Долговечная защита для инженерных сооружений из железобетона объектов энергии

последний век бетон, как и стальное армирование, стал неотъемлемойчастью массового строительства практически вo всех отраслях промышленности. Несмотря на наличиебольшого количества видов бетона и усовершенствование технологий его производства,связующий материал — цемент, — а следовательно, и сам бетон, обладаетнеконтролируемыми параметрами. Это негативно сказывается на сроке службы и эксплуатациизданий. Если требуется продлить срок службы и, таким образом, срок эксплуатацииздания на конкретный период времени, защита поверхности посредством специальныхпокрытий является самым экономным методом компенсации непрочности «армированногобетона». В этой статье приведены примеры того, как качество непрочности, присущееармированному бетону, может контролироваться вдолгосрочной перспективе. Для этого используются специальные средствазащиты поверхности, что, в свою очередь, позволяет наилучшим способомспланировать и рассчитать срок службы здания.

Армированный бетон (железобетон)

Не вдаваясь в подробности производства бетона и качества различных видовбетона, укажем на следующие критерии и требования, которые предъявляются кстроительной промышленности:

— Бетон без стального армирования практически не может бытьдеформированным.

— Щелочность связующего элемента, цемента, предотвращает коррозионныепроцессы в стальном армировании.

— По определению и европейским стандартам, бетон является пористымстроительным материалом, подвержен диффузии и растрескиванию поверхности.

— При строительстве, бетон требуется предохранять от быстрого ичрезмерного испарения влаги.

— Цемент — как связующее вещество и составная часть бетона — толькочастично устойчив к нахождению в кислотных средах.

— Различные типы и марки бетона, в комбинации, с зачастую сложными, химико-физическимитребованиями строительной промышленности, практически всегда должны бытьзащищены индивидуально разработанными средствами защиты.

Пористость и трещины, так же как и ограниченная устойчивость к условиямкислой среды, являются основными причинами непродолжительного срокаэксплуатации бетона. Имеющиеся добавки, при помощи которых можно подготовитьбетон с заданным видом пор, их размером, количеством и распределением в структуребетоне, позволяют оптимизировать качество. Но и таким способом непрочностьбетона, имеющаяся и результате его пористости, и, следовательно, способность впитыватьжидкости и разъедающие вещества только минимизируется, но не исключается.

Масштаб в мм

Рис. 1. Распределение пор на отшлифованном срезе бетона

Для того чтобы избежать околоповерхностных трещин в новом сооружении(они могут появиться из-за слишком быстрого отвердения бетона после снятияопалубки), поверхность бетона защищается водой от слишком быстрого испарения и дляоптимизации процесса твердения.

Помимо этого, часто трещины появляются в местах растянутой зоны зданияиз-за чрезмерного давления на внешние границы бетона. Так или иначе, трещины вбетоне являются теми слабыми местами, через которые коррозийные вещества могутдостигнуть арматуры гораздо быстрее, чем это было бы возможно, если быструктура бетона не была открытой. Защита арматуры покрытием бетона значительноослабляется при увеличении ширины трещин.

Рис. 2. Трещины на поверхности незащищенного от чрезмерного испарения влагибетона, вызванные eго усадкой

Подготовка бетонного основаниядля защитного покрытия

Покрытие как способ защиты бетона используется и как превентивная мерапри планировании, и на фазе самог? строительства, и как метод ремонтных работна уже поврежденных поверхностях зданий. Если составная часть здания, пристроительстве которой использовалось стальное армирование, повреждена из-за статических свойств и устойчивости (этотаспект мы не рассматриваем), фактический вред, причиненный бетону, требуетсяустранить. Причем необходимо подобрать подходящую замену полимерцементномубетону, которая могла бы стать постоянным высококачественным основанием. Основаниетребуется подготовить соответственным образом, чтобы все ремонтные материалы, которыебудут применяться для обработки данной поверхности, включая средства защитыповерхности, могли выполнять свои функции. Эффективным способом подготовкиявляются: очистка струей сжатого воздуха, струя воды высокого давления идробеструйная очистка на горизонтальных поверхностях.

После того как поверхность подготовлена, она должна обеспечиватьперманентную адгезию (сцепление) с материалами для ремонтных работ и защитыповерхности. Таким образом, рекомендуется проверить прочность на сжатие ипрочность на отрыв поверхности бетонного основания. Помимо прочностиобрабатываемой поверхности, нужно проверить уровень влажности при нанесенииремонтных материалов. Всё это обеспечит успех проведения данного техническогомероприятия. По поводу «старых покрытий» на обрабатываемых поверхностях нужноопределиться, можно ли и нужно ли удалять их полностью. Часто полное снятие старогопокрытия ст?ит неоправданно дорого. Остатки старого покрытия нужно проверить насцепление с основанием после его подготовки. Новые защитные покрытия, используемыев процессе ремонта, нужно подбирать в зависимости от имеющихся условий. Принеобходимости совместимость старого и нового покрытий нужно проверить иопробовать на образцах. Совместимость материалов на органической основе и материаловна минеральной основе требует особых ноу-хау и опыта в выборе покрытий.

Климат

В большинстве случаев нет нужды учитывать местные климатические условияпри подготовке к ремонту внутренних помещений: при необходимости внутри зданийпри помощи систем отопления и кондиционирования можно устанавливать требуемыетемпературы. Но при ремонте зданий снаружи климатические и погодные условияиграют одну из главных ролей. При планировании строительства, чтобы в процессене произошло критических сбоев, требуется рассчитать действие такихклиматических факторов, как солнце, ветер, дождь, температура. При произведенииизмерений и выборе средств защиты поверхности сооружений следует уделить особоевнимание климатическим показателям регионов с холодной зимой и жарким летом.

Материалы для ремонта бетона

Такие материалы, используемые для ремонтных работ, как строительныйраствор, практически всегда содержат цемент как связующий материал. Этим ониотличаются от органических покрытий. Свойства и качества данных ремсоставовопределяются стандартами, зависящими от добавления полимеров. Поэтому ониназываются РСС (Polymer Cement Concrete — полимерцементный бетон). Невзирая наналичие полимеров, при использовании данной группы материалов, необходимоучитывать реакцию затвердения связующего цемента с водой, так называемую гидратацию.Если при производстве смеси (например, воды и цемента) не учитывать количествасоставляющих, это приведет к снижению качества из-за возможных проблем садгезией. Поскольку гидратация, в зависимости от типа цемента, требует вдальнейшем определенного времени на отвердение полимерцементного бетона, соотношениеВ/Ц может быть уменьшено в зоне контакта ремсостава с основанием. Этообъясняется тем, что сухой бетон в месте контактного участка забирает воду изсвежего строительного раствора. Часто это приводит к тому, что слойстроительного раствора становится менее твердым и снижается адгезия. Воизбежание данных проблем бетонная основа предварительно увлажняется такимобразом, чтобы соотношение В/Ц в данном растворе не изменялось после нанесения.С другой стороны, слои свежего раствора также должны быть защищены отвоздействия на их внешнюю поверхность: требуется избегать слишком быстроговысыхания и твердения для обеспечения запланированного отвердеванияполимерцементного бетона в околоповерхностных зонах. Детально с указаннымиздесь техническими требованиями и стандартами можно ознакомиться дополнительнов таких европейских и германских нормативных актах, как EN 1504, EN 206, DIN1045.

Материалы для покрытия

Не будем вдаваться во все подробности об имеющихся сегодняразнообразных органических материалах, которые можно использовать в качествезащитных покрытий, укажем лишь некоторые из них.

Акрилатные смолычасто используют как однокомпонентную систему защиты поверхности для бетона, подвергающегосяатмосферному давлению. По медицинским и экологическим причинам в последние годыиспользуют только водные дисперсии. Дисперсии на органических растворителяхочень скоро совсем пропадут с прилавков, так как водные дисперсии обладаюттакими же или даже лучшими характеристиками. Частое требование — способностьэластичного защитного слоя перекрывать трещины — отлично выполняется даннойгруппой покрытий.

Эпоксидные смолы,являясь реакционными смолами, всегда используются в качестве двухкомпонентныхпокрытий. Благодаря присущей им твердости их часто используют в качествематериала для обработки находящихся под сильным напряжением полов впромышленных помещениях, свободных от органических растворителей. Для даннойгруппы связующих материалов характерно то, что при производстве дисперсийорганические растворители всё чаще заменяются водой. Сделать эпоксидные смолыэластичными фактически невозможно, что не позволяет обеспечить отсутствие динамическоготрещинообразование в бетонном основании. Основная причина выбора данной группысвязующих материалов для защиты поверхности бетона состоит в том, что онипрактически не подвергаются воздействию щелочей и кислот. Один из недостатковэпоксидных смол — их реакция на ультрафиолетовые лучи солнечного света. Данныйфактор необходимо учитывать при проведении наружных работ. С одной стороны, этооказывает воздействие на стабильность окраски данного типа покрытия, а с другой— толщина покрытия уменьшается из-за нарушения пленки покрытия во время егоэксплуатации.

Полиуретан вкачестве связующего агента для покрытий, защищающих поверхность армированногобетона, обладает самыми разносторонними характеристиками для удовлетворенияиндивидуальным требованиям. В данную группу входят покрытия без растворителей, срастворителями и водные дисперсии. Нужно заметить, что данные полимеры могутпроизводиться и как однокомпонентные покрытия. В данном случае в качествеотвердителя используется влажный воздух окружающей среды. В отличие отэпоксидных смол полиуретан эластичен, но не так устойчив к воздействию щелочейи кислот, как эпоксид.

Описанный здесь спектр основных групп связующих веществ, может быть, дляполноты картины, дополнен такими альтернативными материалами, как полиэстер, полиметилметакрилат,фурановая смола и др.

И последнее, о чем упомянем — это существование комбинации связующихагентов в материалах для покрытий, например «эпоксид — полиуретан».

Рис. 3. Электростанция: дымовая труба и градирня на естественной тяге

Из приведенного описания широкого разнообразия вариантов покрытий длязащиты поверхности бетонных конструкций становится ясно: чтобы выбрать подходящий связующий материал длякаждого отдельного случая, необходим большой опыт.

В особенности это относится к защите больших поверхностей инженерныхсооружений без отделочных работ, таких как градирни и промышленные дымовыетрубы электростанций. Помимо стандартных требований, существуют такие особыетехнические требования к покрытиям, которые необходимо учитывать при paботeс данными конструкциями, — это устойчивость к воздействию динамической нагрузкидолго работающих станций.

Несмотря на прогрессивные технологии производства бетона всё ещесуществует необходимость значительного продления безремонтного срока егоэксплуатации. И особенно важно это для тонкостенных сооружений без отделочныхработ, находящихся под большой нагрузкой. В этих целях и используют различныесредства защиты поверхности. Опыт, полученный при эксплуатации градирен с естественнойтягой, доказал, что особенно важно (в основном в целях экономии) превентивнозащищать поверхность новых градирен от коррозии. Сегодня известно, что даннаянеобходимость различна как минимум для трех различных зон подверженногонагрузкам бетона градирен с естественной тягой. В данных зонах соответствующиетребования зависят от постоянных и предельных нагрузок. Этот фактор играетважную роль и при выборе защитного покрытия. Помимо простого различия междувнутренними и внешними поверхностями градирен, внутренние поверхности такжеделятся на две категории и различаются по фактору контактности с водой. Какпоказало время, защитное покрытие поверхности на основе акрилата — это лучшеесредство защиты от воздействия окружающей среды.

Рис. 4. Три части градирни, требующие различных характеристик от защитныхпокрытий

С одной стороны, все внутренние поверхности конструкции находятся подвоздействием воды и пара и, возможно, топочного газа. В целях защиты поверхностей данного типамогут использоваться высококачественные многослойные защитные покрытия смол с высокимиэксплуатационными характеристиками. С другой стороны, все внутренниеповерхности градирен и теповерхности, которые находятся ниже уровня распределения воды, испытывают воздействиеот охлаждающей воды. Хотя и было известно, что покрытия часто страдали отосмоса, до настоящего времени на данные поверхности наносились те же покрытия, чтои на внутренние поверхности конструкции. Благодаря минеральным покрытиям, которыев течение последних нескольких лет были опробованы на градирнях (полимермодифицированныйполимерцементный бетон мелкодисперсных строительных растворов), теперь сталовозможным избежать осмоса на покрытиях и поверхностях, соприкасающихся с водой.Это относится к нейтральным, незасореннымводам, а также к морской воде, содержащей хлорид, и воде охлаждения сразличными примесями, которые всегда приводят к увеличению температуры.

Промышленные дымовые трубы подвержены атмосферному воздействию. Верхняязона также находится под воздействием химических кислот топочных газов и ихконденсатов. Эта так называемая омываемая часть опускается приблизительно на0,2–0,3 ниже верхнего края. Верхняя часть внешней поверхности таких труб должнаиметь защиту от воздействия кислот, такую же, как для градирни на топочном пару.

Рис. 5. Промышленные дымоводы требуют двух различных типов покрытий

Корпус трубы защищается от атмосферного воздействия таким же способом, каки внешняя сторона градирен. Поскольку очень высокие сооружения в основномстроятся методом скользящей опалубки, технологически и экономически выгоднымсчитается наносить специальноезащитное покрытие прямо во время строительства, как и защитное средство oт чрезмерного испарения влаги из свежегобетона.

В основном строители дымовых труб используют эту возможность при методескользящей опалубки, нанося такой специальный вид покрытия на свежий бетон и — одновременно— защитное покрытие ниже опалубки.

Помимо различных, иногда самых высоких, требований к системамдолгосрочной защиты поверхности, данные покрытия должны обладатьдополнительными качествами для правильного отверждения свежеуложенного бетона.Это:

— высокий уровень стойкости к щелочам при высоком уровне переносимостик влажности;

— высокий уровень изоляции для предотвращения чрезмерного испаренияводы при твердении свежего бетона и длительное хорошее сцепление;

— быстрое отвердение, чтобы многослойные защитные покрытия можно былонаносить быстро.

Эти особые требования выполняются только специально разработаннымипокрытиями. Современные покрытия на основе акрила, помимо защиты поверхностибетона от атмосферных явлений, могут долговечно перекрывать трещины в основании.Многочисленные технические тесты доказали, что эластичные системы защитыповерхности, используемые последние несколько лет, могут перекрывать трещинышириной в 0,6 ммпри температуре –20 °C (вдинамике). Это позволяет предотвращать коррозию стальной арматуры в трещинахжелезобетона. Также эти тесты бесспорно доказали и превосходную эластичностьнекоторых акрилатных покрытий при низких температурах.

Рис. 6

Опыт прошлого десятилетия доказал, что этот особый тип эластомера можетприменяться с умеренно шероховатыми грунтами (из-за толщины слоя) и также значительно увеличивает срокслужбы.

В строительной промышленности, помимо эластичности, для защиты бетонаважна и перманентная химическая инертность. Для реализации этих двух целей(эластичность и высокая химическая устойчивость) при строительстве инженерныхбетонных конструкций, такие как градирни и дымовые трубы, часто прибегают кособым полиуретановым покрытиям.

На рис. 7 приведены результаты проб на кислую среду: две нижниекривые описывают растяжение эпоксидной смолы, а две другие — растяжениеполиуретана.

Следует заметить, что специальные виды полиуретана также могут быть изготовленыс устойчивостью к ультрафиолетовым лучам.

Указанные выше разработки также значительно увеличивают стойкостьпокрытий к термическому удару и экстремально низким температурам. И напротив, есливышеуказанные органические покрытия применяются для защиты бетона, подвергающегосявоздействию пара или газа, то для поверхностей, постоянно контактирующих сохлаждающей водой, рекомендуется использовать минеральные покрытия с высокойустойчивостью к разрушающим веществам, такие как хлориды морской воды.

Рис. 7. Изменение эластичности различных покрытий на основе смол, подвергаемыхкислотным испарениям, аналогичным испарениям в градирнях и дымовых трубах

Рис. 8. Градирня с воздушной вентиляцией, на морской воде и в условияхвысокого ультрафиолетовою излучения. Система покрытия корпуса башни: MC-DUR2103M. Система покрытияводохранилища: MC-RIMF.

Таким образом можно избежать известного феномена пузыренияорганического покрытия из-за осмоса: минеральные покрытия, в отличие oт органических, открыты для диффузии водяногопара. Не говоря уже об устойчивости к осмосу, данные системы имеют и другоепреимущество: их можно наносить на сырой бетон. На внутреннюю поверхностьградирни (рис. 8) было нанесено защитное покрытие. 15 м сверху башни с внешнейстороны также были полностьюпокрыты при помощи особой платформы. Водохранилище, после того как все внутренниеработы были завершены, обработано минеральным покрытием.

Заключение

Поскольку из-за крупных размеров таких инженерных сооружений, какградирни и дымовые трубы, обработка их поверхности становится технически иэкономически затратной, срок службы покрытий здесь имеет особо большое значение. Поэтому необходимым требованиемявляется отслеживание качества покрытия и его соответствия имеющейся цели. Успехпроведения мероприятия по защите поверхности зависит не только от того, отвечаетли материал предъявляемым к нему стандартам и техническим требованиям, но и оттого, выполняются ли работы опытным и квалифицированным персоналом.

Литература:

1. Busch D. at al. Themeasures for protecting cooling tower shells newly defined German regulations// Proceedings of 5th IASS. — Istanbul,2004.

2. Kochan A. Howmaintenance requirements of RC chimneys can be reduced by the use of differentcoating systems // CICIND REPORT. — 2003. — Vol. 19, № 1.

3. Kochan A. Newdevelopments in surface protection systems for natural draught cooling towers //Proceedings of 4th IASS. — Kaiserslautern,1996.

4. Kochan A. Newmaterials and principles for permanent surface protect ion of natural draughtcooling lowers and their fittings // Proceedings of 5th IASS. — Istanbul, 2004.

5. VGB regulation, VGB-R612 Ue: Protection Measures on Reinforced Concrete Cooling Towers and Chimneysagainst Operational and brmronmernal Impacts. — 2005.