Физическое воздействие на железобетонные конструкции

Физическое воздействие на бетон (износ и повреждение) может быть обусловлено рядом причин, главные из которых следующие.

1. Замораживание и оттаивание наружных поверхностей сооружений, возведенных на очень открытых для атмосферного воздействия территориях северного района Британских островов и в других странах с подобным или более суровым климатом.

2. Термический удар, вызываемый внезапным и резким падением температуры бетона, при утечке или расплескивании сжиженных газов.

3. Истирание бетонных полов в промышленных зданиях стальными колесами тележек. Аналогичное повреждение наблюдается на внутренней поверхности силосов и бункеров для крупнозернистого материала.

4. Повреждение от быстротекущей воды. Его можно подразделить на три типа: кавитация, истирание водой, содержащей мелкий гравий и песок, ударное воздействие напорной струн.

5. Истирание бетона в морских сооружениях песком и галькой в штормовую погоду и при ураганном ветре. Этот вопрос рассмотрен в главе 5.

2.4.1. Замораживание и оттаивание

Железобетонные сооружения, построенные на очень открытых для атмосферного воздействия северных территориях Британских островов и в других странах с суровым климатом, могут разрушаться под действием мороза, т. е. их поверхности отслаиваются. Такое разрушение обусловлено прониканием влаги под поверхностные слои бетона и последующим понижением температуры ниже нуля. При замерзании поглощенная вода расширяется, вызывает отслоение поверхности бетона. К счастью, такие условия для разрушения встречаются в Великобритании нечасто, но на крайнем севере и юге морские сооружения весьма подвержены таким повреждениям. Разработать соответствующие критерии для ремонта и восстановления железобетонных конструкций нелегко, но совершенно очевидно, что бетон и раствор для таких ремонтных работ должны содержать воздухововлекающую добавку. Основные сведения о воздухововлекающих добавках рассмотрены в главе 1.

Сборные бетонные изделия, изготовленные способом прессования, морозостойки, но применять их для ремонта железобетонных конструкций можно лишь в исключительных случаях.

2.4.2. Термический удар

Термический удар редко является причиной разрушения бетона. Он возможен только в случаях утечки или расплескивания на бетон сжиженного газа, например метана, кислорода, азота и водорода, т. е. газов, применяемых в различных промышленных процессах. Температура таких сжиженных газов составляет примерно —160, —183, —196 и —253°С соответственно. Как правило, разрушению подвергаются полы. Во многих случаях на полы одновременно действует и подвижная нагрузка, значительно усугубляющая степень повреждения от термического удара.

Автору неизвестны надежные методы ремонта бетона, обеспечивающие длительный срок эксплуатации, поэтому приходится мириться с необходимостью довольно частых ремонтных работ. Применение высококачественного бетона с воздухововлекающей добавкой и известковым или искусственным легким заполнителем даст, вероятно, наилучшие результаты.

2.4.3. Истирание бетона

Истирание бетона в полах промышленных зданий, а также в силосах и бункерах для некоторых типов гранулированного материала является почти неисследованной проблемой. Было установлено, что прочность бетона при сжатии — один из самых важных факторов для определения сопротивления поверхности бетона истиранию. Вид обработки поверхности также имеет значение, но в какой мере различные методы обработки поверхности влияют на истирание, еще точно не установлено. Наибольшие трудности вызывают полы в промышленных зданиях. Условия их эксплуатации в различных отраслях промышленности сильно отличаются друг от друга.

После окончательного прохождения вибрационного трамбующего бруса поверхности бетонных плит, имеющие неровности, можно обработать: 1) ручной гладилкой в виде широкой доски; 2) механической гладилкой; 3) ручной гладилкой (затиркой вручную); 4) шлифованием поверхности сразу после операций по пп. 1 и 2.

В некоторых случаях после уплотнения бетона дополнительная обработка его поверхности не требуется.

При условии правильного применения всех указанных методов для стандартного высококачественного бетона самая износостойкая и прочная на истирание поверхность, вероятно, получится при ручной затирке стальным мастерком.

Тип заполнителя оказывает некоторое влияние на сопротивление истиранию, но это учитывается только в случае применения очень слабого или очень прочного заполнителя. Применение некоторых видов известняка может привести к образованию скользких и слишком гладких поверхностей бетона.

Подробные данные о ремонте бетонных полов приведены в главе 3.

2.4.4. Повреждение бетона быстрыми потоками воды

Повреждения от воды, текущей с большой скоростью, можно разбить на три основных вида: кавитация; истирание водой, содержащей каменную мелочь, крупный песок и пр.; удар напорной струи.

Кавитация

Причины истирания и динамичного воздействия известны довольно хорошо, но точные причины кавитации еще точно не установлены, несмотря на исследования, ведущиеся в ряде стран.

Простое и, следовательно, неполное объяснение причины кавитации следующее: при течении с большой скоростью потока воды (более 15 м/с) углубления и выступы на граничной поверхности могут вызвать образование кавитационных вихрей. Весьма вероятно, что это происходит в местах нарушения сплошности, направленных вниз по потоку. На рис. 2.1 показаны кавитационные вихри, которые возникают в цилиндре, установленном на экспериментальной установке для исследования проблемы кавитации в Империал Колледж в Лондоне. Следует отметить, что ни одна поверхность не бывает абсолютно гладкой. В особых условиях и при очень высоких скоростях серьезные повреждения от кавитации могут появиться даже у стали и других металлов. Если в местах неровностей на поверхности абсолютное давление приближается к давлению водяного пара, то там возникают и моментально исчезают мельчайшие пузырьки. При разрушении стенки пузырька образуются крошечные струйки воды, обладающие исключительно высокой скоростью. В результате разрушения пузырьков возникает сильная ударная волна — серия последовательных гидравлических ударов.

Такое воздействие очень разрушительно не только для высокопрочного бетона, но даже для металла. Читатели, желающие получить более подробное объяснение проблемы кавитации, могут обратиться к библиографии в конце этой главы. Кавитации можно избежать, если исключить образование кавитационных вихрей и пузырьков. Как правило, кавитационные разрушения наблюдаются на поверхности водосбросов, турбинных водоводов, резервуаров — накопителей энергии, сифонов и туннелей, по которым с большой скоростью течет вода.

Повреждение бетона вследствие кавитации можно довольно легко отличить от обычного размыва. На поверхности, разрушенной кавитацией, имеются зазубрины, в то время как поверхность, поврежденная водой и крупным песком или каменной мелочью, довольно гладкая. На рис. 2.2 показано типичное разрушение бетона кавитацией в экспериментальной установке в Империал Колледж. На практике в таких конструкциях. как водосбросы, при кавитации могут вырываться большие куски бетона.

Истирание водой, содержащей каменную мелочь или крупный песок

Бетон высокого качества очень устойчив к воздействию быстрых потоков воды, содержащей каменную мелочь или крупный песок. Произойдет ли существенное разрушение и какова будет его степень — вопросы, зависящие от ряда факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

• 1) качество бетона (его прочность при сжатии, содержание цемента,. сопротивление износу мелкого и крупного заполнителя);
• 2) скорость потока воды;
• 3) содержание крупного песка или каменной мелочи в потоке и их абразивные характеристики;
• 4) параметры потока (является ли он непрерывным или прерывистым, как изменяется количество песка пли каменной мелочи через каждый час, день и т. д.).

Автору неизвестны публикации, в которых анализировалась бы практическая взаимосвязь этих четырех факторов. В каждой конкретной ситуации проектировщик должен исходить из инженерной оценки и в первую очередь решать вопрос о необходимости и рациональности особых мер защиты. Это относится также и к ремонтным работам. Разумеется, выбранный метод ремонта и применяемое оборудование будут зависеть от типа поврежденной конструкции, степени повреждения и времени эрозии.

Удар напорной струи

Когда струя воды, обладающая очень высокой скоростью, ударяет по поверхности бетона, то она смывает цементное тесто, нарушая таким образом сцепление мелкого и крупного заполнителя. В результате такого воздействия в бетоне может образоваться сквозное отверстие. Этот принцип положен в основу резки бетона напорной струей воды (см. главу 5). Давление в сопле непосредственно перед пуском находится в пределах 40—80 МПа. Фактически высокопрочный бетон оказался очень устойчивым к воздействию струи чистой воды, но до сих пор еще не установлены предельные значения критических скоростей и прочности бетона. При разрушении бетона струей воды самым рациональным решением является установка стальной плиты, прочно прикрепленной к бетонной стене или полу. Конструкцию крепления следует тщательно продумать; в качестве раствора рекомендуется раствор на эпоксидной смоле.

В случае небольших повреждений, происходивших в течение длительного периода, можно применять обычные методы ремонта бетона, которые описаны в последующих главах монографии.