Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные материалы для восстановления, гидроизоляции, ремонта и усиления бетонных и железобетонных конструкций. Учебное пособие для обучающихся по
.pdf
Одним из эффективных методов поддержания и восстановления исходных свойств строительных конструкций является биологическое восстановление бетона, которое основано на
введении в бетонную смесь в процессе производства изделий и конструкций специальных добавок, содержащих биокомпоненты.
Самовосстановление бетона при помощи экологически чистых биологических процессов относится к категории «умных» (интеллектуальных) материалов, свойства которых значительно (обратимо или необратимо) изменяются под влиянием внешних физических или
физикохимических воздействий (давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля). В середине 2000х гг. исследователи университета Делфт (Нидерланды) сформулировали концепцию использования микроорганизмов для восстановления
структуры бетона на стадии, предшествующей началу нарушений целостности бетонных конструкций. Они предложили состав бетонных смесей с использованием спор живых бактерий
из рода Bacillus для восстановления на начальной стадии развития микродефектов на поверхности бетонных изделий. Механизм действия указанной биологической добавки основан на
способности клеток бактерий в процессе метаболитических реакций преобразовываться в минералы, сходные по составу с цементным камнем.
Основной принцип метода самовосстановления бетона состоит во введении в бетонную смесь добавок, содержащих бактерии и питательное вещество. При воздействии на строительные конструкции внешних агрессивных факторов (различных видов статических и динамических нагрузок) в сочетании с возможным присутствием агрессивной химической среды
в поверхностных и приповерхностных слоях бетона возникают микротрещины, в которые
проникает воздух и влага из окружающей среды. В этих условиях бактерии, предварительно
введенные в состав бетона совместно с питательной средой, активируются. В результате протекающих биохимических процессов образуется кристаллический водонепроницаемый слой
карбоната кальция, выполняющий кольматирующие функции, что приводит к самовосстановлению структуры и эксплуатационных характеристик бетона. При этом по всей глубине
микротрещины образуются продукты жизнедеятельности бактерий. После заполнения объема трещины карбонатом кальция активность клеток прекращается и микроорганизмы снова
переходят в состояние анабиоза до следующего образования трещин. Такой процесс кольматирования микродефектов является многоцикличным.
Применение бактерий для самовосстановления бетонов является экологичным и безопасным
методом восстановления целостности поверхности строительных конструкций, что снижает затраты, упрощает технологию и повышает производительность ремонтновосстановительных работ. Метод подходит для увеличения долговечности бетонных и железобетонных конструкций
любой сложности, для промышленных и гражданских зданий и сооружений, а также уникальных памятников архитектуры и скульптурных памятников. При этом микробиологический процесс наиболее эффективен при восстановлении трещин с шириной раскрытия не более 2,7 мм.
Бетонные смеси являются агрессивной средой для микроорганизмов изза высокой щелочности среды, сохраняющейся в течение длительного времени (до полной гидратации цемента),
вследствие чего может снижаться размер пор внутри цементного камня до размеров меньше
самих спор. Поэтому необходимо обеспечить защиту спор бактерий от воздействия щелочной
среды для сохранения их жизнеспособности в течение всего срока службы бетонной или железобетонной конструкции. Применение капсулированных биохимических добавок в составе
бетона уменьшает затраты на обслуживание и ремонт конструкций, повышает межремонтные
сроки, значительно увеличивает долговечность строительных конструкций.
Микроорганизмы участвуют в процессах минералообразования различных горных пород
и рудных месторождений, таких как апатиты, опалы, арогониты, фатериты, фосфаты, маг-
111
нетиты, силикаты, металлические руды и т.п. Этот процесс получил название биоминерализация и определяется как биологическое индуцированное осаждение, при котором организм
создает локально микросреду с условиями, которые обеспечивают оптимальное внеклеточное
химическое осаждение минеральных фаз. Микроскопическими исследованиями установлено,
что многие руды содержат остатки клеток бактерий, что подтверждает биогенное происхождение руд (никеля, меди и т.п.). В природе микроорганизмы участвуют во многих химических
реакциях, например, в почве они катализируют процессы осаждения диоксида кремния и карбоната кальция, склеивающие частицы почвы.
Процессы осаждения минеральных веществ называются биоминерализацией и являются побочными продуктами метаболического процесса микроорганизмов. Примерно половину образуемых биоминералов составляют кальцийсодержащие минералы. Это обусловлено тем, что
кальций занимает ведущее место во многих фундаментальных функциях в метаболитических
процессах клеток. При этом почвенные бактерии независимо от их формы (круглые, спиральные или стержневидные) могут проходить через межпоровые каналы размером от 0,4 мкм, тогда как для грибов и простейших спор размер межпоровых каналов должен составлять более
0,6 мкм. Поэтому в настоящее время наблюдается повышенный научный интерес к использованию биологических принципов получении материалов с заданными свойствами.
Биологический метод может быть использован для укрепления и снижения проницаемости материалов минерального происхождения, уплотнения грунтов вместо применения химических растворов, в присутствии которых происходит осаждение части с заполнением пустот
и пор. Данный метод эффективен при строительстве фундаментов и гидротехнических объектов, создании противофильтрационных завес для плотин. В табл. 8.1 приведены характеристики известных процессов биоцементации материалов.
Таблица 8.1
Характеристика различных процессов биокарбонизации
Характе
ристики
Тип
Цели
Когда/где
Метод
Оценка
вклада
Ограничения в при-
менении
Процесс биокарбонизации
Восстановление
трещин
Поверхностное
восстановление
Улучшение долговечности, ремонт наружных трещин
Применяется в трещинах на поверхности бетона и строительных
растворов
Применение бактерий
с погружением носителя/связующего в питательный раствор
Экологичность
Затраты на бактерии и питательные вещества.
Отсутствие или низкая бактериальная активность при высоком значении
рН вяжущего
Трудно применять
на практике
Бактериальный
бетон
Добавка Добавка Вяжущее
Повышение прочности
Вводится в бетонную смесь
Применение бактерий
в смеси, меньшее количество бактерий
(1 мас. % ⇒ примеси)
Изменения в микроструктуре материала
–
Долгосрочная жизнеспособность спор
Самовосстанав
ливающийся бетон
Самовосстановление
трещин
Применение растворной смеси для ремонта
фрагментов известняка
или для заполнения полостей в камне
Применение бактерий
в смеси, меньшее количество бактерий
(1 мас. % ⇒ примеси)
Возможность
самовосстановления
Биораствор
Формирование
прочности на основе
карбонат содержащего
раствора
–
Применение
бактерий и питательных веществ в смеси,
большее количество
бактерий
(25 об. % ⇒ связующего)
Совместимость
–
–
112
Самовосстановления ЖБК можно достичь методом поверхностной обработки бетона
конструкций жидкой бактериальной суспензией, содержащей определенную концентрацию
питательного вещества. Такой метод основан на образовании водонепроницаемой пленки на
поверхности обработанных бетонных и железобетонных конструкций.
На механизм биоминерализации бетона оказывают влияние различные факторы: физический и химический состав, текстура, окружающая среда. Осаждение микробиологически образованного кальцита на поверхности бактериальных клеток приводит к росту прочности бетонов, если они располагаются в порах материала. Кольматирующее вещество (карбонат кальция)
образуется при взаимодействии водных растворов солей кальция и ионов кальция, получаемых
при гидролизе карбамида в присутствии биокатализаторов — ферментов клеток. Образование
кальцита является результатом каталитического действия специального вида бактерий, уреазы
и аммиака посредством ряда сложных биохимических реакций. На рис. 8.1. представлено схематическое изображение процесса микробиологического осаждения карбоната кальция.
Рис. 8.1. Схема микробиологического осаждения карбоната кальция
Микроорганизмы группы Bacillus способны осаждать кальцит на их клеточных составляющих и в их микросреде путем преобразования мочевины в аммиак и двуокись углерода.
В среде, содержащей ионы кальция, происходит биокаталитическая деградация мочевины, которая локально повышает рН и способствует реакции образования CO2 и CaCO3.
Основной реакцией кальцикарбоновой системы является:
CO
2–
+ Ca2+ ↔ CaCO3. (8.1)
3
Движущей силой для осаждения CaCO3 является уровень пересыщения S, определяемый
отношением ионного продукта:
S = (Ca2+) × , (8.2)
где Kso — константа произведения растворимости, равная 3,8 ∙ 109.
Во время активности микробной уреазы 1 моль мочевины гидролизуется внутри клетки
до 1 моля аммиака и 1 моля карбамата, который спонтанно гидролизуется с образованием
еще 1 моля аммиака и углекислоты. Уреаза превращает 1 моль мочевины в 2 моля аммиака
и 1 моль СО2:
CO(NH2)2 + H2O → NH2COOH + NH3, (8.3)
NH2COOH + H2O → NH3 + H2CO3. (8.4)
113
Эти продукты уравновешиваются в воде с образованием бикарбоната и 2 молей ионов аммония и гидроксида:
H
2CO3
↔ HCO
2NH3 + 2H2O ↔ 2NH
–
+ H+ (pKa = 6,37), (8.5)
3
+
+ 2OH–. (8.6)
4
Последние две реакции приводят к увеличению рН, что, в свою очередь, сдвигает равновесие бикарбоната. Это приводит к образованию ионов кальция (8.1). Повышение рН происходит первоначально в локальной микросреде вокруг бактериальной клетки и распространяется в объемном растворе суспензии бактериальных клеток.
HCO
–
+ H+ + 2NH
3
+
+ 2OH– ↔ CO
4
2–
+ 2NH
3
+
+ 2H2O. (8.7)
4
Увеличение рН приводит к увеличению значения пресыщения в растворе, и происходит образование CaCO3 за счет реакции ионов кальция Ca2+ с углекислотой и гидроксидными ионами:
Ca
2+
+ HCO
–
+ OH– → CaCO3 + H2O. (8.8)
3
Клетки бактерий, способные продуцировать уреазу, предпочитают достаточно высокие
значения pH окружающей среды, что обуславливает их эффективное применение для цементных бетонов с целью восстановления их структуры.
Самую распространенную группу бактерий составляют аэробные спорообразующие бактерии. Высокая жизнеспособность бактерий в неблагоприятных условиях и адаптация к изменениям окружающей среды обеспечивают их способность образовывать споры, которые
обладают высокой устойчивостью к резким и большим колебаниям температур, к действию
агрессивных химических соединений, отсутствию воздуха и влаги. При анализе различных
субстратов, подвергшихся неблагоприятным воздействиям, наиболее часто единственными
выявленными живыми микроорганизмами являются споры.
Метаболизм — набор химических реакций живого организма, протекающих для поддержания жизни. В процессе метаболитической активности живые клетки синтезируют внутри себя
более сотни различных ферментов, являющихся катализаторами химических реакций, необходимых для поддержания их жизнеспособности. Ферменты состоят из белковой части (апоферменты) и простатической группы (коферменты). Коферменты — соединения биологической природы, которые необходимы для переноса функциональных групп между ферментами. Для каждого
класса химических реакций перенос функциональных групп обеспечивается процессом катализа отдельными ферментами и их кофакторами. Одним из центральных коферментов является аденозинтрифосфат (АТФ), которой постоянно регенерируется, но не накапливается из AДФ
и AМФ. Спорообразующие бактерии проявляют себя как активные продуценты многих ферментов. Бактерии, продуцирующие уреазу, по отношению к присутствию аммония условно относятся к двум группам: подавляемые и неподавляемые. Высокая концентрация мочевины в период
биокарбонизации способствует их гидролизации, поэтому для цементных бетонов можно применять лишь микроорганизмы, активность уреазы которых не подавляется аммонием.
При корректном скрининге определяющими характеристиками для бактерий являются непатогенность для человека и соответствие требованиям биоцементации. Для безопасного применения клеток бактерий в самовосстанавливающихся материалах они должны быть непатогенными и не содержать никаких переносимых элементов, которые могут увеличить патогенность
штаммов в окружающей среде. В настоящее время наблюдается повышенный интерес к ПАВ
биогенного происхождения, называемых биосурфактанты (биоПАВ), как экологически безо-
пасным и экономически эффективным поверхностноактивным агентам, которые синтезируют
различные виды бактерий, дрожжей, микроводорослей и мицелиальных грибов.
По сравнению с синтетическими сурфактантами биосурфактанты обладают низкой токсичностью, высокой биодеградабельностью, способны сохранять активность в экстремаль-
114
ных условиях окружающей среды, их получают из доступных и возобновляемых источников
сырья. Биосурфактанты помимо известных способов ремедиации почв и вод находят широкое
применение в фармакологии, в строительной и горнодобывающей промышленностях, в качестве эмульгаторов, солюбилизаторов и гидробофизаторов и др. Отмечается, что повышение
содержания биомассы клеток свыше 0,02 % от массы цемента негативно влияет на прочностные характеристики материалов на основе минеральных вяжущих.
Определенная концентрация микробиологических добавок положительно влияет на прочностные характ еристики изза возможност и снижения количес тва испол ьзуемой воды затворения. При дальнейшем увеличении содержания введенных добавок происходит рост толщины
пленки сорбированного ПАВ на частицах минерального вяжущего и поверхности гидратных
новообразований, что препятствует доступу воды затворения к поверхности гидратирующихся зерен цемента. Поэтому применение биодобавок позволит осуществлять процесс самовосстановления строительных конструкций на ранних стадиях образования микродефектов
путем кольматирования последних продуктами жизнедеятельности введенных клеток микроорганизмов с уреазной активностью и следовательно, повысить долговечность и надежность
строительных конструкций за счет эффекта самовосстановления строительных материалов.
Определенные виды природных бактерий, найденные в почве, песке или природных минералах, обладают способностью к осаждению карбоната кальция. MICP (микробно-индуцированное осаждение кальцита) — это биогеохимический процесс, в процессе которого происходит осаждение карбоната кальция в матрице материала. Это могут быть различные клетки
как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, среди которых наиболее известны: Sporosarcina pasteurii, Bacillus pasteurii, В. cohnii, В. sphaericus, В. pseudofirmus, В. cohnii,
В. halodurans, B. subtilis, В. megaterium, B. alkalinitrilicus, Pseudomonas putida, Escherichia coli.
На эффективность образования MICP основное влияние оказывают:
– питательные вещества;
– концентрация реагента;
– pH среды;
– время реакции;
– концентрация клеток бактерий;
– источники ионов кальция;
– распределение бактерий в матрице вяжущего.
При разработке самовосстанавливающихся бетонов важно выявить бактерии, способные выжить в высокощелочной среде. Большинство микрорганизмов погибают при pH среды более 10.
Виды бактерий, которые могут выжить в среде цементных бетонов, приведены в табл. 8.2.
Виды бактерий, которые могут быть использованы
для самовосстановления бетонов
Назначение Вид бактерий
Bacillus pasteurii
Кольматирование трещины
в бетонных и железобетонных
конструкциях
Восстановление бетонной поверхности строительных конструкций
115
Bacillus subitilis
Deleya halophile
Halomonas eurihalina
Myxococcus xanthus
Bacillus megaterium
Bacillus sphaericus
Bacillus subitilis
Таблица 8.2
При этом единственным видом бактерий, способным выжить в бетонной матрице, являются
бактерии, которые продуцируют споры, активирующиеся в момент появления трещин на поверхности бетона. Снижение рН высокощелочного бетона до значений в диапазоне от 11,5 до 9–10 активирует споры бактерий при наличии влаги и воздуха. Варианты применения определенных видов микроорганизмов для восстановления микроструктуры строительных цементных материалов
представлены в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Микроорганизмы,
применяемые для самовосстановления строительных материалов
Применение
Поверхностная
обработка
Самовосстановление
трещин
Бактериальный
бетон
Вид
микроорганизмов
Bacillus cereus
Bacillus subtilis
Bacillus sphaericus
Bacillus subtilis
Метаболизм
Окислительное
дезаминирование
аминокислот
Гидролиз
мочевины
Гидролиз
мочевины
Гидролиз
мочевины
Окислительное
дезаминирование
аминокислот
Средства роста (пептон, дрожжи
экстракта, KNO3, NaCl) + CaCl2, H2O,
ациклические, натамицин
Питательный бульон, мочевина,
CaCl2, H2O, NH4Cl, NaHCO
Экстракт дрожжей, мочевина,
Питательный бульон, мочевина,
CaCl2, H2O, NH4Cl, NaHCO
дрожжевой экстракт: 3 г/л
Питательная
среда
3
CaCl2, H2O
3
Пептон: 5 г/л,
NaCl: 5 г/л,
Род Bacillus включает в себя множество видов бактерий, общим у которых является:
– палочковидное строение клетки;
– образование спор;
– аэробное дыхание;
– гетеротрофный способ питания;
– нефотосинтезирующие.
Бактерии Bacillus могут быть грамположительными или грамотрицательными, стержнеобразными, эндоспорообразующими, аэробными или факультативными анаэробными бактериями. Многие виды указанного класса бактерий обладают широким спектром физиологических способностей, которые позволяют им жить в экстремальных условиях (в пустыне,
горячих источниках и арктических почвах). Кроме того, они могут расти в условиях переменных температур и рН, различных концентрациях солей, непереносимых другими микроорганизмами. Размеры клеток вида Bacillus составляют (0,3–2,2) × (1,2–7,0) мкм.
Bacillus pasteurii (Sporosarcina pasteurii) — аэробная грамотрицательная алкалофильная
почвенная бактерия. Она использует уреазу в качестве катализатора, производя NH3 и CO2,
тем самым повышая pH среды для создания благоприятных условий для жизнедеятельности
клеток, а, следовательно, и для процессов осаждения кальцита:
NH
– CO – NH2 + H2O→2NH3 + CO2. (8.9)
2
Sporosarcina pasteurii изменяет pH окружающей среды в пределах 7–9. В США разработаны практические методы производственного использования данного вида клеток: компанией
BioMason в Роли (штат Северная Каролина) Ginger Krieg Dosier разработана уникальная методика «выращивания» кирпича с участием клеток Sporosarcina pasteurii.
Bacillus cereus — вид грамположительных, спорообразующих почвенных бактерий, являющихся возбудителем пищевых токсикоинфекций человека. Клетки размером (1,0–1,5) × (3–5) мкм,
116
эндоспоры которых расположены центрально, не превышают размер клетки. Они являются арэробными или факультативно аэробными бактериями. Bacillus cereus относятся к IV группе патогености по СП 1.3.232208.
Bacillus subitilis (сенная палочка) — вид почвенных палочковидных аэробных бактерий
размером (3–5) × (0,4–0,6) мкм, грамположительные и спорообразующие. Споры овальные,
не превышающие размер клетки, расположены центрально. Bacillus subtilis являются одним
из наиболее хорошо изученных микроорганизмов. Согласно санитарноэпидемиологическому правилу СП 1.3.232208 Безопасность работы с микроорганизмами III–IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней не являются патогенными для человека. Они признаны безопасными FDA (Управление по санитарному надзору за качеством
пищевых продуктов и медикаментов США). Отсутствие патогенности и неспособность колонизировать ткани человека позволяет использовать их в качестве пробиотика в продуктах питания, особенно в странах Востока. Bacillus subtilis обладают благоприятной способностью
поддерживать равновесие микрофлоры в желудочнокишечном тракте человека.
Bacillus sphaericus штаммы индуцируют быстрое повышение рН среды. Когда кубики известняка, покрытые активной биопленкой, погружались в свежий питательный бульон, наблюдалось мгновенное повышение рН изза высвобождения уреолитических метаболитов.
У штамма Bacillus lentus наблюдается более медленный метаболизм уреазы, связанный с мед-
ленным повышением рН окружающей среды и приводящий, как следствие, к плохому осаждению CaCO3 на кубики известняка, покрытые биопленкой. Карбонат кальция в стерильной
среде удалял кальций из окружающей среды изза сорбции или выщелачивания H2CO3 из известняка в небуферизованный объемный раствор при рН = 5. При одновременном повышении
рН количество HCO3 достигало уровня, при котором происходит пересыщение раствора и образование СаСО3, с его последущим осаждением:
Ca
2+
+ 2HCO
–
↔ CaCO3 + CO2 + H2O. (8.10)
3
Образующийся CO2 будет осаждаться до достижения равновесия в реакции.
Штамм Bacillus sphaericus имеет высокую уреазную активность, непрерывное образование
плотных кристаллов карбоната кальция и крайне отрицательный дзетапотенциал. Данный
вид штамма использовался для уплотнения песчаных колонн, заживления трещин в гранитах
и для поверхностной обработки известняка. Он способен повысить pH среды до значений 8–9.
При высоких концентрациях Bacillus sphaericus при контакте оказывает негативное влияние
на организмы животных и человека. Bacillus pasteurii, Bacillus cereus и Bacillus sphaericus могут использовать мочевину в качестве источника энергии, что приводит к получению аммиака и карбоната. Аммиак увеличивает рН среды и концентрацию карбоната вокруг клеток, вызывая взаимодействие Ca2+ и CO
2–
с осаждением CaCO3.
3
Уреолитический гидролиз мочевины — наиболее распространенная реакция образования карбоната, так как уреаза является распространенным ферментом для многих бактерий,
дрожжей и высших растений. Гидролиз мочевины является необратимой реакцией:
CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH
+
+ CO
4
2–
. (8.11)
3
При нейтральном значении рН образуется больше бикарбоната (HCO3–), чем карбоната (СО
2–
). Это приводит к повышению рН, в результате чего аммоний (NH4+) начинает диссо-
3
циировать до аммиака (NH3). Химический гидролиз мочевины является медленным процессом, константа скорости гидролиза в присуствии кислоты составляет 7,4 × 10–7, а в присуствии
фермента уреазы возрастает до 5,0 × 106 (в некоторых случаях до 1014 раз). Причиной ферментного ускорения реакции является снижение энергетического барьера: энергия активации для
гидролиза мочевины кислотой — 103 кДж/моль, уреазой — 28 кДж/моль.
В зависимости от вида биомассы скорость каталитического гидролиза ферментной уреазы может быть различной (рис. 8.2). Для сравнения отобраны штаммы следующих микро-
117
организмов: Bacillus pasterii (NCIM 2477), Bacillus lentus (2466NCIB 8773), Breibacterium
ammoniagenes (ATCC 6871). Гидролиз мочевины приводит к образованию ионов карбоната
в молярном соотношении 1 : 1. При более высокой концентрации мочевины количество осажденного CaCO3 значительно возрастает, что является положительным фактором для высоких
скоростей MICP.
20
15
10
5
Активность уреазы, ед./мл
0
Bacillus pasterii Bacillus lentus Breibacterium
Рис. 8.2. Сравнение значений уреазной активности различных бактерий
ammoniagenes
При образовании стабильных центров кристаллизации в растворе начинается рост кристаллов карбоната кальция. При этом возможно образование различных типов минералов
CaCO3, каждый из которых имеет разную кристаллическую решетку в результате различного механизма роста (мононуклеарный, полиядерный или спиральный рост) в зависимости от пресыщения, температуры и химического состава строительного раствора. В природе встречаются в основном три полиморфные модификации карбоната кальция: кальцит,
арагонит и фатерит (ватерит). Практически полностью из карбоната кальция состоят горные породы (известняк, мел, мрамор, травертин и другие известковые туфы), но с некоторыми примесями. В природе кальцит является стабильным полиморфом карбоната кальция
и встречается в природе в разнообразных геологических породах: в осадочных (известняки), метаморфических и магматических. Арагонит является вторым по устойчивости полиморфом CaCO3 и в основном образуется в раковинах моллюсков, скелетах некоторых
организмов, но способен образовываться и в карстовых пещерах и гидротермальных источниках. Фатерит является самой нестабильной разновидностью карбоната кальция, он
очень быстро превращается в воде либо в кальцит, либо в арагонит. Такой вид кристаллической структуры способен быть стабильным с некоторым числом примесей, изза чего в природе встречается относительно редко.
Пресыщение раствора обеспечивает скорость или механизм роста кристаллов любого из
этого типа карбоната кальция. Увеличение размера кристалла может быть ограничено процессами диффузии, где происходит его растворение, если продукт ионной активности в растворе опускается ниже продукта растворимости. При высоком пресыщения раствора образованный кристалл может претерпевать несколько переходов метастабильных минеральных
фаз (аморфный карбонат кальция и ватерит) с переосаждением в итоге в более стабильном
виде кальцита. В случае низких температур (до 8 ºC) стабильной минеральной фазой может
быть икаит (CaCO3 · 6H2O).
118
Усиление — комплекс конструктивных мероприятий и технологических работ, направленных
на восстановление несущей способности и эксплуатационных свойств строительных конструкций зданий и сооружений различного функционального назначения. Необходимость в усилении
конструкций возникает при реконструкции и техническом перевооружении строительных объектов изза физического износа материалов, вызванного их коррозией, нарушением условий эксплуатации или технологии производства конструкций, воздействием на них агрессивной окружающей среды или сверхнормативным воздействием. Указанные факторы снижают несущую
способность конструкций, уменьшают их надежность и способность обеспечивать безопасную
эксплуатацию зданий и сооружений.
Проектирование усиления или восстановления конструкций проводят после тщательного натурного обследования зданий и сооружений или их конструкций и отдельных узлов, поверочных расчетов. Диагностика и техническое обследование позволяет определить реальное
состояние строительных конструкций, их армирование и реальные геометрические размеры,
прочность бетона, вид, класс арматуры и ее состояние, прогибы конструкций, расположение
и ширину раскрытия трещин, размеры и характер других дефектов и повреждений, действующие нагрузки. Обследование ЖБК позволяет не только выявить степень их износа, но и определить причины их разрушения.
Основным принципом повышения надежности конструкций является системный подход, охватывающий весь жизненный цикл любого инженерного сооружения: проектирование, строительство, эксплуатация, включая мониторинг его текущего состояния, проведение диагностических исследований перед усилением, выполнение проектных работ и технологических операций
по ремонту и усилению конструкций с последующим контролем качества выполненных работ.
Выбор способа усиления бетонных и железобетонных конструкций с целью повышения их
несущей способности, жесткости и трещиностойкости проводится после выполнения поверочных расчетов, которые устанавливаеют вероятную схему разрушения конструкций. В общем
случае разрушение изгибаемых, внецентренно (центрально) сжатых и растянутых элементов
ЖБК происходит по растянутой или сжатой зоне, в зоне среза от действия поперечных сил, по
всему сечению от действия крутящего момента, местного сжатия, отрыва и продавливания. При
этом усилению подлежит наиболее слабая часть строительной конструкции.
При выборе способа усиления строительных конструкций в конкретных условиях их эксплуатации необходимо учитывать действующие нагрузки и техническое состояние усиливаемой
конструкции, наличие агрессивной среды, пожаро и взрывоопасность окружающей среды, возможность достижения требуемой степени повышения несущей способности, технологичность
и экономичность, возможность усиления конструкций без остановки производства в минимальные сроки и без уменьшения габаритных размеров помещения и т.д.
Традиционные способы усиления строительных конструкций имеют существенные недостатки: большая собственная масса конструкций усиления, значительная трудоемкость и технологическая сложность монтажа усиливающих элементов, необходимость применения дополнительного громоздкого оборудования и, в ряде случаев, невозможность усиления непрямых
поверхностей конструкций, высокие требования к безопасности при производстве работ и большая продолжительность выполнения работ по усилению. Это приводит к остановке на длительный срок эксплуатации строительного объекта.
Эффективным методом усиления бетонных и железобетонных конструкций является система
внешнего армирования на основе эпоксидных полимерных композиционных материалов (ПКМ),
армированных углеродными, арамидными, полиэфирными и базальтовыми волокнами или стекловолокном. Система внешнего армирования строительных конструкций основана на создании
на поверхности растянутой зоны конструкций усиливающих элементов, выполненных из высокопрочных ПКМ, воспринимающих дополнительные усилия. Усиление ПКМ осуществляют пу-
119
тем пропитки и наклейки ламелей, лент, тканей или сеток на предварительно подготовленную
поверхность конструкций с помощью эпоксидных связующих, обеспечивающих надежную пропитку армирующего наполнителя и адгезию к поверхности усиливаемой конструкции. После
отверждения эпоксидного связующего полимерные композиты работают совместно с конструкцией и воспринимают возникающие в ней растягивающие усилия. В зависимости от количества
слоев усиливающей ткани, лент или сеток несущая способность конструкций может быть восстановлена либо значительно увеличена.
Систему внешнего армирования ПКМ используют при ремонте конструкций мостов, тоннелей, резервуаров, конструкций промышленных, общественных и жилых зданий, а также при
строительстве новых сооружений. Мировой и отечественный опыт применения ПКМ для усиления конструкций различных зданий и инженерных сооружений показал их высокую эффективность и надежность. Несомненными достоинствами ПКМ являются низкая плотность, технологичность, стойкость к действию агрессивных внешних факторов, способность повторять
практически любые геометрические формы поверхности усиливаемой конструкции, другие факторы. Обоймы из ПКМ являются эффективной альтернативой стальным обоймам, поскольку их
включение в работу усиливаемого элемента конструкций обеспечивается через клеевой слой.
Основными достоинствами усиления строительных конструкций системой внешнего армирования являются:
– низкая стоимость усиления (на 20–50 % меньше) и возможность выполнения работ в сжатые сроки (от 1 до 3 недель в зависимости от объемов работ) по сравнению с традиционными методами усиления;
– увеличение несущей способности балок и плит перекрытий в 2–4 раза, а межремонтный период составляет до 30 лет;
– возможность проведения работ без вывода зданий и сооружений из эксплуатации;
– при усилении конструкции не снижаются внутренние габариты помещений сооружения (толщина элементов усиления не превышает 5 мм);
– не возрастают постоянные нагрузки от собственной массы конструкции усиления, что исключает необходимость усиления нижележащих строительных конструкций (в том числе фундаментов);
– широкая номенклатура конструктивных элементов, для которых возможно применение метода внешнего армирования ПКМ;
– для выполнения работ не требуются громоздкие металлические конструкции, сложное технологическое оборудование и оснастка;
– малочисленность рабочих бригад (2–4 человека);
– бесшумность проведения работ по усилению.
Систему внешнего армирования применяют как на стадии строительства и эксплуатации зданий и сооружений — для устранений последствий повреждения несущих конструкций в ходе
длительной эксплуатации, ошибок проектирования или выполнения работ (заниженные сечения
арматуры, прочность бетона, не соответствующая проектной марке, отклонения от проекта расположения арматуры), увеличения несущей способности конструкций при повышении расчетных
нагрузок или изменения конструктивной схемы элементов здания и образования приемов, — так
и на стадии проектирования для повышения сейсмостойкости, прочности, надежности и долговечности конструкций при сохранении их материалоемкости или при чрезвычайных нагрузках.
Для усиления конструкций используют холсты и ткани различного переплетения с одно
или двунаправленным расположением волокон, полосы и пластины. Полосы и ламели, изготовленные из ПКМ в заводских условиях, приклеивают на заранее подготовленную поверхность
усиливаемой бетонной и железобетонной конструкции. Выбор ПКМ для усиления строительных конструкций зависит от условий их эксплуатации и назначения усиливаемой конструк-
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]