Технические характеристики мостовых сооружений с течением времени ухудшаются под воздействием нагрузок и агрессивных факторов окружающей среды. Традиционно основными мерами по защите от негативного воздействия воды считается гидроизоляция поверхностей конструкций. О современных тенденциях мы узнали у начальника отдела оценки технического состояния мостов ООО «Автодор-Инжиниринг», доцента кафедры «Мосты, тоннели и строительные конструкции» МАДИ, кандидата технических наук Александра Анисимова.
– Александр, расскажите, каким образом происходит разрушение конструкций мостовых сооружений от воздействия воды.
– Разрушение конструкций начинается с разрушения материалов. При попадании на неокрашенные поверхности стальных конструкций вода в присутствии кислорода вызывает его окисление (коррозию), скорость которой может составлять около 1 мм в год.
Попадая на бетонные поверхности, вода либо механически вымывает из цементного камня щелочные компоненты, либо растворяет их в присутствии агрессивных реагентов. Потеря щелочных свойств приводит к созданию коррозионно опасной среды для арматуры. Продукты коррозии стальной арматуры в 2–3 раза больше по объему вступившего в реакцию окисления металла, что приводит к отслоению защитного слоя бетона. Кроме того, вода механически разрушает бетонные конструкции, увеличиваясь при замерзании в порах, трещинах и зазорах.
Аналогичным образом при замерзании воды разрушается асфальтобетон. Незначительные дефекты в покрытии на мосту при попеременном замерзании и оттаивании воды увеличиваются в размерах и превращаются в глубокие трещины и выбоины. В результате усиливается динамическое воздействие автотранспорта на сооружение, начинают появляться трещины в защитном слое и гидроизоляции. Вода проникает все глубже в конструкции, темпы развития повреждений увеличиваются, появляются повреждения в конструкциях пролетных строений.
Вообще самый верный способ повысить долговечность сооружения заключается в полном предотвращении попадания воды и влаги на поверхности конструкций. Если мы могли бы над всей поверхностью мостового сооружения поставить навес и полностью предотвратить попадание воды на проезжую часть и несущие конструкции, то обеспечили бы срок службы более ста лет. Нужно было бы только периодически менять навес. По очевидным экономическим соображениям это невозможно.
Поэтому проектировщики особенное внимание уделяют системе водоотвода с проезжей части и тротуаров и материалам, применяемым в составе конструктивных элементов мостового полотна.
– Какие инновационные решения используют для защиты от воздействия воды на мостовых сооружениях Государственной компании?
– Для защиты конструкций от проникновения воды через покрытие проезжей части применяют различные типы асфальтобетонных покрытий, в частности литые смеси, отличающиеся повышенной водонепроницаемостью. Повышенное содержание битума в таких смесях не дает воде просочиться через покрытие. В этом случае вода удаляется с проезжей части поверху. Другой подход заключается в применении двухслойного асфальтобетонного покрытия, при этом нижний слой плотный, а верхний пористый. Вода просачивается через верхний слой и по верху нижнего слоя дренирует в направлении уклонов к водоотводным трубкам.
Конечно, асфальтобетон не в состоянии полностью предотвратить попадание воды на поверхность пролетного строения. Поэтому на автодорожных сооружениях Государственной компании применяются современные виды гидроизоляции. Традиционные типы рулонной наплавляемой гидроизоляции уступили место модифицированным, для которых не требуется устройство защитного слоя из армированного бетона, они могут выдерживать температуру укладываемой асфальтобетонной смеси и воздействие катков. Эффект от отказа от защитного слоя двойной. Во-первых, уменьшается собственный вес мостового полотна. Во-вторых, практика показала, что в защитном слое довольно быстро возникают трещины. Края обломков и арматура продавливают и повреждают гидроизоляцию. Перспективной альтернативой является напыляемая гидроизоляция, которая также не нуждается в защитном слое. Ее преимущества заключаются в более высокой скорости нанесения, меньшей требовательности к подготовке поверхности, лучшей адгезии.
– А если все-таки вода просочилась через асфальтобетон и гидроизоляцию, как минимизировать повреждения от ее воздействия?
– В ходе ремонтно-восстановительных работ в 2016 году по предложению ООО «Автодор-Инжиниринг» устроена накладная плита усиления из бетона повышенной водонепроницаемости, армированного стеклокомпозитной арматурой.
При этом асфальтобетон уложен непосредственно на плиту усиления, без гидроизоляции. Если бы для армирования плиты усиления была бы применена обычная стальная арматура, то в случае возникновения трещин и попадания в них влаги интенсивное развитие коррозии в металле вызвало бы быстрое и обширное разрушение плиты. Стеклокомпозитной арматуре хотя и свойственны свои механизмы старения, но она не подвержена коррозии от воздействия влаги и не разрушает бетон продуктами коррозии.
Приемочные испытания моста подтвердили включение плиты усиления в работу балок пролетных строений, а мониторинг состояния сооружения в течение года не выявил ухудшения состояния.
– Выходит, для повышения защищенности от воздействия воды бетонных конструкций их целесообразнее армировать композитной, а не металлической арматурой?
– Это непростой вопрос. Прежде всего, мы говорим пока о применении только одной разновидности композитной арматуры, в которой в качестве армирующего элемента применяется стекловолокно (арматура на основе углеродного волокна значительно дороже металлической; другие виды композитной арматуры менее распространены). Композитная арматура не корродирует, она в 5–7 раз легче металлической, предел ее прочности выше в 3–4 раза, а стоимости сопоставимы. Но при этом модуль упругости стеклокомпозитной арматуры ниже в 3–4 раза, чем у металлической. И это проблема. Бетонные конструкции с такой арматурой хуже работают на изгиб, и в целом характер их работы значительно отличается от железобетона.
По этой причине до недавнего времени не существовало нормативных документов по проектированию конструкций с композитной арматурой. В 2015 году принято Изменение № 1 к СП 63.13330.2012, в котором содержится методика расчета бетонных конструкций, армированных композитной арматурой. Однако этот документ не распространяется на мостовые сооружения и не учитывает специфику их работы.
Поэтому ряд инновационно ориентированных компаний дорожной отрасли, в частности ООО «Автодор-Инжиниринг», ООО «Сервис-Мост» и другие, проводят собственные исследования, направленные на применение композитной арматуры при строительстве транспортных сооружений. В результате такой работы и появляются опытные конструкции, о которых, в частности, говорилось выше.
– Применение композитных материалов – современный тренд. В каких еще элементах мостовых сооружений используются композитные материалы?
– Некоторые конструктивные элементы мостовых сооружений, до недавнего времени традиционно изготавливавшиеся из металла и железобетона, в настоящее время выполняются из композитных материалов. Требования к материалам и конструкциям приведены в разработанном по заказу Государственной компании стандарте СТО АВТОДОР 2.24-2016 «Рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации композитных конструкций: ограждений, лестничных сходов, смотровых ходов и водоотводных лотков искусственных дорожных сооружений на автомобильных дорогах Государственной компании «Автодор» (текст документа размещен на сайте Государственной компании).
С 2013 года на автомобильных дорогах Государственной компании возводятся надземные пешеходные переходы с пролетными строениями из композитных материалов.
– Мы поговорили о мостовом полотне, железобетоне и конструкциях из композитных материалов, а что нового в защите от воздействия воды на металлические конструкции?
– Традиционно металлические конструкции защищаются системой антикоррозионных покрытий. Государственная компания стремится применять наиболее современные решения, эффективные по соотношению цена – качество. Пожалуй, применение лакокрасочных покрытий на мостах – тема отдельного разговора.
В контексте комплексных решений по защите конструкций от воды интересен следующий пример.
В настоящее время на автомобильной дороге М11 «Москва – Санкт-Петербург» ведется строительство двух мостовых сооружений: путепровода на ПК 2565+44 (4-й этап, км 208 – км 258) и моста через реку Шошу на км 127+500 (2-й этап, км 97 – км149). Пролетные строения на указанных объектах запроектированы с применением атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ.
– В чем особенность атмосферостойкой стали?
– Под воздействием влаги воздуха или при искусственном поливе неокрашенная поверхность конструкции покрывается оксидной пленкой. Эта пленка непроницаема для кислорода, не смывается, не разрушается под воздействием климатических факторов. Поэтому конструкции из атмосферостойкой стали не корродируют и не нуждаются в окраске. Прочностные и стоимостные характеристики стали 14ХГНДЦ сопоставимы с традиционными для отечественного мостостроения сталями 10ХСНД и 15ХСНД. Экономический эффект от применения атмосферостойкой стали очевиден. Предварительные расчеты показали, что для металлического пролетного строения длиной 70 м экономия только на покрасочных работах за 70 лет эксплуатации составит около 1 млрд рублей.
Кроме того, нужно иметь в виду, что протечки через деформационные швы разрушают труднодоступные для осмотра и ремонта торцы балок пролетных строений. Вследствие этого в ряде случаев пролетные строения приходится капитально ремонтировать или даже менять уже через 25–30 лет эксплуатации при том, что наиболее нагруженная средняя часть пролета находится в хорошем состоянии. Предполагается, что торцевые зоны балок из атмосферостойкой стали не потеряют свои свойства в течение 50 лет и более.
– Применялась ли атмосферостойкая сталь ранее у нас в стране или за рубежом?
– Атмосферостойкая сталь известна за рубежом как «кортеновская». Ее активно применяют для мостовых конструкций в Японии, Америке, некоторых странах Европы. Интересно, что, например, в Италии примыкающие к пролетным строениям бетонные конструкции опор, открылков, подпорных стен зачастую красят в белый цвет, и сталь на их фоне приобретает благородный буро-коричневый цвет. В нашей стране сталь 14ХГНДЦ применялась в семидесятые годы прошлого века для опытного строительства нескольких железнодорожных мостов, монтажные соединения которых выполнены на болтах. Применение данной стали уже достаточно давно прописано в мостовом своде правил, однако до недавнего времени было ограничено в связи с отсутствием нормативного документа, который устанавливает правила проведения монтажной сварки. В конце 2015 года по заказу Государственной компании «Автодор» разработан и утвержден СТО АВТОДОР 2.19-2015 «Стальные конструкции мостовых сооружений. Технология сварки пролетных строений из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ». Этот стандарт, по сути, открыл возможность для применения атмосферостойкой стали на автодорожных мостовых сооружениях.
Таким образом, защита мостовых сооружений от воздействия воды не сводится к применению гидроизолирующих материалов и разработке инновационных решений только в этом направлении. При проектировании новых сооружений и ремонте существующих применяются новые конструкционные материалы, водостойкие и более долговечные. Применение композитных материалов как в виде конструкций, так и для армирования бетона, а также атмосферостойких сталей приводит к значительному уменьшению потребности в защите конструкций антикоррозионными составами, сокращению затрат на эксплуатацию сооружений.
