Преимущества железобетона. Хлориды и другие соли. Морская вода. Оттаивание и замораживание
Железная и стальная арматура зданий не вошла в общий обиход вплоть до XIX века. В 1830-х годах Марк Брюнель провел ряд важных экспериментов по железобетонной кладке с использованием железных обручей для бочек и римского цемента, доказав, что прочность на растяжение таких конструкций значительно улучшилась. Несколько десятилетий спустя строились каменные здания на железных каркасах, и к концу века их число увеличилось. Из-за снижения цены на сталь, она быстро заменила железные каркасы а, в железобетоне, железную арматуру. Как мы видели, железобетон, имеет преимущество перед стальным каркасом: это гибридный материал, который сочетает в себе прочность на сжатие бетона с замечательной прочностью стали на растяжение. Вследствие этого, требовалось меньше стали, а следовательно и расходы на строительство сокращались. Строительство железобетонных мостов стало особенно популярным для мостов малой и средней протяжённости, так как стальная арматура внутри бетона была "герметизированна" от внешних воздействий а, следовательно, защищена от окисления. Защитники железобетона покажут на отсутствие ржавчины у арматуры, в изделиях которые были забетонированные в течение десяти или более лет, в то время как сталь подверженная влиянию атмосферы за то же время, будет покрыта окислами ржавчины. Известно, что высокая щелочность препятствует окислению железа, а поскольку свежеизготовленный бетон является высокощелочным, казалось, что они созданы друг для друга. Кажущаяся герметичность железобетона, кажется, предлагает идеальное решение для морского строительства, в частности для создания причалов и пирсов, которые до этого времени строились в основном из дерева, материала, подверженного корабельным червям и постепенному износу.
С казалось бы, идеальной защитой от ржавчины, как долго может простоять железобетонная конструкция? Полагали что по крайней мере столетия, а некоторые архитекторы и инженеры в первой четверти двадцатого века считали, что продолжительность жизни железобетона в одну тысячу лет является реальной оценкой.
Этот оптимизм, основанный на герметизирующих свойствах цемента и его щелочности, казался вполне обоснованным. К сожалению, эта уверенность не учитывала необычайной страсти железа к метаморфозам. Никакой другой широко используемый металл не полон такой решимости вернуться к своему естественному состоянию, как железо. В случае с железом его обычным естественным состоянием на поверхности Земли является оксид железа, или то, что мы называем ржавчиной. Железо чрезвычайно "реактивно". Другими словами, вода, воздух (в котором имеется некоторый процент воды) и химические вещества, такие как сера или хлориды (соли), значительно ускоряют процесс окисления. Железо особенно восприимчиво к морской воде, так как она состоит и из воды, и из хлорида натрия. Единственными неизменными формами железа являются плавающие в космосе железные астероиды, поскольку они изолированы от этих наземных агентов. Окисление железа также является причиной, по которой сохранилось так много наконечников копий и мечей от бронзового века, но почти ни чего не осталось от железного века, хотя в этот период их было сделано гораздо больше. Проще говоря, железо просто хочет снова стать красновато-коричневой пылью. То же самое относится и к стали, которая на 88-98% состоит из железа. Что касается "нержавеющей" стали (прочная сталь, изготовленная с добавлением не менее 10% хрома), то любой, кто нашел потерянный инструмент или столовую ложку, которые провалялись на улице в течение нескольких лет, может подтвердить их уязвимость к ржавчине. По этой причине становится чрезвычайно важно постоянно поддерживать нашу стальную инфраструктуру, такую как стальные вантовые или подвесные мосты, путем их окраски, и после снова перекрашивать их, а после каждое десятилетие или около того снимать пескоструйкой старые слои краски, и начинать процесс окрашивания заново. Если этого не сделать, мост рискует потерять свою конструктивную целостность и, упасть, как Лондонский мост в детском стишке.
В железобетоне процесс окисления особенно коварен. Блокирующая ржавчину щелочность бетона постепенно исчезает после завершения процесса затвердевания. Через некоторое время количества щёлочи, для предотвращения ржавчины в бетоне, становится недостаточно. В этот момент, единственная вещь предотвращающая сталь от окисления это плотность самого бетона. Но, перефразируя популярную поговорку, "природа всегда находит как проникнуть внутрь". В случае бетона, напряжения, которым он подвергается, могут вызвать растрескивание; к таким нагрузкам относятся сезонные циклы замерзания и оттаивания в более холодном климате, постоянные вибрации и нагрузки воздействующие на железобетонный мост или ветровое давление на высокое железобетонное здание, в результате чего оно, как и запроектировано, слегка изгибается и колеблется. Появление трещин может часто происходить в бетоне во время его схватывания и твердения. В конце концов, бетон может треснуть без понятной нам причины; это просто его природа. (существует популярная поговорка среди строителей: "если не трескается - значит не бетон"). Однако, некоторые из этих трещин позволяют воздуху и влаге проникнуть в бетон и достичь арматуры. Как только это происходит, начинается естественный процесс, который, если он временно не задержан (а он никогда не может быть остановлен), будет иметь серьезные последствия. Когда арматура ржавеет, происходит несколько вещей. Не только уменьшается количество "доброкачественной" стали, но и происходит увеличение диаметра арматуры до четырех раз от ее первоначального диаметра, что вызывает ещё больше трещин и, со временем, откалывает куски бетона. Помним, что железобетон это гибридный материал, чья структурная целостность основывается на двух компонентах - бетоне и стали для обеспечения прочности и на сжатие и на растяжение. Когда один или оба компонента не могут полностью выполнять свою роль, железобетонная конструкция подвергается риску не выдержать те нагрузки на которые она была запроектирована. В некоторых случаях такая конструкция просто рушится, но в большинстве случаев её обычно отбраковывают и сносят задолго до того, как она буквально разваливается. В отличие от открытой металлической конструкции, такой, например, как мост Золотые ворота в Сан-Франциско, где пятна ржавчины можно обнарущить (регулярное техническое обслуживание может даже задержать распространение коррозии по конструкции), ржавчина в армированном бетоне спрятана от взгляда. Её первое проявление обычно происходит в виде большой трещины с растёкшимся коричневым пятном, что указывает на то, что ущерб конструкции уже причинён.
Неудивительно, что первые примеры коррозии арматуры были замечены в самых ранних железобетонных причалах и доках, особенно построенных в портах с морской водой, так как они подвергались воздействию хлорида натрия и воды. Строители давно признали, что железо или сталь уязвимы для морской воды, а поскольку морская вода использовалась для затворения цементной смеси в некоторых из этих конструкций, справедливо полагать, что это должно было вызвать проблему. Для того чтобы предотвратить коррозию в будущем, инженеры согласились что в бетоне для морских сооружений цемент должен затворяться пресной водой. В то время затворение цемента пресной водой, по-видимому, сработало, но вскоре стало очевидно, что это была лишь временная мера, а не окончательное решение, поскольку железобетонные причалы, при изготовлении которых использовали пресную воду, также начали ржаветь. Реакция инженеров на это тревожное развитие событий заключалась в том, чтобы начать исследования состава и/или способов применения бетона. Очевидно, используемый бетон был недостаточно плотным, или он не был должным образом смешан, или просто не хватало бетона чтобы защитить арматуру, и так далее. Были предложены различные решения, в том числе предложение бывшего следователя 1906 года из комитета USGS Ричарда Хамфри, что в смеси должно быть использовано больше оксида железа (!). Как уже отмечалось, срок службы железобетонных причалов был продлен некоторыми из этих мер, но, как и при всех попытках остановить коррозию стальных арматурных стержней, такие меры предосторожности смогли лишь отсрочить неизбежное. Сегодня железобетонные конструкции, построенные в морской среде, долго не прослужат, а лучшим из построенных сегодня дают срок службы около пятидесяти лет, хотя некоторые коррозируют за гораздо меньшее время.
В то время как инженеры бились над решением проблемы коррозии армированного бетона в морской воде, защитники этого материала искали пути как развеять все общественные страхи вызванные этим вопросом. Этот неутомимый проталкиватель бетона, Ричард Хамфри, писал в 1917 году, много лет спустя, после того, как проблема стала очевидной во всем мире, что он "никогда не находил подтверждённого случая, чтобы бетон распадался от химического воздействия, за исключением тех случаев, когда бетонная смесь затворялась морской водой". Другими словами, морская вода не могла бы проникнуть в бетон, если бы её не смешали с цементом при его изготовлении. Хамфри также добавил, что "в тропических водах, где на него нет морозного воздействия ... бетон достаточной плотности остаётся без изменений". (Позднее будет доказано, что коррозия железобетона в морской воде наиболее сильна в тропических регионах, несмотря на отсутствие циклов замораживания и оттаивания). Очевидно, что самое важное для Хамфри было убедить всех, что проблема заключается не в материале, а в его применении.
К тому времени должно быть стало очевидно, к какой станции направлялся этот поезд. Это было незадолго до того, как коррозия также появилась в пресноводных доках из железобетона, и, хотя она проходила медленнее, чем у собратьев по морской воде, она всё так-же развивалась.
Другой проблемой, которая проявилась вскоре после того, как железобетонные дороги стали обычным явлением, было быстрое корродирование арматуры в холодном климате, где наблюдалось растрескивание бетона, вызванное циклами замораживания и оттаивания, в сочетании с зимними противоголололедными солями, которые ускоряли процессы коррозии. По мере того как шли годы, и коррозия арматуры начала появляться в конструкциях из армированного бетона расположенных далеко от морей или зон где применялись противогололёдные соли, специалисты бетонной индустрии пожали плечами и обвинили во всём "плохой бетон". И ведь что-то было в этом приговоре. В начале двадцатого века соль иногда добавляли в бетонную смесь чтобы предотвратить растрескивание, т.е делали то, что Витрувий, ещё две тысячи лет назад говорил не делать. Естественно, соль ускорила коррозию арматуры. Одним из практиков этого процесса защиты от трещин был Эрнест Рэнсом, который начал солить свой бетон где-то в начале двадцатого века. Неслучайно, что большинство его зданий теперь исчезло. (Двумя исключениями являются туннель Литтл-Алворд-Лейк в парке Золотые Ворота и Музей Лиланда Стэнфорда-младшего, оба построены до того как он начал применять хлориды). Из-за добавления соли и неумелого применения железобетона неопытными строителями в те первые дни, инженерам 1940-х и 1950-х годов было естественно предположить что коррозия железобетонной конструкции была вызвана использованием плохого цемента или небрежностью при строительстве.
Тем не менее, коррозия продолжала появляться. Одним из виновников, по предложению некоторых авторитетов прошлого столетия, вскоре забытым, было состояние арматуры в то время, когда она покрывалась бетоном. До недавнего времени, большинство арматуры поставляемой на строительную площадку было уже покрыто ржавчиной. Очевидно, что это давало хорошее ускорение процессов коррозии, как только щелочность бетона начинала снижаться после процесса схватывания. И использование ржавой арматуры продолжается: недавно я стал свидетелем того, что железобетонное здание строилось с использованием ржавой арматуры. До второй половины двадцатого века среди строителей было распространено мнение, что ржавчина на самом деле полезна тем, что она помогает бетону "прилипать" к стали.
К 1960-м и 1970-м годам старые железобетонные конструкции начали разрушаться по всему миру. Наиболее уязвимые из них, большинство самых первых железобетонных пирсов и причалов работающих в соленой воде, к этому времени уже развалились или были снесены еще до середины века. Жилые и административные здания, как правило, сохранились лучше, так как во внутренних помещениях таких зданий контролируется температура и, в случае кондиционирования, более низкая влажность воздуха. Тем не менее, большинство из этих ранних зданий больше не существует. Если железобетонная конструкция имеет какую-то историческую ценность, то ее можно "спасти", если коррозия не продвинулась дальше определенной точки. Однако меры по спасению таких зданий стоят очень дорого. Такие мероприятия требуют использование отбойного молотка, чтобы оголить корродированную арматуру, вытравить с неё ржавчину или очистить от неё арматуру щёткой с металлической щетиной. Затем поверх наносится слой нового бетона, причём его цвет после затвердевания должен точно соответствовать исходному. Если бетонный элемент имеет декоративные украшения, то необходимо сделать соответствующую опалубку, чтобы рисунок соответствовал первоначальной картине. Эти способы спасения конструкции, очевидно, менее сложны и дороги, когда они используются для реставрации, например, колонны, поддерживающей эстакаду автодороги, которая обычно не имеет декоративных элементов, и где никто не будет беспокоится, если цвет заплаты будет не совсем соответствовать цвету старого бетона. (Конечно, с течением времени стальная арматура под заплаткой всё равно начнет ржаветь.)
Рис 41. Разваливающаяся плита перекрытия из железобетона. При корродировании диаметр арматуры значительно увеличивается разрушая окружающий арматуру бетон, как видно на фото.
Рис 42. Разваливающаяся бетонная стена. Средняя часть покрыта налётом ржавчины. Металлический каркас полностью разъеден коррозией. Когда наступает такой момент в распространении коррозии в элементе, его ремонт чрезвычайно сложен или невозможен, и появляются сильные сомнения в несущей способности всего здания