§76. ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬ ОБДЕЛОК ИЗ СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
Водонепроницаемость обделок из сборного железобетона, которая является столь же важным фактором, как их прочность и геометрическая неизменяемость, может быть обеспечена при условии водонепроницаемости всех составных элементов, стыков и разного рода вспомогательных отверстий и закладных частей. Водонепроницаемость самих железобетонных элементов достигается при их высокой трещиноустойчивости в период изготовления и эксплуатации в составе обделки.
Для придания элементам железобетонной обделки свойств водонепроницаемости могут быть приняты следующие меры: обеспечение плотности бетона путем соответствующего подбора его состава и технологии изготовления; использование специальных добавок, вводимых в состав бетона; применение автоклавной обработки железобетонных элементов при их изготовлении; уплотнение поверхностных слоев бетона; пропитывание бетона с целью заполнения пор маловязкими, но быстро твердеющими веществами; гидроизоляционные покрытия и экраны.
Первая мера эффективна. При ее реализации обычно пользуются жесткими бетонными смесями с водоцементным отношением 0,28—0,30, что способствует уменьшению пористости и усадки бетона.
Применение быстросхватывающихся цементов высоких марок (400—500), оптимальной крупности заполнителей (до 60 мм) в сочетании с низким водоцементным отношением обеспечивает интенсивное нарастание прочности при экономном расходовании цемента (350 кг/м3) и песка (500 кг/м3). Важным показателем является достигаемое при этом повышенное сопротивление бетона растяжению, что способствует трещиноустойчивости. Имеются и отрицательные стороны технологии процесса, основанного на применении жестких бетонных смесей. При уплотнении последних на высокочастотных виброплощадках тяжелого типа происходит отслаивание бетона от арматуры и стальных закладных частей, что приводит к образованию путей фильтрации поды. Чтобы предотвратить это явление, необходимо регулировать режим и продолжительность вибрирования, а также величину пригрузки.
Другое направление в технологическом процессе изготовления водонепроницаемых железобетонных элементов сборной обделки — применение пластичных бетонных смесей, не требующих вибрирования.
Следует отметить влияние на водонепроницаемость таких дополнительных факторов, как направление слоев бетона в процессе укладки, сроки и способы извлечения изделий из форм, режим твердения элементов.
Установлено, что наибольшая водонепроницаемость элементов достигается при расположении слоев бетона перпендикулярно направлению фильтрации воды, снятии форм без каких-либо поворотов и после достижения бетоном требуемой прочности, обеспечении проектного термовлажностного режима твердения.
При условии выполнения всех указанных технологических требований в состав бетона могут быть введены в ограниченном количестве специальные добавки (ускорители твердения, пластификаторы). Излишнее количество добавок может привести к таким отрицательным явлениям, как снижение прочности бетона и сохранности арматуры.
Применение автоклавной обработки приводит к улучшению основных показателей элементов обделки, но требует создания специального громоздкого оборудования.
Так как железобетонные блоки тоннельной обделки не обладают в условиях водоносных пород необходимой водонепроницаемостью вследствие наличия микротрещин (0,2—0,4 мм), то применяют различного рода гидроизоляционные покрытия.
К ним относятся высокопрочные и адгезионные материалы на основе эпоксидно-фурановых смол, коллоидных клеев и т.д. Эти материалы, однако, не обладают достаточными деформативными свойствами, и покрытия из них не сохраняют свою сплошность. За рубежом (ГДР, США, Англия) в качестве гидроизоляционного материала применяют полисульфидный каучук холодной вулканизации — так называемый тиофлекс и тиокол, получивший в последнее время применение в Советском Союзе.
Тиокол всех марок обладает высокой прочностью при растяжении (15—35 кгс/см2) и очень большой эластичностью (удлинение при растяжении 150—250%).
Быстрое отверждение и наиболее высокая прочность эластичных пленок могут быть достигнуты при применении вулканизирующей пасты, содержащей бихромат натрия.
Исследованиями установлено, что наиболее приемлемы для гидроизоляции блоков тоннельной обделки отечественные герметики УМС-7 и ПЛ.
Пропитывание бетона специальными веществами, не растворимыми в воде, кислотостойкими и постоянными по объему, механически прочными, маловязкими, но быстротвердеющими относится к числу применяемых мероприятий, повышающих водонепроницаемость обделок. В качестве вещества заполнителя может быть применен полистирол. Основным недостатком такого способа является необходимость предварительного высушивания и нагревания изделия с целью некоторого раскрытия пор и удаления из них свободной воды. Кроме того, сам полистирол при твердении не обеспечивает абсолютного заполнения пор, так как его коэффициент термического расширения в несколько (5—6) раз больше, чем бетона.
Водонепроницаемость стыков между блоками достигается покрытием соприкасающихся поверхностей блоков специальными мастиками, приготовленными на основе эпоксидных смол с отвердителями (компаунды), и др.
Новый материал — клей на той же основе — обеспечивает при соединении двух граней блоков прочную связь и не требует дополнительных мер по гидроизоляции.
Уплотнение и изоляция вспомогательных отверстий в блоках осуществляются завинчиванием пробок в закладные трубки, а также применением цементной замазки (БУС). Болтовые отверстия в железобетонных тюбингах изолируют при помощи сферических шайб с асбестобитумным или пластмассовым уплотнением.
Необходимо отметить, что стыки все же остаются наиболее слабым местом обделки в отношении водонепроницаемости. Кроме того, следует применять дополнительные меры против скольжения блока по блоку под действием поперечных сил вследствие малого угла внутреннего трения пластичной мастики.
В качестве надежного средства гидроизоляции железобетонных блоков и обделки в целом разработано новое техническое решение. Оно заключается в том, что в теле блока на расстоянии около 0,25h от внутренней поверхности на всей его площади прокладывают сплошной стальной лист-экран 1 толщиной 2 мм (рис. 258).
Во избежание расслоения конструкции к листу нормально к его поверхности соосно приваривают с обеих сторон арматурные стержни 2, входящие в состав общего арматурного каркаса, что придаст всему блоку монолитность. Стальной экран полностью изолирует блок от проникновения напорной воды независимо от качества бетонного камня. Продольные и поперечные стыки блоков снабжены канавками трапецеидального уступчатого сечения, доходящими по глубине до стального листа и зачеканиваемыми быстроуплотняющейся цементной смесью (БУС).
Для изготовления водонепроницаемых элементов сборных обделок перспективны новые материалы — полимербетон и сталеполимербетон.
Полимербетон — органоминеральный бесцементный и безводный бетон. В качестве связующего применен фурфуролацетоновый мономер ФА, получаемый по специальной технологии (институт МХТИ и НИИ пластмасс).
Этот новый строительный материал состоит из минерального заполнителя (кварцевый песок, щебень, керамзит), синтетического связующего (фурфурол ацетоновый мономер ФА) и отвердителя (бензосульфокислота). В зависимости от конкретных условий изготовления (температуры, влажности, срока схватывания) и эксплуатационных требований (механическая прочность, водонепроницаемость, химическая стойкость) могут быть подобраны составы полимербетонов исходя из оптимальных соотношений заполнителя, вяжущего и отвердителя.
Полимербетонную смесь приготовляют в мешалках принудительного действия при определенной последовательности ввода компонентов — заполнителя, фурфурола, мономера ФА, бензосульфокислоты — при t = 50÷60° С.
После введения каждого компонента смесь тщательно перемешивают. Готовую смесь укладывают в формы и уплотняют; распалубливают после полимеризации через сутки при температуре окружающего воздуха 15—25° С.
Полимербетон на основе мономера ФА обладает более высокими физико-механическими показателями, чем клинкерный бетон.
Полимербетон хорошо сопротивляется износу и обладает высокими диэлектрическими свойствами; перспективен для изготовления элементов сборных обделок и для гидроизоляции.