Коррозия и защита железобетонных конструкций в системе водоснабжения и водоочистки

Широкое применение бетонных и железобе­тонных конструкций при строительстве зданий и сооружений водоснаб­жения, водоотведения и водоочистки выдвигает на первый план пробле­му обеспечения их долго­вечности.

Указанные конструк­ции относятся к долговре­менным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одно­му поколению людей. Поэтому к ним практиче­ски не применимо поня­тие морального износа. Рассмотрим некоторые сооружения систем водо­снабжения и водоочистки.

 

Водопроводные станции.

Железобе­тонные резервуары для очистки и хранения литьевой воды в составе водопроводных станций используются в нашей стране более 70 лет. Как правило, резервуары частично или полностью заглублены в землю. Сверху резервуары защищены от размораживания споем фунта толщиной около 1 м. Наиболее часто обследуемыми сооружениями водопро­водных станций являются отстойники и ре­зервуары для питьевой воды. По санитарным нормам, не допускается попадание в резер­вуары фунтовых вод. Утечка из резервуара воды в грунт способна повредить основание сооружения.

Отстойники представляют собой 3-секционные сборно-монолитные емкост­ные сооружения глубиной около 5 м и предна­значены для образования и хранения осадка, выделяющегося при введении в очищаемую воду специальных реагентов-коагулянтов: сульфата алюминия и/или оксихлорида алю­миния. Часовая подача воды по отстойнику составляет около 800 м³.

Резервуары для хранения питьевой воды представляют собой железобетонные сооружения из монолитного бетона глубиной около 5 м. Перекрытие плоское, безбалочное, опирается на сборные железобетонные колонны. Резервуары разделены на секции железобетонными перегородками.

Железобетонные конструкции резервуа­ров в основной период эксплуатации подвер­гаются воздействию чистой воды, а в периоды профилактической очистки действию хлора, гипохлорита натрия и других химических веществ. В зоне выше уровня воды конструкции постоянно подвергаются воздействию углекислого газа из воздуха.

По содержанию сульфатов, хлоридов и величине рН степень воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оценивается как неагрессивная.

Но при этом действие питьевой воды на железобетонные конструкции проявляется в виде следующих процессов:

- выщелачивание водой гидроксида кальция из состава цементного камня, вызывающее разуплотнение бетона в поверхностных слоях;

- взаимодействие растворенной в воде углекислоты с гидроксидом кальция из состава цементного камня с образованием растворимого бикарбоната кальция;

- взаимодействие хлора со щелочными компонентами цементного камня (гидроксидом, гидросиликатами и гидроалюминатами кальция) с образованием в качестве конечного продукта хлорида кальция, что приводит к растворению цементного камня в поверхностном слое бетона, а при содержании хлоридов более 0,5 % от массы цемента в бетоне вызывает коррозию стальной арматуры;

- карбонизация бетона углекислым газом воздуха  вызывает образование карбоната

кальция. В определенных условиях образующийся карбонат может заполнять трещины и поры бетона, разрывая их изнутри. Как было установлено обследованиями отстойников, глубина карбонизации бетона велика. За 20-30 лет эксплуатации она не только достигает поверхности арматуры, но и распространяет­ся на всю толщину бетона.

В большинстве случаев внутренние поверхности резервуаров, построенные более 20 лет назад, должны иметь защит­ный слой, выполненный из торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации торкретбетон разрушается основательно. За разрушенным споем тор­кретбетона находится размягченный слой бетона. При нормальной толщине защит­ного слоя (15-20 мм) стальная арматура не должна иметь следов коррозии и коррози­рует, если толщина защитного слоя умень­шена против проектной на 5 мм. В этом слу­чае требуется удаление оставшихся следов торкретбетона и выполнение гидроизоляции несущей части сооружения.

Наибольшее деструктивное действие на железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оказывает сквозная фильтрация воды в трещинах дни­ща, стен и покрытия. Причиной образования трещин являются как температурные дефор­мации отдельных железобетонных элемен­тов, так и деформации всего сооружения, вызванные неравномерной осадкой грунта. Подвод растворенного кислорода, нейтра­лизация стенок трещин в бетоне (снижение рН) создают условия для образования галь­ванической пары на поверхности арматуры с анодом в трещине. В этих условиях в трещине сталь растворяется, в то время как в прилежащем к трещине бетоне сталь остается пас­сивной. В результате интенсивной коррозии наблюдается обрыв арматуры а трещинах.

Ремонтно-восстановительные работы в отстойниках и резервуарах питьевой воды включают операции по восстановлению сечения стальной арматуры, заделке тре­щин с применением современных шовных гидроизоляционных материалов, восста­новлению защитного слоя бетона путем использования ремонтных составов и го защите железобетонных конструкций от вы­щелачивающего воздействия воды.

Станции аэрации представляют со­бой огромный комплекс зданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооружений применена технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружения механической очистки (решетки, песколов­ки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэростанки, вторичные отстойники). Из наиболее повреждаемых сооружений станций аэрации являются первичные и вторичные от­стойники, песколовки, каналы и аэротанки.

Отстойники первичные и вторичные представляют собой круглые железобетон­ные сооружения, заглубленные в грунте. Отстойники возвышаются над поверхностью грунта на 0,5-0,8 м. Обычно стены отстойни­ков выполняются из сборных железобетонных блоков, центральная часть — из монолитного железобетона. В первичных отстойниках про­исходит гравитационное осаждение основной части взвешенных загрязнений сточных вод и флотация плавающих веществ. Во вторичных отстойниках происходит отстаивание иловой смеси, поступающей из аэротанков, и отделе­ние активного ила от очищенной воды.

Аэротанки в плане представляют собой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частично заглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с поперечными деформационными швами. Процесс очистки в аэротанках основан на биологической деструкции (окислении) рас­творенных и нерастворенных органических соединении саморегулирующимся консорциу­мом различных микроорганизмов (активным илом). Для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и перемешивания образованной им с водой иловой смеси в аэротанки по аэрационной системе подается сжатый воздух.

Основное агрессивное воздействие на железобетонные конструкции сооружений станций аэрации оказывает очищаемая вода, содержащая аммонийные соли, сульфаты, хлориды, сероводород, сульфиды и нефте­продукты.

В условиях эксплуатации отстойников, песколовок, каналов и аэротанков бетон под­вергается повреждению за счет выщелачива­ния. Выщелачивание понижает содержание основных (щелочных) соединений в бетоне, приводит к снижению рН, что вызывает кор­розию стальной арматуры. Выщелачивание наиболее опасно в тонкостенных конструкци­ях (перегородки аэротанков), когда составля­ющие цементного камня могут растворяться и вымываться водой.

Существенное влияние на протекание процессов выщелачивания оказывает хими­ческий состав очищаемой воды. Присутствие в воде солей, повышающих ионную сипу рас­твора, увеличивает выщелачивание Са(ОН)2;.

Наличие в аэрируемых стоках пузырьков воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скорость омывания поверхности конструкций аэротанков водой потенциально создают условия для возникновения процес­сов разрушения бетона и арматуры в под­водной зоне аэротанков. Активная аэрация воды воздухом вызывает ускоренную карбо­низацию бетона, следствием чего является утрата бетоном защитного действия по отно­шению к стали и развитие коррозии стальной арматуры.

Кроме того, сточные воды на входе в очистные сооружения характеризуются высо­ким показателем биологического (БПК5) и хи­мического (ХПК) потребления кислорода, что может отрицательно сказаться на стойкости бетона при условии развития в нем процессов микробиологической коррозии.

Карбонизация бетона является одной из наиболее распространенных причин коррозии железобетона в конструкциях зданий и соору­жений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процесс взаимодействия бетона с углекислым газом, в результате которого гидроксид кальция цементного камня вступает в химическое взаимодействие с углекислым газом и образует карбонат кальция. Карбони­зация сопровождается снижением рН жидкой фазы, разложением силикатов и алюминатов кальция, потерей пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре, развитием коррозии последней, снижением несущей способности конструкции и иногда ее разрушением.

Климатические факторы активно влияют на скорость карбонизации бетона. К таким факторам относятся влажность и температу­ра воздуха, частота и интенсивность атмос­ферных осадков (дождь, роса), скорость и направление ветра, нагрев поверхности солн­цем. Определенное значение может иметь микроклимат сооружения.

Таким образом, в условиях эксплуатации конструкций зданий и сооружений станции аэ­рации основным агрессивным газом является углекислый газ, а основной вид повреждения железобетона в газовой среде станции аэра­ции — карбонизация защитного слоя бетона и вызванная этим процессом коррозия сталь­ной арматуры. В песколовках агрессивное воздействие водной среды дополняется ис­тирающим действием песка на поверхность железобетонных конструкций.

Основным способом защиты бетона от карбонизации является понижение его прони­цаемости до уровня, оцениваемого марками по водонепроницаемости W8 и более.

Надземная (надводная) часть соору­жений аэротанков, песколовок, каналов, отстойников подвергается воздействию тем­пературы и влаги окружающей среды, кон­денсата и атмосферных осадков. В летнее время надземная часть подвергается воз­действию солнечной радиации, увлажнению и высушиванию, в зимнее время — цикличе­скому замораживанию и оттаиванию. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и сточных вод из сооружений. Обширные исследования бетона в различных температурных условиях показывают, что периодическое замораживание и оттаивание негативно влияет на прочность бетона. В этих условиях наиболее быстрое повреждение наступает, если бетон находится в водонасыщенном состоянии. Образование в бетоне трещин под воздействием механических на­грузок, температурно-влажностных деформа­ций и других причин способствует быстрому насыщению бетона водой и ускоренному разрушению его в условиях знакопеременных температур.

Большие градиенты температуры и влаж­ности в надземной зоне стен аэротанков, кана­лов и отстойников по отношению к подводной зоне создают предпосылки к возникновению трещин в бетоне и разрушению швов между плитами стен вследствие температурных и усадочных деформаций. Для указанных соо­ружений характерно размораживание бетона в холодный период года.

Бетон в надземной и надводной части стен, перегородок, пешеходных мостиков конструкций аэротанков, песколовок, каналов и отстойников подвергается в водонасыщенном состоянии попеременному оттаиванию и замораживанию. В этом случае основной при­чиной повреждений является недостаточная морозостойкость бетона.

Несовершенство нормативной базы, недостатки проектирования, дефекты изго­товления конструкций способствуют раннему повреждению конструкций.

В условиях эксплуатации аэротанков, ка­налов и отстойников эффективным и сравни­тельно простым способом повышения моро­зостойкости и водонепроницаемости бетона является применение технологий с исполь­зованием систем материалов проникающего гидроизоляционного действия и ремонтных составов.