1. Основы проектирования усиления зданий и сооружений

1.3. Используемые материалы для усиления конструкций

Стальные конструкции

Марку стали элементов усиления следует назначать по табл. 50 СНиП РК 5.04-23-2002 с учетом качества стали усиливаемой конструкции. Если эти конструкции выполнены без сварки и отсутствуют данные о свариваемости стали, то для их усиления сварку можно применять только после проведения оценки свариваемости.

Применяемая для элементов усиления сталь, как правило, не должна уступать по качеству металлу усиливаемых конструкций (по механическим свойствам, вязкости и свариваемости).

При усилении конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, коррозионная стойкость металла элементов усиления должна быть не ниже стойкости металла усиливаемой конструкции.

Железобетонные конструкции [1]

Арматурная сталь, прокат, применяемые в конструкциях усиления, долж-

ны удовлетворять требованиям СНиП 2.03.01-87. Для армирования применяют рабочую арматуру классов A-I, A-II, А-Ш по ГОСТ 5781-82. В качестве жесткой арматуры применяют профильную прокатную сталь ВСтЗпсб, ВСтЗспб по ГОСТ 380-71, 8509-86, 8510-86, 82-39-72, ГОСТ 8240-72. Для изготовления металлических конструкций усиления применяют листовую и профильную прокатную сталь ВСтЗГпсб, ВСтЗспб, ВСтЗпсб, ВСтЗкп2 по ГОСТ 380-71. Для ручной дуговой сварки на монтаже необходимо применять электроды Э42, Э42А, Э46, Э50, Э50А и Э55. Для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, должны применяться бетоны с характеристиками плотности и стойкости, соответствующими данной среде. Раствор для защитных цементных штукатурок и мелкозернистый бетон для заделки гнезд, отверстий должны быть не ниже класса В20.

В качестве вяжущего для приготовления бетонов необходимо применять портландцемент марок не ниже 400 по ГОСТ 10178-85. При необходимости выполнения работ в кратчайшие сроки и в аварийных ситуациях рекомендуется применять гипсоглиноземистый расширяющийся цемент по ГОСТ 11052-74, глиноземистый по ГОСТ 969-77, напрягающие цементы НЦ-20 (ТУ 21-20-18-80). Вид цемента рекомендуется выбирать в соответствии с табл. 1.1. При наличии особых требований должны применяться специальные виды цементов в соответствии со СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии. Нормы проектирования». Для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, рекомендуется применять в качестве ингибитора коррозии стали нитрит натрия (ГОСТ 19906-74*). Различные добавки, в том числе суперпластификаторы, должны применяться в соответствии со специальными нормативными или методическими документами.

Заполнители для бетонов должны отвечать требованиям СНиП 3.03.01-87, а также ГОСТ 8268-82; 8736-85; 10260-82 и ГОСТ 10268-80. Максимальная крупность заполнителя при уплотнении бетонных смесей вибрированием не должна превышать 20 мм, за исключением массивных обойм, но не более 1/5 толщины обоймы, при нанесении набрызгом - 20 мм, но не более половины толщины бетонируемой конструкции; при торкретировании 8-10 мм в зависимости от паспортных данных цемент-пушек; при заливке мелкозернистым бетоном полостей толщиной до 50 мм - не более 5 мм, высотой более 50 мм - 10 мм. В густоармированных набетонках, обоймах крупность заполнителя не должна превышать 2/3 расстояния между арматурными стержнями. В отдельных случаях допускается взамен обычных применять мелкозернистые бетонные смеси прочностью не менее проектной. Мелкозернистые бетонные смеси, укладываемые в опалубку под давлением растворонасосами, должны иметь подвижность, определяемую погружением стандартного конуса, 8-9 см, В/Ц=0,4-0,45, состав Ц:П > 1:1,5. Для приготовления бетонных смесей должны применяться пески с модулем крупности 2,5. Уменьшение усадочных деформаций достигается применением расширяющихся и пластифицирующих добавок или напрягающего цемента. В качестве адгезионных обмазок для повышения сцепления старого и укладываемого бетона могут применяться силоксановые и акриловые клеи.

Таблица 1.1

Области применения цементов

Примечание. При необходимости создания значительного самонапряжения расход напрягающего цемента должен быть не меньше 500 кг/м³. Самонапряжение увеличивается с увеличением расхода цемента и уменьшением водоцементного отношения.

Каменные и армокаменные конструкции [1]

Характеристики матералов каменной кладки определяют в соответствии со СНиП II-22-81. Каменные и армокаменные конструкции.

Железобетонные обоймы следует выполняеть из бетона марки не ниже М150 с армированием вертикальными стержнями и сварными хомутами. Расстояние между хомутами должно быть не более 15 см. Толщина обоймы назначается по расчету и может быть 4-12 см. Армированные растворные обоймы армируются аналогично железобетонной, но вместо бетона арматура покрывается слоем цементного раствора марки 75-100.

При инъецировании применяются следующие материалы: в качестве вяжущего для цементных и цементно-полимерных растворов используются портландцемент марки не ниже 400 тонкостью помола не менее 2400 и нормальной густотой цементного теста в пределах 22-25 % и шлакопортландцемент марки 400, обладающий небольшой вязкостью в разжиженных инъекционных растворах.

Песок для раствора применяется очень мелкий или тонкомолотый. Модуль крупности мелкого песка  должен находиться в пределах 1,0-1,5 (ГОСТ 8736-77), а тонкомолотого - доходить до тонкости помола цемента.

Для раствора следует использовать пластифицирующие добавки: нитрит натрия  в количестве 5 % массы цемента; поливинилацетатную эмульсию ПВА с полимерцементным отношением П/Ц=0,05 (добавка ПВА создает в смеси при ее перемешивании мелкие и устойчивые пузырьки воздуха, увеличивая пластичность смеси); нафталинформальдегидную (меламинформальдегидную) добавку в количестве 0,1 % массы цемента (гидрофильная смола, обладающая сильнопластифицирующими свойствами).

Для упрочнения кладки методом инъецирования используются цементные (беспесчаные, цементно-песчаные, цементно-полимерные) и полимерные растворы. Инъекционные растворы должны обладать следующими свойствами: малым водоотделением (цементные и цементно-полимерные растворы), необходимой вязкостью, требуемой прочностью на сжатие и прочностью сцепления, малой усадкой, достаточной морозостойкостью.

Составы инъекционных растворов в каждом отдельном случае назначаются в соответствии с требованиями проекта и корректируются на месте производства работ с учетом применяемых материалов. Рекомендуются следующие виды и составы инъекционных растворов:

для кладки с раскрытием трещин до 1,5 мм;

- полимерные растворы на основе эпоксидной смолы состава, в частях по массе:

эпоксидная смола ЭД-20 или ЭД-16...............100

модификатор МГФ-9………………………….30

отвердитель ПЭПА……………………………15

тонкомолотый песок…………………………..50

- цементно-полимерные растворы состава 1:0,15:0,25 при В/Ц=0,6 (цемент: полимер ПВА или СКС 65ГП=Б: песок);

- цементно-песчаные растворы с добавкой тонкомолотого песка состава 1:0,1:0,25 при В/Ц=0,6 (цемент: суперпластификатор нафталинформальдегид: песок);

для кладки с раскрытием трещин 1,5 мм и более:

- цементно-полимерные растворы состава 1:0,15:0,3 при В/Ц=0,6 (цемент: полимер ПВА или СКС 65ГП-Б: песок);

- цементно-песчаные растворы (модуль крупности песка =1,0, ГОСТ 8736-77) состава 1:0,05:0,3 при В/Ц=0,6 (цемент: пластификатор нитрит натрия: песок);

- цементные (беспесчаные) растворы состава 1:0,1 при В/Ц=0,5 (цемент: суперпластификатор нафталинформальдегид).

Примечания: 1. Виды растворов указаны в порядке уменьшения их эффективности.        2. В связи с влиянием на процессы инъецирования и твердения растворов ряда специфических факторов (влажности кладки, ее сорбционных свойств, степени чистоты поверхностей и качества применяемых материалов) составы растворов (для обеспечения требуемой прочности) должны корректироваться.

При замене простенков и столбов новой кладкой возведение кладки новых простенков рекомендуется выполнять из каменных материалов (кирпич, бетонные камни) повышенной прочности, но не ниже марки 100 и цементный раствор марки 100.

Деревянные конструкции

При усилении деревянных конструкций используют преимущественно древесину хвойных пород. Для ответственных деталей соединений таких как шпонки, нагели, вкладыши следует применять древесину твердых лиственных пород. Характеристики древесины определяют в соответствии со СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции».

В качестве антисептиков можно использовать водные растворы фтористого натрия и содового фтористого натрия (концентрация 3...4 %), кремнефтористого натрия (3...4 %), кремнефтористого аммония (5...10 %), хлористого цинка (5 %), пасты на основе битумных материалов, кузбаслака и др.

Для защиты деревянных конструкций от возгорания используют огнезащитные составы - антипирены (борную кислоту, буру, сульфат аммония и т.д.). Для защиты наружных поверхностей применяют атмосферостойкие составы (ПХВ и парафин с пигментами, хлорлакойль, уайт-спирит, сурик и т.п.); при большой влажности (61...75 %) - влагостойкую краску ХЛ-СЖ, сланцевую смолу, железный сурик; при влажности менее 60 % - невлагостойкую хлоридную краску ХЛ-К, силикатную краску СК-Л, суперфосфатную обмазку и др.

Материалы для усиления конструкций полимеррастворами и клеями

Кроме традиционных методов усиления применяют и нетрадиционные методы такие, как усиление конструкций с использованием различных клеев, полимеррастворов, стеклотканей [16] и других материалов.

Эпоксидные клеи и полимеррастворы

Клеевые составы должны отвечать следующим требованиям: иметь адгезионную и когезинную прочность не ниже прочности восстанавливаемых бетонных и железобетонных кострукций; быть долговечными и погодоустойчивыми; допускать возможность регулирования их вязкости и жизнеспобности; быть пригодными для использования при любой погоде, в том числе отрицательной температуре окружающей среды.

В большей степени этим требованиям отвечают эпоксидные клеи и полимеррастворы на их основе, которые обладают высокой прочностью демпфирующим свойством, стойкостью к циклическому замораживанию и атмостферным воздействиям и циклическим и вибрационным нагрузкам.

В состав эпоксидных клеев входят эпоксидная смола, пластификатор, растворитель, отвердитель и др. Полимеррастворы получают введением в эпоксидный клей наполнителей.

Основой эпоксидного клея являются эпоксидные смолы марок ЭД-16, ЭД-20, ЭА.

Хрупкость эпоксидных клеев устраняют введением в них пластификаторов таких, как дибутилфталат, полиэфир МГФ-9, тиокол и др. К рекомендуемым можно отнести эпоксидные компаунды К-115 и К-153 - эпоксидные смолы уже пластифицированные сооветственно полиэфиром МГФ-9 и полиэфиром МГФ-9 с тиоколом.

Для снижения вязкости эпоксидных смол ЭД-16 и ЭД-20 при необходимости вводят растворители, например, ацетон в количестве 10%-ной массы смолы, или модификаторы, например сламор. В этих случаях рекомендуется использовать низковязкие эпоксидные составы, например, компаунд КЭА-2.

Оверждение эпоксидных клеев и полимеррастворов в теплое время года при t > 15 °С производится в зависимости от принятой композиции полиэтиленполиамином (ПЭПА), УП-0633М или комбинированным отвердителем - полиэтиленполиамином (ПЭПА) с триэтаноламином (ТЭА). В зимнее время при t ≤ 15 °С отверждение эпоксидных клеев и полимеррастворов осуществляется с помощью аминофенольного отвердителя АФ-2 или полиэтиленполиамином с введением в состав клея модификатора - сламора.

Повышение вязкости и снижение текучести клея достигается введением поливинилацетатного клея.

Улучшения технологических свойств клея и снижения расхода эпоксидной смолы можно достичь введением в состав клея наполнителей - кварцевого песка, андезитовой муки, цемента и др.

Полимерцементные растворы

Полимерцементные растворы - это материалы на основе композиционных вяжущих, включающих органический полимер и неорганическое вяжущее вещество. Композиционным вяжущим может быть принят состав на основе поливинилацетатного клея и портландцемента и другие составы. В состав полимерцементного раствора входят поливинилацетатный клей, цемент, песок и вода. При необходимости ускорения твердения в состав добавляется гипс. Выпускается промышленностью клей с содержанием 50 % сухих веществ и пластифицированным дибутилфталатом. Неорганичесческим вяжущим является портландцемент марки 400 и выше с содержанием трехкальциевого алюмината не выше 10 %. Песок можно использовать речной, используемый для приготовления штукатурных и кладочных растворов, просеянный. Для приготовления раствора можно использовать любую питьевую воду.

Из зарубежных клеевых составов можно отметить химические составы Hilti HIT-RE 500 компании Hilti, которые используются для соединения бетона и металла при усилении и восстановлении строительных конструкций реконструируемых зданий и сооружений.