CC BY
50
СОСТОЯНИЕ БЕТОНА ПО НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОСТАНКИНСКОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ БАШНИ
CONCRETE CONDITION ON THE EXTERNAL SURFACE OSTANKINO TV TOWER
1 2 A.A. Ступаков , П.Е. Разин
A. Stupakov, P. Razin
МГСУ1, PTPC2
Приведены особенности конструкции и методы защиты бетонного ствола башни от внешней среды. Изложены результаты её обследования на водонепроницаемость. Выполнен анализ результатов и даны рекомендации по эксплуатации ствола.
Structure features and protection methods tower tube concrete from surroundings are listed. Tower findings for water impermeability are stated. Result analysis is done and tube maintenance recommendations are provided.
1. Особенности конструкции и расположения башни Железобетонный ствол Останкинской телевизионной башни имеет высоту 385 метров и состоит из цилиндрического участка I (рис. 1) и трех усеченных конических участков: II III и IV [1]. Из рис. 1 видно, что на высоте 63,1 метра образующая башни имеет значительный перегиб. Угол этого перегиба составляет 12,5°. Образующая участка II близка к вертикали (угол наклона составляет 88,85°), а угол наклона образующей на участке III отклоняется от вертикали и составляет 76,35°, а угол наклона образующей нижнего конуса на участке IV составляет 69,07°.
На юго-западе от башни, в километре от неё, расположено много промышленных и пищевых предприятий: Останкинский мясоперерабатывающий комбинат, Московский хладокомбинат №9, и другие. В технологическом цикле этих предприятий используются агрессивные газы. Известны случаи их утечек.
Рядом с башней находятся улицы с интенсивным автомобильным движением, а в радиусе 2 километров расположены основные городские автомагистрали: проспект Мира, Дмитровское шоссе, 3-е транспортное кольцо и другие. На этих магистралях при плотном движении автомобильного транспорта часто возникают пробки, и образуется агрессивная воздушная среда от выхлопных газов. Таким образом, Останкинская башня расположена в зоне агрессивной воздушной среды.
2. Особенности бетонирования нижней части и ствола башни Сооружение нижней части башни: конуса и «ног» (участки III и IV), велось путем установки арматурных каркасов и навешивания на них опалубки в виде металлических щитов (0,5x1,0 м). «По мере установки щитов опалубки производилось бетонирова-
.1
С >
ние» [1]. Бетонирование конуса выполнялось зимой 1964-65 годов. Для поддержания необходимой температуры твердеющего бетона применялся двухсторонний электрообогрев в металлической переставной опалубке.
Для возведения ствола башни (участки I и II) «был разработан специальный шагающий агрегат» [1]. Этот агрегат, кроме электрообогрева панелей опалубки, имел «калориферы, поддерживающие нормальную температуру» в подвижном «тепляке». После укладки в опалубку бетон «вибрировался».
При осмотре Останкинской башни можно увидеть, что до перегиба опалубка состояла из щитов, а после перегиба использовалась кольцевая скользящая опалубка.
Можно предположить, что бетонирование ствола башни велось по более отработанной технологии и в более щадящем тепловом режиме, чем бетонирование нижней части башни.
3. Защита наружной поверхности бетонного ствола башни от воздействий внешней среды
31 августа 1966 года бетонирование железобетонного ствола башни было закончено на высоте 385 метров. Многолетние наблюдения за состоянием бетонной поверхности ствола башни вели сотрудники Лаборатории коррозии бетона НИИЖБ.
При периодическом смачивании водой и высыхании поверхностных слоев бетона, и особенно при периодическом замораживании и оттаивании влаги в этих слоях, в материале возникают внутренние напряжения, развитие которых может привести к разрушению бетона сначала в поверхностных, а затем и более глубоких слоях. Наличие агрессивной среды способствует более быстрому и глубокому развитию деструктивных процессов в бетоне.
В начале 70-х годов прошлого века было принято решение о защите наружной поверхности бетона ствола башни от воздействий внешней среды. Одним из простых и эффективных средств повышения стойкости и долговечности поверхности бетона, подвергающейся периодическому воздействию воды или слабоагрессивных водных растворов, является гидрофобизация поверхности бетона. Гидрофобизация - это пропитка поверхностных слоев строительных материалов растворами веществ, которые придают порам и капиллярам материала водоотталкивающие свойства [2].
Рис 1. Рис 1.1. Компоновка железобетонного ствола Останкинской телевизионной башни.
I - цилиндрический участок, aj = 90°,
II - пологий конус, а2 = 88,85°, III -средний конус, а3 = 76,35°, IV - нижний конус с «ногами» а4 = 69,07°
Наиболее эффективными для придания водоотталкивающих свойств бетону являются кремнийорганические соединения. При гидрофобизации бетона кремнийорга-ническими соединениями поры и капилляры материала остаются открытыми, лишь стенки их приобретают водоотталкивающие свойства.
Снижение гидрофобного эффекта происходит в результате накопления частиц пыли на поверхности, при длительном воздействии воды, при периодическом замораживании и оттаивании влаги, а также при воздействии солнечных лучей. Внутренние гидрофобизированные слои бетона защищены от прямого воздействия перечисленных факторов, и гидрофобный эффект в них сохраняется дольше, чем на поверхности материала. Обработка кремнийорганическими соединениями поверхности бетона не изменяет его цвета, фактуры, прочности и паропроницаемости.
В 1972 году была выполнена гидрофобизация железобетонного ствола башни. На наружную поверхность ствола был нанесен раствор 5% гидрофобной кремнийоргани-ческой жидкости ГКЖ-94 в толуоле 95%. Такая же гидрофобизация ствола была выполнена и в 1985 году. Нормативный срок службы гидрофобного покрытия ГКЖ-94 составляет 10 лет [2].
В 2004...2005 годах наружная поверхность ствола башни в третий раз с момента строительства была покрыта гидрофобизирующей композицией «СИЛОР МАКС». Эта композиция наряду с гидрофобными свойствами должна создавать на поверхности бетона некоторое упрочнение. Глубина пропитки составила 1,5.2 мм.
Период между вторым и третьим покрытием составил 20 лет при нормативном сроке службы покрытия ГКЖ-94 10 лет.
4. Методы контроля качества гидрофобного покрытия бетона
Как уже отмечалось, гидрофобное покрытие бетона придаёт поверхности, порам и капиллярам материала водоотталкивающие свойства.
Прямым методом контроля качества вновь нанесенного гидрофобного покрытия является «опрыскивание поверхности водой. Вода не должна впитываться» [2]. Для измерения толщины гидрофобного покрытия необходимо из поверхности бетона высверливать керны, которые затем исследовать на смачиваемость. Однако на Останкинской башне не могут использоваться методы разрушающего контроля.
В разделе 3 отмечалось, что с течением времени происходит снижение гидрофобного эффекта на поверхности бетона и сохранение этого эффекта во внутренних слоях бетона.
Пробные обследования поверхности бетона ствола башни прямым методом были выполнены в нескольких местах. Они показали, что после опрыскивания водой она, в основном, отталкивается бетоном, но при этом поверхность частично смачивается. Можно говорить о том, что поверхность сохранила гидрофобные свойства, но о количественных показателях качества гидрофобного покрытия сказать, что-либо трудно.
Таким образом, для контроля качества гидрофобного покрытия бетона, который эксплуатировался в течение нескольких лет, использование прямого метода «опрыскивания» затруднительно.
Методы определения водонепроницаемости бетона регламентируются ГОСТом [3], в котором предусмотрен ускоренный метод определения водонепроницаемости бетона по его воздухопроницаемости. Для этого метода используются устройства типа «Агама», которые позволяют выполнять замеры на вертикальной поверхности башни и получать показатели водонепроницаемости или обратной её величины сопротивления прониканию воздуха этой поверхности. По этим показателям можно сделать за-
3/2011_МГСу ТНИК
ключение о плотности поверхности бетона и косвенно о качестве гидрофобного покрытия бетона ствола башни.
5. Определение сопротивления бетона прониканию воздуха на поверхности ствола башни
ГОСТ [3] при определении параметров водонепроницаемости бетона по его воздухопроницаемости предусматривает размеры, состояние и количество образцов. В частности: «Допускается испытывать образцы-кубы с ребром длиною 150 мм. Число образцов в серии - 6».
Обследуемая башня имеет толщину бетона внизу в середине каждой «ноги» около 1 метра, а, начиная с высоты 63 метра до высоты 385 метров, толщина стенок ствола постепенно уменьшается с 40 до 35 см [2]. Таким образом, толщина бетона башни значительно отличается от толщины нормативных образцов - 150 мм. Кроме того, сечением башни является окружность, сориентированная по сторонам света: юг, запад, север, восток. Поэтому удобнее в каждом сечении выполнять 8 измерений, а не 6, как в стандарте. При натурном обследовании железобетонного ствола башни важно получить относительные значения параметров водонепроницаемости в разных местах по высоте и периметру поверхности башни. Поэтому отмеченные отклонения от стандарта вполне допустимы.
Для натурного обследования поверхности бетона по рекомендации стандарта [3] использовался прибор АГАМА-2РМ заводской № 0039. Для измерения камеру фланцем устанавливают на обследуемую поверхность и в полости камеры создают разряжение не менее 0,064 МПа, при этом оператор должен создать усилие 25...30 кг. В результате измерения на дисплее появляется значение сопротивления бетона прониканию воздуха т.
Для измерений по высоте принято 8 уровней с расстояниями между уровнями 50.60 метров и выбраны отметки высот, на которых имеются кольцевые балконы, так как создавать боковое усилие более 25 килограмм лучше стоя на ногах на твердой поверхности. В процессе замеров было выявлено существенное изменение показателей проницаемости на нижней конической части башни. Поэтому были выполнены дополнительные замеры на отметке 67 метров, где нет кольцевого балкона, а также в районе перегиба образующей ствола башни в районе отметки 63 метра. Эти измерения выполнялись промышленными альпинистами.
Выполнены также замеры воздухопроницаемости контрольных образцов бетона, которыми являются кубики с ребром длиной 150 мм, находящиеся на отметке 47 метров с момента строительства башни. Для сравнения замеры выполнены не только на наружной поверхности опор («ног»), но и на внутренней их поверхности на уровне 1 метра от пола.
6. Результаты замеров и их анализ
Результаты замеров сопротивления бетона прониканию воздуха на наружной поверхности ствола башни показаны в таблице 1. Из таблицы можно определить местоположение каждого замера на поверхности башни.
В таблице 1 посчитаны средние значения сопротивления бетона прониканию воздуха тс, как по каждой отметке высоты (см. второй столбец справа), так и по каждой вертикальной оси (см. вторую строку снизу). С помощью ГОСТа [3] определены показатели бетона по водонепроницаемости Ж на каждой отметке высоты - правый столбец табл. 1.3, и по каждой вертикальной оси - нижняя строка.
По результатам замеров и данным таблицы 1 построены зависимости сопротивления поверхности бетона прониканию воздуха по периметру башни на разных отметках высоты (см. рис. 2). Значения сопротивлений соединены прямыми линиями для удобства анализа результатов. Для каждой высоты приведено сечение башни с осями замеров, ось 6 совпадает с направлением на север, ось 16 - на юг. Построены также зависимости средних значений сопротивления поверхности бетона дас (см. рис. 3) по высоте башни - левый график, и по периметру башни -нижняя диаграмма.
На уровне 1 метра от пола вестибюля замеры выполнены не только на наружной поверхности опор («ног»), но и на внутренней их поверхности. Результаты этих замеров приведены в таблице 2, по ним построены две нижних правых зависимости на рис.2.
Рис.2. Зависимости сопротивления поверхности бетона прониканию воздуха т1 по периметру
башни на разных отметках высоты
Выполнены дополнительные замеры в зоне перегиба образующей ствола башни в районе отметки 63 метра в направлении С-В (см. табл. 3).
Таблица 1. Результаты замеров сопротивления бетона прониканию воздуха ] нужной поверхности ствола башни mi, с/см~
Стороны света Запад С-3 Сев С-В Вост. Ю-В Юг Ю-3 тс, с/см3 W
360 16,2 19,2 34,8 24,1 7,6 6,7 20,7 18,47 10
311 15,1 11,5 24,1 14,8 16,38 10
305 16,8 10,0 10,0 12,0 11,8 7,5 13,9 9,6 11,45 8
Ы Ь 253 10,5 22,7 27,2 11,5 11,2 13,1 15,1 16,8 16,01 10
о 3 201 6,2 15,8 10,1 8,3 7,2 6,0 18,4 8,2 10,03 8
я и 150 15,4 8,5 25,3 9,3 17,9 16,6 14,5 26,1 16,70 10
щ 2 и 85 13,3 14,1 10,5 10,0 10,5 5,3 8,5 10,1 10,29 8
и 67 21,0 16,8 19,7 10,5 12,4 10,6 9,8 19,4 15,03 10
48 3,7 8,1 7,7 9,2 7,5 3,8 6,9 5,6 6,56 4
1 9,4 6,7 12,0 13,3 11,9 9,8 5,7 8,3 9,64 8
т с, с/см3 12,76 13,54 16,88 12,02 12,21 8,82 12,83 13,01 13,05
8 8 10 8 8 6 8 8
Таблица 2. Результаты замеров сопротивления бетона прониканию воздуха на опорах башни на уровне 1 м, то,-, с/см3._
№ 1 2 3 4 5 6 7 Юг Юг 10 тс,
опоры 8 9 с/см3
На- 13, 3 11, 9
ружи. 14,2 9,4 6,7 12 9,8 5,7 5,7 8,3 9,70
по-
верхн.
Внут-
рен. по- 70, 2 33, 4 27, 8 26, 5 42, 1 25, 4 65, 3 23,2 22,3 69,2 40,5
верхн.
Таблица 3. Результаты замеров сопротивления бетона прониканию воздуха в районе перехода ствола башни в конус
№ п.п. Высота, м Значение т¡, с/см3 Среднее значение тс, с/см3
1 65,0 28,0
2 63,5 27,5
63,1 Перегиб образующей
3 62,0 7,3 6,2
4 61,0 6,0
5 55,0 5,3
Сопротивление бетона прониканию воздуха т характеризует относительную плотность поверхности бетона. Из таблицы 3 видно, что именно на перегибе образующей башни, то есть в зоне перехода верхнего ствола в конус на высоте 63,1 метра, наблюдается скачек плотности поверхности бетона с т1 = 27,5 с/см3 до т1 = 7,3 с/см3. На рис. 3 эта зона прорисована пунктирной линией. Мы считаем эти данные предварительными, так как замеры выполнены всего по одной образующей.
Рис 3. Зависимости средних значений сопротивления поверхности бетона прониканию воздуха тс по высоте башни и по периметру башни
Анализ материалов таблиц 1, 2 и 3, а также рисунков 2 и 3 показывает:
1. Наименьшую среднюю плотность по периметру имеет поверхность башни на высоте 48 м. здесь средняя величина тс=6,56 с/см3 имеет минимальное значение.
2. Коническая часть башни (ниже 63-ей отметки высоты) имеет меньшую плотность поверхности, чем ствол башни.
3/2011_МГСу ТНИК
3. По периметру башни самой малой плотностью обладает поверхность, направленная на юго-восток, среднее значение mc=8,82 с/см3, а самой большой - на север, mc=16,88 с/см3.
4. Плотность внутренней поверхности опор башни (^=40,54 с/см3) существенно больше плотности наружной поверхности опор (дас=9,7 с/см3).
Причины меньшей плотности поверхности конической части, чем ствола башни может заключаться в следующем:
1) Вода, скатываясь с практически вертикальной поверхности ствола, наталкивается на поверхность конуса - перегиб образующей составляет 12,5°. Здесь вода дольше задерживается и хуже высыхает. Количество периодических замораживаний и оттаиваний влаги здесь тоже больше. Это может привести к более ощутимым повреждениям поверхности на конусе, чем на стволе, и уменьшению плотности поверхностных слоев бетона.
2) На конической части башни с углом наклона образующей 69.76° наметается снег, что также может увеличить количество периодических замораживаний и оттаиваний влаги.
3) Бетонирование ствола башни велось по более отработанной технологии и в более щадящем тепловом режиме, чем бетонирование нижней конической части башни. Поэтому возможно уже после строительства плотность поверхности ствола была больше, чем плотность бетона конуса.
4) Возможно, что на высоте ниже 63 метров в районе башни более агрессивная воздушная среда.
Направленная на юго-восток поверхность башни может обладать самой малой плотностью потому, что видимо именно в направлении юго-востока на поверхности происходит наибольшее количество периодических замораживаний и оттаиваний влаги в межсезонье.
7. Сравнительные показатели качества наружной поверхности железобетонного
ствола башни
Выполнены также замеры сопротивления прониканию воздуха контрольных образцов бетона, находящихся на кольцевом балконе отметки 47 метров с момента строительства башни. Эти образцы никогда не покрывались гидрофобным составом.
Образцами являются кубики с ребром длиной 150 мм. Замеры проводились на 4-х кубиках примерно равномерно расположенных по периметру башни. На каждом кубике выполнено по два замера на боковых гранях, направленных от стены башни, и один замер на нижней грани. Результаты этих замеров показаны в табл. 4.
Из таблицы 4 видно, что среднее значение сопротивления прониканию воздуха непокрытых бетонных образцов составляет дас=4,29 с/см3, а среднее значение на всей бетонной поверхности башни по таблице 1 составляет дас=13,05 с/см3. Таким образом, средняя плотность наружной поверхности бетона башни в 3 раза больше плотности не покрывавшихся образцов. Из этого косвенно можно сделать заключение о том, что на наружной бетонной поверхности башни имеется гидрофобное покрытие.
Следует заметить, что плотность по поверхности башни распределяется довольно неравномерно. Плотность на стволе башни в 2 раза больше, чем на конусе. При сравнении с плотностью образцов (?ис=4,29 с/см3) состояние поверхности ствола башни выше отметки 63 метра можно признать хорошим, а ниже, на конусе - удовлетворительным.
Таблица 4. Результаты замеров сопротивления прониканию воздуха контрольных образцов бетона_
№ кубика Кубик 1 Кубик 2 Кубик 3 Юг ±5° Кубик 4 mc, с/см3 W
Боковые грани 4,2 | 4,7 4,6 4,5 4,2 | 3,8 3,6 4,7 4,29 2
Нижняя грань 28,0 12,3 10,9 16,4 16,90 10
Следующее защитное покрытие конуса башни необходимо выполнить с залечиванием дефектов на поверхности. Для дальнейшей защиты конуса башни от внешних воздействий целесообразно осуществить детальное обследование наружной поверхности конуса, выполнить анализ дефектов поверхности и разработать рекомендации по выбору залечивающего покрытия.
Заключение
1. Состояние поверхности ствола башни выше отметки 63 метра можно признать хорошим, а ниже, на конусе - удовлетворительным.
2. Для дальнейшей защиты конуса башни от внешних воздействий целесообразно осуществить детальное обследование наружной поверхности конуса, выполнить анализ дефектов поверхности и разработать рекомендации по выбору залечивающего покрытия.
3. Для поддержания в хорошем состоянии наружной бетонной поверхности башни необходимо организовать её мониторинг, а также целесообразно выполнять полное детальное обследование этой поверхности два раза в год: весной после зимних морозов и осенью после летней жары.
Литература
1. Никитин Н.В. Самая высокая в мире. Серия «Строительство и архитектура» 4. Издательство Новое в жизни, науке, технике. М. 1969.
2. Руководство по защите бетона и других строительных материалов методом гидрофоби-зации. НИИЖБ ГОССТРОЯ СССР. М., 1978.
3. ГОСТ 12730.5-84: Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.
Literature
1. Nikitin N.V. Samaya vysokaya v mire. Seriya «Stroitel'stvo i arhitektura» 4. Izdatel'-stvo No-voe v jizni, nauke, tehnike. M. 1969.
2. Rukovodstvo po zaschite betona i drugih stroitel'nyh materialov metodom gidrofobi-zacii. NIIJB GOSSTROYa SSSR. M., 1978.
3. GOST 12730.5-84: Betony. Metody opredeleniya vodonepronicaemosti.
Останкинская башня, обследование бетонной поверхности, водонепроницаемость, защита от внешней среды.
Ostankino TV tower, concrete surface inspection, impermeability to water, protection from surroundings.
e-mail автора niisf@ipc.ru
