Введение к работе
Актуальность. В связи с длительной эксплуатацией существующих систем водоснабжения, в настоящее время актуальны исследования по оценке технического состояния железобетонных конструкций сооружений этих систем, поскольку аварии на них приводят к нарушению бесперебойного снабжения селитебных территорий питьевой водой. Опыт эксплуатации систем водоснабжения свидетельствует о том, что наибольшее число отказов из-за снижения долговечности конструкций характерно для емкостных сооружений хранения и подачи воды потребителям – резервуаров чистой воды.
Для большей части существующих резервуаров в России в настоящее время фактические сроки эксплуатации превышают нормативные сроки службы, и, как следствие, возникают проблемы с эксплуатацией резервуаров, связанные с коррозионным износом железобетонных конструкций и нарушением герметичности резервуаров. В связи с этим, правомерна постановка вопроса о прекращении эксплуатации таких резервуаров, однако с точки зрения больших затрат на строительство новых сооружений целесообразно продление эксплуатации существующих резервуаров при условии их ремонта и последующего регулярного освидетельствования технического состояния с соблюдением рекомендаций по дальнейшей эксплуатации. Ввиду большого срока службы существующего резервуарного парка важно оценить фактическое состояние железобетонных конструкций по критерию долговечности: степень коррозионного износа железобетонных конструкций, расположенных как выше уровня налива воды (из-за карбонизации бетона и последующей коррозии арматуры), так и в подводных конструкциях (из-за вымывания цементного камня и последующей коррозии арматуры).
Исследования проведены в рамках выполнения гранта РААСН «Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов» (гос. контракт № РА-01-10), а также базовой части государственного задания № 2014/241, № НИР 2093 «Обеспечение эксплуатационной надежности и проектной долговечности железобетона в естественных условиях эксплуатации».
Степень разработанности. Теоретическими основами работы стали труды отечественных и зарубежных ученых в области коррозии железобетона. Еще в начале 20 века было доказано, что главные компоненты цементного камня в бетоне, такие как гидросиликаты, гидроалюминаты, гид-роалюмоферриты и гидроксид кальция, могут существовать в твердой фазе в равновесии с жидкой только при условии ее насыщения или пересыщения относительно ионов Са2+. Следовательно, длительное хранение пресной воды в железобетонных резервуарах обязательно приведет к выщелачиванию ионов кальция и последующему разложению кристаллогидратов цементного камня, то есть к коррозии бетона первого вида. Однако, стадийность разложения компонентов цементного камня и степень утраты им за-3
щитных свойств по отношению к арматуре изучены недостаточно.
Цель и задачи работы. Оценка долговечности железобетона в конструкциях резервуаров питьевого водоснабжения с учетом уточненного механизма коррозии цементного камня и арматуры и определенных кинетических параметров процесса коррозии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– выявление коррозионно-опасных участков и определение ремонтопригодности резервуаров на основании результатов обследования их технического состояния;
– оценка и сравнение скорости коррозионных процессов в бетоне и арматуре в надводной (коррозия карбонизации) и подводной (коррозия выщелачивания) частях резервуаров;
– разработка методики оценки и прогнозирования долговечности железобетона в конструкциях резервуаров чистой воды на основе математической модели процесса коррозии и кинетических характеристик, определенных по результатам натурных исследований длительное время эксплуатирующихся объектов;
– разработка рекомендаций по повышению долговечности железобетона в конструкциях резервуаров чистой воды; обоснование возможности увеличения нормативного срока их службы;
– разработка рекомендаций по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту железобетонных резервуаров чистой воды; опытно-промышленное внедрение результатов исследований.
Научная новизна. На основе натурных исследований определены кинетические параметры математической модели коррозии, позволяющей прогнозировать долговечность железобетонных конструкций резервуаров питьевого водоснабжения
Уточнены характер и механизм коррозии цементного камня, обусловленной изменением концентрации продуктов гидратации минералов цементного клинкера, а также активной карбонизацией вследствие действия бикарбонатов питьевой воды в подводной части конструкций.
Установлен характер коррозионных процессов в стальной арматуре подводной части конструкций («черная ржавчина»), проявление которых не обнаруживается визуально вследствие отсутствия «распорных» трещин в защитном слое бетона, в отличие от появления трещин в бетоне надводной части конструкций после начала коррозии арматуры.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Уточнен механизм и стадийность разложения цементного камня при коррозии первого вида, а также выявлен механизм депассивации стали в подводных конструкциях резервуаров.
Разработана методика прогнозирования и оценки степени коррозионных процессов в железобетонных конструкциях резервуаров питьевого водоснабжения.
Разработаны и реализованы различные способы восстановления эксплуатационной надежности железобетона в эксплуатирующихся резервуарах чистой воды с целью достижения нормативных сроков эксплуатации этих сооружений.
Методология и методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались с использованием основных положений строительного материаловедения в области коррозии бетона первого вида с применением методов математического моделирования деструктивных процессов. Исследования состава и структуры бетона и стали, а также продуктов их коррозии, выполнены с использованием химического, рентгенофазового, дифференциально-термического и электронно-микроскопического анализов.
Уточнена существующая методика обследования технического состояния строительных конструкций для железобетонных резервуаров в части необходимости обязательного вскрытия арматуры в конструкциях, расположенных ниже уровня налива воды, с целью освидетельствования ее состояния. Данное условие является обязательным для резервуаров со сроком эксплуатации 30 лет и более.
На защиту выносятся:
– методика оценки и прогнозирования долговечности железобетона в конструкциях резервуаров питьевого водоснабжения;
– представления о механизме и кинетике коррозионных процессов, протекающих в железобетонных конструкциях, эксплуатирующихся в емкостных сооружениях водоснабжения;
– значения кинетических параметров коррозии выщелачивания бетона в конструкциях резервуаров чистой воды в зависимости от плотности бетона;
– способы восстановления эксплуатационной надежности железобетона в эксплуатирующихся резервуарах чистой воды и методы обеспечения нормативной долговечности при строительстве новых объектов.
Достоверность полученных результатов обеспечена: данными натурных исследований и проведенных экспериментов, выполненных в аккредитованной испытательной лаборатории; применением современных методов исследования и статистической обработки полученных результатов, сходимостью теоретических данных и результатов натурных и лабораторных исследований, выполнением расчетов по апробированной математической модели.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном семинаре-конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (г. Москва, 2010 г.); IX международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (г. С.Петербург, 2014 г.); III глобальной конференции по химии и технологии бетона (г. Москва, 2015 г.); научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2009–2016 гг.), «Водоснабжение,
водоотведение и системы защиты окружающей среды» (г. Уфа, 2010–2012 гг.); XVIII международной научно-практической конференции «Водосбе-режение, мелиорация и гидротехнические сооружения как основа формирования агрокультурных кластеров России в XXI веке» (г. Тюмень, 2016 г.)
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы на объектах МУП «Уфаводоканал» при оценке технического состояния эксплуатирующихся объектов и разработке рекомендаций по восстановлению их эксплуатационной надежности, а также при проектировании новых резервуаров чистой воды с применением современных материалов и технологий.
По результатам исследований разработаны «Рекомендации по проектированию, строительству, ремонту и эксплуатации железобетонных резервуаров чистой воды для питьевого водоснабжения», методика оценки и прогнозирования долговечности железобетона в конструкциях резервуаров питьевого водоснабжения, а также уточнена методика обследования этих резервуаров.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 14 научных публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На установку для определения кинетики карбонизации бетона получен патент RU 2502711 от 05.07.2012.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 154 страницы машинописного текста. В работе представлено 48 рисунков и 14 таблиц.