Причины разрушения бетона

В результате проведенных обследований ряда объектов в Украине были выявлены основные причины, оказывающие влияние на долговечность промышленных полов. Стало очевидным, что долговечность высокопрочных полов зависит от трех основных взаимосвязанных составляющих:

  1. при проектировании – от правильности принятых проектных решений, выражающихся в обеспечении соответствия принятой конструкции полов тем нагрузкам и воздействиям, которым они могут подвергаться при эксплуатации;
  2. при производстве работ – от соблюдения принятых проектных, технологических и технических решений, предусмотренных техническим заданием и проектом;
  3. при эксплуатации – от соблюдения запланированных режимов эксплуатации (как самой плиты пола, так и ее основания), выполнения регламентных мероприятий по поддержанию нормативного технического состояния полов, в том числе, соблюдения режимов и графиков планово-предупредительных и текущих ремонтов.

Было выявлено, что долговечность бетонных полов на одних объектах оказалась ниже, чем на других, и не достигала даже 5 лет из-за недопустимых разрушений. Причинами снижения долговечности и эксплуатационной пригодности высокопрочных полов явились, как показали исследования, нарушения определяющих принципов в одной или сразу во всех составляющих их качества, а именно:

  • в несовершенстве действующих нормативных документов, регулирующих вопросы проектирования, строительства, приемки и эксплуатации высокопрочных полов;
  • в низкой квалификации проектировщиков и, соответственно, в низком качестве проектных решений;
  • в наличии недостатков строительного производства при устройстве оснований и полов;
  • в нарушении условий запланированного режима эксплуатации, в том числе, превышении нагрузок, предусмотренных техническим заданием на проектирование и самим проектом.

При выборе конструкции пола и выполнении расчетов проектировщик, как правило, не ориентирован на понятие «долговечность» как определяющий показатель. Наиболее рациональными, могут оказаться решения, опирающиеся на устаревшие, но действующие нормативные документы, а нередко и на собственный опыт проектирования, часто не учитывающий необходимый в этом случае анализ и систематический мониторинг поведения запроектированной конструкции в эксплуатационный период. Дополнительным источником ошибок на стадии проектирования служат недостоверные данные предварительных инженерных и инженерно-геологических изысканий.

Кроме этого, инженер-проектировщик зависим от уровня обоснованности расчетных методик, соответствующих принятым моделям совместной работы основания и плиты пола, рекомендаций различных нормативно-технических документов и допущений, принятых в них. Однако, учитывая то, что знания в области проектирования полов постоянно совершенствуются, очевидными становятся недостатки и упущения в ранее принятых проектных решениях.

В современной практике строительства объективно обоснована необходимость системного подхода при анализе, выборе конструкции, материалов и технологий устройства полов на промышленных и гражданских объектах. Помимо трех основных составляющих, влияющих на долговечность конструкций высоко прочных полов, в результате проведенных исследований были выявлены основные конструктивные, технологические, организационные и эксплуатационные факторы, определяющие надежность и долговечность пола.

К конструктивным факторам относятся:

  1. факторы, определяющие величину допустимых активных напряжений сдвига в грунте рабочего слоя и верней части грунтового основания, а именно: толщина, эквивалентный модуль упругости, коэффициент постели грунта, значение контактного напряжения и др.;
  2. факторы, определяющие механические свойства бетона: класс бетона по прочности на сжатие, осевое растяжение и растяжение при изгибе, начальный модуль упругости и др.;
  3. тип и характер армирования несущей плиты пола и грунта;
  4. механические свойства и показатели химической стойкости упрочняющего покрытия.

К технологическим факторам относятся:

  • фактически достигнутая степень уплотнения грунта;
  • технологические возможности применяемого оборудования;
  • фактические показатели, определяющие механические свойства применяемого бетона;
  • наличие входного и операционного контроля качества применяемых материалов;
  • наличие системы контроля качества при выполнении работ.

К эксплуатационным факторам относятся:

  • факторы, определяющие фактическую величину действующих напряжений в плите пола и в основании: значения статических, динамических, температурных и других воздействий;
  • факторы, определяющие внешние воздействия на поверхностный слой покрытия: химические, ударные воздействия, а также показатели интенсивности движения транспортных средств;
  • допустимые и фактические значения показателей ровности поверхности пола.

К организационным факторам относятся квалификация, опыт и надежность организации, выполняющей работы, и ее взаимодействие со службами заказчика.

Дополнительно следует отметить, что в железобетонной плите пола могут наблюдаться явления различного характера, оказывающие непосредственное влияние на долговечность всей его конструкции.

Карбонизация. Основной материал конструкции высокопрочных полов – бетон. Превращение составных компонентов (заполнители, цемент, вода) в высокопрочный бетон происходит в результате химических реакций в течение первых дней после его укладки. Испытания, проведенные спустя четыре дня после укладки, показывают, что в общем объеме бетон уже затвердел и лишь незначительная часть его в дальнейшем участвует в реакциях, способствующих повышению прочности материала. Карбонизация не является дефектом бетона, так как он сам по себе не претерпевает никаких разрушений. Однако бетон теряет способность коррозионной защиты, и при наличии достаточного количества кислорода и воды, находящаяся в карбонизированном слое бетона сталь корродирует.

Некачественная установка арматуры. Продолжительность срока службы железобетонных полов в значительной мере зависит от мастерства арматурщиков: от правильного распределения стержней, соблюдения шага арматуры и толщины защитного слоя бетона. Иногда даже квалифицированные рабочие не представляют, что произойдет с бетоном через несколько лет, если не будут соблюдены минимально допустимые величины защитного слоя бетона. Однако дефекты бетонной плиты пола очень часто формируются уже на стадии проектирования.

Химические воздействия на бетон. К отрицательным качествам бетона относится подверженность его химическим разрушениям. Предрасположенным к образованию новых химических соединений, в первую очередь, является цемент, в то время как естественный камень значительно меньше расположен к этому. Цементный камень особенно чувствителен к кислотным воздействиям. Почти все составные части различных цементов являются щелочными, поэтому цементный камень не обладает сопротивляемостью против органических или неорганических кислот.

Газы намного легче проникают в бетон, чем жидкости. Так как бетон обладает пористой структурой, то при заполнении пор водой, особенно на внешней поверхности, агрессивные вещества, проникшие вместе с воздухом внутрь бетона, растворяются в поровых водах. Если это происходит в течение многих лет, то концентрации агрессивных веществ, опасных для бетона, могут достичь высоких значений, что может привести к его разрушению.

Растворяющее воздействие. Так как цементный камень является щелочным материалом, то на него может воздействовать любая кислота, и в случае достаточного ее количества и концентрации он может быть разрушен. В результате растворения цементного камня взаимосвязь между заполнителем и вяжущим значительно снижается и при постоянном воздействии кислот полностью разрушается.

Расширяющие воздействия происходят тогда, когда агрессивные вещества, реагируя с цементным камнем (гораздо реже с заполнителями), образуют новые продукты, объем которых значительно больше первоначального. В результате увеличения объема образовавшегося продукта происходит разрыв внутренней структуры бетона. Если расширяющиеся вещества проникают внутрь бетона (трещины), или содержатся в нем (щёлочно поглощающие заполнители), то действие расширения в большинстве случаев оказывает более сильное разрушающее воздействие, нежели растворяющие процессы.

Коррозия стали. При изготовлении бетона в результате растворения содержащихся в цементе известковых частиц образуется щелочной раствор со щелочным показателем рН более 12. В процессе твердения бетона не происходит никаких особых изменений, так как содержащаяся в порах цементного камня вода имеет высокий показатель рН. При таком показателе рН на наружной поверхности арматурной стали образуется слой из окиси трехвалентного железа, который защищает наружную поверхность стали от коррозии. Коррозионная защита сохраняется до тех пор, пока щелочной показатель рН окружающего сталь бетона не снизится ниже 8,3; например, в результате карбонизации (преобразование гидроокиси кальция плюс углекислого газа воздуха в карбонат кальция). При достаточной толщине слоя бетонного покрытия этого не происходит. Если возможно проникание хлоридов до поверхности стали, они разрушают пасивированный слой и действуют непо средственно на сталь. Если процесс протекает на узкоограниченных местах, то это может привести к язвенной (точечной) коррозии.

Температура. Температурные деформации не вызывают начальных напряжений в железобетоне, так как коэффициент линейного расширения бетона и арматуры практически одинаков. Зато большое значение имеет деформация бетона полов от усадки, особенно в соединении с температурными влияниями.

Капиллярная усадка. Трещины, образующиеся в первые часы в молодом бетоне, могут привести к капиллярной усадке. С поверхности свежего бетона испаряется влага, интенсивность испарения зависит от влажности воздуха, температуры и движения окружающего воздуха. В результате парообразной влагоотдачи содержание влаги в слоях пола, близких к поверхности, уменьшается. Происходящее по поперечному сечению бетона уменьшение влажности вызывает капиллярные передвижения влаги изнутри к верхней поверхности свежего бетона. Это ведет к растягивающим напряжениям и развитию трещин. Потеря влаги приводит к усадкам и образованию трещин, проходящих через арматурную сталь.

Химическая усадка. Это уменьшение объема цементного камня в результате большей плотности химически связанной воды по отношению к воде затворения. При этом ранее заполненные водой поры опустошаются, вследствие чего образуется вакуум. Химическая усадка определяется через водоцементное отношение. При водоцементном отношении со значением больше 0,5 доля усадки мала, так как значение водоцементного отношения при полной гидратации составляет 0,42. Кроме того, на долговечность конструкций высокопрочных полов влияют землетрясения, попадание на поверхность масел различного происхождения, огонь, различные трещины. Образования трещин в железобетонной плите пола невозможно избежать, при этом их классификация выглядит следующим образом:

  • трещины, обусловленные начальными напряжениями, возникающие в бетонных конструкциях высокопрочных полов в течение первых дней твердения бетона;
  • усадочные трещины, обусловленные высыханием бетона;
  • усадочные трещины, обусловленные сокращением объема;
  • трещины, обусловленные неравномерным охлаждением бетона;
  • трещины, появившиеся в результате температурных расширений;
  • трещины, обусловленные факторами перегрузки;
  • трещины в результате неравномерного оседания грунтового основания пола.

Ударные воздействия и воздействия от движения транспортных средств являются наиболее распространенными механическими воздействиями на полы производственных, складских зданий. Эти воздействия могут иметь место, как в комплексе, так и раздельно. Ударные воздействия по своему характеру относятся к категории случайных, непреднамеренных явлений. Однако, несмотря на случайный характер, удары весьма распространены. Случайность данного явления чрезвычайно затрудняет классификацию ударов, как воздействий, да и причины ударов многообразны: падение предметов, опускание грузов на пол с эффектом удара, скатывания круглых предметов с одной плоскости на другую и пр.

Как показывает статистика эксплуатация полов, наличие в покрытии пола выбоин создает неудобства в производственном процессе (затрудняется движение транспортных средств и очистка пола от загрязнений), формирует нежелательные застои агрессивных жидкостей, однако практически не затрагивает целостности конструкции пола, т. е. в определенной мере, его несущей способности. Отслоение покрытия от нижележащих слоев, а также сквозные трещины, обычно сопутствующие отслоению, являются наиболее существенными признаками разрушения пола, так как при этом нарушается его монолитность, становится невозможной совместная работа всех элементов пола по восприятию внешних нагрузок.

Отличные ремонтные средства для устранения выбоин выпускаются научно производственным предприятием Нике Рав. Например, эпоксидный ремонтный состав для выбоин Топ Пласт или шпаклевка для выбоин ННК-1025

Движение безрельсовых транспортных средств (электрокаров, автопогрузчиков, всевозможных ручных тележек и рикш и др.) оказывает сложное воздействие на пол и, прежде всего, на его покрытие. Наиболее характерным результатом такого воздействия является износ материала покрытия, определяемый как нежелательное, но неизбежное уменьшение толщины покрытия под влиянием механического воздействия. В той или иной степени, (в зависимости от свойств материалов) износу подвержены все покрытия полов независимо от их конструктивного решения. Повышению опасности отслоения и до некоторой степени увеличению износа способствуют удары колес при движении по различным неровностям на покрытии, например, по швам между плитами. Таким образом, главными параметрами, обеспечивающими долговечность и успешную эксплуатацию пола в условиях влияния движения транспортных средств, являются сопротивление износу и сохранение монолитности между всеми его элементами. ООО Нике Рав выпущена двухкомпонентная пропитка Топ Пласт для упрочнения бетонных полов, которая значительно упрочняет верхний слой бетона, защищает от жестких колес техники. Срок ее износа значительно дольше, чем обычный топпинговый бетон.

Действие агрессивных сред на полы представляет собой сложный физико-химический процесс. Попадая на пол, различные вещества воздействуют в первую очередь на верхний слой пола – покрытие. Поэтому в создании химически стойких полов первостепенную роль играет качество исходных материалов. Действие агрессивных сред на полы чрезвычайно разнообразно. По интенсивности и силе разрушения наиболее экстремальным являются кислоты и их растворы, а также кислые газы при высокой влажности в помещении. В высокопрочных бетонных полах придание непроницаемости покрытию сводится к уплотнению бетона. Для цементных составов методы уплотнения структуры сводятся главным образом к уменьшению водоцементного отношения или введению в бетонную смесь различных добавок. Наиболее перспективным направлением в вопросе повышения плотности материалов, в том числе бетонов и растворов, является использование поверхностно активных веществ (ПАВ).

Однако, наилучшим из всех средств для защиты бетона от химически активных веществ являются полимерные покрытия. В зависимости от характера химикатов, мы выпускаем адаптированные для ваших нужд покрытия. Одной из наиболее стойких к химическим воздействиям является композиция ННК-2107, ННК-1037, ННК-8001.

Воздействие деструкции. Данный вид эксплуатационного воздействия наиболее опасен для полимерных материалов, используемых в конструкциях высокопрочных полов. Основными видами деструкции полимерных материалов являются термоокислительная (при совместном действии тепла и кислорода воздуха), фотохимическая (при действии света) и гидролитическая (при действии воды и катализирующего воздействия кислот, щелочей и тепла).

Воздействие тепла. В результате тепловых воздействий полы в горячих цехах производственных зданий нагреваются лучистым (выделяемым во время разливки чугуна, стали, от раскаленных слитков металла и т. д.) или контактным (от лежащих на полу горячих заготовок, рулонов, раскаленных обрезков прокатываемых профилей и др.) теплом.

Контроль качества готовых бетонных полов является завершающим этапом во всей технологической цепочке их устройства. Ровность пола является одним из основных требований при его приемке. Для зданий складского назначения, в которых функционируют колесные погрузчики, должно уделяться особое внимание волнистости пола. Действующие в Украине нормы не учитывают данный показатель, хотя он имеет большое значение. Погрузчик с небольшим диаметром колес и с жесткими колесами, при больших скоростях движения создает на пол, имеющий волнистость, значительные динамические нагрузки, разрушающие его. Чем выше значение волнистости, тем больше динамические нагрузки и, соответственно, разрушения пола.

В США в прошлом столетии была разработана методика измерения и расчета ровности полов, где она оценивается двумя показателями:

  1. Floor Flatness (FF) – волнистость;
  2. Floor Levelness (FL) – горизонтальность.

Показатель волнистости пола FF вычисляется на основании обработки данных, полученных измерением отметок точек с шагом 0,3 м. Представляя профиль пола в виде волны, показатель FF отражает не только абсолютную величину перепада высот профиля пола, но и его частоту. Характеризуя волнистую поверхность пола, показатель FF дает различные значения характеристик ровности пола с одной или несколькими волнами такой же амплитуды.

Примечательно, что данные показатели замеряются в течение 24 часов после финишной затирки каждой захватки пола, с целью оперативного исправления дефектов при их обнаружении.

Показатель волнистости пола FF вычисляется на основании обработки измерений прибором (профилеографом). Представляя профиль пола в виде волны, показатель FF отражает не только абсолютную величину перепада высот профиля пола, но и его частоту. Показатель FF дает различные значения характеристик ровности пола с одной или несколькими волнами такой же амплитуды.

Рис. 3.1. Виды бетонного пола с указанием одинаковой амплитуды и разных значений показателя волнистости.

Для уменьшения вероятности повреждений пола необходимо увеличивать показатель волнистости, что достигается применением соответствующих технологических операций, использованием измерительных приборов с дальнейшей компьютерной обработкой данных с целью получения показателя волнистости на соответствие его указанным требованиям.

Анализ показал, что во многих случаях степень влияния факторов различного характера (конструктивных, технологических, организационных и эксплуатационных) по величине сопоставима. Все вышеперечисленные факторы можно отнести к определяющим, влияющим на долговечность конструкций высокопрочных бетонных полов. Информация об этих факторах должна обязательно учитываться при принятии проектных и производственных решений.

Русский