Введение. Проблематика
Продолжительный зимний период и большая глубина промерзания грунтов характерны для обширных территорий Российской Федерации. При этом в районах интенсивной добычи полезных ископаемых (нефти и газа) данные факторы достигают максимальных значений. К строительству различных зданий и сооружений в таких условиях предъявляются особые требования, поскольку они должны эффективно противостоять силам пучения грунтов, возникающим при их промерзании.
Внешним проявлением морозного пучения является неравномерное поднятие и опускание промерзшего слоя грунта, что приводит к недопустимым деформациям сооружений, сокращающим срок их службы.
В настоящее время рекомендованы различные способы противодействия силам пучения. При этом выделяют два основных направления противопучинистых мер:
- мелиорация грунтов с целью уменьшения или полного устранения морозного пучения;
- стабилизация фундаментов и сооружений, обеспечивающая устойчивость сооружений.
К первому направлению относят утепление грунтов, замену пучинистых грунтов на непучинистые, засоление грунтов, укрепление грунтов и их гидрофобизацию. Эти меры являются достаточно действенными, но, зачастую, экономически нецелесообразны. Так, для ряда северных строек непучинистый грунт доставляют за сотни километров.
Ко второму направлению относятся такие меры, как изменение конструкций фундаментов с целью увеличения на них нагрузки, противодействующей силе пучения, теплоизоляция фундаментов, а так же применение различных покрытий и обмазок. Следует отметить, что последний способ, помимо стабилизации фундамента, позволяет защищать его от коррозии, предотвращая разрушение поверхности и смерзание с грунтом.
До недавнего времени наиболее распространенными противопучинными мероприятиями являлись смазки БАМ и кремнеорганические эмали КО-174, КО-1164. Противопучинные покрытия БАМ-4 и КО-174, несмотря на их доступность и сравнительно невысокую стоимость, не обладают достаточной прочностью и долговечностью: при циклических нагрузках на фундаменты пучинистых грунтов происходит локальное повреждение пленочных покрытий при смещении промерзающего грунта относительно фундамента. К этому в последствии добавляется расклинивающее действие кристаллов льда, проникающих в дефекты покрытия и ускоряющих его разрушение. Повреждения покрытий усиливаются из-за воздействия атмосферных осадков и агрессивности грунта и грунтовых вод. Как правило, в результате такого разрушения покрытия развивается коррозия металлических свайных фундаментов и арматуры железобетонных фундаментов, а так же происходит постепенное вымывание смазок талыми водами.
В последнее время, для повышения несущей способности пучинистых грунтов разработана технология искусственного "промораживания"; грунта с помощью парожидкостных термосифонов, называемых термостабилизаторами.
Дополнительной мерой по термостабилизации грунтов является применение пенополистирольных утеплителей для свайных конструкций и околосвайного пространства.
Однако применение термостабилизаторов, с учетом их высокой цены и большого количества для обеспечения необходимой степени термостабилизации грунтов вокруг свай всего объекта, необходимость выполнения дополнительных буровых работ для обсадных труб, периодический мониторинг их состояния, - являются высокозатратной составляющей строительства объектов.
Применение пенополистирольных утеплителей осложняется большой трудоемкостью при их монтаже, при этом материал не обладает достаточной прочностью и долговечностью.
Таким образом, используемые современные способы борьбы с данным природным явлением (пучением влажных и рыхлых грунтов) малоэффективны, недолговечны или дороги, поэтому поиск и применение наиболее эффективных и экономически целесообразных противопучинных мероприятий при строительстве и реконструкции объектов, расположенных в районах распределения вечномерзлых и сезонно-талых грунтов является актуальной задачей.
2. Описание продукта. Область применения.
Среди существующих мер стабилизации фундаментов и сооружений помимо устаревших покрытий и обмазок особо выделяется недавно разработанное компанией УЗПТ «Маяк» противопучинное покрытие ПСПП «Reline».
ПСПП «Reline» (ТУ 20.30.12-001-75457705-2018)— это полимерное износоустойчивое покрытие, которое применяется для защиты металлических и железобетонных фундаментных конструкций, контактирующих с пучинистыми грунтами, в том числе среднеагрессивными и засоленными. Полимерная композиция при отверждении на воздухе образует на поверхности свай и фундаментов прочный водонепроницаемый слой. Обладая высокой устойчивостью к вибрациям и качественной адгезией с основанием, данное покрытие применяется в том числе для стальных и железобетонных свай, погружаемых забивным способом, для фундаментов, подверженным вибрационным нагрузкам и при этом служит не менее 50 лет. Оно может применяться как самостоятельное покрытие, так и с финишными красками, в том числе для защиты от УФ.
Особенно актуально применение покрытия ПСПП «Reline» на железобетонных сваях и монолитных железобетонных фундаментах сложной формы, когда применение термоусаживаемых полимерных покрытий типа ОСПТ «Reline» (ТУ2247-004-75457705-2014) затруднено или невозможно.
ПСПП «Reline» производится на основе базальтового наполнителя (пластинки малой фракции в 10-20 микрон) и модифицированных эпоксидных смол с органическими отвердителями. Неотвержденные эпоксидно-диановые смолы, представляют собой растворимые и плавкие реакционноспособные олигомерные продукты на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана. Исследования базальта в качестве мелкодисперсного наполнителя для полимерных композиций показывают его высокие защитные, так называемые «барьерные» свойства. Поэтому наличие базальтового наполнителя в виде тонких пластинок в составе эпоксидной смолы позволяет сформировать пространственную чешуйчатую структуру, которая обеспечивает покрытию возможность долговременно противостоять циклическим механическим повреждениям поверхности, а так же проникновению микрочастиц влаги через защитное покрытие.
Модифицированная полимерная основа определяет следующие особенности покрытия:
- высокую износостойкость;
- устойчивость к высоким и низким температурам и их резким перепадам;
- высокую эластичность;
- химическую стойкость к агрессивным средам;
- качественное «сцепление» с основой.
Композиция ПСПП изготавливается в виде двух компонентов А и Б, поставляемых в заводской таре.
Нанесение противопучинного покрытия ПСПП «Reline» производится как в заводских условиях - аэрозольное распыление подогреваемой двухкомпонентной смеси, так и в трассовых условиях, при температуре окружающей среды от - 5 °С до 30°С. Нанесение на защищаемую поверхность в этом случае выполняется кистью или валиком в два слоя. Нормированная толщина покрытия составляет 350-500 мкм. При температуре окружающей среды в 20 °С, уже через 5-8 часов после нанесения, слой противопучинного покрытия затвердевает до степени 3 («на отлип»), а полная полимеризация заканчивается через 6 суток.
3. Испытания противопучинного покрытия ПСПП «Reline».
На базе испытательной лаборатории УЗПТ «Маяк» были проведены исследования влияния противопучинного покрытия ПСПП «Reline» на снижение сил морозного пучения грунтов. Для определения значения устойчивого сопротивления срезу были проведены испытания сдвигом модели фундамента, смороженной с грунтом. В основе метода определения лежит положение о равенстве касательных сил пучения и так называемого устойчивого сопротивления сдвигу мерзлого грунта относительно модели фундамента (τfh = τус). Значение устойчивого сопротивления сдвигу τус определяется в лаборатории: из испытаний по продавливанию модели фундаментов, вмороженных боковой поверхностью в грунт, со скоростью перемещения, близкой к скорости морозного пучения грунта в природных условиях. При продавливании модели фундамента в мерзлый грунт сдвигающее (сдавливающее) усилие во времени сначала возрастает, а затем, убывая, стабилизируется. В качестве расчетного сдвигающего усилия принимается наименьшее его значение при постоянной скорости относительного перемещения модели и грунта.
Наименьшее устойчивое во времени сдвигающее усилие обычно наблюдается при перемещении грунта относительно модели фундамента. На практике чаще всего приравнивают величину удельных касательных сил смерзания к величине касательных сил пучения с некоторым допущением. По экспериментальным данным силы примерзания грунта к поверхности фундамента составляют около 80%, силы трения мёрзлого грунта о поверхность фундамента около 20% («Рекомендации по применению кремнийорганических соединений в борьбе с морозным выпучиванием» НИИОПС, 1974). Следовательно, силы примерзания грунта к боковой поверхности фундамента являются по своей природе главными касательными силами выпучивания фундаментов в обычных условиях.
Силы смерзания – или сопротивление сдвигу по поверхности смерзания грунта с материалом сваи Raf используются для определения несущей способности фундаментов на мерзлых грунтах. Основным отличием понятий расчетной удельной касательной силы пучения является привязка этой силы к глубине промерзания-оттаивания, а не к конкретной температуре грунта. Однако, к этой величине (τfh) применяются коэффициенты ɣaf , зависящие от вида поверхности и полученные для величин смерзания Raf (СП25.13330, Приложение В). Для поверхностей фундаментов, покрытых специальными составами, уменьшающими силы смерзания, значения τfh следует применять на основании опытных данных.
Для исследований использовались четыре разновидности грунтов: песок, супесь, суглинок и глина. Физические характеристики грунтов определяли по методикам ГОСТ 5180-2015. В качестве материалов для модели фундамента применяли сталь и бетон с покрытием и без покрытия.
Для определения устойчивого сопротивлению среза мерзлого грунта относительно модели фундамента использовали одноплоскостной сдвиговый прибор ВСВ-25.Устойчивое сопротивление срезу в опыте фиксировали в момент, когда перемещение модели фундамента относительно мерзлого грунта достигало 10 мм. Значения расчетной удельной касательной силы пучения по контакту грунт-модель фундамента приведены в таблице ниже.
Из анализа полученных данных испытаний на срез по контакту «грунт - обработанный фундамент» и по контакту «грунт - фундамент без покрытия» следует, что применение полимерного противопучинного покрытия ПСПП «Reline» для обработки модели фундамента приводит к значительному снижению удельных касательных сил пучения, применительно к бетону 400 - 640 % и применительно к металлу на 130 - 300%. Разница в снижении касательных сил пучения объясняется большей шероховатостью бетона свай по сравнению с металлом сваи.
Результаты проведенных испытаний наглядно доказывают, что применение противопучинного покрытия ПСПП «Reline» позволяет эффективно компенсировать силы морозного пучения, тем самым значительно снизить или предотвратить подвижки фундаментов, и как итог, увеличить эффективный срок эксплуатации малонагруженных фундаментов.
4. Внедрение. Преимущества.
Проведенные исследования и опыт применения подтверждают высокую эффективность ПСПП «Reline» в особенности при применении для свайных железобетонных малонагруженных фундаментов. В первую очередь это обусловлено сложной геометрией поверхностей и простотой нанесения покрытия в трассовых условиях. Технология нанесения не требует специальных знаний и навыков, и может производится как распылением подогреваемой двухкомпонентной смеси, так и кистью либо валиком.
Прочность, умеренная эластичность полученного покрытия и адгезия к бетону либо металлу позволяет производить монтаж обработанных свайных конструкций бурозабивным способом без повреждений защитного слоя о твердые включения в грунте. Это свойство выгодно отличает ПСПП «Reline» от классических противопучинных покрытий (кремнеорганические эмали, смазки БАМ) и не требует дополнительных трудозатрат после установки свайных конструкций.
ПСПП «Reline» так же подходит как действенный способ защиты классических ленточных фундаментов в качестве вторичной защиты за счет практически полной герметизации пористой бетонной структуры, что позволяет защитить от коррозии стальные несущие элементы железобетонных конструкций. На основании полученных результатов испытаний на проникновение хлорид-ионов и углекислого газа в бетон, защищенный противопучинным покрытием ПСПП «Reline» сделан вывод об отсутствии разрушающих факторов для бетона, защищенного указанным покрытием.
5. Выводы
В сравнении с различными противопучинными мероприятиями (замена деятельного слоя пучинистого грунта на непучинистый, применение термостабилизаторов или удлинение ствола сваи), экономическая целесообразность применения ПСПП «Reline» заметно выше. Это достигается как простотой нанесения состава и долговечностью покрытия (малые в сравнении с другими решениями строительные и эксплуатационные затраты), так и за счет меньших транспортировочных расходов (компоненты ПСПП «Reline» поставляется в ёмкостях различного объема) и расходах на хранение (срок годности состава 12 месяцев)
Высокая эффективность применения свайных фундаментов с противопучинным покрытием ПСПП «Reline» определяется снижением касательных сил морозного пучения грунта не менее чем в 2 раза. Благодаря этому наиболее полно используется несущая способность грунтов основания. Применение покрытия позволяет уменьшить длину свай, сократить объемы и сроки строительных работ. В дополнение к этому, ПСПП «Reline» обеспечивает высокую антикоррозионную защиту стальных свайных и арматуры железобетонных конструкций.
Таким образом, результаты проведенных испытаний бетонных и стальных образцов с системой защитного противопучинного полимерного покрытия ПСПП «Reline» на сопротивление сдвигу и по основным показателям качества коррозионной стойкости системы для определения срока службы, указывают на перспективу и эффективность ее применения в качестве противопучинного мероприятия, а также для вторичной защиты свайных стальных и железобетонных фундаментов.