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 = 3CaO2SiO2·3H2O + 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.
Рис. 1. Коррозия бетона в газовой среде коллекторов
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.