Татаренко Н.Н., Гуржий Е.В.

Криворожский национальный университет, Украина

Принципиальные подходы к вопросу увеличения прочности сцепления «старого» и «нового» бетона в условиях отпорного действия воды

Во время эксплуатации строительные конструкции кроме силовых воздействий, которые приводят к объемному напряженному состоянию, воспринимают агрессивное действие окружающей среды и других техногенных факторов, вследствие чего они преждевременно выходят со строя.

Разрушение материалов, используемых в строительных конструкциях, под действием окружающей среды, называют коррозией.

Основными видами коррозии являются: физическая, физико-химическая, химическая, электрохимическая и микробиологическая.

По своему агрегатному состоянию агрессивная среда может быть газообразной, жидкой или твердой, а чаще всего – многофазной. Так, в процессе роботы промпредприятий по ряду причин в атмосферу, которая окружает производственные здания, выбрасываются различные газы, а на нижние части строительных конструкций попадают технологические растворы. Нередко фундаменты зданий и сооружений соприкасаются с минерализованными грунтовыми водами, зачастую загрязненными промышленными стоками. Кроме этого, на материалы строительных конструкций разрушающим образом могут влиять разные излучения, а также биологические среды.

Коррозионные процессы наиболее часто протекают в жидкой фазе, реже в газообразной. Твердая фаза не агрессивна относительно сухих материалов. Однако поверхность строительных конструкций практически всегда соприкасается с влагой, которая присутствует в воздухе, вследствие чего на ней образуются тончайшие слои насыщенного раствора пылевидного материала, что приводит к коррозии конструкции.

Характер и скорость коррозии материалов строительных конструкций определяют следующие факторы:

в газообразных средах – вид и концентрация газов, относительная влажность и температура, растворимость газов в воде;

в жидких средах – вид среды, наличие агрессивных агентов, их концентрация и температура, величина напора или скорость изменения на поверхности конструкции;

в твердых средах – вид среды, дисперсность, растворимость в воде, гигроскопичность, относительная влажность окружающей среды и самого материала, температура;

при излучениях – вид и интенсивность излучения, продолжительность облучения, температура;

в биологических средах – вид среды, относительная влажность окружающей среды и материала конструкции, температура.

Рассматривая стойкость любого материала, особенно композиционного, в различных агрессивных средах, следует учитывать свойства всех его составляющих, поскольку очень существенно какие компоненты используются при его изготовлении. В бетонных и железобетонных конструкциях коррозионную стойкость преимущественно определяют наиболее слабые составляющие – вяжущие или связующие вещества.

Также, важной особенностью большинства видов бетонов является их значительная пористость. Это предусматривает возможность фильтрации и подсоса воды, увлажнения вследствие конденсации паров воды, а также интенсивного взаимодействия материалов с жидкой средой посредством пор.

Кроме этого, в структуре бетона могут присутствовать ослабленные участки контактов цементного камня с поверхностью заполнителей и контакты зерен заполнителей без прослойки цементного камня. Это может способствовать более интенсивному разрушению бетона в местах протекания коррозионных процессов.

В зависимости от состава и структуры бетона, вида конструкции, характера и величины рабочих нагрузок и условий эксплуатации разрушающее действие на бетон имеют такие виды коррозии: сульфатная, коррозия выщелачивания, общекислотная, магнезиальная, коррозия за счет подсоса и кристаллизации солей, биологическая, коррозия под действием органических соединений, а также многократное попеременное замораживание и оттаивание воды в порах бетона, усадка и набухание цементного камня при изменении влажности, химическое действие различных агрессивных газов, контракционные явления, различные механические воздействия, осмотическое давление на пленки гелей.

На бетонные и железобетонные конструкции, как правило, одновременно действует несколько агрессивных факторов, но только один из них является основным. Чаще всего это процессы, которые вызывают коррозию ІІ вида, а для конструкций эксплуатируемых в условиях действия грунтовых вод с повышенным содержанием сульфат-ионов - коррозию ІІІ вида. Последнее особенно характерно для Криворожского региона, где грунтовые воды являются в разной степени агрессивными для портландцемента и шлакопортландцемента.

На базе Криворожского промышленного комплекса эффективно проводятся исследования и собираются данные о влиянии окружающей среды и техногенных факторов на состояние бетонных и железобетонных конструкций.

Параллельно с этим разрабатываются новые и применяются широко известные методы защиты от коррозии, восстановления несущей способности конструкций, восстановление защитного слоя бетона и т.д.

Все эти мероприятия, в первую очередь направлены на обеспечение долговечности и эксплуатационной пригодности строительных конструкций и сооружений.

Выбор антикоррозионной защиты зависит от вида конструкций, материала, из которого они изготовлены, и условий эксплуатации. Также необходимо учитывать состояние поверхности материала.

Антикоррозионная защита должна обеспечивать отсутствие контакта агрессивной среды с поверхностью защищаемой конструкции, поэтому защитные покрытия должны быть химически стойкими, плотными и непроницаемыми, иметь достаточную твердость и прочность по отношению к механическим воздействиям, хорошую адгезию с защищаемой поверхностью.

Несоответствие применяемого материала хотя бы одному из поставленных условий приводит к быстрому разрушению всего антикоррозионного покрытия.

Кроме этого, защита должна быть достаточно экономичной и предусматривать использование доступных и дешевых материалов.

Независимо от вида устраиваемого защитного покрытия и способов его нанесения, во всех случаях общим является наличие прочного контактного слоя между «новым» покрытием и «старым» бетоном.

Важное значение сцепление нового бетона со старым имеет при нанесении штукатурок и торкрет-бетона, восстановлении и ремонте разрушенных конструкций и сооружений, усилении существующих бетонных и железобетонных конструкций и т.д.

Надежное сцепление в зоне контакта обеспечивает монолитность конструкции в работе, водонепроницаемость в зоне стыка, надежную защиту арматуры от коррозии.

Основными элементами связующей способности защитных покрытий, их качественными характеристиками, являются адгезия и когезия. Адгезия определяет прочность сцепления нового бетона со старым (разрушение происходит по границе между конструкцией и покрытием), а когезия – прочность сцепления между частицами самих бетонов (разрушение происходит по старому или новому бетону). Новый и старый бетон должны работать как единое целое. Поэтому желательно, чтобы величина адгезии была близка величине когезии.

На обеспечение надежного сцепления «нового» и «старого» бетона в той или иной мере влияют следующие факторы:

- возраст старого бетона;

- химико-минералогический состав старого бетона;

- состояние поверхности старого бетона;

- физико-механические характеристики поверхности;

- способ обработки поверхности;

- влажность поверхности;

- свойства нового бетона;

- консистенция;

- состав и марка;

- вид цемента;

- наличие добавок;

- способ укладки и условия твердения нового бетона (вибрирование, обжатие, пневмоукладка, влажность, температура);

- наличие контактной прослойки;

- условия дальнейшей эксплуатации защищаемой (восстановленной) конструкции.

В настоящее время известны различные методы защиты и восстановления бетонных и железобетонных конструкций работающих в условиях динамических нагрузок, переменных температур, воздействия различных агрессивных сред, конструкций работающих во влажных грунтах и под водой и т.д.

Однако неизученным остается вопрос о влиянии на прочность сцепления старого и нового бетона отпорного действия воды.

Такое явление наблюдается, например, при эксплуатации бетонных и железобетонных ограждающих конструкций тоннелей, шахт, опускных колодцев, стен подвалов находящихся ниже уровня грунтовых вод. При этом на конструкции с внешней стороны постоянно действует давление воды находящейся в грунте, и чем больше глубина расположения конструкции, тем больше это давление. Как уже упоминалось, грунтовые воды также способствуют сульфатной коррозии бетона.

При сохранении монолитности и гидроизоляции подземных конструкций данное явление не оказывает влияния на их эксплуатационную пригодность. В случае же наличия дефектов бетонирования, нарушения целостности гидроизоляции, недостаточной монолитности стыков между элементами конструкций неизбежно проникание воды через стены (швы, стыки) или полы выше названых сооружений. Это будет способствовать коррозии бетона и арматуры, с дальнейшим снижением несущей способности и эксплуатационной пригодности конструкций.

В этих случаях зачастую является затруднительным создание защитного покрытия со стороны действия воды. В любом случае эти работы требуют больших трудозатрат и являются экономически не выгодными. Поэтому остается только одна возможность для устранения дефектов - проводить работы по защите конструкций с внутренней стороны. Однако постоянная инфильтрация воды, к тому же обладающей агрессивными свойствами по отношению к бетону и находящейся под постоянным давлением препятствует достаточному сцеплению наносимого покрытия с основой и созданию надежного защитного покрытия.

Подводя итог выше сказанному, следует отметить важность вопроса об изучении влияния на прочность сцепления старого и нового бетона отпорного действия воды с целью создания материалов обеспечивающих надежную адгезию и когезию защитных покрытий в зависимости от свойств «старого» бетона, давления и объема инфильтрации грунтовых вод, а также степени их агрессивности по отношению к защитным материалам и материалам защищаемых конструкций.