Page 1

2

бетонные изделия

бетон и железобетон ‘11

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Н. К. Розенталь,

д. т. н., заведующий сектором. Лаборатории коррозии и долговечности бетонных и железобетонных конструкций, НИИЖБ им. А. А. Гвоздева

В

одоочистные сооружения с канализационной сетью являются важным элементом системы жизнеобеспечения городов. Исследования и практика эксплуатации канализационных сетей показывают, что они подвержены быстрому и нередко непредсказуемому разрушению. В крупных городах ежегодно происходят аварии, вызванные обрушением железобетонных канализационных труб. При этом в грунте образуются воронки, иногда перекрывается канализационный сток, сточные воды разливаются по поверхности, загрязняют окружающую среду, затрудняется движение транспорта, создаётся угроза для безопасности населения. По мнению специалистов НИИКВОВ, отказы коллекторов приводят к техногенным авариям с элементами катастрофы и вызывают ущерб в десятки и сотни миллионов рублей. Проблема коррозии и защиты железобетонных конструкций коллекторов сточных вод является одной из наиболее сложных. Считается общепризнанным, что разрушение происходит от воздействия серной кислоты, продуцируемой тионовыми бактери-

ями, потребляющими сероводород (рис. 1). Исследования среды коллекторов показали наличие и других агрессивных газов — оксидов азота, серы, углерода, а на поверхности конструкций — различных грибов и бактерий. Это весьма затрудняет моделирование агрессивной среды коллекторов в лаборатории. Широкое применение бетонных и железобетонных конструкций при строительстве коллекторов выдвигает на первый план проблему обеспечения их долговечности. Условия эксплуатации Железобетонные конструкции коллекторов сточных вод подвергаются воздействию жидких и газообразных агрессивных сред. В лотковой части железобетонные конструкции коллекторов подвергаются воздействию сточных вод и  истирающему действию осадков, особенно, в ливневой и совмещённой — ливневой и хозяйственно-бытовой канализации. В подсводовом пространстве бетон конструкций самотёчных коллекторов подвергается воз-

Разрушение бетона Тионовые бактерии

Выделение сероводорода H2S H2S H2S H2S H2S

Максимальный уровень Средний уровень Неповрежденный бетон

действию агрессивной газовой среды. Кроме того, при обследовании коллекторов выявлены случаи механического повреждения железобетонных конструкций, связанные с нагрузками, возникающими при монтаже и засыпке трубопроводов, при деформации основания, связанной с  уплотнением или  размывом грунта, при изменении температуры. Механические повреждения возникают также от ударов попадающих в коллекторы тяжёлых предметов: брёвен, камней, различного мусора. Жидкие среды воздействуют на железобетонные конструкции коллекторов также с наружной стороны (подземные воды). Давление подземных вод на внешнюю поверхность трубопровода в отдельных случаях может быть достаточно большим. Например, в С.‑Петербурге коллекторы, возведенные с применением щитовой проходки, находятся на глубине до 60 м, что предопределяет наличие высокого гидростатического давления подземных вод. Степень агрессивного воздействия воды оценивается по СНиП 2.03.11 – 85 [1] в зависимости от рН и содержания растворённых в воде химических продуктов и соединений. Хозяйственно-бытовые жидкие стоки различаются содержанием растворённых веществ, из которых наиболее значимы: хлориды, сульфаты, растворённая углекислота, органические вещества. Жидкие стоки содержат в себе сложный комплекс микроорганизмов, в том числе бактерии, споры грибов, водоросли и другие. Результаты обследования многих общегородских коллекторов сточных вод, полученные НИИЖБ и рядом других организаций, показывают, что при нормальной эксплуатации коллекторов хозяйственно-бытовые стоки являются слабоагрессивными или неагрессивными по отношению к бетонам марок по водонепроницаемости W8 Рис. 1. Схематическое изображение процессов коррозии в коллекторе

7 8


бетон и железобетон ‘11

Станции аэрации. Станции аэрации представляют собой огромный комплекс зданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооружений применяется технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружения механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники). В наибольшей степени повреждениям подвергаются первичные и вторичные отстойники, песколовки, каналы и аэротенки. Отстойники первичные и вторичные (рис. 2) представляют собой круглые железобетонные сооружения, заглубленные в грунте, возвышающиеся над поверхностью грунта на 0,5 – 0,8 м. Обычно стены отстойников выполняются из  сборных железобетонных блоков, центральная часть — из монолитного железобетона. Наиболее повреждаемые элементы отстойников — стены выше уровня воды. В  этой зоне происходит карбонизация и морозная деструкция бетона, коррозия арматуры. Аэротенки в плане представляют собой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частично заглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с деформационными швами. Повреждению подвержены стены (нейтрализация бетона и коррозия арматуры), в надводной зоне происходит размораживание бетона и коррозия арматуры. Во многих случаях внутренние поверхности отстойников, каналов и аэротенков имеют защитный слой, выполненный из торкрет-бетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации до 30 лет торкрет-бетон разрушается на глубину около 10 – 15 мм. При нормальной толщине защитного слоя (15 – 20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии и коррозирует,

если толщина защитного слоя уменьшена против проектной. Наличие в аэрируемых стоках пузырьков воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скорость омывания поверхности конструкций аэротенков водой потенциально создают условия для возникновения процессов разрушения бетона и арматуры в подводной зоне аэротенков. 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 развитии в нем процессов микробиологической коррозии. В наибольшей степени коррозионному повреждению подвержены железобетонные коллекторы.

бетонные изделия

и выше. Существенного повреждения бетона хозяйственно-бытовыми стоками после различных сроков эксплуатации коллекторов в зоне ниже среднего уровня воды не наблюдается. В отдельных случаях на поверхности бетона в лотковой части образуется прочный (инкрустирующий) слой осадков сложного органо-минерального состава, защищающий бетон от повреждения. Очистные сооружения относятся к долговременным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одному поколению людей. Поэтому к ним практически не применимо понятие морального износа, что нельзя сказать об их физическом состоянии. Надземная (надводная) часть сооружений аэротенков, 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. 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. Несовершенство нормативной базы, недостатки проектирования, дефекты изготовления конструкций способствуют раннему повреждению конструкций.

Агрессивные воздействия на бетон Газовая среда коллектора формируется под воздействием сточных вод и микробиологических процессов, развивающихся в объёме осадка, слизистой биоплёнки и сточных вод. По данным химических анализов, газовая среда помимо сероводорода содержит оксиды углерода, азота, серы, меркаптаны и другие газы. Сероводород производят анаэробные бактерии в условиях ограниченного содержания кислорода. Многочисленные обследования коллекторов сточных вод показывают, что наибольшее выделение сероводорода наблюдается в местах, где сточные воды из напорных трубопроводов изливаются в самотёчные участки, а также в перепадных колодцах. Другими участками с интенсивным выделением сероводорода из сточных вод являются места подключения стоков, имеющих повышенную температуру и пониженное значение рН (повышенную кислотность), а также стоков, загрязненных органическими веществами — отходами кожевенного производства, предприятий по переработке мяса, рыбы, заводов безалкогольных напитков.

2

Биологические факторы

Рис. 2. Первичный отстойник станции аэрации

Исследованиями отечественных и зарубежных учёных установлено, что коррозия бетона в газовой среде коллекторов сточных вод развивается вследствие воздействия серной кислоты, продуцируемой аэробными тионовыми бактериями. Предполагается, что и другие кислые газы: оксиды углерода, серы, азота оказывают влияние на коррозионное состояние бе-

7 9


2

бетонные изделия

бетон и железобетон ‘11

тона, однако количественно доля их воздействия на бетон коллекторов к настоящему времени не выявлена. При химическом анализе продуктов коррозии бетона в газовой среде коллекторов определяют содержание сульфатов и сульфидов, которые имеют ограниченную растворимость (для сульфата кальция 2,1 г / л) и в значительной степени остаются в разрушенном бетоне. Нитраты и нитриты, образующиеся в бетоне при воздействии оксидов азота, являются хорошо растворимыми веществами и легко вымываются из бетона. Поэтому существенного количества нитратов и нитритов кальция в бетоне химическим анализом не обнаруживается. В Германии были выполнены в лабораторных условиях исследования влияния меркаптанов на коррозию бетона. Заметного влияния их на коррозионный процесс не обнаружено. Паркером [2, 3] предложена следующая схема коррозии бетона в сероводородной среде коллекторов сточных вод: •• анаэробные сульфатредуцирующие бактерии, находящиеся в сточной воде, биоплёнке и осадке, образуют сероводород; •• сероводород растворяется в сточной воде и затем выделяется в газовую среду коллектора; •• аэробные тионовые бактерии, имеющиеся в наружном слое бетона, окисляют сероводород и другие содержащие серу соединения до серной кислоты; •• серная кислота разрушает бетон. Согласно Паркеру, в коррозионном процессе принимают участие 3 вида тиобактерий. В начале процесса при рН=11 –  9 развиваются автотрофы, синтезирующие из неорганических веществ необходимые для жизни органические вещества. Далее при рН=9 – 5 развиваются Thiobacillus «X». Затем при рН менее 5 развиваются Thiobacillus concretivorus (Thiobacillus thiooxidans), образующие серную кислоту. Дальнейшие исследования показали, что в коррозионном процессе в бетонных коллекторах принимают участие и другие бактерии: аммонифицирующие, нитрифицирующие, а также грибы. При этом

грибы разрушают пористые материалы как давлением растущих гифов, так и химическим действием продуктов жизнедеятельности. В целом процесс коррозии бетона в коллекторах сточных вод достаточно сложен и обусловлен совместным воздействием воды, растворённых в ней химических соединений, действием бактерий и грибов. Наши наблюдения за состоянием бетона в  газовой среде коллекторов показывают, что процесс коррозии новых конструкций из бетона имеет, по крайней мере, две стадии. Сначала, примерно в течение года, на поверхности бетона отсутствуют следы повреждения. В этот период происходит нейтрализация щелочных (основных) соединений цементного камня углекислым газом и другими кислыми газами (первый период по Паркеру). Затем с нейтрализацией наружного слоя возникают условия для поселения и развития тионовых бактерий. Начинается разрушение бетона. Наружный нейтрализованный и разрушенный слой становится носителем бактерий. Исследования, выполненные Г. Я. Дроздом [4], показали, что в наружном слое содержится до 99 % всех проникших в бетон бактерий. Показано, что стойкость бетона повышается с уменьшением проницаемости (размера пор). В поры диаметром менее 30 мкм проникание бактерий, размеры которых в основном составляют 0,5 – 20 мкм, затруднено. Размер тионовых бактерий составляет около 1 мкм. По мере удаления от поверхности бетона количество аэробных бактерий уменьшается сильнее, чем количество анаэробных. Выполненные НИИЖБ испытания бетонов различной проницаемости — до W20 в газовой среде коллектора сточных вод — показали, что скорость коррозии с понижением проницаемости бетона замедляется, однако в сильноагрессивной среде остаётся достаточно большой. Согласно немецким данным [5], образование серной кислоты под действием сероводородных бактерий оптимально протекает при температуре от 30 до 37 °С, но уже при температуре 18 °С может

Таблица 1. Степень агрессивного воздействия биологически активных сред (грибы и тионовые бактерии) на бетонные и железобетонные конструкции Агрессивная среда

Тионовые бактерии при концентрация сероводорода, мг / м3

Грибы

сухой

Степень агрессивного воздействия в среде нормальной влажной

Неагрессивная

Слабоагрессивная

Слабоагрессивная

до 0,01

Неагрессивная

Неагрессивная

Слабоагрессивная

0,01 – 5

Неагрессивная

Слабоагрессивная

Среднеагрессивная

свыше 5

Неагрессивная

Среднеагрессивная

Сильноагрессивная

Примечание. Степень агрессивного воздействия среды указана для температуры от 15 до 25 °С. При температуре выше 25 °С степень агрессивного воздействия в нормальной и влажной среде повышается на одну ступень. При температуре ниже 15 °С степень агрессивного воздействия в нормальной и влажной среде понижается на одну ступень.

8 0

образоваться 6 % -ная серная кислота. Образование сероводорода и летучих органических соединений серы при микробиологическом разложении белка неустранимо. Однако подача кислорода в канализационные каналы сильно снижает концентрацию летучих соединений серы. По-видимому, происходит окисление; имеющееся количество летучих соединений серы становится недостаточным для тиобацилл, и популяция тиобацилл снижается. Слабое падение канала и малая скорость потока вызывает отложение шлама, в котором в условиях дефицита кислорода происходит образование сероводорода. Ввиду этого сульфиды могут образовываться даже в разбавленных стоках. С увеличением загрязнения стоков органическими веществами выделение сульфидов увеличивается. Химическое превращение соединений серы в сточных водах в больших количествах происходит в анаэробной среде напорных трубопроводов. Обнаружена прямая связь между содержанием сероводорода и степенью коррозии. Содержание сульфидов в воде менее связано со скоростью коррозии. Во всех случаях значение рН конденсата на поверхности конструкций является хорошим показателем коррозионной опасности. Во всех исследованных случаях с увеличением количества сульфатов значительно повышалось содержание сульфидов. В холодное время года при температуре воды 8 °С опасность коррозии в коллекторе сильно понижена. Кроме того, холодные сточные воды содержат больше кислорода. При движении воздуха над поверхностью сточной воды в самотёчном коллекторе происходит обмен газами вследствие турбулентности, поэтому в обычных условиях содержание кислорода в стоках составляет 2 – 3 мг / л, при этом говорят о «свежих» стоках. При малой скорости потока содержание кислорода в воде уменьшается. При поглощении кислорода осадками количество кислорода может быть меньше 1 мг / л, возможна восстановительная среда, которая благоприятствует образованию сульфидов. В напорных трубопроводах, где поступление кислорода в сточную воду естественным путём невозможно, создаются анаэробные условия, которые зависят от потребления стоками кислорода и длительности пребывания воды в трубопроводе. Эти условия способствуют образованию повышенного количества сульфидов. С выходом из напорных участков вода отдаёт в газовую среду коллектора сероводород. Лабораторными исследованиями, выполненными в Гамбурге, установлено малое влияние на скорость коррозии бетона в серной кислоте вида цемента и большое — заполнителей. Потеря массы образцов, изготовленных на карбонатном заполнителе, была в 4 раза меньше, чем об-


бетон и железобетон ‘11

Выщелачивание бетона По данным лабораторных исследований НИИЖБ, в условиях коррозии I вида при свободном омывании поверхности водой глубина коррозии бетона за 50 лет составляет несколько миллиметров. Это подтверждено также данными натурных исследований резервуаров чистой воды на станциях водоподготовки, опор автомобильных мостов в пресных водах, гидротехнических сооружений со сроком эксплуатации 20 –  6 0  лет. В  грунте скорость коррозии бетона при  том  же составе воды уменьшается в 3 – 5 раз в зависимости от фильтрационных характеристик грунта. В агрессивных подземных водах скорость коррозии увеличивается. Оценку агрессивного действия таких вод можно сделать на основе указаний СНиП 2.03.11 – 85. При сквозной фильтрации воды (главным образом через трещины) растворение

цементного камня резко ускоряется. Количество выносимого из массивных сооружений гидроксида кальция измеряется сотнями и тысячами килограммов с отложениями карбонизированной извести на стенах. Снижение щёлочности бетона в зоне трещин вызывает образование на поверхности арматуры гальванических пар, что  сопровождается быстрым разрушением стальной арматуры в фильтрующих трещинах вплоть до обрыва стержней. Сквозная фильтрация воды через стенки коллектора должна быть безусловно исключена применением плотного, не имеющего трещин бетона и надёжной гидроизоляции.

Рис. 3. Коррозия арматуры в ригеле первичного отстойника вследствие нейтрацизации бетона (карбонизация + выщелачивание)

бетонные изделия

разцов на кварцитовом заполнителе. Потеря массы при рН, равном 3 и 5, была сравнительно мала, тогда как при рН=1 она была значительной. Преимущество известняка как заполнителя было показано испытаниями в Южной Африке. Срок жизни труб из бетона с заполнителем из известняка был в 3 – 5 раз больше, чем из бетона на кварцитовом заполнителе. Подобное наблюдалось и в наших обследованиях коллекторов. В разрушенном слое бетона зёрна крупного заполнителя из карбонатных пород разрушались значительно медленнее, чем цементный камень бетона, выступая над  поверхностью разрушенного бетона. Замедленное разрушение бетона на карбонатном заполнителе в растворах серной кислоты было показано и в лабораторных испытаниях, выполненных в НИИЖБ. Важным условием для развития биогенной сернокислотной коррозии в канализационных системах является наличие влаги на поверхности строительной конструкции, подвергающейся действию сероводорода. Строительные конструкции, находящиеся постоянно в сухом состоянии, не подвергаются биогенной сернокислотной коррозии, даже если постоянно имеется сероводород. Снижение влажности газовой среды коллектора путём подачи в подсводовое пространство свежего воздуха существенно замедляет скорость коррозии бетона. Степень агрессивного воздействия биологически активных сред на бетонные и железобетонные конструкции из бетона марки по водонепроницаемости W4 приведена в таблице 1. Для коллекторов сточных вод концентрацию сероводорода принимают по опыту эксплуатации сооружений или рассчитывают при проектировании в зависимости от состава сточных вод и конструктивных характеристик коллектора.

Действие углекислого газа Углекислый газ по‑разному воздействует на бетон в атмосфере и  в  воде. При  действии углекислого газа в атмосфере кальцийсодержащие соединения цементного камня разрушаются, при этом продукты разложения остаются на месте (процесс карбонизации бетона). Рас творённый в воде углекислый газ действует как кислота. При  этом кальцийсодержащие соединения разрушаются, образуя хорошо растворимый бикарбонат кальция, который выносится из бетона. К ар б ониз аци я б е тона является одной из  наиболее распрос т р а н ё н н ы х п р ич и н коррозии железобетона в конструкциях зданий и сооружений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процесс взаимодей ствия бетона с углекислым газом, в результате которого гидроксид кальция цементного

2

Рис. 4. Коррозия стальной арматуры в железобетонном перекрытии при недостаточной толщине защитного слоя

Рис. 5. Стенка отстойника. Предварительно напряжённая арматура коррозировала до обрыва после карбонизации защитного слоя бетона

8 1


2

бетонные изделия

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 стальной арматуры, снижением несущей способности конструкций и иногда её разрушением (рис. 3 – 5). В работах НИИЖБ экспериментально показано, что максимальная скорость карбонизации наблюдается при влажности среды 50 – 60 %. В сухой среде процесс карбонизации прекращается из‑за недостатка воды, при насыщении водой бетон становится непроницаемым для углекислого газа. В присутствии капельно-жидкой воды процесс карбонизации бетона замещается углекислотной коррозией на поверхности бетона (см. СНиП 2.03.1-85). Основным способом защиты бетона от карбонизации является понижение его проницаемости до уровня, оцениваемого марками по водонепроницаемости W6‑W8. Действие биогенной серной кислоты В работе [5] приведены данные обследования коллекторов в Германии. Глубина разрушения изменялась в пределах от 3 до 40 мм. Г. Я. Дрозд приводит сведения о скорости коррозии бетона коллекторов от 4 до 24 мм / год. По данным Мосинжпроекта, средняя скорость коррозии бетона в сводах коллекторов, транспортирующих хозяйственно-бытовые стоки, составляет 6,3 мм / год и в ряде случаев достигает 10 – 20  мм / год. По нашим данным, один из каналов в Москве после 27 лет

бетон и железобетон ‘11

эксплуатации имел повреждение бетона в сводовой части на глубину до 5 – 7 см. Концентрация сероводорода превышала ПДК в 1,5 – 4 раза (15 – 4 0  мг / м 3). Высокая скорость коррозии — до 1 см в год — наблюдалась нами в коллекторах Москвы, Зеленограда, Набережных Челнов, Рязани (рис. 6). При воздействии на бетон биогенной серной кислоты протекает химическая реакция с образованием гипса в наружном слое бетона: H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 • 2H2O (гипс) С понижение концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе бетона нарушается химическое равновесие и происходит разложение силикатов, алюминатов и других компонентов цементного камня. Некоторая часть гипса проникает вглубь ещё не повреждённого бетона. Вступая в реакцию с алюминатами кальция, он образует гидросульфоалюминаты, в частности эттрингит, кристаллизующийся с большим увеличением объёма твёрдых фаз, что, в конечном счёте, вызывает растрескивание бетона и ускоряет проникание серной кислоты: 3CaSO4• 2H2O + 3CaO • Al2O3 + 32H2O = 3CaO • Al2O3• 3CaSO4 • 32H2O (эттрингит). Предпринимались попытки рассчитать глубину разрушения бетона в  газовой среде коллектора. Однако предложенные разными авторами эмпирические формулы для расчёта скорости коррозии бетона в коллекторах сточных вод можно применять лишь для ориентировочных расчётов. По поводу критической концентрации сероводорода в газовой среде коллекторов имеются противоречивые сведения. В работе [5] предлагают при содержании H2S в атмосфере канала менее 0,5×10–4 % (0,6 мг / м3)

Рис. 6. Повреждение железобетонного коллектора сточных вод биогенной серной кислотой

8 2

не учитывать биогенную сернокислотную коррозию бетона. В то же время сообщается, что и при этой концентрации сероводорода возможно сильное повреждение бетона. Большинство исследователей считает, что скорость коррозии бетона зависит, главным образом, от интенсивности развития тиобактерий и продуцирования ими серной кислоты, чему благоприятствует повышенная температура, высокая влажность, наличие питательной среды. Обобщая результаты обследования коллекторов сточных вод, можно отметить следующее: •• коллекторы сточных вод, выполненные из железобетонных труб, разрушаются со скоростью, достигающей в отдельных случаях 1 см в год; •• скорость разрушения бетона по длине коллекторов не одинакова. С наибольшей скоростью разрушаются участки самотёчных коллекторов, к которым подключены трубопроводы, работающие в напорном режиме, а также участки с турбулентным движением воды — перепадные колодцы, камеры смешения и другие; •• сильная коррозия бетона наблюдается в местах подключения трубопроводов, несущих воды с повышенной температурой, а также стоки различных производств, содержащие повышенное количество органических веществ, особенно веществ белкового происхождения. Методы защиты Перспективным экологически оправданным методом защиты коллекторов сточных вод является облагораживание среды коллектора аэрацией сточных вод, понижающей или исключающей образование сероводорода, и вентиляцией коллекторов. Такие методы разрабатываются в С.‑Петербурге проф. В. М. Васильевым. По его данным, естественная вентиляция коллекторов может обеспечить лишь двукратное разбавление воздуха в подсводовом пространстве. Принудительный воздухообмен может увеличить кратность разбавления до 10 раз, что снижает концентрацию сероводорода до уровня ПДК и ниже и резко снижает агрессивность среды. При вентиляции сложной проблемой для коллекторов, находящихся в пределах городов и населённых пунктов, является очистка выходящего из коллектора воздуха, загрязнённого сероводородом и другими газами. Такая очистка требует применения специальных устройств. В. М. Васильевым разработаны эффективно действующие системы аэрации стоков и вентиляции коллекторов. Защита железобетонных канализационных труб от коррозии решается комплексом мер, которые включают в себя: •• проектирование коллекторов без напорных участков с минимальной турбулентностью потока, что резко сокращает


бетон и железобетон ‘11

выделение сероводорода; проблема решается устройством трубопроводов глубокого заложения; •• превращение самотёчных участков в напорные, в которых исключается образование биогенной серной кислоты. Такие участки должны быть герметичными, в противном случае увеличатся утечки, загрязнение подземных вод, повышение их уровня в грунте. В то же время следует учитывать, что в самотёчных участках, следующих за напорными, происходит усиленное выделение сероводорода и быстрая коррозия бетона; •• создание в коллекторе окислительной среды (аэрация, озонирование воды, введение других окислителей), что подавляет жизнедеятельность анаэробных тионовых бактерий и предотвращает образование сероводорода; •• вентиляцию подсводового пространства коллекторов; этот способ требует создания установок для очистки воздуха, поскольку выбросы сероводорода отравляют атмосферу городов; •• использование при строительстве коллекторов защитных материалов повышенной коррозионной стойкости.

Таблица 2. Меры защиты железобетонных конструкций коллекторов сточных вод

Схематически комплекс мер по защите железобетонных конструкций коллекторов сточных вод можно представить следующим образом (табл. 2).

чительные повреждения — от глубокого разрушения (бетона с В / Ц=0,5) до разрушения на глубину до 0,5 – 1 см (бетон с С-3 + МК) (рис. 8). Сделан вывод, что хотя с понижением проницаемости бетона коррозия бетонов в кислых средах замедляется, тем не менее, в сильноагрессивных средах требуется дополнительная (вторичная) защита. Повышение водонепроницаемости бетона может быть полезным при слабой и средней степени агрессивного воздействия среды.

Цементные бетоны Применение современных комплексных добавок на основе дисперсного кремнезёма и эффективных водоредуцирующих добавок позволяет понизить диффузионную проницаемость бетона на 1 – 2 порядка величин. Понижая проницаемость и используя активные минеральные добавки, можно существенно увеличить коррозионную стойкость бетона. Результаты соответствующих исследований отражены в ГОСТ 31384 [7]. Однако эти меры недостаточны при воздействии кислот. НИИЖБ на протяжении ряда лет изучал стойкость различных материалов в условиях газовой среды коллектора сточных вод. Натурные исследования проводились в газовой среде действующего коллектора. Техническую помощь в постановке испытаний оказывал Мосводоканал. Газовая среда отличалась высокой степенью агрессивности к бетону и железобетону. Концентрация сероводорода достигала 200  мг / м3, а величина рН конденсата и продуктов коррозии на поверхности конструкций — 1. Испытаны бетоны нормальной (В / Ц=0,50) и особо низкой проницаемости (В / Ц=0,33 – 0,45, в том числе с добавкой С-3 и микрокремнезема), расход цемента составлял 350 – 450 кг / м3. Марки бетона по водонепроницаемости были W6 и W12. За 9 месяцев испытаний в сильноагрессивной газовой среде коллектора сточных вод все образцы претерпели зна-

Стадия работ

Меры защиты

Биоцидные бетоны Поскольк у основной агрессивный агент — серная кислота — продуцируется бактериями, предпринимались попытки подавить жизнедеятельность тионовых бактерий путём использования добавок биоцидов. Испытан ряд биоцидов, предоставленных НИИЖБ, в основном, Институтом химии Нижегородского университета (органо-минеральные биоциды, содержащие цинк и медь), кроме того, проверяли биоциды на основе оловоорганических соединений, эмульсии нафталина, сульфонафталиновой кислоты, фенолов, биоцидный препарат ИНКОР-3, содержащий хлорметилированные фенолы с пиридиновыми основаниями. Испытания показали, что отдельные добавки-биоциды несколько замедляют процесс разрушения бетона. К 6 месяцам испытаний контрольные образцы без добавок разрушились полностью, тогда как глубина повреждения образцов с добавками составила 2 – 6 мм, рёбра образцов округлились. К 9 месяцам испытаний образцы

бетонные изделия

Проектирование коллектора с трубопроводом-дублёром, облегчающим организацию диагностики и ремонта коллектора. Проектирование коллектора с минимальным количеством перепадных колодцев, обеспечение ламинарного течения стоков при обеспечении скорости потока, предупреждающей 1. Проектирование образование осадка. Включение в проект систем для аэрации стоков, подавляющих образование сульфидов, и устройств для вентиляции подсводового пространства и колодцев, систем очистки воздуха. Включение в проект мер вторичной защиты коллектора (устройство защитных покрытий) 2.1. Применение бетонов с повышенной коррозионной стойкостью с использованием: низкоалюминатных и сульфатостойких цементов; карбонатных заполнителей; 2. Изготовление (возвепластифицирующих (водоредуцирующих) добавок; модификаторов бетона, повышающих дение) железобетонных водонепроницаемость бетона и стойкость в сульфатных средах. конструкций 2.2. Изготовление бетонов особо низкой проницаемости (более W8). 2.3. Обеспечение проектной толщины защитного слоя бетона. 2.4. Применение защитных материалов с повышенной коррозионной стойкостью. 3.1. Устройство недеформируемого грунтового основания. 3.2. Исключение повреждения железобетонных труб при транспортировании, складировании, 3. Строительство монтаже трубопровода и засыпке грунтом. 3.3. Тщательная изоляция стыков. 4.1. Систематическая диагностика и анализ состояния коллектора. Выявление зон с высокой степенью агрессивности среды. 4. Эксплуатация 4.2. Своевременный (при малой степени повреждения) ремонт и устройство дополнительной защиты коллектора.

из бетона с биоцидами имели глубокое разрушение, не повреждённой осталась лишь центральная часть образцов. Сделан вывод, что испытанные биоцидные бетоны являются недостаточно стойкими в сильноагрессивной газовой среде коллектора. Причиной этого может быть более сложный, чем это принято, механизм воздействия на бетон среды коллекторов, постоянное вымывание конденсатом из бетона растворимых веществ. Попытки получить биоцидные цементные бетоны, стойкие в  газовой среде коллекторов сточных вод, пока не имели успеха.

2

Устройство жертвенного слоя Бетоны на портландцементе принципиально не стойки в сильноагрессивных кислых средах, в  частности в  растворах серной кислоты. Интенсивное разрушение обычных бетонов начинается при снижении уровня рН ниже 4. Бетоны особо низкой проницаемости начинают разрушаться при рН=3,5. Такие бетоны могут применяться при малой степени агрессивного воздействия среды, в том числе в виде периодически восстанавливаемого жертвенного слоя. Такой слой может быть нанесен методом торкретирования. По зарубежным данным, для ремонта очистных соору­жений в Австралии, штат Виктория, ремонта канализационного коллектора в Хорватии и Испании, г. Мадейра, станции перекачки канализационных стоков в США, г. Хьюстон применяли материал Ксайпекс. Материал представляет собой сухую растворную смесь, содержа-

8 3


2

бетонные изделия

щую сложный комплекс химических добавок. Сухую смесь затворяют водой и в виде подвижных растворов кистью наносят на поверхность бетона. Компоненты Ксайпекса проникают в бетон и вызывают в порах и капиллярах рост кристаллов, создающих так называемый «кристаллизационный барьер», снижающий проницаемость бетона. Выполненные в НИИЖБ лабораторные испытания показали, что бетон, обработанный Ксайпексом, Пенетроном и Кальматроном, в начальный период имел повышенную стойкость в  растворах серной кислоты. После 6 месяцев испытаний в коллекторе бетонные образцы, обработанные Ксайпексом, Пенетроном и Кальматроном, имели небольшие повреждения. Полностью сохранилась форма образцов, поверхность образцов была твердая и не имела рыхлого слоя продуктов коррозии. На отдельных участках отмечено отслоение защитного слоя. После 12 месяцев испытаний началось активное разрушение защитных слоёв. Оголившийся бетон интенсивно разрушался. Сделан вывод, что покрытия из Ксайпекса, Пенетрона и Кальматрона, нанесенные на поверхность бетона, лишь временно замедляют процесс разрушения бетона в сильноагрессивной газовой среде канализационного коллектора. Можно полагать, что в коллекторах со слабо- и среднеагрессивными газовыми средами названные материалы могут оказаться полезными, что требует дополнительной экспериментальной проверки. Методы защиты поверхности железобетонных конструкций коллекторов В  зарубежной литературе упоминаютс я с лучаи применения защитных, в первую очередь эпоксидных, покрытий для  канализационных труб. Однако известные нам многочисленные попытки отечественных исследователей защитить конструкции коллекторов такими покрытиями не дали положительных результатов. Исследования химически стойких защитных покрытий продолжаются. НИИЖБом исследовались кислотостойкие материалы: •• полимербетон на основе мономера ФАМ и бензолсульфокислоты; •• кислотостойкий бетон на основе перлита и жидкого стекла; •• серный бетон. Через 3  года испытаний в  сильноагрессивной газовой среде канализационного коллектора, на  образцах, изготовленных из полимербетона на основе смолы ЭД-16, появились трещины шириной раскрытия до  2 мм, при  этом прирост массы составил 5,6 % , а прочность

8 4

бетон и железобетон ‘11

на сжатие снизилась до 39 % по сравнению с исходной. Образцы, изготовленные на основе мономера ФАМ и бензолсульфокислоты, а также на основе перлита и жидкого стекла, к этому времени не имели видимых повреждений и снижения прочности. За  3 месяца испытаний образцы серного бетона не имели повреждений. К сожалению, испытания серного бетона были прерваны в связи с аварией в коллекторе. Положительный практический опыт применения указанных материалов в агрессивной среде коллекторов в настоящее время отсутствует. К защитным покрытиям для коллекторов предъявляются достаточно сложные требовании: •• покрытие должно иметь высокую адгезию к бетону, в том числе к влажному бетону; •• покрытие должно быть достаточно эластичным, сохраняющим сплошность при деформациях трубопровода; •• покрытие должно быть стойким в химически и биологически активной среде; •• покрытие должно быть непроницаемым для кислоты; •• покрытие не должно создавать условий для возникновения осмотического давления в бетоне.

В работе [5] сообщается о повреждении 4‑километрового участка канализационного коллектора в Гамбурге через 2 года после сдачи в эксплуатацию. Коллектор имеет внутренний диаметр 1500 – 1800 мм. Повреждения произошли на внутренней изолированной эпоксидной смолой поверхности. Бетон здесь был классов В30 и В40. Разрушились покрытие и находящийся под ним бетон. Нами неоднократно наблюдались аналогичные повреждения лакокрасочных покрытий на бетонных образцах, испытанных в сероводородной среде коллекторов. На строительном рынке появляются новые материалы: эпоксидные смолы без растворителей, полиуретановые и эпоксиуретановые композиции. Испытания материалов выполняются. Необходимо опытным путём установить длительность их защитного действия. В ряде стран Европы и США применяют трубы и колодцы из стеклопластика на основе полиэфирных смол. В нашей стране применение таких материалов ограничивается высокой стоимостью. Однако развивается использование толстостенных жёстких труб из полиэтилена.

Требования к проницаемости покрытий могут быть определены путём расчёта диффузии серной кислоты в покрытиях. Рассмотрим три случая: обычное тонкослойное (0,2 мм) лакокрасочное покрытие, мастичное покрытие толщиной 2 – 3 мм с пропиткой бетона на глубину 2 – 3 мм, покрытие из листового полимерного материала толщиной 5 мм, закрепляемое на поверхности бетона анкерами. В расчёте принято — разрушение защитного покрытия произойдёт, если бетон под покрытием разрушится: •• на 0,1 мм под лакокрасочным покрытием, •• на 2 мм под мастичным покрытием, •• на 5 мм под листовым покрытием.

В зарубежной практике защиты коллекторов сточных вод широкое применение получил полиэтилен. Известен метод Шомбурга, в котором используется лист из полиэтилена, имеющий на стороне, обращённой к бетону, выступы-анкеры в виде усечённого конуса, обращённого большим основанием вглубь бетона. Полиэтиленовые листы герметично свариваются. Герметичность проверяется электроискровым прибором. Зазор между полиэтиленовым листом и стенкой коллектора заполняется высокоподвижной бетонной смесью. Полиэтилен высокой плотности практически непроницаем для воды и агрессивных веществ, обладает высокой длительной стойкостью к серной кислоте и биостойкостью, является прочным и эластичным материалом, поверхность материала гладкая и стойкая к истиранию, это должно уменьшить отложение осадка и повысить стойкость лотка к  истиранию песком. Для  устранения высокого давления от напорных грунтовых вод и осмотического давления за полиэтиленовым листом в защитном покрытии устанавливаются специальные клапаны. Исследователями из теоретических предпосылок сделан прогноз о том, что полиэтилен в отсутствие воздействия ультрафиолетового облучения может служить до 1000 лет. Можно полагать, что защитные покрытия из полиэтилена могут быть экономически приемлемыми для защиты бетона в сильноагрессивной газовой среде коллекторов сточных вод.

Поскольку восстановление покрытий в коллекторе всегда связано с большими трудностями, срок защитного действия покрытий принимаем равным 30 годам. Выполненные для этих условий расчёты показывают, что  указанные виды покрытий должны иметь коэффициенты диффузии соответственно не более 1,7×10 -12 , (3,5  –   5 ,3)×10 -10 , 2,2×10 -9 см 2 /  с . Проницаемость тонкослойных лакокрасочных покрытий, характеризуемая коэффициентом диффузии 1,7×10 -12 см 2 /  с , по‑видимому, недостижима. Для получения мастичных покрытий с коэффициентом диффузии (3,5 – 5,3)×10 -10 см2 / с требуются специальные исследования. Покрытия из полимерных листов с коэффициентом диффузии 2,2×10 -9 см 2 / с являются практически возможными защитными покрытиями.

Плёночные и листовые покрытия


бетон и железобетон ‘11

Практика ремонта повреждённых коррозией железобетонных конструкций коллекторов Аварийное состояние железобетонных конструкций на участках коллекторов сточных вод наблюдается достаточно часто. Как правило, оно приурочено к зонам перехода напорных участков трубопроводов в самотёчные, к перепадным колодцам, местам врезки в  коллектор других трубопроводов, т. е. во всех случаях, когда происходит интенсивное выделение в газовую среду сероводорода. Необходима своевременная диагностика состояния железобетонных конструкций. Наиболее надёжно обследование коллекторов при их остановке и осушении непосредственным осмотром. К  сожалению, это возможно в редких случаях. Однако существуют методы визуального контроля с использованием телевизионной техники. Такие методы активно используются в Мосводоканале. Гидроспецпроектом разработана и испытана в НИИЖБ конструкция датчика для дистанционного контроля глубины разрушения бетона. При своевременном обнаружении повреждений бетона применяют методы ремонта с  использованием вторичной

защиты. В первую очередь применяют листовые полимерные покрытия в  виде рукавов раз личной конс трукции, протаскиваемых в  трубопровод и  после придания им цилиндрической формы закрепляющихся в таком положении за счёт полимеризации имеющихся в рукаве пропитанных мономерами слоёв, закачкой цементных или  полимерных растворов. Представляет интерес предложение, изложенное в патенте России 2275543 С1 [8]. Согласно патенту, в  ремонтируемый коллектор вводят полимерную трубу (стеклопластиковую, полиэтиленовую, поливинилх лоридную или  из  другого коррозионностойкого полимерного материала), из  которой в нижней части по всей длине предварительно вырезают полосу. Трубу центрируют полимерными сухарями и специальными приспособлениями прижимают к ремонтируемой поверхности. В нижней части в зоне разреза устанавливают армокаркас и бетонируют. После затвердевания бетона убирают распорки и межтрубное пространство заполняют полимером с отвердителем. Пазы между отдельными трубами заполняют полиуретановым герметиком. К сожалению, диагностика железобетонных коллекторов выполняется не всегда. В результате часто о повреждении труб узнают при их обрушении. Нередко восстановление повреждённого участка выполняют не самым лучшим образом — устанавливают стальную трубу, чаще всего разрезанную по продольной оси, и обетонируют. При таком ремонте поглощение сероводорода стенкой трубы резко снижается и зона интенсивной коррозии бетона перемещается на ещё не отремонтированный участок, где со временем вновь происходит обрушение. Примеров такого рода ремонта немало. При таком методе ремонта не устраняется сама причина разрушения — высокая агрессивность среды. Заключение В заключение следует отметить, что катастрофические последствия коррозионного разрушения сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки требуют масштабных решений проблемы обеспечения их долговечности на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Безопасная эксплуатация указанных сооружений требует учета мирового опыта и постановки собственных исследований с привлечением специалистов различных областей: химиков, технологов, микробиологов, конструкторов. Стоимость защитных работ составляет 1 – 3 % от стоимости сооружения, тогда как расходы на ремонтно-восстановительные работы превышают стоимость профилактических мероприятий в 4  –   5 раз. С целью увеличения сроков службы

сооружений, кроме традиционных мероприятий по повышению коррозионной стойкости бетона и железобетона, следует считать целесообразной организацию постоянного мониторинга за состоянием сооружений. Целесообразно шире использовать экологически оправданные варианты защиты конструкций коллекторов изменением состава газовой среды коллекторов, что достигается аэрацией стоков и вентиляцией подсводового пространства. Важно, чтобы конструкция коллектора и режим его эксплуатации исключал сочетание напорных и безнапорных участков, накопление осадка, способствующего выделению сероводорода. Перспективным представляется применение в качестве защиты листовых полимерных материалов с соответствующими мерами по предупреждению возникновения гидравлического и осмотического давления за покрытием. При реализации такого варианта защиты должна быть тщательно отработана технология сварки полиэтилена и крепления его к основным несущим конструкциям трубопровода. Необходимы дальнейшие исследования коррозионностойких толстослойных покрытий из современных химически стойких композиций. Следует продолжить поиск средств, в том числе биоцидных материалов, подавляющих жизнедеятельность грибов и бактерий, разрушающих бетон и железобетон.

бетонные изделия

Отечественный опыт применения полиэтилена для защиты бетона от воздействия сероводорода пока не велик. Мосинжпроектом совместно с НИИЖБ разработана конструкция трубы с защитой внутренней поверхности листовым полиэтиленом. Железобетонные трубы с указанной защитой выпускает по ТУ 5862 – 140 – 46854090 – 02 «Трубы железобетонные безнапорные раструбные диаметром 1200 и 1500 мм с полиэтиленовым чехлом» ОАО «Комбинат «Мосинжбетон». Трубы предназначены для укладки методом микротоннелирования для самотёчных канализационных коллекторов хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод. Результаты производственного применения труб нам пока не известны. В Германии для изготовления канализационных труб разработан бетон Polykrete, состоящий из полимерного связующего и  заполнителя. В  качестве связующего предложены термореактивные смолы: полиэфирные, эпоксидные, метакрилатные, фенольные, фурановые, винилэфирные. Аналогичные бетоны разработаны и в РФ, однако для  изготовления канализационных труб они не применяются в связи с высокой стоимостью. Там  же, в Германии, на основе нецементных силикатных продуктов разработан материал Конусит. Материал кислотостоек, имея микропористую структуру, предотвращает возникновение за  покрытием осмотического давления. Проницаемость его для серной кислоты проверяется в НИИЖБ.

2

Литература 1. СНиП 2.03.11 – 85. Защита строительных конструкций от коррозии 2. Parker C. D. Species of sulfur bacteria associated with the corrosion of concrete. — Naturu, 1947, 159, n. 4039, pp. 439 – 440. 3. Parker C. D. The corrosion of concrete. — Austral. J. Exp. Biol. Med. Sci., 1947, 23, pp. 81 – 98. 4. Дрозд Г. Я. Повышение эксплуатационной долговечности и экологической безопасности канализационных сетей. — Автореферат дисс. … докт. техн. наук. — Макеевка, 1998. 5. Bielecki R., Schremmer H. Biogene Schwefelsäure-Korrosion in teilgefüllten Abwasserkanälen. Sonderdruck aus Heft 94 / 1987 der Mitteilungen des Leichtweiß-Instituts für Wasserbau der Technischen Universität Braunschweig. 6. Шилин А. А. Проблемы создания и эксплуатации гидроизоляционной системы подземных и заглублённых сооружений. Тоннельная ассоциация. Семинар «Гидроизоляция подземных сооружений. Москва, 25 – 26 января 2005 г. Тезисы докладов и сообщений. М., 2005 г. 7. ГОСТ 31384. Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования. 8. Патент RU 2275543 С1. Способ ремонта трубопровода большого диаметра.

8 5

Profile for Slavutich

Каталог-справочник Бетон и Железобетон  

Н. К. Розенталь КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Каталог-справочник Бетон и Железобетон  

Н. К. Розенталь КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Profile for slavutich
Advertisement