Принципы обеспечения качества проведения ремонтных работ на объектах транспортной инфраструктуры

В последние десятилетия в Российской Федерации резко возросли объемы возведения транспортных сооружений различной массивности и конфигурации из монолитного бетона. При этом сооружения строятся в различных климатических условиях и зачастую в сжатые сроки. В связи с этим из-за технологических проблем, вызванных недоучетом температурного фактора, возникающего в твердеющем бетоне, нарушения технологии возведения объектов в достаточной степени возросли объемы реконструкции и ремонта объектов транспортной инфраструктуры. Гарантия получения необходимых конструкционных свойств как строящихся новых, так и подлежащих реконструкции существующих объектов влечет за собой постоянное совершенствование применяемых подходов к разработке и внедрению новых эффективных технологий проведения работ по ремонту, лечению дефектов и трещин при условии применения современных материалов и технологий, удовлетворяющих запросам заказчиков, требованиям нормативных актов, в том числе по эксплуатации транспортных сооружений различного назначения [1].

В настоящее время на рынке строительных материалов имеется достаточное количество разнообразных составов для ремонта бетонных и железобетонных конструкций различного назначения. Обычно необходимый материал выбирают, исходя из технических и экономических требований с учетом обеспечения условий безремонтной продолжительной эксплуатации. Однако при этом следует помнить, что в современных условиях санкционной экономики выбор ремонтного состава зачастую основывается на денежных возможностях заказчика, а также во многом зависит от рисков, связанных с недостаточным знанием условий последующей эксплуатации транспортных объектов и реальных физико-химических характеристик новых, ранее не используемых материалов [2].

Практика показывает, что проведение ремонтных работ требуется и на стадии возведения объекта, и в период его последующей эксплуатации. На первой стадии, как правило, осуществляется устранение обнаруженных дефектов и лечение выявленных трещин, допущенных в ходе возведения объекта вследствие нарушения требований технологической документации (в том числе регламентов), а на стадии эксплуатации проводятся различные виды ремонтных работ, связанные, в том числе, с восстановлением и поддержанием несущей способности отдельных конструктивных элементов или всего объекта в целом [2, 3]. С целью создания условий эффективного устранения выявленных дефектов ремонтируемых конструкций и подбора соответствующих материалов, удовлетворяющих условиям эксплуатации, следует иметь выработанную заранее концепцию, которая устанавливает последовательность производства работ, позволяющих повысить качество их проведения и обосновать правильность выбора того или иного материала, необходимого для ремонтных работ [2]. Очевидным является тот факт, что во всех случаях ремонтные работы должны быть проведены на качественном уровне, гарантируя при этом получение долговечности, надежности, сопротивляемости агрессивному воздействию и обеспечивая продолжительность межремонтных сроков. Достичь этих целей можно только при условии правильного учета физико-химических и технических основ обес- печения требуемого качества ремонтных работ, основанного на сочетании правильности выбора исходных материалов и технологии производства ремонтных работ, сочетающих в себе особенности взаимодействия ремонтного состава с ремонтируемой конструкцией [4].

Материалы и методы исследования

Подготовительный этап работ включает в себя установку причин и степени разрушения возводимого или реконструируемого объекта, конструкции, которые подлежат ремонту. На следующем этапе необходимо определить условия использования и эксплуатации рассматриваемого сооружения. Указанные данные необходимы для выявления критериев назначения свойств материалов, которые в наибольшей мере соответствуют техническим нормам требований, предъявляемым к качеству ремонтируемой конструкции. Далее следует выполнить обзор свойств ремонтных материалов, оценка которых должна быть произведена в зависимости от их технической, экономической значимости для каждого конкретного объекта. Этот обзор также должен отражать возможные последствия, вызванные неправильностью сделанного выбора. На следующем этапе следует обозначить эксплуатационные требования к материалам и установить их приоритетность в зависимости от совокупности всех условий, оказывающих влияние на обеспечение потребительских свойств материалов. Этот этап должен стать определяющим в пользу выбора того или иного состава, и, как показывает опыт, только при последовательном этапном выборе материала может быть достигнуто оптимальное соотношение «цена – качество – надежность – долговечность», и, наоборот, неправильное поэтапное определение ремонтного состава может привести к негативным последствиям и удорожанию всего строительства. Общий процесс выбора ремонтных составов в соответствии с данными, обобщенными А.Р. Соловьянчиком [5], можно представить в виде схемы, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема процесса выбора ремонтного состава для конструкций

Выполнение ремонтных работ конструкций должно регулироваться требованиями нормативно-технических документов. К сожалению, наличие пробелов в правилах технического регулирования по созданию проектов и выполнению строительно-монтажных и ремонтных работ приводит к тому, что на строительный рынок поставляются материалы низкого качества, а ремонтные работы выполняются с нарушениями [2]. В связи с чем очевидно, что все ремонтные составы и условия их применения должны четко регламентироваться нормативно-техническими актами – руководствами, техническими условиями и прочими документами, актуализация которых должна производиться синхронно с изменяющимися условиями на рынке ремонтных составов, а также с требованиями иных нормативно-правовых документов. Ремонт бетонных поверхностей предполагает создание единого композитного материала, который в любом случае будет отличаться от оригинального материала. Выбор подходящего состава – это процесс, в котором необходимо не только учитывать требования по нанесению и характеристикам долговечности конструкции, но, что не менее важно, оценивать совместимость ремонтного состава с субстратом с целью обеспечения долговечности произведенных работ.

Совместимость – это соотношение между физическими, химическими и электрохимическими характеристиками и размерами составляющих ремонтной и существующей систем. Необходимость данного соотношения заключается в том, что именно несовместимость материалов является главной причиной низкокачественного ремонта [6]. Приоритет совместимости материалов позволяет принять правильное решение при выборе ремонтного состава и технологии проведения работ, в том числе при разработке технологии устранения дефектов, связанной с применением принципа «лечения подобного подобным» [7, 8]. При этом необходимо соблюдать основное требование к материалу, заключающееся в поведении его размерных характеристик по отношению к размерным характеристикам самой конструкции. Размерные характеристики ремонтного материала не всегда идентичны размерным характеристикам субстрата, в связи с чем разница объемных изменений, возникающих при затвердевании бетонной смеси, является причиной развития внутренних напряжений, которые оказывают негативное воздействие на все три составляющие ремонтной композиции - субстрат, контактную область и сам ремонтный материал. Высокие внутренние напряжения способствуют образованию трещин от растяжения, потере несущей способности и расслоению, а также вызывают разрушение материала. Важной также при проведении ремонтных работ является неизменность физико-химических процессов, связанных с массопереносом по сечению конструкции, который может привести к увлажнению бетона в зоне контакта ремонтного материала с материалом ремонтируемой конструкции, замораживанию водной составляющей при отрицательной температуре и отрыву одного ремонтируемого материала от самой конструкции. Важной задачей является также выбор ремонтного материала для поверхностного восстановления несущих структурных элементов. Ее решение связано с поиском такого материала, который при заполнении ремонтной полости не дает усадку в процессе затвердевания и имеет идентичный субстрат в отношении реакций, вызванных нагрузкой и колебаниями температуры и влаги.

При выполнении ремонтных работ должны разрабатываться технологические регламенты на производство работ, в которых должны быть отражены индивидуальные особенности объекта, его месторасположение, а также примерный перечень ремонтных работ (обследование объекта, установка причин возникновения дефектов, расчет процента износа, предлагаемые меры по их устранению и пр.). В некоторых случаях может потребоваться разработка проекта производства работ по устранению дефектов и лечению трещин. Все повреждения, выявленные в конструкциях транспортных сооружений, можно условно разделить по характеру воздействия на несущую способность элементов на три группы:

I группа – повреждения, практически не снижающие прочность и долговечность конструкций (поверхностные раковины, пустоты; трещины с раскрытием до 0,2 мм и т. п.);

• II    группа – повреждения, снижающие долговечность конструкции (трещины с раскрытием более 0,2 мм, трещины в зоне рабочей арматуры предварительно напряженных конструкций; пустоты, раковины и сколы с оголением арматуры и т. п.);

• III    группа – повреждения, снижающие несущую способность конструкции (трещины, не предусмотренные расчетом ни по прочности, ни по выносливости; горизонтальные трещины в сопряжениях конструктивных элементах (за исключением технологических трещин [9]; большие раковины и пустоты в бетоне сжатой зоны и т. п.) [10].

Повреждения, которые относятся к I группе, как правило, не нуждаются в принятии срочных мер, и их можно устранить в рабочем порядке посредством нанесения защитных покрытий с последующим мониторингом состояния поверхности конструкции. Повреждения II группы ремонтируются с целью обеспечения долговечности возводимого и реконструируемого сооружений. При повреждениях III группы потребуется восстановление несущей способности элемента по заданному признаку с гарантированным обеспечением несущих характеристик и долговечности рассматриваемой конструкции [11].

Отметим, что при проведении ремонтных работ в нашей стране часто используются материалы, выпускаемые иностранными компаниями или совместными предприятиями. Для таких материалов необходимо учитывать требования европейских стандартов, в частности EN 1504, в привязке к характеристикам ремонтных материалов (на цементной основе) в соответствии с требованиями российских нормативных документов. С целью проверки применимости тех или иных ремонтных материалов, выпускаемых разными поставщиками, были проведены испытания ряда ремонтных составов для устранения дефектов и лечения трещин на строящихся объектах с последующим наблюдением за состоянием ремонтируемой конструкции с учетом совместимости указанных материалов [12].

Результаты исследования и их обсуждения

В первую очередь при проведении испытаний были рассмотрены различные виды эпоксидных смол для ремонтных работ по устранению трещин (ЭЛД, мастерсил). Исследования и наблюдения показали, что наиболее целесообразно проводить ремонтные работы по устранению трещин в весенний или осенний период при температуре наружного воздуха 7 .. 13 ° С и температуре бетонной поверхности 5 . 10 ° С, с учетом соблюдения установленных требований по минимальной вязкости ремонтных растворов в соответствии с данными, приведенными в таблице 1. При этом неактивные трещины, имеющие ширину раскрытия до 0,3 мм, как правило, следует герметизировать эластичным эпоксидным раствором, а более 0,3 мм – инъецировать путем нагнетания эластичного раствора под давлением.

Таблица 1

Минимально допустимая вязкость ремонтных растворов для лечения трещин

Диапазон раскрытия трещин, мм		Значение вязкости, мин
0,05	… 0,2	8,0
0,2 …	0,45	16,0
0,45	… 0,7	19,0
0,7	1,0	26,0

Также были проведены испытания некоторых ремонтных составов на цементной основе с полимерными добавками (Структурит, ЭМАКО, ЦМИД) на морозостойкость и прочность на сжатие. Испытания проводились путем отбора кернов из поверхности отремонтированной конструкции с последующим испытанием в морозильной камере и на гидравлическом прессе соответственно. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Минимально допустимая вязкость ремонтных растворов для лечения трещин

Наименование раствора	Прочность на сжатие, МПа	Морозостойкость, циклов
Структурит	45 … 50	F300
ЭМАКО	60 … 65	F300
ЦМИД	75 … 80	F600

Как видим по данным таблицы 1, рассматриваемые ремонтные материалы имеют хорошие технологические показатели, а опыт применения на транспортных объектах Москвы, Санкт-Петербурга, Сочи, Владивостока и других городов свидетельствует о возможности их использования для проведения ремонтных работ ответственных сооружений по всей стране с учетом соблюдения климатического фактора. При этом окончательное решение по использованию в ремонтных целях того или иного материала следует принимать исключительно после того, как будут установлены все требуемые параметры и характеристики материалов, соответствующие реализации концепции «качество» при производстве работ наилучшим образом. Практика показывает, что невозможно подобрать материал, который бы обладал всем спектром необходимых свойств с оптимально заданными значениями. Чаще всего бывает так, что оптимизация одной характеристики ремонтного состава достигается за счет ущерба иным характеристикам. Например, увеличение содержания цемента с целью повышения прочности на сжатие обычно сопровождается повышением усадки при процессе твердения. Для обеспечения ремонта высокого качества следует обозначить приоритеты каждому из требований и установить только те характеристики, которые являются наиболее важными с позиции обеспечения качества, надежности и долговечности конструкции. После проведения данной работы необходимо сформировать перечень свойств, которые следует систематизировать и разграничить на основные (первичные) и специальные (второстепенные). К первичным свойствам необходимо отнести те, наличие которых требуется для производства капитального и долговечного ремонта, к специальным (второстепенным) - те, при помощи которых корректируется эффективность материала с целью продления периода его эксплуатации. Основные принципы обеспечения совместимости свойств ремонтных и существующих систем, систематизированные на основании теоретических исследований и практического опыта, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Соотношение основных свойств ремонтных материалов с требованиями по обеспечению совместимости свойств ремонтных и существующих систем

№ п/п	Наименование свойств	Требования к обеспечению совместимости ремонтного материала с конструкцией
1	2	3
1	Прочность сцепления материала	Основное требование качественного проведения ремонтных работ.
2	Усадка материала	Минимальная усадка при твердении, суммарная усадка ниже усадки существующего материала.
3	Коэффициент температурного линейного расширения	Равный по значению (с минимальным допуском) с обычным бетоном, для полимеров с заполнителями в 1,5 … 2 раза выше.
4	Модуль упругости	Должен быть одинаковым с бетонным субстратом. В ряде случаев модуль упругости может быть более низким, чем у обычного бетона.
5	Ползучесть	Повышенное значение ползучести полезно при ремонтных работах по восстановлению защитного слоя; при ремонте несущих конструкций должна быть равной ползучести бетона.
6	Проницаемость	При выборе материала следует учитывать негативное и позитивное влияние пониженной проницаемости ремонтных составов.
7	Морозостойкость	Морозостойкость ремонтного состава должна быть равной или выше морозостойкости бетона ремонтируемой конструкции.
8	Стойкость к отшелушиванию	Принимается во внимание при последующей работе ремонтируемой конструкции в условиях воздействия антиобледенителей.

Продолжение таблицы 3

1	2	3
9	Сульфатостойкость	Учитывается при выборе ремонтных составов. Принимается не ниже сульфатостойкости субстрата.
10	Щелочная реакция с заполнителями бетона	Должна учитываться при подборе составов ремонтных бетонных смесей.
11	Сопротивление истиранию	Должно быть не ниже сопротивления истирания материала ремонтируемой конструкции.
12	Прочность на растяжение при изгибе	Должна приниматься не ниже прочности на растяжение бетонного субстрата.
13	Технологичность	Увязывается с условиями производства ремонтных работ.
14	Текучесть	Зависит от вида применяемого материала.
15	Скорость набора прочности	Должна быть всегда высокая.
16	Изменение температуры ремонтного материала от экзотермии цемента	Следует учитывать при укладке толстых слоев ремонтного материала.
17	Химическая совместимость с субстратом	Химическая реакция с ремонтируемой поверхностью должна быть исключена.

Важно отметить, что объем и состав имеющихся сегодня на российском рынке ремонтных и строительных материалов очень часто изменяются по множеству независимых причин, связанных, в том числе, с изменением рецептуры, заменой исходных материалов, внедрения новых технологических линий и из-за других факторов. Этот процесс напрямую приводит к изменению свойств самих ремонтных материалов. Поэтому для использования материалов при производстве ремонтных работ рекомендуется проводить независимые испытания ремонтных материалов, главная цель которых заключается в обеспечении качества проведенных ремонтных работ, надежности и долговечности ремонтируемой конструкции. Только на основании полученных значений возможно обеспечить качество, надежность и долговечность конструкции при проведении ремонтных работ.

Выводы

Из представленного выше материала видно, что ремонтные составы, используемые в производстве бетонных работ, должны обладать широким спектром разнообразных свойств и набором определенных качеств. При этом ни один тип ремонтного материала не может удовлетворить проектным критериям, обеспечивающие надежный ремонт в полном объеме. В этом случае при выборе ремонтного состава следует дополнительно опираться и на другие факторы, такие как удобство проведения работ, стоимость материала, наличие квалифицированных рабочих и служащих, а также необходимого оборудования на строительной площадке. Очевидно, что спонтанно принятое решение ремонтировать по принципу «подобное подобным» не является гарантией получения надежного ремонта и последующего обеспечения качества. Ремонтный материал должен в обязательном порядке обладать соразмерной совместимостью с существующим материалом и отвечать всем необходимым физико-химическим требованиям.

Это заключение свидетельствует о том, что только при обоснованном комплексном подходе к правилам и порядку проведения ремонтных работ на железобетонных конструктивных элементах сооружений транспортной инфраструктуры в совокупности с научно обоснованным и апробированном подборе технологий и материалов для производства ремонтных работ можно обеспечить требуемое качество проведения этих работ и значительно повысить срок эксплуатации ремонтируемых конструкций с учетом обеспечения их качества. надежности и долговечности в сочетании с обоснованными понесенными экономическими затратами.