Первостепенным и наиболее важным положением является то, что химические вещества в сухом состоянии не оказывают агрессивного воздействия на бетон. Это особенно касается сульфатов, так как они часто встречаются в глине в виде линз. В таблице, помещенной в разделе 6.2.2, показано, что допустимый уровень концентрации сульфатов в относительно сухих хорошо дренированных грунтах в 4—6 раз превышает допустимый предел для сульфатов, находящихся в растворе грунтовой воды. Для большей части грунтов именно концентрация агрессивных химических веществ в грунтовой воде является решающим фактором при принятии решения о необходимости устройства защитных мероприятий.
При малейшем подозрении на возможность агрессивного воздействия по отношению к бетону рекомендуется производить полный химический анализ грунта и грунтовой воды. Точная расшифровка такого анализа требует значительного практического опыта.
Существует две основных категории грунтовой воды, а именно: грунтовая вода, встречающаяся в естественных условиях, и грунтовая вода из свалок промышленных отходов. Как первая, так и вторая могут оказывать агрессивное воздействие на бетой, но грунтовая вода из свалок, вероятно, более опасна и с нею труднее бороться.
6.2.1. Кислоты в грунтовой воде
Когда величина pH грунта или грунтовой воды ниже нейтрального значения 7, вода является кислотной и может разрушать бетон, изготовленный на любом типе портландцемента. Степень разрушения зависит от ряда факторов, основные из которых таковы:
- 1) вид и концентрация кислоты;
- 2) возможность непрерывного обновления кислоты;
- 3) скорость течения и давление грунтовой воды на бетон;
- 4) расход цемента, непроницаемость бетона и тип заполнителя.
Бетой па портландцементе подвергался воздействию воды из гористых водосборных районов. Полученные данные дают основание полагать, что растворенная углекислота более агрессивна к бетону, чем органические кислоты, которые обычно встречаются в эти водах. Углекислота вызывает выщелачивание извести из бетона. В случаях агрессивного действия кислот на бетон целесообразно использовать известняковые заполнители, потому что кислотность воды, находящейся в контакте с бетоном, нейтрализуется как цементным камнем, так и заполнителем. Если используется инертный заполнитель, такой, как кремневый гравий, агрессивному воздействию подвергается только цементный камень и бетон будет разрушаться более интенсивно.
Исключение составляют случаи, когда химические характеристики воды таковы, что она разрушает только известняк. Такие ситуации редки, но тем не менее возможны. Отсюда следует, что расшифровку химического анализа нужно поручать опытному химику. Приведенные ниже данные предназначены только для общего руководства; каждый случай следует рассматривать как отдельную проблему. При этом подразумевается, что бетон высокого качества.
Рекомендуется повышать качество бетона (больший расход цемента и более низкое водоцементное отношение) по мере того, как будет увеличиваться интенсивность агрессивного воздействия.
Показателем кислотности грунтовых вод следует пользоваться в сочетании с текстом и замечаниями, которые приведены ниже. В тех случаях, когда pH воды ниже 7, целесообразен полный химический анализ, если ранее не было известно, что грунтовая вода не оказывает на бетон вредного действия. Это следует делать обязательно, когда pH ниже 6,5. Важно, чтобы бетон был хорошо уплотнен и правильно выдержан, толщина защитного слоя для арматуры была не менее 40 мм, ее следует увеличить до 50 мм для пп. 2 и 4.
1. Среда такова, что агрессивное воздействие на бетон считается маловероятным. В этом случае следует использовать бетон на обыкновенном портландцементе с расходом цемента не менее 300 кг/м3 и с водоцементным отношением не более 0,5.
2. В тех случаях, когда pH=6,5—5,5, бетон можно изготовлять на обыкновенном портландцементе, но расход цемента должен быть не менее 330 кг/м3 при водоцементном отношении не более 0,5.
3. Расход цемента следует увеличить до 360 кг/м3, а водоцементное отношение уменьшить до 0,45. Чтобы получить необходимую степень удобоукладываемости для качественного уплотнения бетона при таком низком водоцементном отношении, может потребоваться применение пластификатора.
4. В условиях, при которых вероятна весьма значительная агрессия, качество бетона должно быть по п. 3. Кроме того, должен быть предусмотрен или довольно толстый подстилающий слой из бетона такого же качества, или бетон конструкций следует защищать покрытием из изоляционного материала. Тип покрытия и его толщину следует определять очень тщательно, принимая в расчет агрессивные химические вещества и условия на стройплощадке. Как правило, выбирать приходится между наносимыми по месту и предварительно изготовленными рулонными материалами. Наносимые по месту покрытия выполняют из таких материалов, как эпоксидные смолы, полиуретаны, сложные полиэфиры и битумные смеси. Минимальная толщина покрытия около 0,5 мм; его следует наносить не менее чем в три слоя, чтобы исключить все пропуски на поверхности. Можно также применять и асфальтовые мастики, процесс нанесения которых рассмотрен в конце этой главы. Предварительно изготовленные рулонные материалы — это бутилкаучук, полиизобутилен, ПВХ и полиэтилен. Рекомендуемая минимальная толщина рулонных покрытий — 0,75 мм; все швы следует склеивать растворителем или горячим способом. Важно обеспечить защиту покрытий из рулонных материалов от повреждений при обратной засыпке. По существу, надежность устроенной изоляции зависит от прочности использованного материала на истирание и удар. Необходимо отметить также, что битумные и асфальтовые материалы плохо сцепляются с влажным бетоном.
По своим кислотоупорным свойствам сульфатостойкий портландцемент незначительно отличается от обыкновенного портландцемента. Однако его целесообразно использовать в тех случаях, когда кислотная грунтовая вода содержит ионы сульфатов (сульфаты в растворе).
Как правило, глиноземистый цемент более устойчив к действию слабых кислот и сульфатов, чем портландцемент. Однако в каждом отдельном случае следует обращаться за консультацией к фирме-изготовителю.
В большинстве практических случаев (при отсутствии в грунтовых водах минеральных кислот) применение плотного бетона высокого качества обеспечивает достаточную долговечность конструкций. Ее можно увеличить устройством дренажа и обратной засыпкой известковым материалом для нейтрализации кислотности. На практике часто увеличивают толщину бетона с учетом подстилающего слоя. Дополнительная защита, если она необходима, может быть обеспечена применением рулонного полиэтилена калибра 1000 с резинобитумным адгезивом с одной стороны (фирменное название «битутен»). Его следует укладывать под бетон и выводить по сторонам вверх выше уровня грунта. Следует принимать меры, обеспечивающие сохранность этого защитного слоя.
6.2.2. Сульфаты, растворенные в грунтовой воде
В таблице представлен диапазон грунтовых сред, содержащих сульфаты в растворе в различных концентрациях и рекомендации по выбору типа применяемого бетона. При пользовании таблицей для решения практических вопросов, связанных с различными концентрациями сульфатов, автор рекомендует обращать внимание на следующие моменты.
1. Чаще всего в грунтовой воде в естественных условиях встречаются сульфат кальция — гипс (CaSO4), сульфат магния — эпсомит (MgSO4) и сульфат натрия — глауберова соль (Na2SO4).
2. При обычных температурах сульфат кальция растворяется меньше, чем другие упомянутые сульфаты, и раствор считается насыщенным примерно при 2000 мг/л, что соответствует примерно 1200 мг/л трехокиси серы (S03). Это означает, что при нормальном температурном режиме концентрация сульфата кальция, выраженная в трехокиси серы, не может превышать примерно 1200 мг/л.
3. Сульфаты натрия и магния сильно растворимы в воде и поэтому их концентрация может быть значительно выше, чем CaSO4.
4. Сульфат магния более агрессивен к бетону на портландцементе, чем сульфаты натрия, кальция и калия при равных концентрациях. Это следует учитывать при выборе защитных мероприятий. Если концентрация приближается к верхнему пределу, следует пользоваться рекомендациями для следующей более высокой категории.
5. Сульфат аммония не рассматривался, так как он обычно не встречается в естественных грунтовых водах и грунтах. Однако он и другие соединения аммония часто содержатся в свалках промышленных отходов. Как правило, соли аммония весьма агрессивны к бетону на портландцементе, поэтому приходится применять особые меры защиты, а для этого требуется квалифицированная помощь.
6. Первая строка таблицы относится к относительно сухим хорошо дренированным грунтам. Как уже упоминалось ранее, сульфаты в сухом состоянии не оказывают агрессивного воздействия на бетон. Следовательно, принято считать, что в таких грунтах сульфаты в бетон будут проникать медленно. Поэтому их допустимая концентрация в грунте в 4—6 раз выше, чем в грунтовой воде.
7. Концентрация сульфата представлена как эквивалент трехокиси серы (SO3). Иногда в отчетах, посвященных исследованию грунтов, концентрацию сульфатов выражают в SO4. Пересчитать SO4 в SO3 можно с помощью следующего выражения:
Из таблицы видно, что первым условием для зашиты от агрессивного воздействия сульфатов является применение непроницаемого бетона высокого качества; второе условие — использование портландцемента с низким содержанием трехкальциевого алюмината (С3А). Согласно Британскому стандарту BS4027, максимальное содержание С3А в сульфатостойком портландцементе не должно превышать 3,5%, тогда как в технических требованиях С 180.68 Американского общества специалистов по испытаниям материалов (тип цемента V) эта величина не должна превышать 5%. Новые исследования Калоусека и Портера свидетельствуют о том, что добавка пуццолана в бетонную смесь, цемент которой ‘имеет низкое содержание С3А, обеспечивает дополнительную длительную защиту от агрессивного действия сульфатов. Однако в период написания этой книги еще не было публикаций, в которых было бы убедительно доказано, что введение пуццолановой добавки, такой как отборная зола-унос, к обыкновенному портландцементу дает ту же степень сульфатостойкости, как и сульфатостойкий портландцемент.
6.2.3. Места свалок промышленных отходов
Защита бетонных фундаментов, расположенных в местах свалок промышленных отходов, может оказаться весьма трудной практической задачей. Трудности заключаются в выборе соответствующих мер для защиты бетона и их выполнении. Как правило, выбор материала, устойчивого к агрессии химических соединений в месте свалки, не представляет особых затруднений. Основная проблема состоит в том, как нанести этот материал на бетон. Например, каким образом можно защитить бетон в набивной свае, изготовленной бурением, или в сборной забивной свае?
Ряд практически трудных задач возникает при защите бетона даже в ленточных фундаментах и фундаментах колонн.
Очевидно прежде всего необходимо пробурить разведочные скважины. Их число, вероятно, будет значительно больше, чем если бы исследование выполнялось на участке с ненарушенной структурой грунта. Затем следует тщательно просмотреть журнал буровых работ и химические анализы грунта и грунтовой воды. Расшифровка данных анализов должна быть объективной и четкой.
Несмотря на то что опубликовано несколько отличных монографий по проблемам проектирования, расчета и возведения фундаментов и механике грунтов, автор нашел весьма мало данных, посвященных проблемам воздействия химической агрессии на бетонные фундаменты в местах свалок промышленных отходов. Все, что можно здесь сделать, это рассмотреть в общих чертах основные принципы и изложить различные идеи в надежде, что они будут полезны инженерам, решающим эти серьезные проблемы.
Невозможно перечислить все агрессивные по отношению к бетону химические вещества, которые можно обнаружить в местах промышленных свалок. Обычно там содержатся минеральные кислоты, такие, как серная, соляная и азотная, соединения аммония, фенолы и сульфаты. Данные исследований грунта несомненно, покажут, что агрессивные вещества распределяются не равномерно, а в определенных местах на различной глубине. Грунтовая вода выше подошвы фундаментов увеличивает агрессивность химических веществ и способствует их распространению по всей площадке. Простым и экономичным решением в некоторых случаях является удаление всего загрязненного грунта, устройство соответствующего дренажа и обратная засыпка неагрессивными материалами. Для нейтрализации кислот особенно целесообразно использовать известняк и мел, так как не исключено, что грунтовая вода загрязнена на довольно большом участке.
Если удалить весь загрязненный грунт не представляется возможным, тогда следует предусмотреть тщательно спланированную систему дренажа и защиты бетона. Выбор метода защиты зависит от наличия грунтовой воды, свойств действующих химических веществ и типа фундамента (сваи, фундамент в виде ростверка, ленточный фундамент, фундамент колонн).
Всегда следует рассматривать возможность использования бетона на глиноземистом цементе, так как он обладает большей устойчивостью к воздействию некоторых слабых кислот и сульфатов, чем портландцемент. Необходимо точно соблюдать основные принципы проектирования смеси, укладки и выдерживания бетона на глиноземистом цементе, чтобы иметь возможность учитывать любое возможное снижение прочности в процессе химического воздействия. Следует обращаться за консультацией к фирме-изготовителю и строго выполнять все ее рекомендации.
Опыт автора свидетельствует о том, что необходимость применения для свай самоуплотняющего бетона с весьма высокой осадкой конуса, вероятно, исключит возможность использования глиноземистого цемента. В следующем разделе, посвященном защите бетонных свай, рекомендуется применять новые суперпластификаторы для бетона на портландцементе (см. главу 1). Многочисленные научно-исследовательские работы, посвященные вопросам длительного воздействия суперпластификаторов на долговечность бетона на портландцементе, дали весьма удовлетворительные результаты, но автор не видел работ, рассматривающих возможность использования суперпластификаторов для бетона на глиноземистом цементе. Может создаться впечатление, что рекомендации данной главы о защите бетона фундаментов, расположенных в местах промышленных свалок, слишком категоричны. Однако специалистам следует помнить о том, что общая стоимость ремонтных работ, вероятно, будет во много раз больше, чем устройство мер защиты во время возведения фундамента. Не следует также забывать о возможности использования добавочного (подстилающего) слоя бетона. Это решение может оказаться весьма эффективным, простым и экономичным, но в этом случае бетон должен быть самого высокого качества и тщательно уплотнен.
6.2.4. Свайные фундаменты
Опыт автора показывает, что самые большие трудности возникают, как правило, при защите бетона свайных фундаментов, расположенных в местах свалок промышленных отбросов. Вся сложность состоит в том, какими практическими методами можно обеспечить эту столь необходимую защиту.
В случае применения забивных свай из обычного или пред-напряженного железобетона эту задачу можно, вероятно, решить с помощью нижеследующих мероприятий, выполняемых или каждое отдельно или в соответствующем сочетании, которое определяется в основном особенностями стройплощадки.
1. Применение плотного непроницаемого бетона (необходимо в любом случае, ибо он должен выдерживать напряжения, возникающие при забивке сваи) с минимальным защитным слоем для арматуры 75 мм и прочностью не менее 40 МПа.
2. Устройство добавочного слоя бетона не менее 75 мм.
3. Устройство полностью сцепленного с бетоном защитного покрытия из эпоксидной смолы с заданными характеристиками максимального сопротивления истиранию толщиной не менее 0,75 мм. В особых случаях этот слой может состоять из раствора на эпоксидной смоле.
В преднапряженных сваях, изготовленных с последующим натяжением арматуры, автор рекомендует устраивать специальную защиту металлических каналов, по которым проходят напрягающие канаты. В случае повреждения или разрушения бетона, в результате которого агрессивные химические вещества проникают в канал, они немедленно оказывают разрушающее воздействие на его металлическую облицовку. Теоретически канал должен полностью заполняться раствором, но это не всегда выполнимо на практике. Поэтому защита металлической облицовки канала с наружной стороны достаточно толстым покрытием из эпоксидной смолы (примерно 0,5 мм) была бы полезной дополнительной мерой защиты.
В набивных сваях, изготовленных бурением, защита бетона может быть связана с еще большими трудностями. В целях самоуплотнения бетон должен иметь очень высокую осадку конуса (примерно 150 мм) и быть достаточно связным, чтобы не расслаиваться при укладке. Практически это значит, что расход цемента составляет примерно 400 кг/м3. Для обеспечения долговечности (что, очевидно, имеет первостепенное значение) водоцементное отношение не должно превышать 0,45. Для такой смеси требуется высококачественный пластификатор, количество которого должно быть строго установлено, ибо очень большая доза может привести к постоянному снижению прочности бетона. Все вышеизложенное говорит о том, что необходимо делать пробные замесы. Было бы полезно рассмотреть вопрос о возможности применения одного из новых суперпластификаторов (см. главу 1).
Исходя из предположения, что вышеупомянутая смесь гарантирует получение для сваи плотного непроницаемого бетона (на практике это не всегда возможно из-за образования раковин и вымывания цемента проникающей грунтовой водой после удаления обсадной трубы), все же может потребоваться его защита от химического воздействия. Ее можно обеспечить несколькими мероприятиями, выполняемыми в отдельности или в сочетании:
1) дополнительным увеличением слоя бетона не менее чем на 100 мм, т. е. диаметр сван должен превышать номинальный размер на 200 мм.
2) устройством постоянной обсадной трубы из полипропилена; такую трубу следует устанавливать на гораздо большую глубину, чем уложен в сваю бетон. Вариантом решения может быть постоянная стальная обсадная труба, но ее наружная поверхность должна быть надежно защищена химически стойким и неистирающимся покрытием. При определении несущей способности сван можно пренебрегать силами поверхностного трения или значительно меньше учитывать их в тех случаях, когда используется постоянная обсадная труба.
6.2.5. Фундаменты в виде ростверка, ленточные фундаменты, фундаменты колонн
С этими типами фундаментов работать обычно легче, чем со сваями, так как все конструкции доступны для ремонта. Цель рекомендуемых защитных мероприятий — изолировать конструкционный бетон от агрессивного грунта и грунтовой воды в тех случаях, когда одно лишь высокое качество бетона не может гарантировать длительной прочности. Защиту могут обеспечить несколько мероприятий, выполняемых в отдельности или в сочетании:
1) укладка дополнительного слоя бетона толщиной не менее 100 мм в основание и по сторонам фундамента;
2) устройство защитного слоя из изоляционного материала на нижней поверхности (основании) конструкционного бетона, который выводится по боковым поверхностям выше уровня агрессивного грунта и грунтовых вод. Таким образом создается полная гидроизоляция. Важно предусмотреть, чтобы в изоляционном материале не было пор и других аналогичных дефектов, через которые агрессивная вода может проникнуть к бетону. Можно использовать как наносимый по месту, так и предварительно изготовленный рулонный материал. Толщина гидроизоляции зависит от используемых материалов и степени агрессивности внешней среды. Как правило, рулонный материал должен быть не тоньше 1 мм, а сцепленные с бетоном покрытия иметь толщину не менее 0,75 мм. Все швы в рулонном материале необходимо соединять (лучше это делать с помощью растворителя). Если материалы наносят не методом напыления, то защитное покрытие должно состоять, как минимум, из трех слоев, причем каждый последующий должен наноситься под прямым углом к предыдущему, чтобы закрыть все поры и отверстия. Особое внимание следует уделять изоляции места сопряжений горизонтальных и вертикальных или наклонных поверхностей. Наносимыми по месту материалами, применяемыми для защиты бетона, являются асфальтовые мастики, толстые слои битума, армированные сеткой из стекловолокна или полипропилена, эпоксидные и полиуретановые смолы. Окончательный выбор зависит от их устойчивости к химической агрессии, удобства нанесения в условиях строительной площадки, способности покрытия сцепляться с бетоном, устойчивости против механических повреждений во время обратной засыпки и т. п.
Асфальтовые мастики должны отвечать требованиям Британских стандартов: BS 988 (BS 1097) «Асфальтовые мастики для полной гидроизоляции и гидроизоляционных слоев (известняковые заполнители)» или BS 1162 (BS 1418) «Асфальтовые мастики для полной гидроизоляции и гидроизоляционных слоев (природный битум)». На вертикальные и наклонные более чем на 30° поверхности асфальтовую мастику следует наносить в три слоя при общей толщине 20 мм. Необходимо по возможности обеспечить ее сцепление с бетоном, предварительно тщательно очистив его поверхность проволочной щеткой. Кроме того, асфальтовую мастику нужно укреплять специальной оболочкой, защищающей ее от повреждений при обратной засыпке. Защитную оболочку выполняют отдельно от мастики на относе, а пространство заполняют цементно-песчаным раствором, слой за слоем, по мере производства работ.
Битум, армированный стеклянным волокном или полипропиленовой сеткой, может служить прекрасной изоляцией, но он недостаточно хорошо сцепляется с влажным бетоном и требует мер защиты от повреждений при обратной засыпке. Для этой цели можно использовать фанеру, предназначенную для наружных работ. При использовании асфальтов и битумов возникает проблема долговечности: если вода все-таки проникнет за такое защитное покрытие, это может привести к полному отслоению его от бетонного основания вследствие недостаточного начального сцепления.
Другими материалами, наносимыми по месту, являются эпоксидные и полиуретановые смолы. В некоторых составах эти смолы комбинируются. Рецептуру полимеров следует подбирать с учетом обеспечения хорошего сцепления с влажным и мокрым бетоном и придания им устойчивости против физических повреждений. Однако если материал обратной засыпки зернистый, то целесообразно устраивать временную защиту из тонкой фанеры или хотя бы из древесностружечных плит (ДСП). Смолы следует наносить не менее чем в три слоя при общей толщине 0,75 мм. Вертикальные и горизонтальные поверхности бетона перед устройством покрывающего слоя следует тщательно очищать проволочными щетками, легкой пескоструйной обработкой или напорной струей воды. Рулонные пластики включают полиэтиленовую пленку простую или с резинобитумным адгезивом с .одной стороны калибра 1000 (фирменное название «битутен»), бутилкаучук, хайпалон (синтетический каучук), полиизобутилен и ПВХ. Толщина их меняется в зависимости от предъявляемых к ним требований, но, как правило, должна быть не менее 1 мм. Защита рулонного материала от таких последующих рабочих операций, как обратная засыпка, имеет важное значение.