Дефекты искусственных сооружений и мероприятия по их устранению

     Определяющим  фактором кристаллизационной коррозии является наличие в водных растворах  сульфатов кальция, магния, натрия, способных при взаимодействии с  трёхкальциевым гидроалюминатом цемента образовывать кристаллы. Следовательно, к более стойким к коррозии III вида следует относить такие бетоны, в которых использованы цементы с низким содержанием трёхкальциевого алюмината, а именно: в портландцементе – до 5%, в пуццолановом и шлакопортландцементе – до 7%.

     Физико-механическая деструкция (разрушение) бетона при периодическом  замораживании и  оттаивании характерна для многих конструкций, незащищённых от атмосферных воздействий (открытые эстакады, путепроводы, опоры ЛЭП и др.). Разрушающих факторов при замораживании бетона в водонасыщенном состоянии несколько: кристаллизационное давление льда; гидравлическое давление воды, возникающее в капиллярах вследствие отжатия ее из зоны замерзания; различие в коэффициентах линейного расширения льда и скелета материала и пр.

     Постепенное разрушение бетона при замораживании  происходит вследствие накопления дефектов, образующихся во время отдельных  циклов. Скорость разрушения зависит  от степени водонасыщения бетона, пористости цементного камня, вида заполнителя. Более морозостойки бетоны плотной  структуры с низким коэффициентом  водопоглащения.

     Влияние производственных масел (нефтепродуктов) на прочность бетона неоднозначно. Разрушающе действуют на бетон только те нефтепродукты, которые в значительном количестве содержат поверхностно-активные смолы [3]. К ним относятся все минеральные масла, дизельное топливо. В то же время бензин, керосин, вазелиновое масло практически не снижают прочности бетона, однако, как и другие нефтепродукты, уменьшают сцепление бетона с гладкой арматурой уменьшается примерно на 50%.

     Прочность промасленного бетона при свободной  фильтрации минерального масла можно  определить по формуле [3]: 

      ,

     где   – продолжительность пропитки маслом, г:

      - первоначальная прочность бетона, МПа.

     Если  время пропитки более 8 лет, прочность  бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.

     При периодическом попадании масел  на конструкцию (1-2 раза в год) прочность промасленного бетона следует подсчитывать по формуле

      .

     Формула справедлива при воздействии  масла в течение 25-30лет. В более  поздние сроки прочность бетона следует принимать равной 1/3 от первоначальной.

     Методы  защиты бетона эксплуатируемых  конструкций при  физико-химических и  физико-механических агрессивных воздействиях

     Защита  бетона эксплуатируемых конструкций  осуществляется различными способами  в зависимости от характера разрушительного  воздействия. Классификация методов  защиты приведена на рисунке 6.

     Подготовка бетонной поверхности к проведению ремонтно-восстановительных работ состоит в тщательной очистке разрушенных участков от посторонних включений и наслоений. Очистка может быть проведена вручную с помощью зубила и металлической щётки, механическим способом с применением вращающихся проволочных щёток или с помощью пескоструйного аппарата. Подготовленная поверхность грунтуется специальными составами, обладающими высокими адгезионными свойствами. Для этого часто используется растворная смесь из портландцемента и кварцевой муки, замешанная на воде с добавлением синтетических смол. Свежая грунтовка посыпается сухим кварцевым песком крупностью 0,2-0,7мм. В качестве грунта могут быть использованы синтетические смолы в «чистом виде».

     Наложение шпаклёвочной массы необходимо производить по несхватившейся поверхности грунтовки. В шпаклёвку желательно добавить кварцевый песок крупностью 0,1-0,4мм.

     Если  поверхность ремонтируемого участка  достаточно большая (0,5м и более), то целесообразно делать набрызг цементного раствора и торкретирование.

     Торкретирование производится растворной смесью в соотношении цемент:песок=1:3. Смесь подаётся с помощью цемент-пушки под давлением 5-6 атм. Разбрызгивающее сопло располагается на расстоянии 0,5-1 м от ремонтируемой поверхности. Торкретирование ведётся слоями, толщина каждого из которых не более 4 см. Все последующие слои можно наносить только после схватывания предыдущего.

     На  отремонтированные участки и  окружающие бетонные поверхности наносится  защитный слой покрытия, вид которого обусловлен возможными агрессивными воздействиями.

     Эффективной защитой железобетонных конструкций  от атмосферных осадков может  служить их гидрофобизация или флюатирование. В первом случае бетон пропитывается на глубину 2-10мм гидрофобными (водоотталкивающими) составами на основе кремнийорганических полимерных материалов: ГКЖ-94, ГКЖ-10. Составы наносятся кистью или пульвелизатором на предварительно очищенную сухую поверхность конструкции.

     Во  втором случае делается обработка бетона 3-7%-ным раствором кремнийфтористоводородной кислоты. При этом кремнийфтористомагний MgSiF₆, реагирую с ионами кальция, образует на стенках пор и капилляров цементного камня нерастворимый защитный слой из кристаллов фтористого кальция и кремнезёма.

     Флюат наносится на поверхность бетона в 3-4 слоя. Интервал между нанесением слоёв обычно составляет 4 часа.

     Коррозия  арматуры

     Арматура  в бетоне играет исключительно важную роль, так как воспринимает растягивающее  напряжение от внешней нагрузки, обеспечивая  прочность конструкции, поэтому  коррозия арматуры недопустима.

     Рассмотрим  некоторые химические процессы, обусловливающие  защитные и разрушительные факторы, воздействующие на арматуру.

     Под влиянием щелочной среды цементного бетона (pH=12,5-12,6) стальная арматура пассивируется, т.е. защищается от окисления. Однако щелочность защитного слоя бетона в результате воздействия воды и содержащихся в воздухе двуокисей углерода CO₂ и серы SO₂ постепенно снижается, и, если она оказывается ниже значений pH=9,5, в арматуре начинаются окислительные процессы.

     Последовательность  образования агрессивной среды  и депассивация арматуры происходит следующим образом:

     образование и воздействие  углекислоты

     CO₂+H₂O=H₂CO₃,

     которая, реагирую с окисью кальция, содержащейся в бетоне, образует карбонат кальция и остаточную воду

     H₂CO₃CaO=CaCO₃+H₂O

     (указанная  реакция протекает в течение  нескольких лет, понижаю величину  pH в защитном слое бетона на 2,5-4 ед.);

     образование и воздействие  серной кислоты

     SO₂+H₂O= H₂SO₄,

     которая, реагируя с окисью кальция, образует гипс и остаточную воду

     H₂SO₄+CaO=CaSO₄+H₂O,

     (в  результате этой реакции величина  pH дополнительно может снижаться на 1-3ед., достигая велицины pH=6(7).

     Скорость  депассивации арматуры зависит главным образом от толщины защитного слоя бетона и степени агрессивности среды. Нормы [4] регламентируют эти величины также с учётом показателя проницаемости бетона [4, табл. 1] и типа арматурной стали [4, табл. 10].

     Виды  коррозии арматуры

     Коррозия  арматуры может быть вызвана разными  неблагоприятными факторами, обусловливающими химическое и электрохимическое  воздействие. К ним относятся  растворы кислот, щелочей, солей, влажные  газы, природные и промышленные воды, а также блуждающие токи.

     В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (соляная кислота), стальная арматура сильно корродирует в результате образования растворимых в воде и кислоте продуктов коррозии, причём с увеличением концентрации соляной кислоты скорость коррозии возрастает.

     В кислотах, обладающих окислительными свойствами (азотная, серная и др.), при высоких концентрациях скорость коррозии, наоборот, уменьшается из-за пассивации поверхности арматуры.

     Скорость  коррозии арматуры в щелочных растворах  при pH>10 резко снижается из-за образования нерастворимых гидратов закиси железа. Растворы едких щелочей и карбонаты щелочных металлов практически не разрушают арматуру, если их концентрация не превышает 40%.

     Солевая коррозия арматуры зависит от природы анионов и катионов, содержащихся в водных растворах солей.

     В присутствии сульфатов, хлоридов и нитратов щелочных металлов, хорошо растворимых  в воде, солевая  коррозия усиливается. И, наоборот, присутствие карбонатов и фосфатов, образующих нерастворимые продукты коррозии на анодных участках, способствует затуханию коррозии. На интенсивность солевой коррозии арматуры влияет кислород, который окисляет ионы двухвалентного железа и понижает перенапряжение водорода на катодных участках. С повышением концентрации кислорода скорость коррозии увеличивается.

     Рассматривая  воздействие газов, следует особо отметить агрессивность окислов азота NO, NO₂, N₂O и хлора Cl, которые в присутствии влаги вызывают сильную коррозию арматуры.

     Практика  обследования железобетонных конструкций, соприкасающихся с грунтом, указывает  на частные случаи разрушения арматуры блуждающими токами, которые появляются из-за утечек электроэнергии с рельсов электрифицированных железных дорог, работающих на постоянном токе, или других источников. В месте входа тока в конструкцию образуется катодная зона, а в месте выхода – анодная, или зона коррозии. Опыты показывают, что блуждающие токи распространяются на десятки километров в стороны от источника, практически не утрачивая силы тока, которая может достигать сотни ампер. Расчёты с использованием закона Фарадея показывают, что ток силою всего в 1-2А, стекая с конструкции, в течение года может уносить до 10кг железа. Обычно скорость разрушения арматуры блуждающими токами заметно превышает скорость разрушения от химической коррозии. Опасной для конструкции считается плотность тока При анализе агрессивных воздействий на железобетонные конструкции учитываются факторы, сопутствующие коррозии арматуры, и, кроме того, разрабатываются соответствующие защитные мероприятия.

     Требования  к армированию  конструкций, работающих в агрессивной среде

     В соответствии с рекомендациями [4] не допускается использование в  предварительно-напряжённых конструкциях, эксплуатируемых в сильноагрессивных  газообразных и жидких средах, стержневой арматуры класса A-V и термически упрочнённой арматуры всех классов. Нельзя также применять проволочную арматуру класс B-II, Bp-II и стержневую классов A-V, Aт-IV в конструкциях из бетона на пористых заполнителях, эксплуатируемых в агрессивной среде, если не предусмотрены специальные защитные покрытия.

     Оцинкованная  арматура рекомендуется к применению только в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемую плотность  бетона и толщину защитного слоя.

     Восстановление  эксплуатационных качеств конструкции с корродированной арматурой

     Образование продуктов химической коррозии на арматуре увеличивает её объём, вследствие чего бетон защитного слоя механически  разрушается. Это выражается в появлении  волосных трещин по направлению арматурного  стержня. Со временем трещины раскрываются, бетон защитного слоя отслаивается, и корродированная арматура оголяется. Для восстановления эксплуатационных качеств необходимо с помощью  металлической щётки или пескоструйного аппарата очистить арматуру от ржавчины и оценить степень её коррозии. Если коррозией повреждено более 50% площади сечения арматурного  стержня, то повреждённый участок вырезается и производится его замена на новый, равноценный по площади стержень, привариваемый электродуговой сваркой. При площади менее 50% повреждённый участок не вырезается, а на него наваривается дополнительный стержень усиления, компенсируемый разрушенное  сечение.

     На  все оголённые участки арматуры наносится защитное покрытие из эпоксидной смолы, обладающей хорошей адгезией к бетону и стали.

     Хорошей защитой арматуры также является послойное нанесение торкретбетона  толщиной слоёв 1-1,5см, приготовленного  на смеси цемент: песок=1:2 (1:3) и наносимого на обрабатываемую поверхность с  расстояния 1-1,2 м.

     Характеристики  бетонного покрытия (плотность бетона, толщина защитного слоя), независимо от способа нанесения покрытия, должны соответствовать показателям и  требованиям, представленным в таблицах 1 и 2.

     Таблица № 1. Требования к бетону конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах