2.6. Развитие продольных трещин в центрифугированных опорах и стаканных фундаментах

Продольные трещины в центрифугированных опорах (рис. 2.25) и стаканных фундаментах являются едва ли не самым распространенным видом повреждений. Появляются они на разных стадиях: в процессе изготовления (при распалубке и быстром охлаждении), во время транспортировки и монтажа, при эксплуатации. К настоящему времени причины, вызывающие появление и развитие трещин, изучены достаточно хорошо.

В заводских условиях трещины появляются в основном на концевых участках у струнобетонных опор. Возникают они в результате расклинивания бетона преднапряженной арматурой, когда прочность его мала. Расположены эти трещины вдоль арматурных пучков. Чаще всего они возникают в вершинах опор вдоль пучков арматуры с тремя и четырьмя струнами. Бетон в этой части перенапряжен. К тому же толщина стенок центрифугированных опор вверху часто оказывается меньше проектной, так как при пластических бетонных смесях происходит продольное смещение бетона. Больше всего трещин возникает в зимнее время, когда бетон не набирает требуемой прочности к моменту распалубки. Способствует развитию продольных трещин быстрое охлаждение после извлечения их из пропарочных камер [38].

В процессе транспортирования и монтажа в опорах появляются трещины при нарушении правил складирования и стропления. Но происходит это относительно редко. Растрескиваются, как правило, некачественные опоры.

Основное количество продольных трещин в опорах развивается после монтажа - в сдаточный период или при эксплуатации. В первые годы массовой электрификации, когда качество опор было еще не очень высоким, на отдельных участках дорог еще до сдачи в эксплуатацию продольные трещины появились у 25-30% общего количества опор.

Главными причинами развития продольных трещин в опорах в сдаточный и эксплуатационный периоды являются температурно-влажностные напряжения. В струнобетонных опорах действие этих факторов усиливается чрезвычайно высоким обжатием бетона предварительно напряженной арматурой. Для того чтобы можно было оценить вклад каждого из них, рассмотрим напряженное состояние опор от этих видов силовых воздействий.

К наибольшим растягивающим напряжениям, как показали исследования, приводит стесненная усадка бетона, вызванная замкнутостью кольцевого сечения и (неодинаковой влажностью бетона по толщине стенки. Усиливает этот эффект различие свойств бетона во внутреннем и наружном слоях, обусловленное принятой технологией формирования опор.

Определяет развитие вынужденных усадочных напряжений специфика увлажнения бетона. Снаружи он соприкасается с атмосферным воздухом, влажность которого большую часть времени составляет 60-70%, внутри опор влажность воздуха зависит от условий проветривания, которое осуществляется через отверстия в стенках. В опорах первых лет изготовления отверстий вообще не делалось. Консоли к ним крепили на хомутах. Позже в вершине опор стали делать отверстия для закладных деталей. Часть этих отверстий не использовалась по прямому назначению и служила в качестве вентиляционных. После 1976 г. (а в опытном порядке и несколько раньше) в опорах стали делать специальные вентиляционные отверстия и в нижней части, располагая их выше условного обреза фундамента.

Наибольшее количество эксплуатируемых опор имеют отверстия только в вершине. Влажность воздуха внутри их распределяется следующим образом. В зоне проветривания, т. е. на расстоянии 2-3 м от вершины, влажность наружного и внутреннего воздуха обычно бывает близка между собой. Ниже идет постепенное повышение влажности. Максимальное значение влажности воздуха во внутреннем объеме (иногда до 95-98%) бывает с отметок 3-5 м (считая от уровня грунта) и ниже. В зоне между уровнем грунта и этими отметками наблюдается наибольший перепад влажности бетона по толщине стенок. В подземной части опор и фундаментов бетон увлажнен равномерно по толщине стенок.

Способствует неравномерности увлажнения бетона также выпадание конденсата на внутренних поверхностях стенок опор при быстром их остывании, особенно в районах с резко континентальным климатом. В умеренном климате условия для выпадания конденсата на стенках опор чаще всего создаются в осенний период. По сечению опоры наименее нагретая часть бетона северная. На ней в большей степени должен выпадать конденсат.

Бетон, обладая капиллярно-пористой структурой и способностью изменять свой объем в зависимости от влагонасыщения, подвергается неравномерным деформациям. При этом в нем возникают два вида напряжений: собственные (или структурные) и вынужденные.

Собственные напряжения возникают из-за того, что заполнители (щебень, гравий) и арматура препятствуют сокращению в объеме цементного камня при потере им влаги. Собственные напряжения могут быть близки к пределу прочности на растяжение [4].

Вынужденные деформации определяются тем, что потеря влаги происходит неравномерно по толщине бетона. В наружных слоях бетон высыхает быстрее, чем во внутренних. Внутренние слои бетона, препятствуя свободной деформации укорочения наружных слоев, приводят к появлению в последних растягивающих напряжений.

Если высыхание бетона идет только снаружи, т. е. в зонах, где проветривание не осуществляется, то возникающие в наружных слоях растягивающие напряжения могут достигать 1,5-1,8 МПа, что составляет примерно 0,6-0,77 расчетного сопротивления бетона марки M500 на растяжение [4, 41].

В тех случаях, когда высыхание бетона, идет одновременно с наружной и внутренней поверхностей, например в вершине опор, растягивающие напряжения возникают как во внутренних, так и в наружных слоях. Сдерживает свободную деформацию увлажненный бетон в средней части по толщине стенок. Здесь, как показывают расчеты В. И. Подольского [41], растягивающие напряжения больше во внутренних слоях, чем в наружных.

Характер распределения растягивающих напряжений по толщине стенки центрифугированных опор в зависимости от условий их проветривания показан на рис. 2.26.

При выравнивании влажности бетона по толщине стенки, т. е. при высыхании его до равновесного состояния, растягивающие напряжения постепенно снижаются. Если же этого не происходит, то напряженное состояние сохраняется, несколько ослабевая вследствие ползучести бетона.

Кроме усадочных напряжений, вызванных неравномерным распределением влажности по толщине стенки опоры, развиваются также местные усадочные напряжения в зоне, расположенной близ уровня грунта. Обусловлены они неравномерным распределением влажности вдоль опоры. При этом в надземной части опоры появляются растягивающие напряжения, а в подземной - сжимающие. Однако эти напряжения невелики [41] и составляют около 0,06 R_р.

Температурные напряжения в бетоне опор кольцевого сечения можно подразделить на два основные вида: микро- и макроструктурные.

Микроструктурные напряжения обусловлены различием температурных деформаций его компонентов. Наиболее сильно они проявляются при отрицательных температурах, когда бетон находится в водонасыщенном состоянии. Бетон, находящийся в воздушно-сухом состоянии, по коэффициенту термического расширения имеет небольшое отличие от металла. Это и определяет их совместную работу в течение довольно длительного времени.

Макроструктурные напряжения в бетоне опор возникают вследствие неравномерного распределения температуры по толщине стенок при периодическом нагревании и охлаждении конструкций. Наибольшее влияние оказывают суточные и месячные колебания температуры, солнечная радиация, ветры и осадки.

Происходящие в окружающей среде суточные колебания температуры приводят к неравномерному по времени и но объему нагреву (материала. Носят они, как правило, гармонический характер и приводят к разнице в нагреве бетона в наружных и внутренних слоях. Это в свою очередь приводит к появлению растягивающих напряжений, которые для районов с резко континентальным климатом могут достигать 0,3-0,4 МПа. Месячные колебания температуры значительно меньше влияют на напряженное состояние конструкций. Их можно не учитывать.

Солнечная инсоляция приводит к неравномерному нагреву бетона по периметру опоры. Возникающие из-за этого напряжения в бетоне опор составляют 0,3-0,5 МПа в условиях центральной части страны [38] и могут достигать 1 МПа в районах Восточной Сибири [4].

Холодные дожди и северные ветры, попадая на опоры, вызывают быстрое понижение температуры ее поверхности. В результате этого также возникает перепад температуры по периметру и толщине стенки. Это может приводить также к возникновению растягивающих напряжений, которые, например, в районе Сибири составляют 0,8-10 МПа.

Местные температурные напряжения в бетоне аналогично местным усадочным напряжениям возникают в зоне перехода опор в грунт. Как показывают расчеты [42], в сечениях, расположенных на расстоянии 0,2 м от поверхности грунта, их значение не превышает 0,4-0,5 МПа.

Таким образом, комплекс температурных воздействий окружающей среды на опоры контактной сети довольно велик, но проявляются они неодновременно. Температурные напряжения меньше, чем усадочные, в 2-5 раз. Самостоятельно эти напряжения -не могут вызвать развитие продольных трещин в опорах, но в совокупности с другими видами воздействий усложняют работу конструкций.

При изготовлении опор из бетонов марок M300-M400 усадочные и температурные напряжения совместно вполне могут вызвать появление продольных трещин в опорах.

В струнобетонных опорах дополнительное влияние на процесс трещинообразования оказывает чрезмерно большое обжатие бетона усилием предварительного напряжения арматуры. Показано [9], что процесс разрушения бетона протекает не мгновенно, а начинается с микроразрушений в структуре, которые возникают при определенной интенсивности напряжений. Так, микротрещины в бетоне марок M400-M600, из которых изготовляются опоры контактной сети, должны появляться, когда отношение сжимающих напряжений в бетоне σ_δ к призменной прочности R_пр составит 0,38-0,42, а видимые трещины - при σ_δR_пр0,6÷0,7.

Проведенные расчеты напряженного состояния центрифугированных опор показывают, что появление микротрещин в опорах мощностью 59-79 кH•м вполне возможно. Наиболее напряжен бетон в верхней части опор. Видимые трещины могут появляться в опорах мощностью 79 кH•м, если бетон сне набрал проектной прочности.

Рассмотренные виды силовых воздействий считаются основными, определяющими образование продольных трещин в опорах кольцевого сечения.

Учет совместного влияния продольного обжатия и других факторов, вызывающих растягивающие напряжения в бетоне в направлении, перпендикулярном оси опоры, показал [46], что в струнобетонных опорах видимые трещины могут возникать, если усадочные и температурные напряжения достигнут значений,, составляющих всего 0,33-0,67 призменной прочности (а это вполне возможно). Поэтому, когда прочность бетона опор равна проектной или меньше ее, в них появляются трещины. Если же реальная прочность выше проектной, а это у центрифугированного бетона бывает часто, то трещины не появляются. Иначе говоря, появление продольных трещин в опорах сильно определяется качеством самих конструкций. Хотя растягивающие напряжения довольно велики, трещины, как известно, появляются далеко не у всех опор даже в одних и тех же условиях. Часто бывает так, что после замены растрескавшихся опор вновь установленные конструкции в тех же условиях работают, не обнаруживая признаков разрушения. Это указывает на то, что принятая технология изготовления опор далеко небезупречна. Она допускает варьирование качества бетона в довольно широких пределах, и проверить это трудно. Некоторым косвенным признаком применения пластичных бетонных смесей и, как следствие этого, расслаивания и продольного смещения их в комлевую часть является повышенная толщина стенки у нижнего торца опоры, а также наличие шлама.

Продольные трещины, причиной образования которых являются температурные и усадочные напряжения, наиболее интенсивно развиваются, как показывает опыт эксплуатации, в первые годы после монтажа. По прошествии 5-7 лет этот процесс заметно ослабевает. Объясняется это, по-видимому, тем, что после появления трещин напряженное состояние заметно ослабевает и на дальнейшее развитие их влияют уже другие факторы, например попеременное замерзание воды (особенно в устьях трещин), давление растущего слоя продуктов коррозии арматуры.

Часто предшествует появлению продольных трещин сетка мелких усадочных трещин, которая у опор с ненапряженной арматурой имеет неориентированный характер, а у струнобетонных - ориентированный (рис. 2.27). Из-за большого продольного обжатия бетона поперечные усадочные трещины в предварительно напряженных опорах развиться не могут. Короткие продольные трещины, постепенно сливаясь, переходят в длинные.

Рис. 2.27. Сетка трещин на поверхности опоры

Продольные трещины, появляющиеся в опорах по прошествии многих лет эксплуатации, могут быть также следствием увеличения объема бетона во внутренних слоях или давления продуктов коррозии арматуры. Если причиной растрескивания является коррозия арматуры, что наблюдается пока редко, то вдоль арматурных стержней или пучков отслаивается защитный слой бетона (рис. 2.28). Это легко обнаруживается при простукивании опор.

Рис. 2.28. Бетон, отслоенный при коррозии арматуры

Замерзание воды во внутренних полостях центрифугированных опор, эксплуатируемых в грунтах "с высоким уровнем грунтовых вод, к появлению продольных трещин не приводит. Процесс замораживания начинается сверху, а отжимаемая льдом вода уходит в грунт, если опоры бесфундаментного типа. Но "перекачивание" воды осложняется в стаканных фундаментах особенно тогда, когда вся стаканная часть находится над уровнем грунта. В этом случае замораживание идет равномерно по всей высоте стаканной части и в отдельных местах может возникнуть защемление воды между стенками опоры и стаканной частью фундамента. Ее давление и приводит к появлению трещин в стенках стаканной части (рис. 2.29). Процесс этот пока еще не изучен, но ясно, что причиной растрескивания стаканной части является находящаяся в ней вода. Попадает она в стаканную часть двумя путями: снаружи во время дождя (при поврежденных или вовсе отсутствующих оголовках) и изнутри опоры (при выпадании конденсата).

Рис. 2.29. Трещины на боковой поверхности фундамента, возникшие из-за давления воды при замерзании ее в стаканной части

Развиваться трещины в стаканной части фундаментов могут и по другим причинам, к числу которых следует отнести неравномерную усадку бетона по толщине стенок, местные усилия от монтажных клиньев при набухании их или при рихтовке опоры на стадии монтажа и эксплуатации. К растрескиванию стаканной части приводит и давление продуктов коррозии арматуры опор, передающееся на стенки фундамента через бетон оголовка при развитии электрокаррозионного процесса.

Механизм развития усадочных трещин в стенках стаканной части такой же, как и у центрифугированных опор. Из-за неодинакового увлажнения бетона в нем возникают вынужденные усадочные напряжения с максимальными значениями у наружной поверхности фундамента. Эти напряжения зависят от усадочных свойств бетона. При большом количестве цемента в бетоне (400-450 т/м³) эти напряжения могут быть достаточно велики и способны вызывать вначале появление сетки, а затем и сквозных трещин. Но в большинстве случаев этого не происходит. Усадочные напряжения выступают как сопутствующий фактор при других видах воздействий.

Трещины 3, возникающие из-за давления набухающих монтажных клиньев 2, а также при забивании их с натягом, обычно бывают короткими. Длина их, считая от обреза фундамента 1 вниз, составляет 15-25 см. Но раскрытие этих трещин может достигать 0,5-0,6 мм, что, безусловно, будет способствовать коррозии арматуры. Развиваются они в местах расположения монтажных клиньев (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Трещины на торцовой поверхности фундамента, возникшие от давления монтажных клиньев

Трещины в верхней части стаканных фундаментов могут образовываться также и из-за давления продуктов коррозии арматуры опор, передающегося на стенки стаканной части через слой песчаного бетона, используемого для заполнения пазов. Происходит это, как уже отмечалось в параграфе 2,5, при электрокоррозии арматуры. Развивающиеся в фундаментах трещины идут по радиальным направлениям относительно поверхности опор (рис. 2.31).

Рис. 2.31. Радиально направленные трещины на торцовой поверхности двутаврового фундамента, возникшие при электрокоррозии арматуры опоры

Трещины в опорах и фундаментах, с одной стороны, ускоряют коррозионные процессы и особенно арматуры, а с другой - могут менять механику распределения внутренних усилий в (конструкциях. Раскрытие и длина их должны нормироваться по условиям прочности и долговечности 'конструкций.