Качество железобетонных конструкций и  построек, эксплуатируемых в береговой зоне Черноморского побережья

Properties of reinforced concrete structures and structures operated in the coastal zone of the black sea coast

Малый Артём Вадимович, студент МГСУ

Анищенко Елизавета Сергеевна, кафедра ТОСП МГСУ

Файзуллин Дмитрий Андреевич, кафедра Железобетонных и каменных конструкций НИУ МГСУ

Malyy A.V., Anishchenko E. S., Fayzullin D. A.

Аннотация: Бетон и железобетон применяются для возведения зданий и сооружений с длительными сроками эксплуатации. Применение конструкций из этих строительных материалов носит массовый характер, для обеспечения потребности строительства в мире производится более 4,5 млрд м³ в год бетона и железобетона. В процессе эксплуатации конструкции часто подвергаются неблагоприятному воздействию окружающей среды (агрессивные химические вещества в виде газов, растворов солей и их аэрозолей, микроорганизмы) и оказываются в сложных условиях работы.

Указанные воздействия способствуют разрушению материалов и снижению долговечности конструкций, которые в ряде случаев могут выйти из строя через год или даже месяцы после начала эксплуатации. При расположении объектов строительства вблизи промышленных предприятий и на морском побережье воздействие неблагоприятных факторов может усиливаться.

В статье приведены результаты исследования содержания неорганических солей и видового состава микроорганизмов в поверхностном слое бетона железобетонных сооружений, эксплуатируемых на побережье Черного моря. Авторами представлены результаты исследования проб бетона, отобранных из конструкций пирса, непосредственно контактирующего с морской водой, в зависимости от высотных отметок относительно уровня моря и ориентации по сторонам света.

Также получены результаты исследования проб, отобранных из конструкций забора, расположенного на расстоянии около 50 м от береговой кромки, в зависимости от ориентации забора по сторонам света и его параллельного или перпендикулярного положения относительно линии берега.

Обнаружена корреляция между уровнями солесодержания и видами микроорганизмов, населяющих поверхностный слой бетона прибрежных конструкций.

Установлено, что в условиях влияния морского климата происходит одновременное воздействие на строительные конструкции высокой температуры воздуха, солнечной радиации, ветра, биологической среды, влаги и примесей гигроскопических морских солей в воздухе. Интенсивность воздействия негативных факторов зависит от высотных отметок расположения конструкций относительно уровня глади воды и их ориентации относительно берега и по сторонам света.

Summary: Concrete and reinforced concrete are used for the construction of buildings and structures with long service life. The use of structures made of these building materials is massive, to meet the needs of construction in the world produced more than 4.5 billion m3 per year of concrete and reinforced concrete. During operation, structures are often exposed to adverse environmental effects (aggressive chemicals in the form of gases, salt solutions and aerosols, microorganisms) and find themselves in difficult operating conditions.

These effects contribute to the destruction of materials and reduce the durability of structures, which in some cases can fail in a year or even months after the start of operation. In the location of construction projects near industrial enterprises and on the coast, the impact of adverse factors may increase.

The article presents the results of the study of the content of inorganic salts and species composition of microorganisms in the surface layer of concrete reinforced concrete structures operated on the black sea coast. The authors present the results of the study of concrete samples taken from the structures of the pier in direct contact with sea water, depending on the altitude relative to sea level and orientation to the cardinal points.

Also, the results of the study of samples taken from the structures of the fence, located at a distance of about 50 m from the shoreline, depending on the orientation of the fence to the cardinal points and its parallel or perpendicular position relative to the shore line.

A correlation was found between the levels of salt content and the types of microorganisms inhabiting the surface layer of concrete of coastal structures.

It is established that under the influence of the marine climate there is a simultaneous impact on the construction of high air temperature, solar radiation, wind, biological environment, moisture and impurities of hygroscopic sea salts in the air. The intensity of the impact of negative factors depends on the elevation of the structures relative to the level of the water surface and their orientation relative to the shore and around the world.

Ключевые слова: агрессивное воздействие среды; аэрозоли солей; бетон и железобетон; биоповреждение; деструкция бетона; конструкции и сооружения; коррозия; микроорганизмы; солесодержание.

Key words: aggressive environmental impact; salt aerosols; concrete and reinforced concrete; biological damage; destruction of concrete; structures and structures; corrosion; microorganisms; salt content.

Бетон и железобетон являются одними из основных видов строительных материалов, которые массово применяются для возведения зданий и сооружений с запланированными длительными сроками службы – до 100 и более лет. Для обеспечения потребности строительства в настоящее время в мире производится более 4,5 млрд м³ в год бетона и железобетона.

Вследствие сложных условий работы в ряде случаев конструкции из этих материалов могут оказаться недолговечными и выйти из строя через год или месяцы эксплуатации. На долговечность бетона оказывают влияние вещества, добавляемые в материал при его производстве, а также окружающая среда с примесями агрессивных компонентов.

Например, неоднозначное воздействие на бетонные и железобетонные конструкции оказывают химические добавки, вводимые в строительный материал для улучшения технологических свойств бетонной смеси. В работе [1] отмечается, что «для большинства групп добавок вообще и конкретных типов добавок, в частности, характерны побочные эффекты. Они могут быть не менее сильны и не менее значимы, чем основной эффект, могут быть как положительными, так и отрицательными».

В основном негативный эффект применения добавок выявляется при их передозировке [2], тогда возможно появление высолов, возникновение коррозии и мокрых пятен на поверхности конструкций, растрескивание арматуры и т. д.

По исследованиям ряда авторов [3, 4, 5] установлено, что до 75 % бетонных и железобетонных строительных конструкций подвергаются разрушающему воздействию окружающей среды с постоянно ухудшающимися показателями.

Скорость и масштаб повреждения таких конструкций связаны с коррозией, вызванной агрессивным влиянием внешней среды, что «способно с течением времени ослаблять прочность бетона, снижая тем самым безопасность и долговечность зданий и сооружений» [6].

Установлено, что чем менее учтено агрессивное воздействие среды в расчетах конструкций при проектировании, тем более выраженной становится коррозия при эксплуатации зданий и сооружений [7] на протяжении всего жизненного цикла.

Коррозионные повреждения железобетонных конструкций обусловлены воздействием окружающей воздушной среды, грунтовых вод с присутствующими в них агрессивными веществами [8]. Также к факторам внешней среды, отрицательно влияющим на первоначальные свойства бетона, относятся: действие повышенных и пониженных температур, ультрафиолетовое облучение, температурный режим, вызывающий попеременное замораживание и оттаивание строительных материалов. Такие воздействия являются характерными для условий эксплуатации конструкций зданий и сооружений, расположенных на побережьях морей.

К указанным неблагоприятным воздействиям добавляется действие на конструкции морской воды и солевого тумана – хлоридсодержащей среды [9, 10, 11, 12] в виде аэрозоля гигроскопических солей.

Наряду с неорганическими веществами на коррозионные повреждения бетона оказывают влияние микроорганизмы. По данным ряда исследователей «более 40 % общего объема биоразрушений связано с деятельностью микроорганизмов – бактерий и грибов» [13, 14, 15].

Процессы биоповреждения железобетонных конструкций в теплых и влажных климатических условиях района строительства усиливаются [16], что вызывается наличием факторов, «стимулирующих размножение: высокая влажность, сравнительно высокие температуры, различного рода загрязнения, а также разность потенциалов и сдвиг pH среды» [17]. При этом происходит развитие, размножение и смена видов бактерий, что обусловлено изменением свойств среды во времени [18]. Биоповреждения являются характерными также для полимерных композиционных материалов, в частности, полимербетонов [16, 19, 20, 21].

Постановка задачи и методы исследования

В работе была поставлена задача – установить видовой состав микроорганизмов и содержание неорганических солей в поверхностном слое бетона конструкций, эксплуатируемых на побережье Черного моря.

Видовой состав микроорганизмов устанавливался в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», г. Саранск по стандартной методике в соответствии с идентификацией микромицетов на основе их морфолого-культуральных особенностей с применением определителей: К.Б. Рейпер, С.А. Том (Raper, Nhom, 1949); К.Б. Рейпер, Д.И. Феннел (Raper, Fennell, 1965); Н.М. Пидопличко (1971); М.А. Литвинов (1967); А.А. Милько (1974); Т.С. Кириленко (1977); К. Донш, В. Гамс (Donch, Gams, 1980); А.Ю. Лугаускас, А.Н. Микульскене, Д.Ю. Шляужене (1987); В.И. Билай, Э.З. Коваль (1988) [16].

Химический анализ проб материала на количественное содержание неорганических солей производился по стандартным методикам, принятым в аналитической химии, в аналитической лаборатории ПАО «Пигмент», г. Тамбов. Определение хлоридов производилось универсальным иономером ЭВ-74, а сульфатов – фотоэлектрическим фотометром КФК-3- «3ОМЗ».

Результаты исследования

Установлено, что срок эксплуатации железобетонного пирса составляет более 65 лет, на протяжении этого периода элементы его конструкции не ремонтировались. Отбор проб производился на двух характерных вертикальных участках пирса, ориентированных по сторонам света, соответственно, на восток и на запад (рис. 1). Одна высотная отметка для отбора проб материала назначалась на уровне ниже 1 м от уровня гладкой поверхности воды, другая – на уровне поверхности воды; третья – на высоте 2 м над уровнем поверхности воды.

Первый этап исследования заключался в определении величины солесодержания и наличия микроорганизмов в поверхностном слое бетона железобетонного пирса и сравнении полученных значений для разных высотных отметок точек отбора проб.

Источником наличия солей в поверхностном слое бетона пирсов, как сооружений, непосредственно контактирующих с морем, является морская вода и солевой туман. Известно, что содержание солей в морской воде в среднем составляет 3,5 % (масс.), из них наибольшую часть составляют хлориды, натрий и сульфаты: Cl – 55 %, Na – 30,6 %, SO4 – 7,7 %. Остальные вещества – это магний, кальций и калий: Mg – 3,7 %, Ca – 1,2 %, K – 1,1 %2. Поэтому в пробах бетона определялось наличие солей, представленных наиболее массово – хлоридов и сульфатов [22].

На уровне поверхности воды в материале пирса выявлено шесть видов микроорганизмов, к указанным выше добавились: Alternaria brassicae, Cladosporium herbarum и Aspergillus oryzae. В образцах, взятых на высоте 2 м над уровнем моря, выявлены пять видов микроорганизмов. При этом отсутствуют, из выявленных на уровне воды: Cladosporium elatum, Aspergillus oryzae и Cladosporium herbarum. Дополнительно выявлены следующие виды: Chaetomium dolichortrichum и Penicillium chrysogenum.

Среднее и суммарное солесодержание составило, соответственно, в бетоне ниже поверхности морской воды на глубине 1 м – 0,78 и 1,56 масс. %, на уровне поверхности воды – 1,40 и 2,80 масс. %, а на высоте 2 м над уровнем моря – 1,35 и 2,69 масс. %. Выявлено, что значения солесодержания коррелируются с видовым составом микроорганизмов в пробах материала пирса.

Анализ солесодержания в пробах материала в зависимости от ориентации точек отбора проб по сторонам света показал, что суммарное солесодержание выше на всех высотных отметках относительно уровня моря при ориентации вертикальной стены пирса на запад по сравнению со стеной, ориентированной на восток, и составляет: в точках на 1 м ниже уровня моря – 1,09 против 0,47 масс. %, на уровне поверхности воды – 2,04 против 0,76 масс. %, на уровне 2-х м выше уровня моря – 1,61 против 1,07 масс. %. Наибольшая разница в уровнях солесодержания для точки отбора проб №2 западной ориентации по сравнению с точкой №1 восточной ориентации наблюдается для проб, отобранных на уровне поверхности воды – на 63 отн. %. Для проб ниже поверхности морской воды на 1 м разница составляет 57 отн. %, а для проб на высоте 2 м над уровнем воды – 34 отн. %.

Таким образом, для данных условий наибольшее солесодержание выявлено при западной ориентации стены пирса по сравнению с восточной.

На втором этапе были проведены исследования железобетонного забора (рис. 2), выполненного из заборных панелей длиной 3,00×0,08×2,00 (h) м. Сравнивались показатели железобетонных изделий, находящихся на расстоянии около 50 м до кромки морской воды, т.к. известно, что наибольшее количество микроорганизмов выявляется на образцах, взятых с железобетонных конструкций на расстоянии от моря 50 м и больше [16].

Срок эксплуатации забора составляет более 30 лет, ремонтные работы по его восстановлению не проводились. Пробы материала отбирались из конструкций, которые были расположены параллельно и перпендикулярно по отношению к кромке морской воды одновременно с 2-х сторон конструкций – обращенных в сторону моря и с обратной стороны.

Была также установлена ориентация забора по сторонам света: при расположении конструкции параллельно кромке моря она имела ориентацию лицевой стороны – на северо-восток (С-В), а тыльной стороны – на юго-запад (Ю-З). Для забора, расположенного перпендикулярно береговой кромке, лицевая сторона была ориентирована на юго-восток (Ю-В), а тыльная – на северо-запад (С-З).

Из перечисленных в таблице 2 шести видов микроорганизмов, выявленных на стороне, обращенной «от моря», в образцах конструкций забора, обращенных «к морю», отсутствуют 2 вида – Penicillium chrysogenum и Penicillium nigricans, дополнительно обнаружены 5 видов – Aspergillus clavatus, Fusarium moniliforme, Fusarium avenaceum, Aspergillus niger и Aspergillus oryzae, т. е. всего присутствуют девять видов микроорганизмов.

Уровень солесодержания в конструкциях, расположенных параллельно берегу и обращенных в сторону «к морю» (ориентация на С-В), на 16 отн. % выше, чем в конструкциях, расположенных в сторону «от моря» с ориентацией на Ю-З (табл. 2).

На третьем этапе исследования был проведен анализ розы ветров в г. Геленджик (рис. 4), который показал, что направление С-В ветра (повторяемость 17,8 %) по сравнению с Ю-З направлением (повторяемость 8,2 %) преобладает в 2,2 раза.

Поэтому очевидно, что накопление солей в конструкциях забора, параллельных берегу и обращенных к морю, имеющих С-В ориентацию, объясняется внесением на поверхность строительного материала конструкций аэрозоля солей со стороны моря. В то же время тыльная сторона конструкции забора, ориентированная на Ю-З, подвергается ветровому воздействию меньшей интенсивности и оказывается более защищенной той частью забора, которая имеет направление, перпендикулярное берегу моря.

Анализ данных таблицы 2 позволил установить, что на лицевой (ориентация на Ю-В) и тыльной сторонах (ориентация на С-З) забора, расположенного перпендикулярно берегу моря, солесодержание находится на том же уровне, что и солесодержание в конструкциях, параллельных берегу моря и обращенных «от моря» с ориентацией на Ю-З, а также на 16 отн. % ниже, чем в конструкциях, расположенных в сторону «к морю» с ориентацией на С-В.

При С-В и С-З ориентации забора величина суммарной солнечной радиации составляет 575 кВт×ч/м2 . При Ю-В и Ю-З ориентации – 1594 кВт×ч/м2 . Известно, что при воздействии солнечной радиации возникают значительные напряжения в теле конструкций вследствие радиационной амплитуды и неоднородного состава материала. Поэтому при воздействии солнечной радиации возможно более интенсивное разрушение материала от действия солевой и микробиологической среды.

Заключение

Проведенное исследование показало, что в условиях влияния черноморского климата происходит одновременное воздействие на строительные конструкции переменных положительных температур, солнечной радиации, ветра, биологической среды, влаги и примесей гигроскопических морских солей в воздухе.

Интенсивность воздействия негативных факторов зависит от высотных отметок расположения конструкций относительно уровня глади воды, а также их ориентации относительно береговой кромки и по сторонам света. При этом ориентация по сторонам света является определяющим фактором для учета влияния ветра и солнечной радиации.

Список литературы

1. Кудерская, О.О. Исследование влияния добавки ХСТН на развитие коррозии и образование высолов на поверхности бетона // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – Изд-во Кузбасского государственного технического ун-та им. Т.Ф. Горбачева (Кемерово). – 2017. – №4. – С. 141-143.
2. Баженов, Ю.М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2015. – 500 с.
3. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. – М., 2016. – 316 с.
4. Алексеев С.Н., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. – М.:Стройиздат, 2016. – 205 с.
5. Математические модели процессов коррозии бетона / Б.В. Гусев, А.С. Файвусович, В.Ф. Степанова и др. – М.: ИИЦ «ТИМР», 2016. – 103 с.
6. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Хрунов В.А. Математическое моделирование массопереноса в процессах коррозии бетона для обеспечения безопасности и долговечности зданий и сооружений // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе: сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, посвящённых 105-летию академика А.В. Лыкова. – 2015. – С. 260-262.
7. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // ACADEMIA. РААСН. – М., 2015. – № 1. – С. 93-102.
8. Ельчищева, Т.Ф. Динамика содержания примесей в воздухе Центрально-Черноземного региона для проектирования наружных ограждающих конструкций зданий // Жилищное строительство. – 2016. – №6. – С. 48-51.
9. Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф., Морозов Е.А. и др. Микробиологическое разрушение материалов. – М.: АСВ, 2018. – 128 с

List of references

1. Kuderskaya, O. O. Investigation of the effect of CSTN additives on the development of corrosion and the formation of efflorescence on the surface of concrete. Vestnik Kuzbass state technical University. – Publishing house of the Kuzbass state technical University. T. F. Gorbachev (Kemerovo). – 2017. – №4. – Pp. 141-143.
2. Bazhenov, Y. M. Technology of concrete. – M.: Publishing house of DIA, 2015. – 500 p.
3. Alekseev S. N., Ivanov F. M., Modra, S., Sisli P. Durability of reinforced concrete in aggressive environments. – M., 2016. – 316 p.
4. Alekseev S. N., Rosenthal N. K. Corrosion resistance of reinforced concrete structures in an aggressive industrial environment. – Moscow:Stroyizdat, 2016. – 205 p.
5. Mathematical models of processes of corrosion of concrete / B. V. Gusev, A. S. Faybusovich, V. F. Stepanova, and others – M.: IIC «TIMR», 2016. 103 PP.
6. Fedosov S. V., Rumyantseva V. E., Khrunov V. A. Mathematical modeling of mass transfer in the processes of concrete corrosion to ensure the safety and durability of buildings and structures // Actual problems of drying and thermal water treatment of materials in various industries and agro-industrial complex: collection of scientific articles of the First International Lykov Scientific readings devoted to the 105th anniversary of academician A. V. Lykov. – 2015. – P. 260 to 262.
7. Karpenko N. And. Karpenko S. N., Ermakovskiy V. N., Erofeev V. T. modern methods ensure durability of reinforced concrete structures]. RAASN. – M., 2015. – № 1. – P. 93-102.
8. Alchimia, T. F. Dynamics of the content of impurities in the air of the Central black earth region to the exterior design of walling of buildings // Housing construction. – 2016. – №6. – P. 48-51.
9. Erofeev V. T., Smirnov V. F., Morozov E. A. and others Microbiological destruction of materials. – Moscow: DIA, 2018. – 128.