Долговечность и эксплуатационная надежность строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

При этом для измерений  применяются геодезические высокоточные роботизированные станции.

Геодезический мониторинг, при необходимости, может осуществляться в непрерывном режиме, что стало  возможным с использованием автоматизированных систем деформационного мониторинга. По результатам наблюдений за деформациями зданий и сооружений делается техническое  заключение о состоянии и прогнозе развития выявленных деформаций, разрабатываются  рекомендации по ведению соответствующих  мероприятий, предотвращающих вредные  следствия критических деформаций.

Для определения  глубины и длины развития трещин в толще стены широко используется тепловизионная техника. При этом производится оценка теплотехнического состояния поврежденной трещинами конструкции, по которой можно судить, является исследуемая трещина поверхностной или

сквозной. Данная методика хорошо зарекомендовала себя при поиске скрытых каналов в  стенах зданий старой постройки.

Наблюдая за поведением трещин, параллельно необходимо отслеживать  температуру и влажность окружающего  воздуха, вести геодезический мониторинг сооружения и оснований фундаментов.

Для каменных конструкций  одной из важнейших характеристик, по которой производится оценка их эксплуатационной пригодности, является прочность каменной кладки при сжатии. В отечественной практике для  приближенной оценки прочности кирпича  и раствора в кладке при обследовании строительных конструкций чаще применяются  приборы неразрушающего контроля, принцип  действия которых основан на методе ударного импульса. В частности, для определения прочности раствора и строительной керамики используется измеритель прочности бетона ИПС-МГ4.01 с энергией удара 0.16 Нм. Практика обследования показала, что точность определения прочностных показателей

 

кладочных материалов при  сжатии по этой методике неудовлетворительна. Методом ударного импульса оцениваются прочностные показатели камня и

раствора приповерхностных участков кладки, тогда как по толщине  конструкции показатели могут существенно  отличаться. Поэтому данный метод  неразрушающего контроля рекомендуется  использовать только для

качественной оценки прочностных  показателей кладочных элементов  и раствора.

Для количественной оценки прочности кирпича и раствора служат разрушающие испытания отобранных из каменной кладки образцов [17]. Отбор образцов, как правило, производится из незагруженных (под окнами, в проемах) или слабо нагруженных элементов. Испытания кирпича выполняются по стандартной методике на сжатие и изгиб (рис. 20). Из пластинок раствора, отобранных из горизонтальных швов кладки, готовятся кубики с размером ребра 2-4см, которые испытываются на сжатие.

 

                              

 

           а) б)

Рисунок 20. Испытания кирпича керамического: а – на изгиб, б – на сжатие.

 

Достоверность оценки прочности каменной кладки по результатам  испытаний, отобранных из конструкций  образцов кладочных элементов и  раствора недостаточна. Это обусловлено  высоким коэффициентом вариации прочностных показателей кладочных  элементов. Так, по данным работы [18], средняя прочность кирпича на сжатие и растяжение практически удовлетворяла требованиям стандартов. Однако коэффициент вариации прочности кирпича на сжатие составил 30-40%, на растяжение – около 40%. Вычисления показали, что прочность кирпича при нормируемых обеспеченностях (0.95-0.995) до 30-40% ниже средних ее значений на сжатие и до 40-50% – на растяжение. [18]

Существенным  недостатком разрушающего метода является то, что при отборе образцов кирпича  и раствора происходит нарушение  структуры кладки. Как следствие, не учитывается такой важный показатель как качество выполнения кладочных  работ, или, другими словами, «рука  каменщика».

В зарубежной практике обследования для определения фактической  прочности кладки, как правило, используются разрушающие методы или методы ее частичного разрушения. [19]

Одним из этих методов  является метод определения прочности  кладки при сжатии на образцах – цилиндрах диаметром 150-200 мм, отобранных их тела конструкции. Отбор цилиндров производится с помощью специальных буров, при этом в образцах сохраняется структура кладки. Испытания образцов кладки производят по схеме, показанной на рисунке 21.

 

Рисунок 21. Схема испытаний образцов кладки на сжатие

 

Наиболее достоверные  данные о прочности кладки при  сжатии дает метод испытаний непосредственно  в конструкции с помощью плоского пресса (Flat-Jack-Tests) (рис. 22). Плоские плиты пресса (плоские домкраты) устанавливаются в предварительно прорезанные в кладке конструкции горизонтальные щели шириной 20 мм (рис. 23, а). Сжатию подвергается участок кладки с ненарушенной структурой высотой 400–500мм (рис. 23, б). В ходе испытаний определяются не только прочностные, но и деформационные характеристики кладки. Нагружение кладки может производиться до определенного уровня напряжений или до полного исчерпания ее несущей способности. Сопротивление кладки сжатию Sf определяется по формуле:

 

St = K f * K a * Pf , (1)

 

где Kf и Ka – коэффициенты, учитывающие сдерживающее влияние плит пресса и прилегающей к разрезу кладки < 1;

Pf – разрушающее давление, создаваемое прессом.

Рисунок 22. Схема испытаний каменной кладки методом «Flat-Jack-Tests»

 

    

 

                      а)                                     б)

Рисунок 23. Оборудование для испытаний каменной кладки

методом «Flat-Jack-Tests»:

а – плоские домкраты, б – насосная станция и измерители деформаций.

 

 

6. Инновационные методы ремонта и усиления каменных конструкций

В настоящее время  накоплен большой опыт по усилению конструкций зданий и сооружений различных типов. В результате проведения таких работ устраняются дефекты и зачастую причины их возникновения, которые, как правило, связаны с нарушением требований по эксплуатации. Разработаны технические решения и рекомендации по восстановлению эксплуатационных свойств конструктивных элементов зданий и сооружений.

Общими характеристиками трещинообразования для каменных конструкций  могут служить следующие показатели:

- размеры трещин: длина, глубина, ширина раскрытия;

- форма продольного и поперечного сечения, проникание на поверхности конструкций (сквозные, несквозные);

- расположение трещин в конструкциях, их наклон по отношению к площадкам главных напряжений в несущих элементах;

- кинетика раскрытия трещин, стабилизировавшихся или не стабилизировавшихся во времени;

- вид воздействия, в результате которого возникают трещины: силовые, усадочные, коррозионные, температурные.

Важно уметь определять причину появления трещин – это дает возможность оценить их влияние на эксплуатационные качества каменных конструкций и правильно выбрать метод устранения отрицательных последствий.

Появление больших  трещин, приводящих к аварийному состоянию, связано, с одной стороны, с резким сокращением объемов строительства и, с другой стороны, с постоянно ухудшающимися условиями эксплуатационного содержания зданий и сооружений, значительным физическим износом основных фондов.

В зависимости  от характера трещин можно отметить наиболее эффективные способы устранения дефектов.

- Увеличение сечения элементов наращиванием или устройством армированных рубашек и накладок. Этот метод нашел свое отражение в трудах инженера И.М. Литвинова.

- Устройство стальных обойм, хомутов и пр., рекомендуемых Руководством по проектированию каменных и армокаменных конструкций.

- Изменение напряженного состояния конструкций путем их разгрузки (работы Онуфриева Н.М.).

- Усиление каменных конструкций инъецированием специальных растворов.

Такие меры усиления кладки позволяют уменьшить прогибы, повысить нижний предел трещинообразования и растяжимость сечений, однако трудоемкость и материалоемкость производства при этом сильно возрастают.

Усиливая каменные конструкции и устраняя такие  дефекты кладки как трещины стандартными способами усиления, мы решаем сразу несколько взаимосвязанных задач:

- повышаем несущую способность кладки зданий;

- удлиняем срок службы зданий за счет обеспечения монолитности кладки и стыковых соединений;

- сохраняем подлинность качественного материала кладки взамен вынужденного использования при возведении заново современного кирпича.

В настоящее время  в направлении повышения несущей  способности стен за счет использования высокопрочных материалов достигнуты определенные успехи, однако процент использования прочности каменного материала в кладке остается вес же низким (прочность кладки составляет всего лишь 30% от предела прочности кирпича). Кроме того, растворные швы, занимая 25% объема кладки, снижают ее прочность, увеличивают деформативность и неоднородность вследствие достаточно большой толщины слоя раствора (до 15 мм) и низкого сцепления его с каменным материалом.

 

6.1. Инъецирование как метод усиления каменных конструкций

 

Среди всем известных способов усиления есть метод, позволяющий не только добиться решения вышеуказанных задач, но и добиться экономического эффекта по уменьшению себестоимости проводимых работ. Это инъецирование специальных растворов.

 

 

 

Инъецирование еще  в конце позапрошлого столетия было оценено как способ, удобный для  заделки трещин, пустот и каверн в горных породах оснований, структуры каменной кладки. Инъецирование применялось как метод усиления на различных ремонтно-восстановительных работах в послевоенный период при реконструкции зданий и сооружений.

Заметное влияние  на понижение качества каменных конструкций  оказывает фактор водопроницания каменных конструкций. Инъецируя конструкцию полимерными, цементно-полимерными и цементными растворами, мы заполняем уже имеющиеся в кладке и образующиеся при эксплуатации трещины и пустоты. Тем самым увеличивается плотность конструкции, а следовательно, предотвращается водопроницание каменных конструкций. Решая эту проблему, мы также решаем проблему морозостойкости, так как она опирается и непосредственно связана с вопросом водопроницания.

Опыт практического  применения инъецирования как способа  усиления конструкций свидетельствует  о том, что он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими:

- не металлоемок;

- не требует устройства дополнительных конструктивных элементов;

- позволяет приближать схему работы усиленной конструкции при ее численной оценке к первоначальной проектной схеме.

На качество работ  и степень восстановления (повышения) несущей способности поврежденных усиленных элементов при применении способ инъекции влияет ряд факторов:

- вид инъецируемого раствора;

- давление при котором производилась инъекция;

- степень повреждения элемента (конструкции) трещинами;

- ширина раскрытия трещин;

- температура усиливаемого элемента (конструкции):

В настоящее время  практически исчерпаны возможности  улучшения качества цементных инъекционных растворов, что связано с их специфическими свойствами. Задача может быть решена за счет использования цементнополимерных и полимерных инъекционных растворов. Она обусловлена появлением новых полимерных композиций, а также ростом объема реконструкции, модернизации и капитального ремонта существующих зданий, имеющих несущие элементы с различной степенью повреждения трещинами и

необходимостью оценки их прочностных и деформативных  характеристик после усиления. В  настоящее время цементно-полимерные и полимерные композиции являются основой многих современных строительных материалов.

На экспериментальной  базе Тбилисского ЗНИИЭП были разработаны Рекомендации по восстановлению и усилению крупнопанельных зданий полимеррастворами [20]. По длине трещин в зависимости от ширины ее раскрытия через 300...500 мм на очищенную от раствора поверхность железобетонной конструкции наклеиваются шайбы из стального листа толщиной 4 мм размером 50х50 мм, имеющие в середине отверстия с нарезкой М-10. Наклейку производят на эпоксидном клее или цементном растворе с добавлением эмульсии ПВА в количестве 5% от веса цемента так, чтобы трещина совпадала с серединой отверстия в шайбе. На трещинах, расположенных у внутренних углов стен, ставят шайбы из уголка. В отверстия в шайбах ввертывают штуцеры из трубы с наружной нарезкой М-10 длиной 80 мм. Трещина между шайбами заделывается гипсовым раствором. Инъекционный раствор через штуцеры после продувки трещины сжатым воздухом и промывки водой подается в трещины, начиная с нижнего штуцера.

Известно, что  свойства полимеров во многом зависят  от их молекулярной массы. Для растворенной макромолекулы полимера характерно состояние непрерывного хаотичного движения. Молекула участвует в поступательном и вращательном броуновском движении. К размерам и формам макромолекул очень

чувствительны гидродинамические  характеристики раствора, в частности  вязкость.

Для определения  молекулярной массы необходимо провести достаточно большой обьём экспериментов, что неудобно с практической точки зрения. Более технологичным показателем в этом случае может служить вязкость водного раствора полимера определенной концентрации.

Как характеристика для инъекции в строительные конструкции инъекционных растворов вязкость растворов имеет очень большое значение, т.к. необходимо, чтобы инъецируемый состав, проникая в тело конструкции, заполнял все трещины, каверны и пустоты. Исходя из вышесказанного, чем вязкость инъекционного раствора меньше, тем раствор легче проникает в трещины и пустоты, а следовательно, тем выше качество инъекции.