Реконструкция железобетонных сооружений

Если после истечения определенного срока службы в конструкциях появятся повреждения, то необходима реконструкция. Повреждения появляются, когда устойчивость, долговечность или внешний вид ухудшаются (рис. 1). Большинство повреждений в наружных строительных конструкциях возникают вследствие коррозии. Защита от коррозии арматуры обеспечивается тогда, когда содержащаяся в порах структуры бетона влага реагирует как основание или щелочь и показывает значение величины pH более 10 (рис. 2). Свежий бетон вследствие содержания составляющей гидрата окиси кальция (Са(ОН)₂) имеет величину pH 12,5—13,5 и поэтому является высокощелочным. Свежий бетон обволакивает арматуру и способствует образованию на поверхности стали тонкого слоя оксида железа (Fe₂О₃), который препятствует коррозии арматуры. Этот слой оксида железа называют пассивным слоем. Также и при гидротации или твердении бетона образуется гидрат окиси кальция (Са(ОН)₂), что способствует сохранению щелочного действия бетона. Количество гидрата окиси кальция (Са(ОН)₂) в твердом бетоне тем больше, чем выше содержание цемента или класс прочности бетона.

Рис. 1. Строительные повреждения

Рис. 2. Величина pH и защита от коррозии

Воздействие на железобетонные конструкции

В железобетонных конструкциях повреждения могут возникать как в структуре бетона, так и в арматурной стали. Причиной повреждений преимущественно являются погодные воздействия, которые приводят к химическим и физическим воздействиям. Ошибки при проектировании, назначении размеров и при возведении конструкций усугубляют развитие повреждений.

Химическое воздействие

Воздействия на конструкцию, которые приводят к химическим реакциям, происходят в большинстве случаев снаружи в течение длительного времени. Снаружи в конструкцию проникают, например, кислотообразующие газы, как двуокись углерода (СО₂), двуокись серы (SО₂) или оксиды азота (NOx), которые развивают свое действие в соединении с влагой воздуха. При применении солей оттаивания в бетонную поверхность могут попадать, например, брызги хлоридных растворов. Также и воздействующие на бетон субстанции из земли и воды могут иметь следствием повреждения бетона. Говорят о химических воздействиях вообще, если действующие на бетон материалы химически реагируют с цементным камнем, заполнителем или арматурной сталью. Важными химическими реакциями при этом являются карбонатизация, реакции с хлоридами и образование ржавчины.

Карбонатизацией называется химическая реакция гидрата окиси кальция (Са(ОН)₂) с двуокисью углерода (СО₂) воздуха. При этом содержащаяся в воздухе двуокись углерода (углекислый газ) проникает в поры бетона и соединяется с гидратом окиси кальция (Са(ОН)₂) цементного камня, превращаясь в СаСО₃ и воду (Н₂О).

Карбонатизация

С этим процессом, который продолжается вовнутрь, связано понижение величины pH до 8—9, причем щелочное действие бетона уменьшается и начинается разложение пассивного слоя. Это имеет следствием то, что защита от коррозии арматуры больше не обеспечивается (рис. 4). Карбонатизации целиком избежать нельзя, ее можно только отдалить, причем последняя при высоких классах прочности бетона происходит медленнее и имеет меньшую глубину проникновения, чем у бетонов меньшего класса прочности (рис. 3). Для установления глубины карбонатизации свежие разрушения обрызгивают индикационной жидкостью, например раствором фенолфталеина. При этом карбонатизированные части бетона не будут изменять цвет.

Рис. 3. График карбонатизации

Рис. 4. Возникновение строительных повреждений при химических воздействиях

Хлориды попадают в бетон в большинстве случаев с солями оттаивания, содержащими хлор. Если на поверхности арматурной стали повышается хлоросодержание, то пассивный слой может в отдельных местах разрушиться даже при высокощелочном окружении. Хлоридные соединения вызывают дырчатую коррозию. Она не проявляется в откалывании бетона, так как она растворяет арматуру изнутри коррозионных отверстий (нижняя коррозия). Часто уже большая часть сечения арматуры бывает разрушена, прежде чем разрушения становятся заметными. Хлоридные соединения устанавливаются в большинстве случаев на транспортных сооружениях, как, например, на бетонированных дорогах, монолитных мостах и в зданиях парковочных гаражей. В стенах наиболее повреждается зона брызг воды от отмостки (в районе цоколя), так как содержание влаги в материале там выше. Такие области отличаются от остальных бетонных частей конструкции заметно более светлым цветом.

Ржавчина возникает, когда на арматурную сталь воздействуют кислород и влага. При образовании ржавчины происходит увеличение объема, которое ведет к откалыванию защитного слоя бетона (см. рис. 4).

Объем ржавчины примерно в 2,5 раза больше, чем арматурной стали.

Физическое воздействие

Физические воздействия имеют своей причиной погодные условия, или они возникают от непредвиденных физических воздействий или непредвиденных механических нагрузок на конструкции.

Экстремальные температуры, а также резкая смена температур приводят к деформациям. В особенности воздействие мороза в промокших конструкциях является причиной напряжений, которые еще более усиливаются воздействием солей оттаивания.

Также и усадка и ползучесть бетона могут приводить к изменению формы. Осадки, колебания влажности воздуха и ветер относятся также к физическим воздействиям. Если вызванные ими деформации не будут погашены соответствующими деформационными швами или слоями скольжения, то возникнут повреждения. Также и большие прогибы стройных конструкций, а также осадка основания сооружения могут привести к повреждениям. Большинство повреждений влияют на плотность и толщину защитного слоя бетона. Механические воздействия в конструкциях проявляются в виде износа.

Ошибки при производстве строительных работ

Повреждения железобетонных конструкций могут быть вызваны также за счет ошибочного проектирования и плохого качества производимых работ, например за счет:

• некомпетентного решения опор, швов и слоев скольжения;
• применения бетона со слишком высоким значением w/z и с недопустимым содержанием воды;
• несоблюдения предписанного защитного слоя бетона;
• ошибки при укладке, уплотнении и последующем уходе за бетоном.

Коррозия арматуры

Коррозия арматуры наступает, когда вследствие прогрессирующей карбонатизации пассивный слой на поверхности арматуры полностью или частично растворяется. Из-за слишком малого или поврежденного защитного слоя бетона, обусловленного физическими воздействиями трещин в поверхности бетона или вследствие слишком пористого бетона, в него могут проникать разрушительные соли , такие, как, например, хлориды, и достигать арматуры, вызывая ее разрушение. Кроме того, туда могут проникать влажность и кислород , что приводит к ржавлению арматуры.

Рис. 5. Корродированная арматура

Проектирование мероприятий по реконструкции

Основой планирования мероприятий по реконструкции является обследование состояния конструкции. Сюда относится оценка состояния здания, а также испытания конструкции в натуре и в лаборатории.

Оценка состояния здания распространяется на определение мест загрязнений, промоканий, высолов, выветривания, разложения структуры материала, изменения окраски от ржавчины, откалываний бетона, коррозии арматуры, мест разрушений структуры бетона, пустот, повреждений швов и поростание растениями.

Исследования на сооружении могут представлять собой, например, испытания близких к поверхности слоев на плотность, влагосодержание, поверхностную прочность, прочность на отрыв, глубину карбонатизации, установление защитного слоя бетона и положения арматуры, а также испытание на содержание хлора. При наличии трещин исследуют возникновение трещин, их положение, распространение, картину трешинообразования, ширину и глубину трещин.

Лабораторные испытания требуют отбора проб. С помощью буровых кернов могут быть точно установлены свойства бетона, а также вредные примеси и нарушения структуры бетона. В большинстве случаев ограничиваются освобождением арматуры от остатков бетона в конструкции, очисткой их от ржавчины и определением оставшегося поперечного сечения. Выбор защитных мероприятий и мероприятий по приведению в порядок конструкции и санирующих материалов должен быть согласован с картиной повреждений (табл. 1).

Методы приведения в порядок конструкций (санирование)

Мероприятия по санированию в зависимости от картины повреждений подразделяются на защиту бетона и санирование бетона, причем могут использоваться различные методы. Мероприятия по приведению в порядок конструкций, при которых необходимо наносить новые материалы, требует хорошего сцепления со старым бетоном.

Защита поверхностей производится путем заполнения трещин с помощью пропитки (без давления) эпоксидной смолой или путем инъекций (под давлением) эпоксидной смолой или цементным клеем, путем импрегнирования (не образующей пленки гидрофобизации), запечатывания (поры в бетоне частично закрываются) и покрытия слоем материала (покрытие тонким слоем толщиной d < 1 мм или покрытие толстым слоем по грунтовке 1 мм < d < 5 мм).

Санирование неглубоких отдельных повреждений (рис. 6) производится с применением метод шпаклевки, т.е. точечного улучшения поверхностей реконструкционным раствором (рис. 7). Метод шпаклевки, называемый также методом замены бетона, требует хорошего сцепления со старым бетоном и защиты поверхностей.

Рис. 6. Скалывание бетона

Рис. 7. Рабочие шаги при методе шпаклевки

Санирование взаимосвязанных повреждений производится с помощью поверхностного нанесения слоя раствора или бетона, например из торкретбетона, на увлажненный старый бетон. Нанесение может происходить в несколько слоев от 3 до 5 см толщиной. В заключение наносится слой тонкого раствора и поверхностная защита (рис. 9). Последующий уход также необходим.

Проведение санирования

Санирование, в особенности транспортных сооружений, должно ответственно производиться специальными предприятиями согласно Указаниям DafStb «Защита и санирование бетонных конструкций», ZTB-SIB «Дополнительные технические указания и предписания по защите и санированию бетонных конструкций» и ZTV-RISS «Дополнительные технические условия договоров и указания по заполнению трещин в бетонных строительных конструкциях».

Подготовка основания

Подготовка основания в значительной части (см. рис. 7) состоит из:

• очистки бетонных поверхностей и удаления остатков краски и выравнивающих слоев, а также растительной поросли;
• обивания поверхности бетона на местах пустот и местах с пониженной прочностью;
• удаления слоев с пониженной прочностью, как, например, цементных шламов;
• удаления вредоносных частей бетона, например карбонизированного бетона и бетона с высоким содержанием хлоридов;
• освобождения от бетона корродированных стержней арматуры;
• освобождения открытой арматуры от ржавчины;
• очистки основания от рыхлых частичек и пыли.

Для этих работ имеются различные способы, как, например, очистка под высоким давлением, очистка струей воды под давлением, пескоструйная обработка, очистка струей воздуха в смеси кварцевого песка и воды под давлением, очистка струей воздуха с металлическими шариками, фрезерование, обработка долотом и огневая обработка поверхностей.

После окончания подготовительных работ основание необходимо проверить, соответствует ли оно свойствам, необходимым для предусмотренных мероприятий по санированию. Могут требоваться, например, следующие свойства.

• Бетон должен соответствовать примерно классу прочности С25/30.
• Прочность на отрыв должна приблизительно составлять 1,5 Н/мм².
• Поверхность должна быть прочной и умеренно шероховатой.

Восстановление коррозионной защиты

Для защиты от коррозии необходимо освободить арматуру, очистить ее от ржавчины и предварительно обработать. Освобождение производится за один рабочий шаг с подготовкой основания. Освобождение от ржавчины может производиться только механически вручную, с помощью пескоструйной обработки или обработки струей воды под высоким давлением. Особенно тщательно следует освобождать от ржавчины места перекрещивания арматуры. Хлориды удаляются с помощью очистителя высокого давления. При освобождении от ржавчины поверхность стали должна обрабатываться таким образом, чтобы она соответствовала степени чистоты согласно DIN 55928, т.е. выглядела бы металлически блестящей. Сразу же после удаления ржавчины следует нанести слой коррозионной защиты.

Если коррозионная защита должна обеспечиваться, как в бетонном строительстве, плотным щелочным слоем бетона, то покрытия специальным антикоррозионным слоем арматуры не требуется. Этот слой бетона может наноситься, например, как слой торкретбетона (рис. 8).

Рис. 8. Нанесение торкретбетона

Если коррозионная защита производится путем покрытия антикоррозионным слоем арматуры, то его необходимо наносить по меньшей мере в два слоя. Для покрытия применяются материалы на основе эпоксидной смолы, а также связанные цементом шламы с добавками синтетических смол.

Рис. 9. Санирование строительной конструкции

На выбор имеются многочисленные продукты и системы. Указания производителей должны соблюдаться, в особенности должны выдерживаться заданные граничные значения температуры и влажности. Большинство методов требуют обеспечения мостика сцепления между старым бетоном и наносимым слоем бетона и реконструкционного раствора.