Прогноз долговечности мостов

Отталкиваясь от традиций ручного ремесла, люди постепенно пришли к новой эстетике, основанной на машинной обработке прежде всего металла и железа. В 1779 году в Англии, в графстве Шропшир строится первый в мире чугунный мост, а в 1851 году под Лондоном - Хрустальный дворец из стекла и стали.

"Новые промышленные технологии породили и новый облик предметов, объектов индустриального искусства - говорит в своей "Книге о дорогах" Армен Сардаров. - И, безусловно, главную роль как объект нового "технического искусства", стал играть (да и играет до сих пор) - автомобиль. Однако рождение автомобильного века было подготовлено не только изобретением автомобиля и новых дорог из цементо- и асфальтобетона, но и появлением железобетонных мостовых конструкций. Автомобильная революция ознаменовала начало новой эпохи промышленного искусства (Industrial art), получившего впоследствии название техническая эстетика".

Что век грядущий нам готовит?

Может кому-то это покажется странным, но в контексте заданного вопроса мы хотели бы предложить вниманию читателя не совсем обычную тему. А именно тему прогноза долговечности железобетонных конструкций мостов на основе критериев механики разрушений. Конечно, на слух такая фраза воспринимается, как знаменитый пугачевский синхрофазатрон, однако не пугайтесь. Речь пойдет всего-навсего о сроках эксплуатации обычных мостовых конструкций, о практике и теории мостостроения различных государств (с позиции сходных климатических условий будут рассмотрены проблемы эксплуатации мостов в условиях Англии и Беларуси). Ну, а если наш читатель все же захочет углубиться в специфику этих вопросов, то более подробную информацию о проблемах долговечности мостовых сооружений можно получить у заведующего кафедрой "Мосты и тоннели" БГПА, доктора технических наук Г.П. Пастушкова, который занимается исследованием вопроса организации эксплуатации искусственных сооружений.

Предваряя описание исследования состояния мостовых сооружений в Англии, оговорим тот факт, что учеными Великобритании обследовались мосты, построенные в период с 1930 по 1993 год. То есть, срок эксплуатации мостовых сооружений на момент проведения экспертизы их технического состояния составил 63 года. Причем из 100% английских мостовых сооружений 20% составляют бетонные конструкции.

Итак, в последнее время ученые пытаются проводить повсеместное обследование и изучение мостовых конструкций и автобанов, но любое исследование объекта начинается уже на стадии его проектирования и строительства. В этой связи особый интерес вызывает опыт Дании. В датском королевстве давно существуют независимые консалтинговые фирмы, которые консультируют проведение строительных работ и одновременно осуществляют технологический контроль строительства. Это очень важный момент. На сегодняшний день для многих фирм-заказчиков, в штате которых нет квалифицированных, опытных инженеров-строителей, отсутствие таковых часто влечет за собой большие расходы. Потому что построить любое сооружение (не важно какое, будь-то мост, здание или дорога) не тяжело, гораздо сложнее построить его так, чтобы оно служило долго и надежно.

Проблема создания и эксплуатации железобетонных и каменных конструкций многогранна и сложна. Исторически сложилось так, что целью научного подхода является поиск пути от общего к частному. От глобальной проблемы коррозии и долговечности сооружений - к коррозии и долговечности мостов.

Проблема коррозии общая беда для всей мировой промышленности. Она интернациональна и инвариантна любым политическим режимам и государственному устройству, она повсеместно актуальна. Даже в солнечной Италии, стране с наиболее мягкими климатическими условиям, проблема коррозии существует, хотя там она, пожалуй, стоит не так остро, как в Беларуси.

Проблема коррозии бетона, касающаяся в первую очередь мостовых сооружений, решается в различных странах по-разному. Детальным изучением вопроса коррозии мостовых сооружений занялась английская инспекция метрополитенов и мостов. Она проанализировала на предмет различных неблагоприятных воздействий более 2000 мостов. Результаты следующие: почти у 100 процентов обследованных мостов наблюдаются волосяные трещины, чуть меньший процент пришелся на откалывание и разрушение конструкций. Кстати, мосты в Англии классифицируются по срокам эксплуатации и характеру назначения. Что же касается степени зависимости долговечности конструкции от количества пролетов в сооружениях, то на примере английских мостов получены интереснейшие данные. Как это ни пародоксально, но самое большое количество дефектов выявлено в однопролетных мостах. Это связано с тем, что однопролетным мостам уделяется минимум внимания - вероятно, с точки зрения государства, они не столь значительны.

В последнее время стали особенно популярны сооружения из монолитного бетона. Однако ученые считают, что к использованию монолитного бетона нужно подходить очень осторожно. И вот почему. В перечне типов разрушения мостов на первом месте стоит инфильтрация влаги или коррозия выщелачивания. Лишь второе место в этом опасном рейтинге занимает обычная коррозия, имеются в виду влияние солевых и прочих реагентов, далее следуют осадка и различного рода деформации.

Следующий вид коррозии - коррозия карбонизации, отражающая глубину карбонизации поверхности конструкции по прошествии определенного срока эксплуатации. По существу карбонизация - это нейтрализация наружного слоя. Только пятая часть бетонных элементов (а точнее всего 20%) не поражена коррозией карбонизации. Поверхностные слои 50% железобетонных элементов мостовых сооружений поражены коррозией карбонизации на глубину 10-20 мм. На основании изученных материалов "Интератомстроя", касающихся строительства атомной электростанции в Иране, учеными была получена неутешительная информация. Оказывается, в великолепном бетоне, который сделали немцы для иранской атомной станции 20 лет назад, за счет климатических условий коррозия карбонизации наружного слоя достигла отметки в 50 мм. Бетон медленно, но верно теряет свои свойства, он уже не защищает арматуру от агрессии внешней среды и до начала всеобщего растрескивания конструкции АЭС осталось каких-то 10-15 мм. Примерно, так же обстоит дело и с сооружениями в Польше, России, Украине и Беларуси.

Общий вывод - внутренняя коррозия конструкции вещь довольно опасная. Кстати, очень правильный посыл в деле предупреждения коррозии - чрезвычайно внимательное отношение к заполнителю. Попадание в заполнитель цементного камня, способного вступать в реакцию со щелочью, приводит к быстрому разрушению конструкции, причем без всяких длительных воздействий. Основываясь на конкретных примерах и многолетних исследованиях процессов коррозии выщелачивания, сульфатной коррозии и замораживания-оттаивания бетона, ученые напрямую подошли к проблеме долговечности мостовых сооружений.

Что же обозначает термин "долговечность конструкции"? Если формулировку понятия привести в точное соответствие с тем, как его трактуют практики, то долговечность - это время безопасной эксплуатации конструкции до момента наступления ее предельного аварийного состояния. Но такое определение не дает терминологического понимания процесса долговечности. Как не дает, впрочем, и понимания способа определения долговечности сооружения и в свою очередь не дает характеристики необходимых оценочных показателей.

Для того чтобы решить проблемы долговечности мостов, необходимо осуществить переход к проектированию конструкций с конкретным, требуемым сроком эксплуатации, что и попытались сделать белорусские специалисты (и в этом им оказали поддержку ученые из Московского научно-исследовательского института бетона, в частности Е. А. Гузеев). Речь идет о том, что при оценке долговечности бетона был использован метод механики разрушения конструкций. В основу метода положено рассмотрение состава материала с позиции дефектности его структуры. Такой подход позволяет одновременно учесть все возможные виды дефектов, которые оказывают влияние на долговечность бетона в достаточно узком диапазоне внешних воздействий (то есть при силовых нагрузках в условиях водосоленасыщения и знакотемпературного воздействия).

При исследовании были учтены дефекты околозерновых пустот, с выходящим радиальным дефектом, а также дефекты, возникающие в самом теле цементного камня при температурных воздействиях. И, кстати говоря, здесь же затронут вопрос, связанный с процессом воздухововлечения, который носит положительный характер лишь в том случае, когда поры в бетоне округлые (то есть долговечность службы конструкции определяется фактором достаточности внутриструктурного расстояния между частицами самого материала).

При решении этой задачи ученым пришлось использовать несколько нетрадиционные методы и характеристики. Так, при испытаниях был получен бетон прочностью в 100 МПа и водонепроницаемостью (W) -20. Оказалось, что бетон сам по себе материал нестойкий.

Надо признать, что существующие параметры, особенно прочностные нисколько не отражают состояние долговечности бетонных сооружений. Высокопрочный бетон может быть недолговечным, что давно доказано. Хотя что касается применения микрокремнезема и суперпластификатов с целью придания бетону высоких прочностных свойств, то ученые с этим полностью согласны (об этом свидетельствует и международный опыт). В данном случае показатель долговечности материала означает то, что хрупкое разрушение высокопрочных материалов приводит к получению низких показателей долговечности конструкций.

Были разработаны специальные методики испытаний материала, имеющие своей целью ввести в обиход такие параметры, как коэффициент интенсивности напряжений. Этот параметр определяет поле напряжения деформации вблизи устья трещин и позволяет учитывать весь набор имеющихся дефектов. Ученые сделали вывод, что они смогут производить прогноз долговечности бетона, основываясь на показаниях, полученных при определенных силовых и температурно-влажностных воздействиях. Для этого необходимо получить несколько групп данных - по эксплуатации конструкции, нагрузкам, влиянию среды, температурному режиму и влажности. Данные по исходному составу цемента-заполнителя и наличию в нем химических добавок (если речь идет об изготавливаемом бетоне), а также все основные параметры можно получить из анализа шлифов, отобранных на эксплуатируемых конструкциях. Все перечисленные показатели позволяют определять коэффициент интенсивности напряжений в зависимости от действия нагрузки и температурно-влажностных воздействий. Определяя по известным методикам энергетические и силовые коэффициенты интенсивности напряжений в увязке с процессом разрушения конструкций, специалисты, наконец, смогут провести окончательный расчет долговечности бетона. Расчет представлен соответствующим алгоритмом, а его апробация уже проведена на целом ряде мостовых конструкций города Москвы.

В заключение хотелось бы отметить, что вузовская наука зачастую оказывается слишком далека от тех реальных задач и проблем, которые стоят перед различными отраслями народного хозяйства республики. Поэтому живая заинтересованность, которую проявили ученые БГПА в части готовности к сотрудничеству с коллективами промышленных предприятий и организаций строительного комплекса, должна быть востребована руководителями предприятий. Ведь решить проблемы долговечности сооружений можно лишь объединив усилия ученых и производственников, а используя уже наработанные материалы и апробировав их на практике, можно перейти и к подготовке соответствующих нормативных документов.

Марина СОЛДАТЕНКО