Защита столбчатых фундаментов от солевой коррозии

ВВЕДЕНИЕ

    Фундаменты  начали возводить еще в глубокой древности, одновременно с развитием  строительства. Большое место среди  фундаментов занимали свайные постройки, которые устраивались в устьях рек  и предназначались для защиты от зверей и врагов. В дальнейшем назначение свай изменилось, однако они  широко применялись. Сооружения, построенные  на хороших основаниях, отличаются большой долговечностью, некоторые  из них сохранились до наших дней.           Столбчатый фундамент представляет собой систему столбов расположенных по углам и в местах пересечения стен, а также под тяжелыми и несущими простенками, балками и другими местами сосредоточенной нагрузки здания. Для создания условий совместной работы столбов, как единой конструкции, и повышения устойчивости столбчатых фундаментов, для избежания их горизонтального смещения и опрокидывания, а также для устройства опорной части цоколя между столбами делают ростверк (обвязочные балки, рандбалки).       Столбчатые фундаменты предназначены для строительства зданий из сравнительно легких конструкций (например деревянных домов из каркасными щитовыми стенами).       Столбчатый фундамент может исполнятся из разных видов материала: бетон, камень, дерево, кирпич. Для устройства деревянного фундамента используют сосну или дуб, кругляк размером около 200 мм, предварительно обожженный и обмазанный битумом. Фундамент может быть устроен из кирпича-железняка (но ни в коем случае не из обычного красного). Размер кирпичного фундамента должен быть не менее 500 х 500 мм. Столбы можно формировать из бутового камня (размер столба 600 х 600 мм.). Но предпочтительнее все же для строительства столбчатого фундамента использовать бетон или бутобетон при размере столба 400 х 400 мм. 

    Преимущества  столбчатого фундамента очевидны: это  его легкость и относительная  дешевизна за счет снижения затрат материалов и труда. Кроме того, такой  тип фундамента хорошее себя зарекомендовал в условиях холодного климата  с глубоким промерзанием почвы.     Но, столбчатый фундамент имеет существенные недостатки, среди которых, в первую очередь, низкая устойчивость в горизонтально подвижных грунтах и значительные трудности при возведении цоколя. Потому, при выборе данного типа фундамента необходим тщательный анализ состояния грунтов и расчет нагрузок на почву, что невозможно произвести без привлечения опытных специалистов инженерных или проектных бюро. И все же, столбчатый фундамент – это хорошее и экономичное решение для строительства легких конструкций и деревянных домов, особенно каркасно-щитовых, преимущественно в секторе частного индивидуального строительства.

    В последнее время появилась тенденция  использования в промышленности строительных материалов отходов производства (зол, золошлаковых смесей и др.), использования  для изготовления бетонных и железобетонных конструкций бесцементных вяжущих  и вяжущих с пониженным содержанием  клинкерного фонда. Вот почему необходимо решать вопросы долговечности этих конструкций даже при эксплуатации в нормальных атмосферных условиях (жилые, административные здания и др.).

    Не  менее важной является экономия металла  в строительстве, в связи с  чем имеется тенденция замены всей арматуры железобетонных конструкций  на арматуру класса А 500 С. Повсеместное применение последней в строительстве  требует изучения ее коррозийной  стойкости при воздействии агрессивных  сред и использовании нетрадиционных строительных материалов.

    Повышение надежности и коррозийной стойкости  железобетонных конструкций в агрессивных  средах может быть решено созданием  коррозиестойких строительных материалов нового поколения с использованием экономичных заводских технологий и новых видов арматурных сталей высокой надежности, позволяющих обеспечить экономию металла на 20-40 %.

    Немаловажную  роль в увеличении долговечности  строительных конструкций играет культура производства и эксплуатации, повышение  качества изделий при изготовлении.

     Задачами расчетно-графической работы является:

     1. Рассмотрение производства столбчатых фундаментов;

     2. Исследование коррозионных процессов  солевой коррозии в столбчатых фундаментах;

     3. Меры защиты конструкции от  солевой коррозии. 

1 Производство столбчатых фундаментов 

    В качестве основной номенклатуры в расчетно-графической  работе принимаются фундаменты столбчатые по ГОСТ 24022-80 «Фундаменты железобетонные сборные под колонны. Технические условия».

     Столбчатые  фундаменты возводят под здания с легкими стенами: деревянными, каркасными. При возведении столбчатых фундаментов необходимо соблюдать следующие правила:

     - столбы ставятся пол все углы  наружных стен строения, под пересечениями  внутренних стен с наружными  и между собой.

     - в зависимости от нагрузки  на фундамент столбы устанавливаются  по всему периметру строения  с определенным шагом (от 1.2 до 2.5 метров)

     - между столбами необходимо выложить  цоколь, который должен опираться  на перемычку между столбами.

     Перемычка необходима с одной стороны для  стяжки столбов между собой, с  другой - служит основанием для цоколя. Цокольная кладка является изоляцией  подпола от прямого воздействия  окружающей среды (ветра, снега, сырости). Наличие цокольной кладки влияет на температуру и влажность непосредственно  в помещениях дома.

    Фундаменты  должны изготовляться в соответствии с требованиями   ГОСТ 24022-80 «Фундаменты железобетонные сборные под колонны. Технические условия».

    Фундаменты  должны изготовляться в стальных формах, удовлетворяющих требованиям  ГОСТ 18886-73. Допускается изготовлять фундаменты в неметаллических формах, обеспечивающих соблюдение требований настоящего стандарта к качеству и точности изготовления конструкций.

    Для изготовления фундаментов должен применяться бетон по прочности на сжатие М300, М400.

    Материалы, применяемые для приготовления  бетона, должны удовлетворять действующим  стандартам или утвержденным в установленном  порядке техническим условиям на эти материалы.

    Бетон по морозостойкости должен соответствовать  маркам, назначаемым в зависимости  от режима эксплуатации конструкции  и климатических условий района строительства согласно главе СНиП II-21-75.

    Бетон, а также материалы для приготовления  бетона фундаментов, применяемых в  условиях воздействия агрессивной  среды, должны удовлетворять требованиям  главы СНиП II-28-73.

    Бетон фундаментов, предназначенных для  работы в условиях воздействия слабо- или среднеагрессивных грунтовых  вод, должен быть повышенной плотности (П).

    Показатели  плотности бетона должны соответствовать  показателям, установленным главой СНиП II-28-73.

    Для армирования фундаментов применяют  горячекатаную арматурную сталь  класса А-III по ГОСТ 5781-75 и ГОСТ 5.1459-72 .

    Сварные арматурные изделия должны соответствовать  требованиям ГОСТ 10922-75. Сварные соединения арматурных сеток следует производить  контактной сваркой. Сварке подлежат все  пересечения стержней.

    Монтажные петли фундаментов должны изготовляться  из горячекатаной гладкой арматурной стали класса А-I мapок ВСтЗсп2 и ВСтЗпс2 или из арматурной стали периодического профиля класса Ас-II марки 10ГТ по ГОСТ 5781-75.

    Сталь марки ВСтЗпс2 не допускается применять  для изготовления монтажных петель, предназначенных для подъема  и монтажа фундаментов при  температуре ниже минус 40°С.

    Поставка  фундаментов потребителю должна производиться после достижения бетоном отпускной прочности, которая  назначается и согласовывается  в соответствии с ГОСТ 13015-75. При  этом, величина отпускной прочности бетона должна быть не менее 60% прочности, соответствующей его проектной марке по прочности на сжатие.

    Проектное положение арматурных изделий и  толщину защитного слоя бетона следует  фиксировать прокладками из плотного цементно-песчаного раствора или  пластмассовыми фиксаторами. Применение стальных фиксаторов не допускается.

    Отклонения  фактических размеров и формы  фундаментов от проектных не должны превышать, мм:по длине и ширине ±15; по высоте ±10;

    На  поверхностях фундаментов не допускаются:

• раковины диаметром более 15 мм и глубиной более 5 мм,
• местные наплывы бетона и впадины высотой и глубиной более 5 мм;
• сколы бетона ребер глубиной более 10 мм общей длиной более 100 мм на 1 м ребра;
• трещины, за исключением усадочных, шириной не более 0,1 мм;
• обнажение арматуры.

а - сборный  железобетонный под колонны; б - из бутового камня под столбы; в - сборный железобетонный под несущие стены; г - сборный  железобетонный под каркасные стены

Рисунок 1- Столбчатые фундаменты:

а - план фундамента; б - сечение по цоколю; 1 - бутовый столб; 2 - зазор 50мм; 3 - отмостка; 4 - гидроизоляция; 5 - рядовая перемычка; 6 – горбыль

Рисунок 2 - Столбчатый фундамент:

       В качестве исходных сырьевых материалов при производстве железобетонных фундаментов используется: цемент; заполнители: песок (мелкий заполнитель), гранитный щебень (крупный заполнитель); вода; добавка.

     Для производства бетона применяют портландцемент и его разновидности. В основном используют бетон М300, М 400.

    Портландцемент  должен соответствовать всем требованиям ГОСТ 10178 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».

    Заполнители бетона – природные или искусственные  сыпучие каменные материалы. Занимая  в бетоне 80-85% его объема, заполнители  образуют жесткий скелет бетона, уменьшая усадку и предотвращая образование  усадочных трещин.

    В зависимости от размера зерен  заполнитель делят на мелкий (песок) и крупный (щебень и гравий).

    Щебень  должен удовлетворять требованиям  ГОСТ 8267 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические       условия».

    Песок является местным сырьем и поступает  на завод из карьеров, расположенных  в пределах города в автосамосвалах. Он должен соответствовать требованиям  ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ. Технические условия».

    Технические характеристики этих заполнителей приведены  в              таблицах 1,2.

    Таблица 1 – Характеристика гранитного щебня

    Таблица 2 – Характеристика песка

    Вода, предназначенная для приготовления  бетонных смесей, должна соответствовать  ГОСТ 23732 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия».

    Вода  должна удовлетворять следующим  требованиям:

    - содержание в воде органических поверхностно-активных веществ, сахаров или фенолов, каждого, не должно быть более 10 мг/л;

    - вода не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров, масел;

    - в воде, применяемой для затворения бетонных смесей и поливки бетона, не должно быть окрашивающих примесей, если к бетону предъявляют требования технической эстетики;

    - содержание в воде растворимых солей, ионов SO₄^-2, Cl^-1 и взвешенных частиц не должно превышать величин, указанных в таблице;

    - окисляемость воды не должна быть более 15 мг/л;

    - водородный показатель воды (рН) не должен быть менее 4 и более 12,5;

    - вода не должна содержать также примесей в количествах, нарушающих сроки схватывания и твердения цементного теста и бетона, снижающих прочность и морозостойкость бетона. 
 

    Характеристики  воды представлены в таблице 3.

    Таблица 3 - Технические характеристики воды

    Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента применяют  различные добавки, которые регламентируются                       ГОСТом  24211 "Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия"

    Добавка - продукт, вводимый в бетонные и  растворные смеси с целью улучшения  их технологических свойств, повышения  строительно-технических свойств  бетонов и растворов и придания им новых свойств.

      Комплексная добавка - продукт, состоящий из двух или более добавок, обладающий моно- или полифункциональным действием.

    Бетон укладывают слоями 8 — 10 см с уплотнением  каждого слоя, При бетонировании  нужно следить за тем, чтобы бетонная смесь заполнила промежутки между  стержнями арматурного каркаса  и стенками опалубки. Чтобы поверхность  свежеуложенного бетона преждевременно не высохла, ее прикрывают мокрой ветошью, а сверху — поливинилхлоридной (ПВХ) пленкой или рубероидом. При температуре  воздуха 10 — 15 °С бетонные столбы через 7 суток набирают достаточную прочность, после чего можно приступить к  изготовлению бетонной плиты. 
 

Рисунок 3 – Устройство столбчатого фундамента 
 
 
 

2 Характеристика коррозионных  процессов для ленточных фундаментов

    Бетонные  и железобетонные конструкции должны характеризоваться не только механической прочностью и устойчивостью под  действием рабочих нагрузок, но и  надлежащей долговечностью (стойкостью) под разрушающим (агрессивным) влиянием разнообразных внешних химических и физических факторов.

    В зданиях и сооружениях бетоны могут подвергаться отрицательному воздействию, в первую очередь, воды и водных растворов различных  веществ, в том числе и газов, вызывающих химическую коррозию; различных  неорганических и органических веществ  в жидком и газообразном состоянии; многократно повторяющихся процессов  увлажнения и высыхания, а также  замерзания и оттаивания, часто в  водонасыщенном состоянии; различных  веществ, отлагающихся в порах и  капиллярах цементного камня и бетона в результате капиллярного подсоса  минерализованных вод и их испарения; кристаллизуясь, они могут вызывать вредные напряжения.

    Следует подчеркнуть, что разрушающее влияние  на бетон различных агрессивных  факторов часто усиливается его  напряженным состоянием, возникающим  под действием механических нагрузок.

    Портландцемент  и различные его производные, а следовательно, и бетоны на их основе характеризуются относительно высокой  стойкостью против действия многих агрессивных  факторов, наиболее часто встречающихся  при эксплуатации зданий и сооружений. Тем не менее при неблагоприятных  условиях они могут быстро разрушаться, и необходимы мероприятия, защищающие бетонные и железобетонные конструкции  от преждевременного износа.

    Различные виды цементов характеризуются различной  стойкостью против действия тех или  иных агрессивных факторов. Например, цементы с 

низким  содержанием алюминатов кальция  характеризуются повышенной стойкостью против действия гипса и других сульфатов  и называются поэтому сульфатостойкими. Пуццолановые портландцементы отличаются повышенной водостойкостью и т.д. Поэтому выбирать цементы для бетонов различного назначения следует с учетом не только их прочностных показателей, но и стойкости против действия тех агрессивных сред, в которых должны работать бетонные конструкции.

    Проблема  долговечности цементов и бетонов  еще с конца XIX в. изучалась отечественными учеными, установившими причины  и факторы коррозии и предложившими  эффективные меры по увеличению стойкости (А. Р. Шуляченко, В. И. Чарномским, А. А. Байковым, В. А. Киндом, В. Н. Юигом и др.).

    В. М. Москвин разделяет коррозионные процессы, возникающие в цементных  бетонах при действии водной среды, по основным признакам на три группы. К первой группе (коррозия I вида) он относит процессы, протекающие в  бетоне под действием вод с  малой временной жесткостью. При  этом некоторые составляющие цементного камня растворяются в воде и уносятся при ее фильтрации сквозь толщу бетона.

    Ко  второй группе (коррозия II вида) относятся  процессы, развивающиеся в бетоне под действием вод, содержащих вещества, вступающие в химические реакции  с цементным камнем. Образующиеся при этом продукты реакций либо легкорастворимы  и уносятся водой, либо выделяются на месте реакции в виде аморфных масс, не обладающих вяжущими свойствами. К этой группе могут быть отнесены, например, процессы коррозии, связанные  с воздействием на бетон различных  кислот, магнезиальных и других солей.

    В третьей группе (коррозия III вида) объединены процессы коррозии, вызванные обменными  реакциями с составляющими цементного камня, дающими продукты, которые, кристаллизуясь в порах и капиллярах, разрушают  его. К этому же виду относятся  процессы коррозии, обусловленные отложением в порах камня солей, выделяющихся из испаряющихся растворов, насыщающих бетой.

    Солевая форма коррозии (III вид коррозии). Отложение солей в порах цементного камня возможно и при химической коррозии, сопровождающейся, в частности, образованием гидротрисульфоалюмината  кальция (эттрннгита), а также двуводного гипса. В чистом виде солевая форма  физической коррозии проявляется в  том случае, когда благодаря капиллярному подсосу солевые растворы систематически проникают в поры цементного камня  при одновременном испарении  из них воды. Концентрация солевых  растворов постепенно возрастает до насыщенного состояния, после чего начинается выделение кристаллов, при  определенных условиях до предела заполняющих  поры. Такой процесс сопровождается сильным давлением кристаллов на стенки пор и капилляров и возникновением напряжений, вызывающих деформации в  цементном камне и бетоне и  даже их разрушение.

    По  данным А. И. Минаса, при подсосе растворов разных солей 5 %-ной концентрации в течение 3 месяцев кристаллизационное давление может достигать: при Na₂S0₄—4,4; MgS0₄—3,6; NaCi—2,7; CaS0₄—0,09 МПа. Основными условиями, приводящими к возникновению этого вида физической коррозии, по А. И. Минасу, являются: наличие в грунте водорастворимых солей (особенно Na₂S0₄, MgS0₄, Na₂S0₃) в количестве более 1 % или высокий уровень грунтовых вод с минерализацией не менее 3 г/л; теплота и сухость климата (дневные температуры в июне — августе 28—30 °С и выше при относительной влажности воздуха 30 % и менее). В этих условиях происходят подсосы водных растворов через те части фундаментов и цоколей зданий, которые находятся в грунте.

    При особенно неблагоприятных температурных  и влажностных условиях в порах  цементного камня такие соли, как Na₂S0₄, MgS0₄-H₂0 из безводных или маловодных форм могут переходить в соединения с большим количеством молекул воды (N2S0₄' 10H₂O, MgS0₄-7H₂0 и т. п.). Такой переход сопровождается увеличением объема твердой фазы в 1,5—3 раза и возникновением напряжений в теле бетона в десятки МПа, вызывающих большие деформации.

3 Защита столбчатых фундаментов от солевой коррозии

      При действии сульфатных сред основным способом защиты является применение цементов, при гидратации которых получается наименьшее количество свободного гидрооксида  кальция, участвующего в образовании  крупных сульфатосодержащих  кристаллов, вызывающих  растягивающие напряжения в бетоне. К этим вяжущим относятся  пуццолановый и шлако- портландцементы, которые используют при слабой и  средней степени агрессивности  среды. Увеличение концентрации сульфатов  требует применения более стойких, надежных минеральных вяжущих, которыми являются глиноземистый цемент, сульфатостойкий  портландцемент и шлако- портландцемент. Можно вводить в бетоны и растворы гидрофобизирующие вещества, например этилсиликонат натрия, хлопковое мыло, мылонафт в количестве около 0,1 %. Они способствуют резкому снижению капиллярного подсоса агрессивных растворов в конструкции

    ГОСТ 31384 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования» устанавливает требования, учитываемые при проектировании защиты от коррозии бетонных и железобетонных конструкций в зданиях и сооружениях, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах с температурой от минус 70 °С до плюс 50°С.

    В настоящем стандарте определены технические требования к защите от коррозии бетонных и железобетонных конструкций для срока эксплуатации 50 лет. При больших сроках эксплуатации конструкций защита от коррозии должна выполняться по специальным требованиям.

    Проектирование  реконструкции зданий и сооружений должно предусматривать анализ коррозионного  состояния конструкций и защитных покрытий с учетом вида и степени  агрессивности среды в новых  условиях эксплуатации.

    Требования  настоящего стандарта следует учитывать  при разработке других нормативных  документов, а также технических  условий (ТУ), по которым изготавливаются или возводятся конструкции конкретных видов, для которых устанавливаются нормируемые показатели качества, обеспечивающие технологическую и техническую эффективность, а также при разработке технологической и проектной документации на данные конструкции.