Введение
Жизненный цикл здания включает в себя несколько этапов, основным из которых является этап эксплуатации — период, при котором здание выполняет функции, ради которых оно возводилось.
Срок службы здания соответствует этапу эксплуатации и начинается с ввода здания в эксплуатацию и заканчивается его демонтажем или сносом. Продлить этап эксплуатации позволяет своевременное проведение капитального ремонта или реконструкции.
Безопасность эксплуатации здания подразумевает под собой, что риск наступления отказа строительных конструкций в заданный период или период между плановыми оценками технического состояния конструкций не превышает допустимых значений.
В процессе эксплуатации производственных зданий молочной промышленности происходит повсеместное и зачастую скрытое под толщей отделочных слоев воздействие агрессивной среды на железобетонные конструкции, оказывающее необратимые деструктивные процессы на бетон и арматуру. Постепенное разрушение материала несущих строительных конструкций влечет за собой увеличение риска наступления отказа конструкций и их обрушение, что противоречит принципам безопасной эксплуатации. Для продления безопасной эксплуатации здания необходимо своевременно и с достаточной точностью определять остаточный срок службы конструкций.
Определением остаточного ресурса занимались такие авторы, как Беляев [1], Добромыслов [2], Пухонто [3], Никитин [4, 5] и другие [6, 7, 8, 9, 10, 11]. Вопрос безопасной эксплуатации и причин отказа конструкций освещался во множестве работ, в том числе [12]. На текущий момент накоплено множество исследований по теме воздействия агрессивных сред на железобетонные конструкции [13, 14, 15, 16]. Однако воздействие молочной кислоты освещено не так широко. Исследования этого вопроса встречается в работах [17; 18].
Авторами рассматриваются вопросы совершенствования существующих методик определения остаточного ресурса для их применения к железобетонным элементам, повышение надежности расчетов путем применения статистической обработки результатов исследований.
Разработке и исследованию инновационных методов анализа технического состояния строительных конструкций в настоящее время уделяется все больше внимания. Авторами проводятся исследования по следующим направлениям:
- совершенствование методики определения остаточного ресурса и действительных сроков службы железобетонных изгибаемых элементов и конструкций;
- определение негативного воздействия агрессивной среды, вызванной растворами молочной кислоты на цементный бетон и арматуру;
- разработка алгоритма оценки остаточного ресурса железобетонных элементов;
- совершенствование методики определения остаточного ресурса железобетонных элементов;
- продление срока эксплуатации обследуемых объектов путем своевременного приведения перекрытий с имеющимися дефектами и повреждениями в работоспособное техническое состояние.
Материалы и методы
В качестве материалов использованы результаты натурного обследования нескольких производственных зданий, производственный цикл которых непосредственно связан с обработкой молока и его производных. Накопленные данные за весь период эксплуатации каждого здания проанализированы, категоризированы по признакам воздействия агрессивной среды, местам испытания и типам конструкций.
Объект №1. Консервный комбинат, производство сгущенного молока. Согласно техническому паспорту здание построено в 1991 году.
Конструктивная схема здания — каркасная. Каркас сборный железобетонный, выполнен по серии 1.420 с сеткой колонн 6.0х6.0м. Перекрытия выполнены из сборных железобетонных ребристых предварительно напряженных плит по серии 1.442.1-1, уложенных на ригели таврового сечения.
Объект №2. Основное здание фабрики мороженого представляет собой прямоугольное здание с размерами в плане 50,04×22,22 м переменной этажности.
В конструктивном отношении основное здание фабрики мороженного — каркасное с полным железобетонным каркасом и самонесущими наружными и внутренними стенами и перегородками. Сетка колонн — 6,0×6,0 м, высота этажа — 4,8 м. Пространственная жесткость обеспечивается жесткими сопряжениями колонн с перекрытиями и фундаментами, дисками перекрытий и стенами. Год ввода в эксплуатацию — 1973.
В обоих случаях проектная и исполнительная документация отсутствует.
При выполнении данной работы сначала производилось обследование конструкций перекрытий на предмет определения их технического состояния и остаточного ресурса. Конструкции обследуемых перекрытий подвержены воздействию сильноагрессивной к бетону молочной кислоты [19]. В случаях особо интенсивного воздействия встречаются характерное окрашивание бетонного камня [20].
Обследование технического состояния конструкций перекрытия производилось в соответствии с действующими нормативными документами ГОСТ 31937-2011, действующего в период проведения обследования, и СП 13-102-2003. Исследования прочностных характеристик бетона производились на его открытых и ровных поверхностях ударно-импульсным методом с использованием прибора «ОНИКС — 2.5» в соответствии с ГОСТ 22690-2015. В каждой точке было выполнено по 10 измерений с последующей статистической обработкой полученных результатов и использованием градуировочных зависимостей и корректирующих коэффициентов. Для определения армирования плит перекрытий и ригелей выполнялось вскрытие защитного слоя бетона с оголением арматуры, а также с помощью прибора Profometer РМ-6 версии 650, работа которого основана на принципе электромагнитной индукции.
Основная часть
В процессе эксплуатации рассматриваемых производственных зданий накоплено достаточно данных, чтобы можно было сделать вывод о характере воздействия молочной кислоты на бетон.
Попытка сопоставить изменение прочности бетона отдельно взятой конструкции сталкиваются со следующими проблемами:
- Не определено точное место испытаний. Так как прочность — величина случайная и в пределах одного объема может иметь разные величины, то точное испытание одной конструкции невозможно. Данное явление свойственно даже для свежеизготовленных конструкций [21] и только нарастает в результате воздействия агрессивной среды на поверхность бетона (Рис. 1).
- Техническое состояние конструкций. Наиболее поврежденные участки бетона со временем начинают разрушаться, из-за чего теряется возможность применения отдельных методов испытаний на данном участке. В такой ситуации испытан будет участок бетона, который в прошлом имел более низкий уровень повреждений от коррозии.
- В ходе анализа результатов испытаний необходимо учитывать, что использование приборов, работа которых основано на различных физических принципах, может охватывать различные объемы бетона, что критично при испытании коррозионно поврежденных слоев бетона с различной степенью коррозии по глубине.
Рис. 1. Распределение прочности бетона в балке:
– средняя прочность бетона [21].
Возможность сопоставить изменение прочности бетона наружных слоев во времени отдельных конструкций можно рассмотреть на Рис. 2
Рис. 2. Графики снижения прочности бетона отдельных конструкций:
а — колонн; б — плит перекрытия
В остальных случаях прямое сопоставление результатов испытаний отдельных конструкций невозможно.
Для дальнейшего анализа принято использовать весь объем испытаний для определения общей динамики коррозионных процессов в конструкциях.
Для массива значений определены средние значения выборки и дисперсия выборки по формулам:
$\bar{x}=\frac{\sum_{i}^nx_i}{n};$ (1)
$S^2=\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}{n-1}.$ (2)
При достаточном количестве испытаний характер распределения значений позволяет говорить о нормальном законе распределения величин. Стоит сразу отметить, что количество испытаний и характер полученных величин зависят в значительной степени от опыта испытателя и цели обследования: в случае сплошного контроля данные об испытаниях имеют большее количество испытаний и высокое среднеквадратичное отклонение (ввиду широкого диапазона значений); в отдельных случаях испытания проводятся на наиболее поврежденных участках бетона, из-за чего количество испытаний и разброс значений существенно ниже.
Ввиду отсутствия проектной документации проектное значение прочности бетона определялось исходя из прочности неподверженных коррозии конструкций. Для объекта №1 в железобетонных конструкциях применялся бетон класса В40. В случае невозможности установить такой тип конструкции принят минимальный класс бетона по прочности на сжатие В45 в соответствии с требованиями СП 28.13330.2017 как для бетонов, подверженных воздействию растворов органических кислот с индексом среды эксплуатации ХА3. В дальнейшем, зная несколько промежуточных значений прочности бетона, производилось определение начальной прочности бетона по выведенным зависимостям. Полученные результаты позволяют утверждать, что принятые величины начальной прочности бетона соответствуют действительности.
Результаты испытаний представлены в таблице 1:
Таблица 1
Результаты испытаний бетона по прочности на сжатие
|
Объект, конструкция |
Условия |
Место испытание |
№ |
Возраст, лет |
Среднее значение |
Кол-во испытаний, n |
Ср. кв. откл. |
|
|
Объект №1, плиты перекрытия |
Агрессивная среда |
Открытые участки снизу |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
|
2 |
27 |
31,82 |
3 |
0,74 |
29,66 |
|||
|
3 |
31 |
35,40 |
3 |
3,54 |
25,06 |
|||
|
Закрытые участки сверху (под полом) |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
||
|
2 |
27 |
– |
– |
– |
|
|||
|
3 |
31 |
11,33 |
3 |
1,43 |
7,15 |
|||
|
Нейтральная среда |
Открытые участки снизу |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
|
|
2 |
27 |
– |
– |
– |
|
|||
|
3 |
31 |
52,53 |
6 |
4,12 |
44,23 |
|||
|
Объект №1, ригели перекрытия |
Агрессивная среда |
Открытые участки снизу |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
|
2 |
27 |
36,30 |
3 |
2,74 |
28,30 |
|||
|
3 |
31 |
31,60 |
3 |
1,37 |
27,60 |
|||
|
Нейтральная среда |
Открытые участки снизу |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
|
|
2 |
27 |
– |
– |
– |
|
|||
|
3 |
31 |
53,60 |
2 |
4,38 |
25,95 |
|||
|
Объект №1, колонны |
Нейтральная среда |
Открытые участки выше уровня пола |
1 |
0 |
51,37 |
– |
– |
51,37 |
|
2 |
27 |
51,46 |
3 |
0,84 |
49,01 |
|||
|
3 |
31 |
– |
– |
– |
|
|||
|
Объект №2, колонны |
Агрессивная среда |
Открытые участки выше уровня пола |
1 |
0 |
57,80 |
– |
– |
57,80 |
|
2 |
26 |
52,31 |
30 |
12,84 |
30,49 |
|||
|
3 |
41 |
44,79 |
60 |
4,68 |
36,97 |
|||
|
4 |
42 |
39,99 |
20 |
8,17 |
25,86 |
|||
|
Объект №2, плиты перекрытия |
Агрессивная среда |
Открытые участки снизу |
1 |
0 |
57,80 |
– |
– |
57,80 |
|
2 |
26 |
53,65 |
43 |
16,19 |
26,42 |
|||
|
3 |
41 |
41,04 |
22 |
10,02 |
23,80 |
|||
|
4 |
42 |
47,89 |
39 |
7,56 |
35,14 |
|||
|
5 |
49 |
34,45 |
18 |
12,10 |
13,40 |
Исходя из данных, полученных в ходе анализа результатов обследований, определен характер деградации бетона и его параметры. Так, кривая прочности бетона описывается формулой (3):
$R_b(t)=R_b(t_0)\cdot(1-k\cdot t^α),$ (3)
где:
Построив графики, становится очевидным факт затухающего характера воздействия молочной кислоты на бетон. Следовательно, коэффициент
В ходе анализа подобрано значение коэффициента
Характер воздействия растворов молочной кислоты на бетон можно описать формулой коэффициента химической стойкости, представленной В.П. Селяевым [22]:
Сопоставив результаты испытаний конструкций плит перекрытия на открытых участках (как правило, нижняя поверхность плит перекрытия и внутренние стороны ребер) и на закрытых участках (верхняя поверхность плит, закрытая конструкцией пола), получим, что наиболее интенсивное воздействие агрессивной среды происходит на закрытых участках, где сохраняется водонасыщенное состояние конструкции пола. Наиболее интенсивное воздействие жидкой агрессивной среды на ребристую плиту перекрытия показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема наиболее интенсивного воздействия
жидкой агрессивной среды на примере ребристых плит
Учитывая пониженный в результате сжимающих напряжений коэффициент диффузии бетона, глубина коррозионных повреждений может снизиться в 2-3 раза в зависимости от уровня сжимающих напряжений. Однако величина коррозионных повреждений значительно выше ввиду интенсивности воздействия растворов молочной кислоты на поверхность бетона.
В ходе анализа данных результатов испытаний бетона подтверждается, что характер распределения величин результатов испытаний при увеличении количества измерений стремится к нормальному распределению (рис. 4). Ввиду малого (менее 30) кол-ва испытаний в большинстве категорий для определения прочности бетона на сжатие с обеспеченностью 0,95 используется критерий Стьюдента.
Рис. 4. Графики снижения прочности бетона конструкций в процессе эксплуатации:
а — испытания за 1999 год; б — испытания за 2014 год;
в — испытания за 2015 год; г — испытания за 2022 год
В частном случае эксплуатируемого здания молочной промышленности коэффициент химической стойкости бетона описывается следующим уравнением:
$K_{х.с.}=1-k\sqrt{t},$, (5)
где:
Определение коэффициента k, представляющего собой коэффициент интенсивности воздействия агрессивной среды на бетон, определяется путем подбора такого значения k, при котором величина d стремится к 0, где:
где:
В ходе анализа результатов испытаний за различные периоды может образоваться погрешность из-за различий в целях обследования, подходах испытателей, различных принципах работы оборудования, что сказывается на погрешности из-за влияния поврежденных коррозией наружных слоев бетона.
Для корректировки возможной разницы между результатами испытаний вводится поправочная величина D в формулу расчета коэффициента химической стойкости:
$Kх.с.=1-k(1+\sqrt{D})\sqrt{t}.$ (7)
И определяется по формуле:
$D=\frac{\sum_{i=1}^n(\frac{R_{b,факт,i}-R_{b,теор,i}}{R_{b,теор}})^2}{n}.$ (8)
С введением данной поправки формула (3) приобретает следующий вид:
Полученные в результате анализа данных о прочности бетона из таблицы 1 параметр интенсивности воздействия среды на прочность бетона приведен в Таблице 2:
Таблица 2
Определенные коэффициенты k для строительных конструкций в агрессивной среде растворов молочной кислоты
|
Объект, конструкция |
Место испытание |
Значение k |
|
Объект №1, плиты перекрытия |
Открытые участки снизу |
0,087 |
|
Закрытые участки сверху |
0,155 |
|
|
Объект №1, ригели перекрытия |
Открытые участки снизу |
0,085 |
|
Объект №2, колонны |
– |
0,076 |
|
Объект №2, плиты перекрытия |
Открытые участки снизу |
0,092 |
Как видно из таблицы 2, в ходе испытаний конструкций перекрытий снизу, то есть в открытых для газовоздушной среды и не находящихся в увлажненном состоянии, значения коэффициента k находится в пределах 0,076-0,092, в пределах конструкций перекрытия отдельно взятого объекта данный коэффициент находится в пределах 0,085-0,087. Испытанные конструкции сверху (находящихся в увлажненном состоянии и подвергающиеся наиболее интенсивному воздействию агрессивной среды) корродировали с интенсивностью 0,155, что в 1,78 раза больше результата испытания тех же конструкций снизу.
Полученные параметры коррозионных процессов и кривых деградации позволяют построить следующие графики Rb — t (рис. 5-9).
Рис. 5. Графики снижения прочности бетона конструкций плит перекрытия Объекта №1, испытанных снизу:
1 — кривая экспериментальной прочности бетона всех конструкций в указанной категории с обеспеченностью 0,95;
2 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (3).
Рис. 6. Графики снижения прочности бетона конструкций ригелей перекрытия Объекта №1, испытанных снизу:
1 — кривая экспериментальной прочности бетона всех конструкций в указанной категории с обеспеченностью 0,95;
2 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (3).
Рис. 7. Графики снижения прочности бетона конструкций плит перекрытия Объекта №1, испытанных сверху (в зоне наиболее интенсивного воздействия):
1 — кривая экспериментальной прочности бетона всех конструкций в указанной категории с обеспеченностью 0,95;
2 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (3).
Рис. 8. Графики снижения прочности бетона конструкций колонн Объекта №2:
1 — кривая экспериментальной прочности бетона всех конструкций в указанной категории с обеспеченностью 0,95;
2 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (3);
3 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (9).
Рис. 9. Графики снижения прочности бетона конструкций плит перекрытия Объекта №2:
1 — кривая экспериментальной прочности бетона всех конструкций в указанной категории с обеспеченностью 0,95;
2 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (3);
3 — кривая теоретической прочности бетона, полученной из формулы (9).
Полученная кривая 2 на рисунках 5-9 является усредненной кривой, полученной по результатам различных испытаний, обеспечивая надежность результатов расчета 0,95 для всех результатов испытаний, однако ввиду применения различных физических принципов определения прочности бетона на рисунках 8-9 график Rb(t) имеет явные погрешности. В таком случае более высокие значения результатов испытаний поднимают общую величину значения, что может негативно сказаться на надежности расчета. Для компенсации погрешности разброса величин по формуле 9 строится график Rb,корр(t) (кривая 3 на рисунках 8-9). В случае отсутствия разброса Rb,корр(t) стремится к Rb(t).
Своевременное исследование технического состояния строительных конструкций и определение несущей способности конструкций перекрытия с учетом коррозионных повреждений бетона и арматуры позволили исключить вероятность наступления аварийного состояния строительных конструкций и принять меры для обеспечения механической безопасности зданий. На основании результатов обследований предложены решения по восстановлению работоспособного технического состояния конструкций перекрытий объектов № 1 и № 2 с учетом особенностей технологических процессов и экономической целесообразности.
Выводы
Полученные в ходе анализа результатов обследований производственных зданий параметры коррозионных повреждений бетона строительных конструкций позволяют утверждать следующее:
- в пределах одного помещения производственного здания коррозионные повреждения бетона у одинаковых областей конструкций имеют схожий характер развития и определенные количественные параметры, которые можно измерить в ходе обследования технического состояния железобетонных конструкций;
- в пределах одного помещения производственного здания скорость развития коррозионных повреждений бетона у разных областей конструкций отличается и зависит от агрессивности эксплуатационной среды: наибольшие повреждения бетона образуются на поверхностях конструкций, находящихся в условиях постоянного замачивания растворами молочной кислоты;
- в результате протекания коррозии происходит изменение характеристик бетона по глубине сечения конструкций, что может приводить к разным результатам определения прочности бетона различными неразрушающими методами контроля (отрыв со скалыванием, упругий отскок, ультразвуковой контроль и др.).
Полученная зависимость (9) позволяет с достаточной надежностью спрогнозировать величину прочности поверхностного слоя бетона наиболее поврежденных участков конструкций. Величина прочности поверхностного слоя в совокупности с зависимостями глубины повреждения бетона и коррозии арматуры позволяет полноценно учесть коррозионные повреждения в расчете железобетонных элементов по прочности и деформативности.
В конечном итоге решается задача определения остаточного срока службы здания, что позволяет произвести планирование времени и средств на выполнение восстановления несущей способности конструкций, продлив безопасную эксплуатацию и жизненный цикл здания в целом.
