Стойкость бетона и железобетона в емкостных сооружениях водоочистки

Стойкость бетона и железобетона в емкостных сооружениях водоочистки // Строительные материалы. 2003 . №10. C. 36-37

В системе канализотания крупных городов одно из ключевых положений занимают городские очистные сооружения канализации (ГОСК), включающие аэротенки с емкостями первичных и вторичных отстойников. В России основной парк этой группы сооружений был возведен в 60?80-е годы XX в. в сборном и сборно-монолитном варианте. На ГОСК Уфы в настоящее время работают два блока размерами в плане 150x150 м и высотой 5 м каждый. Блок № 1 построен в 1974 г., блок № 2 - в 1985 г. В связи с перегружением этих сооружений, а также с учетом перспективы увеличения объема сточных вод в середине 90-х годов XX в. было начато строительство блоков № 3 и № 4. В настоящее время для Уфы остро стоит вопрос о завершении строительства и пуске в эксплуатацию этих объектов.

В 2003 г. специалистами УГНТУ и МУП ?Уфаводоканал? было проведено комплексное обследование технического состояния конструкций блока № 1 с целью решения следующих задач:

? определение степени физического износа конструкций объекта после длительного срока его безремонтной эксплуатации (Тэ=29 лет);

? разработка мероприятий по капитальному ремонту и усилению поврежденных конструкций для обеспечения безаварийной работы сооружения до нормативного срока службы (Тн=50 лет), то есть на период не менее 21 года;

? выявление характерных дефектов и повреждений конструкций сооружения после длительной эксплуатации, с тем чтобы учесть их при завершении строительства емкостей блоков № 3 и № 4.

Основанием для экстраполяции данных по стойкости бетона и железобетона с емкостей блока № 1 на вновь строящиеся сооружения блоков № 3 и № 4 стали следующие рассуждения:

? материалы обследования блока № 1 являются фактически результатами длительного натурного эксперимента, учитывающего многообразие неблагоприятных факторов эксплуатационной среды и их взаимное влияние, что практически невозможно смоделировать в лабораторных условиях;

? параметры эксплуатационной среды (газовоздушной фазы и сточных вод), а следовательно, и ее агрессивность являются достаточно стабильными для региона;

? конструкции блоков № 1, № 3 и № 4 изготовлены в Башкирии на местной сырьевой базе, то есть бетон как по химико-минералогическому составу цементного камня, так и по структуре (пористость, состояние контактной зоны ?цементный камень ? заполнитель?) имеет близкие характеристики.

Работы по обследованию были проведены как снаружи, так и изнутри сооружения. К первой категории конструкций относятся те, которые являются доступными для обследования даже при заполненных емкостях, то есть в эксплуатационном режиме объекта. Это надводные конструкции, а также конструкции расположенных по периметру сооружения полузаглубленных каналов-коридоров, предназначенных для размещения технологического оборудования и контроля за протечками в наружных стенах емкостей. Возможность обследования состояния конструкций, расположенных ниже уровня сточных вод, представилась в связи с кратковременным опорожнением одного из четырех аэротенков блока № 1 для замены в нем технологического оборудования.

Блок емкостей № 1 состоит из четырех идентичных секций, причем каждая секция включает в себя первичный и вторичный отстойники и собственно аэротенк. Аэротенки блока емкостей № 1 по принципу очистки сточных вод являются типовыми четырехкоридорными аэротенками-смесителями, представляющими собой открытое прямоугольное емкостное сооружение, выполненное из сборно-монолитных тонкостенных железобетонных конструкций. Днище, стыки между стеновыми панелями, а также участки стен в углах выполнены из монолитного железобетона. Основными конструктивными элементами аэротенков и отстойников являются плоские стеновые панели двух типов: вертикально расположенные консольные стеновые панели наружных стен и горизонтально расположенные самонесущие стеновые панели внутренних стен-перегородок.

По условиям эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции аэротенков могут быть разделены на две группы, для которых характерны определенные виды агрессивного воздействия (табл. 1).

Таблица 1

Группа конструкций

Вид конструкций

Вид агрессивного воздействия

Тип коррозии бетона

I

Фундаменты, днище, расположенные ниже уровня сточных вод панели стен, колонны, консоли колонн
Слабоминерализованная вода, обогащенная растворенным кислородом и сероводородом
1. Коррозия бетона I вида (выщелачивание -вымывание гидроксида кальция из бетона)

2. Коррозия бетона II вида (обменные реакции компонентов цементного камня и сточных вод)

II

Плиты-мостики, части стен и консолей колонн, расположенные выше уровня сточных вод
1. Разрушение бетона из-за кристаллизации солей в порах бетона, обусловленное капиллярным подсосом сточных вод и испарением воды на открытых поверхностях конструкций

2. Коррозия арматуры железобетона из-за нейтрализации защитного слоя бетона, вызванного его карбонизацией

3. Разрушение бетона из-за воздействия сероводорода с образованием нерастворимых солей

4. Действие отрицательных температур

1. Коррозия бетона III вида (солевая коррозия)

2. Газовая коррозия железобетона (коррозия карбонизации)

3. Химическая коррозия III вида

4. Морозное разрушение бетона

Анализ архивных данных химической лаборатории ГОСК показывает, что сточные воды имеют практически нейтральную реакцию и представляют собой слабоминерализованный многокомпонентный раствор, а наиболее агрессивными к бетону и железобетону веществами являются сульфаты и хлориды. В 80-х годах прошлого века сточные воды по содержанию сульфатов являлись Слабоагрессивными по отношению к бетону на обычном цементе с маркой по водонепроницаемости W4?W6 [1]. Однако необходимо учитывать возможность повышения концентрации этих ионов в надводной части конструкций за счет испарения воды в летний период. Кроме того, в сточных водах имеются достаточно высокие концентрации ионов цветных металлов, сульфаты которых обладают высокой агрессивностью к бетону.

В газовоздушной среде цементный камень бетона подвержен перерождению на значительно большую глубину, чем в жидкой среде, о чем свидетельствуют многочисленные разрушения защитного слоя бетона и обнажение арматуры надводной части железобетонных конструкций (табл. 2). Коррозия бетона в газовоздушной среде аэротенка вызвана комплексным воздействием следующих факторов: непосредственным химическим воздействием сероводорода, коррозией карбонизации, солевой коррозией, микробиологической коррозией.

Таблица 2

Место отбора пробы

Элемент конструкции

Глубина нейтрализации, мм

Прочность при сжатии, МПа

Водопоглощение, мас. %

Выше уровня жидкости

Плита-мостик

5-7

>30

7,6

Панель-перегородка

4-7

>30

6,7

Консоль колонны

2-5

>30

7,2

Ниже уровня жидкости

Консоль колонны

1,5-3

>30

6,7

Колонна

2-4

>30

9

Панель-перегородка

0,4-1

>30

6,7

Торкрет

0,6-1

>20

12,7

Поскольку наблюдается лишь незначительное снижение прочности поверхностного нейтрализованного слоя бетона по сравнению с бетоном внутренних слоев, то, вероятно, в наибольшей степени на надводную часть конструкций происходит совместное воздействие лишь первых трех разрушающих бетон факторов, а микробиологическая коррозия не проявляется в явном виде из-за пониженной концентрации сероводорода в газовоздушной среде.

К числу наиболее характерных дефектов и повреждений строительных конструкций сооружения относятся следующие:

? нейтрализация и разрушение защитного слоя бетона железобетонных конструкций, расположенных выше уровня налива сточных вод (плит-мостиков, консолей колонн и панелей-перегородок);

? коррозионные повреждения конструктивной и частично рабочей арматуры в железобетонных конструкциях, расположенных выше уровня налива сточных вод (в плитах-мостиках и консолях колонн);

? дефекты строительства, допущенные при монтаже железобетонных конструкций (малая глубина защемления панелей-перегородок);

? образование трещин и сколов в конструкциях панелей-перегородок и колонн;

? обрушение 5% железобетонных панелей-перегородок вследствие механического воздействия и коррозионного износа;

? образование трещин и сколов в слое торкрет-бетона, а также его разрушение на 70% площади стен;

? коррозия закладных деталей и других металлических элементов в зоне действия паровоздушной среды;

? образование трещин в местах стыков наружных стеновых панелей и в углах аэротенка.

Обследование емкостей показало, что 13% плит-мостиков и 5% консолей колонн находятся в пред-аварийном состоянии.

Наиболее слабым местом аэротенков и отстойников являются стыки железобетонных конструкций наружных стеновых панелей, как угловых, так и рядовых, разгерметизация которых приводит к прониканию сточных вод за пределы сооружения и нарушению экологической безопасности сооружения.

Повреждения конструкций полузаглубленных каналов-коридоров, расположенных по периметру емкостей, обусловлены глубокой карбонизацией бетона и вызванной этим коррозией арматуры: более 4% ребристых плит покрытия требуется заменить, а около 11 % - капитально отремонтировать или усилить.

Выполненные оценочные расчеты по прогнозу долговечности железобетонных конструкций свидетельствуют об относительно малой скорости коррозии бетона и железобетона [2]. При условии выполнения ремонтно-восстановительных работ действующие аэротенки имеют резерв по долговечности сроком не менее 30 лет.

Список литературы

1. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии // Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986.46 с.

2. Комохов П.Г., Латыпов В.М., Ла-тыпова Т.В., Вагапов Р.Ф. Долговечность бетона и железобетона. Приложения методов математического моделирования с учетом ингибирующих свойств цементной матрицы. Уфа: Белая река. 1998. 216 с.

В.М. ЛАТЫПОВ, зав. кафедрой ?Строительные конструкции?, д-р техн. наук, Т.В. ЛАТЫПОВА, канд. техн. наук,

Л.Н. ВАЛИШИНА, Е.В. ЛУЦЫК, Р.Р. АХМАДУЛЛИН, A.Р. АНВАРОВ, инженеры (УГНТУ)