Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса восстановления бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений 9
1.1. Условия эксплуатации и состояние сооружений
при коррозионном воздействии серосодержащих соединений 9
1.2. Технические характеристики сооружений, эксплуатирующихся в условиях коррозионного воздействия соединений серы 14
1.2.1. Конструктивные решения 14
1.2.1 Л.Сооружения водоотведения 14
1.2.1.2. Промышленные сооружения 18
1.2.2. Анализ работ по обследованию технического состояния железобетонных конструкций сооружений 20
1.3. Характеристика агрессивности эксплуатационной серосодержащей среды 23
1.3.1. Важнейшие соединения серы 24
1.3.2. Жидкости 25
1.3.3. Газовоздушная среда 28
1.3.4. Микробиологический фактор коррозии 31
1.4. Экологическая безопасность эксплуатируемых объектов и обоснование необходимости их ремонта 35
1.5. Требования к поверхности бетона и арматуры перед ремонтом 37
1.6. Существующие способы подготовки поверхности бетона и арматуры
перед4 ремонтом 40
1.7. Оборудование для подготовки поверхности бетона и железобетона
перед ремонтом ; 48
1.8. Существующие материалы для» ремонта бетонных и железобетонных
конструкций 49 1.9. Анализ нормативных,документовпо восстановлению бетонных и железобетонных.конструкций 54
1.10. Анализ патентов Российской Федерации,по подготовке поверхности
и ремонту бетонных,и железобетонных.конструкций 56
1.11. Задачи исследований 59
ГЛАВА 2. Материалы и методики 60
2.1. Оценка технического состояния конструкций эксплуатируемых объектов 60
2.1.1. Визуальное обследование 61
2.1.2. Инструментальное обследование 63
2.2. Характеристика ремонтных материалов, примененных для исследований 66
2.3. Методики физико-механических исследований 68
2.4. Методики физико-химических исследований 68
2.4.1. Рентгенофазовый анализ продуктов коррозии бетона 69
2.4.2. Химический анализ продуктов коррозии бетона 69
2.4.3. Электронно-микроскопический и микрорентгеноструктурный анализ продуктов коррозии бетона 70
ГЛАВА 3. Механизм и кинетика коррозии бетона и железобетона при воздействии серосодержащих соединений 73
3.1. Микробиологическая коррозия 73
3.1.1. Характеристика агрессивности среды при воздействии микробиологической коррозии 73
3.1.2. Обследование технического состояния конструкций камер гашения напора, шахт и колодцев 74
3.1.3. Методы обеспечения долговечности конструкций систем водоотведения при реконструкции и ремонте 80
3.2. Газовая коррозия; 83 .
3.2.1. Характеристика агрессивности эксплуатационной среды при воздействии сернистых газов 83
3.2.2. Обследование технического состояния конструкций химлаборатории ОАО «Учалинский ГОК» 86
3.2.3. Методы обеспечения долговечности конструкций химлаборатории ОАО «Учалинский ГОК» при ремонте 88
3.2.4. Обследование технического состояния резервуара для приёма и хранения жидкой серы установки производства элементарной серы ОАО «Уфанефтехим» 3.2.5. Методы обеспечения долговечности конструкций резервуара для приёма и хранения жидкой серы установки производства элементарной серы ОАО «Уфанефтехим» при ремонте 96
3.2.6. Обследование железобетонного фундамента дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы на УКПН «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г. Агидель .97
3.2.7. Методы обеспечения долговечности железобетонного фундамента дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы на УКПН «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г. Агидель при ремонте 98
3.3. Сульфатная коррозия 98
3.3.1. Характеристика агрессивности среды при воздействии растворов сульфатов 98
3.3.2. Обследование технического состояния конструкций установки сульфата натрия цеха № 30 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» 102
3.3.3. Обеспечение долговечности конструкций установки сульфата натрия цеха № 30 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» при ремонте 104
ГЛАВА 4. Физико-механические и физико-химические исследования 107
4.1. Физико-механические исследования 107
4.1.1. Определение видов и параметров подготовки поверхности бетона и железобетона перед ремонтом 107
4.1.2. Определение адгезии ремонтных материалов к поверхности бетона с различной степенью подготовки 123
4.2. Физико-химические исследования 127
4.2.1. Рентгенофазовый анализ 127
4.2.2. Химический анализ 130
4.2.3. Микроскопический анализ 131
4.2.3. Электронно-микроскопический анализ 134
ГЛАВА 5. Условия, необходимые для обеспечения успешного ремонта бетонных и железобетонных конструкций 138
5.1. Факторы, влияющие на качество выполнения ремонтных работ
5.2. Обоснование необходимости тщательной подготовки ремонтируемой поверхности бетона и арматуры ;. 140!
5.3. Роль адгезии наносимых ремонтных составов 143
5.4. Обоснование выбора материалов на цементной основе для ремонта бетонных и железобетонных конструкций и предъявляемые к ним требования 145
5.5. Внедрение результатов исследований 149
5.5.1. Камеры гашения, коллекторы и колодцы МУП «Уфаводоканал» 149
5.5.2. Резервуары для хранения расплавов серы ОАО «Уфанефтехим». 151
5.5.3. Установка сульфата натрия ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» 152
5.6. Технологическая инструкция-по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами на цементной основе после деструктивного воздействия серорсодержащих соединений ;. 153
5.7. Экономическая эффективность исследований 155
Общие выводы 162
Литература 164
- Анализ работ по обследованию технического состояния железобетонных конструкций сооружений
- Характеристика ремонтных материалов, примененных для исследований
- Обследование технического состояния конструкций камер гашения напора, шахт и колодцев
- Определение адгезии ремонтных материалов к поверхности бетона с различной степенью подготовки
Введение к работе
Аюгуальность темы. Серосодержащие соединения являются одними из наиболее распространенных агрессивных сред, вызывающих коррозию бетонных и железобетонных конструкций и необходимость их ремонта задолго до исчерпания нормативного срока службы. Однако, опыт эксплуатации отремонтированных конструкций свидетельствует о том, что в большом числе случаев они служат недолго по причине отслоения ремонтного материала.
По статистическим данным, в Европе стоимость ремонтных работ превышает 20 млрд. долларов в год, по России такие данные отсутствуют. Стоимость выполняемых ремонтных работ уже сопоставима со средствами, направляемыми на новое строительство. Это обусловлено также и тем, что срок эксплуатации объектов существующей инфраструктуры неуклонно возрастает. Опыт ремонта железобетонных конструкций свидетельствует о том, что обеспечение совместной работы прокорродировавшего и вновь уложенного бетона является сложной задачей, которая может быть решена в основном благодаря качественной подготовке поверхности поврежденных бетона и стали путем их очистки от слоев продуктов коррозии. В международном стандарте ISO 8504:2000 подчеркивается, что «...идеальная защита от коррозии при ремонте на 80% обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20% - качеством используемых материалов и способом их нанесения». Однако, вид, степень и параметры очистки поверхности бетона и арматуры в зарубежных нормативных документах регламентируются лишь частично, а в российских нормативах - практически не оговариваются. До настоящего времени в России отсутствует стандарт, описывающий весь процесс ремонта конструкции. В европейских странах такой единый документ был введен в действие лишь с 01.01.2009г.
В связи с этим, актуальным является поиск решений по быстрому и надежному восстановлению несущей способности эксплуатирующихся конструкций без их усиления, замены и остановки технологических процессов. Одним из ключевых вопросов является изучение причин и механизма отслоения нанесенных материалов на цементной основе с целью уточнения технологических регламентов на ремонт бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений.
Цель работы состоит в определении технологических параметров способов подготовки поверхности бетона и железобетона перед ремонтом для обеспечения длительной адгезии ремонтных составов, что в конечном счете является условием достижения нормативной долговечности конструкций.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- выявление характера и скорости повреждения бетонных и железобетонных конструкций при коррозионном воздействии серосодержащих соединений после различного срока эксплуатации;
теоретическое обоснование и экспериментальное исследование механизма деструктивных процессов на границе фаз «бетон основы - ремонтный состав»;
разработка технических требований к качеству подготовки восстанавливаемой поверхности бетона;
выбор методов обработки бетона, обеспечивающих достижение необходимого качества подготовки поверхности;
выбор оптимальных составов на цементной основе для ремонта конструкций;
разработка технологической инструкции по подготовке поверхности бетона и железобетона при восстановлении конструкций.
Научная новизна:
теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм деструктивных процессов на границе фаз «сульфатизированный слой бетона основы - ремонтный состав», вызывающий ускоренное отслоение ремонтных покрытий на цементной основе в случае неудовлетворительной подготовки поверхности;
уточнена классификация процессов коррозии бетона и железобетона при воздействии серосодержащих сред;
уточнен механизм и кинетика деструктивного воздействия серосодержащих сред, что позволило прогнозировать цикличность работ по ремонту конструкций.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
определены технологические параметры способов подготовки поверхности бетона в зависимости от его прочности, обеспечивающие достижение необходимого качества очистки без повреждения структуры бетона;
на основе натурных исследований получены данные о техническом состоянии конструкций различных объектов как после длительного срока их безремонтной эксплуатации, так и восстановленных;
получены данные по адгезии ремонтных составов к бетонной поверхности различной степени подготовки;
выбраны оптимальные составы для восстановления бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от вида и степени повреждения при воздействии серосодержащих соединений;
разработана технологическая инструкция по подготовке бетона и железобетона к ремонту и нанесению защитных составов с целью обеспечения длительной эксплуатационной надежности конструкций, а также увеличения межремонтных циклов и уменьшения трудозатрат.
Результаты исследований были использованы:
- на объектах МУП «Уфаводоканал», в том числе: при оценке технического
состояния и разработке рекомендаций по восстановлению эксплуати
рующихся без ремонта конструкций - железобетонных коллекторов сточ
ных вод d=1000мм протяженностью более 20 км, 15 камер гашения напо-
pa, 28 колодцев; при оценке технического состояния восстановленных конструкций - 4 колодцев, одной камеры гашения напора и 2 поворотных камер в г.Уфе;
на ОАО «Уфанефтехим» - при оценке технического состояния железобетонного резервуара для приема, хранения и откачки жидкой серы установки производства элементарной серы, а также разработке рекомендаций по восстановлению и антикоррозионной защите бетонных и железобетонных конструкций;
на ОАО «Учалинский ГОК» - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению конструкций здания химлабо-ратории;
на УКПН «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г.Агидель - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению железобетонного фундамента дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы;
на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению строительных конструкций установки сульфата натрия цеха №30;
при разработке «Технологической инструкции по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами на цементной основе после деструктивного воздействия серосодержащих соединений» (УГНТУ. -Уфа, 2009. - 45с).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на научно-технических конференциях Уфимского государственного нефтяного технического университета (г.Уфа, 2006-2009 гг.);
научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2006-2009 гг.);
научно-практическом семинаре «Повышение долговечности систем во-доотведения» (г.Уфа, 2006 г.);
Второй Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности» (г. Уфа, 2009 г.);
Третьей Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2009 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованных источников. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 79 иллюстраций и 39 таблиц. Список использованных источников включает 168 наименований.
Анализ работ по обследованию технического состояния железобетонных конструкций сооружений
Микробиологическая коррозия. Канализационная сеть города, транспортирующая бытовые и производственные сточные воды, состоит из многих километров трубопроводов и сооружений на них, таких как колодцы, камеры гашения, канализационные насосные станции и т.д., основная часть которых выполнены из бетона и железобетона. В них наблюдается интенсивная биогенная сернокислотная (микробиологическая) коррозия. Эти инженерные сооружения относятся к категории повышенной экологической опасности. В первую очередь разрушению подвергаются объекты с безнапорным режимом - перепадные колодцы и камеры, участки с быстротоками, поворотами, а также участки коллекторов, по которым транспортируются сточные воды с большим содержанием органических веществ [85], причем в 70% случаев причиной аварии является разрушение перекрытия - в колодцах и сводовой части - в коллекторах из-за коррозии бетона и арматуры [70]. .
Полная протяженность канализационных сетей г.Уфы составляет около 802,74 км, в том числе: 192 км - магистральные коллекторы диаметром 500 I 1840мм; 194 км - уличные коллекторы диаметром 300-500мм; 416,7 км - квартальные сети канализации диаметром 100-300мм.
Проблемы долговечности данных сооружений, диагностики их состояния и ремонта на сегодняшний день остро стоят не только в г.Уфа и других крупных городах России, но и в большинстве стран мира. В нашей стране ситуация усугубляется тем, что срок службы большей части существующих сооружений системы канализования сточных вод превышает 30 лет, при нормативном сроке, равном 50 лет. Среднестатистический же срок их безаварийной работы составляет всего 8,5... 12,5 лет. В связи с этим встает вопрос о продлении срока службы железобетонных конструкций.
Ведущим фактором разрушения канализационных сетей является биологический, при котором очень быстро и в больших масштабах повреждаются километры труб, конструкции камер и колодцев [53]. Здесь создаются оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов: наличие питательных веществ, постоянная положительная температура и массообмен с отведением продуктов метаболизма. Такому массообмену способствует образование в трубопроводах газов Н28, С02, ИНЗ.
Кислотная коррозия и газовая коррозия. Состав и содержание серосодержащих сред, в которых работают конструкции, весьма разнообразен и даже для однотипных производств не бывает одинаковым. Коррозия может возрасти в десятки раз, если строительные конструкции подвергаются воздействию технологических газовых и жидких сред (химические и нефтехимические предприятия, заводы черной металлургии, производства минеральных удобрений и др.).
В жидких средах эксплуатируются конструкции наливных сооружений (резервуары, емкости), подземные конструкции при наличии грунтовых вод и элементы зданий, на которые попадает вода, технологические растворы, атмосферные осадки (полы, стены, колонны и др.). На коррозию железобетонных конструкций атмосферная влажность при отсутствии агрессивных газов оказывает незначительное влияние. Если же имеются такие газы как диоксид серы и сероводород, то в зависимости от их содержания в воздухе степень агрессивности изменяется от слабой до сильной [145]. Сточные воды, технологические растворы, разбавленные растворы серной кислоты и многочисленные разновидности ее солей встречаются на производстве повсеместно. Одним, из распространенных следствий промышленной деятельности является интенсивный подъем уровня грунтовых вод, повышение содержания солей в воде и, как следствие, повышение степени ее агрессивности.. Также процессы коррозии активно протекают в емкостях и тоннелях, имеющих контакт с агрессивной средой сульфатов. Натурные обследования, проведенные авторами [118] показали, что в атмосфере некоторых цехов металлургических и машиностроительных заводов содержится большое количество кислых газов, таких как 802. Санитарнодопустимая его концентрация в воздухе 0,02 мг/л, однако, для строительных конструкций атмосфера агрессивна при 0,01 мг/л. Многие исследователи придерживаются мнения, что при низкой относительной влажности воздуха (ниже 65%) кислые газы не разрушают бетон, а даже его уплотняют [88], на практике же относительная влажность воздуха, в которой эксплуатируются конструкции, превышает данные значения. По данным Ф. М. Ли [77], действие газов на бетон в воздушно-сухих условиях обычно бывает незначительным, но при повышенной относительной влажности и температуре коррозия может оказаться настолько опасной, что приведет к быстрому выходу из строя всех конструкций, контактирующих с воздушно-газовой средой. Такж е известны случаи, когда конструкции из бетона, подвергавшиеся длительное время действию сухого сернистого газа, быстро разрушались при увлажнении. В сухой газовой среде сернистый газ в большом количестве сорбируется бетоном. В дальнейшем при увлажнении бетона образуется кислота, что вызывает быстрое его разрушение [109]. С повышением температуры и понижением влажности скорость диффузии замедляется. Количество поглощенного газа увеличивается с увеличением концентрации газа, влажности среды и длительности воздействия газа.
Коррозионное воздействие сернистых газов в дымовых трубах зависит от их температуры, скорости, вида и состава используемого топлива (газ, мазут, уголь и т. д.), а также режима работы, свойств золы, высоты трубы [145]. В зависимости от вида топлива содержания 802 составляет 0,1-0,5% по объему, а 803 от 0,001— 0,008%. Переход 803 в Н2804 начинается при температура около 300 С и заканчивается при 200 С, поэтому в трубе этот газ находится в ассоциированном состоянии с водяными парами, т. е.. представлен в виде серной кислоты. Что касается 802, то он содержится почти во всех видах газов и способен окисляться в 803 в зависимости от температуры, а также состава воздуха.
Снижение температуры дымовых газов приводит к образованию конденсата, представляющего раствор серной кислоты. Чем больше в газах сернистых соединений, тем ниже температура точки росы. Считается, что при содержании в топливе более 3% серы конденсат на стенках трубы может быть в виде серной кислоты концентрацией до 70-80%. Кроме газообразных составляющих и паров воды значительную роль на коррозионные процессы оказывают твердые частицы - аэрозоли. Именно аэрозоли, размером до 100 мк, являются центрами, вокруг которых в первую очередь начинается образование конденсата.
Сульфатная коррозия. Наиболее распространенными из жидких агрессивных сред являются промышленные и подземные воды, содержащие сульфаты. Сточные воды, минерализованные природные воды, технологические растворы, разбавленные растворы серной кислоты и многочисленные разновидности ее солей встречаются повсеместно. Сульфатная коррозия, бетона классифицируется как III вид коррозии. Ее особенность в том, что конечным результатом процесса является, кристаллизация солей и увеличение объема твердой фазы. К процессам коррозии третьего вида относится также кристаллизация в порах бетона солей при капиллярном всасывании растворов и испарении. Повреждения такого рода широко распространены в практике эксплуатации конструкций из бетона.
Характеристика ремонтных материалов, примененных для исследований
Подбор составов для ремонта бетонных и железобетонных конструкций определяется на основании многих факторов и может быть осуществлен лишь после проведения специальных лабораторных анализов. Поэтому, в отличие от капитального строительства (где разработка защиты осуществляется на основании действующих нормативов), при ремонтах и реконструкции оценка агрессивных сред и состояние конструкций может быть получена лишь при проведении обследований и лабораторных испытаний.
При выполнении ремонтных работ всегда следует учитывать, что выбор необходимых материалов для производства работ должен базироваться на результатах поэтапного многофакторного анализа и, в сущности, является процессом поиска компромисса, основанного на использовании достоверной тех нической информации, требований и финансовых возможностей инвестора (заказчика). , Таким образом, при выборе материалов для ремонта учитывалось, что ремонт, в сущности, предполагает создание композитной системы, основными элементами которой являются существующий субстрат (тело существующей конструкций), контактная поверхность и ремонтный материал.
В связи с данными требованиями, были выбраны несколько ремонтных составов на цементной основе российского и зарубежного производства с близкими заявленными характеристиками для определения адгезии к бетонной поверхности с различной степенью очистки в возрасте 28 суток и 10 месяцев. Данные составы тиксотропного типа (как наиболее.используемого в отличие от наливного) указаны в табл. 2.1 (приведены данные производителя):
Наименование ремонтных составов для исследования №п/п Наименование Производитель Адгезиякбетонтонномуоснова-нию,МПа Прочность на сжа- сжатие, МПа, в возрасте Прочность на растяжение при изгибе, МПа, в возрасте Марка по во- доне- проницаемо-сти1 Марка по мо- розо- сто ft- кости Толщинананесениязаодинпроход,мм Жиз- неспо способность , мин. Температурапри-мене-нения,С
Данные показатели определялись на натурном образце (фрагменте железобетонной трубы коллектора г.Уфы с характерными продуктами коррозии в основном в виде гипса) после 35 лет эксплуатации.
Определяемые показатели также были исследованы на вышеприведенных составах с предварительным нанесением адгезионного покрытия аналогичной марки: ЦМИД-1К (ЗАО НП «ЦМИД», Россия), «Sika МопоТор - 610» (Концерн «Sika», Швейцария) и «Emaco Nanocrete АР» (Концерн «BASF», Германия).
Адгезия нанесенных образцов ремонтных составов определялась по ГОСТ 52804-2007 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы испытаний» и ГОСТ 28574-90 (2005) «Защита от коррозии в строительстве. Конструкции бетонные и железобетонные. Методы испытаний адгезии защитных покрытий» при помощи прибора «Оникс-АП» (производство НГШ «Интерприбор», г.Челябинск).
Динамика набора прочности в интервале 24ч! и 28 сут. (с шагом 3 сут.) определялась также методом неразрушающего контроля при помощи приборов «Оникс-2.5» (НПП «Интерприбор», г.Челябинск) и «ИПС-МГ4» (СКВ «Стройприбор», г.Челябинск). Физико-химические исследования проводились с целью изучения структуры. и состава исследуемых материалов, в том числе и после воздействия агрессивной среды. Детальному анализу были подвергнуты контрольные образ « 1 цы, а также образцы, отобранные из конструкций, эксплуатирующихся в натурных условиях.
Послойное исследование образцов корродированного1 бетона конструкций, эксплуатировавшихся при различных воздействиях серосодержащих сред, было проведено методами химического, рентгенофазового, дифференциальнотермического, электронно-микроскопического и микрорентгеноструктурного анализа в лабораториях Уфимского государственного нефтяного технического университета (аккредитованная лаборатория ССП УГНТУ ХНИЛ «УГЦ Строй- техэкспертиза»), МУП «Уфаводоканал» (аккредитованная), а также совместно со специалистами Башкирского государственного университета (д.ф.-м.н., проф. Бахтизин Р.З.), Института нефтехимпереработки РБ (д.х.н., проф. Хай- рутдинов И.Р.) и Южно-уральского государственного университета (д.т.н., проф. Крамар Л.Я.).
Образцы растирались в ступке, просеивались через сито и для съемки помещались в стандартную кварцевую кювету. Съемка рентгенограммы проводилась на дифрактометре Дрон-2 с использованием рентгеновской трубки с медным анодом. Скорость сканирования 1/мин. Межплоскостное расстояние, являющееся важнейшей структурной характеристикой кристаллического вещества, определялось по формуле Вульфа-Брегга:
Химический анализ продуктов коррозии бетона проводился в аккредитованной лаборатории УГНТУ (ССП УГНТУ ХНИЛ «УГЦ Стройтехэкспертиза») по ГОСТ 5382-91 «Цементьг и материалы цементного производства. Методы химического анализа» [34] и в аккредитованной лаборатории МУП «Уфаводоканал». Целью анализа являлось получение данных о величине pH, содержании ионов кальция и сульфатов корродированных образцов бетона различных объ ектов. .
Электронно-микроскопический и микрорентгеноструктурный анализ образцов корродированного бетона натурных образцов осуществлялся с помощью сканирующего электронного микроскопа 1еоК18М 6460 ЬУ, расположенного в Южно-уральском государственном университете (ЮУрГУ, г. Челябинск). 1ео1-18М 6460 ЬУ - это электронный микроскоп с переменным давлением в вакуумной камере с возможностью переключения режимов «высокий/низкий вакуум» и регулировки давление в камере для эффективного устранения заряда образцов-диэлектриков без напыления. Модель оснащена детекторами вторичных и отраженных электронов. Характеристики представлены в таблице 2.2.
Обследование технического состояния конструкций камер гашения напора, шахт и колодцев
Схему процесса сульфатной коррозии кратко можно описать следующим образом: при проникании в поры бетона сульфатные растворы взаимодействуют с гидроксидом кальция и алюминатами, кристаллизуется гипс и гид- росульфоалюминаты. Если в чистой воде кристаллизация гипса происходит при концентрации Са804 2020-2100 мг/л (Са2+ 594-618 мг/л, 8042 1426-1482 мг/л), то в насыщенном растворе Са(ОН)2 кристаллизация Са804 2Н20 начинается при концентрации Са804 примерно на 20 % меньше [109]. В растворах Иа2804 кон центрации до 1,6 % растворимость Са804 снижается примерно на 30 %. При увеличении концентрации №2804 растворимость Са804 повышается.
Гидросульфоалюминаты кристаллизуются в виде игольчатых кристаллов и сферолитов в переходных и макропорах, в микропорах ГСАК выделяются в виде аморфной массы. При заполнении пор новообразованиями возникает внутреннее давление. По данным Москвина, оно вызвано давлением кристаллов, по представлению Бабушкина, оно связано с осмотическими явлениями [109]. Решающими условиями развития коррозии третьего вида являются содержание в бетоне компонентов, способных реагировать с соединениями из состава агрессивной среды, и проницаемость бетона, определяющая скорость поступления агрессивного вещества в зону протекания химических реакций. Наиболее реакционно-способными компонентами цементного камня являются гидроксид кальция и алюминаты кальция, образующие с сульфатами соответст I
венно гипс и гидросульфоалюминаты кальция. Скорость коррозии сильно зависит от проницаемости бетона, степени уплотнения наружного слоя продуктами коррозии. Авторами работ [67, 68] рассмотрен состав сульфогидроалюминатных фаз, образующихся в различных условиях гидратации алюминатов кальция в присутствии гипса, однако, как показано, эттрингит является единственным сульфогидроалюминатом кальция, который может образоваться при гидратации любого алюмината кальция в присутствии гипса, так как он образуется, в основном, в жидкой фазе при взаимодействии растворений в ней составляющих. Постадийное рассмотрение реакций гидратации ортоалюмината кальция СзА в нормальных условиях в присутствии гипса показывает, что кроме указанных соединений могут образоваться сульфатсодержащие фазы составов: СазНА120б(НО)-Са804-пН20; Са3НА120б(НО)-2Са804-пН20; Са3Н2А1206(НО)2Са804пН20; Са3А120б-2Са804-пН20 и другие.
Перечисленные фазы являются промежуточными соединениями. В присутствии дополнительного количества извести могут образоваться фазы состава СазА120б 2Са(ОН)2,Са804-пН20 и СазАЬОб-СаСОН СаЭО пНзО.
В литературе по химии цемента гидратные фазы, образующиеся при взаимодействии трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита с водой и растворенными в ней солями и представляющие собой двойные соли, обозначаются как АРт- и А11,-фазы. Все образующиеся гидраты двойных солей, кроме эттрингита, относятся к АРт-фазе, эттрингит является представителем Ай-фазы. Принятое деление довольно условно, поскольку к настоящему времени доказана возможность существования гидратных фаз промежуточного состава таких, как СзА Са(ОН)2-2Са804 пН2О и др.
Особенностью кубического гидроалюмината кальция является его более высокая химическая стойкость, чем у гексагональных гидроалюминатов. Составы продуктов взаимодействия с гипсом гексагональных и кубического гидроалюминатов кальция имеют существенные различия.
Как показано В.М. Москвиным, в системе Са(ОН)2 - СаЗО - Н20 растворимость компонентов системы изменяется. В присутствии Са(ОН)2 растворимость гипса снижается. Проникающий из среды в бетон раствор гипса в присутствии Са(ОН)2 становится пересыщенным и гипс выпадает в осадок. Это является еще одной причиной коррозии бетона в растворах гипса [180].
Испытания выполненные В.М. Москвиным, Т.В. Рубецкой, Г.В. Любарской, показали, что процесс сульфатной коррозии развивается пропорционально корню квадратному их времени и концентрации сульфатов в растворе [71].
По данным [159] в модельных системах эттринтит может создавать давление до 70 МПа. Чем ниже содержание алита и алюминатов в портландцементе, тем меньшее количество сульфатов может быть связано цементным камнем и тем меньше опасность коррозионного повреждения бетона. Расчет по стехиометрическим соотношениям показывает, что каждый процент гипса связывает 0,52 % СзА, а 5 % гипса, введенные в цемент, могут связать 2,6 % СзА. Оставшиеся непрореагировавшие с гипсом алюминаты могут в дальнейшем взаимо действовать с сульфатами, поступающими в бетон из агрессивной среды, и образовывать дополнительное количество ГСАК в моно- и трехсульфатной форме.
Считается, что выпадение ГСАК из раствора в свободном объеме пор, заполненных водой, не вызывает опасных внутренних напряжений в бетоне, особенно если этот процесс развивается в незатвердевшем цементном тесте, способном свободно деформироваться. Кристаллы ГСАК в этом случае имеют игольчатое строение и большие размеры. Опасным считается образование вторичного эттрингита в сложившейся прочной структуре цементного камня. В этом случае образуются мелкие кристаллы непосредственно на твердой поверхности. В исследованиях Москвина показано, что при применении низко- алюминатного портландцемента, например, с содержанием С3А 5,6 %, через раствор в неопасную форму эттрингита свяжется 3,13 % С3А и в опасную форму 2,47 % С3А. Основным коррозионным процессом при взаимодействии бетонов на низкоалюминатном цементе является процесс гипсовой коррозии.
Из соображений получения повышенной прочности и водостойкости цементного камня количество вводимого в цемент гипса ограничено. Вследствие этого содержание алюминатов и гипса в цементе во многих случаях не сбалансировано. После полного связывания гипса в цементном камне остается некоторое количество несвязанных алюминатов, способных взаимодействовать с сульфатами. Пои недостатке гипса алюминаты не могут полностью перейти в трехсульфатную форму, а образовавшийся в начале гидратации эттрингит замещается моносульфатной формой. При проникании в бетон сульфатов имеющиеся в цементном камне алюминаты кальция и моносульфоалюминат кальция обращаются в эттрингит, вызывая расширение и разрушение бетона.
Существенным является момент образования ГСАК. Если процесс протекает до набора бетоном прочности, опасность образования трещин отсутствует.
При сбалансированном с алюминатами содержании гипса в цементе может быть получен сульфатостойкий бетон даже при высоком содержании алюминатов в цементе [146]. В работе показано, что при использовании портландцемента особотонкого помола, когда алюминатные фазы гидратируются в первые часы после затворения цемента водой и образуют с имеющимся в необходимом количестве гипсом гидросульфоалюминаты, опасность сульфатной коррозии в дальнейшем в значительной мере понижается. Наоборот, при грубом помоле цементного клинкера процесс растворения алюминатов может протекать длительное время, в том числе после набора прочности цементным камнем, тогда поступление из среды ионов сульфатов вызывает коррозионный процесс. В настоящее время это подтверждается работами Штарка [149,167].
Определение адгезии ремонтных материалов к поверхности бетона с различной степенью подготовки
Исторически сложилась следующая неофициальная точка зрения: если здание или сооружение до капитального ремонта эксплуатируется меньше 30 лет, то оно неэкономично; если ремонт происходит через 30-50 лет, качество и экономичность постройки считаются удовлетворительными; если сооружение служит более 50 лет без серьезного ремонта, то качество, а также экономичность считаются очень высокими. [147,171].
Долговечность конструкций, согласно нормам Международной федерации бетона (БГО), обеспечивается, если проектирование, строительство и эксплуатация железобетонных сооружений осуществляются так, чтобы в соответствующих прогнозируемых условиях внешней среды они сохраняли безопасность, эксплуатационную надежность и приемлемый внешний вид в течение определенного периода времени, не требуя при этом непредвиденных эксплуатационных затрат. .
Проектирование ремонтных работ должно осуществляться с учетом технического задания заказчика; оценки влияния окружающей среды; определения необходимых эксплуатационных качеств при существующих видах воздействия; общей принятой концепции строительства объекта; требуемого уровня разработки проектной и рабочей документации; технологии выполнения работ; требований эксплуатации и управления эксплуатацией сооружения [168]..К сожалению; в своих действиях, как проектировщик, так и инженер-строитель всегда ограничены давлением экономических факторов, которые часто вынуждают совершать ошибки за счет принятия самых «дешевых» решений,, вместо того, чтобы разработать и представить заказчику надежный вариант производства работ, за который они и должны нести ответственность. Прискорбно, но к этому чаще всего их «подвигает» сам заказчик, который хочет сэкономить сегодня, не понимая, к чему это может привести завтра. Наиболее распространенной ошибкой является выполнение локального ремонта там, где необходим сплошной; незавершение ремонтных работ из-за отказа заказчика наносить защитное покрытие и пр. Поэтому очень часто за ремонтные работы на всех уровнях берутся люди, мало что понимающие в этом процессе.
«К сожалению, всё, что связано с ремонтом железобетона, часто воспринимается как очень простое занятие, которое может делать каждый дурак ... Именно он этим часто и занимается, да еще и с благословения заказчика», так заметил Адам Невилл [165]. Квалификация и опыт исполнителей при производстве работ по ремонту и восстановлению конструкций имеют огромное значение.
Так как технология и организация ремонтных работ в большей части связаны с ручным трудом и индивидуальным подходом к решению конкретных задач, то рабочие и бригадиры являются основой строительно-ремонтной индустрии, и, если они не имеют необходимых знаний и навыков, основная часть времени и средств, потраченных на оценку технического состояния конструкций, проектирование, выбор и производство материалов, а также выполнение работ, расходуется впустую. В настоящее время существует острая потребность в воспитании, техническом обучении и повышении квалификации этого персонала. Безусловно, использование хорошего проекта и правильный выбор материалов имеют большое значение, но, как видно из изложенного, оказываются недостаточными без надлежащего качества выполнения строительных работ.
Таким образом, восстановление поврежденного при коррозии бетона с включением его в работу -конструкции операция трудоемкая, сложная и в общем дорогая, что, естественно сказывается на стоимости текущих и капитальных ремонтов, на трудоемкости и материалоемости их. Еще более сложное положение создается в случае, когда необходимость создания условий для выполнения ремонтно-восстановительных работ не была предусмотрена при создании конструкции - на стадии проектирования. Поэтому оценка ремонтопригодности железобетонных инструкций должна включаться в проекты зданий и сооружений как обязательная часть, проекта. Другими словами, борьба за снижение расходов на ремонтно-восстановительные работы, за повышение эффективности капитальных вложений в строительство должна начинаться одновременно с проектированием сооружения.
Опыт ремонта железобетонных конструкций показывает, что обеспечение совместной работы прокорродировавшего и вновь уложенного ремонтного состава является серьезной инженерно-технической, проблемой, которая может быть решена только благодаря качественной подготовке поверхности поврежденных бетона и стали за счет их полной очистки.
Во всех случаях, когда материал должен быть надежно соединен с другим или обновлен, прочности основания придается большое значение, т.е. от свойств основания зависит долговечность соединения нанесенного на это основание материала. В связи с этим, зона соединения должна располагаться в неповрежденном бетоне. Без тщательной подготовки поврежденного основания даже в случае последующего применения хороших материалов нельзя обеспечить надежное и долговременное восстановление бетона и железобетона. В связи с этим бетон в плоскости его последующего соединения должен быть однороден и иметь неповрежденную наружную поверхность таким образом, чтобы между наносимым впоследствии ремонтным материалом и поверхностью бетона конструкции обеспечивалось прочное и плотное соединение. Качество зоны контакта в результате специальной обработки бетона ремонтируемой конструкции обеспечивается в основном за счет «освежения» поверхности последнего. При этом имеющиеся в структуре бетона негидратированные зерна цемента (часто 30-50% от первоначального количества) очищаются от продуктов гидратации и в последующем обеспечивают хорошее сцепление с ремонтным составом на основе цемента.
Выбор наиболее целесообразного метода производства работ по подготовке поверхности бетона зависит, с одной стороны, от существующего состояния этой поверхности, и, с другой стороны, от требований к поверхности в строгом соответствии с предполагаемым ремонтно-строительным мероприятием. О том, подходит или нет выбранный метод производства работ, можно практически убедиться, заранее выполнив обработку на небольшом участке поверхности и сравнив необходимое и полученное качество обработанной поверхности.
Удивительно, как просто можно проверить качество подготовки поверхности бетона - индикатором! Спиртовой 0,1% раствор фенолфталеина, который дает контрастную малиновую окраску на поверхности неповрежденного бетона позволит на начальном этапе гарантировать качественный ремонт бетонных и железобетонных конструкций. Примеры определения глубины поврежденного бетона показаны на рис. 5.1. Окраска индикатора быстрее проявляется на влажной поверхности. на поверхности бетона, однако, при нанесении ремонтного состава данный карбонизированный слой может быть сохранен и контроль качества при этом осуществляется визуально по полному удалению желтого сульфатизированного слоя. Примером этого может служить рис. 5.2, на котором представлен результат двух способов очистки: водоструйным способом при давлении 500 атм., когда карбонизированный слой сохраняется (а), и дробеструйным при давлении 7 атм, когда карбонизированный слой удаляется (б), сульфатизированный слой в обоих случаях удаляется полностью.
