Диагностика железобетонных конструкций мостов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИАГНОСТИКА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВ

Курбатов Руслан Александрович

ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения», филиал СамГУПС в г. Саратове, Россия, Саратов

Аннотация. В статье рассмотрены наиболее распространенные и существенно влияющие на долговечность конструкций дефекты и повреждения. Нарушение нормальной структуры, разрушение бетона плиты проезжей части влечет за собой разрушение ребер балок пролетных строений. Растворы хлоридных солей, проникая вместе с продуктами разрушения щелочной среды бетона плиты через трещины, стыки, попадают на стенки ребер балок и вызывают коррозию растянутой арматуры. Рассмотрены механизмы данной проблемы и пути её решения.

Ключевые слова: соль, хлориды, коррозия, арматура, бетон, разрушение.

железобетонный мост конструкция дефект

Abstract: The article deals with the most common and significantly affecting the durability of structures defects and damage. Violation of the normal structure, the destruction of concrete slabs of the roadway entails the destruction of the ribs of the beams of the superstructures. Solutions of chloride salts, penetrating together with products of destruction of alkaline environment of concrete of a plate through cracks, joints, get on walls of edges of beams and cause corrosion of the stretched armature. Mechanisms of this problem and ways of its solution are considered.

Keywords: salt, chlorides, corrosion, reinforcement, concrete, destruction.

При обследовании железобетонных мостов основное внимание следует обращать на наиболее распространенные и существенно влияющие на долговечность конструкции дефекты и повреждения, выявлять причину и характер их развития во времени, назначать меры по ликвидации или приостановлению их дальнейшего развития [1].

Наиболее распространенными дефектами железобетонных мостов являются: коррозия арматуры, выщелачивание (карбонизация), разрушение бетона плиты, элементов главных балок (особенно крайних), стыков между балками и различные (по расположению, причинам возникновения, степени влияния на несущую способность и долговечность конструкции) трещины [2-6].

Коррозия арматуры является одним из главных факторов, вызывающих разрушение бетона плиты проезжей части, что приводит к образованию продольных и поперечных трещин, выколам бетона и выкрашиванию дорожной одежды, а это приводит к снижению изгибной жесткости плиты, увеличению неравномерности распределения усилий между балками, росту динамического воздействия подвижной нагрузки, снижению несущей способности и долговечности.

Коррозия арматуры имеет преимущественно электрохимическую природу, в результате чего происходит как общее, так и местное уменьшение расчетной площади поперечного сечения арматуры за счет образования продуктов окисления железа. Образующиеся в процессе коррозии соединения занимают объем, в 2-3 раза больший, чем неокисленная сталь. Возникающее при этом радиальное давление порядка 3-4 МПа приводит к раскалыванию бетона вдоль арматурных стержней с последующим выколом участков бетона между трещинами вместе с дорожной одеждой и образованием ям и выбоин на проезжей части.

Образование окислов сопровождается также существенным снижением сцепления арматуры с бетоном и ростом раскрытия трещин. Особенно отрицательно это явление сказывается на совместной работе ребер балок и плиты проезжей части при наличии трещин вдоль их контакта и в продольных стыках плит.

Главной причиной разрушения плиты проезжей части мостов во многих странах является применение хлористых солей для борьбы с гололедом. Растворенные в дождевой и талой воде соли проникают в бетон, снижая концентрацию ионов водорода (водородный показатель РН) ниже критического уровня. В обычном бетоне, имеющем щелочную среду с РН = 12,5 коррозии арматуры, защищенной естественной пленкой, не происходит. Процессу проникания растворов хлористых солей Na, Ca, Mg способствуют три фактора: капиллярность, трещины и диффузия. Влияние первого из них незначительно, а из трещин наибольшую опасность представляют усадочные, расположенные над стержнями верхней арматурной сетки плиты. С увеличением толщины защитного слоя бетона вероятность образования продольных трещин снижается (с 87,8% при h_зс = 1,9 см до 1,8% при h_зс = 5,1 см). Предельная величина концентрации солей, вызывающая коррозию арматуры, по американским данным, составляет 0,2% от массы цемента в бетоне. С течением времени граница зоны, в которой концентрация хлоридов выше предельной, перемещается вниз по толщине плиты и, например, при диаметре арматуры 16 мм и толщине защитного слоя 5,1 см через 14 лет достигает глубины 6,7 см. Влияние диффузии на коррозию арматуры незначительно только в начале эксплуатации, когда усадочные трещины являются доминирующим фактором, а затем становится доминирующим.

Разрушение бетона плиты и ее покрытия может быть вызвано и другими причинами: например, в Англии в более чем 350 мостах отмечен процесс разрушения бетона, вызванный реакцией портландцемента, имеющего щелочные составляющие, с заполнителем, содержащим кремний.

Однако практика эксплуатации мостов в России свидетельствует, что основными причинами разрушения бетона плиты проезжей части железобетонных мостов являются: неудовлетворительное техническое состояние, загрязненность дорожного покрытия, неисправность системы водоотвода (заглушены водоотводные трубки, не выдержаны проектные уклоны мостового полотна и деформационные швы), некачественное выполнение гидроизоляции, особенно на участках ее примыкания к тротуарным блокам (над крайними, фасадными балками), а также отсутствие или разрушение элементов деформационных швов и гидроизоляции непосредственно на участках тротуарных блоков.

В результате наличия подобных дефектов, характерных для отечественных железобетонных мостов, особенно построенных по первым типовым проектам (типовые проекты выпуск 10-11, 56, 56Д и другие, разработанные Союздорпроектом), плохой герметичности проезжей части вода атмосферных осадков и вместе с ней соли не только попадают под гидроизоляционный слой и фильтруются через железобетон плиты проезжей части, но и, проникая под конструкцию тротуаров, попадают на наружные поверхности плиты, стенок, как фасадных (крайних), так и смежных с ними (внутренних) главных балок.

Высокая влажность, температура и концентрация кислорода способствуют коррозии арматуры и разрушению бетона плиты. При неблагоприятном сочетании этих факторов коррозия арматуры может привести к разрушению моста за несколько лет. В общем же случае, в зависимости от климатических условий, особенностей конструкции, качества строительства и эксплуатации долговечность плиты проезжей части может колебаться в пределах от 5 до 50 лет.

Нарушение нормальной структуры, разрушение бетона плиты проезжей части влечет за собой разрушение ребер балок пролетных строений. Растворы хлористых солей, проникая вместе с продуктами разрушения щелочной среды бетона плиты через трещины, стыки, попадают на стенки ребер балок и вызывают коррозию растянутой арматуры.

В мостах из балок полной заводской готовности с предварительным напряжением арматуры до бетонирования надежная защита от коррозии зависит от толщины защитного слоя.

В балках с расположением пучков напрягаемой арматуры в каналах, инъектируемых цементным раствором, долговечность арматуры гарантирована только в случае весьма качественного выполнения этой операции.

В мостах с балками без предварительного обжатия бетона процесс коррозии ведет к отрыву защитного слоя распределительной и растянутой арматуры продуктами коррозии стали.

Коррозия арматуры помимо общего снижения несущей способности балок за счет уменьшения сечения арматуры приводит к потере сцепления ее с бетоном и последующему изменению статической схемы работы мостов, увеличению раскрытия трещин, повышению вероятности разрыва арматуры и в конечном счете к снижению долговечности моста. Отрыв защитного слоя бетона продуктами коррозии арматуры приводит к существенному изменению напряженного состояния изгибаемой балки и пространственной работы всей системы в целом. (Эксперименты, поставленные в США [2], по оценке влияния защитного слоя и прочности сцепления арматуры с бетоном на несущую способность железобетонных балок при изгибе показали, что потеря защитного слоя и сцепления в средней части балки (на 60% ее длины) приводит к снижению ее прочности на 21%).

В зонах чистого изгиба, несмотря на постоянство изгибающего момента, напряжения в арматуре изменяются по длине за счет механического взаимодействия ее с бетоном. При восстановлении только защитного слоя несущая способность увеличивается до 86%, а при использовании для этих целей эпоксидного клея - до 100%.

В связи со сказанным при оценке несущей способности железобетонных балок необходимо учитывать потерю защитного слоя и сцепления арматуры с бетоном даже на незначительном участке.

При эксплуатации (да и при проектировании) мостов следует иметь в виду, что долговечность железобетонных конструкций во многом зависит от водоцементного отношения, пористости, водопроницаемости, деформативности, устойчивости к воздействию агрессивных сред, возможности карбонизации защитного слоя.

Процессу карбонизации защитного слоя следует уделять особое внимание. Карбонизация - это превращение гидроокиси кальция Ca(OH)₂ в поверхностных слоях бетона в кальций или известняк CaCO₃ под воздействием углекислоты воздуха H₂CO₃. Характерно, что при этом увеличиваются прочность и жесткость бетона, но при достижении фронтом карбонизации арматуры начинается ее интенсивная коррозия с увеличением объема продуктов коррозии и последующим разрушением защитного слоя бетона.

Из-за потери прочности арматуры и разрушения бетона в балках образуются поперечные и наклонные трещины, приводящие к снижению жесткости балок на изгиб и кручение, их провисанию и, как следствие, снижению долговечности.

Чтобы избежать проблем во время эксплуатации транспортных железобетонных сооружений, необходимы современные подходы в проектировании [7-10] и строительстве.

Список литературы:

1. Раткин В.В., Черных В.К., Тарасов А.А. Разрушительное действие хлоридсодержащей среды на примере обследования железобетонного моста в Новгородской области // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-62

2. Черных В.К., Нестерова Д.Н. Особенности мониторинга мостовых сооружений // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-63

3. Раткин В.В., Черных В.К. Хлоридная коррозия и ее влияние на свойства бетона // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.150-151.

4. Тарасов А.А., Черных В.К., Раткин В.В. Разрушения железобетонных мостов под действием хлоридов // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.185-187.

5. Черных В.К. Оценка долговечности металлических конструкций транспортных сооружений в условиях воздействия агрессивных эксплуатационных сред // Материалы Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2018». Волгоград, 2018- С.297-298.

6. Черных В.К. Коррозионные повреждения металлических конструкций транспортных сооружений // Материалы XII Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России». Волгоград: издательство ВолгГТУ, 2018- С.87-91.

7. Дягилев Н.А., Черных В.К., Раткин В.В. Сравнение программных комплексов для расчета зданий и сооружений // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.50-51.

8. Овчинников И.Г. Овчинников И.И., Кононович В.И. Оценка достоверности численных расчетов при проектировании: доверять или не доверять компьютерам? // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 года «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». Том 3. Модернизация в сфере эксплуатации, строительства и реконструкции объектов транспортной инфраструктуры. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С. 377-388.

9. Черных В.К., Чушкина В.В. Проблемы энергетики, связанные с коррозионным износом трубопроводов // Научный журнал «Colloquium-journal», 2019 - №22 (46). С. 49-52.

10. Черных В.К. Моделирование поведения стержневых многоэлементных конструкций в условиях воздействия агрессивных сред // Сборник докладов XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс». В 3 т.. Старый Оскол: Издательство ООО «Ассистент плюс», 2019- С.427-431.

11. Черных В.К., Овчинников И.И. Моделирование поведения многоэлементных металлических конструкций мостов в реальных условиях эксплуатации // Материалы XIX Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». Пенза: АННОО «Приволжский дом знаний», 2019- С.144-148.

12. Черных В.К. Прогнозирование поведения многоэлементных металлических конструкций транспортных сооружений в реальных условиях эксплуатации // Техника и технология транспорта. 2019. № 11. С. 19. URL: http://transport-kgasu.ru/files/N11-19PTC19.pdf

13. Черных В.К. Моделирование коррозионно-механического поведения многоэлементных металлических конструкций транспортных сооружений в реальных условиях эксплуатации // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», 2019 №3, https://t-s.today/PDF/22SATS319.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/22SATS319

14. Korobov Y.I., Muhambetov S.B., Laskov N.N., Shveikin I.E., Chernykh V.K. Financial losses of electric power industry, caused by corrosion wear designs lighting poles // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 537 (2019) 062082 Р.1-6. doi: 10.1088/1757-899X/537/6/062082

15. Черных В.К., Раткин В.В., Швейкин И.Е. Вантовые мосты. Современные конструктивные и финансово-экономические решения: учебное пособие. - Саратов: Издательство "КУБиК", 2019. - 112 с.

Размещено на Allbest.ru