Дефекты бетонных и железобетонных конструкций

Холодные швы также называют строительными, рабочими швами и швами бетонирования. Образование холодных швов вызвано остановками бетонирования и определяется рядом причин:

организационных: окончание рабочей смены, ремонт оборудования, нехватка материалов, несовершенную общую организацию работ, технические возможности используемых машин и механизмов;

технологических: монтаж вышележащих арматуры, лесов и опалубки и ограничение нагрузок на конструкции;

конструктивных: обеспечение направленных деформаций отдельных участков конструкций и сооружений в целом.

Как правило, возводимые монолитные бетонные и железобетонные конструкции бетонируются отдельными сопрягаемыми между собой участками - блоками (картами) бетонирования.

Холодный шов бетона образуется, когда каждый последующий слой бетонной смеси укладывают на затвердевший (схватившийся) предыдущий слой бетона. Отличительной особенностью холодного шва является то, что сцепление нового бетона с уже затвердевшим бетоном значительно ниже, чем прочность монолитного бетона без холодного шва, вследствие чего снижаются морозостойкость, водонепроницаемость и ухудшается внешний вид конструкций. Это объясняется тем, что холодные швы являются границей, на которой происходит превращение усадочных напряжений сжатия в напряжения растяжения, и поэтому зона шва становится предварительно напряженной. Как известно, бетон хорошо работает на сжатие, менее стоек к изгибающим нагрузкам и значительно хуже противостоит напряжениям растяжения. В результате релаксации напряжений растяжения, реализующихся в виде микротрещин, зона стыка имеет меньшую плотность и прочность, по сравнению с монолитным бетоном и при равных растягивающих напряжениях, трещины прежде всего открываются именно по швам.

«Набетонка» - слой бетона поверх каменных или бетонных поверхностей.

Каверны — пустоты в бетоне неправильной или округлой формы размером > 1 мм, т.е, крупнее пор и мельче пещер. В ряде случаев причиной образования каверн в бетоне может оказаться присутствие в бетонной смеси очень крупного заполнителя, который заклинивается между стенкой формы и арматурой. Поэтому очень важен постоянный контроль размера заполнителя.

Защитный слой бетона - слой бетона от наружной поверхности железобетонной конструкции до ближайшей поверхности арматуры. В РФ защитный слой бетона должен соответствовать требованиям СНиП; в зависимости от вида изделия защитный слой должен быть не менее 20-30 мм.

Рисунок 1 - Расслоение

Расслоение вызывается подтягиваемой снизу водой, которая застревает под преждевременно застывшей коркой бетонной поверхности. Первичная причина – это финишная отделка бетона до выхода воды на поверхность. До отделки поверхности необходимо выждать, пока воздух и вода не выйдут на поверхность. При финишной отделке расслоение определить очень трудно. Оно становится заметным только после высыхания поверхности при растрескивании от движения по бетону. Толщина расслоения 3-5 мм.Расслоившиеся участки отделяются от лежащего под ними бетона, вызывая появление дыр.

Рисунок 2 - Выцвечивание

Выцвечивание – большие участки бетона, имеющие более темную или светлую поверхность. На выцвечивание влияют смеси хлорида кальция, щелочные цементы, сильная затирка поверхности, изменения в бетонной смеси. Хлорид кальция ускоряет гидратацию силикатов, но замедляет гидратацию феррита в портландцементе. Ферритовая составляющая обычно становится светлее при гидратации, однако в присутствии хлорида кальция непрогидратировавший феррит остается темным. Чрезмерное выцвечивание может быть вызвано попыткой затереть бетон после того, как он стал слишком твердым.

Полиэтиленовые пленки, используемые для влажного твердения бетона, содержащего хлорид кальция, создают пятна на поверхности, т.к. очень трудно уложить пленку, прилегающей ко всей поверхности. Участки, контактирующие с пленкой, будут светлее, чем не контактирующие.

Выцвечивания можно избежать или минимизировать:

- избегая применения добавок хлорида кальция;

- используя бетон, в котором количество компонентов одинаково от замеса к замесу;

- путем укладки, финишной обработки и твердения бетона согласно инструкции.

Для борьбы с выцвечиванием рекомендуется пропитка водой. Дайте стяжке высохнуть, затем повторите пропитку водой и дайте опять высохнуть и т.д., пока выцвечивание не исчезнет. При возможности используйте теплую воду. Мытье слабыми кислотами (3% уксус) снижает карбонизацию и выцвечивание. Один из лучших способов борьбы с выцвечиванием, когда все остальные способы провалились, это обработка поверхности 20-30% раствором двуаммониевой соли лимонной кислоты. Одной из разновидностей выцвечивания являются белые разводы. Вызываются растворами солей, наличием влаги для растворения этих солей и испарением или гидростатическим давлением, которое двигает растворы к поверхности. Если одного из перечисленных выше факторов нет, то белые разводы не образуются.

Все составляющие части бетона следует проверять на наличие возможного раствора солей: карбонатов кальция, калия, натрия, сульфатов натрия, калия, магния, кальция и железа, бикарбонатов натрия или силикатов натрия.

Чтобы сократить образование разводов:

никогда не используйте непромытый песок;

используйте чистую воду для смешивания.

При образовании разводов нужно определить источник влаги и удалить воду из бетона. Со временем разводы становятся светлее и менее интенсивными, если нет внутреннего источника солей. Разводы можно удалить щеткой с водой, легким пескоструиванием или водоструиванием.

Рисунок 3 - Пыление

Пыление – результат образования тонкого, слабого слоя, называемого «молочком», состоящего из воды, цемента и тонких частиц.

Во время застывания бетона цемент и частицы заполнителя частично образуют взвесь в воде. Т.к. цемент и заполнитель тяжелее воды, они стремятся осесть. По мере оседания они выталкивают воду ближе к поверхности таким образом, что количество воды около и на поверхности больше, чем в нижних слоях. И молочко, самый слабый и нестойкий слой, оказывается на поверхности. Затирка бетона с выступившей на поверхность водой заставляет воду проникать назад в бетон, еще более ослабляя поверхность и создавая условия для пыления.

Пыление также может быть вызвано:

-водой, нанесенной во время затирки;

-намоканием от дождя во время затирки;

-распределением сухого цемента на поверхность для ускорения затирки;

-низким содержанием цемента;

-переувлажнением смеси;

-неправильным твердением (слишком быстрым высыханием поверхности);

-карбонизацией во время бетонирования зимой;

-замерзанием поверхности;

-грязным заполнителем.

В холодное время используются тепловые завесы, создающие сухое тепло, которое может слишком быстро высушить поверхность. Для избавления от молочка используется шлифование или поверхностные отвердители.

Рисунок 4 - Сколы

Сколы - конические фрагменты, отколовшиеся от бетона, размером 5-50 мм и до 300 мм в диаметре. Обычно часть заполнителя остается на дне скола, а вторая часть находится на сколотом кусочке. Причина этого – пористый заполнитель с высокой абсорбцией и маленьким удельным весом. Из за проникновения влаги в заполнитель он разбухает и создает давление в бетоне, способное его разорвать.

Обычно вызывают сколы пирит, высокообжиговый доломит, уголь, глинистый сланец, мягкий известняк и кремнистый известняк. Сколы также могут возникать из-за давления воды расширяющегося геля, который образуется во время химической реакции между щелочными гидроксидами в бетоне и активным кремнистым заполнителем.

Большинство сколов происходит в первый год эксплуатации бетона. Сколы не влияют на срок эксплуатации бетона, но создают некрасивый внешний вид.

Для минимизации сколов:

-используйте бетон с минимально возможным количеством воды и осадкой конуса;

-используйте щебень в качестве заполнителя;

-во время жаркой ветреной погоды накрывайте бетон пленкой между укладкой и финишной отделкой;

-не затирайте бетон, если на поверхности есть вода;

-используйте метод влажного твердения, увлажняйте бетон в первые 7 дней. Не применяйте пластиковые пленки, т.к. они способствуют накоплению щелочей на поверхности;

-используйте низкощелочной цемент;

-используйте воздухововлеченный бетон;

-температура бетона должна быть 10-20ºС.

Сколы могут быть заделаны ремонтными составами. Если их слишком много для индивидуальной обработки, можно использовать тонкий слой бетона.

Разрушения от мороза и отшелушивание.

Из-за замерзания-оттаивания и разрушения поверхности в результате гидравлического давления воды в бетоне обнажается заполнитель.

Растворы, применяемые для борьбы со льдом, содержащие сульфат или нитрат аммония, быстро разрушают бетон.

Отшелушивание извести над крупным заполнителем – другая форма разрушения, похожая на сколы, вызываемая теми же причинами, что и разрушение от замерзания. Недостаток воды, не обходимой для гидратации цемента, приводит к образованию слабого слоя над заполнителем.

Во избежание этого:

- используйте бетонную смесь с низкой усадкой с прочным и хорошо сортированным заполнителем – максимум 100 мм, с прочностью на сжатие не менее 28 Мпа, с низким ВЦ (0.45 и ниже), с вовлеченным воздухом (6-8%); с не менее чем 335 кг/м3 цементных материалов;

- делайте уклон бетона для правильного дренажа;

- финишная обработка не должна происходить при наличии воды на поверхности;

- используйте метод влажного твердения, накрывая бетон влажной мешковиной, пластиковыми щитами минимум на 7 дней;

- дайте бетону высохнуть в течение 30 дней.

Рисунок 5 – Виды разрушений

Если есть опасность разрушения или отшелушивания бетона, рекомендуется сделать «дышащее» покрытие из силанов, силоксанов и пр.

Рисунок 6 - Выбоины

Выбоины - обычно бывают овальной формы или в виде каверн вдоль швов шириной 25 мм и более и диаметром 150 мм и более и вызываются давлением, нагрузками, погодным воздействием. Неправильные конструкционные швы и корродировавшая арматура – общие причины выбоин.

Выбоин можно избежать:

- правильно делая швы;

- используя правильную приготовленную бетонную смесь;

- благодаря специальным мерам предосторожности.

Выбоины можно отремонтировать, если повреждено не более 1/3 толщины стяжки и нижележащее основание твердое. В остальных случаях требуется ремонт на полную толщину стяжки.

Рисунок 7 - Вздутие

Вздутие во время финишной отделки поверхности вызывается пузырьками вовлеченного воздуха, которые поднимаются, но не могут проникнуть через уже герметичную поверхность.

3 основные причины этого:

- избыточное количество вовлеченного воздуха, удерживаемого высоким процентом мелкофракционных материалов, приводит к получению липкого цемента, который можно легче загерметизировать на ранней стадии. Липкие смеси имеют тенденцию к образованию корки при высыхании на ветру, при этом внизу смесь остается пластичной, и воздух поднимается вверх. Обычно для предотвращения подобных явлений нужно просто уменьшить количество песка в смеси (на 60-120 кг/м3). Песок можно заменить таким же количеством самого тонкого заполнителя. Более жесткие смеси должны высвобождать воздух при вибрировании. Если на поверхности образовалась корка, требуется другая технология финишной отделки: плоское заглаживание диском во избежание дополнительного попадания воздуха в поверхность, как это происходит при затирке лопастями;

- недостаточная вибрация при уплотнении не позволяет воздуху высвобождаться; или избыточная вибрация оставляет на поверхности пыль, что способствует образованию корки;

- финишная отделка, когда бетон еще пористый. Любой инструмент, используемый для финишной отделки, заставляет вовлеченный воздух подниматься к поверхности. Вздутие может не проявиться после первого финишного прохода.

Во избежание появления вздутия:

- используйте правильное количество цемента 305-335 кг/м3;

- подогревайте основу при укладке бетона в холодных условиях;

- избегайте укладки бетона прямо на полиэтиленовую пленку или другие паронепроницаемые барьеры. Используйте 100 мм слой дренажного заполнителя из материала мелкой фракции для отделения парового барьера от бетона;

- избегайте излишней вибрации стяжки. Чрезмерная вибрация вызывает оседание заполнителя и выход воды на поверхность;

- не пытайтесь делать финишную обработку слишком рано;

- используйте правильную технологию финишной обработки. Ручную затирку можно начинать, когда человек, стоящий на бетоне, оставляет 5 мм отпечаток. Механическую – когда машина оставляет 3 мм отпечаток;

- сокращайте испарение воды с поверхности бетона, используя увлажнение или мембрану.

Рисунок 8 - Растрескивание

Растрескивание может быть результатом следующих факторов: усадка, термическое сжатие, нагрузки.

Трещины, образующиеся до твердения бетона, являются результатом усадки, вызванной быстрой потерей воды, пока бетон еще пластичный. Усадочные трещины могут возникнуть в местах нахождения арматуры или стыка с затвердевшим бетоном из-за недостаточной вибрации, высокого оползания, или недостаточного слоя над арматурой.

Трещины пластического сжатия относительно короткие, возникают перед последней финишной обработкой в ветреные дни, при низкой влажности и высокой температуре. Влага с поверхности испаряется быстрее, чем подтягивается снизу, заставляя бетон сверху сжиматься быстрее, чем снизу. Трещины пластического сжатия бывают от нескольких см до 3 м в длину и часто проникают на половину глубины бетона.

Трещины, появляющиеся после затвердевания, это результат усадочного высыхания, термического сжатия, усадки подосновы. Высыхая, бетон сжимается на 1,6 мм на 3 м длины. Конструкционные швы нарезаются через равные интервалы 3 м во всех направлениях на 100 миллиметровом неармированном бетоне и через 6 м на 200 мм стяжке.

С увеличением количества воды в бетоне пропорционально увеличивается усадка. Увеличение песка и уменьшение количества заполнителя также ведут к увеличению усадки, т.к. возрастает количество воды, а мелкий заполнитель имеет меньшую усадочную стойкость. Использование добавок хлорида кальция также увеличивает усадку.

Меры по предотвращению растрескивания:

-правильно готовьте подоснову;

-минимизируйте количество воды путем применения крупного и малоусадочного заполнителя;

-избегайте добавок хлорида кальция;

-не допускайте быстрой потери воды, когда бетон еще пластичен;

-делайте конструкционные швы через равные промежутки;

-делайте изоляционные швы;

-не допускайте чрезмерных колебаний температуры;

-тщательно укладывайте, упрочняйте и отделывайте бетон;

-используйте добавки, снижающие усадку.

Рисунок 9 – Волосяные трещины

Волосяные трещины - сеть мелких поверхностных трещин, появляющихся вследствие небольшого поверхностного сжатия. Трещины окружают маленькие участки поверхности менее 50 мм. Эти трещины не означают начала разрушения бетона.

В начале набора прочности бетона из-за климатических условий, особенно при относительной влажности, жаре и ветре в период высыхания могут появиться волосяные трещины. Для предотвращения образования таких трещин следует защищать бетон от температурных и влажностных перепадов.

Подъем краев стяжки – происходит из-за различий во влажности и температуре между верхом и низом стяжки.

Рисунок 10 – Подъем краев стяжки

Подъема можно избежать, если:

-использовать низкоусадочную бетонную смесь;

-нарезать швы;

-создать одинаковые влажность и температуру по всей толщине стяжки;

-использовать 50 мм армирование;

-делать утолщенные края стяжки;

-использовать вакуумированный безусадочный бетон.

Усадку смеси можно сократить путем:

-низкого ВЦ;

-уменьшения количества песка и увеличения крупного заполнителя;

-использования безусадочного заполнителя максимально возможного размера;

-избегания добавок хлорида кальция;

-уменьшением температуры пластичного бетона.

Другой способ уменьшения усадки – использование добавок (обычно 2%), снижающих усадку.

Содержание влаги в бетоне может быть стабилизировано путем:

-быстрого и правильного набора прочности;

-применения силеров, нечувствительных к влаге; не используйте паронепроницаемые силеры на бетоне, -подверженном замерзанию. Субстрат не должен насыщаться влагой.

Степень поднятия края стяжки обычно сокращается со временем. Если подъем края стяжки от влажности продолжается, одно из решений это увлажнить край, пока он не вернется в изначальный уровень, и сделать конструкционный шов в месте подъема.

Морозостойкость – способность бетона в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное замораживание и оттаивание.

Это наиболее разрушительный фактор, особенно в присутствии антиобледенителей. С вовлечением воздуха процесс разрушения уменьшается. Вода вытесняется в поры воздуха, и гидравлическое давление ослабевает. Вода при замерзании также может вытесняться из заполнителя в цементное тесто. Однако, если тесто качественное (с низким водоцементным соотношением (ВЦ)), оно предохраняет заполнитель от насыщения влагой. Чем меньше ВЦ, тем лучше высушен бетон, и при воздухововлечении бетон выдерживает большее количество циклов замерзания/оттаивания.

Проникающая способность в большей степени определяется проницаемостью бетона.

Проницаемость – способность материала сопротивляться воздействию увлажнения, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред.

Низкая проникающая способность уменьшает проникновение в бетон жидкостей, сульфатов и хлорид-ионов. Проникающая способность также влияет на разрушение при замерзании. Проникающая способность теста особенно важна. Она связана с ВЦ и степенью гидратации цемента или продолжительностью влажного твердения. Бетон с низкой проникающей способностью требует низкого ВЦ и адекватного периода влажного твердения. Проникающая способность возрастает при высыхании. Проникающая способность зрелого качественного бетона, имеющего постоянную влажность, составляет 0,1 х 10 –10 см/с.

Абразивная стойкость – способность материала сопротивляться действию истирающих нагрузок. Абразивная стойкость бетона тесно связана с прочностью на сжатие. Для получения высокой абразивной стойкости требуется низкое ВЦ и адекватное время влажного твердения. Крупный заполнитель более стоек к истиранию. Затертые «вертолетом» полы также более стойки к истиранию. Изменения линейных размеров бетона в зависимости от температуры, влажности и давления могут составлять 0,01-0,08%. Температурные изменения размеров бетона такие же, как у стали. Усадка бетона при высыхании зависит от количества воды при замесе. Усадка также зависит от количества заполнителя, его свойств, размера и формы бетонной массы, относительной влажности и окружающей температуры, метода твердения, степени гидратации и времени. Бетон под давлением деформируется эластично. Постоянное давление вызывает деформацию, называемую ползучестью. Со временем скорость такой деформации (за ед. времени) уменьшается.

Влияние щелочесодержащих заполнителей - это вид разрушения бетона, вызванный реакцией между активными минералами в некоторых заполнителях и натрий или калийсодержащими щелочами в бетоне, которые обычно извлекаются из цемента.

Все природные породы реагируют до некоторой степени, и обычно эта реакция приводит к прочным связям теста с заполнителем и арматурой. В некоторых случаях, однако, эта реакция может быть разрушительна и вызывать растрескивание бетона при увлажнении.

Влияние ионов хлоридов, которые соединяются с солями морской воды, или с солями, использующимися для борьбы с наледью на дорогах, и вызывают коррозию арматуры, разрушая слой оксидированного железа, что приводит к дальнейшему окислению. Соли разрушают как стальную арматуру, так и сам бетон. Разрушения, вызванные хлоридом кальция, способствуют ускорению коррозии арматуры. Соли, вступая в реакцию с гидратом кальция, находящимся в бетоне, образуют оксидированный гидрат кальция с последующим увеличением объема.

Стойкость к сульфатам.

Чрезмерное количество сульфатов в почве или воде может через 5-30 лет разрушить неправильно рассчитанный бетон. Сульфаты вступают в реакцию с гидроалюминатом кальция, образуя сульфоалюминат кальция (эттрингит). Из-за роста кристаллов избыточное давление может вызвать растрескивание бетона.

Воздействие сульфатов может также привести к разрушению железобетонных конструкций. Сульфаты вступают в реакцию с другими химическими компонентами, образующими мел, эттрингиды и таумаситы. Образование этих продуктов внутри структуры бетона приводит к увеличению объема, что влечет за собой образование трещин в бетоне и последующего разлома конструкции.

Карбонизация бетона – процесс, при котором диоксид углерода из воздуха проникает в бетон, реагирует с гидроксидом кальция, образуя карбонаты.

Наиболее распространенная причина разрушения бетона — карбонизация. Будучи пористым, бетон хорошо впитывает углекислый газ (СО2), кислород и влагу, присутствующее в атмосфере. Способность бетона впитывать не влияет на прочность самой железобетонной структуры, но оказывает пагубное воздействие на арматуру, которая при повреждении бетона попадает в кислотную среду.

Карбонизация увеличивает растрескивание и понижает щелочность бетона. Высокая щелочность необходима для предотвращения коррозии арматуры. Карбонизация значительно увеличивается в бетоне с высоким ВЦ, низким содержанием портландцемента, коротким периодом твердения, низкой прочностью, высокой пористостью теста. Степень карбонизации в качественном бетоне обычно не имеет большого практического значения.

Коррозия арматуры вызвана, как правило, воздействием атмосферно-химических факторов, включающих в себя агрессивные компоненты атмосферы (сульфаты, карбонаты, хлориды) и частые циклы мороз-оттепель. Ржавчина, формирующаяся при окислении стальной арматуры, увеличивает ее объем, повышает «внутреннее» давление и приводит к разломам бетона и оголению арматуры. В результате оголенные прутья арматуры разрушаются еще стремительнее, что приводит к быстрому изнашиванию бетона. В итоге необходим ремонт арматуры.