Современные материалы и нанотехнологии восстановления, усиления, защиты зданий и сооружений

В настоящее время огромное количество бетонных и железобетонных конструкций и сооружений имеют критические дефекты, находятся в разрушающемся состоянии и требуют срочного выполнения аварийно-восстановительных работ.

При этом, надо признать, что вопросы безопасности у собственников сооружений стоят далеко не на первом месте. По данным российских ученых, 2005, 2006 и последующие годы будут ознаменованы большим количеством техногенных и экологических катастроф. Основным фактором, позволяющим делать подобный прогноз, является то, что большинство объектов промышленности, транспортного комплекса, коммунального хозяйства, имеют срок эксплуатации от 20 до 50 лет, а некоторые – более ста лет. Многие из них (в основном, транспортные) даже не имеют обслуживающего персонала.

В настоящее время огромное количество бетонных и железобетонных конструкций и сооружений имеют критические дефекты, находятся в разрушающемся состоянии и требуют срочного выполнения аварийно-восстановительных работ.

При этом, надо признать, что вопросы безопасности у собственников сооружений стоят далеко не на первом месте. По данным российских ученых, 2005, 2006 и последующие годы будут ознаменованы большим количеством техногенных и экологических катастроф. Основным фактором, позволяющим делать подобный прогноз, является то, что большинство объектов промышленности, транспортного комплекса, коммунального хозяйства, имеют срок эксплуатации от 20 до 50 лет, а некоторые – более ста лет. Многие из них (в основном, транспортные) даже не имеют обслуживающего персонала.

Поэтому процесс появления и развития разрушений практически не контролируется, а вопрос о необходимости ремонта ставится тогда, когда объект находится уже в аварийном состоянии.

Причины разрушения бетона и железобетона могут быть различными: воздействие окружающей среды, последствия эксплуатационных нагрузок на сооружения, низкое качество используемых бетонов, дефекты, возникающие из-за отсутствия проектных разработок по повышению срока службы или из-за небрежности, допущенной при строительстве.

Отрасль, занимающаяся ремонтом бетона и железобетона, стоит перед большой проблемой: как ремонтировать, восстанавливать, защищать и продлевать срок службы существующего фонда бетонных и железобетонных конструкций. Часто лица, занимающиеся ремонтом (собственники, проектировщики, подрядчики), проявляют излишнюю самоуверенность, представляя себе ремонт бетона до банальности простым делом: в 99% случаев они ошибаются, и не случайно современные европейские стандарты придают большое значение подчинению ремонтного процесса инжиниринговым требованиям, подчеркивая его практическую сложность.

Оценка результатов ремонта, произведенная через короткое время или, что еще хуже, сразу после выполнения работ, обычно иллюзорна. Лишь по прошествии большого срока (10 и более лет) могут проявиться недостатки материала и низкое качество ремонта: разрушение и отслоение бетона, шелушение и разрушение защитного слоя, трещинообразование, образование капиллярной пористости вследствие коррозии и выщелачивания. Невозможно добиться удовлетворительных результатов, если подходить к вопросам ремонта некритично, с позиций самодостаточности, упрощенно: в этом случае все сводится к удалению отставшего, разрушенного материала и его замене имеющимся на рынке материалом, который не обладает требуемыми специфическими характеристиками. Для подобного подхода типичны:

За последние годы ситуация в какой-то мере изменилась: инженеры-строители и технологи по бетону и ремонту осознали тот факт, что:

свою очередь, для выбора материалов по свойствам следует определить характеристики и методы испытаний, а также классифицировать различные материалы и получить описание их технических характеристик.

С учетом всего изложенного, Вашему вниманию предлагаются алгоритмы, технологии и материалы системы EMACO / ЭМАКО и MASTERSEAL / МАСТЕРСИЛ для ремонта, восстановления и защиты бетона и железобетона на различных стадиях разрушения.

При осуществлении проекта, перед началом ремонтных работ целесообразно осуществить следующие мероприятия:

Целью предварительного обследования является определение необходимости срочного ремонта для восстановления надежности сооружения, а также назначение серии испытаний для установления причин и величины дефектов в конструкции.

Основные исследования проводятся для определения причин разрушений, установления их площади и глубины, прогнозирования их распространения на ненарушенные части конструкции, оценки прочности бетона в сооружении, выявление влияния дефектов на надежность конструкции, а также для определения расположения всех участков, требующих ремонта или защиты. Наиболее часто исследования проводятся для определения возможных разрушений от химического воздействия (явления коррозии, воздействия сульфатов, агрессивных вод), от физического воздействия (циклы замораживания/оттаивания, огонь), от механического воздействия (толчки при землетрясении, удары, эрозия, истирание).

По данным проведенных исследований определяется состояние сооружения, причем разрушения обычно бывают различного характера, и поэтому для всех элементов конструкции требуются, в принципе, разные методы ремонта в зависимости от типа разрушений, глубины и площади пораженных участков.

Исходя из глубины повреждения, назначается технология работ по подготовке основы (старого бетона): водоструйная очистка под повышенным давлением (до 2000 атм.), очистка с помощью пневмодолота, промывка струей воды низкого давления (200-300 атм.) с созданием неровности поверхности 5 мм.

Основным условием успешного ремонта должна быть совместимость укладываемого материала с материалом основы. Использование материалов на полимерной основе должно обязательно ограничиваться работами по устройству защитных покрытий и специальными мероприятиями (такими как, например, омоноличивание стыков, замазка, ускоренный ремонт). В большинстве же случаев преимущество отдается цементным материалам, поскольку они обладают теми характеристиками, которые делают их похожими на бетон основы и совместимыми с ним. Обычные материалы на цементной основе применяться не могут: проблема состоит в усадке, вызывающей трещинообразование, напряжение в зоне контакта со старым бетоном и отслоение, что сводит на нет результаты ремонтных работ. Помимо монолитности и совместимости с основой необходимо обеспечить стойкость к агрессивному воздействию среды, т.е. требования к ремонтному цементному материалу должны быть:

Расширение, в том числе без влажностного ухода. Предлагаемые материалы – предварительно смешанные, готовые к использованию смеси, содержащие расширяющие добавки. Это обусловлено типичным поведением материалов, заключающемся в их объемном расширении в первые 24 часа, величина которого позволяет компенсировать последующую усадку продукта на цементной основе (компенсированная усадка) или получить чистую конечную усадку. Столь короткая продолжительность усадки является значительным преимуществом по сравнению с имеющимися на рынке традиционными материалами, поскольку позволяет свести к минимуму необходимую работу по правильному влажностному уходу. В бетонах EMACO / ЭМАКО раннее расширение происходит как на воздухе, так и в воде.

Стойкость к агрессивному воздействию среды. Материалы EMACO / ЭМАКО стойки к карбонизации, обладают высокой водонепроницаемостью и стойки к проникновению и воздействию хлоридов.

Удобоукладываемость: реопластичность и тиксотропия. Материалы EMACO / ЭМАКО, наносимые способом заливки, обладают ярко выраженной текучестью и самоуплотнением без виброинструмента, в том числе при бетонировании густоармированных элементов и конструкций со сложной конфигурацией. При нанесении распылителем или кельмой важно, чтобы было сцепление бетона как с вертикальными, так и с потолочными поверхностями, без оплывания бетона. Указанное свойство называется «тиксотропией».

Ударопрочность. Высокая ударопрочность обеспечивается хорошей вязкостью. EMACO SFR / ЭМАКО SFR имеет показатель вязкости более 25, т.е. этот бетон в 25 раз более вязкий чем соответствующая смесь Эмако без фиброусиления. Такое свойство достигается благодаря добавлению в бетон специальной высокоуглеродистой стальной жесткой фибры в весовой пропорции 7,5% к весу сухой смеси (фибра проклеена водорастворимым составом).

Таблица 1. Физико-механические характеристики наиболееупотребляемых бетонов EMACO / ЭМАКО 66, EMACO 88 / ЭМАКО 88, EMACO 88C / ЭМАКО 88С, EMACO SFR/ ЭМАКО SFR

* Примечание: в скобках указаны значения для фибробетона EMACO SFR / ЭМАКО SFR

Нанотехнологии для быстрого и долговечного ремонта бетона

До настоящего времени не было общего Европейского Стандарта в области конструкционного ремонта бетона. Простой способ «намазать и покрасить» применяется для косметического ремонта, но совершенно не решает задач стоящих при конструкционном ремонте бетонных и железобетонных зданий и сооружений. В большинстве случаев такой способ приводит к катастрофам и низкой долговечности ремонтных мероприятий.

Новая Европейская норма EN 1504 стандартизирует деятельность в сфере ремонта и устанавливает параметры для достижения удачного, надежного ремонта и удовлетворения потребности Заказчика. Важно отметить, что этот стандарт будет рассматривать ВСЕ аспекты, которые включает в себя процесс ремонта бетона:

Одним из самых важных принципов в Части 9 стандарта EN 1504 является Принцип № 3: восстановление поврежденного бетона с помощью сухих строительных смесей.

Всем требованиям EN1504 соответствуют сухие строительные смеси Emaco® (ЭМАКО) и стоят на первом месте в обеспечении эффективных и долговременных решений задач ремонта бетона.

Новый ассортимент продукции ЭМАКО Нанокрит / Emaco® Nanocrete представляет новое поколение сухих строительных смесей на основе нанотехнологий с исключительными свойствами:

На базе песка и цемента, особых неорганических добавок и разных связующих специалисты концерна BASF разработали оптимизированные структуры во всех видах ЭМАКО Нанокрит / Emaco® Nanocrete.

Это улучшает технические показатели, например плотность, прочность на сжатие и морозостойкость. При практическом применении значительно улучшены свойства тиксотропности, удобоукладываемости и однородности раствора.

Нанотехнология в материалах ЭМАКО Нанокрит / Emaco® Nanocrete – это не наночастицы сухой смеси. Наше понимание и глубокий анализ гидратации цемента позволили усовершенствовать качество и плотность наноструктур в цементном растворе, что очень значительно уменьшило возникновение микродефектов и позволяет устанавливать взаимосвязь между цементной матрицей и наполнителем, а также между ремонтным раствором и ремонтируемым основанием.

Взаимосвязь ремонтного раствора ЭМАКО Нанокрит / Emaco® Nanocrete с субстратом основания образуется не только за счет механического сцепления с шероховатостью на поверхности, невидимой человеческому глазу, а также за счет электростатического притяжения наноструктур!!!

Это основа применения нанотехнологии.

Защитные покрытия.

«Здоровый» внешний вид сооружения может иногда ввести в заблуждение. Явления коррозии арматуры характеризуются длительным скрытым периодом, и когда повреждение проступает наружу (в виде трещин, отслоения, сколов кромок), время уже упущено, и конструкция требует обширного трудоемкого ремонта. При своевременном принятии мер процесс коррозии можно предотвратить путем создания экрана между структурным элементом и окружающей средой в виде защитной пленки, не допускающей воздействия на бетон агрессивных реагентов.

Нанесение защитного покрытия может понадобиться и после ремонта, в ходе которого не предусматривалось восстановление всей поверхности объекта. Это нужно для того, чтобы избежать ситуации, когда на частях арматуры в разнородной оболочке снова произойдет отслоение бетона и процесс коррозии возобновится.

В последние десятилетия предпочтение отдавалось укладке бетона без устройства покрытия для защиты от воздействия окружающей среды. Такая практика неоправданна ни с точки зрения природы этого материала (в силу пористости бетон сравним с природным камнем, подверженным разрушению; кроме того, металлическая арматура имеет свойство ржаветь), ни в силу результатов последних лет, когда наблюдается разрушение многочисленных сооружений, поскольку бетон в большинстве случаев защитными свойствами не обладает. Поэтому на этапе проектирования и в течение срока службы сооружения целесообразно предусмотреть использование соответствующих защитных пленочных обновляемых покрытий для продления эксплуатационного срока объекта, в т.ч. на неопределенно долгую перспективу.

Наиболее частой причиной разрушений является коррозия арматуры в железобетоне. Развитие этого процесса довольно типично: в течение ряда лет (скрытый период) сталь не претерпевает изменений (в условиях пассивации); затем начинаются электрохимические реакции, приводящие к коррозии, окислению и разбуханию стержней и сопровождаемые трещинообразованием, выщелачиванием бетона. Возникновение указанных реакций провоцируется в большинстве случаев следующими факторами:

Если не принять превентивных мер, то явление коррозии начинает проявляться уже через 2-3 года (иногда и через несколько десятилетий: срок зависит от разных факторов, среди которых концентрация СО2 в атмосфере, качество бетона, толщина защитного слоя). В обоих вышеописанных случаях, т.е. пока защитный слой бетона еще не подвергся карбонизации на всю толщину, а концентрация хлоридов в зоне арматуры не достигла достаточного для начала коррозии уровня, нанесение защитного слоя, стойкого к проникновению диоксида углерода и хлоридов (в зависимости от ситуации), может остановить дальнейшее «поражение» бетона и предотвратить коррозию.

Воздействие на влажный бетон повторяющихся циклов замораживания/оттаивания вызывает хорошо известный тип разрушения конгломерата, заключающийся в раннем исчезновении поверхностной пленки и цементного теста с поверхности бетона, а затем и разрушении последующих слоев материала. При использовании бетона с вовлеченным воздухом и с низким водоцементным отношением, материал хорошо выдерживает циклы замораживания/оттаивания. Как вариант, действие указанных циклов сводится на нет, если при помощи герметизирующей пленки создать барьер для намокания бетона.

Все защитные системы MASTERSEAL / МАСТЕРСИЛ отличаются повышенными герметизирующими свойствами, т.е. препятствуют проникновению воды в бетон и сводят к минимуму попеременное воздействие замораживания и оттаивания. Однако следует иметь в виду, что не все продукты предназначены для постоянного или длительного контакта с водой (т.е. не подходят для гидротехнических сооружений).

В различных промышленных средах бетон может вступать в разрушительную реакцию с агрессивными химическими веществами. Самое простое средство защиты от такого вредного воздействия - изоляция от агрессивной среды с помощью соответствующих поверхностных пленок. Поверхностные герметики целесообразно применять во всех случаях, когда:

Можно и необходимо остановить или отодвинуть развитие таких явлений при помощи нанесения на бетон пленки, способной создать барьер для воздействия внешней среды, который будет препятствовать проникновению, с одной стороны, агрессивных реагентов и, с другой стороны, воды и кислорода, являющихся ингибиторами реакции, приводящей к разрушению бетона.

Требования, предъявляемые к защитным покрытиям для бетона, можно разделить на следующие категории:

Наиболее трудновыполнимым является требование сохранения целостности герметика, когда трещины появляются уже после нанесения пленки на бетон (так называемое трещинозакупоривающее свойство). Для этих целей применяются эластомерные герметики.

Уход (кондиционирование) и защита в один прием. Для этих целей предлагается система МАСТЕРСИЛ ФОРМУЛА / MASTERSEAL FORMULA на основе полиуретановых и акриловых эластомеров в водной дисперсии, которая помимо трещинозакупоривающих свойств обладает повышенной способностью создания барьера.

Применение приведенных материалов позволяют снизить затраты по сравнению с традиционными методами в несколько раз и значительно продлить срок службы инженерных сооружений. Данные материалы и технологии широко используются в таких отраслях, как энергетика, транспорт, химическая промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство и др.

На настоящий момент материалами типа EMACO / ЭМАКО и MASTERSEAL / МАСТЕРСИЛ отремонтировано 70 промышленных дымовых труб, 12 градирен, более 50 автодорожных мостов и путепроводов, более 70 железнодорожных мостов и путепроводов системы ОАО «РЖД». Они применялись при монтаже технологического оборудования и ремонта несущих конструкций цехов на заводах «Северсталь», «Новолипецкий металлургический комбинат», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Челябинский металлургический комбинат», Комбинат «Магнезит» г.Сатка, ЗАО «Кыштымский медеэлектролитный завод», «Тулачермет», «Братский алюминиевый завод», ОАО «Белкалий», ОАО «Сильвинит&ra
и др.