Технологии производства горизонтальной гидроизоляции

  Введение

XX-XXI век – время небывалого технического прогресса и дерзких научных открытий глобального значения, изменивших образ жизни и мышление общества. «На фоне и под влиянием этих технических и социальных факторов и основополагающих достижений фундаментальных наук родилось и сформировалось научное строительное материаловедение. В результате в современном строительстве используются тысячи наименований строительных материалов - конструкционных, теплоизоляционных, гидроизоляционных, антикоррозионных, радиационно-стойких, акустических, отделочных, кровельных, декоративных и других». Также разработано множество разнообразных технологий, в том числе и в сфере защиты подземных частей зданий и сооружений, и именно в области инъекционной гидрофобизации кирпичной кладки.

Долговечность зданий и сооружений зависит от многих факторов, но в первую очередь необходима защита от влаги. По традиционной строительной технологии против воздействия влаги применяют вентиляцию, изоляционные слои, краски. Однако в наше время развитие науки позволило создать вещества, которые меняют саму суть взаимодействие влаги с материалами – так называемые гидрофобизаторы. Сделать материал гидрофобным – значит обеспечить эффект несмачивания водой, которая будет скатываться с поверхности. Следовательно, гидрофобизация – один из методов решения в определённых условиях проблемы гидроизоляции.

Гидрофобизация стен – это один из видов пропиточной изоляции, результат образования тонких пленок гидрофобизаторов; в данный момент в строительстве используется два вида гидрофобизации стен: поверхностный и объемный. Объёмный может осуществляться различными способами в зависимости от конкретной ситуации. Так, например, при ремонте и восстановлении строительных конструкций с целью создания горизонтальной гидроизоляции наиболее рационален способ нагнетания инъекционных материалов под определённым (то есть, возможно, и «под собственной силой тяжести» - самотёком) давлением.

Технология ремонта и восстановления строительных конструкций путем нагнетания инъекционных материалов заключается в герметизации швов, пустот и трещин цементными или полимерными материалами, которые закачиваются под давлением с помощью специального оборудования. Вносимые растворы полностью заполняют образовавшиеся пустоты, поры, капилляры, скрепляют места растрескивания, делают бетон и кирпичную кладку прочнее, в результате чего предотвращаются протечки воды.

При инъектировании трещины могут заполняться различными  составами, в том числе

имеющими цементную основу или представляющими собой сложные многокомпонентные полимеры. Конкретный вид раствора выбирается в зависимости от поставленной задачи, состояния конструкции и технологии проведения работ.

В данной курсовой работе  подробно рассмотрены следующие вопросы: необходимость защиты зданий и сооружений от влаги на территории г. Барнаула; виды гидроизоляции и гидрофобизации, а также их сравнение по технико-экономическим показателям. Предоставлены результаты научных экспериментов, направленных на изучение и анализ действия материалов («Типром К Люкс» и ГФ-2 «Чистюля») при горизонтальной кремнийорганической гидрофобизации каменных конструкций из керамического кирпича методом инъектирования «самотёком». Сформулированы общие выводы и рекомендации по защите конструкций зданий и сооружений от капиллярной влаги в Алтайском крае. 
1.1  Воздействие подземных вод на здания и сооружения

1.1.1  Виды воды в грунте

В современной литературе существует большое количество различных классификаций видов воды в грунтах. Широко известна классификация, предложенная А. Ф. Лебедевым (1936), которая явилась результатом его многочисленных и тщательно выполненных экспериментальных работ в этой области. А. Ф. Лебедев различал в грунте следующие категории воды:

  -  вода в форме  пара;

  -  гигроскопическая  вода;

  -  пленочная вода;

  -  гравитационная  вода:

  -  капиллярная вода,

  -  подвешенная вода,

  -  гравитационная  вода, находящаяся в состоянии  падения;

  -  вода в твердом  состоянии;

  -  кристаллизационная  вода и химически связанная  вода.

Исходя из исследований последних лет, на основании классификации А. Ф. Лебедева, может быть предложено следующее подразделение воды в грунтах:

• Вода в форме пара.
• Связанная вода:

     -  прочносвязанная (гигроскопическая) вода;

     -  рыхлосвязанная  вода.

• Свободная вода:

     -  капиллярная  вода;

     -  гравитационная  вода.

• Вода в твердом состоянии.
• Кристаллизационная вода и химически связанная вода.

1.1.2  Виды воздействия воды на сооружения

Дождевая и талая воды образуют на поверхности временные скопления - поверхностные воды. При их просачивании в грунт образуются временные потоки безнапорных фильтрационных вод. Если на пути фильтрационных вод встречается ограниченный по площади слой водоупорного грунта или кровля подземного сооружения, то над ним может сформироваться временный водоносный горизонт - верховодка.

Подземные воды, содержащаяся в грунте, под действием капиллярных и молекулярных сил проникают в пористые материалы конструкций и поднимается в них на высоту до 6 м, чему способствует также гидростатическое и гидродинамическое давление воды. Периодическое замерзание и оттаивание воды в конструкции приводит к механическому разрушению, а наличие в воде ряда химических веществ делает ее агрессивной по отношению к бетону и цементным растворам и вызывает химическое разрушение материала конструкции. Этим воздействиям особенно подвергаются цоколи и фундаменты зданий в пределах глубины промерзания.

Подземная вода и влага, проникая в заглубленные части зданий и сооружений, создают в них сырость, вызывают набухание, гниение, коррозию, механическое разрушение, всплытие полов, в некоторых случаях - и затопление помещений.

Рисунок 1 - Схема движения воды

Во временных и постоянных водоносных горизонтах поры грунта полностью заполнены гравитационной водой, степень водонасыщения равна единице, а ниже поверхности подземных вод существует напор. Выше этой поверхности есть зона капиллярного увлажнения, при этом уровень капиллярного поднятия определяется гранулометрическим составом грунта и изменяется от десятков сантиметров в песках до нескольких метров в пылеватых и глинистых грунтах.

Таблица 1 - Капиллярный подъем воды

Степень водонасыщения  в капиллярной зоне изменяется от единицы на уровне поверхности подземной воды до молекулярной влажности на верхней границе зоны. Напор капиллярной воды - отрицательный, поскольку она испытывает воздействие растягивающих напряжений от сил поверхностного натяжения на контакте с воздухом и смачиваемыми поверхностями твердых частиц.

Если сооружение находится ниже поверхности подземных вод или верховодки, то пьезометрическое давление воды вызовет ее напорную фильтрацию вплоть до затопления сооружения.

Агрессивные минерализованные поверхностные и подземные, морские воды, канализационные и промышленные стоки, вступая в контакт с конструкциями, прежде всего железобетонными, приводят к их разрушению. Степень агрессивного воздействия подземных вод (слабая, средняя, сильная) устанавливается по СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии" в зависимости от материала конструкции и содержания агрессивных компонентов.

Выбор способов и средств для водозащиты сооружения определяется эксплуатационными требованиями к нему, его конструктивными характеристиками и степенью обводненности грунта.

По степени допустимого увлажнения помещения делятся на три категории.

Таблица 2 - Категории сухости помещений

Таблица 3 - Степень обводненности грунта

1.1.3  Причины нарушения водозащиты старых зданий г. Барнаула

К основным причинам нарушения водозащиты старых зданий кроме естественных причин старения материалов можно отнести:

  -  подъем уровня  подземных вод, вызванный природными (нагонные наводнения) и техногенными  причинами - утечками из водопроводных  и канализационных сетей; 
  -  подъем уровня территории за счет нарастания техногенного слоя при многократном мощении и асфальтировании, в результате чего увеличивается влажность кладки стен из-за капиллярного подсоса влаги; 
  -  повреждение глиняного замка при вводе или ремонте коммуникаций (труб, кабелей); 
  -  изменение планировки, повреждение отмостки и водостоков с кровли, в результате чего атмосферная влага стекает к стене здания и капиллярным подсосом поднимается вверх; 
  -   засорение дренажа и скопление атмосферных вод в грунте вокруг фундамента.[30]

1.1.4  Примеры аварийных зданий и сооружений в грунтовых условиях старой части города

Приведём несколько примеров аварийных зданий и сооружений, а именно находящихся по адресам: г. Барнаул пр. Ленина 17, Льва Толстого 11.

1.1.4.1  «Административное здание, Ленина проспект, 17 в г. Барнауле»

Геологическое строение и гидрогеологические условия.

В геоморфологическом отношении площадка проектируемого строительства расположена на первой надпойменной террасе р. Барнаулки, которая сложена толщей аллювиальных песков различной крупности и плотности сложения, подстилаемых суглинками кочковской свиты. В геологическом строении площадки на изученную глубину 13,0 м принимают участие:

Современные отложения (IV) в виде насыпного грунта, представленного песком с включениями строительного мусора, мощностью 1,2-1,4 м, при встрече выгребных ям и погребов - до 3,0 м.

Верхнечетвертичные аллювиальные отложения первой надпойменной террасы р. Барнаулки (a1 III) залегают под современными и представлены песками мелкими и средней крупности. Мощность песков 6,8-6,9 м.

Верхнеплиоценовые отложения кочковской свиты (N kc) подстилают аллювиальные пески на глубине 8,0-8,3 м, на отметках 135,3-135,8 м. Представлены данные отложения суглинками от полутвердой до тугопластичной консистенции. Вскрытая мощность их 
4,7-5,0 м.

На момент изысканий грунтовые воды встречены на глубине 0,4-0,6 м, на отметке 143,2 м. Водовмещающими грунтами водоносного горизонта являются насыпные грунты и аллювиальные пески, мелкие и средней крупности. Водоупором служат кочковские суглинки. Питание грунтовых вод осуществляется за счет атмосферных осадков и за счет перетока со II надпойменной террасы. Разгрузка происходит в отложения поймы, и дренируются воды рекой Барнаулкой.

Максимальный уровень грунтовых вод устанавливается в мае-июне, минимальный - в феврале-марте. Максимальный уровень грунтовых вод относительно установленного на период изысканий следует ожидать на 0,5 м выше, т.е. практически зеркало грунтовых вод в период высокого стояния будет сливаться с дневной поверхностью. Площадка является естественно подтопленной.

Геологические и инженерно-геологические процессы и специфические грунты.

Геологические и инженерно-геологические процессы на площадке связаны с высоким стоянием уровня грунтовых вод и подтопленностью участка. 

 Согласно картам общего  сейсмического районирования территории - ОСР-97А - район работ для средних  по сейсмическим свойствам грунтов  относится к 6-бальной зоне по  шкале МSК-64 для объектов массового  строительства. Категория грунтов  по сейсмическим свойствам (табл.1, СНиП II-7-81*) - третья (мощность водонасыщенных  грунтов в 10-метровой толще составляет  более 5,0 метров).

Физико-механические свойства грунтов.

По данным исследований свойств грунтов в лабораторных условиях, с учетом материалов изысканий прошлых лет, геологического строения, литологических особенностей в пределах изученной глубины 13,0 м выделено 4 инженерно-геологических элемента:

Элемент 1 - насыпной грунт.

Элемент 2 - песок мелкий рыхлый.

Элемент 3 - песок средней крупности средней плотности.

Элемент 4 - суглинок тугопластичный.

Элемент 1. Насыпной грунт, представленный песком с включениями строительного мусора до 20%, залегает с поверхности мощностью 1,2-1,4 м.

Элемент 2. К этому элементу отнесен песок мелкий рыхлый, залегающий под насыпным грунтом до глубины 3,5-3,6 м, мощностью слоя 2,1-2,4 м. Грунты желто-серого цвета,  насыщенные водой, рыхлого сложения.

По гранулометрическому составу содержание частиц размером более 0,5 мм составляет 88%, т.е. песок мелкий. Нормативное значение плотности песка в состоянии полного водонасыщения составляет 1920 кг/м3. Коэффициент пористости 0,80, т.е. песок рыхлый (выделен по результатам статического зондирования на соседней площадке [7]).

Модуль деформации приводится с учетом статического зондирования и составляет 14 МПа [7]. Прочностные характеристики данных грунтов приведены по СНиП 2.02.01-83*, прил. 1, табл. 1 и составляют: угол внутреннего трения 26о, удельное сцепление 0 кПа. Степень коррозионной агрессивности песка элемента 2 к углеродистой стали высокая [6].

Элемент 3. К этому элементу отнесен песок средней крупности средней плотности, залегающий под песком мелким элемента 2 до глубины 8,0-8,3 м, мощностью слоя 4,6-4,8 м. Грунты желто-серого цвета, насыщенные водой, средней плотности сложения, неоднородные, с прослоями суглинка.

По гранулометрическому составу содержание частиц размером более 0,25 мм составляет 63%, т.е. песок средней крупности. Нормативное значение плотности песка при полном водонасыщении и коэффициенте пористости 0,65 составляет 2010 кг/м3.

Модуль деформации приводится с учетом статического зондирования и составляет 25 МПа [7]. Прочностные характеристики данных грунтов приведены по СНиП 2.02.01-83*, прил. 1, табл. 1: угол внутреннего трения 32º, удельное сцепление 1 кПа.

Элемент 4. Элемент представлен суглинком тугопластичной консистенции, синевато-серого цвета. Подстилают пески средней крупности средней плотности элемента 3 на глубине 8,0-8,3 м, вскрытой мощностью слоя 4,7-5,0 м.

Нормативное значение природной влажности грунта составляет 0,225 при влажности на границе текучести 0,30, на границе раскатывания 0,19. Среднее число пластичности 0,11. Консистенция суглинка от полутвердой до тугопластичной консистенции, в среднем, тугопластичная. Плотность грунта при природной влажности 2020 кг/м3, в сухом состоянии 1650 кг/м3. Коэффициент пористости 0,65. Показатель текучести суглинка при полном водонасыщении составит 1,36.

Деформационные характеристики данных грунтов получены по компрессионным испытаниям, и составили: модуль деформации при природной влажности в интервале нагрузок 0,1-0,2 МПа - 10,0 МПа

Прочностные показатели приведены по данным материалов изысканий на сопредельной площадке и в условиях консолидированного среза при полном водонасыщении составляют: угол внутреннего трения 26о, удельное сцепление 59 кПа [6].

Нормативные и расчетные характеристики грунтов элементов 2, 3 и 4 приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Нормативные и расчетные характеристики грунтов

Рисунок 2 - Ленина 17, правый фасад

Рисунок 3 - Ленина 17, левый фасад

Рисунок 4 - Ленина 17, подвал

1.1.4.2  «Административное здание, ул. Льва Толстого, 11 в г. Барнауле»

Геологическое строение и гидрогеологические условия.

Геологический разрез изучен до глубины 13,0 м и представлен насыпными грунтами мощностью от 0,5 м до 1,0 м, аллювиальными песками  мелкими  мощностью  1,9 - 2,0 м,

суглинками кочковской свиты вскрытой мощностью до 3,0 м, и песками мелкими мощностью 6,0-7,0 м. Подземные воды  вскрыты на глубине  2,7-2,9 м. Категория сложности инженерно-геологических условий участка II. В дополнение к имеющимся материалам был вскрыт шурф с отбором образцов грунта нарушенной структуры. Лабораторные работы выполнены  в грунтовой лаборатории АлтГТУ им. И.И. Ползунова в соответствии с действующими ГОСТами на лабораторные исследования грунтов. В геоморфологическом отношении площадка изысканий находится на первой надпойменной террасе р. Барнаулки. В геологическом строении до глубины 13,0 м принимают участие: современные отложения (t IV) представленные насыпным грунтом; верхнечетвертичные  аллювиальные  отложения  первой  надпойменной террасы р. Барнаулки (a1 III) представленные песком мелким и отложения  кочковской свиты  (N2 кс) представленные суглинком  тугопластичным и песком мелким плотным.

По происхождению, составу и состоянию в пределах 13,0-ти метровой толщи выделено 4 инженерно-геологических элемента:

1 - насыпной грунт;

2 - песок мелкий средней  плотности;

3 - суглинок тугопластичный;

4 - песок мелкий плотный.

Нормативные и расчетные значения физико-механических характеристик грунтов приведены в таблицах 15.

Таблица 5 - Нормативные и расчетные характеристики грунтов

В пределах изученной глубины подземные воды вскрыты с глубины 2,7-2,8 м . Водоупором служат суглинки кочковской свиты, водовмещающие грунты - насыпные и пески мелкие первой надпойменной террасы р. Барнаулки. Питание водоносного горизонта происходит за счёт атмосферных осадков и бокового притока из водоносных горизонтов вышележащих террас. Разгружаются подземные воды в водоносный горизонт отложений поймы или дренируются р. Барнаулкой. Максимум стояния уровня в мае-июне, минимум в декабре-марте. Амплитуда сезонных колебаний уровня до 1,0 м. Площадка является естественно подтопленной. По химическому составу воды гидрокарбонатно-кальциевые I типа, неагрессивные к бетонам любой марки по водонепроницаемости на любых цементах, к железобетонам слабоагрессивные  при  периодическом смачивании.

Сейсмичность района работ для объектов массового строительства 6 баллов по карте ОСР-97А. Категория грунтов по сейсмическим свойствам третья (таблица1, СНиПII-7-81*, издание 2000 года).

Рисунок 5 - Льва Толстого 11,главный фасад

1.2  Основные принципы проектирования защиты 
подземных частей зданий и сооружений от подземных вод

1.2.1  Основные виды защитных мероприятий

Все мероприятия по борьбе с подтоплением подразделяются на предупредительные и защитные. Среди последних, в свою очередь, выделяются строительные и эксплуатационные защитные мероприятия.

1.2.2  Виды защитной гидроизоляции

Вода и влага – два главных разрушительных фактора, которые негативным образом влияют на долговечность зданий и приводят к ухудшению их эксплуатационных характеристик. Гидроизоляция зданий препятствует проникновению воды и предотвращает разрушение.

В зависимости от целей применяют различные виды гидроизоляции. Для решения конкретной задачи, а именно, восстановление разрушенной горизонтальной гидроизоляции необходимо выбрать способ и материал гидроизоляции, который будет оценен по следующим критериям: экономичность, экологичность, трудоемкость, долговечность.

Для всех видов гидроизоляции, кроме инъекционной, требуются тяжелые подготовительные работы. Необходимо по участкам в 1-1.5 м разбирать 3-4 слоя кладки, производить гидроизоляцию данного участка, и только потом приступать к следующему.

При устройстве окрасочной, обмазочной, напыляемой и проникающей гидроизоляции необходимо ждать пока они высохнут или начнут действовать их свойства (проникающая). А это означает, что здание будет выведено из эксплуатации на значительное время.

Оклеечная гидроизоляции не требует дополнительного времени, но ее устройство так же тяжело.

Процесс устройства инъекционной гидроизоляции так же требует определенных подготовительных работ, но их процент не столь велик по сравнению с другими видами гидроизоляции.

Так же устройство любого вида гидроизоляции кроме инъекционного, требует последующей внутренней отделки помещения.

Наиболее быстро выполнимой является инъекционная гидроизоляция, и ее устройство можно выполнять без выведения здания из эксплуатации.

В плане экологичности, инъекционная гидроизоляция не содержит в своем составе токсинов, битумных смол, а значит, является менее вредной для окружающей среды. Схожими параметрами обладает и штукатурная гидроизоляция.

Остальные виды гидроизоляции включают в свой состав различные токсины, и для их устройства требуются необходимые меры предосторожности.

Руководствуясь данными выводами, мы приняли для более детального рассмотрения инъекционную гидроизоляцию. 

2.1  Инъекционная гидроизоляция

Одним из высокотехнологичных и высокоэффективных методов решения вопросов по гидроизоляции строительных конструкций является инъекционная гидроизоляция.

Рисунок 6 - Инъекционная гидроизоляция

При строительстве здания, а также при его дальнейшей эксплуатации, немаловажно уделить особое внимание гидроизоляции подвальных и полуподвальных помещений. К ним относятся: подвалы, складские помещения, гаражи, погреба, офисы на цокольных этажах, подземные паркинги. Если гидроизоляция нарушена, то весной мы сталкиваемся с знакомой проблемой: затопление, влага просачивающаяся сквозь бетон, ручейки из стыков и швов. Все это говорит о том, что гидроизоляция фундамента была выполнена некачественно или же при производстве работ была повреждена. Нередко проникающей гидроизоляции не по силам устранить возникшую проблему. Для ее решения применяется инъекционная гидроизоляция.

Инъекционные технологии могут применяться для создания:

  - отсечной горизонтальной гидроизоляции в уже построенных зданиях и сооружениях, а также для гидрофобизации конструкции (устранения капиллярного подъема воды);

  - для создания гидроизоляционной мембраны через «тело» конструкции на контакт «грунт-фундамент» или «грунт-стена» при отсутствии доступа к наружной поверхности конструкции;

  - для уплотнения внутренней структуры бетона, заполнения конструкционных швов и трещин.

Одним из самых распространенных примеров применения отсечной горизонтальной  гидроизоляции может быть случай, когда такая технология применяется для устранения сильного подсоса грунтовых вод по кирпичной кладке. Такого рода мероприятия могут эффективно решить вопросы с прекращением доступа влаги в помещения, расположенные ниже уровня грунта, а также позволяют избежать повышенной сырости в таких помещениях. Очень активно отсечная гидроизоляция применяется при реставрации старых построек из кирпича.

Если рассмотреть данную технологию на примере отсечной гидроизоляции кирпичных кладок, то заключаться она будет в следующем: в кладке горизонтально на одном уровне вдоль всего гидроизолируемого участка, либо в шахматном порядке (это зависит от конструкции и решаемых задач), засверливаются шпуры, через которые нагнетают специальные гидроизоляционные составы - гидрофобизаторы .Эти составы, насыщая кладку, препятствуют дальнейшему подсосу воды.

Данный процесс является достаточно трудоемким и требует длительных временных затрат, связанных с многоэтапностью и постепенностью нагнетания гидроизолирующих составов в тело конструкции, а также требует засверливания большого количества инъекционных отверстий для устройства отсечного гидроизоляционного  слоя, с учетом сохранения целостности ремонтируемой  конструкции.

Другим случаем применения инъекционной гидроизоляции может служить задача, связанная с созданием гидроизоляционной мембраны через «тело» конструкции в зоне контакта «грунт-фундамент» или «грунт-стена». Такого рода работы бывают оправданы, когда доступ к наружной поверхности конструкции невозможен, либо сопряжен с несоизмеримыми с данным методом материальными затратами. В качестве материалов в данном случае применяют акрилатные гели или полиуретановые  составы, которые обладают большой  способностью к расширению.

Идея применения акрилатных гелей сводится к тому, что они создают наружную мембрану по границе «грунт-конструкция». И как пример может служить применение данного метода для остановки воды через поврежденную рулонную гидроизоляцию, а также при гидроизоляции деформационных швов.

Также эти составы активно применяются для заполнения пустот, образующихся при деформации конструкции, создавая водонепроницаемый слой между насыщенным водой грунтом и изолируемой конструкцией. Учитывая, что плотность акрилатных гелей близка к плотности воды, они легко полимеризуются в материале (бетоне, кирпиче) и грунте, образуя с ними очень прочную связь. Гели обладают быстрым началом гелеобразования (полимеризации), высокой текучестью, которая соизмеримая с текучестью воды, что позволяет проникать даже в самые мелкие и труднодоступные повреждения фундаментов и делает предпочтительным их применение в условиях сильного напора воды, по сравнению с инъекционными составами на основе полиуретановых и эпоксидных смол. Создается защита от напорной воды, как в самих стенах конструкции, так и снаружи - между стеной и грунтом. К тому же, при смешивании с частицами грунта происходит еще и укрепление близлежащих к стене слоев, что отчасти стабилизирует грунт вокруг места инъектирования.

 Акрилатные гели широко  применяются для восстановления  гидроизоляции несущих конструкций  здания, т.к. акрилатный гель, закачанный  внутрь конструкции, остается там  на весь срок эксплуатации  здания, не подверженный разрушающему  воздействию окружающей среды  и позволяет никогда более  не возвращаться к проблеме  гидроизоляции фундамента. Гидроизоляция  акрилатными гелями позволяет  осуществить полную герметизацию  подземных сооружений, включая труднодоступные  участки.