Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

К ВОПРОСУ О ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЯХ БЕТОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОДООЧИСТНЫХ И ВОДООТВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ

Косухин М.М. 1 Шарапов О.Н. 1 Апалькова Л.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Проведены лабораторно-выездные исследования по выявлению причин разрушения поверхностей железобетонных элементов водоочистных сооружений. Установлено разрушающее влияние на физико-механические и эксплуатационно-технические свойства железобетона биокоррозионных процессов. Проведен сравнительный анализ технико-экономической эффективности железобетонных конструкций при использовании их в системах водоотведения. Выполнен анализ работ, посвященных биодеструкции железобетона, эксплуатируемого в биологически агрессивных средах. Показано, что под воздействием микробактериальной оксидации на внутренних поверхностях железобетонных коллекторов образуется кислотная среда, высокоагрессивная по отношению к бетону. Представлен общий механизм и область воздействия агрессивных сред внутри железобетонных коллекторов. Проведен анализ возможных мероприятий по защите бетона от агрессивных сред. Для исключения выявленных негативных факторов воздействия агрессивной среды предлагаются ремонтные составы на основе полифункционального модификатора фунгицидного действия.
ремонтные составы
модификаторы цементсодержащих композиций
биологическая коррозия
долговечность бетона
защитные покрытия водоотводящих коллекторов
1. Косухин, М.М. Повышение долговечности железобетона водоотводящих коллекторов / М.М. Косухин, В.А. Полуэктова, Л.В. Апалькова, О.Н. Шарапов, В.М. Малиновкер // Фундаментальные исследования – 2013. – № 8–4. – С. 838–840.
2. Кафтаева М.В. Регулирование свойств мелкозернистых бетонов с пониженным содержанием воды: автореф. дис. ... канд. техн. наук // Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов. – Белгород, 2000.
3. Шаповалов Н.А. Суперпластификаторы для бетонов / Н.А. Шаповалов, А.А. Слюсарь, В.А. Ломаченко, М.М. Косухин, С.Н. Шеметова // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2001. – № 1. – С. 29.
4. Кантор П.Л. Эффективность вторичной защиты железобетонных канализационных коллекторов / П.Л. Кантор, В.С. Асянова, В.М. Латыпов // Промышленное и гражданское строительство. – 2011. – № 12. – С. 65–66.
5. Гольдшмидт М. Минеральные защитные покрытия для бетонных поверхностей водоочистных сооружений от серно-кислотной агрессии // Технологии бетонов. – 2007. – № 4. – С. 14–15.

С середины XX века, преследуя направление индустриализации и типизации, повсеместно на всей территории страны, для решения вопросов отвода поверхностных, фекально-бытовых и промышленных стоков началось использование железобетонных трубопроводов. На тот момент перед строительным комплексом ставилась задача минимизировать объемы затраченных вложений в системы водоотведения путем сокращения применения металлических труб ввиду их дороговизны, сложности доставки и монтажа, а также чрезмерно усиленной подверженности коррозии.

На сегодня железобетонные трубопроводы зачастую израсходовали гарантированный лимит надежности из-за продолжительного срока службы, а также по причине воздействия различных веществ и газов на внутренние поверхности трубопроводов. Следствием данного факта зачастую становятся чрезвычайные происшествия, происходящие в разных регионах страны, наиболее резонансным из которых стал трагический случай в г. Брянске.

Вопрос о необходимости решения данной проблемы поднимался на протяжении длительного времени и зачастую сводился к банальному процессу замены трубопровода. Но данный вариант решения проблемы таит под собой зачастую множество «подводных камней», таких как невозможность проведения работ под автомобильными и железнодорожными путепроводами, большая глубина заложения, невозможность приостановления технологических процессов водоочистки, отсутствие возможности отведения стоков по другим магистралям, а в основном решение данного вопроса упирается в нехватку денежных средств для проведения данного трудоемкого, машиноемкого, а зачастую напрасного процесса.

Чтобы понять сущность вопроса, необходимо проанализировать проблематику его возникновения и впоследствии выбрать наиболее доступный путь решения.

Водоочистные 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, вызванному интенсивным протеканием различных коррозионных процессов. Проблема коррозии и защиты железобетонных конструкций коллекторов сточных вод является одной из наиболее сложных. Без всякого сомнения, бетон был и остается главным строительным материалом прошлого и нынешнего столетия. Это очень прочный, широко используемый, легко применяемый и относительно недорогой материал. В этой связи в строительстве водоочистных и водоотводящих сооружений бетон также занимает главенствующую роль.

Высокая степень индустриализации, более экономное использование воды, наряду с новыми методами очистки, предъявляют наиболее высокие требования к прочности бетона. Прочный бетон может выдержать высокие механические и термальные нагрузки, но, будучи щелочным материалом, имеет свои пределы прочности в случаях контакта с кислыми средами [1].

Бетон – щелочная композиция со значениями рН-фактора приблизительно равными 11–12. Щелочность в бетоне создают небольшие примеси гидроксидов щелочных металлов (до 1 %) и свободная известь – гидроксид кальция, образующийся как побочный продукт в процессе гидратации клинкерных минералов – силикатов и алюминатов кальция:

2(3CaO·SiO2) + 6H2O = 3CaO2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2

Гидроксид кальция частично растворим в воде – 1,3 г/л. Однако, если вода фильтруется через тело бетона, вынос свободной извести заметно возрастает, и это ведет к постепенной деструкции цементного камня. Потеря свободной извести до 20 % от ее содержания в бетоне серьезно влияет на несущие свойства конструкции.

Капиллярно-пористая структура и щелочной характер бетона делают его особо уязвимым по отношению к кислым средам. Это могут быть растворы неорганических и органических кислот, альдегиды, кислые и способные к окислению газы, а также соли, гидролизующиеся с образованием кислот. Даже дистиллированная вода с величиной рН-фактора равной 6 является опасной для бетона.

Кислоты взаимодействуют со свободной известью в бетоне, превращая ее в соли. Химическое равновесие в системе цементного камня смещается в сторону дополнительного гидролиза гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с образованием новых порций извести, которая вновь связывается, и т.д. Эти повторяющиеся процессы приводят к существенным изменениям в структуре цементного камня. За небольшим исключением (фосфорная, щавелевая и кремнефтористая кислоты, образующих с известью труднорастворимые соли) механизм разрушительного действия на бетон характерен для всех остальных кислот. Кислые растворы растворяют на поверхности бетона плотную пленку карбоната кальция – продукта карбонизации свободной извести, облегчая доступ кислот в поровое пространство бетона.

Городские непромышленные сточные воды, которые поступают на водоочистку с рН 6,5–7, в соответствии с действующими нормами, не представляют опасности для бетона и кирпича. В то же время стоки, проходя различные стадии обработки и очистки, подвергают опасности вторичной атаки посредством концентрации токсинов биологических процессов, которые в действительности вызывают разрушение бетона. В бытовых стоках органические субстанции, получаемые в процессе биологической очистки, трансформируются в биомассу как углекислый газ СО2 и сероводород Н2S, отдельно друг от друга. СО2 – природный газ, находящийся в атмосфере в количестве 0,03 %, является катализатором гораздо более опасного процесса – карбонизации бетона, но закономерно то, что процесс не происходит в мокрой среде водоочистных сооружений. Н2S, подобно СО2 также не очень агрессивен по отношению к бетону, но в то же время является причиной неприятного запаха. Проводя минимизации вредного влияния сероводорода необходимо максимально герметично изолировать стадии очистки. В результате структурных перемен сточных вод в процессе очистки, происходит вторичная атака на бетон над уровнем стоков, так называемая газовая атака.

Под действием данных процессов микробактериальная оксидация тиобациллы преобразовывает Н2S в концентрированную серную кислоту Н2SO4. По истечению нескольких месяцев это неизбежно приведет к падению рН до уровня 1–2,5. Н2SO4 – высокоагрессивная кислота по отношению к бетону, к тому же кислотная атака проходит двумя путями:

– оказывает растворяющий эффект (цементный камень просто растворяется);

– мелкодисперсная атака твердыми частицами отходов жизнедеятельности, которые образуют тонкий слой на поверхности бетона.

pic_75.tif

Рис. 1. Коррозия бетона в газовой среде коллекторов

pic_76.tif

Рис. 2. Прочный (инкрустирующий) слой осадков сложного органоминерального состава

Проникновение частиц осадка внутрь бетона вызывает его разрушения, появляются трещины, и процесс разрушение интенсивно ускоряется во времени.

Под воздействием вышеперечисленных факторов незащищенный бетон очень быстро разрушается. Материалы, применяемые для защиты бетона от негативных воздействий. должны отвечать следующим условиям:

– безопасность для здоровья и окружающей среды;

– кислотоустойчивость при рН = 1 и менее;

– безупречная адгезия к бетону в постоянно влажных условиях;

– прочность к механическим воздействиям.

Изучению вопроса повышения долговечности бетонных и железобетонных конструкций в различных средах, в том числе и агрессивных, посвящены труды многих ученых: В.С. Асяновой [4], П.Л. Кантора [4], М.В. Кафтаевой [2], М.М. Косухина [3], В.М. Латыпова [4] и других. Исследования вышеперечисленных авторов показали, что органические покрытия (эпоксиды и полиуретаны) дают достаточно надежную защиту бетона от кислых сред, но на этом их преимущества заканчиваются.

Результаты лабораторно-выездных исследований на сооружениях водоочистки показали, что органические покрытия не имеют диффузии водяного пара (не «дышат») и по этой причине обречены на потерю адгезии к бетону. Данный процесс происходит из-за давления влаги изнутри бетонной конструкции, находящейся в контакте с грунтом, что, в свою очередь, приводит к образованию пузырей на поверхности защитного покрытия. Подобные явления были отмечены на большинстве водоочистных сооружений, что позволяет судить о системности данных процессов. Из-за своих физико-химических свойств органические покрытия очень чувствительны к влажности бетона (для эпоксида 0,6 %, для полиуретана – 0,4 %), что делает практически невозможным их использование для санации старых, поврежденных бетонов, находящихся в постоянно влажном состоянии. На сегодняшний день повсеместно вводятся ограничения на использование органических материалов для конструкций, которые эксплуатируются во влажных условиях, примером могут служить нормы Федеративной Республики Германия (ZТV-W), регулирующие меры по ремонту бетона, в которых запрещается использование органических материалов. Подобные принципы относятся и к санитарно-инженерному строительству. Вторым, но не менее важным и серьезным недостатком органики является их слабая устойчивость к механическим нагрузкам [5].

В то же время минеральные системы на базе цемента, свободного от С3А (трехкальциевый алюминат), которые обладают диффузией водяного пара («дышат»), могут гарантировать прочную адгезию к бетону. Это подразумевает под собой устранение главной причины разрушения защитного покрытия посредством потери плотного сцепления между самим бетоном и защитным материалом. Также помимо способности «дышать» полимерсиликаты высокоустойчивы к газовой атаке при рН < 3,5, что позволяет их приоритетно использовать на сооружениях водоочистки и водоотводящих коллекторах. Полимерсиликат (без цемента) содержит аморфный силиконовый гель, который формирует прочную, водонепроницаемую, кислотоустойчивую матрицу, а также обеспечивает прочную адгезию к бетону, имеет диффузию Н2О. Полимерсиликат высокоустойчив к механическим воздействиям на протяжении длительного времени.

Были проведены испытания ремонтных составов на основе цементносодержащих композиций, модифицированных фунгицидным модификатором полифункционального действия. Модификатор представляет собой продукт конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом. Наличие в его составе олигомерных продуктов конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом и непроконденсированных продуктов осмоления отходов производства резорцина – смеси дизамещенных фенолов и ароматических сульфокислот отличает этот модификатор от большинства аналогов способностью проявлять фунгицидные свойства в щелочной среде. Кроме того, использование модификатора позволяет значительно повысить подвижность ремонтных составов при постоянном и сниженном водоцементном отношении, что в свою очередь приводит к увеличению адгезии затвержденного состава к основанию, повышению плотности и прочности ремонтного покрытия за счет кептезирующего действия модификатора.

Безусловен экономический эффект, учитывающий затраты на ремонт вследствие газовой атаки, инвестиции в прочную, надежную защиту бетона имеют прямою финансовую целесообразность по отношению к новому строительству. При экономическом расчете принимается во внимание, что в закрытых циклах очистки стоков нуждаются в защите только верхние зоны (выше уровня сточных вод), а не вся поверхность емкостей, приводящая к экономии средств, затрачиваемых на комплекс восстановительных мероприятий.

Стоимость полимерсиликатной системы составляет около 1 % от стоимости общих инвестиций в строительство нового очистного сооружения. Нужно также отметить, что нанесение защитной системы после ввода сооружений в эксплуатацию стоит значительно больше, чем ее создание в процессе строительства. Это связано с необходимостью остановки рабочих циклов и использованием запасных методов очистки или транспортировки сточных вод.

Рецензенты:

Евтушенко Е.И., д.т.н., профессор, проректор по научной работе, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;

Лопанов А.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 02.10.2014.


Библиографическая ссылка

Косухин М.М., Шарапов О.Н., Апалькова Л.В. К ВОПРОСУ О ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЯХ БЕТОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОДООЧИСТНЫХ И ВОДООТВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-1. – С. 20-23;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35470 (дата обращения: 22.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074