррозии приводят к отслоению защитного слоя бетона и последующего его обрушения.

Известны попытки использования импортных специальных покрытий. Однако из-за их высокой цены и отсутствия технологии механизированного нанесения, а также значительного слоя покрытия, они не нашли применения в отечественной практике.

Возможен другой значительно менее затратный вариант защитных покрытий – это использование отечественных покрытий, которые применяются в других отраслях.

Одним из таких покрытий является битумно-полимерная однокомпонентная композиция, разработанная для коррозионной защиты газопроводов и нефтепроводов. Достоинством этого покрытия является возможность отказаться от предварительной очистки поверхностей арматурных стержней и практическое отсутствие пленки на поверхности стержня.

Однако краски на поверхности стержней образует пленку, которая может снизить сцепление арматуры с бетоном.

Для проверки степени снижения сцепления арматуры с битумнополимерным покрытием в 2004г по договоренности одного из авторов Дмитровский завод МЖБК изготовил и доставил (на безденежной основе) для НИЦ «Мосты» 4 изгибаемых образца и 12 образцов для  испытаний на вырыв арматуры из бетона. Половина образцов были эталонными - т. е. арматура не имела защитного покрытия – а вторая имела покрытия рабочей растянутой арматуры.

В качестве покрытия использована мастика «Битол-М», предоставленная изготовителем ООО «Самрат» г Батайск Ростовской обл. (ТУ 5775-003-001-27216490-2002). Мастика предназначена для защиты от коррозии нефте и газопроводов, сетей водоснабжения, канализации, колодцев и т.п. Мастика представляет собой однородную полимерную массу темного цвета, способную отверждаться без специального подогрева при температуре окружающего воздуха, сохраняя физико-механические свойства в интервале температур от -600 до +800.

Она изготовлена на основе каучука и включает наполнитель, растворитель, ортофосфорную кислоту, поставляется в жидком виде (50% раствор) и готова к применению. После полимеризации мастика образует сплошной слой, обладающий высокой атмосферостойкостью, хорошей растяжимостью (относительное удлинение при разрыве не менее 400%) и адгезией (прочность сцепления с основанием не менее 0,5МПа).

Нанесение мастики допускается ручным способом меховым валиком, методом безвоздушного распыления (вакуумный насос), методом окунания.

При изготовлении армокаркасов на заводе рабочую растянутую арматуру красили вручную обычной кистью.

Образцы были изготовлены из бетона двух марок – М350 и М450. Все эти образцы 6 (шесть) лет находились на открытом воздухе и за это время в бетоне прошли основные долговременные процессы.

Первым этапом работы является проведение сравнительных испытаний с целью выявления потери сцепления покрашенной рабочей арматуры с оценкой ее величины.

На втором этапе проверяли краску Подольского ДСК по металлу, которая не требует специальной подготовки поверхности и имеет лучшее сцепление с металлом, покрытым слоем ржавчины. Эта особенность проявилась испытанием на выносливость  металлических образцов – ортотропная плита для Живописного вантового моста в Москве. На этих образцах была нанесена краска по всему сечению образца в зоне ожидаемого появления усталостной трещины. Образец с трещиной выдержал более 1млн. колебаний динамической нагрузки. Краска на кромке трещины не разрушилась.

Ранее автор проверял сцепление арматуры с различным профилем- винтовая, европрофиль, и в том числе планировал провести испытания и с нанесенным покрытием Батайского завода способом вырыва стержней из бетона. При этом заделка стержней назначалась такой, чтобы разрушалась арматура – требование норм по заделке арматуры в бетоне. При этом бетонная часть образца имела косвенное армирование. Однако в связи с потерей необходимого оборудования сцепление стержней, покрытых Подольской краской, пришлось определять их продавливанием в стандартных кубиках 100х100мм и без косвенного армирования. Эти испытания выявили преимущества тонких покрытий. Для сравнения применяли краски компании БИРСС. Однако эта особенность не наблюдается при наличии косвенного армирования или работы арматуры в составе арматурного каркаса. Это подтверждается  результатами испытаний до разрушения первого изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного сечения с покрашенной растянутой рабочей арматурой.

Этот образец имеет одинаковые опалубочные размеры и схему приложения нагрузки с применяемыми, начиная с 70-х годов прошлого века в лаборатории железобетонных мостов образцами – в комплексных  работах по внешнему армированию листовым металлом,  армокаркасам с дисперсным расположением рабочей растянутой арматуры и определении эффективности применения добавок ЦМИД в мостостроении и исследованиях конструкций из клееного деревянного бруса (ЛВЛ – брус Югра). [3,4].

Все балки имеют полную длину 2,9м, расчетный пролет 2,6м.  Железобетонные образцы имели высоту 50см и ширину 16см внизу и 22 вверху. Арматурный каркас принят таким же, как при исследовании конструкций с  дисперсным расположением растянутой рабочей арматуры и определении эффективности применения добавок ЦМИД в мостостроении [см.3,4].

Расстояния между местами приложения  нагрузки, следовательно, и длина зоны чистого изгиба, а также  пролетов среза были приняты постоянными, 120см и по 70см, соответственно. Уменьшенная величина пролета среза по сравнению с классической схемой (две сосредоточенные силы, расположенные на равных расстояниях по расчетному пролету)   позволяла создавать боле высокие величины касательных напряжений и, соответственно, проверять конструкции на срез по сварке вертикальных стержней к металлическому листу, наклонных хомутов в железобетонных образцах и  вдоль волокон в деревянных элементах.

Образцы имели каркасы из стержневой арматуры с многорядным расположением по высоте рабочей растянутой арматуры диаметром 14мм из стали класса А – III марки 25Г2С. Продольные стержни объединялись в объемный каркас наклонными хомутами из гладкой арматуры класса А – I марки Ст3. Соединения хомутов с продольными стержнями выполнялись без применения сварки. Бетонирование балок на Дмитровском заводе МЖБК выполнено в металлической опалубке для серийно выпускаемых заводом пролетных строений с многорядной арматурой.

Образец, принятый для испытаний, был изготовлен из бетона прочности

М450 (В35). Перед испытаниями образца была определена прочность бетона неразрушающим способом методом отскока. Замеры были выполнены в шести зонах с десятью измерениями в каждой. При этом необходимо отметить незначительный разброс данных измерений, что указывает на  высокую стабильность механических свойств бетона.

В результате статистической обработки данных замеров была получена прочность бетона равная 700кг/см2 (В55).

На данном этапе работы в  качестве эталонной принята цельная балка из бетона с добавкой ЦМИД – 4.

В процессе испытания балок статической нагрузкой наблюдали за появлением и развитием трещин во внешних плоскостях балок.  Полученные результаты испытаний не выявили каких либо особенностей в работе образца  с покрашенной рабочей арматурой по сравнению с ранее испытанными балками.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что покраска рабочей растянутой арматуры тонкими покрытиями не изменяет работу изгибаемых элементов при их нагружении статической нагрузкой.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Коротков Л.И. Композитные материалы для армирования железобетонных конструкций мостов. «Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ1века» ,1-2 (204-205),2016.
  2. У. Майер Современные материалы в мостостроении. Симпозиум АИПК Ленинград 1991 «Мосты. Взаимосвязь между технологией возведения и конструкциями», Сборник трудов. Вптитрансстрой, 1991.
  3. Коротков Л.И. Пролетные строения из обычного железобетона с новыми конструктивно – технологическими решениями армокаркасов. Сб. «Научные проблемы мостостроения», Труды ЦНИИС, вып. №201, М, 2001.
  4. Коротков Л.И., Зайцева С.В. Оценка эффективности применения композиций ЦМИД в мостостроении. Сб. «Проблемы качества бетона и железобетона в транспортном строительстве», Труды ЦНИИС, вып. № 209, М, 2002.