Гидрошпонка

Первые попытки герметизации швов в бетонных конструкциях с применением металлических вкладышей относятся к первой половине XX века. Технология водозащитных шпонок начала систематически применяться в начале 1950-х годов, когда швы бетонирования заделывались металлическими гидрошпонками^[4]. Металлические шпонки — из стали, меди, бронзы и свинца — обеспечивали необходимую жёсткость, однако уступали по гибкости и долговечности более поздним полимерным аналогам^[2].

На протяжении 1950—1970-х годов в США и западноевропейских странах активно разрабатывались неметаллические шпонки на основе натурального каучука, неопрена и поливинилхлорида (ПВХ). Технические требования к этим изделиям были систематизированы в армейских стандартах США: CRD-C 513 — для резиновых шпонок и CRD-C 572 — для шпонок из ПВХ. Прежнее руководство Инженерного корпуса армии США EM 1110-2-1911 (1983) было в 1995 году заменено актуализированным руководством EM 1110-2-2102, что свидетельствует о постоянном развитии нормативной базы в этой области^[2].

В российской практике гидрошпонки из этиленпропиленового каучука (EPDM) и пластифицированного ПВХ получили широкое распространение в подземном и гидротехническом строительстве начиная с 1990-х годов. Технологический регламент ТР 186-07, разработанный ГУП «НИИМосстрой» и согласованный с проектными организациями страны (ГУП «Мосинжпроект», ОАО «Метрогипротранс», ОАО «Гипротрансмост» и др.), содержит требования к выбору, монтажу и контролю качества шпонок^[1]. Параллельно в научном сообществе продолжаются исследования эксплуатационных характеристик шпонок: специалисты Уральского федерального университета и ГК «Пенетрон» провели комплексную оценку водонепроницаемости гидроизоляционных шпонок, результаты которой опубликованы в журнале «Бетон и железобетон»^[5].

Гидрошпонки классифицируются по нескольким основаниям: способу монтажа, типу защищаемого шва, форме профиля и материалу исполнения.

По способу монтажа выделяют четыре основных типа гидрошпонок^[4][1]:

1. Внутренние (закладные) шпонки устанавливаются непосредственно внутри бетонируемой конструкции путём фиксации к арматурным стержням вязальной проволокой с шагом около 250 мм. Симметричная конструкция такой шпонки позволяет равномерно распределить её между двумя заливками бетона, а рёбра на плоскости ленты создают механическое зацепление с телом бетона, препятствующее фильтрации воды. Внутренние шпонки применяются как при новом строительстве, так и при восстановлении герметизации деформационных швов^[1].
2. Опалубочные шпонки устанавливаются на этапе возведения опалубки: их закрепляют гвоздями длиной 70—90 мм к деревянной опалубке с шагом около 250 мм, после чего при заливке бетона одна половина шпонки замоноличивается, а вторая остаётся открытой до следующего этапа бетонирования. Данный тип позволяет формировать деформационные швы с компенсационной полостью, воспринимающей температурно-усадочные деформации конструкции^[1].
3. Защитные (наружные) шпонки монтируются с наружной, обводнённой стороны конструкции ещё до начала монолитных работ. Их задача — создать первый рубеж защиты от проникновения воды с поверхности давления. Ряд производителей вводит в состав защитных шпонок добавки, которые при контакте с водой расширяются, обеспечивая дополнительное самоуплотнение шва^[4].
4. Ремонтные (накладные) шпонки применяются для восстановления герметизации уже существующих конструкций. Они устанавливаются накладным методом поверх вскрытой штрабы с использованием анкеров из нержавеющей стали или клеевых составов. Среди ремонтных шпонок особое место занимают гидрофильные (набухающие) изделия, которые при контакте с водой увеличиваются в объёме и заполняют пустоты и трещины в зоне стыка^[3][1].

В зависимости от назначения различают шпонки для деформационных швов (обозначаются литерой Д в отечественной номенклатуре) и для холодных (технологических) швов бетонирования (обозначаются литерой Х). Деформационные шпонки имеют в центре компенсационную арку или полость, которая позволяет воспринимать взаимные смещения смежных конструктивных элементов — раскрытие, закрытие и сдвиг шва. Шпонки для холодных швов лишены такой полости: они рассчитаны на жёсткое соединение бетонных секций без значительных взаимных перемещений^[1].

Американским стандартом EM 1110-2-2102 выделяются четыре базовых формы неметаллических шпонок^[2].

В российской практике выпускаются шпонки типов ДВ, ДО, ДЗ, ДВС, ДОС, ДЗС, ХВ, ХО, ХВС, ХОМ, ДОМ, ДР и ТАРАКАН, различающихся конфигурацией, наличием инъекционных каналов и способом установки^[1].

По основному материалу изготовления гидрошпонки подразделяются на металлические и неметаллические^[2]. Металлические (из стали, меди, бронзы или свинца) применяются преимущественно в тяжёлом гидротехническом строительстве — там, где требуется высокая механическая прочность. Неметаллические — из ПВХ, EPDM и других эластомеров — являются сегодня преобладающим типом благодаря эластичности, коррозионной стойкости и технологичности соединения^[2][4].

Поливинилхлорид (ПВХ) в пластифицированном исполнении является наиболее распространённым материалом для изготовления гидрошпонок как в мировой, так и в российской практике^[2]. Пластифицированные композиции на основе ПВХ характеризуются хорошей стойкостью к воде, кислотам и щелочам умеренных концентраций, удовлетворительной морозостойкостью и — что особенно важно — термопластичностью. Последнее свойство позволяет соединять отрезки шпонки непосредственно на строительной площадке методом термосварки с помощью термоножа с температурой нагрева 185—195 °C, что обеспечивает надёжное неразъёмное соединение без применения специального оборудования^[1].

Вместе с тем ПВХ-шпонки уступают резиновым по скорости восстановления после деформации и несколько хуже переносят контакт с маслами и органическими растворителями^[2]. Физико-механические показатели, которым должны соответствовать пластифицированные ПВХ-композиции, нормируются ГОСТ 5960-72 «Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей» и ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение»^[1].

Этиленпропиленовый каучук (EPDM — Ethylene Propylene Diene Monomer) применяется в качестве основы для производства резиновых гидрошпонок и обеспечивает изделиям высокую атмосферостойкость, стойкость к озону и ультрафиолетовому излучению. Резиновые шпонки на основе EPDM отличаются более высокой упругостью и быстрым восстановлением первоначальной формы после деформации по сравнению с ПВХ-аналогами, что особенно важно в условиях динамических нагрузок^[1][3]. Стыкование резиновых шпонок производится с применением цианакрилатных клеёв, усиленных каучуками (например, RiteLok RT 3500W), с последующим нанесением защитного слоя резинобитумной мастики шириной около 20 мм^[1].

В числе других синтетических каучуков, применявшихся исторически, — бутилкаучук, неопрен (полихлоропрен), стиролбутадиеновый каучук (SBR) и нитрилбутадиеновый каучук (NBR). Все они обеспечивают высокое удлинение при разрыве и хорошую химическую стойкость, однако уступают EPDM по стойкости к атмосферным воздействиям^[2].

Металлические шпонки изготавливают из конструкционной или нержавеющей стали, меди (толщиной около 0,686 мм), бронзы и свинца. Медные и свинцовые шпонки более пластичны и хорошо поддаются формовке для сложных конфигураций, тогда как нержавеющая сталь (малоуглеродистая, стабилизированная ниобием или титаном для облегчения сварки) отличается наибольшей стойкостью к коррозии^[2]. В современном гражданском строительстве металлические шпонки практически вышли из употребления, будучи заменены более технологичными полимерными изделиями, однако сохраняют применение в тяжёлых гидротехнических сооружениях — плотинах, водоприёмниках и шлюзах, — где механическая прочность важнее гибкости^[3].

Особую группу составляют шпонки и профили на основе гидрофильных (набухающих) резин. При контакте с водой такие изделия увеличиваются в объёме, механически заполняя зазоры и микротрещины в зоне шва. В российской практике набухающий резиновый профиль АКВАСТОП тип ПНР используется в сочетании с обычными шпонками для повышения надёжности герметизации швов — он размещается в зоне примыкания шпонки к бетонной поверхности^[1].

Основным промышленным методом изготовления гидрошпонок из ПВХ и EPDM является экструзия. Полимерная или резиновая масса продавливается через формующую головку экструдера, воспроизводящую заданный профиль поперечного сечения изделия, после чего непрерывная лента охлаждается и нарезается на мерные длины. Производство в России ведётся в соответствии с ТУ 5775-002-46603100-03 (с изменениями 1 и 2) — техническими условиями на изделия из эластомерных материалов для герметизации швов в заглублённых и подземных сооружениях^[1]. Экструзионный метод обеспечивает высокую воспроизводимость геометрических параметров изделий и позволяет выпускать шпонки в широком диапазоне ширины — от 100 до 300 мм для неметаллических изделий^[2].

В местах поворотов шва, пересечений и примыканий прямолинейные отрезки шпонки соединяются в фасонные элементы: угловые (Г-образные), Т-образные и крестообразные (Х-образные). Для ПВХ-шпонок фасонные элементы получают термосваркой: торцы отрезков обрезаются под требуемым углом, разогреваются термоножом при температуре 185—195 °C до равномерного оплавления и плотно сжимаются до остывания (не менее 5 минут).^[1] Для резиновых шпонок фасонные элементы изготавливаются с применением цианакрилатного клея; стыкуемые поверхности предварительно обезжириваются очищающим составом (50 % этилацетата, 50 % бензина «калоша»). Качество стыковых соединений проверяется визуально и механическим способом как непосредственно после изготовления, так и повторно перед бетонированием^[1].

В процессе монтажа шпонка устанавливается в арматурный каркас или опалубку, после чего конструкция бетонируется таким образом, чтобы шпонка оказалась замоноличенной в теле бетона. Бетонная смесь подаётся горизонтальными слоями; вибрирование производится путём перестановки наконечника вибратора без его касания к шпонке и элементам крепления. В зоне размещения шпонки рекомендуется через 20—30 мин производить повторную вибрацию бетона. Перед бетонированием второй части конструкции открытая часть шпонки должна быть очищена от загрязнений; при необходимости она защищается временным экраном от попадания посторонних веществ^[1].

Изготовитель гарантирует соответствие продукции требованиям технических условий при соблюдении потребителем условий хранения, транспортирования и монтажа. Гарантийный срок эксплуатации гидрошпонок составляет 5 лет, гарантийный срок хранения — 2 года со дня изготовления. В процессе строительно-монтажных работ пооперационный контроль осуществляется инженерно-техническим персоналом строительной организации совместно с представителями проектной организации и заказчика; по результатам освидетельствования скрытых работ составляется соответствующий акт^[1].

Основная функция гидрошпонки — создание надёжного водонепроницаемого барьера в шве бетонирования. Отечественные шпонки из ПВХ и EPDM рассчитаны на противодействие давлению водяного столба высотой не менее 15 м^[3]. Вопросам методологии и результатам оценки водонепроницаемости гидроизоляционных шпонок в реальных условиях посвящены специальные научные исследования^[5]. Размерный подбор ПВХ-шпонок для заданного гидростатического напора регламентирован американским стандартом EM 1110-2-2102: при давлении 300 000 Па (эквивалент 100-футового столба воды) допускается применять шпонку шириной 250 мм и толщиной 4 мм либо шпонку шириной 125 мм и толщиной 8 мм^[2].

Гидрошпонки должны воспринимать взаимные перемещения смежных конструктивных блоков: раскрытие (растяжение), смыкание (сжатие) и сдвиг шва. Шпонки с центральной компенсационной полостью — наиболее универсальный тип: благодаря полому арочному элементу в центре они обеспечивают значительный диапазон допустимых деформаций без перегрузки материала. Ширина полости гидрошпонок с центральной полостью (centerbulb) варьируется от 6 до 70 мм, что позволяет выбирать изделие под конкретные расчётные деформации шва^[2].

Гидрошпонки из ПВХ-П и EPDM обладают высокой стойкостью к воде, слабоконцентрированным растворам кислот, щелочей и солей, а также биоинертностью — устойчивостью к воздействию микроорганизмов и гниению^[3]. Резиновые шпонки из EPDM дополнительно стойки к атмосферному озону и ультрафиолетовому излучению, что важно при временном хранении материала на строительной площадке.^[2] Оба типа материалов восприимчивы к воздействию нефтепродуктов и органических растворителей, что требует соблюдения условий хранения^[1].

Рабочий диапазон температур для гидрошпонок из ПВХ-П и EPDM составляет от −30 до +50 °C, что обеспечивает сохранение эластичности и герметизирующих свойств в условиях умеренного и континентального климата^[3]. При выполнении стыковых соединений температура воздуха должна быть не ниже +5 °C; при необходимости производства работ при пониженных температурах следует предварительно выдержать шпонки в тёплом помещении не менее 12 часов^[1].

Шпонки из плотной резины на основе EPDM выдерживают нагрузку от 20 до 80 кН, что позволяет применять их как во внутренних, так и в наружных швах с различным уровнем нагружения^[3]. Прочностные показатели материалов нормируются ГОСТ 270-75 «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении», ГОСТ 262-93 «Резина. Определение сопротивления раздиру» и ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А»^[1].

Расчётный срок службы гидрошпонок соответствует сроку службы самого сооружения — это принципиальное отличие шпонок от заполнителей швов, требующих периодической замены^[3]. Гидрошпонки, замоноличенные в соответствии с требованиями проектно-конструкторской документации и технологических регламентов, не требуют последующего технического обслуживания в период эксплуатации^[1].

Наиболее ответственная область применения гидрошпонок — подземное строительство: метрополитен, тоннели различного назначения, подземные паркинги, коллекторы, водопроводные и канализационные сети, заглублённые резервуары. В этих сооружениях шпонки используются для герметизации деформационных и рабочих швов железобетонных конструкций, испытывающих постоянное или периодическое воздействие грунтовых вод. Технологический регламент ТР 186-07 был согласован, в частности, с ОАО «Метрогипротранс» и ОАО «Гипротрансмост», что подтверждает применение нормируемых им шпонок в транспортном строительстве^[1].

В гидротехнических сооружениях — плотинах, шлюзах, дамбах, водосбросах — гидрошпонки обеспечивают герметичность монолитных швов, испытывающих значительное гидростатическое давление и постоянный контакт с водой. Руководство USACE EM 1110-2-2102 охватывает применение шпонок во всех перечисленных типах объектов, включая навигационные шлюзы и противопаводковые сооружения. Металлические шпонки из стали и меди остаются актуальными в горизонтальных швах водоприёмных сооружений, где подвижки конструкции минимальны^[2].

В промышленном строительстве гидрошпонки применяются при возведении резервуаров для хранения жидкостей, очистных сооружений, водонапорных башен и промышленных бассейнов. В гражданском строительстве они востребованы при гидроизоляции фундаментов, стен подвалов и цокольных этажей при высоком уровне грунтовых вод. Применение гидрошпонок позволяет отказаться от обязательного изменения арматурного каркаса в зоне шва — монтаж ленты производится без переконструирования армирования^[3].

При реконструкции и ремонте шпонки ремонтного типа применяются для восстановления герметизации деформационных швов, утративших водонепроницаемость в результате физического износа, температурных деформаций или механических повреждений. Для установки ремонтной шпонки в теле конструкции вырубается штраба (паз), в которую после очистки и подготовки поверхности устанавливается шпонка с заделкой быстротвердеющим безусадочным ремонтным составом высокой текучести^[1].