Особенности подводного обследования транспортных сооружений
1. Повреждения подводной части транспортных сооружений
И. И. Овчинников, И. Г. Овчинников, А. А. Шеин, В. Г. Грацинский, К. М. Вдовин
Аннотация
Отмечается, что последнюю четверть прошлого и начало настоящего столетия произошло несколько крупных аварий мостов, гидротехнических и промышленно-гражданских сооружений. Это поставило перед инженерами проблему корректного анализа причин аварий сооружений и выявления неизвестных ранее закономерностей в работе сооружений.Особый интерес представляют случаи аварий и повреждений сооружений, имеющих и подводную и надводную части, к которым относятся транспортные (мосты) и гидротехнические сооружения. Сведения о состоянии надводной части транспортного сооружения обычно получают от эксплуатирующих организаций или от специальных организаций, проводящих обследование сооружений. Сведения о состоянии подводных частей сооружений обычно трудно получить и потому они нередко отсутствуют. В последнее время проблеме подводного обследования транспортных сооружений стало уделяться большое внимание.
Однако публикаций по этой проблеме недостаточно. В статье рассматриваются повреждения, обнаруживаемые при подводном обследовании и анализируются их причины. Повреждения транспортных сооружений могут быть общими и местными. Общие повреждения – это деформации сооружения на значительном его протяжении, ведущие к его полному выходу из строя. Местные повреждения носят локальный характер и не влекут за собой серьезных последствий.
Причинами повреждений могут быть нарушения правил производства работ, нарушения режима эксплуатации сооружений и ошибки проектирования. Повреждения вызываются: отклонением от заданных в проекте размеров, необоснованным упрощением конструкций, плохим качеством изготовления и монтажа элементов конструкций, изменением способа производства работ без учета действия природных условий. В статье приведены примеры таких повреждений и проведен анализ причин их появления.
Введение
За последнюю четверть прошлого и начало настоящего столетия произошло несколько крупных аварий мостов, гидротехнических и промышленно-гражданских сооружений [1-5]. Это приковало к себе внимание строителей всего мира и поставило перед ними новые проблемы, так как анализ причин аварий выявлял неизвестные ранее закономерности в работе сооружений.
Для изучения причин аварий необходимо было получить и проанализировать данные о состоянии сооружений во время строительства и в период эксплуатации [6].
Особый интерес представляют случаи аварий и повреждений сооружений, имеющих и подводную и надводную части, к которым относятся транспортные (мосты) и гидротехнические сооружения. Сведения о состоянии надводной части могли быть получены от эксплуатирующих организаций или от экспедиций, специально обследующих эти сооружения. И у большинства мостовых сооружений имеется достаточно подробная информация о появлении и развитии повреждений в надводной части.
О состоянии подводной части сооружений поступали лишь отдельные случайные сведения. Причем наибольшее их количество относилось к морским причальным сооружениям. Это объясняется тем, что в морских портовых акваториях причалы представляют собой большой комплекс разнообразных по конструкции сооружений, подводная часть которых, как правило, возводится с помощью водолазов. Содержание одной группы водолазных станций в порту экономически целесообразно. При строительстве же мостов водолазные станции после окончания подводных работ перебрасываются на новый объект и на эксплуатирующийся мост вызываются в исключительных случаях: при аварийном состоянии или после катастрофы.
В последнее время проблеме подводного обследования транспортных сооружений стало уделяться все большее внимание. Появились руководства по этой тематике [7, 8].
В последнее время сведений о дефектах сооружений стало появляться все больше и больше, так как и возраст некоторых сооружений уже исчисляется десятками лет, и эксплуатационники стали не только внимательно наблюдать за сооружениями, но и фиксировать время, место, характер образования и развития дефекта, чего раньше не делалось. Эти материалы в какой-то степени уже дают возможность анализировать причины появления дефектов и давать рекомендации по их устранению.
В результате изучения этих материалов выявлены основные причины, вызывающие повреждения и снижающие долговечность транспортных сооружений: недоброкачественное выполнение строительных работ, нарушение режима технической эксплуатации и ошибки, допущенные при проектировании.
Повреждения транспортных сооружений могут быть общими и местными. Общие повреждения – это деформации сооружения на значительном его протяжении, ведущие к его полному выходу из строя. Местные повреждения носят локальный характер и не влекут за собой серьезных последствий. Причинами повреждений могут быть нарушения правил производства работ, нарушения режима эксплуатации сооружений и ошибки проектирования [9-15].
Нарушение правил производства работ
Отклонение от заданных в проекте размеров, необоснованное упрощение конструкций, плохое качество изготовления и монтажа элементов конструкций, изменение способа производства работ без учета действия природных условий приводят к повреждениям сооружений, причем эти повреждения могут носить общий или местный характер.
Примером общей деформации может служить потеря общей устойчивости сооружения гравитационного типа на слабых грунтах при производстве работ форсированным методом или в результате работы дноуглубительных снарядов возле сооружения.
Местные повреждения появляются главным образом в результате работы дноуглубительных снарядов возле сооружения (рис. 1), а также применения методов производства работ или оборудования, не соответствующих конкретным условиям строительства. Например, выбор молота и метода забивки свай без учета их веса и грунтовых условий приводит к появлению трещин и быстрому разрушению свай.
Рис. 1. Разрушение фундамента мостовой опоры
Нарушения правил производства работ могут быть обнаружены при изучении построечной документации, особенно актов скрытых работ. К сожалению, состоянию подводной части в актах строительства не уделяется должного внимания, что затрудняет определение стадий развития дефектов в период эксплуатации.
Нарушение режима эксплуатации сооружений
Все более или менее значительные нарушения режима эксплуатации сооружения обычно фиксируют актами и заносят в книгу учета работ по текущему содержанию. Изучение этих документов, а также результатов очередных и внеочередных обследований позволяет вовремя принять меры по предотвращению серьезных деформаций сооружения, изменяя, если это необходимо, режим эксплуатации.
Из всех видов нарушений режима работы сооружения его перегрузка может привести к наиболее серьезным последствиям. Формы повреждений в этом случае зависят от конструкции и материала сооружения, характера и места приложения нагрузки. Сваи и отдельные опоры могут просесть, набережные стенки уклониться в сторону воды, больверки могут выпучиться, а их анкерные тяги разорваться, отдельные элементы конструкции могут оказаться сломанными или деформированными, и, наконец, все сооружение может потерять устойчивость и экономическая целесообразность его восстановления будет поставлена под сомнение.
Практика показывает, что сооружение очень редко сразу получает значительные повреждения от перегрузки, гораздо чаще небольшие деформации накапливаются постепенно в результате систематических перегрузок. При регулярных обследованиях сооружения эти деформации можно выявить и принять необходимые меры для их устранения, в противном случае дело может кончиться аварией.
Помимо эксплуатационных перегрузок причиной деформации портовых причальных сооружений может быть воздействие химически агрессивных грузов на материал причала или неправильное их хранение. Так, долгое хранение каких-либо грузов на деревянных причалах без проветривания ведет к интенсивному гниению древесины. Значительным деформациям от навала и удара судна подвержены узкие пирсы-эстакады и палы (рис. 2).
Рис. 2. Деформация металлической сваи пала вследствие навала судна
У причалов других типов от ударов возникают обычно местные повреждения, особенно опасные для тонкостенных железобетонных элементов, так как это грозит утечкой грунта засыпки через пробоину. В результате долгой работы судовых винтов может произойти подмыв основания у причала.
Самым распространенным способом экстренной защиты мостов от подмыва в паводок является каменная наброска. Для того чтобы получить максимальный эффект и уменьшить потери при сбрасывании дорогостоящего камня с барж, отсыпку стараются производить у самой стенки опоры. При сбрасывании, особенно в паводок, не всегда применяются направляющие лотки, и камень, подхваченный течением, с силой ударяется об опору, по– вреждая обрез фундамента, металлическую надкессонную обшивку и деревянную опалубку. На разрушенных обрезах фундамента остаются отдельные камни наброски (рис. 3).
Рис. 3. Повреждение металлической обшивки мостовой опоры каменной наброской
Значительные повреждения металлической надкессонной обшивке, или деревянной опалубке подводной части фундамента опор могут быть нанесены и при неудачном опускании подковообразных или объемлющих каменно-хворостяных тюфяков.
К наиболее серьезным повреждениям опор и ледорезов можно отнести повреждения, возникшие вследствие несоблюдения правил подготовки и пропуска льда: несвоевременной прорубки кольцевых майн, продольных и поперечных прорезей, навала больших ледяных полей и т. п.
Недоучет природных условий при проектировании
Несоответствие конструктивного решения, применяемых материалов, способа производства работ тем природным условиям, в которых работает сооружение, являются ошибками проектирования. Влияние природных условий на сооружение проявляется в ряде воздействий: геологических, гидрологических и метеорологических, гидробиологических.
Естественными важнейшими воздействиями, влияющими на работу транспортных сооружений, являются геологические, так как неправильный учет их приводит к наиболее серьезным разрушениям. Транспортные сооружения приходится возводить в различных геологических условиях, причем последние могут изменяться в процессе строительства (при забивке свай, обнажении нижних слоев грунта и т. д.).
Илы – наиболее слабое основание для транспортных сооружений, особенно гравитационного типа. Пески – основание довольно прочное, но и они нередко служат причиной значительных осадок сооружения. Осадки эти могут быть внезапными, причиной их возникновения является вибрация сооружения от действия волнения, при забивке свай в непосредственной близости или при взрывах, производимых даже на большом расстоянии от сооружения.
Весьма ненадежным легкоподвижным основанием являются мелкозернистые водонасыщенные пески (плывуны). Откос, образованный ими, может потерять устойчивость при дноуглублении, забивке свай, действии волнения и течения. Особенно опасно залегание такого грунта в основании гравитационных сооружений.
Глины в естественном залегании представляют собой довольно плотный грунт, но при контакте с водой (что, например, бывает при снятии верхних слоев грунта в период строительства сооружений) они меняют свою структуру, размокают и резко уменьшают способность выдерживать нагрузку. Значительной осадке и другим деформациям подвержены сооружения, возводимые на недоуплотненных глинах. В первую очередь это относится к свайным конструкциям, так как во время забивки свай происходит изменение структуры глинистого грунта: в зоне влияния свай он приходит в разжиженное состояние и впоследствии уплотняется. Засыпка пазух глиной при повышении уровня грунтовых вод и неудовлетворительном состоянии дренажных устройств тоже может привести к деформациям и опрокидыванию сооружения.
Особенно неблагоприятными основаниями для транспортных сооружений являются наклонно залегающие илистые и глинистые грунты. В этом случае наклонная поверхность илистого или смоченного глинистого грунта создает условия для сползания сооружения, зачастую вместе с залегающим непосредственно под ним более плотным грунтом. Нарушение равновесия грунтового массива может происходить и на оползневом косогоре обычно при повышении уровня грунтовых вод.
Сооружения, возведенные на скальных грунтах, естественно, не испытывают деформаций из-за осадки основания.
Наиболее часто встречающимся видом деформации причальных сооружений, зависящим от характера грунтов основания и условий их залегания, является наклон сооружения, вызываемый неравномерной осадкой основания. Следует иметь в виду, что наклон может предшествовать более серьезным разрушениям.
Нарушение общей устойчивости сооружения в результате сдвига прилегающего к нему массива грунта является одним из наиболее опасных видов разрушений. При этом обычно наблюдается просадка засыпки грунта за стенкой и сдвиг вперед с запрокидыванием назад самого сооружения. Дно перед стенкой вспучивается.
Деформации в этом случае измеряются метрами и носят катастрофический характер.
Весьма распространенным видом деформации основания является его неравномерная осадка, в результате которой образуются местные разрушения – трещины в отдельных элементах, отколы, отрыв надводного строения и т. п. Чувствительность к неравномерной осадке зависит от типа конструкции и метода строительства. Так, массивы-гиганты в силу своей большой жесткости очень чувствительны к неравномерной осадке, а ряжи благодаря гибкости венцов и податливости соединений переносят ее лучше. Величина допустимых деформаций зависит от назначения сооружения. Например, если даже незначительные смещения элементов причала могут привести к нарушению коммуникаций и путей, то для оградительных стенок горизонтальные и вертикальные смещения, измеряемые сантиметрами, не представляют опасности.
Деформации сооружений из наброски обычно ограничиваются небольшими осадками и искажением профиля.
Из группы гидрологических и метеорологических воздействий на транспортные сооружения наибольшее влияние оказывают: волнение, течение, колебание уровня воды, ледовый режим, колебание температуры, химическое действие воды на материал конструкций.
Волнение. Из всех типов транспортных сооружений волнению в наибольшей степени подвержены морские оградительные и берегоукрепительные сооружения. Повреждения оградительных гравитационных сооружений вертикального профиля, возникающие вследствие действия волн, носят следующий характер. Монолитные стенки сдвигаются по постели или вместе с ней. В сооружениях из правильной массивной кладки происходит сдвиг курсов массивов. Помимо сдвига, довольно часто происходят наклоны и осадки оградительного сооружения вследствие выпирания каменной отсыпки или нижележащего грунта под давлением более нагруженного при волнении тылового ребра стенки. Сооружение, получившее значительный наклон в сторону акватории, не может стабилизироваться в таком положении, и обречено на аварию, если своевременно не принять защитных мер. Наклон, осадка и перекос сооружения под действием волнения вызывают повреждения в виде поперечных трещин в массивах-гигантах, изломов массивов, отслоения и отколов надводного строения и т. п.
Опасным для сооружения с вертикальной стенкой является подмыв с внешней стороны (рис 4), причем иногда размыву подвергается не сама постель сооружения, а полоса грунта перед нею. Результатом такого размыва является наклон стенки к морю. Случаи размыва тыловой стороны наблюдаются значительно реже и в менее опасной форме.
Рис. 4. Подмыв стенки из массивов
К числу специфических повреждений сооружений из массивной кладки относится сбрасывание массивов из верхних курсов тыловой части конструкции. Это происходит в результате компрессионного действия воды и воздуха, сжатых в швах кладки давлением волн.
В молах и волноломах шпунтового типа характерным повреждением от действия волн является высасывание грунта, имеющее место в том случае, когда между шпунтами имеются зазоры. Это высасывание ведет к оседанию засыпки и разрушению верхнего строения.
Нарушение общей устойчивости откосного сооружения под действием волнения возможно лишь в сочетании с осадками и сдвигами, связанными с геологическими условиями. Наиболее же характерным разрушением является сбрасывание элементов к подножью и уполаживание откоса. Если поверхность откосного сооружения выложена бетонными плитами или массивами, то сначала под воздействием волн расстраивается покрытие в отдельных местах, которые впоследствии становятся очагами общей деформации откоса. Подмывы откосных сооружений наблюдаются сравнительно редко.
Конструктивные или образовавшиеся в результате деформации выступы и впадины на внешней грани сооружения усиливают действие волн в несколько раз. В этих местах чаще возникают аварийные повреждения. Значительным волновым воздействиям подвергаются головные и корневые части оградительных сооружений. Первые подвержены действию волн разных направлений, а корневые части расположены в зоне действия наиболее опасных разбитых волн. Кроме того, элементы корневых частей молов подвергаются истиранию галькой, перемещаемой волнением в прибрежной зоне.
В аналогичных, с точки зрения волнового воздействия, условиях находятся морские берегоукрепительные сооружения – буны и волноломы. Волновому воздействию подвержены также и причалы, расположенные на открытых рейдах (обычно пирсы-эстакады), и в меньшей степени причалы, находящиеся в огражденной портовой акватории, особенно расположенные поблизости от входа в порт.
Пирсы-эстакады на открытых рейдах возводятся, как правило, так, чтобы волна действовала на сооружение вдоль его оси и, таким образом, не причиняла больших разрушений подводной части эстакады. Если пирс выходит на значительную глубину и участок, на котором он расположен, имеет крутой подводный откос, волна при подходе может иметь косое направление и тогда боковые удары, получаемые сооружением, опасны для него.
Серьезные повреждения, особенно у свай и тонких оболочек, расположенных неподалеку от уреза воды, могут возникнуть вследствие действия перемещаемых волнами песчаных и гравелистых наносов.
Для причалов, находящихся на защищенной акватории, действие волн выражается обычно в незначительных размывах подпричальных откосов и высасывании грунта через зазоры между конструктивными элементами.
Волны значительных размеров характерны не только для открытых водоемов, где причиной их возникновения является ветер, но и для судоходных внутренних каналов. В каналах высота волны (а соответственно и высота вкатывания на откос) зависит в основном от скорости проходящих судов. Эти скорости достигают максимальных величин в транзитных каналах большой длины и значительно уменьшаются в подходных каналах к шлюзам. Характерным видом повреждений крепления откоса от действия волн является высасывание грунта из-под него и, как следствие этого, деформация всего откоса.
Течение как разрушающий фактор действует в основном на сооружения, расположенные на внутренних водных магистралях. Оно часто вызывает повреждения берегоукреплений и подмыв оснований сооружений. Подмыв особенно опасен для мостовых опор и гравитационных сооружений, так как в этом случае возможны их значительные наклоны и перекосы (рис. 5).
Рис. 5. Подмыв опор и разрушение моста в паводок
В зависимости от времени года, а также и по другим причинам скорость течения в реках и каналах меняется в довольно широких пределах. Течение может менять и свое направление. Эти изменения могут привести к изменению характера его действия на сооружение.
Помимо этого течением переносятся твердые частицы грунта, которые истирают элементы сооружений. Это особенно опасно для тонкостенных элементов, таких как железобетонные сваи и сваи-оболочки.
Колебание уровня воды в водоеме неблагоприятно влияет на состояние материала конструкций. Попеременное смачивание и высыхание поверхности сооружения ведет к развитию коррозийных процессов.
При подъеме уровня воды в водоеме она проникает через зазоры между элементами причальных и берегоукрепительных стенок и насыщает грунт засыпки, что увеличивает его распор и может привести к деформации сооружения. Повышение уровня воды за стенкой зависит от свойства грунта засыпки, водонепроницаемости самой стенки и интенсивности колебания уровня воды в водоеме.
Насыщение грунта засыпки возможно и при подъеме уровня грунтовых вод за сооружением, что бывает при плохо выполненном стоке поверхностных атмосферных вод, при неисправности дренажных устройств, водопровода или канализации. Помимо увеличения распора грунта за сооружением повышение уровня воды за ним ведет к вымыванию мелких фракций засыпки.
Ледовый режим. На транспортные сооружения лед может оказывать следующие воздействия:
давление ледяного поля при его подвижке;
удары плавающих льдин;
истирающее действие льдин;
статическое давление льда при его термическом расширении;
вертикальное усиление, передаваемое отдельным опорам, примерзшим к ним ледяным покровом при колебании уровня воды;
разрывающее действие при замерзании воды в порах бетонных элементов сооружений в зоне его водонасыщения и промерзания.
Подвижки ледяных полей особенно опасны для мостовых опор, оградительных и незащищенных причальных сооружений, а также для некоторых видов берегоукреплений. Они могут привести к серьезным деформациям сооружений и даже к полному их разрушению.
Удары льдин вызывают в основном местные разрушения в виде каверн в бетонных элементах, выбитых отдельных камней кладки и плит облицовки, повреждений верхних венцов ряжей, схваток и голов свай. Кроме того, плывущие льдины оставляют на поверхности элементов конструкций продольные борозды.
Основной причиной интенсивного разрушения бетона, железобетона и каменных материалов в зоне переменного горизонта и ледостава является физическое действие замерзающей в порах и пустотах воды, причем, чем ниже качество бетона и камня, тем интенсивнее разрушительный процесс.
При замерзании насыщенного водой бетона возникают растягивающие усилия в стенках пор и капилляров. Образующийся лед закупоривает все пути выхода из бетона. При медленном замерзании вода постепенно отжимается вглубь кладки, а при быстром – образование ледяных пробок способствует отрыву менее плотных наружных слоев кладки. Частая смена замораживания и оттаивания вызывает так называемое «шелушение» поверхности бетона.
Границы зоны ледостава не определяются только толщиной льда в реке, водохра– нилище или в акватории порта. Обычно толщина льда у сооружений значительно больше, чем в удалении от него.
Анализ результатов обследований мостов в зимнее время позволил сделать следующие выводы. Толщина льда у опор в начальный период ледостава, когда опора еще может отдавать аккумулированное в летний период тепло, зависит от скопления льда, шуги и даже направления течения. В зимний период опора охлаждается значительно ниже горизонта воды, что и вызывает образование льда на ее поверхности. Экспериментальные исследования и расчеты показали, что очертание кривой обмерзания льда близко к квадратной параболе.
Для расчета глубины обледенения опоры hобл можно пользоваться следующей зависимостью:
hобл = к⋅{[2,5/(1 + v2)]⋅[Σ(– t)0,5] + A/δ} см, (1)
где v – скорость течения в реке, м/сек; Σ(-t) – сумма отрицательных среднесуточных температур воздуха за расчетный период; A, к, δ – эмпирические величины, характеризующие глубину обледенения в зависимости от ширины опоры и метеорологической обстановки в районе рассматриваемого объекта.
Значения эмпирических величин берутся из графиков (рис. 6), которые позволяют определить обледенение отдельно стоящих опор шириной 3; 5,1; 6 м. Для промежуточных значений ширины опор коэффициенты округляются до ближней из указанных на графике величин. Время в сутках отсчитывается с момента наступления отрицательных среднесуточных температур воздуха.
Таким образом, расчет обледенения опор под водой позволяет правильно оценивать границы зоны действия льда.
Рис. 6. Графики для определения коэффициентов, характеризующих глубину обледенения: 1 – ширина опоры 3 м; 2 – ширина опоры 5,1 м; 3 – ширина опоры 6 м; 4 – опоры любой ширины
Однако высота пояса обмерзания еще не определяет зону ледостава. В результате колебания горизонта воды (ГВ) у опор образуются то выпуклости, то вогнутости льда, а в момент резкого подъема воды толщина льда у опоры может увеличиваться за счет наледей, образовавшихся при прорыве воды через трещины во льду.
При колебании ГВ усилия на кладку передаются через лед, смерзшийся с поверхностью опоры. Сила смерзания характеризуется величиной порядка 12 кг/см2.
Для отдельных свай, свайных кустов и других опор небольшого сечения вертикальное усилие, передаваемое примерзшим к ним льдом, при повышении уровня воды может оказаться разрушительным. Нередко такое усилие приводит к выдергиванию свай.
С северной стороны опоры смерзание льда сильнее, чем с южной, поэтому при колебании ГВ излом льда с северной стороны происходит на расстоянии 2-4 м от опоры, зато с южной стороны, особенно в весенний период, может произойти не излом, а отрыв льда от поверхности опоры.
Температурные расчеты подтвердили предположение о возможности образования внутри кладки ледяных линз, выкрашивающих бетон, бут и выжимающих из плоскости опоры камни облицовки и штучные камни обреза фундамента (рис. 7).
При анализе действия льда на сооружение следует учитывать и усилия, возникающие в результате температурных деформаций ледяного покрова. Так, например, при изменении тем– пературы на 20 °С напряжения на поверхности льда и сооружения достигают величины 30 кг/см2.
Рис. 7. Схема образования ледяной пробки в кладке опоры.
Кривые нулевой температуры в кладке: а – на 5 ноября; б – на 15 ноября; с – на 20 ноября с учетом декадных отклонений температур
Химическая агрессия воды. При анализе причин повреждения сооружений в переменном горизонте и под водой одинаково недопустимо как чрезмерное преувеличение, так и недоучет роли химической агрессии. Изучая повреждения и назначая мероприятия, повышающие долговечность сооружения, следует учитывать степень участия физической и химической агрессии в коррозийных процессах. Коррозией называют разрушение бетона в результате физических и химических воздействий. Иногда в число этих воздействий включают и биологические.
Обычно в бетоне физическая агрессия внешней среды действует настолько интенсивно, что характерные признаки химической агрессии не успевают оставить свой след на поверхности сооружений. Однако возможны случаи повреждения бетонной кладки сооружений исключительно в результате действия химической агрессии. Наблюдениями установлено, что в большинстве случаев химическая агрессия, как бы мало не было ее влияние, все же, нарушая структуру цементного камня, снижает его прочность, подготавливая условия для действия других разрушающих факторов.
Различают три основных вида коррозии:
коррозия I вида объединяет все процессы, которые возникают вследствие фильтрации воды сквозь бетон. Составные части цементного камня при этом растворяются и уносятся истекающей водой;
коррозия II вида объединяет все процессы, при которых содержащиеся в воде химические вещества вступают в реакцию с составными частями цементного камня. Образованные в результате этого легко растворимые продукты выносятся водой или выделяются в виде аморфной, не обладающей вяжущей способностью массы;
коррозия III вида объединяет все процессы, при которых в результате химических реакций между агрессивной средой и бетоном в порах и капиллярах происходит накопление малорастворимых солей. При кристаллизации солей увеличивается их объем, возникают значительные усилия, разрушающие структуру цемента бетона.
Признаки коррозии I вида можно часто наблюдать на поверхности бетона в зонах переменного горизонта и на участках высыхания вышедшей на поверхность профильтровавшейся через бетон воды. В этом случае растворенные в воде соли, в том числе гидрат окиси кальция и карбонат кальция, выпадая в осадок, образуют на поверхности белый налет. При действии углекислоты воздуха гидрат окиси кальция, превращаясь в карбонат, закрепляет налет и не дает ему раствориться при последующих увлажнениях поверхности. Белые пятна и натеки можно часто видеть на поверхности бетонных сооружений, на обли– цовке под швами, заполненными раствором. В местах длительной фильтрации воды натеки иногда достигают значительных и имеют вид сталактитов. Это явление свойственно напорным гидротехническим сооружениям.
Фильтрация воды имеет место не только при разности уровней воды по обе стороны сооружения, но и при скоплении влаги на горизонтальных площадках, при возведении сооружений на напорных водоносных слоях, а также при сильном или при косом течении у отдельно стоящих опор с плохообтекаемой формой фундамента. Кроме того, при резком понижении уровня в зарегулированных бассейнах можно наблюдать выход воды из пустот кладки опор выше горизонта воды (рис. 8).
Плотность цементного камня является одним из основных критериев коррозийной стойкости бетонных сооружений, и поэтому, если возникает подозрение на химическую агрессию, при обследовании сооружений рекомендуется брать пробы бетона из поверхностных слоев сооружений.
Образование растворимых солей или аморфной массы при коррозии II вида происходит в результате действия кислот и магнезиальных солей, из которых в природных водах наиболее встречается углекислота.
Рис. 8. Выход воды из пустот кладки мостовой опоры при резком понижении горизонта воды
Источником обогащения природных вод углекислотой являются в основном биохимические процессы, протекающие как в самой воде, так и в почвах, с которыми вода соприкасается. В торфяных водах в небольшом количестве встречаются сернистая и серная кислоты; в почвах – гумусовая кислота. В застойных участках морского побережья, где создаются условия для бактериальной жизни, возможно наличие в небольшом количестве органических и неорганических кислот. Соли магния часто присутствуют в грунтовых водах. Довольно большое количество таких солей содержится и в морской воде.
При контакте бетона с воздухом на его поверхности образуется защитная карбонизированная пленка, замедляющая процесс коррозии I вида. В надводной части бетонных сооружений толщина этой пленки составляет несколько миллиметров, а в подводной части измеряется долями миллиметра. Под действием природной углекислоты растворяется или разрыхляется карбонатная пленка, что приводит к возобновлению процессов коррозии 1-го вида. При этом происходит разложение силикатов и алюминатов цементного камня с образованием кальциевой соли, углекислоты и тех же продуктов, которые получаются при выщелачивании извести мягкими водами. Агрессивная углекислота в равной степени разрушает и карбонатные породы заполнителя бетона.
При действии растворенных в морской воде магнезиальных солей сначала на поверхности и в порах бетона образуется белый налет, а затем и скопление белого аморфного вещества. В пористом бетоне с большим относительным содержанием окиси кальция в цементе образующаяся белая аморфная масса значительно снижает его механическую прочность.
Коррозию III вида, к сожалению, трудно распознать по внешним признакам, так как все процессы кристаллизации происходят внутри цементного камня. На начальных стадиях этою процесса происходит уплотнение бетона за счет заполнения пор образующимися кристаллами. При этом прочность бетона увеличивается и превышает прочность бетона, не подвергающегося действию агрессивной среды. При дальнейшем росте кристаллов, в порах и капиллярах возникают растягивающие усилия, вследствие чего происходит разрушение структуры бетона и резкое падение прочности.
Это явление наблюдается при действии сульфатов, когда разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гипса и сульфо-алюмината кальция.
На первой стадии разрушения при действии коррозии III вида на поверхности цементного камня образуется пленка из кристаллов гипса. На следующей стадии разрушения в цементном камне образуются трещины, заполненные гипсом и сульфато-алюминатом кальция. Ориентировка трещин параллельно наружной поверхности объясняется условием укладки бетона. На последней стадии разрушения образуются трещины, ориентированные в основном нормально к наружной поверхности. Эта стадия ведет к полному разрушению цементного камня и бетона.
Разрушение бетона может происходить не только от действия сульфатов. При наличии испаряющей поверхности любая соль, растворенная в воде, при выкристаллизации из насыщенного раствора может вызвать растягивающие усилия в стенках пор у поверхности сооружения.
Разрушение бетона при переменном увлажнении и высыхании происходит в результате капиллярного подсоса, когда молекулы воды, перемещаясь к концевым участкам микрощелей, создают расклинивающие усилия, которые могут достигнуть большой величины.
Действие речной воды на бетон. Химический состав речной воды изменяется как по времени в течение года, так и по длине и даже ширине реки в зависимости от состава впадающих рек или от стока промышленных отходов. Иногда эта разница бывает настолько велика, что при анализе повреждений ее следует учитывать.
Наименьшая минерализация речных вод наблюдается в период дождей и паводков. При грунтовом питании рек минерализация может увеличиться, но в очень редких случаях превышает величину, установленную нормами по агрессивности. Наибольшие повреждения мостовым опорам, причалам, судоходным каналам приносит вода пониженной мягкости или повышенной кислотности. Действие таких вод вызывает в бетоне сооружений коррозию I и II видов.
Мягкость воды многих рек Сибири и Дальнего Востока ведет к значительному разрушению раствора швов, смещению и вывалу камней облицовки опор и в особенности ледореза. Замечено, что фундаменты опор мостов через реки, протекающие в сильно заболоченной местности, повреждаются в результате агрессивного действия воды, имеющей повышенную кислотную реакцию.
Много неприятностей приносит сооружениям мягкая вода атмосферных осадков. Скапливаясь на поверхности сооружений в углублениях, она, просачиваясь внутрь, вызывает процессы коррозии I вида.
По виду выступившей на поверхности извести (гидрат окиси кальция) можно в какой– то мере судить о времени и степени развития процессов коррозии кладки сооружений. Так, например, при слабой фильтрации атмосферной влаги через трещины и пустоты кладки на поверхности сооружений выступает налет в виде мелких белых крупинок, напоминающих иней. Скопление крупинок образует рыхлый кристаллический налет, что свидетельствует о том, что испарение идет интенсивнее, чем поступление к поверхности новых порций раствора гидрата окиси кальция. Дальнейшее развитие коррозии приводит к более интенсивному выходу гидрата окиси кальция и отложению его на поверхности в виде белых потеков. Часто появлению белых потеков предшествует появление мокрых пятен. В результате карбонизации гидрата окиси кальция в месте его выхода на поверхность может образоваться слоистый натек. Выход извести на поверхность должен рассматриваться как начало разрушения кладки сооружения.
В мостовых опорах приходится часто сталкиваться с фильтрацией воды в подводной части через швы, трещины, каверны и пустоты кладки. Так, например, при подводном обследовании опор моста через р. Волгу было обнаружено отложение белого налета у края шва на поверхности облицовки боковой грани ледореза, а на мостах через реки Селенгу и Дон по краям трещины в кладке обреза фундамента.
Разрушение подводной кладки сооружений начинается с поверхности и происходит наиболее интенсивно в местах свободного водообмена со стороны ледореза, у граней обреза фундамента, в образовавшихся нишах, кавернах, вертикальных и горизонтальных пазах, оставшихся от брусьев обшивки или опалубки.
Если заполнитель бетона достаточно стоек к агрессивному действию воды, то разрушение кладки начинается с раствора, который порой так разрушается, что без труда, особенно на выступающих углах, отламывается рукой вместе с заполнителем. Анализ образцов такого раствора показал, что все пустоты и поры заполнены белой известковой массой. По данным д– ра технических наук В.М. Москвина, удаление из портландцемента 27% окиси кальция снижает его прочность на 50 %.
Постепенно разрушение раствора может распространиться в глубь кладки так далеко, что из нее начнут выпадать отдельные камни, обнажая внутренние слои. Сцепление камней с раствором ослабевает, и камни удерживаются лишь силами трения.
Такая кладка приобретает вид каменной наброски (рис. 9).
Действие морской воды на бетон. Коррозийные процессы бетона в морской воде в принципе не отличаются от процессов в речной, но благодаря наличию растворенных солей (хлоридов, сульфатов и др.) процессы коррозии в море протекают быстрее.
В морях с малым притоком пресных вод и большим испарением соленость может быть повышена, и, наоборот, сильное опреснение речными водами или водой от таяния снега и льда снижает ее.
В сооружениях, омываемых морской водой, по виду коррозии различается несколько зон: на поверхности бетона сохраняется тонкая защитная карбонатная пленка, далее идет зона магнезиальной коррозии (II вида), еще глубже лежит зона сульфатной коррозии (III вида) и, наконец, в толще бетона расположена зона выщелачивания (коррозия I вида). При постепенном разрушении бетона границы зон передвигаются внутрь, но последовательность расположения их сохраняется.
Рис. 9. Разрушение бутовой кладки фундамента мостовой опоры
B наиболее тяжелых условиях находится бетон в зоне переменного уровня, где частая смена увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания способствует ускоренному развитию коррозии через систему мелких и крупных трещин. Полоса обнаженного заполнителя бетона может захватить всю периодически смачиваемую часть поверхности бетона. Раствор покрывается сетью мелких трещин, а отделяющиеся куски насыщены беловатым сметанообразным веществом, заполняющим все пустоты и трещины. В отдельных случаях в кладке сооружений наблюдаются каверны высотой до 2 м и глубиной до 1,5 м.
Металлические элементы транспортных сооружений также подвергаются коррозии, интенсивность которой зависит от рода металла, места нахождения элемента (в воде, в зоне переменного уровня, на воздухе или в грунте), а также от температуры воды, количества и видов растворенных в ней солей. В условиях водной среды основным видом коррозии металла является электрохимическая, связанная с возникновением в воде электрического потенциала, вызывающего разрушение металлических элементов. Это явление объясняется неоднородностью металла, обычно содержащего различные включения. Так как вода с растворенными в ней веществами является электролитом, то между включениями, играющими роль катода, и самим металлом – анодом, возникает электрический ток. В результате этого процесса происходит растворение анодных участков. По этой же причине усиленная коррозия наблюдается и на стыке элементов из металлов, обладающих различными электрическими потенциалами, в заклепочных и болтовых соединениях, сварных швах и т. д. Процесс растворения металла сопровождается поглощением кислорода и зависит от скорости его поступления к поверхности элемента.
Коррозия может охватывать всю поверхность металлических элементов, но чаще она наблюдается на отдельных участках, причем разрушение металла на этих участках очень велико. Очагами коррозии всегда являются местные повреждения слоя защитной окраски или поверхности элемента. Наблюдениями установлено, что наиболее подвержены коррозийному разрушению зона переменного уровня воды и зона, граничащая с грунтом.
Наибольшая интенсивность коррозийных процессов металлических элементов наблюдается в условиях морской среды. Это объясняется значительным содержанием и разнообразием солей в воде.
Вода, проникая к арматуре железобетонных элементов и взаимодействуя с нею, вызывает коррозию, сопровождающуюся увеличением объема металла и появлением в результате этого дополнительных напряжений в бетоне.
Скорость коррозии арматуры определяется доступом кислорода к поверхности металла. По данным В. С. Артамонова, при относительной влажности воздуха более 80 %, что соответствует зоне капиллярного подсоса или волнового воздействия, коррозия арматуры малозаметна, так как в этой зоне поры заполнены водой, и доступ кислорода к металлу затруднен.
Коррозия арматуры идет наиболее интенсивно при относительной влажности воздуха 65-80 %, что соответствует зоне переменного горизонта. В этой зоне мы чаще всего наблюдаем вспученный защитный слой бетона, оголенную, покрытую ржавчиной арматуру. В зоне, расположенной выше переменного горизонта, при относительной влажности воздуха 50-60 % электрохимические процессы коррозии металла практически прекращаются. Признаком коррозии арматуры являются трещины на поверхности элемента, повторяющие рисунок сетки арматуры.
Природная вода – благоприятная среда для жизнедеятельности различных организмов. Некоторые из них поселяются в подводной части сооружений, и это в той или иной мере отра– жается на состоянии ее материала. Колонии растительных или животных организмов или тех и других одновременно при благоприятных условиях покрывают поверхность сооружений
плотным слоем обрастаний. На рис. 10 приведена подводная часть опоры моста через Волгу Саратов – Энгельс, на котором подводное обследование проводилось в сентябре 2013 года. Видна область поверхности, заполненная ракушками (слева) и область поверхности, очищенная от ракушек. На 20-м делении мерной ленты имеется крупная горизонтального простирания трещина.
Рис. 10. подводная часть опоры моста через Волгу Саратов – Энгельс
На рис. 11 показана часть опоры моста с незаросшими участками поверхности, участками, покрытыми мхом и участки с водорослями.
Рис. 11. Часть опоры моста с незаросшими участками поверхности, участками, покрытыми мхом и участки с водорослями
Влияние органических обрастаний на материал сооружения еще недостаточно изучено. Однако во время обследований установлено, что состояние бетонных и железобетонных элементов сооружений, покрытых слоем обрастаний, оставалось удовлетворительным после многих лет эксплуатации. При этом замечено, что слабые участки бетонной поверхности и участки разрушающегося бетона, как правило, совершенно свободны от обрастаний.
Органические обрастания часто являются причиной местной коррозии металла под водой. Пораженные коррозией участки не раз обнаруживались под колониями морского желудя. Деятельность этих организмов зачастую является причиной механического повреждения нанесенных на металл защитных красок, что ведет к прониканию воды к по– верхности металла и местной коррозии. Защитные покрытия могут быть повреждены и скоплениями бактерий, если последние находят в них для себя питательные вещества.
Литература
Добромыслов А.Н. Ошибки проектирования строительных конструкций / А.Н. Добромыслов. М.: АСВ. 2007. 184 с.
Белостоцкий А.М. Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК
«Трансвааль-парк» / А.М. Белостоцкий, С.И. Дубинский // ANSYS Solutions. Русская редакция. Зима. 2007. С. 5-12.
Овчинников И.Г. Причины аварий и повреждений конструкций транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, И.И. Овчинников, Е.К. Атаева // Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В. Т. Ерофеев (отв. ред.) [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. С. 444-452.
Платонов А.С. Уроки аварий металлических конструкций мостов / А.С. Платонов //Транспортное строительство. 2009. №6. С. 6-9.
Овчинников И.Г. Анализ причин аварий и повреждений транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, И.И. Овчинников // Транспортное строительство. М. 2010, №7. С. 2-5.
Овчинников И.Г. Диагностика мостовых сооружений / И.Г. Овчинников, В.И. Кононович, О.Н. Распоров, И.И. Овчинников. Изд-во СГТУ. Саратов, 2003. 181 с.
McGeehan D.D. Prioritizing Bridge Structures for Underwater Inspection / McGeehan D.D., Lynn Samuel // Virginia Transportation Research Council Box 3817, University Station Charlottesville, VA 22903. 1993. 29 p.
Underwater bridge inspection. Publication No FHWA-NHI-10-027. Prepared by Collins Engineers, Inc. 123 North Wacker Drive, Suite 300 Chicago, Illinois 60606. 2010. 224 p.
Соколов В.В. Подводное обследование транспортных сооружений / В.В. Соколов, П.П. Никитин. Изд-во «Транспорт», 1970. 152 с.
Соколов В. В. Разрушение подводной части опор эксплуатируемых мостов / В.В. Соколов. Труды ЦНИИС. Вып. 11. М., 1964. 122 с.
Соколов В. В. Разрушение ледорезов опор эксплуатируемых мостов / В.В. Соколов // «Путь и путевое хозяйство», 1966, № 1. С. 22-25.
Соколов В. В. Подводное обследование опор / В.В. Соколов // «Путь и путевое хозяйство», 1960, № 7. С. 16-20.
Соколов В. В. Подводное телевидение контролирует качество строительства гидротехнических сооружений / В.В. Соколов // Транспортное строительство, 1963, № 12. С. 26-30.
Соколов О.А. Подводная киносъемка / О.А. Соколов, В.Г. Ажажа. М.: «Искусство», 1962. 76 с.
Овчинников И.Г. Обследование, ремонт и усиление оснований и фундаментов транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, А.А. Шеин, А.А. Пискунов. Учебное пособие. Казань. Изд-во КазГАСА. 2005. 300 с.