Ремонт Бетона

ВВЕДЕНИЕ

Считается, что первыми начали применять бетон в строительстве римляне. Они использовали смесь из извести, пуццоланов, бутового камня и воды. К числу самых знаменитых сооружений римлян принадлежит виадук Pont du Gard в Ниме.

Чтобы понять, что такое «современный бетон», необходимо обратиться к началу XIX столетия. Для формирования гранул из клинкера в составе смеси применялся вяжущий материал. Смесь получа­ лась в результате спекания при температуре до 1500°С сырьевого состава, в который входили глина и известняк. Смешанный с соответствующими измельченными добавками и перемолотый, материал получил название портландцемента за сходство с портландским камнем.

Бетон, применяющийся в нашу эпоху, представляет собой смесь воды, цемента, заполнителей и, там, где это требуется, добавок (пластификаторов и суперпластификаторов). Они изменяют реологию бетонной смеси, свойства и эксплуатационные характеристики бетона. Кажется, что этому материалу нет равных по долговечности. Он изготовляется из легкодоступных ингредиентов, сравнительно доступный и простой в применении. Но все это верно лишь отчасти. Например, бетон отличается великолепной прочностью на сжатие, но плохо выдерживает нагрузки на растяжение. По этой при­чине, чтобы избавиться от данного недостатка, его армируют при помощи стальной арматуры. Однако это влечет за собой другие проблемы, которые будут рассмотрены в дальнейшем. Еще одним фундаментальным ограничением для бетона является его чувствительность к условиям, в которых он замешивается и укладывается, а они могут варьироваться в очень широких пределах, что создает дополнительные проблемы. Существует ряд параметров, которые оказывают влияние на качество готового продукта. Если не уделять им должного внимания, бетон будет более уязвим.

ПОНЯТИЕ «РЕМОНТ БЕТОНА»

Ремонт бетона — это процесс восстановления несущей способности и конструктивной целостности железобетонной конструкции, включающий в себя этапы по обследованию кон­струкции, определению причин разрушения, выбору материалов и технологии проведения работ, проведению ремонта и контролю за процессом производства работ.

Проблемы, связанные с ремонтом бетона, можно разделить по времени возникновения:

- На этапе нового строительства, в результате несоблюдения технологии проведения работ, ошибок в проектировании;

-  На этапе эксплуатации сооружения, в результате негативного воздействия факторов, раз­рушающих бетон.

По типу конструкции, подвергшейся разрушению, проблемы могут иметь:

- Конструкционный характер в случае, если конструкция находится под нагрузкой и выпол­няет несущие функции;

- Неконструкционный характер в случае, если конструкция не является несущей, а выпол­няет иные функции (декоративные, эстетические и т.д.).

ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

Бетонные и железобетонные конструкции в процессе эксплуатации постоянно подвергаются разрушению. Причины бывают разные: химическое и физическое воздействие окружающей среды, высокие эксплуатационные нагрузки, низкое качество используемого бетона, неточ­ности при проектировании, ошибки при укладке бетонной смеси и т.д.

1 ХИМИЧЕСКИЕ

Являются следствием взаимодействия Компонентов бетонной смеси между собой или с окружающей средой.

- Карбонизация;

- Выщелачивание;

- Агрессивное воздействие сульфатов;

- Агрессивное воздействие хлоридов;

- Взаимодействие щелочей цемента с заполнителем.

2 ФИЗИЧЕСКИЕ

Являются следствием воздействия температуры или условий твердения бетона.

Циклы замораживание/оттаивание;

Воздействие высоких температур;

Усадка и растрескивание.

3 МЕХАНИЧЕСКИЕ

Являются следствием внешнего воздействия.

Истирание;

Ударное воздействие;

Эрозия или кавитация.

4 ДЕФЕКТЫ ПРИ НОВОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Связаны с ошибками в процессе производства работ.

Приготовление бетонной смеси;

Устройство арматурного каркаса;

Укладка и уход за поверхностью и т.д.

Далее мы подробно разберем причины разрушения бетона, приведем типовые примеры и решения.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

КАРБОНИЗАЦИЯ

Процесс карбонизации бетона возникает вследствие проникновения углекислого газа (СО₂) в тело бетонной конструкции с образованием карбоната кальция (CaCO₃), который в свою очередь снижает защитные свойства бетона.

Защитные свойства бетона измеряются с помощью показателя кислотности pH. pH здорового бетона превышает 13 единиц. В этих условиях на стержнях арматуры возникает пассивирующая защитная пленка оксида железа (FeO), изолирующая их от негативного воз­действия извне, препятствуя образова­нию коррозии. В результате процесса карбонизации pH бетона снижается. Когда уровень pH бето­на становится ниже 11 единиц, пассивиру­ющая защитная пленка вокруг арматуры нейтрализуется и стальная арматура становится подверженой воздействию кислорода и влаги. В дальнейшем коррозия арматуры начинает прогрессировать, и бетон, окружающий арматуру, отслаивается, что в свою очередь открывает новые пути доступа для разрушающего воздействия кислорода и влаги.

Скорость проникновения углекислого газа в конструкцию зависит от влажности воздуха. На Графике ниже изображена эта зависимость. При относительной влажности воздуха от 50% до 80% скорость проникновения углекислого газа в конструкцию максимальна.

Последствия карбонизации

Следствием карбонизации является прогрессирующее разрушение бетонной конструкции, сопровождающееся процессами коррозии арматурных стержней.

Внимание! Несвоевременные меры могут привести к частичной или полной потере несущей способности конструкции!

Диагностика разрушения

Чтобы убедиться в том, что разрушение бетона вызвано образованием карбонатов, применяет­ся методика, основанная на изменении цвета бетонного образца после специальной обработки. Бетонный образец обрабатывается 1% раствором фенолфталеина в этиловом спирте (стан­ дарт UNI EN 13295:2005). Поверхность здорового бетона, обработанная таким образом, краснеет. Поверхность карбонизированного бетона после обработки цвет не меняет.

На Рис. показан образец бетона, глу­бина карбонизации которого состав­ляет 3 см (см. правую сторону). Глубина образования карбонатов в армированном бетоне также указыва­ет на степень разрушения, требующую ремонта. В процессе ремонта карбо­низированный бетон, окружающий арматурные стержни, должен быть полностью удален.

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

Бетон также подвержен такому явлению как выщелачивание. Выщелачивание представляет собой процесс размывания цементного камня под воздействием воды

Процесс усиливается, если вода отличается слабокислой реакцией (pH<7). Это может быть вызвано содержащейся в ней агрессивной углекислотой, которой особенно много в сточных промышленных водах, или серной кислотой органического происхождения, образующейся в системе водоотведения канализационных вод.

Диагностика разрушения при выщелачивании

Такие методы, как химический, термический анализ, методики, основанные на дифракции рентгеновских лучей, не могут быть применимы при анализе выщелачивания бетона. Вещество, которое получается в процессе разрушения подобного типа, представляет собой отлично растворимый в воде бикарбонат кальция. Вымываясь с поверхности, он не оставляет следов для подробного анализа. Еще одной причиной, по которой вышеперечисленные тесты непригодны, является тот факт, что на первой фазе образования бикарбоната возникает кар­бонат кальция, который присутствует в большинстве видов бетона, поэтому установить, вхо­дит ли он в состав этих материалов, или образовался из-за агрессивного воздействия двуо­киси углерода, не представляется возможным.

Единственным методом выявления выщелачивания бетона является пристальный визуаль­ный осмотр поверхности. На поверхности бетона, подверженного выщелачиванию, будут видны обширные зоны заполнителя, не связанные цементным камнем.

АГРЕССИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СУЛЬФАТОВ

Наиболее распространенными растворимыми сульфатами, встречающимися в грунте, воде и промышленных стоках, являются соли кальция и натрия. Можно также упомянуть и сульфаты магния, но они менее распространены, хотя и наиболее разрушительны. Сульфаты присут­ствуют в воде и грунте, кроме того, их можно встретить непосредственно в заполнителе, где они являются загрязняющими примесями. Сульфаты, находящиеся в грунте или воде, контак­тируют с сооружением, их ионы проникают вместе с влагой в цементный камень бетона (основной механизм переноса), реагируют с гидроокисью кальция, в результате чего образу­ется гипс.

Впоследствии он реагирует с гидроалюминатами кальция, из-за чего формируется вторичный эттрингит, который приводит к увеличению объема, расслоению, набуханию, растрескиванию и разрушению.


Диагностика разрушения

Чтобы убедиться в том, что разрушение бетона вызвано воздействием сульфатов, необходим химический анализ, позволяющий установить уровень их присутствия. В обычном бетоне содержание сульфатов кальция не превышает 0,4-0,6 %. Метод, позволяю­щий определить содержание эттрингита, состоит в получении дифрактограммы в рентгенов­ском спектре, в которой отображены пиковые величины для этих веществ.

АГРЕССИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ХЛОРИДОВ

Воздействие хлоридов (рис. ниже) наблюдается в условиях контакта со средой, отличающейся высоким их содержанием, например, с морской водой или антиобледенительными солями, а также в случаях, когда при изготовлении бетона используются загрязненные сырьевые мате­риалы. Если хлор проник в бетон и достиг арматурных стержней, он снимает с них пассиви­рующую защитную пленку оксидов железа.


      В результате арматура начинает подвергаться процессам коррозии внутри бетона. Время проникновения хлоридов зависит от:

          - концентрации;

          - степени проницаемости бетона;

          - относительной влажности воздуха.

Коррозия появляется в результате проникновения внутрь конструкции хлоридов, снимающих защитную пассивирующую пленку с арматуры, в сочетании с воздействием влаги, содержа­щей кислород. Например, в случае, если сооружение полностью погружено в морскую воду, содержание хлора будет выше. Однако поры бетона будут полностью насыщены водой, пре­пятствующей проникновению кислорода. Коррозия арматуры в данном случае может либо вообще не протекать, либо наблюдаться в малой степени.

Однако если рассмотреть другое сооружение, погруженное в морскую воду, с участком, нахо­дящимся на открытом воздухе и подверженном морским брызгам, то участком, который в наи­большей степени подвержен разрушению, будет являться зона оседания брызг.

Соли, используемые зимой на дорогах в качестве антиобледенительных реагентов, проникают во время таяния и дождей в бетонную конструкцию, вызывая коррозию и разрушение. Как только этот процесс начинается, где бы сооружение ни находилось, коррозия будет продол­жаться с увеличенной скоростью, поскольку образуются легкодоступные пути для проникно­вения агрессивных веществ. Концентрация хлоридов, требуемая для поддержания коррозии арматурных стержней, прямо пропорциональна рН бетона. Чем выше щелочность, тем боль­ше концентрация хлоридов, которая требуется для начала процесса коррозии. Этим данный процесс разрушения бетона похож на процессы, возникающие вследствие карбонизации.

Диагностика разрушения

Наличие хлоридов проверяется с помощью простого лабораторного теста, проводимого в рамках химического анализа. Нормой для бетона принято считать концентрацию хлоридов порядка 0,2-0,4% от веса цемента. Если уровень хлоридов выше, это означает, что хлориды просочились в бетон и повредили его.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЩЕЛОЧЕЙ ЦЕМЕНТА С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

В результате взаимодействия щелочей цемента с заполнителем могут происходить существенные разрушения бетонных сооружений. Некоторые типы заполнителей, например, содержащие реакционноспособный кремнезем, взаимодействуют с двумя щелочами, которые находятся в цементе, солями калия и натрия или солями этих металлов, которые поступают извне в форме хлорида натрия (противообледени­тельные реагенты, морская вода). Взаимодействие щелочей цемента с заполнителями бетона представляет собой медленно протекающий гетерогенный процесс, поскольку он связан с составом заполнителей, содержащих аморфный кремнезем. В результате реакции в подобных условиях образуются силикаты натрия и гидратированный калий, отличающиеся чрезвычайной объемистостью. Реакции взаимодействия щелочей цемента с заполнителями бетона проявляются в защитном слое бетона. При этом на поверхности появляются микро- и макротрещины, или даже начинается подрыв небольших участков бетона над областями, где в заполнителях имеется реакционноспособный кремнезем (явление вспучивания). Этот феномен, в частности, наблюдается на полах промышленных зданий. На рис. ниже  показано сооружение с серьезным разветвленным растрескиванием. Это характерный пример разрушений, вызванных взаимодействием щелочей цемента с заполнителями бетона. Как только начинается разрушение бетона, ускорить реакцию способна дополнительная влажность. Еще один источник риска — циклы замерзания и оттаивания

Диагностика разрушения

Выявить признаки взаимодействия щелочей цемента с заполнителями бетона позволяет тща­тельная визуальная проверка. Для этого типа разрушения бетона характерно напоминающее паутину растрескивание, кото­рое носит более или менее упорядоченный характер, в зависимости от наличия арматурных стержней. Кроме того, наряду с трещинами будет наблюдаться набухание, вызванное увели­чением объема. Одним из методов выявления взаимодействия между щелочами цемента и реакционноспособными заполнителями (аморфным кремнеземом) является химический ана­лиз при помощи цветного теста, в котором задействован кобальтинитрит натрия.  Этот тест позволяет выявить гель, возникающий в ходе реакции между щелочами цемента и кремнеземом в заполнителях. Кобальтинитрит натрия реагирует с калием, входящим в состав геля, в результате чего образуется окрашенный осадок. Таким образом, если имела место реакция, цвет изменится на желтый. Чтобы установить степень реакционной способности заполнителей и, таким образом, предпосылки для подобного явления, можно провести также петрографический анализ в соответствии со стандартом UNI EN 932-3. На Рис. ниже  показан образец сердцевины бетона, взятый из бетонной структуры, и результат анализа с применением кобальтинитрита натрия, призванного выявить реакцию.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

ЦИКЛЫ ЗАМОРАЖИВАНИЕ/ОТТАИВАНИЕ

Негативное воздействие льда проявляется только тогда, когда вода в жидкой фазе проникает внутрь бетона. Это вовсе не означает, что бетон должен быть абсолютно сухим, просто уро­вень влажности не должен превышать определенную величину, называемую «критическим насыщением». Речь идет о том, что количество воды в порах должно быть меньше этой вели­чины. Расширившись при превращении в лед, она должна оставаться в пределах полостей и не создавать напряжения. Однако если вода заполняет или почти заполняет весь объем пор, а затем замерзает, лед начнет ломать бетон, создавая внутреннее давление.

Чтобы ограничить негативные последствия влияния низких температур, необходимо принять меры к сокращению капиллярной микропористости и стимулировать макропористость (чтобы размеры полостей были 100-300 мкм). Для этого при приготовлении бетона использу­ют воздухововлекающие добавки, которые поддерживают соотношение между водой и цементом на низком уровне, используют морозостойкие заполнители.

Ущерб в результате циклов замерзания и оттаивания наблюдается только при сочетании следующих условий:

    - низкие температуры;

    - отсутствие макропористости

Масштабы ущерба пропорциональны:

    - уровню пористости;

    - степени насыщения влагой;

    -  количеству циклов замерзания/оттаивания;

    - объему вовлеченного воздуха (около 4-6% для фракции заполнителей с диаметром 20-50 мм и до 8%, если меньше).

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Влияние на бетон высоких температур носит деструктивный характер. Арматурные стержни выдерживают температуры до 500°С, а бетон — до 650°С. Роль бетона, окружающего арма­турные стержни, в этом случае носит фундаментальный характер — он замедляет распростра­нение тепла. Чем толще бетон, тем дольше протекает разогрев до температуры 500°С, при которой арматурные стержни теряют прочность. Огонь способен привести ко многим видам повреждения бетона, причем в очень серьезных масштабах. Даже если арматурные стержни защищены бетоном, они, разогреваясь, увеличиваются в объеме, создают в бетоне очаги напряжения, что может привести к частичному его разрушению. Арматурные стержни, нагреваясь, расширяются значительно быстрее бетона, при этом теряется сцепление арматуры с бетоном. Даже если температура, при которой теряется несущая способность, не достигнута, бетон может утратить свои эксплуатационные качества при внезапном охлаждении, что обычно наблюдается при пожаротушении. В этой ситуации оксид, образовывающийся при нагреве, трансформируется в известь, которая разрушает бетон. На поверхности, обращенной к огню, наблюдается растрескивание, вызванное быстрым расширением. Некоторые заполнители разрываются и могут отделиться от окружающего бетона. При этом происходит то же явление, что и при быстрой конденсации водяного пара, сопровождающейся небольшими взрывами. Если воздействие огня носит длительный характер, арматурные стержни достигают тем­пературы, при которой теряют прочность на растяжение, в результате разрушается все сооружение.

Ниже собраны различные фазы разрушения, вызванного огнем.

УСАДКА И РАСТРЕСКИВАНИЕ

В этом разделе обсуждается два типа усадки — пластическая и гигрометрическая. Пластическая усадка наблюдается, когда бетон находится в пластичной фазе и выделяет часть влаги, содержащейся внутри него, в окружающее пространство, что приводит к сжатию. Растрескивание в этом случае зависит от условий в среде, окружающей уложенный бетон. При укладке бетона в опалубку по очевидным причинам испарение не наблюдается. Если же бетон непосредственно контактирует с окружающей средой, происходит испарение, вызванное сравнительно высокой температурой и очень низкой влажностью снаружи либо сильным ветром. При пластической усадке свежего бетона на его поверхности могут возникать микротрещины. 

Гигрометрическая усадка вызвана выделением влаги в окружающую среду с низким уровнем относительной влажности в течение всего срока эксплуатации сооружения. Чтобы избежать проблем, создаваемых пластической усадкой, следует принять меры для остановки слишком быстрого испарения имеющейся воды. Это можно реализовать несколькими способами.

          - Укрыть уложенный бетон водонепроницаемым материалом, который препятствует испарению.

          - Орошать всю поверхность бетона водой в течение первых нескольких дней после укладки.

          - На свежий бетон нанести материал, создающий защитную пленку, которая препятствует испарению.

Поскольку по большей части гигрометрическая усадка протекает в течение первых шести месяцев после укладки, поддерживать влажность все это время не представляется возмож­ным. В связи с этим прибегают к таким мерам, как снижение водоцементного отношения и увеличение соотношения между инертными материалами и цементом. На рис. ниже изобра­жены примеры растрескивания бетона.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА

ИСТИРАНИЕ

Истирание наблюдается, когда материал подвергается повторяющимся ударам более твердых частиц. Это вызвано трением между порошком из более твердых пород о поверхность мате­риала. Отсюда следует, что истирание напрямую зависит от характеристик материалов, из которых состоит бетон. Таким образом, стойкость к истиранию можно повысить за счет умень­шения пропорции между водой и цементом или путем нанесения на поверхность бетона смеси цемента с твердыми добавками и заполнителями.

Факторы, которые влияют на стойкость к истиранию:

- прочность на сжатие;

- свойства заполнителей;

- характер окончательной отделки поверхности;

- состояние поверхности.

К числу сооружений, которые в наибольшей степени подвержены этому явлению, относятся полы промышленных объектов, чье состояние постоянно ухудшается вследствие непрерыв­ного движения транспортных средств.

На рис. ниже показан пример эрозии, вызванной течением воды.

УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Другой формой разрушения механической природы являются ударные воздействия. В этом случае приходится учитывать множество факторов, поскольку бетон является хрупким материалом, который в результате достаточно интенсивных ударов разрушается, а прочность его снижается. Ущерб, наносимый в результате ударов, визуально проявляется не сразу. В некоторых случаях должно пройти множество циклов подобного воздействия, например, в стыках бетонного покрытия при движении механических транспортных средств. В этой ситуации единственный способ избежать разрушения — изготовить как можно более прочный бетон.

Чтобы повысить ударостойкость, можно прибегнуть к армированию стальными волокнами, что способствует более равномерному распределению энергии ударного воздействия по всей конструкции. На Рис. ниже изображены примеры разрушения бетона в результате ударного воздействия.

ЭРОЗИЯ

Эрозия — это частный случай износа, вызываемый ветром, водой или льдом, который сопро­вождается уносом материала с поверхности. Характер процесса определяется скоростью движения, концентрацией твердых частиц пыли и качеством бетона. В этом случае единствен­ным средством защиты являются специальные меры при изготовлении бетона. Следует вос­пользоваться теми же рекомендациями, что и при истирании.

КАВИТАЦИЯ

Кавитация наблюдается там, где присутствует поток воды (при скорости свыше 12 м/с). Быстрое движение воды и неровная поверхность канала, по которому она протекает, способ­ствуют возникновению турбулентного течения и образованию зон пониженного давления, где формируются вихри, вызывающие эрозию стенок. Воздушные пузырьки, которые образуются в потоке воды ниже по ходу течения, попадая в зоны повышенного давления, лопаются, ока­зывая сильное ударное воздействие, приводящее к эрозии. При очень большой скорости течения воды масштабы кавитации могут быть довольно серьезными. Кавитации можно избе­жать, создавая гладкие поверхности без каких-либо препятствий для течения воды.

ДЕФЕКТЫ ПРИ НОВОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ОШИБКИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

Бетон представляет собой смесь ряда элементов. Способ его приготовления зависит от кон­кретных требований, предъявляемых в каждом проекте. Чем они жестче, тем точнее выверя­ется предполагаемый состав смеси. Основные Компоненты — это цемент, заполнители, вода и добавки. Если пропорция хотя бы одного из этих элементов подобрана неверно, в бетоне могут образоваться проблемные участки. Если из-за недостатка опыта или по каким-либо иным причинам смешать в непра­вильной пропорции самые лучшие материалы из числа предлагаемых на рынке, результат будет хуже, чем если бы использовались ингредиенты более низкого качества, но в нужных пропорциях. Качество материалов чрезвычайно важно, однако роль, которую играет их пра­вильное соотношение, носит критический характер.

На Рис. ниже показан пример разделения заполнителей из-за неправильной подготовки и/или неверной технологии укладки. Наиболее важным Компонентом является цемент. Хотя это вяжущий элемент, и в этом смысле он придает бетону требуемые характеристики, увеличение его количества отнюдь не всегда повышает качество.

Чем выше содержание цемента в смеси, тем сильнее усадка после укладки. Заполнители должны иметь подходящий гранулометрический состав. Необходимо в достаточной мере соблюдать дозировку мелкой и крупной фракции. Важную роль играет их чистота, поскольку посторонние примеси и инородные материалы ухудшают характеристики, иногда вызывая разрушение, о чем уже шла речь выше. При проектировании состава необходимо четко пред­ставлять окончательные характеристики бетона. При смешении различных элементов фунда­ментальную роль играют не только пропорции между заполнителями и цементом, но и водо­-цементное соотношение. Чем ниже пропорции при том же качестве смешиваемых Компонентов, тем лучше результаты. Пропорция должна быть достаточно хорошо сбаланси­рована с учетом гранулометрического состава заполнителей. На Рис. ниже, кроме очевидного разделения заполнителей, можно также заметить обнажившие­ся арматурные стержни — признак неверной технологии укладки. Если арматурные стержни недостаточно защищены бетоном, это способствует проникновению различных реагентов, которые вызывают разрушение. В общем, дефекты бетона можно разделить на три основные категории:

- дефекты, вызванные неправильным подбором параметров смеси;

- дефекты, вызванные неподходящими составляющими;

- дефекты, вызванные плохим качеством укладки.

В следующих статьях мы рассмотрим выбор технологии ремонта бетона различными составами.