Сооружения, возводимые из бетона и железобетона, подвергаются различным видам внешнего агрессивного воздействия среды, что приводит к их постепенному разрушению. При этом бетонные конструкции гидротехнических сооружений (бетонные плотины, подпорные стены, водосбросы, шлюзы и др.) испытывают особенно интенсивное вредное воздействие. Это связано с тем, что гидротехнический бетон характеризуется систематическим контактом с водной средой.
К основным видам агрессивного воздействия водо-воздушной среды на гидротехнический бетон относятся:
– выщелачивание;
– морозное разрушение;
– карбонизация;
– солевое воздействие;
– истирание.
Выщелачивание — процесс растворения и выноса гидроксида кальция из бетонного тела. Гидроксид кальция (формула Ca(OH)2) представляет собой основную составляющую цементного камня, которая и обеспечивающую его прочность. Основным фактором, вызывающим развитие выщелачивания, служит сквозная фильтрация, при которой воде удается пройти через всю толщу конструкции. Сквозная фильтрация возникает при большом градиенте напора (перепад гидростатического давления между напорной и безнапорной гранями бетона), или при большом количестве трещин (особенно сквозных). У выщелачивания есть дополнительное негативное явление: обводнение трещин и пор бетона резко активизирует коррозию стальной арматуры. Для ликвидации выщелачивания требуется проведение специализированных ремонтных работ, нацеленных на:
– ликвидацию или минимизацию трещин (их числа и величины раскрытия);
– снижение водопроницаемости цементного камня.
Проектные способы достижения описанных целей могут быть различными. К примеру, уменьшение трещинообразования может быть достигнуто установкой дополнительных опорных элементов. Уже существующие трещины заделываются высококачественными смесями на основе тонкодисперсных безусадочных цементов или полимеров (полимеры применяются для «дышащих» трещин, т.е. трещин, изменяющих свое раскрытие с течением времени). Для ликвидации трещин очень эффективной мерой является инъектирование. Снижение общей водопроницаемости цементного камня достигается частичной заменой бетона: у существующей конструкции срубается лицевой полуразрушенный бетон, и на его месте производится укладка монолитного бетона высокого класса с малым водоцементным (В/Ц) соотношением, с дополнительной анкеровкой в существующий сохранный бетон.
Морозное разрушение — процесс растрескивания бетонного тела под влиянием замерзающей в его порах воды, которая при превращении в лед увеличивается в объеме. Переход воды из жидкого состояния в твердое сопровождается увеличением объема на 10 %. Такое увеличение вызывает в бетоне резкий рост внутренних напряжений на разрыв. Т.к. сопротивление бетона растягивающим напряжением очень мало, то результатом замерзания воды оказывается появление в бетонном теле большого числа микротрещин. Эти микротрещины при последующем заполнении их водой и новом цикле «замораживание—оттаивание» становятся, в свою очередь, дополнительным фактором для морозного разрушения. Для борьбы с таким типом деструкции бетона необходимо:
– минимизировать насыщение бетона водой посредством выполнения водонепроницаемых (но не паронепроницаемых) покрытий;
– применять воздухововлекающие добавки, образующие в бетоне замкнутые поры, играющие роль резервных микрополостей для расширяющейся замерзающей воды.
Карбонизация — процесс превращения гидроксида кальция Ca(OH)2, являющегося базовым элементом цементного камня, в карбонат кальция CaCO3. Основной опасностью карбонизации является то, что при её развитии происходит снижение щелочности бетона — с pH=13 до pH=8. В условиях высокой щелочности (pH>10) коррозия стальной арматуры невозможна. При снижении водородного показателя pH до 9 и ниже происходит резкая активизация коррозии стальной арматуры. Развитие коррозии ведёт к образованию на поверхности арматуры ржавчины, объём которой больше исходного объема стали, что вызывает растягивающие напряжения в бетоне вокруг арматурного стержня и откалывание защитного слоя бетона.
На практике основным методом по предотвращению карбонизации бетона является снижение проницаемости бетона для воды. Для новых железобетонных конструкций это достигается за счет применения соответствующих марок по водонепроницаемости W — не менее W6. Для уже существующих конструкций, требующих ремонта, применяется пропитка специальными проникающими материалами, снижающими объем внутренних пустот и трещин. В тяжелых случаях, когда процессы карбонизации проникли на всю толщину защитного слоя, наиболее эффективной (и дорогостоящей) мерой все же является замена карбонизированного защитного слоя на новый монолитный бетон. При этом одновременно производится очистка арматуры от ржавчины и покрытие ее адгезионными составами (для повышения сцепления с бетоном).
Солевое воздействие — процесс проникновения в бетонное тело сульфатов и хлоридов. Данные соли являются одной из причин развития коррозии стальной арматуры, которая приводит к вышеописанным последствиям. Основным источником появления сульфатов и хлоридов являются естественные грунты и водная среда. Наилучший способ ликвидации развитых солевых процессов — замена существующего бетона на новый, характеризующийся меньшей водопроницаемостью.
Истирание — процесс воздействия воды или находящихся в ней объектов на бетонную поверхность. Источниками истирания служат:
– водные потоки, контактирующие с бетоном и характеризующиеся высокой скоростью и продолжительностью;
– речные суда (для шлюзов), мусор, влекомые брёвна и т.п. объекты.