Ремонт и усиление несущих железобетонных конструкций

К счастью, ошибки при проектировании и перегрузки отдельных частей сооружения, которые приводят к повреждениям и обрушению несущих конструкций, встречаются сравнительно редко. Когда такие аварии все же происходят, они привлекают внимание общественности, причем информация часто бывает весьма недостоверной. Обрушения в большинстве случаев обусловлены разными причинами.

Естественным на этом этапе анализа является вопрос, что же такое разрушение. Ответ на него дать трудно, поскольку часто он связан со степенью разрушения и его последствиями. Когда какой-то элемент больше не выполняет свое основное назначение, его можно рассматривать как разрушившийся. Например, прогиб перекрытия, вызывающий образование значительных трещин в перегородках, достаточно обоснованно следует считать дефектом, а не разрушением. Если же интенсивные прогибы приводят к серьезным повреждениям перегородок, отделки пола и потолка, то их можно отнести к разрушениям. Ошибку, допущенную при проектировании, можно обнаружить до начала или в процессе строительства, и это не приводит к серьезным последствиям пли повреждениям.

Повреждения несущих конструкций в новом еще не эксплуатируемом здании, проявляющиеся в виде трещин с недопустимой шириной раскрытия от растягивающих и сдвигающих усилий, наклона вертикальных элементов (колонн и степ), значительных прогибов горизонтальных элементов, указывают на то, что требуемое значение коэффициента безопасности не было обеспечено. Это может быть связано с ошибками в проекте или временными перегрузками в процессе строительства. В последнем случае необходимо оценить влияние перенапряжения на прочность сооружения. На основании такого подхода можно несколько снизить расчетный коэффициент надежности, если при этом учтены все необходимые факторы. В строительных нормах СР 110 «Применение железобетона для несущих конструкций» принят метод расчета по предельным состояниям и приведены дифференцированные коэффициенты надежности, которые удобно использовать при рассмотрении указанных случаев.

При проверке расчета очень важно проанализировать основные принципы проектирования конструкций, не ограничиваясь проверкой только числовых значений. Кроме того, следует тщательно контролировать такие мероприятия, как глубина заделки концов балок, способы обеспечения жесткости и неразрезности несущих конструкций и т. п., особенно если используются сборные железобетонные элементы. Весьма целесообразно предусматривать до проведения детального обследования установку временных опор. Это дает возможность проводить работы в безопасных условиях.

Часто трещины, параллельные рабочей арматуре, не являются такими же опасными, как трещины перпендикулярного направления. Однако трещины, проходящие через весь элемент, следует всегда заделывать. Применение современных маловязких смол дает возможность специализированным фирмам выполнять заделку трещин, обеспечивая при этом незначительное снижение прочности конструкции. Герметизация трещин путем инъектнрования смолы подробно рассматривается в следующем разделе этой главы. Трещины можно заделывать различными методами с применением разных материалов. Одним из наиболее известных методов является инъектирование в трещину полимерных смол. Он особенно удобен, когда элемент с трещинами теряет несущую способность или когда расшивка поверхности трещины является нежелательной. Однако ремонт несущих конструкции, как правило, не ограничивается инъектированием трещин.

3.13.1. Методы инъектирования трещин

Для глубоких трещин и трещин, пересекающих элемент, путем инъектирования можно обеспечить удовлетворительный метод ремонта. Однако довольно часто трудно определить, обеспечит ли инъектирование трещины лучший результат, чем широко используемая методика удаления бетона и восстановления его цементно-песчаным или эпоксидным раствором. Конечно, в большинстве случаев инъектирование трещин более приемлемо, однако в ряде случаев выбор метода ремонта весьма затруднен. Невозможно установить четкие и безошибочные принципы принятия наилучшего решения. Однако если бетон высокого качества и коррозия арматуры незначительна или совсем отсутствует, а дефект вызывается только трещиной, ее инъектирование дает наилучший результат.

Если наблюдается ржавчина и расслоение, более предпочтительным методом ремонта является удаление поврежденного бетона, очистка арматуры, инъектирование смолы и последующая заделка раствором. В этом случае трещина в пределах толщины элемента полностью или, по крайней мере, частично заполняется смолой. Отделка всего элемента декоративным герметизирующим составом завершает ремонтные работы придает сооружению хороший внешний вид.

Основной операцией процесса инъектирования смолы является введение в трещины состава соответствующим образом подобранной рецептуры. Правильный выбор рецептуры смолы исключительно важен. Одно из преимуществ применяемых смол заключается в том, что они допускают некоторые изменения в подборе состава для получения оптимальных характеристик. Требования к смолам изменяются в зависимости от вида работы.

Наиболее широко используют эпоксидные и полиэфирные смолы, а также комбинацию эпоксидной смолы и полиуретана. Эти смолы должны обладать малой вязкостью, способностью к сцеплению с влажным бетоном, способностью к инъектированию в возможно большем диапазоне температур, незначительной усадкой и„ наконец, тягучестью.. Последнее требование относится к сравнительно низкому модулю упругости при высоком пределе текучести. Низкое значение Е особенно важно, когда ожидается последующее движение смолы вдоль трещин. Большинство трещин в бетоне возникает от растяжения или сдвига, и применение смол с высоким модулем упругости может привести к образованию новых трещин вблизи или параллельно ремонтируемой.

Работы по инъектированию трещин следует проводить в следующей последовательности: подготовка трещин; определение местоположения точек инъектирования и герметизации поверхности; инъектирование смолы; удаление (в случае применения) трубок для инъектирования и заделка отверстий; удаление защитных лент и заключительная отделка поверхности (в случае необходимости).

Подготовка трещин. Эта операция состоит из удаления рыхлого слабого материала на поверхности с последующей очисткой трещины. Как правило, трещины с шириной раскрытия менее 0,5 мм не требуют очистки, если они небыли загрязнены при эксплуатации сооружения. Для очистки и удаления воды из трещины можно использовать сжатый воздух и растворители. Автор отдает предпочтение применению сжатого воздуха, поскольку наряду с водой он позволяет удалять пыль и мелкие частицы.

Определение местоположения точек инъектирования и герметизация поверхности.Расстояние между точками инъектирования определяется в основном глубиной и шириной раскрытия трещины. Желательно иметь как можно меньше точек инъектирования, обеспечивающих максимальное проникание смолы и свободу заполнения трещины при невысоком рабочем давлении.

После указанной подготовки трещин производится герметизация их поверхности и размечаются точки инъектирования. Для герметизации можно использовать различные материалы. Точки инъектирования либо высверливаются по линии трещины, либо выполняются в виде трубок, которые ввинчиваются в бетон. На рис. 3.11 показаны схемы расположения мест инвестирования для горизонтальных и вертикальных элементов.

Инвестирование смолы. Инвестирование смолы в трещину является сравнительно новым методом, и эту работу следует поручать специализированным фирмам; желательно, чтобы это были фирмы, которые сами составляют рецептуру и пользуются своими собственными материалами. Естественно, что в такой ситуации каждая фирма разрабатывает свою методику проведения работы и существует много точек зрения относительно наиболее целесообразного метода инъектирования и применяемого оборудования.

Некоторые фирмы предпочитают использовать простои метод инъектирования — подачу материала самотеком или при помощи пневматического пистолета, причем смолы в случае необходимости смешиваются предварительно. Другие предпочитают более сложное оборудование с непрерывной подачей свежезамешанной смолы и отвердителя, поступающих по раздельным трубкам. На рис. 3.12 показано восстановление железобетонной колонны таким методом. Одна из фирм дополняет подачу под давлением своего рода вакуумным щитом для отсасывания воды из бетона. Автор не видит необходимости применять вакуумирование, чтобы облегчить .проникание инъекционного раствора, так как во многих случаях это было успешно достигнуто и без него. При условии правильного проведения работ основной принцип заключается в следующем: чем проще оборудование и метод нанесения, тем лучше. Степень проникания инъекционного раствора можно проверять взятием проб, гаммаграфией и обследованием с помощью ультразвука, хотя последний вид контроля весьма необычен. Давление инъектирования зависит от ширины раскрытия и глубины трещины и степени вязкости смолы. Как правило, оно невысокое и редко превышает 1 атм (примерно 0,1 МПа).

Существенным фактором при ннъектировании любой трещины является равномерное проникание раствора и полное заполнение им трещины. Было отмечено, что специально вызываемые перепады в давлении более эффективны, чем его повышение. При контроле за процессом инъектирования следует помнить, что количество смолы, используемой для заполнения трещины, должно быть очень мало.

Для наклонных или вертикальных трещин инъектирование принято начинать с самой низкой точки и проводить работу снизу вверх, так как смола вытекает из соседней вышележащей точки.

Для горизонтальных трещин не существует строго установленного порядка проведения работы. Инъектирование можно начинать с одного конца и продолжать вдоль по трещине или с середины, двигаясь сначала налево до конца, а затем направо, или от середины попеременно направо и налево.

Заключительные рабочие операции после инъектирования. Удаление трубок если ими пользовались при инъектировании) и заделка отверстий проводится, как правило, в процессе производства работ. Защитную ленту можно снять после отверждения смолы (через 2—7 сут) или сразу же после ее схватывания, т. е. через несколько часов.

Инъектирование трещин, особенно тонких, целесообразно проводить в тех случаях, когда важно, чтобы ремонт был как можно более замаскирован. Но даже при этом его все же нельзя скрыть. Однако шлифовка и косметическая обработка поверхности помогают ликвидировать следы ремонта.

На рис. 3.13 показаны трещины в большой железобетонной плите покрытия смотрового колодца, в которые была инъектирована смола. Метод позволяет восстановить элемент и сделать его вновь пригодным для дальнейшей эксплуатации.

3.13.2. Усиление и ремонт железобетонных конструкций

Необходимость усиления и ремонта железобетонной конструкции или ее части может быть обусловлена тремя основными причинами.

1. В тех случаях, когда предполагается изменить назначение сооружения так, что увеличение полезных нагрузок приводит к необходимости радикального изменения проектного решения. Сюда же относится случай, когда условия эксплуатации уже изменились и дополнительная нагрузка вызывает перенапряжение несущих элементов.

2. В случае разрушения конструкции (по различным причинам) до такой степени, что ее элементы не могут больше нести приложенные нагрузки с соблюдением требуемого коэффициента безопасности.

3. При определенной комбинации случаев 1 и 2.

Прежде всего следует провести обследование конструкции. В отдельно стоящих наземных конструкциях, особенно когда они открыты для визуального обозрения, можно заметить разницу в форме трещин и степени повреждения на северной и южной сторонах. Южная сторона более подвержена резким перепадам температуры, а северная может больше пострадать от действия низких температур и циклов замораживания и оттаивания.

В настоящее время еще встречаются железобетонные конструкции с низким качеством бетона, хотя уже и не так часто, как лет 40 назад. Технология получения бетона высокого качества была в то время разработана весьма слабо. При производстве бетона пользовались в основном эмпирическими правилами; мало внимания уделяли обеспечению требуемого расхода цемента, контролю за водоцементным отношением, качеством и гранулометрическим составом заполнителей, а также толщине защитного слоя арматуры.

Во время обследования необходимо делать подробные записи, четкие чертежи и качественные фотографии с соответствующими надписями и датами. По возможности, следует иметь исходные чертежи и расчетные данные. Существенно важным условием является проверка расположения, состояния и количества арматуры. Наличие арматуры обычно определяют с помощью электромагнитного измерителя защитного слоя (ИЗС) стандартного типа (если толщина этого слоя не превышает 90 мм).

Ранее при строительстве железобетонных конструкций иногда применяли необычные заполнители. При обследовании одного сооружения было обнаружено, что в заполнителе были кусочки железа, которые сначала приняли за стальную арматуру (согласно показаниям ИЗС). Взятые впоследствии керны показали, что в плите вообще не было никакой арматуры, и что она опиралась на стальные балки, заделанные в бетоне. Некоторые общие сведения о ИЗС приведены в приложении 1.

После получения данных о наличии арматуры необходимо определить ее прочностные показатели. В некоторых случаях старую прокорродировавшую арматуру целесообразно дополнить новой, которая воспринимала бы все расчетные напряжения в восстановленной конструкции.

На рис. 3.14. показано усиление сильно нагруженной балки с помощью высокопрочного армированного торкрет-бетона, который является идеальным материалом для ремонта и усиления различных конструкций. Торкрет-бетон — это материал, состоящий из цемента, заполнителя и воды, который наносят пневматическим способом. Существует два общепринятых способа торкретирования, но из них только один — метод сухой смеси — применяют в Великобритании при восстановлении большинства несущих конструкций. Метод влажной смеси используют в очень ограниченных масштабах при ремонте ненесущих элементов, причем скорость материала на выходе из сопла обычно ниже, чем при осуществлении процесса сухой смеси. Цемент и песок дозируют, смешивают обычным способом и транспортируют по шлангу с помощью сжатого воздуха. По отдельному шлангу под давлением подают воду. Воду и цементно-песчаную смесь пропускают через специальный трубопровод, в котором их тщательно перемешивают, а затем под большим напором смесь наносят на восстанавливаемый элемент. Сила удара уплотняет материал. При качественном выполнении работ плотность равна 2050—2150 кг/м³ (0,85—0,9 плотности бетона высокого качества).

В США, Австралии и ЮАР торкрет-бетон применяют более широко, чем в Великобритании, хотя за последние годы он получил здесь признание как метод, обеспечивающий высокое качество восстановительных работ, и как самостоятельный строительный материал. В США торкрет-бетон называют «шоткритом». Американский институт бетона разработал на него нормативные документы. В Великобритании нет специальных норм на торкрет-бетон и это, несомненно, отрицательно сказывается на его внедрении в практику изготовления новых несущих элементов. Что касается восстановительных работ и усиления конструкций, то торкрет-бетон был безоговорочно принят инженерами-консультантами, местными органами власти и государственными учреждениями.

Для изготовления торкрет-бетона можно использовать как портландцемент, так и глиноземистый цемент. Не следует забывать о преимуществах правильно приготовленных раствора и бетона на глиноземистом цементе, когда важными факторами являются прочность в раннем возрасте (через 24 ч) и стойкость к воздействию слабых кислот и высокой температуры. Следует помнить, что водоцементное отношение для высокопрочного торкрет-бетона — примерно 0,35, .и это имеет большое значение при использовании глиноземистого цемента. В данном разделе для этого типа торкрет-бетона применяется термин «высокопрочный торкрет-бетон»; высверленные из него образцы должны иметь прочность, соответствующую кубиковой прочности через 28 сут в пределах 60—70 МПа. Для стабильного получения такой прочности требуется значительный практический опыт и тщательность проведения всех операций торкретирования.

До нанесения торкрет-бетона следует соответствующим образом подготовить старый бетон, правильно обработать трещины и установить новую арматуру. Подготовка старого бетона заключается в удалении всего поврежденного и загрязненного бетона при помощи отбойных инструментов, струи крупного песка (влажного или сухого) или воды под большим давлением. Первые два метода хорошо известны, а в главе 5 даны подробные сведения относительно применения напорной струи воды.

Арматуру обнажают, скалывая бетон. Если она сильно проржавела, то ее следует удалить. В противном случае ее очищают проволочными щетками, дробеструйной обработкой проволочной сечкой, пескоструйным аппаратом или напорной струей воды.

Трещины шириной более 0,5 мм следует расшить и заполнить цементным раствором вручную или с помощью цемент-пушки. По окончании такой подготовительной работы устанавливают новую арматуру. Метод установки зависит от типа конструкций и от детального проекта производства работ.

В следующих разделах приведены примеры восстановления и усиления конструкций с помощью высокопрочного армированного торкрет-бетона.

3.13.3. Восстановление и усиление силосов, емкостей и бункеров для мелкозернистых материалов

Железобетонные силосы, емкости и бункера, предназначенные для хранения гранулированных материалов, используют уже более 40 лет. Однако точные данные о напряжениях, появляющихся в стенках этих конструкций во время их наполнения и выгрузки, пока весьма ограничены.

Американский институт бетона разработал рекомендации по проектированию и сооружению силосов, емкостей и бункеров, предназначенных для хранения гранулированных материалов. Рекомендации были подготовлены Комитетом № 313 Американского института бетона и опубликованы в журнале этого института в октябре 1975 г. В этих рекомендациях отмечается, в частности, что напряжения, вызываемые в стенках силоса во время выгрузки мелкозернистого материала, вероятно, во много раз превышают напряжения от статического давления хранимого материала.

Подробная информация об исследовании причин трещинообразования в железобетонном силосе для хранения цемента содержится в Техническом отчете № 296 (апрель, 1958 г.), автор Роу из Ассоциации цемента и бетона (Лондон). В отчете делается вывод о том, что растрескивание вызывалось совместным действием давления мелкозернистого материала и резкого перепада температуры по толщине стенки силоса. Вызванные таким сочетанием напряжения не были учтены при разработке проекта конструкции.

Ниже рассмотрен пример характерных ремонтно-восстановительных работ. Установлено, что несколько железобетонных силосов для хранения цемента, построенных около 35 лет назад, требуют значительного ремонта. В них появились радиальные трещины на расстоянии около 2 м друг от друга. В некоторых местах ширина раскрытия трещин достигала 40 мм. Арматура сильно повреждена коррозией, что вызвало интенсивное расслоение бетона. Разрушения появились вследствие ошибок при оценке возможных напряжений при эксплуатации, низкого качества бетона и недостаточной толщины защитного слоя. Силосы имели следующие размеры: высота — 17 м, диаметр — 5 м, толщина стен — 300 мм. В стенах примерно на уровне грунта выполнено несколько прямоугольных отверстий. Поверхность бетона обрабатывали пескоструйным аппаратом, и все трещины шириной более 0,5 мм расчищали и заполняли торкрет-бетоном. По окончании подготовительных работ с наружной стороны стен устанавливали новую арматуру в виде стальной сетки (№ А. 193 — BS 4483), установленной по окружности на всю высоту стен силоса. В дополнение к стальной стенке была предусмотрена установка высокопрочных арматурных стержней: диаметром 16 мм с шагом 200 мм для нижней трети высоты силоса, диаметром 12 мм с шагом 200 мм — для средней трети и диаметром 8 мм с шагом 150 мм — для верхней трети. В местах расположения прямоугольных отверстий в основании стен для усиления конструкции потребовалось выполнить специальные мероприятия: для каждого отверстия была предусмотрена стальная рама, состоящая из сваренных вместе двух стоек и верхнего бруса. К этим стойкам приваривали фасонные стержни из высокопрочной арматуры диаметром 16, длиной 500 и с шагом 200 мм.

Общая толщина слоя торкрет-бетона 100 мм, а минимальная толщина защитного слоя бетона — 25 мм. Общая стоимость ремонтных работ не превышала 10% проектной стоимости сноса сооружения и возведения нового силоса.