Гончаров Алексей Степанович. Обоснование и разработка технологии ремонта и гидроизоляции подземных сооружений, обеспечивающей их долговечность

Краткое описание

Гончаров Алексей Степанович. Обоснование и разработка технологии ремонта и гидроизоляции подземных сооружений, обеспечивающей их долговечность : Дис. ... канд. техн. наук : 05.15.04 Москва, 1999 138 с. РГБ ОД, 61:99-5/1814-6

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра "Строительство подземных сооружений и шахт"
ГОНЧАРОВ АЛЕКСЕЙ СТЕПАНОВИЧ
Обоснование и разработка
технологии ремонта и гидроизоляции
подземных сооружений,
обеспечивающей их долговечность
(Диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук)
Специальность 05.15.04.
"Строительство шахт и подземных сооружений"
МОСКВА
1999г. 
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНС¬ТРУКЦИЙ.
1.1 Общие сведения .9
1.2 Подготовка поверхности 10
1.3 Гидрофобизация 11
1.4 Лакокрасочные покрытия ..12
1.5 Хлоркаучуковые покрытия 15
1.6 Эпоксидные покрытия 16
1.7 Трещиностойкие покрытия 17
1.8 Рулонная оклеечная гидроизоляция .....18
1.9 Торкрет-бетон..... ...21
1.10 Нагнетание за обделку цемента....... .....22
1.12 Выводы, цель и задачи исследований 24
ГЛАВА 2. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ.
2.1 Стадии диагностики 27
2.2 Химический анализ бетона подземных сооружений и степени
агрессивности воды 29
2.3 Определение водопоглощения и влажности бетона 35
2.4 Особенности проведения комплексного неразрушающего контро¬
ля прочностных и структурных свойств железобетонных конструкций подземных сооружений ..38
2.5 Определение проницаемости бетона 50
2.6. Статистическая обработка результатов 57
2.7 Выводы .....59
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СОЗДАНИИ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖЕЛЕЗО¬
БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ.
3.1 Природа адгезионного взаимодействия бетона с гидроизоля¬ционным покрытием 62 
3.2 Характеристика энергетического состояния поверхности
минералов бетонных конструкций 66
3.3 Механизм электростатического взаимодействия поверхности
бетона с гидроизоляционным покрытием 70
3.4 Механизм каппилярного взаимодействия цементных частиц
гидроизоляционного покрытия с поверхностью бетона 75
3.5 Выводы .........79
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ, НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ РЕМОНТНЫХ И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕМОНТЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ.
4.1 Особенности адгезии и способы ее определения при ремонте и
защите бетона 80
4.2 Методика проведения испытаний .....82
4.3 Условия проведения испытаний .....83
4.4 Требования при проведении испытаний по определению адгезии......90
4.5 Выводы .....96
ГЛАВА 5. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ.
5.1 Классификация повреждений железобетонных конструкций .98
5.2 Технология ремонта железобетонных конструкций 101
5.3 Нанесение антикоррозионного покрытия на зачищенную арматуру... 105
5.4 Герметизация швов и трещин при наличии активных протечек воды. 106
5.5 Восстановление разрушенного бетона ремонтными составами .107
5.6 Выравнивание отремонтированной поверхности железобетонных
конструкций подземных сооружений 111
5.7 Технология нанесения гидроизоляционного защитного покрытия.... 113
5.8 Контроль качества выполнения ремонтных и гидроизоляционных
работ 122
5.9 Результаты внедрения и их технико-экономическая оценка 127
5.10 Выводы ..........129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .131
Литература .134
з
ВВЕДЕНИЕ
v Для нормальной жизнедеятельности городов необходима надежная эксплуатация
подземных сооружений различного назначения.
Сроки службы сооружений определяются проектом. По этому показателю все со-оружения можно разделить на две группы.
К первой относятся здания и сооружения, предназначенные для размещения и экс¬плуатации различного оборудования и других технических средств. Сроки их службы обу¬словливаются сроками рациональной службы или морального старения оборудования. Такие сооружения в условиях быстрого научно-технического прогресса подвергаются ре-конструкции после сравнительно небольших сроков службы, устанавливаемых го-сударственными нормативными документами: по СНиП они составляют от 25 до 75 лет.
В этой группе долговечными могут быть названы сооружения, выдерживающие эко¬номически обоснованные сроки службы при минимальных затратах на ремонты.
Вторую группу составляют бетонные и железобетонные сооружения, срок службы которых практически неограничен, например, берегоукрепительные и подземные соору¬жения. Сюда же могут быть отнесены и тоннельные сооружения. Независимо от вида и технических характеристик, эти сооружения должны служить сотни лет, как бы исправляя или дополняя природные условия.
. Естественно, требования к бетонным и железобетонным конструкциям и сооруже¬
ниям второй группы должны быть более «жесткими» с позиции их сопротивляемости внешним разрушающим воздействиям. Носителями этих разрушающих воздействий яв-ляются жидкости и газы, если они агрессивны по отношению к составляющим цементного камня. В наибольшей степени их агрессивность будет проявляться в тех бетонных и желе-зобетонных конструкциях и сооружениях, у которых большая проницаемость по отноше-нию к этим жидкостям и газам.
Анализ опыта эксплуатации подземных сооружений показывает, что железобетон-ные конструкции сооружений, подвергаясь в период эксплуатации физическому износу, перестают удовлетворять требованиям значительно раньше проектного нормативного срока. Сроки службы конструкций в нормативных документах остаются неопределенны-ми, а затраты на ремонт значительно превышают нормативы. Технология, время проведе¬ния и объемы ремонтных работ назначаются без учета текущего и будущего состояния конструкций.
По данным отечественного и зарубежного опыта, ущерб от коррозии бетона и желе-зобетона подземных сооружений очень велик и доходит до 40% общих инвестиций в строительство подобных объектов. Этот ущерб складывается из стоимости материалов, * расходуемых на ремонтно-восстановительные работы, стоимости выполнения ремонтных
работ, стоимости нарушения режима эксплуатации объекта в период ремонта в связи с остановкой производства.
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации железобетонных конструкций тон¬нелей показывает, что значительная экономия затрат на обеспечение поддержания их в эксплуатационном состоянии, может быть достигнута при определении состояния конст-рукций с помощью комплексной диагностики, позволяющей классифицировать степень по¬вреждения и предложить технологию проведения ремонтных работ, позволяющую обес-печить долговечную эксплуатацию подземных сооружений.
Совокупность выполнения комплекса мероприятий позволит добиться при своевре¬менном ремонте железобетонных конструкций расчетных параметров их эксплуатации в течение всего оставшегося срока службы сооружения.
Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что:
• несмотря на многочисленные исследования в области защиты железобетона в достаточной мере не уделено внимание научному обоснованию рекомендаций по ре-монту и защите конструкций подземных сооружений,
• не изучены в достаточной мере факторы, влияющие на адгезионную прочность ремонтных и гидроизоляционных материалов применительно к различным объектам, а также уделено недостаточное внимание контролю качества выполненных работ.
В связи с изложенным, разработка технологии ремонта и гидроизоляции конст-рукций подземных сооружений, обеспечивающая их долговечность, является актуаль¬ной научной задачей.
Цель работы обосновать и разработать технологию ремонта и гидроизоляции, позволяющую увеличить проектный срок службу подземных сооружений.
Идея работы состоит в подборе ремонтного и гидроизоляционного материалов, обладающих одинаковыми с бетоном физическими свойствами и высокой адгезией при различном состоянии его поверхности.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна.
1. Разработана классификация состояния железобетонных конструкций подзем¬ных сооружений в зависимости от степени их поврежденности (4 класса повреждений). Классификация выполнена на основании диагностических изысканий следующих параметров: влажность бетона, его водопоглощение, проницаемость, прочность, глубина нейтрализации, толщина защитного слоя, шаг армировки, диаметр арматуры и ее состояние, химический анализ подземных вод. Классификация предна- значена для научного обоснования параметров технологии ремонта и гидроизоляции железобетонных конструкций подземных сооружений.
2. Установлена аналитическая зависимость капиллярной составляющей адгезии ремонтного и гидроизоляционного материалов, при нанесении на бетонную поверх¬ность, от их дисперсности, консистенции и гидрофильности. Эта зависимость позволя¬ет определить максимальное значение капиллярной составляющей адгезии и на осно¬ве этого разработать рекомендации по допустимой одноразовой толщине нанесения ремонтных и гидроизоляционных материалов на поверхность железобетонных конст-рукций подземных сооружений.
3. Установлены экспериментальные закономерности изменения адгезии ремонт-ного и гидроизоляционного материалов к бетону конструкций подземных сооружений в зависимости от качества подготовки ремонтируемой поверхности, ее влажности, ори-ентации в пространстве, толщины ремонтного и гидроизоляционного покрытий. Полу-ченные закономерности позволяют научно обосновать тип ремонтных и гидроизоляци-онных материалов и условия их нанесения на ремонтируемую бетонную поверхность.
4. Обоснованы рациональные параметры технологии ремонта и гидроизоляции подземных сооружений в зависимости от класса поврежденности их железобетонных конструкций, позволяющие увеличить проектный срок службы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекоменда-ций подтверждаются:
• применением методов теории адгезии, прочности строительных железобетон¬ных конструкций, статистических методов расчета и максимальным учетом специфики эксплуатации различных подземных сооружений;
• сходимостью теоретических результатов расчета капиллярной и электростати-ческой составляющей адгезии ремонтных и гидроизоляционных материалов с резуль-татами лабораторных испытаний, а также результатами внедрения технологии ремон¬та и гидроизоляции железобетонных конструкций подземных сооружений.
Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения адгезии ремонтных и гидроизоляционных материалов к железобетонным конструкциям подземных сооружений, позволяющих обосновать параметры технологии ремонта и гидроизоляции.
Практическое значение работы состоит в разработке методики диагностики, технологии ремонта и гидроизоляции железобетонных конструкций подземных соору-жений, применение которых позволяет обеспечить увеличение их проектного срока службы.
Необходимая стойкость бетонных и железобетонных конструкций может быть дос-тигнута только в том случае, если будет осуществлен комплекс мероприятий, предусмат-ривающих придание ее материалу и самой конструкции свойств, определяющих сохране¬ние расчетных параметров (прочности, водонепроницаемости и др.) в течение всего срока службы сооружения.
Несмотря на обширные исследования, в настоящее время не решен вопрос как в теоретическом, так и в практическом плане о надежной защите бетонных и железобетон¬ных конструкций (особенно длительного срока службы) от разрушающего воздействия аг¬рессивных сред.
Вопросам технологии ремонта и защиты железобетонных конструкций посвящен целый ряд публикаций. К ним относятся работы Г.В. Борисова, А.М. Кириленко, Ю.Г. Ме- щерекова, В.Е. Меркина, О.Н. Павлова, С.Н. Попченко, Ю.Б. Пильча, В.Н. Пуголовкина, И.А. Рыбьева, Б.З, Чистякова, А.А. Шилина, В.Н. Яковлева.
Вопросы выбора материалов для защиты железобетонных конструкций подземных сооружений рассматривались в работах В.В. Бойко, А.И. Кисиной, Ю.Н. Куликова, Е.Ю. Ку-ликовой, Г.А. Нечаева, А.Г. Титова, А.А. Шилина, В.В. Шнейдеровой.
Изучению природы адгезии посвящены работы Б.В. Дерягина, А.В. Дугарцыренова, Н.А. Кротовой, А.Д. Зимона.
Исследованию коррозионных процессов в бетоне и арматуре, играющих большую роль в выборе материала и способа ремонта железобетонных конструкций, посвящены работы С.Н. Алексеева, Г.П. Вербецкого, Е.А. Гузеева, Ф.М. Иванова, В.М. Москвина, Н.К. Розенталя, Н.В. Савицкого, Т.В. Рубецкой, С.В. Шестоперова.
На сегодняшний день несмотря на многочисленные исследования в данном на-правлении в достаточной мере не уделено внимание вопросам научного обоснования выбора материалов, адаптированных к состоянию ремонтируемой поверхности бетона, рекомендаций по ремонту и защите конструкций подземных сооружений.
При выборе технологии ремонта зачастую не проводится обследование бетона сооружения и не учитывается состояние конструкции в целом, а также факторы, влияющие на адгезионные характеристики ремонтных и гидроизоляционных материа¬лов применительно к специфике различных объектов подземного строительства.
Анализ имеющихся результатов обследования состояния конструкций сооруже¬ний позволил установить, что наибольшим повреждениям подвергаются места сопря¬жения конструкций, холодные швы между заходками бетонирования и бетонные части конструкций, подвергающиеся попеременному смачиванию - высушиванию.
Анализ существующих исследований в области ремонта конструкций подземных сооружений позволил сделать следующие выводы:
• основными причинами фильтрации воды через железобетонные конструкции являются трещины, образующиеся из-за температурных напряжений, и раскрытие строительных швов по этой причине, дефекты, образовавшиеся при устройстве тем-пературных швов во время бетонирования;
• отсутствуют научно обоснованные нормы и сроки проведения ремонтных ра¬бот, устанавливаемые государственными нормативными документами;
• существующие рекомендации по ремонту и защите железобетонных конструк-ций не позволяют обеспечить их долговечную эксплуатацию;
• отсутствуют научные обоснования по применению ремонтных и защитных ма-териалов в зависимости от их адгезионных характеристик и состояния ремонтируемых железобетонных конструкций;
• не производится контроль качества выполненных работ и не прогнозируется долговечность ремонтных работ.
В связи с вышеизложенным, необходимо проведение дальнейших исследова¬ний, направленных на разработку комплекса мероприятий, позволяющих обосновать технологию выполнения ремонтных и гидроизоляционных работ, обеспечивающую долговечную эксплуатацию сооружений.
Исходя из состояния и изученности вопроса, для достижения поставленной цели необходимо:
• разработать комплекс диагностических мероприятий по оценке состояния железобетонных конструкций и степени агрессивности сред. Это обеспечит последую¬щий выбор материалов и технологии производства ремонтных и гидроизоляционных работ;
• оценить долговечность бетона подземных сооружений в зависимости от его водонепроницаемости на основе существующих методик;
• установить зависимость влияния свойств материала гидроизоля-ционного по-крытия и ремонтного состава на адгезионную прочность к бетону;
• определить факторы, влияющие на адгезионную прочность гидроизоляционно¬го и ремонтного материалов;
• разработать технологию ремонтных и гидроизоляционных работ, обеспечи-вающую увеличение проектного срока эксплуатации подземных сооружений;
• создать комплекс мероприятий для оценки качества выполненных работ.
Для решения поставленных задач, использовалась комплексная методика исследова¬ний, включающая в себя: изучение механизма адгезии, натурные измерения, лабораторные испытания, вероятностные и статистические методы анализа результатов.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи по диагностике состояния железобетонных конструкций, обоснованию выбора материа¬лов, технологии ремонта и гидроизоляции подземных сооружений, обеспечивающих долговечность их эксплуатации.
Проведенные в работе исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Анализ существующих способов и средств ремонта и гидроизоляции железо-бетонных конструкций подземных сооружений показывает, что они не обеспечивают долговечность их эксплуатации. Максимальный срок нормальной эксплуатации соору-жения после проведенного ремонта традиционными способами составляет 3-4 года. Это объясняется низкой начальной адгезией ремонтных и гидроизоляционных мате¬риалов к поверхности железобетонных конструкций, которая со временем уменьшает¬ся.
2. Для выбора типа ремонтных и гидроизоляционных материалов и обоснования параметров технологии ремонта подземных железобетонных сооружений необходимо выполнить комплекс диагностических мероприятий, включающий определение шага армировки и диаметра арматуры, толщины защитного слоя бетона, его влажности, во-допоглощения, проницаемости, прочностных свойств, агрессивности подземных вод, учитывающий проектные сроки службы и режим эксплуатации сооружения. Результаты диагностических исследований позволяют оценить состояние сооружения в целом и определить класс поврежденности для различных железобетонных конструкций, на ос-новании чего произвести выбор ремонтного и гидроизоляционного материалов и раз-работать параметры технологии ремонта, учитывающей различные эксплуатационные режимы подземных сооружений.
3. Величина адгезии ремонтных и гидроизоляционных материалов к бетонной поверхности складывается из двух составляющих: капиллярной и электростатической; капиллярная составляющая адгезии (Ак) имеет максимальное значение (Ак«0,116-105 Па) в момент нанесения материала на бетонную поверхность и по мере его затверде¬вания уменьшается до нуля; электростатическая составляющая адгезии (Аэ) в момент нанесения материала минимальна, а по мере затвердевания - стремится к максимуму (Аэ«4,26-105 Па). Для определения максимальной капиллярной составляющей адгезии Ак, нами получено выражение
где г - радиус цементных частиц ремонтного и гидроизоляционного материалов, г«2,5-Ю'6 м; (7 - поверхностное натяжение воды, а =72,5-10'3 Н/м.
Максимальное значение электростатической составляющей адгезии (Аэ) рассчи¬тывается по формуле
А
3 3г/г3 '
где В - константа, 6=10‘28 Н м2; h - величина сухого зазора между цементной час¬тицей и поверхностью бетона, Л» 1,3-10' м.
4. Максимальные значения адгезии ремонтного и гидроизоляционного материа¬лов имеют место при поверхностной влажности бетона «4-5 % для всех испытанных материалов кроме эпоксидного полимерраствора и толщине ремонтного слоя «20-30 мм, а для гидроизоляционного слоя при толщине 2-3 мм. При выполнении ремонтных и гидроизоляционных работ необходимо предварительно наносить связующий слой. Наибольшая величина адгезии достигается при нанесении ремонтного и гидроизоля¬ционного покрытий на горизонтальную поверхность; при нанесении их на потолочную поверхность величина адгезии на 0,75 МПа меньше, а при нанесении на вертикальную поверхность ее значение принимает промежуточное значение.
5. Определены рациональные материалы и параметры технологии ремонта и гидроизоляции железобетонных конструкций подземных сооружений, в зависимости от класса их поврежденности.
5.1. Для восстановления разрушенного слоя бетона и чеканки швов необходимо применять ремонтные материалы на цементной основе с полимерными добавками. При выполнении работ требуется использовать связующий слой. В качестве связующе¬го слоя необходимо использовать жидкий раствор ремонтного материала с полимер¬ными добавками.
5.2. Для ликвидации активных протечек следует использовать быстросхваты-вающиеся составы на основе гидравлических цементов с добавками, ускоряющими твердение материала.
5.3. Стабилизацию и герметизацию трещин и холодных швов следует осуществ-лять с помощью инъекций пенополиуретановых составов, представляющих собой жид-кие растворы на полиуретановой основе, которые при реакции увеличиваются в объе¬ме и образуют твердый или эластичный материал с закрытыми порами.
5.4. Для предотвращения коррозии арматурные стержни, подверженные корро¬зионным процессам, следует зачистить и покрыть антикоррозионным материалом, co¬стоящим из смеси портландцементов, оксида цинка и порошкообразного полимера.
5.5. Защиту бетонных поверхностей подземных сооружений следует выполнять гидроизоляционными материалами на основе смеси портландцементов, различных химических и акриловых добавок.
Рекомендации по результатам научных исследований внедрены на объектах МГП "Мосводоканал" и ГСП "Москоллектор": Истринском и Можайском гидроузлах, во-допроводных и насосных станциях г. Москвы. Затраты на ремонт и гидроизоляцию, на¬пример, гидротехнического тоннеля ГЭС №34 Можайского гидроузла по разработанной нами технологии снизились на 8,62% (с 204617 до 186972 руб.) по сравнению с техно¬логией гидроизоляции методом торкретирования.