УДК 69.059.4

Способы повышения долговечности железобетонных конструкций

Лыскова Татьяна Евгеньевна – магистрант Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Аннотация: Долговечность железобетонных конструкций обуславливается способностью конструкций сохранять свои прочностные характеристики с течением времени. Дефекты, возникающие под влиянием внешних воздействий, уменьшают возможную долговечность конструкции. Устранение возникающих дефектов помогает продлить срок службы конструкции, для чего проводят мероприятия по их ремонту и усилению. Метод усиления железобетонных конструкций выбирается на основании слабой зоны конструкции и схемы её разрушения. В качестве материалов для усиления применяются сталь, железобетон или композитные материалы. Повысить долговечность железобетонной конструкции также можно применением устойчивой к коррозии композитной арматуры и улучшением трещиностойкости бетона при добавлении в него фибры.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, долговечность, ремонт, усиление, композитные материалы.

Долговечность железобетонных конструкций

Повышение долговечности железобетонных конструкций всегда является важной задачей для инженеров и строителей. Железобетон часто используется в качестве материала для несущего каркаса зданий и сооружений. С течением времени железобетонные конструкции подвергаются различным воздействиям, таким как атмосферные условия, химические реакции, механические нагрузки и даже биологические процессы, что приводит к потере требуемых эксплуатационных качеств железобетонной конструкции [1].

Железобетон – это композитный строительный материал, состоящий из стальной арматуры и бетона, работающих совместно. Бетон хорошо работает на сжатие, но имеет малое сопротивление растяжению, поэтому для восприятия растягивающих усилий в конструкции устанавливают арматуру [2]. Совместная работа арматуры с бетоном обеспечивается значительными силами сцепления, возникающими между бетоном и арматурой. Наличие защитного слоя бетона предохраняет арматуру от коррозии и воздействия огня при пожаре, следовательно, целостность защитного слоя бетона напрямую влияет на долговечность железобетонной конструкции.

По СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции» [3] железобетонные конструкции удовлетворяют требованиям долговечности, если в течение длительного времени конструкция выполняет требования по безопасности и эксплуатационной пригодности с учетом влияния различных расчетных воздействий. В «Методическое пособие по назначению срока службы бетонных и железобетонных конструкций» [4] под долговечностью понимается способность конструкции сохранять минимально необходимые эксплуатационные качества в течение заданного периода времени под воздействием деградации. Следует подчеркнуть, что долговечность напрямую связана с работоспособностью и деградацией конструкции и материалов, из которых она состоит. Работоспособность конструкции зависит от её прочностных, деформационных и физических характеристик. Деградацией же называют процесс снижения характеристик работоспособности во времени.

Таким образом, можно сделать вывод, что долговечность является способностью конструкции сохранять минимальные эксплуатационные качества и выполнять требования по безопасности в течение заданного промежутка времени под влиянием расчетных воздействий.

Возникновение дефектов в конструкции также снижает её долговечность. В соответствии с ГОСТ 15467–79 «Управление качеством продукции» [5], дефектом является любое отступление от проекта или невыполнение требований норм. Наиболее распространенные причины возникновения дефектов [6]:

• непроектное выполнение конструкций и узлов сопряжения;
• нарушение технологии производства работ;
• применение конструкций, изделий и материалов или материалов с непроектными характеристиками или дефектами;
• нарушение правил эксплуатации;
• ошибки в проектах.

Внешняя нагрузка создает в бетоне сложное напряженное состояние [7], [8]: по плоскостям соединения частицах, обладающих большим модулем упругости, возникают усилия, стремящиеся разрушить их связь, а в ослабленных порами местах происходит концентрация напряжений, поэтому микротрещины в первую очередь образуются на границах между заполнителем и цементным камнем, затем в цементном камне (рисунок 1). Под действием нагрузки микротрещины соединяются в макротрещины, раскрытие которых сопровождается мнимым увеличением объема бетона.

Рисунок 1. Характер разрушения бетона: а) – по цементному раствору без разрушения заполнителя; б) – с разрывом зерен заполнителя; в) – смешанное Источник: В. Б. Ежов. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. – Екатеринбург: УрФУ, 2014.

В местах образования трещин защитный слой бетона перестает выполнять свою функцию, и незащищенные участки арматуры подвергаются коррозии, что уменьшает долговечность конструкции. Деформации можно разделить на следующие виды:

• собственные деформации бетонной смеси и бетона (усадка и расширение);
• деформации от действия механических нагрузок: кратковременных и длительных (ползучесть бетона);
• температурные деформации.

Усадка – способность бетона уменьшаться в объеме при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды. Можно выделить несколько видов усадки:

1. Влажностная – изменение распределения, перемещение или испарение влаги из цементного камня.
2. Контракционная – объем новообразований цементного камня меньше объема вступающих в химическую реакцию веществ.
3. Карбонизационная – развивается с поверхности бетона в глубину при карбонизации гидроксида кальция.

Ползучесть – это способность бетона, при которой с течением времени деформации возрастают без увеличения внешней нагрузки, что также способствует образованию и раскрытию трещин в защитном слое бетона.

Способы повышения долговечности

Рассмотрим способы увеличения долговечности железобетонных конструкций и борьбы с дефектами. В первую очередь, для конструкций, уже подвергшихся деформациям, как способ можно выделить проведение ремонтно-восстановительных работ [9], [10].  Среди вариантов ремонтно-восстановительных работ для борьбы с образованием и раскрытием трещин применяют [11], [12]:

• нагнетание цементных или полимерных составов под принудительным давлением;
• нагнетание цементных или полимерных состав под действием гравитации или капиллярного впитывания;
• грунтовка и шпаклевка усиливаемой поверхности;
• наклеивание лент из композитных материалов.

Данные методы достаточно затратны, трудоемки, и нередко не дают ожидаемых результатов в стадии эксплуатации [13].

Более надежным способом является усиление конструкции [14]. Методы усиления конструкции зависят от зоны конструкции, которую необходимо усилить, и её вероятной схемы разрушения, но можно выделить общие принципы (рисунок 2):

• наращивание усиливаемой зоны;
• установка обойм и рубашек;
• приварка или приклеивание дополнительной арматуры;
• изменение расчетной схемы.

В качестве материалов для усиления применяют как железобетон и сталь, так и неметаллические композитные материалы.

Рисунок 2. Классификация методов усиления железобетонных конструкций. Источник: Д. Н. Лазовский. Проектирование реконструкции зданий и сооружений. – Новополоцк: ПГУ, 2010.

Наращивание – это увеличение рабочего сечения с одной или двух сторон усиливаемой конструкции (рисунок 3). Применяется для усиления сжатой зоны плитных и балочных конструкций, а также крайних и угловых колонн зданий, усиления зоны среза, а также при кручении, местном сжатии и продавливании.

Рисунок 3. Усиление железобетонной ребристой плиты покрытия наращиванием. Источник: Каталог конструктивных решений по усилению и восстановлению строительных конструкций зданий и сооружений. – М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», 2009.

Рубашка устраивается с трех сторон усиливаемой конструкции, когда отсутствует возможность охватить поперечное сечение со всех четырех сторон. Обоймы охватывают поперечное сечение усиливаемой конструкции со всех четырех сторон и рекомендуются для конструкций с малыми эксцентриситетами приложения сжимающих сил (рисунок 4).

Рисунок 4. Усиление участка колонны местной железобетонной обоймой Источник: Д. Н. Лазовский. Проектирование реконструкции зданий и сооружений. – Новополоцк: ПГУ, 2010.

Усиление конструкций с изменением расчетной схемы производится изменением места передачи нагрузок на конструкцию; повышением степени внешней статической неопределимости путем устройства дополнительных жестких и упругих опор, постановкой дополнительных связей при обеспечении неразрезности и пространственной работы конструкций; повышением степени внутренней статической неопределимости путем устройства затяжек, распорок, шпренгелей, шарнирно-стержневых цепей. Изменение расчетной схемы приводит к перераспределению напряжений и разгрузке усиливаемой конструкции.

Приварка дополнительной арматуры к существующей арматуре усиливаемой конструкции производится: нахлесточным соединением с отбивкой защитного слоя по длине дополнительной арматуры; с помощью коротышей диаметром, превышающим толщину защитного слоя; с помощью скоб. После приварки в проектном положении дополнительная арматура обетонируется.

При обеспечении совместной работы дополнительной арматуры и усиливаемой конструкции приклеиванием с помощью полимерных растворов дополнительную листовую и профильную арматуру размещают на поверхности, а стержневую – в специально подготовленных пазах или в слое полимерного раствора. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами производится наклейкой сеток или пластин из волокон на усиливаемые элементы (рисунок 5). В качестве клеящего состава используется полимерная матрица из специальных эпоксидных клеев [15]. Перед усилением конструкции необходимо выровнять, обезжирить и обеспылить.

Рисунок 5. Усиление конструкции моста приклеиванием ламината из углеродного волокна. Источник: И.Г. Овчинников, Ш. Н. Валиев, И.И. Овчинников, В.С. Зиновьев, А.Д. Умиров. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 2. Натурные исследования усиления железобетонных конструкций композитами, возникающие проблемы и пути их решения. Интернет-журнал НАУКОВЕДЕНИЕ, №4, 2012 г.

В качестве основных достоинств усиления железобетонных конструкций при помощи композитных материалов можно указать [16]:

• малый собственный вес композитов;
• высокие прочностные и деформативные характеристики;
• высокая адгезия клеящих составов;
• относительно простая технология производства работ;
• возможность производить усиление элементов со сложными геометрическими конфигурациями.

Помимо внешнего усиления уже деформированных конструкций, композитные материалы можно использовать в качестве рабочей [17] или дополнительной арматуры [18] на стадии проектирования. Композитная арматура имеет высокую коррозионную стойкость к агрессивным средам, что положительно сказывается на долговечности железобетонной конструкции. Основные характеристики волокон, использующихся при изготовлении композиционных материалов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические свойства волокон, используемых при изготовлении композиционных материалов.

Тип фибры	Прочность на растяжение, МПа	Модуль упругости, ГПа	Деформация удлинения, %	Плотность, т/м3
Углерод высокопрочный на полиакринитриловом связующем	4300-4900	230-240	1,9-2,1	1,8
Углерод высокомодульный на полиакринитриловом связующем	2740-5500	290-330	0,7-1,9	1,78-1,81
Углерод высокомодульный на эпоксидном связующем	2600-4020	540-640	0,4-0,8	1,44
Арамид	3200-3600	124-130	2,4	1,44
Стекло	2400-3500	70-85	3,5-4,7	2,6

Источник: И.Г. Овчинников, Ш.Н. Валиев, И.И. Овчинников, В.С. Зиновьев, А.Д. Умиров. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 1. Экспериментальные исследования особенностей усиления композитами изгибаемых железобетонных конструкций. Интернет-журнал НАУКОВЕДЕНИЕ, № 4, 2012 г.

Для улучшения деформационных свойств бетона применяют дисперсное армирование с помощью фибр – коротких нитей из стали или композитных материалов, распределяемых по всему объему конструкции. Среди преимуществ фибробетона можно выделить повышенную износостойкость, трещиностойкость и ударопрочность конструкций из этого материала [19]. Недостатком фибробетона является неконтролируемое расположение фибр в массе бетонной смеси при перемешивании, что не гарантирует равномерность прочностных и деформативных характеристик конструкции в стадии эксплуатации, а также высокая стоимость производства фибробетона [20].

Заключение

Долговечность железобетонных конструкций определяется способностью конструкции сохранять минимальные эксплуатационные качества и выполнять требования по безопасности в течение заданного промежутка времени под влиянием расчетных воздействий. Дефекты, возникающие в процессе изготовления и эксплуатации конструкции, снижают её возможный срок службы. Для повышения долговечности железобетонных конструкций проводят мероприятия по их ремонту и усилению.

Выбор способа усиления конструкции зависит от зоны конструкции, которую необходимо усилить, и её вероятной схемы разрушения. Усилению подлежит наиболее слабая часть конструкции. Среди способов усиления можно выделить: наращивание усиливаемой зоны; установка обойм и рубашек; приварка или приклеивание дополнительной арматуры; изменение расчетной схемы.

Также можно предварительно повышать долговечность, используя композитные материалы в качестве армирования железобетонной конструкции. При использовании композитной арматуры в качестве основной её высокая коррозийная стойкость повышает срок службы конструкции в агрессивных средах. Применение композитной фибры улучшает деформационные характеристики бетона, что положительно сказывается на трещиностойкости конструкции, и, следовательно, её долговечности.

При сильных повреждениях конструкции производят её замену новой конструкцией, при этом выполняя мероприятия, предотвращающие обрушение здания. Частые ремонтно-восстановительные работы, усиления и замены конструкций экономически нецелесообразны, поэтому поиск новых способов существенно увеличить долговечность железобетонных конструкций и снизить число ремонтов без риска для жизни и здоровья людей всегда остается актуальной проблемой.

Список  литературы

1. Н. И. Карпенко, С. Н. Карпенко, В. Н. Ярмаковский, В.Т.Ерофеев. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Строительные науки, №1, 2015.
2. Ю. М. Баженов. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2003.
3. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменениями N 1, 2). – М.: Стандартинформ, 2019 год.
4. Методическое пособие по назначению срока службы бетонных и железобетонных конструкций с учетом воздействия среды эксплуатации на их жизненный цикл. – М.: 2019 г.
5. ГОСТ 15467-79 Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения (с Изменением N 1). – М.: Стандартинформ, 2009 год.
6. А. Н. Добромылов. Дефекты в конструкциях при строительстве – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2009.
7. В. М. Бондаренко и др. Железобетонные и каменные конструкции. – М.: Высшая школа, 2004.
8. В. Б. Ежов. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. – Екатеринбург: УрФУ, 2014.
9. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами. – М.: Стройиздат, 2007.
10. Каталог конструктивных решений по усилению и восстановлению строительных конструкций зданий и сооружений. – М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», 2009.
11. Римшин В.И., Кузина Е.С., Валевич Д.М. Методы ремонта и усиления монолитных железобетонных перекрытий внешним армированием на основе углеволокна при восстановлении их работоспособного технического состояния // Вестник БГТУ имени В. Г. Шухова, №2, 2018.
12. Акулов М.В. Способы усиления железобетонных конструкций // Шаг в науку, №2, 2019.
13. С. Н. Алексеев. Коррозия и защита арматуры в бетоне. – М.: Госстройиздат, 1962.
14. Д. Н. Лазовский. Проектирование реконструкции зданий и сооружений. – Новополоцк: ПГУ, 2010.
15. Высокопрочные системы усиления ITECWRAP®/ITECRESIN®. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами, Екатеринбург, 2006 г.
16. Полищук А.С. Применение композитных материалов при усилении железобетонных конструкций журнал // Вестник магистратуры, №4-2, 2019 г.
17. Антаков А.Б., Антаков И.А. Экспериментальные исследования изгибаемых элементов с полимеркомпозитной арматурой // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, №3, 2014 г.
18. Панченко Л.А. Железобетонные цилиндрические резервуары с дополнительным армированием стекловолокном // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №2, 2009 г.
19. Магасумова А. Т. В.С. Руднов. Технология изготовления и физико-механические свойства дисперсно-армированного бетона. Магистерская диссертация. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. 2019.
20. Ю. А. Прокофьева, В. Н. Шишканова. Исследование свойств фибробетонов с использованием фибры различного вида. Магистерская диссертация. Тольяттинский Государственный университет. 2019.
21. И.Г. Овчинников, Ш.Н. Валиев, И.И. Овчинников, В.С. Зиновьев, А.Д. Умиров. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 2. Натурные исследования усиления железобетонных конструкций композитами, возникающие проблемы и пути их решения // Интернет-журнал НАУКОВЕДЕНИЕ, №4, 2012 г.
22. И.Г. Овчинников, Ш.Н. Валиев, И.И. Овчинников, В.С. Зиновьев, А.Д. Умиров. Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 1. Экспериментальные исследования особенностей усиления композитами изгибаемых железобетонных конструкций // Интернет-журнал НАУКОВЕДЕНИЕ, №4, 2012 г.