Трещинообразование и конструктивная надежность городских сооружений

Наблюдения за трещинами городских сооружений — важная часть оценки их надежности.

Как известно, бетон хорошо работает на сжатие, но относительно слабо на растяжение. Общепринятое отношение усилия растяжения к усилию сжатия составляет примерно 1:10. Когда бетон подвергает­ся даже небольшим растягивающим нагрузкам, могут появиться тре­щины. Множество образующихся трещин по силовым соображениям в начальный период малозначительны, но они активизируют про­цесс, при котором карбонизация или содержащая хлориды вода дос­тигнет арматуры, что значительно повлияет на надежность конструк­ции.

Трещины могут быть разделены на две категории: те, которые воз­никают до упрочнения, и те, которые появляются после упрочнения элементов сооружения.

Трещины, возникающие до упрочнения, образуются от разруше­ния при раннем замерзании. Если бетон замерзает и начинает оттаи­вать до того, как напряжение достигнет величины 2 Н/мм², развива­ется трещина и происходит выкрошивание материала.

Пластичное сжатие характеризуется состоянием, когда бетон подвержен воздействию окружающей среды (солнце, ветер) так, что скорость испарения с поверхности больше, чем просачивание воды на поверхности, при этом в бетоне возникают дефекты, формирую­щиеся в основном в виде относительно параллельных трещин. В дос­таточно тонких плитах эти трещины могут проходить через всю кон­струкцию. Трещины от пластичного сжатия будут доступны для про­никновения воды, содержащей соль, к арматуре. Эти трещины можно обнаружить на поверхности бетонных парапетов или колонн. В лю­бом случае они предоставляют прямой доступ воды к арматуре.

Конструктивно распространяющиеся трещины возникают, когда основание или опалубка сдвигаются под воздействием влажного бе­тона. Указанные трещины будут с большой вероятностью достигать мест расположения арматуры. Эти явления следует учитывать на ста­дии проектирования.

Трещины, возникающие после упрочнения, возможны при ком­бинированном сжатии. Иногда при производстве бетона в него попа­дают нежелательные примеси, которые дают усадку в присутствии воды. В результате этого возникают «раскрытия» с рыхлой, как в слу­чае сульфатных атак, поверхностью; аналогично происходит при су­хом сжатии, когда весь бетон готовится с большим количеством воды, чем необходимо для гидратации цемента. По мере испарения воды ее содержание в бетоне уменьшается. Если процесс сжатия ограничен, бетон начинает растрескиваться. Такие трещины будут почти неиз­бежно достигать арматуры, открывая доступ агрессивным жидко­стям. При этом образуется сеть взаимосвязанных трещин на поверх­ности конструкции. Возникшие трещины не пронизывают тело бетона и поэтому не оказывают большого влияния на надежность конст­рукции сооружения.

Большую опасность в городских инженерных сооружениях пред­ставляет коррозия арматуры. Арматура выполняет основные функ­ции в восприятии изгибающих и растягивающих напряжений, а так­же силовых воздействий. При любой депассивации сразу разрушает­ся ее защитная пленка, может начаться коррозия, вызванная попада­нием влаги и кислорода. Красная/коричневая ржавчина займет значительно больший объем, чем занимает арматура. Такое увеличе­ние объема вызывает возникновение растягивающих напряжений; при этом сначала образуются трещины, а затем происходит выкро- шивание поверхности бетона, что приводит к интенсификации кор­розии. В случае проникновения хлоридов, как правило, образуются пятна черной ржавчины. Коррозия этого типа значительно более опасна, так как она может получить существенное развитие до того, как ее следы будут видны на поверхности. Такая коррозия может быть обнаружена с помощью приборов, используемых для определения возможных мест ее вероятного появления.

Циклы замерзание-оттаивание городских сооружений характери­зуются состоянием, когда насыщенный водой бетон становится объ­ектом попеременного замерзания или оттаивания, возникающие на­пряжения растяжения приводят при этом к образованию трещин и выкрошиванию бетона на поверхности.

Сезонные колебания температуры также в значительной степени влияют на процесс трещинообразования. Если перемещения ограни­чены, то сезонные колебания температуры могут вызвать образова­ние трещин. Особый случай — это опоры, где нет ограничения пере­мещений. При начальных тепловых перемещениях схватывание це­мента происходит экзотермически, что вызывает расширение бетона на начальной стадии. Если усадка при охлаждении ограничена, то бе­тон начинает растрескиваться. Как правило, такая форма трещино­образования проявляется в мостовых конструкциях в виде вертикаль­ных трещин в опорах и окрылках. В этих местах трещины обычно не­значительны.

Структурные трещины обычно возникают в случаях, когда недос­таточна квалификация персонала или имеются ошибки в проектиро­вании, приводящие к образованию трещин при случайных перегруз­ках. Такие трещины распознаются по форме, размерам, местополо­жению и нуждаются в немедленном «залечивании».

Для получения представления о природе происхождения трещин должны быть зафиксированы данные об их ширине, частоте располо­жения и размерах.

Ниже приведена классификация трещин, которая может быть ис­пользована при обследовании состояния городских инженерных со­оружений:

а) характеристики ширины поверхностных трещин, мм:

Менее 0,1............................................................Супертонкая

0,1—0,3..............................................................Очень тонкая

0,3—1............................................................................Тонкая

1—   2........................................................Умеренно широкая

2—   5.........................................................................Широкая

5—10...............................................................Очень широкая

Более 10...........................................................Суперширокая

б) характеристики расстояния между близлежащими трещинами, м:

Менее 0,025 ............................................Суперблизко расположенные

0,025—0,1 ...............................................Очень близкорасположенные

0,1—0,25...........................................................Близко расположенные

0,25—0,5.............................................................Умеренное расстояние

0,5—1.....................................................................Большое расстояние

1—10............................................................Очень большое расстояние

Более 10........................................................Супербольшое расстояние

Одиночная......................................................................Изолированная

Трещины размером до 0,1 мм называют «волосяными» и в основ­ном их не относят к категории опасных. Трещины от 0,1 до 0,5 мм яв­ляются наиболее частыми, подлежат более тщательному обследова­нию и локализации. Трещины от 0,5 до 1 мм, как правило, требуют срочного ремонта (если это силовые трещины), их описание приведе­но ниже, мм:

Менее 0,1........................................................Волосяная

От 0,1 до 0,3................................................. Допустимая

От 0,5 до 0,7.......................................................Крупная

От 0,7 до 3.................................Очень крупная (опасная)

Более 3................................................................Разлом

Ширина трещин на поверхности может быть измерена с помощью откалиброванной пластиковой линейки или ручного отградуирован­ного микроскопа. За динамикой развития трещин можно наблюдать с помощью прибора первичной обработки и хранения информации, снабженного специальным датчиком перемещений с диапазоном измерений 0,2-12мм.