Х.З. БАШИРОВ, канд. техн. наук, генеральный директор ОАО “СМП-321 Трансстрой", Вентилируемые конструкции стен для зданий с влажным режимом эксплуатации
Как известно, минимальные сроки безремонтной эксплуатации имеют стены и покрытия в зданиях с влажным режимом производственного процесса. Прежде всего это кислотные производства, производства минеральных удобрений, производственные здания вагонного хозяйства на транспорте и многие другие. В условиях непрерывных или многоцикловых воздействий жидких, в большинстве своем агрессивных технологических сред в конструкциях стен и покрытий указанных зданий происходят интенсивные коррозионные разрушения арматуры, бетона и других традиционных материалов. При отсутствии антикоррозионной защиты необходимость ремонта или частичной замены разрушенных конструкций возникает уже через 5-7 лет [1,2]. Это приводит к тому, что через 12-18 лет непрерывной эксплуатации первоначальная стоимость зданий удваивается, а в ряде случаев требуется их полная реконструкция с остановом производства [2, 3].
Натурные обследования, имеющийся опыт проектирования и коррозионностойкого строительства, а также результаты исследований убедительно доказывают высокую эффективность применения конструкций с первичной защитой от коррозии [1-4]. К ним относятся и вентилируемые конструкции стен. Показанным ниже конструктивным разработкам стеновых панелей предшествовали достаточно обширные экспериментальные исследования по обоснованию эффективных конструкционно-теплоизоляционных материалов и определению интенсивности коррозии арматуры в этих материалах в различных температурно-влажностных условиях.
Все методы защиты от коррозии в конечном счете направлены прежде всего на обеспечение такой влажности бетона, при которой не происходит коррозии арматуры. При отсутствии химических реагентов в цементных бетонах критическая влажность соответствует равновесной влажности бетона при относительной влажности окружающего воздуха 50-60%.
Визуально-инструментальными обследованиями состояния конструкций в зданиях пунктов подготовки вагонов к перевозкам (ППВ) и промывочно-пропарочных станций (ППС) было установлено, что из технологических сред указанных производств в бетон конструкций проникает значительное количество хлор-ионов, вызывающих интенсивную коррозию арматуры и снижение критического значения влажности бетона. Известно, что критическая концентрация хлор-ионов составляете),1-0,5% массы цемента. Снижение значения критической влажности бетона обусловлено, очевидно, двумя факторами: увеличением равновесной влажности бетона из-за гигроскопичности хлористых солей и способностью хлор-ионов депассивировать металл даже в щелочной среде с рН=12.
Интенсивность коррозии арматуры также существенно зависит от проницаемости бетона и сорбционной активности. Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что проницаемость и сорбционная активность керамзитобетонов снижается при добавлении различных полимеров, кольматирующих часть пор и придающих бетону водоотталкивающие свойства. Особенно перспективы для применения в конструкциях стен цементно-полимерные керамзитобетоны с добавками смолы № 89 [5].
Наряду с улучшением основных конструкционных качеств технология применения цементобетонов с этой добавкой также практически не претерпевает существенных изменений, так как добавка вводится в воду затворения. Вместе с тем в цементно-полимерном бетоне при проникновении хлоридов коррозия арматуры определяется неоднозначно под влиянием снижающих (снижение проницаемости и сорбционной активности бетона) и ускоряющих (уменьшение рН-показателя водяных вытяжек) факторов. Неопределенно также влияние взаимодействия полимеров и хлоридов. Поэтому определение количественных показателей интенсивности коррозии металлической арматуры в цементно-полимерном керамзитобетоне с добавкой указанной смолы в зависимости от водоцементного отношения, количества смолы, концентрации хлор-ионов в бетоне, его температуры и влажности имеет важнейшее значение для прогнозирования долговечности конструкций.
Наиболее достоверные данные по интенсивности коррозии арматуры в легких бетонах можно получить прямыми испытаниями опытных образцов. В соответствии с рабочей программой и планом эксперимента при испытаниях использовались шлифованные до 7-8 степени чистоты металлические стержни диаметром 5 мм и длиной 157 мм из стали марки Ст.З. В каждом образце размером 40x40x160 мм размещали по 4 стержня с минимальным защитным слоем бетона 10 мм. Проектное положение стержней в образцах обеспечивалось торцевыми пластмассовыми фиксаторами. Для исследованных составов конструкционного керамзитобетона использовали белгородский цемент М400, волжский песок и керамзит фракции 5-10 мм Силикатненского завода ЖБИ (г. Подольск).
Смолу № 89 в виде водного раствора и добавки хлористого кальция вводили в бетон вместе с водой затворения. Бетонную смесь в формах уплотняли на стандартном лабораторном вибростоле в течение 10- 15 с. После 3-часовой выдержки проводили термообработку образцов в лабораторной камере по режиму: 3 ч — постепенный подъем температуры до 80-90°С, 8- 10 ч—термообработка при температуре 80-90°С, 3 ч — постепенное понижение температуры до 30-40°С. После распалубки образцы взвешивали и сушили при температуре 105±2°С в течение 170-180 ч до установления постоянного веса. Этот прием позволяет за сравнительно короткое время приостановить процесс коррозии арматуры и повысить однородность степени коррозии. После сушки образцы взвешивали и хранили в полиэтиленовых мешках.
Неоднократное взвешивание образцов необходимо для контроля за однородностью результатов того или иного воздействия. Перед установкой образцов в эксикаторы и производственные среды из каждой серии разбивали по три образца и оценивали степень коррозии стержней в них. Определяли также остаточную после сушки влажность бетона каждого образца и изотермы сорбаций бетона каждой серии. Перед установкой в эксикаторы в соответствии с известными изотермами образцы насыщали влагой до необходимой массовой влажности в полиэтиленовых мешках. Образцы в эксикаторах с относительной влажностью воздуха 30,40, 50, 60, 70 и 80% выдерживали в течение 365±5 дней при температурах 21±2°С и 40±3°С. В момент извлечения образцов из эксикаторов и производственных сред определяли весовую влажность бетона каждого образца.
Степень коррозии каждого стержня определяли по массе прокорродировавшего металла взвешиванием с точностью до 0,0001 г до заформовки и после протравления извлеченных из образцов стержней. Стержни травили в 10%-ном растворе соляной кислоты добавкой 1 % гексаметилентетрамина. По разности показателей коррозии стержней до установки в эксикаторы и после извлечения из них проводили обработку результатов эксперимента. Определяли также кубиковую прочность бетона выбранных составов.
Данная методика позволила повысить однородность результатов по сравнению с традиционной и в 1,5-2 раза сократить время эксперимента вследствие обеспечения равновесной влажности бетона с окружающей средой. Общий объем экспериментальной работы по исследуемому вопросу также значительно снижен путем применения известного метода планирования эксперимента. В составах конструкционного керамзитобетона варьировались три основных фактора (табл. 1).
Обозначенная четвертым фактором температура (Х4) была принята постоянной для первой половины объема эксперимента на уровне 21 ±2°С, а для второй половины образцов тех же серий — на уровне 40±3°С.
В составах без добавок критическая влажность бетона соответствует 40-50% относительной влажности окружающего воздуха. Во всех исследованных составах керамзитобетона интенсивность коррозии резко падает при 40-30% относительной влажности воздуха. Полученные результаты изменения интенсивности коррозии показывают, что при наличии добавок критическая относительная влажность находится в пределах 30- 45% при температуре 21±2°С и 25-35% — при температуре 40±3°С.
Экспериментом выявлено, что интенсивная коррозия арматуры происходит при влажности бетона, соответствующей 30-40% относительной влажности воздуха. Нижняя граница критической влажности воздуха практически не зависит от температуры. Это, очевидно, объясняется незначительным влиянием температуры на сорбционные свойства бетона исследуемого состава при невысокой относительной влажности воздуха.
Интенсивность коррозии с повышением температуры возрастает тем больше, чем выше влажность бетона. Зависимость степени коррозии от относительной влажности воздуха носит ярко выраженный нелинейных характер.
Анализ результатов показал, что эта зависимость от весовой влажности бетона приближается к линейной. Очевидно, в исследуемой области с повышением влажности бетона происходит пропорциональное увеличение количества микрогальванических пар по всей поверхности стержня, и продукты коррозии не оказывают существенного тормозящего влияния. В целях более полного и наглядного выявления всей картины влияния выбранных факторов на коррозию арматуры при проведении эксперимента интервалы варьирования переменных Х2 и Х3 были увеличены до ±1,25, что позволило за счет дополнительных 6 серий образцов установить более значительное влияние на коррозию количества хлор-ионов в составе исследуемого бетона.
По разнице средних показателей коррозии после выдержки в эксикаторах и непосредственно после изготовления образцов определяли интенсивность коррозии металла в исследуемых составах. Для более полного анализа влияния В/Ц (X.,), количества смолы (Х2), и хлористого кальция (Х3) в результате обработки всех экспериментальных данных при помощи системы “DYPLEX" были получены математические модели, характеризующие коррозию арматуры, площадь коррозии поверхности стержней и глубину коррозионных язв сразу после изготовления образцов. Математические модели, характеризующие интенсивность коррозии после выдержки образцов в эксикаторах, были построены отдельно для двух уровней температуры и пяти уровней относительной влажности воздуха. В частности, при t = 21±2°С и при] = 30-70% получен полином следующего вида
Качественный и количественный анализ математических моделей позволяет сделать следующие выводы.
Во-первых, наибольшее влияние на коррозию арматуры оказывает концентрация хлор-ионов и В/Ц; влияние смолы № 89 в 5-10 раз слабее влияния двух других факторов; совместные воздействия В/Ц и смолы снижают интенсивность коррозии. Во-вторых, с увеличением В/Ц интенсивность коррозии уменьшается. Этот парадоксальный, на первый взгляд, вывод может быть объяснен тем, что в исследуемой области для данных составов бетона с увеличением В/Ц уменьшалось сорбционное влагосодержание, а следовательно, и интенсивность коррозии. В-третьих, с повышением температуры влияние концентрации хлор-ионов на интенсивность коррозии металла увеличивается. При этом интенсивность коррозии еще больше возрастает по мере увеличения относительной влажности воздуха.
Полученные результаты позволяют рекомендовать для применения в разрабатываемых конструкциях стен наиболее оптимальные составы цементно-полимерного керамзитобетона, а конструктивные решения выполнять более рациональным с точки зрения коррозионной сохранности арматуры. Это достигается за счет рационального регулирования температуры, влажности бетона и относительной влажности воздушной среды.
Поисковые исследования и всесторонний анализ имеющихся данных показал, что указанная цель наиболее успешно достигается в конструкциях стен с вентилируемым внутренним слоем из крупнопористого керамзитобетона. Для обоснования практических рекомендаций по внутреннему вентилируемому слою были также выполнены целенаправленные эксперименты.
Имеющимися исследованиями было подтверждено, что наиболее стабильные и высокие теплозащитные и антикоррозионные качества имеют составы крупнопористых бетонов на. полимерном связующем [6]. Для среднего слоя вентилируемых конструкций основной характеристикой крупнопористого бетона является коэффициент воздухопроницаемости.
Воздухопроницаемость бетонов зависит от количества и диаметра сквозных пор, давления, температуры и влажности фильтрующегося воздуха, а также от некоторых других факторов. Сквозную пористость обычно определяют заполнением их объема жидкостью. Поскольку в цементных керамзитобетонах точность измерения сквозной пористости значительно снижается из-за поглощения части заполняемой влаги, достоверность опытных данных сравнительно невысока. С учетом указанных свойств крупнопористого керамзитобетона на полимерном связующем и того, что он имеет минимальное водопоглощение, для экспериментов и выработки дальнейших рекомендаций был выбран керамзитобетон на смоле ФАМ. В опытных составах бетона использовали керамзит Лианозовского завода (табл. 2), смола ФАМ (по ТУ 6.1425-74), отвердитель БСК (по ТУ 6.1425-74) и андезитовую муку (по ТУ 6-12-101-77).
В этом исследовании был также применен метод планирования эксперимента с тремя кодированными переменными потрем основным факторам (табл. 3).
По полному плану эксперимента этой матрицы было изготовлено 17 серий образцов. В соответствии с имеющимися рекомендациями в каждой серии содержалось по 6 кубов с размером ребра 150 мм.
Коэффициент воздухопроницаемости определяли по известной стандартной методике. Боковые греки образцов изолировали герметизирующей мастикой УМ-50.
Объем сквозных пор определяли путем трехкратного заполнения каждого образца водой. Для каждой серии определялась также объемная масса бетона, средний эквивалентный диаметр пор и некоторые другие характеристики образцов. При проведении эксперимента температура воздуха, проникающего сквозь образцы, равнялась 15±1°С, а относительная влажность его была в пределах 70-75%.
Коэффициент воздухопроницаемости определяли по формуле
Поскольку в вентилируемых ограждающих конструкциях скорость движения воздуха принимается в пределах 0,05-0,5 м/с, то в порах крупнопористого керамзитобетона движение воздуха можно считать ламинарным. Экспериментально-расчетным путем для образцов всех составов определены коэффициенты воздухопроницаемости. Установлено, что их значения уменьшаются с увеличением разности давлений и с уменьшением среднего эквивалентного диаметра пор.
Для применения в среднем слое вентилируемых ограждений стен следует рекомендовать крупнопористый керамзитобетон со средним эквивалентным диаметром пор в пределах 1,5-2 мм при объемной массе не более 550 кг/м3.
В процессе поисковых исследований выявлены некоторые технические решения по вентилируемым конструкциям. В частности, известна ограждающая конструкция (см., например, заявку ФРГ № 2520441, кл. Е04В1/64 за 1979 г.), вентилирование которой осуществляется внутренним воздухом через воздушную полость и перфорации в соединительных элементах внутреннего слоя. Однако в условиях работы при постоянном воздействии технологических жидкостей и пара, например, в зданиях промывочно-пропарочных станций (ППС) это стеновое ограждение будет недостаточно долговечным из-за невозможности обеспечения требуемой влажности бетона внутреннего армированного слоя.
Для рассматриваемых условий эксплуатации ограждающих конструкций более приемлемым является известное в отечественной литературе стеновое ограждение, включающее несущий внутренний слой из цементобетона, теплоизоляционный вентилируемый слой из крупнопористого материала с большим коэффициентом воздухопроницаемости и конструкционно-теплоизоляционный наружный слой, вентилируемый наружным воздухом через вентиляционные отверстия—трубки в горизонтальных швах, а также через поры крупнопористого материала. Через полость под парапетом воздух удаляется наружу.
Недостатком этого технического решения является уменьшение слоя утеплителя и накопление влаги в материале стены за счет конденсации водяных паров даже при малом влагосодержании вентилируемого воздуха в зимнее время. Долговечность такой конструкции будет еще уменьшаться, а не увеличиваться.
Вентилируемые стеновые ограждения зданий с влажным режимом эксплуатации [7] разработаны с учетом существующих перепадов температур, характерных для многих климатических регионов России. Утепленная несущая панель для наружных стен включает внутренний несущий слой из конструкционного цементно-полимерного керамзитобетона, вентилируемый слой из крупнопористого керамзитобетона с приточным и вытяжным отверстиями и конструкционно-теплоизоляционный наружный слой, выполняемый, например, из литого пенопласта, объединенного со слабопрофилированным листом из оцинкованной стали.
Вентилирование панелей может быть совмещено с отоплением производственных помещений в зимний период времени. Подогретый сухой воздух подается через отверстие в горизонтальный распределительный канал, образуемый, например, перфорированным пус- тотообразователем из жесткого картона или тонколистовой фанеры. При ламинарном движении воздуха вверх по открытым порам внутреннего слоя происходит равномерный подогрев всей поверхности панели с одновременной подсушкой внутреннего слоя бетона. А выходящий из панелей через отверстия увлажненный воздух может снова (в случае агрессивности технологической среды) подаваться на подогрев и подсушку в вентиляционно-отопительную систему здания.
При недостаточной толщине вентилируемого слоя и увеличенных до максимальных размеров панелях может быть весьма эффективным дополнительное устройство продольных каналов в вентилируемом слое как для подачи горячего сухого воздуха, так и для его удаления. В этом случае избыточное давление подаваемого воздуха может снижаться до минимума.
Для внутренних самонесущих стен, отделяющих производственные помещения с мокрым режимом от служебных или бытовых помещений с нормальным микроклиматом, можно применять вентилируемые панели с горизонтальной разрезкой стен. В этих панелях можно использовать всего два состава бетона: конструкционный цементно-полимерный бетон для наружных несущих слоев и продольных ребер при объемном армировании по всему наружному контуру и крупнопористый бетон для внутреннего вентилируемого слоя.
Полученные нами экспериментальные данные по интенсивности коррозии арматуры и сорбционным свойствам цементно-полимерного бетона позволили провести конкретный теоретический анализ влагопереноса и температурного режима в разработанных ограждающих конструкциях и дать еще более объективное обоснование их повышенной долговечности.
Для расчетов использовали математическую модель влагопереноса и программу для расчетов на ПЭВМ, разработанные проф. В.И.Лукьяновым, позволяющую наиболее полно учитывать периодические изменения температуры и влажности внутреннего воздуха. Анализ результатов расчетов показывает, что дискретный характер вентилирования наружных стен с мокрым режимом не обеспечивает необходимую долговечность. Установлено, что наиболее эффективным способом обеспечения коррозионной сохранности арматуры во внутреннем слое ограждающей конструкции является регулирование температуры воздуха в канале. На рисунке видно, как резко уменьшается зона переувлажнения внутреннего слоя при повышении температуры воздуха в канале от 30 до 40°С (сравните кривые 2 и 3). При температуре 45°С влажность материала практически по всей толщине внутреннего слоя существенно ниже (кривая 4) минимального сорбционного влагосодержания. Это обеспечивает необходимую коррозионную стойкость арматуры и долговечность ограждающей конструкции в целом.
Выводы
Разработано стеновое ограждение для зданий с влажным режимом эксплуатации [7], рассчитанное на восприятие резких колебаний температуры и влажности, характерных для многих климатических районов России.
Температурно-влажностными расчетами, проведенными на основании данных натурных и экспериментальных исследований, показана эффективность применения разработанных вентилируемых стеновых конструкций в условиях производственных зданий с мокрым режимом эксплуатации.
Установлено, что процесс интенсивной коррозии стержневой арматуры в цементно-полимерном керам- зитобетоне плотной структуры при концентрации хлор- ионов более 0,4% массы цемента начинается при сор
Бетон и железобетон в XXI веке
Подготовлена НИИЖБом и вышла из печати монография, посвященная современному состоянию и перспективам развития железобетона в строительстве.
Железобетон, 150-летие со дня изобретения которого отмечалось совсем недавно, стал в настоящее время строительным материалом номер один. По оценкам, в мире ежегодно применяется свыше 3 млрд. м3 бетона и железобетона.
В монографии, состоящей из 7 глав, на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта отражены вопросы, связанные с изучением свойств бетонов на плотных заполнителях, легких бетонов, спецбетонов, арматуры, в том числе неметаллической, изложена теория сопротивления бетона и железобетона, бетонных и железобетонных конструкций, в том числе конструктивных систем гражданских и производственных зданий, пространственных конструкций.
Описано производство бетонных и железобетонных работ, в том числе изготовление специальных констбционной влажности более 30-35% относительной влажности окружающего воздуха.
Определены коэффициенты воздухопроницаемости крупнопористых керамзитобетонов, используемых в среднем вентилируемом слое разработанных стеновых ограждений.
Бетон и железобетон, 2003 №2