автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности зданий и сооружений с использованием проникающей гидроизоляции

Проблема повышения эксплуатационной надежности зданий и сооружений является одной из наиболее актуальных в народном хозяйстве. Ее успешное решение требует комплексного подхода, учета многочисленных факторов, оказывающих все возрастающее влияние на ускоренный износ основных фондов. Здесь воедино оказываются связаны вопросы техники, технологии, экономики, медицины и экологии.

Как свидетельствуют данные обследований зданий и сооружений в различных регионах России наиболее остро наблюдается снижение эксплуатационной надежности подземных частей объектов, т.е. объектов с нарушенной или вышедшей из строя вертикальной и горизонтальной гидроизоляцией, находящихся в грунтовой среде.

Одним из факторов, уменьшающих срок службы строительных конструкций, является агрессивное воздействие внешней среды, в особенности воды. Поэтому современные гидроизоляционные материалы должны обладать кроме повышенной водонепроницаемости и прочности, стойкостью к химическим и биологическим воздействиям. Выход из строя гидроизоляции приводит к серьезным авариям, наносящим большой ущерб и требующим значительных средств на ремонтные работы.

До последнего времени технические решения по восстановлению гидроизоляции предусматривали отрывку грунта вдоль объекта, устройство новой вертикальной изоляции, засыпку и уплотнение грунта, устройство отмостки, а также новые решения по восстановлению гидроизоляционного слоя (инъецирование, электроосмос, зарядная компенсация и др. методы). Между тем имеется возможность принципиально нового подхода- применения методов и средств проникающей изоляции, что позволит снизить трудозатраты на производство работ, повысить физико-механические свойства бетонов и растворов, кирпичной кладки в конструкциях подземных частей зданий и сооружений, в т.ч. водонепроницаемость и долговечность, а в конечном итоге-эксплуатационную надежность конструкций.

Цель и задачи исследования.

Основной целью настоящего исследования является определение сущности явления, связанного с водо - воздуховыталкивающим эффектом при осушении объектов, обработанных составами проникающей гидроизоляции, а также -.разработка составов на базе отечественных компонентов, разработка методов и средств повышения эксплуатационной надежности за счет применения ~ проникающей изоляции. , Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи: 1 .Разработка составов, обеспечивающих бетону водонепроницаемость \V-6-8.

2.Изучение технических свойств этих гидроизоляционных композиций.

3.Комплексные исследования состава композиции инструментальными методами.

4.0тработка технологии применения гидроизоляционных составов на строительной площадке.

Методы исследования.

В работе использованы методы системного анализа, новые информационные и компьютерные технологии, методы оценки экономической эффективности использования проникающей изоляции на различных типах объектов ремонта и реконструкции.

Научная новизна.

Впервые в России разработаны два вида проникающей гидроизоляционной композиции, состоящей из портландцемента, тонкодисперсного кварцевого песка механического помола специальной гранулометрии и активирующих химических добавок (полиэлектролитов) отечественного производства. Разработаны материалы, обеспечивающие водонепроницаемость находящихся под гидростатическим напором подземных конструкций, которые противостоят воздействию большинства агрессивных сред, повышают прочность и морозостойкость бетона, предотвращают коррозию арматуры, технологичны в применении (наносятся на влажный или свежеувлажненный бетон) и, что особенно важно, обеспечивают воздухопроницаемость бетона в конструкциях. Составы готовятся на базе материалов отечественного производства. Доказано, что по всем нормируемым показателям они не уступают составам «Пенетрон» импортного производства. На защиту выносится: принципиально новый подход к повышению эксплуатационной надежности зданий и сооружений с применением проникающей изоляции; результаты исследования свойств гидроизоляционных составов; технология применения рекомендуемой гидроизоляции на различных по конструктивному решению типах зданий и сооружений; результаты эксплуатационных наблюдений за осуществленными объектами за период 1995-1999 гг.

Практическая ценность

Разработанные в процессе исследования составы и нормативно -технологические документы многократно реализованы предприятиями и фирмами, выполняющими работы по восстановлению гидроизоляции объектов. Разработаны составы и технология применения проникающей гидроизоляции, исследованы их основные свойства. При применении составов не требуется дополнительной обработки поверхности грунтовкой, а также специального оборудования (нанесение производится с помощью кисти или распылителя). Составы наносятся как на горизонтальные, так и на вертикальные поверхности. На основе проведенных исследований разработаны также технические условия на материалы «Лахта» и «Композиция для заделки швов».

Реализация и апробация работы

Результаты диссертационных исследований реализованы в нормативно-технологических документах по применению проникающей гидроизоляции на объектах строительства, ремонта и реконструкции. К их числу относятся:

Гидроизоляционная смесь «Лахта» ТУ 5775-001-39504100»

Пенетрон. Проникающая гидроизоляция для бетонных и железобетонных конструкций

За период с 1995 по 1999 гг. фирмой «Гидрокор» (Санкт-Петербург) при участии автора выполнены работы на 45 объектах. Среди них памятники истории и архитектуры (Казачьи казармы, Пантелеймоновская церковь, Подворье Валаамского монастыря, склеп усыпальницы в Петропавловской крепости, корпуса Китайской деревни в Царском селе и др.), объекты водоканализационного хозяйства ( завод ТЭРЗ в Санкт-Петербурге, насосные станции в г. Тихвине), административные здания ( Валютная биржа, Промстройбанк, базы и дома отдыха, газетный комплекс, аэропорт «Пулково-1» и др.), резервуары химического комбината (г .Лида, Беларусь)

С основными положениями диссертации автор ознакомил научную и техническую общественность на международных симпозиумах - круглых столах, проводимых Ленэкспо в Санкт-Петербурге на 3-ей и 4-ой международных выставках по проблемам ремонта и реконструкции зданий и сооружений в 1997 и 1998 гг., на Ы1 научно- практической конференции профессорского и преподавательского состава СПб ГАСУ в 1998 г. и на Международной научно-технической конференции СПБ ГТУ в 2000 г.

Публикации.

Основные положения исследований изложены в 4 научных трудах.

Объем и структура научного доклада.

Диссертационная работа в форме научного доклада состоит из введения, 4 глав, заключения и списка основных научных работ, содержащего 4 наименования.

Выводы по результатам испытаний.

1. Подобран состав гидроизоляционной композиции, состоящий ш портландцемента (8У,5%), кварцевого песка специальной гранулометрии и добавки № 5 в виде белого порошка, набухающего при затворении водой водорастворимого катионного полиэлектролита.

2. В результате комплексного исследования определены:

Свойства гидроизоляционной композиции Сроки схватывания: начало: не ранее 30 минут конец: не позднее 2 часов

Водопоглощение покрытия по массе,% 5,0-5,2

Водонепроницаемость покрытия, МПа 0,8

Прирост прочности на сжатие бетона с покрытием, % 15,0-20,0

Прочность сцепления покрытия с железобетоном, МПа 5,0

Морозостойкость покрытия, циклы, не менее 100

Стойкость покрытия к действию кислот:

НС1, ЦвСи не разрушается

3. Результаты фазовых анализов свидетельствуют о химическом взаимодействии составляющих гидроизоляционного покрытия с основой, т.е. диффундировании компонентов в защищаемый материал.

Спектр : 1905?:5.БРС 29 января 1996 года

НЯЧЙПО

1300 1800 2300

ДЛИНА ВОЛНЫ < мй >

Рис.2) Рентгенограмма состава «Лахта»

Глава 4. Технология производства работ по повышению эксплуатационной надежности зданий и сооружений с применением проникающей гидроизоляции.

Практическим работам на объекте предшествует тщательное диагностическое освидетельствование подземной части здания, выявление дефектов несущих стен и фундаментов, конструкции пола, пандусов, приямков, отмостки, состояния систем водоотвода, ливневой канализации. Учитываются также такие данные гидрогеологических изысканий как информация о грунтах, уровне грунтовых вод и степени их агрессивности. По результатам обследования вырабатывается стратегия мероприятий по устранению дефектов, в том числе и по восстановлению гидроизоляции. В основе восстановительных работ с использованием материалов группы «Пенетрон» реализуется принципиально новая и важная особенность этого материала - благодаря реакции различных химических компонентов при попадании на цементосодержащую среду проникать по капиллярам в толщу конструкции по осматическим законам. Эти компоненты-добавки, кристаллизуясь, блокируют капилляры и трещины и выталкивают из них воду. Становясь частью бетона, состав формирует с ним единую массу, сопротивляющуюся воздействию внешних сил и блокирующую новое проникновение молекул воды. Однако, они не препятствуют проникновению воздуха, позволяя бетону дышать.

Для производства работ рекомендуются два состава: «Лахта» (аналогичный по свойствам «Пенетрону») - для гидроизоляции подземных и надземных конструкций;

Композиция для заделки швов» ( аналогичный по свойствам « Пенекриту») - для заделки трещин и швов, для заполнения отверстий, трещин, образующихся при высыхании цементного раствора или при эксплуатационных нагрузках.

Подготовка рабочей поверхности заключается в устранении структурных повреждений, очистке от пыли, грязи, нефтепродуктов и других посторонних веществ, которые могут препятствовать проникновению гидроизоляционного состава. Расчищаются видимые трещины, ячейки. Гладким поверхностям бетона следует придать шероховатость.

Подготовка изолирующего состава «Лахта» производится на объекте и заключается в тщательном перемешивании его с водой в соотношении 5:2 для нового бетона и 3:1 для старого бетона в случае нанесения распылителем. При использовании приготовленной смеси ее следует регулярно перемешивать. В «Композицию для заделки швов» добавляется вода до получения раствора средней консистенции. Каждый из приготовленных составов должен быть использован в течении 35 минут.

Технологический процесс устройства проникающей гидроизоляции начинается с обработки изолируемой поверхности жидким раствором «Лахта» толщиной 1,2 мм, являющимся грунтовкой, далее наносится «Композиция для заделки швов», которой заполняются все вырубленные отверстия и трещины, слоем не толще 3,2 мм. Дааее на увлажненную мокрой кистью поверхность бетона наносится жидкая смесь «Лахта». Каждый из двух слоев не превышает по толщине 1,2 мм. Второй слой наносится после высыхания первого.

Расход «Лахты» на горизонтальных и вертикальных поверхностях составляет 1,6 кг/м2. Нанесенная изоляция не требует специального ухода за исключением случаев применения в очень жарком и сухом климате, когда перед нанесением состава поверхность обрабатывается водораспыляющим устройством. В обычных условиях достаточно распылять воду три раза в первый день.

Перед нанесением окрасочного или другого защитного покрытия следует произвести нейтрализацию обработанной «Лахтой» поверхности водным раствором уксуса или соляной кислоты( 1:10), после чего поверхность промыть водой.

Рекомендуемая система материалов для проникающей изоляции может пользоваться в виде жирной смеси плотного раствора. Температура окружающей среды должна быть не ниже +5°С.

Эффект пропитки бетонных и железобетонных конструкций достигается исключительно за счет поверхностной обработки, так как в цементосодержащих конструктивных материалах и стяжках начинается процесс кристаллизации добавок в капиллярах, продиктованный природой материала. По данным наших наблюдений рост гидроизоляционных кристаллов отмечался на глубине до 90 см.

Специфика применения гидроизоляционных составов проникающего действия в кирпичных стенах, сложенных из красного кирпича на известковом или цементнопесчаном растворе, заключается в бурении наклонных шпуров, инъецировании в них цементного раствора. После высыхания раствора в нем просверливаются шпуры меньшего диаметра, в которые инъецируется жидкий раствор «Лахта»

Принципиальные решения по обработке конструкций наружных и внутренних стен подземной части проникающей изоляцией «Лахта» представлены на рис. 3 и 4.

ВНУТРЕННЯЯ СТЕНА

28

ПОДВАЛЬНОЕ ПОМЕЩЕНИЕ ЗДАНИЯ

Обработка поверхности составом «ЛАХТА»

Железобетонная плита Ь-200 а) наружные стены

Анкера б) внутренние стены

КОМПОЗИЦИЯ» тэхУГВ

С;2«0

Шпуры диэм. 25, |.»1.2 м, млолмемые составом «ЛАХТА»

Шпуры диаы. 25,1*1,3 м/ заполнение составом «ЛАХТА»

Рис. 4) Решения по обработке изоляцией «ЛАХТА» внутренних и наружных стен в подвальном помещении здания

НАРУЖНАЯ СТЕНА.

29

ЯАХТА»2 слоя

Рис. 3) Принципиальное решение по обработке проникающей изоляцией «ЛАХТА» наружных стен здания

Повышение эксплуатационной надежности и межремонтных сроков службы гидроизоляции

Высокие требования, предъявляемые в настоящее время к эксплуатационной надежности гидроизоляции в зданиях и сооружениях, заставляют весьма точно определять ее межремонтные сроки службы и затраты на реновацию.

Математический аппарат так называемой оптимальной профилактики в теории надежности наиболее полно рассмотрен в работах Р.Барлоу, Ф.Прошана и И .Б. Герцбаха.

Рассмотрим общую постановку задачи с точки зрения определения надежностных характеристик гидроизоляции зданий и сооружений.

Пусть имеются различные составы проникающей гидроизоляции определенных конструкций зданий и сооружений. Затраты на приобретение каждого такого состава и его нанесения известны и составляют величину Сс„,, а затраты на эксплуатацию тоже известны и составляют С; в 1 - ий год эксплуатации. Как правило, с течением времени С,-возрастает.

Требуется определить оптимальный срок 1011Г. замены изоляции, при котором минимизируются суммарные затраты на устройство гидроизоляции данного вида.

Если годовые расходы на эксплуатацию будут монотонно возрастать под влиянием физического износа, то общие приведенные е'жегодные затраты будут:

Спр. = (Сш+ 2 г^'С^Л: (I) где г - коэффициент отдаления затрат г = 1/ (1+Е„) (2) где Е„ - нормативный коэффициент экономической эффективности

Стратегия замены изношенной изоляции зданий и сооружений является наилучшей каждые t лет, если

Сы£Сс/(1-г) ;

3)

С, /(1-г)

Неравенства (3) дают возможность определить межремонтные сроки службы гидроизоляции.

В теории надежности различают физический срок службы конструктивного элемента, по достижении которого конструкция уже не пригодна к дальнейшей эксплуатации и ремонту не подлежит, и экономический срок службы, обеспечивающий минимальные затраты на эксплуатацию, включая и капитальные затраты. Практика показывает, что с течением времени эксплуатационные затраты возрастают. Работы В.А. Ногинского и А.И. Кострнца и-мнолили показан,, что износ основных конструкций здания подчиняется нормальному ¡акону. Поэтому формула (1) с учетом возрастания затрат на эксплуатацию можег быть записана следующим образом. с„„= (А+ х г'-'с.радо ( 4 ) где р(0 - вероятность безотказной работы конструкции. ( Ч'работки статистических данных по материалам эксплуатации зданий и сооружении показывает, что С|Р(1) является сложной функцией времени, которая в первом приближении можег быть аппроксимирована линейной функцией. с, = а+Ы ( 5 ) где коэффициенты а и Ь зависят от вида строительных конструкции. Функция С, по аналогии с функцией шЬсисчшюсги отказов копарукпш: шпт.шг так, как это показано на рис.5. Однако для практических целей -южно пользоваться и линейной зависимостью, так как фактически экономический срок службы выбирается на линейном участке.

Рис. 5) Изменение расходов па эксплуатацию С,

1 - период приработки; 2- период нормальной ж; плуатчции; 3- период интенсивного износа опрег,-■ Л о

Определим.теперь Экономический срок службы ш ¡роизоляцци. С—уяетом формул£1) и (5), пр1цщв г — Ц получим среднюю величин}

Спр = СсмД + а + Ь/2 XI (6)

Беря производную от Спр по I и приравнивая ее к нулю, получим и=(2Ссм/Ь)ш (7)

Зная затраты на устройство гидроизоляции Ссм и Ь - интенсивность возрастания затрат на эксплуатацию С„ можно определить экономичный срок службы данного вида гидроизоляции.

Пример расчета межремонтного срока службы гидроизоляции «Лахта». Стоимость устройства 100 м2 гидроизоляции Ссм = 34320 руб., г = 1, затраты на эксплуатацию данного вида гидроизоляции возрастают. Эти затраты представлены в табл.16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработку и совершенствование методов и средств ремонта и восстановления строительных конструкций с применением проникающей изоляции, направленных на повышение водонепроницаемости и долговечности бетонов и растворов, следует рассматривать как одно из перспективных направлений в проблеме повышения эксплуатационной надежности зданий.

2. Впервые в отечественной практике строительства разработаны и доведены до стадии промышленного выпуска два состава проникающей гидроизоляции типа зарубежных аналогов группы «Пенетрон» - «Лахта» и «Композиция для заделки швов».

3. Проведены комплексные исследования разработанных составов в сравнении с зарубежными аналогами. Установлено, что по показателям прочности на сжатие, водопоглощения и водонепроницаемости, морозостойкости, а также адгезионной стойкости они не уступают зарубежным аналогам. Одновременно с повышением гидроизоляционных свойств отмечается также повышение качества антикоррозионной защиты. Защитные покрытия из разработанных составов не разрушаются под воздействием кислот НС1, Н2804, щелочей, солей, дизельного топлива, масел и др.

4. Результаты фазовых анализов свидетельствуют о химическом взаимодействии составляющих гидроизоляционного покрытия с основой, т.е. диффундировании компонентов в защищаемый материал на глубину не менее 70 мМ.

5. Особенности технологии производства гидроизоляционной композиции «Лахта» заключаются в приготовлении песка специальной гранулометрии, дозировании портландцемента, песка и добавок и тщательном перемешивании.

6. Разработанную гидроизоляционную композицию «Лахта» рекомендуется применять для увеличения водонепроницаемости бетонных и железобетонных конструкций I и II группы трещиностойкости и как антикоррозионное покрытие для монолитных и сборных железобетонных конструкций.

7. Композиции для проникающей изоляции являются экологически чистыми, что подтверждается государственным сертификатом, разрешающим их использование в емкостях для питьевой воды.

8. Натурные испытания и наблюдения за объектами, находящимися в эксплуатации до 5 лет, подтверждают надежность и эффективность предложенного метода повышения эксплуатационной надежности зданий и сооружений.

9. Расчеты эксплуатационной надежности показали, что оптимальным сроком службы изоляции «Лахта» в подземных конструкциях является 45 лет, что значительно выше самой распространенной в настоящее время оклеенной гидроизоляции.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Рекомендации по ремонту и реновации стен зданий, подверженных капиллярному подсосу грунтовых вод Госстрой РФ, СПб НИИ АКХ, 1994 г.

2. Рекомендации по ремонту подвалов зданий, Госстрой РФ, Пб НИИ АКХ, 1994 г.

3. Современный способ гидроизоляции зданий, «Вестник госпитальной инженерии», № 1, 1997 г.

4. Кривоносое, A.M. Яковенко, Е.Г. Семин, «Механизм действия проникающей изоляции», в сборнике международной научно-технической конференции «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» , СПб ГГУ, март 2000 г.