Гидрохимическое разрушение и коррозия железобетонных конструкций крупных насосных станций

2020-01-13 15:28:23
Введение. Вопрос о вредном воздействии на бетон гидротехнических сооружений речных, морских, грунтовых, артезианских, загрязненных подпочвенных, канализационных, сточных и болотных вод еще мало изучен.
Из вышеуказанных категорий речные незагрязненные воды проявляют наименьшее вредное воздействие на бетонные сооружения. Грунтовые, артезианские и подземные воды, в большинстве случаев, содержащие сравнительно незначительное количество вредных химических веществ, также могут считаться более или менее безопасными, за исключением некоторых минеральных и термоминеральных источников. Морские же и соленые озерные воды, содержащие сравнительно большое количество сернокислых и другие, соединений, являются наиболее опасными в отношении разрушения бетона.
Неблагоприятные условия работы бетонных сооружений отмечаются также в загрязненных сточных водах, содержащих, как и болотные воды, большое количество продуктов разложения органических веществ.
Все явления повреждения и разрушения бетона протекают почти исключительно во влажном состоянии бетона, притом от непосредственного постоянного агрессивного действия таких жидкостей и газов, которые содержат в значительных количествах преимущественно сернистые, отчасти хлористые и азотистые соединения, органические кислоты и свободную углекислоту.
В таблице 1, приведены предельные нормы содержания в водах различной категорий тех главнейших веществ, превышение которых вызывает разрушительное действие на бетон.
Таблица 1
Допустимое содержание опасных химических веществ в воде
Наиболее опасные химические вещества
 
Содержание, мг/л
1. Сернистые (SО3) 0÷100
2. Хлористые (MgCI2) 20÷30
3. Свободная углекислота (СО2) 10÷15
4. Органические вещества
 (общая окисляемость)
10÷12
5. Азотистые (N2O5) 0÷50
 
Схватывающийся или свеж затвердевший, а также тощий, литой и пористые бетоны, значительно легче поддаются разрушительному действию указанных выше химических веществ, чем плотный, трамбованный и маловодопроницаемый бетон. Необходимо отметить то обстоятельство, что вопрос о безопасности бетонных сооружений, подверженных действию воды, следует рассматривать не только с точки зрения агрессивного влияния одного или другого вещества, но и в зависимости от совокупного качественного и количественного действия всех тех факторов, которые могут вызвать ослабление или постепенное разрушение бетона.
Подобные процессы иногда порождают значительное уменьшение сопротивления бетона в ответственных частях сооружения, что может привести к его разрушению. Большинство проведенных исследований и наблюдений за состоянием гидротехнических сооружений показывает, что сильное разрушение бетонных фундаментов и быков происходит вследствие содержания в грунтовой и речной воде сернокислых солей (до 140 мг на 1л), проникающих в бетон и образовавших сульфоалюминат кальция (цементная бацилла), которая в свою очередь разрывает изнутри бетон, вследствие ее разбухания в воде(в 32 раза).
Методика и объект исследований. При проведении исследовательских работ были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований, методы химического анализа, метод системного анализа и статистические методы обработки данных. Объектом исследований являются насосные станции Шерабад и Амузанг -2.
Результаты исследований. Проведенные обследования гидротехнических сооружений насосной станции Шерабад, показали, что бетонная кладка и фундамент здания насосных станций подвергаются химически агрессивным воздействиям, угрожающим прочности и устойчивости сооружений, отмечено, что разработка тех или иных мероприятий может быть произведена лишь после детального изучения имевших место химических процессов в бетоне.
Тщательно проведенные исследования поврежденного бетона показали, что основная часть разрушенного бетона (78%) состоит из углекислого кальция и магния; незначительное содержание гипса показывает, что разрушение бетона не было вызвано серно-натриевой солью, образование гнезд и разъедание бетона нельзя объяснить выщелачиванием из него водой извести и магнезии. Это могло произойти только при агрессивном воздействии углекислоты на карбонаты и получении при этом углекислой извести, растворимой в воде. Анализы грунтовой воды на насосной станции Шерабад показали, что в ней содержится углекислоты в размере 8,14 мг/л.
Разрушение бетона не могло быть объяснено воздействием углекислоты, содержащейся в грунтовой воде, поиск его причины привел к сульфоалюминату кальция, так называемой «цементной бациллы», которая кристаллизуется в соединении с водой (3CaO •Al2 O3 •3CaSO4 +3OH2 O) и увеличивает свой объем в 32 раза. Это предположение подтвердилось химическими анализами, показавшими повышенное содержание в бетоне серного ангидрида в пределах от 1,9 до 5,9% к содержанию цемента, в то время как максимально допустимое содержание серного ангидрида для портландцемента не должно превышать 2,5%, содержание серного ангидрида было наибольшим у нижней части фундамента и уменьшалось к верху.
Анализ грунтовой воды показал значительное содержание, как поваренной соли, так и хлористого магния и гипса (таблица 2).
Таблица 2
Результаты анализа грунтовой воды
(Шерабадская насосная станция)
Наименование химических веществ, мг/л Грунтовая вода
Проба №1 Проба №2
Поваренная соль 317 227
Серный ангидрид 70 102
Известь 99 81
Магний 34 26
 
Выявление причин разрушения бетона, а также разработка мероприятий по борьбе с разрушающим действием на бетон углекислых и сернистых вод на насосной станции Шерабад показали, что наиболее надежным средством в этом случае является повышение водонепроницаемости и плотности бетона, что может быть достигнуто увеличением количества цемента и соответствующим подбором гранулометрического состава инертных материалов на стадии проектирования и строительства новых насосных станций.
Следует отметить, что кроме явления коррозии бетона на многих гидротехнических сооружениях отмечаются коррозия арматуры в составе железобетонных конструкций.
В соответствии с основными положениями механики разрушения проявляются в виде начальных дефектов, которые в процессе эксплуатации продолжают развиваться при воздействии на них различного рода нагрузок. Опыт эксплуатации крупных насосных станций показывает, что на железобетонные конструкции одновременно с силовыми нагрузками действуют различного рода коррозийные факторы. Коррозия арматуры в бетоне происходит за счет проникновения фильтрационных вод через поры и трещины, образованные в бетоне.
К числу коррозийных факторов следует отнести:
Агрессивное действие грунтовой и фильтрационной вод;
• Постоянное проявление электрохимических процессов.
Все эти факторы приводят к значительному снижению их прочностных качеств и к нарушению состояния элементов гидротехнических сооружений. На многих насосных станциях на тыльной стороне зданий у фундамента накапливается вода, которая поступает в результате протечек напорных трубопроводов. Так в результате проведенных исследований на насосных станциях Шерабад и Амузанг-2 вышеуказанные процессы проявляются в виде коррозии бетона и арматуры. При коррозии арматуры в бетоне, происходит постепенное уменьшение его рабочего сечения за счет перехода наружных слоев металла в продукты коррозии.
Различают следующие виды проявления коррозии металла:
• Равномерное по всей поверхности на протяжении определенной длины арматуры;
• Резко выраженной местный, в виде образования язвенных поражений.
Проведенные обследования гидротехнических сооружений, в частности, на насосных станциях Амузанг-2 и Шерабад показали, что наиболее распространенными дефектами являются разрушение защитного слоя с обнажением арматуры, коррозия арматуры и коррозия бетона главным образом в виде пятен и подтеков выщелачивания извести (рис.1).
Выводы и рекомендации.
Выявлено, что в грунтовых водах имеется повышенное содержание сернокислых солей и других химических элементов, которые способствуют образованию в структуре железобетонных конструкций сульфоалюмината кальция. Отмечено разрушение фундаментных частей массивных железобетонных конструкций зданий исследованных насосных станций. Анализ проведенных исследований показал, что основными факторами, влияющими и усиливающими данный процесс, являются агрессивное действие грунтовых и фильтрационных вод, также постоянное воздействие электрохимических процессов. Вышеуказанные факторы, развитие процессов коррозии железобетонных конструкций, приводят к значительному снижению прочностных качеств, а в некоторых случаях и их частичному разрушению элементы насосных станций Шерабад и Амузанг-2.
Рекомендуется повысить водонепроницаемость и плотность бетона при проектировании новых насосных станций:
• Производством гидроизоляции в по периметру фундаментов зданий насосных станций;
• Производством цементационных инъекций в местах обнаружения дефектов;
• Увеличением количества и качества цемента и соответствующим подбором гранулометрического состава инертных материалов.
 
Информационная служба
Ш.Шаазизов – к.т.н., с.н.с. Научно-исследовательский институт ирригации и водных проблем (НИИИВП),
А.С.Бадалов – ст. преподаватель, А.А.Эргашев – ассистент, Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства.
Журнал “IRRIGATSIYA va MELIORATSIYA”, 2018 г. №4.