Бетоны. Бетоноведение

Ремонт и гидроизоляция железобетонных изделий

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Вся представленная информация, рекомендации и выводы относятся как к асбестоцементпым, так и бетонным трубам. Термин «вспомогательные сооружения» означает смотровые колодцы н отстойники насосных станций, а не емкости в установках для очистки сточных вод, так как последние были рассмотрены в предыдущем разделе («Резервуары для слабоагрессивных жидкостей»).

Бытовые сточные воды нормальной концентрации не агрессивны к бетону на портландцементе. Это подтверждается тем фактом, что из сотен тысяч километров труб общественных канализационных систем в Великобритании лишь очень небольшой процент значительно пострадал от химической агрессии.

Но если разрушение все-таки произошло, ремонт его, как правило, обходится очень дорого. Бетон в канализационных системах подвергается химической агрессин вследствие одной из трех основных причин:

1)         наличия агрессивных химических веществ в сточных водах (например, из промышленных отходов);

2)         присутствия агрессивных химических веществ в грунте или грунтовой воде, окружающих канализационную систему;

3)         образования агрессивных химических веществ внутри самой канализационной системы вследствие так называемого двухстадийного действия бактерии.

Пункты 1 и 2 уже рассмотрены в предыдущих разделах этой главы.

Образование агрессивной среды внутри канализационной системы в результате двухстадийного действия бактерий

При небольшой скорости потока сточных вод (меньшей, чем это требуется для самоочистки коллектора) в иле и осадках в нижней части коллекторов и отстойников под действием анаэробных бактерий может образовываться сероводород. Разлагая соединения серы в сточных водах, бактерии вырабатывают газ. Одно время считали, что для действия бактерий необходимы промышленные сточные воды с высокими концентрациями соединений серы. Теперь известно, что сероводород образуется и в хозяйственно-фекальных сточных водах.

Соединения серы в высоких концентрациях обеспечивают анаэробные бактерии дополнительным питанием, что приводит, таким образом, к образованию большего количества H2S.

Сам сероводород не вызывает химической агрессин качественного бетона, но когда образуется газ, который не может быстро улетучиваться из канализационной системы, не исключено его превращение в серную кислоту под действием аэробных бактерий во влажном воздухе над поверхностью воды в коллекторах и отстойниках насосных станций. Серная кислота чрезвычайно агрессивна к бетону как на портландцементе, так и на глиноземистом цементе.

Всего лишь несколько лет назад считали, что действие бактерий более вероятно при более теплом, чем в Великобритании (при условии, что для этого нет каких-либо особых обстоятельств), климате. Примером таких обстоятельств явились коллекторы в Бертон-он-Трент, по которым проходили в большом количестве отходы с пивоваренных заводов. В промышленных сточных водах этих заводов содержались серные соединения высоких концентраций. Позднее как в Великобритании, так и других странах с таким же или более холодным климатом (например, в Финляндии) также были отмечены случаи химической агрессии в коллекторах, по которым пропускают только хозяйствеино-фекальные сточные воды.

Химическая агрессия происходит выше среднего уровня воды в канализационных трубах, отстойниках насосных станций и в смотровых колодцах. Чем выше температура в канализационных трубах, тем больше опасность химической агрессии. В свежих сточных водах нормальной концентрации вряд ли будет вырабатываться сероводород (который является первым признаком химической агрессии этого типа), но если сточные воды становятся септическими (а это в равной степени относится к отложениям в канализационных трубах и отстойниках), то опасность образования H2S значительно возрастает. Септичность в канализационной трубе — процесс биологический, вызываемый деятельностью анаэробных бактерий, в результате которой некоторые органические соединения переходят из более высокой в более низкую степень окисления, некоторые твердые органические вещества становятся растворимыми и выделяется углекислый газ, метан и сероводород.

Канализационные системы Австралии, ЮАР, южных штатов США, Египта и Малайи сильно пострадали от химической агрессин такого типа. Австралийский ученый Паркер в 1945 г. четко определил условия ее возникновения: содержание в сточных водах соединений серы, благоприятная среда для роста анаэробных бактерий, которые уменьшают количество этих соединений, обусловленное образованием сероводорода, и последующее его окисление до H2SO,4. Важную роль при этом играет температура внутри сооружения (отстойники, емкости и т.п.). Принято считать, что диапазон температур от 12 до 30°С является наиболее благоприятным для развития химической агрессии этого типа. Образование H2S в сильной степени активизируется при температуре выше 16°С.

Результаты изысканий свидетельствуют о том, что количество образующегося сероводорода, .вероятно, достигает максимума при рН, равном примерно 7,7, и резко падает, когда рН превышает 8. Следует отметить, что в городских сточных водах средней    концентрации рН находится в пределах 6,8—7,8.

Важным фактором при обработке сточных вод является их способность поглощать кислород. Хотя влияние поглощения кислорода жидкостью менее заметно, чем влияние температуры, имеются данные, что общее количество образованных сульфидов, вероятно, прямо пропорционального кислорода.

Выход H2S в воздух над жидкостью значительно облегчается ее турбулентностью. Вентиляция пространства над жидкостью в местах образования H2S может быть решающим фактором. При хорошей вентиляции и быстром выпуске газа в атмосферу вряд ли будет образовываться серная кислота даже при большом содержании H2S. Таким образом будет ликвидирована или значительно снижена опасность агрессивного воздействия на бетон.

Признаки агрессивного воздействия этого типа на бетон и асбестоцемент в канализационных системах таковы.

1.         Разрушение происходит выше уровня  воды.

2.         Цементный камень под действием агрессивного вещества (серной кислоты), превращается; в мягкий, похожий на замазку. материал со значением рН, равным нейтральному 7 или ниже (вместо 10,5—11,5в нормальном бетоне). Данные анализа этого материала показывают, что он в основном состоит из сульфата кальция.

3.         В некоторых случаях ка бетоне и металлических поверхностях, находящихся в контакте с сероводородом, образуются отложения желтого порошкообразного вещества. Анализ этого вещества показывает, что оно состоит примерно на 70% из элементарной серы. Очевидно, оно образовалось в результате сложной химико-микробиологической реакции.

Результаты агрессивного воздействия этого типа, если оно продолжалось более или менее непрерывно в течение длительного периода, могут быть очень серьезными. Толщина стенки трубы уменьшается на 75%, сводя почти к нулю ее проч-

Как же оградить бетон от такого воздействия? Автор считает, что предупредить повреждение всегда легче, чем его устранить, поэтому прежде всего необходимо рассмотреть мероприятия, которые будут препятствовать возникновению благоприятной среды для развития цикла: анаэробные бактерии — сероводород — аэробные бактерии — серная кислота.

Новые канализационные системы

При проектировании системы"следует предусматривать меры, максимально снижающие турбулентность или регулирующие ее так, чтобы выделяющийся сероводород можно было "выпускать в атмосферу. Если такое решение невозможно, следует принять особые меры предосторожности по защите бетона на портландцементе, примыкающего к участкам турбулентности. Турбулентность играет .исключительно важную роль в создании агрессивной среды. Это гаполне логично, так как турбулентные потоки способствуют высвобождению H2S, а в серную кислоту превращается именно H2S, который содержится в воздухе над уровнем воды.

Следует сделать все возможное, чтобы удалить с помощью вентиляции H2S из влажной теплой среды внутри коллектора. Автор видел, как при замене герметичной крышки приемной камеры илоперегнивателя решеткой полностью прекратилась агрессия.

Следует предусматривать такие скорости тока жидкости во всех канализационных трубах, которые обеспечивали бы их самоочистку. Если это нецелесообразно (например, в новых системах, где начальный поток может быть значительно меньше конечного расчетного), следует предусмотреть устройство для регулярной промывки и очистки от скопившегося в нижней части трубы ила или других наносов. Хорошая промывка имеет еще одно преимущество — она вымывает кислоту, которая могла образоваться на уровне воды или выше. Обычно ее приходится повторять каждые две недели.

При проектировании системы, в которой агрессивное воздействие на бетон ожидается в первые годы эксплуатации, можно предусмотреть удовлетворительную защиту бетона эпоксидной смолой специального состава толщиной не менее 0,6 мм. Покрытие такой толщины следует наносить как минимум в три слоя. Существенно важно обеспечить полное сцепление покрытия с бетоном без пропусков. Во многих случаях основной причиной разрушения таких покрытий является потеря сцепления с бетоном вследствие неудовлетворительной подготовки поверхности бетона. Этому также способствует неправильный подбор состава смолы, недостаточная толщина пленки и небрежное ее нанесение.

Хорошая подготовка бетонного основания может быть затруднена в трубах, диаметр которых слишком мал для доступа рабочих внутрь. Подготовка поверхности осуществляется, как правило, посредством пескоструйного аппарата, напорной струей воды или тщательной очисткой поверхности проволочными щетками.

В Великобритании сконструировано оборудование () для нанесения покрытии из эпоксидных и почиуретановых смол на внутреннюю поверхность труб в полевых условиях, на за воде или на строительной площадке. В некоторых случаях, когда имеется необходимое оборудование, практикуется пропитка бетона газообразным тстрафторндом кремния (метод запатентован). Этот метод разработан в Голландии и известен под названием «окрентинг». По лицензиям его используют в ряде стран. Эффективность применения этого метода зависит от нескольких факторов:

а) глубины пенетрации газа (SiF4) в поверхность бетона, которая должна быть не менее 5 мм;

б) концентрации и содержания присутствующей серной кислоты.

Защита бетона происходит, ло-видимому, вследствие образования фтористого кальция при реакции газа SiF4 с продуктами гидратации в цементном тесте, в основном с гидратом окиси кальция Са(ОН)2.

Газообразный тетрафторид кремния обладает исключительно высокой химической активностью; он агрессивен к большинству металлов и ядовит для людей. Эти свойства усложняют и затрудняют процесс пропитки. Опыт показывает, что бетон, обработанный таким методом, обладает большей устойчивостью против агрессивного воздействия, чем незащищенный бетон на портландцементе. Использование известнякового заполнителя также увеличивает долговечность бетона. Использование бетона, пропитанного газообразным тетрафторидом кремния, создает среду, неблагоприятную для образования большого количества сероводорода и его превращения в серную кислоту. Это позволяет преодолеть трудности в начальный период эксплуатации канализационной системы, когда потоки весьма малы, а также впоследствии, когда в коллекторе будет достаточное количество сточных вод.

Еще одним решением может быть применение нового материала, известного под названием «F.70». Автор имел возможность наблюдать успешное применение этого материала в качестве наружного защитного слоя в силосах для обеспечения непроницаемой поверхности бетона после ремонта. Согласно характеристике фирмы-изготовителя, F.70 является модифицированным раствором ортосиликата. Для придания устойчивости к воздействию серной кислоты в коллекторах F.70 армируют тонко измельченной (порошкообразной) нержавеющей сталью. Покрытие из такого материала инертно ко многим химическим веществам, в том числе к слабым кислотам. И хотя в настоящее время изготовители не могут дать гарантий в случаях концентраций серной кислоты, не оговоренных техническими условиями, этот материал, вероятно, обеспечит удовлетворительную защиту 'бетона в начальный период эксплуатации канализационной системы.

Существуют также материалы для облицовок, которые состоят из стекловолокна, пропитанного полимерной смолой. Одним из недостатков этого метода защиты является трудность обеспечения полностью газонепроницаемых швов между отдельными участками облицовки. Если сероводород просачивается через облицовку или швы и превращается в серную кислоту, коррозия бетонных труб может протекать незаметно до тех пор, пока они не будут серьезно повреждены. По той же причине любой тип облицовки, не имеющей полного сцепления с бетонным основанием, таит в себе потенциальную опасность.

Результаты исследований, которые много лет проводились в ЮАР, показали, что срок службы бетона на высококачественных известняковых заполнителях значительно больше, чем у бетона на заполнителях из кремнистого гравия или горных пород вулканического происхождения. Существенно, чтобы известняковый заполнитель и цементный камень имели одинаковую степень проницаемости. При использовании известнякового заполнителя агрессивное действие кислоты будет распространяться одновременно на цементный камень и на заполнитель, а не сосредоточиваться только на ограниченном количестве цементного камня. Поэтому в новых системах, где предполагается такое агрессивное воздействие, целесообразно использовать в бетоне качественный известняковый заполнитель.

Независимо от тина использованного заполнителя первым условием зашиты железобетонного сооружения при любом агрессивном воздействии является применение плотного непроницаемого бетона. Такой бетон можно получить при высоком расходе цемента (не менее 360 кг/м3) и низком водоцементном отношении (не более 0,45). Кроме того, для обеспечения максимальной плотности бетон при укладке следует тщательно уплотнять н выдерживать.

Бетонные канализационные трубы, отвечающие Бри стандарту BS 556, изготовляются из бетона высокого качества с расходом цемента не менее 400 кг/м3 и водоцементным отношением при любом способе изготовления не более 0,4. Некоторые фирмы используют около 450 кг цемента на 1 м3 бетона при б/7/=0,33. Асбестоцементные трубы, регламентированные Британскими стандартами BS 486 «Напорные трубы» и BS 3656 «Канализационные трубы», также не уступают по свойствам высококачественным бетонным трубам. Старые канализационные системы

Проблемы, связанные с действием агрессивной среды в старых канализационных системах, во многих отношениях сложнее, чем в новых. Самое;трудное — это, пожалуй, достаточно точное определение степени повреждений внутри труб относительно небольшого диаметра (150—900 мм), недоступных для человека.

При подозрении на коррозию прежде всего необходимо тщательно осмотреть отстойники насосных станций и канализационные смотровые колодцы на разгрузочном конце напорных магистралей, так как именно здесь может произойти разрушение. После того как в этих смотровых колодцах будет обнаружена коррозия, следует приступить к осмотру верхних отрезков напорных труб и верхних секций гравитационных коллекторов, принимающих спускаемые воды. Если диаметр труб менее 900 мм, осмотр наиболее целесообразно проводить с помощью телевизионной системы, работающей по замкнутому кругу. Прежде чем приступить к такому осмотру рекомендуется очистить и хорошо промыть струей воды каждый отрезок коллектора. К сожалению, даже лучшие фотографии подтверждают лишь коррозию бетона, но определить ее степень, глубину и влияние на несущую способность труб не представляется возможным. .Чтобы решить этот весьма важный вопрос,;необходимо отрыть и вынуть отдельные трубы для подробного и тщательного осмотра.

Автор полагает, что может быть сконструировано специальное устройство для регистрации в полевых условиях значительных -изменений диаметра трубы.

Следует принять все возможные меры по уменьшению турбулентности и устройству вентиляции в местах разрушения труб. Усовершенствование вентиляции во всех секциях канализационной системы, где, как известно, образуется серозодород, дает положительные результаты.

Ремонт поврежденного бетона необходимо проводить следующим образом.

1.         Весь поврежденный и рыхлый бетон следует тщательно удалить и хорошо промыть поверхность чистой водой.

2.         Для нового бетона нлн раствора рекомендуется использовать бутадиен-стиральный латекс. Укладывать его следует в соответствии с принципами, изложенными в этой книге.

3.         После того как новый бетон нлн раствор будет выдержан определенное время н затвердеет, на него следует нанести не менее трех слоев эпоксидной смолы (при общей толщине «е менее 0,6 мм) или три слоя модифицированного раствора ор-тосиликата, армированного порошком из нержавеющей стали (см. предыдущий раздел). Вероятно, эпоксидная смола будет обеспечивать защиту более длительный период времени, чем раствор ортосилнката. При выборе защитного покрытия следует учитывать возможность уменьшения агрессивности среды с помощью мероприятий, предложенных в этом разделе.

Необходимо предусматривать регулярную очистку труб, колодцев и отстойников, чтобы уменьшать скопление ила и удалять образовавшу/ося на бетоне кислоту.

Положительные результаты часто дает очистка самих сточных вод, так как при этом уменьшается образование сероводорода п замедляется деятельность анаэробных и аэробных бактерий. Исследования, проведенные в ЮАР, показали, что соответствующая доза извести повышает в сточных водах рН до 8—9, а ранее уже упоминалось, о том, что образование сероводорода значительно снижается, когда значение рН выше 8. Опыт ЮАР показывает, что введение в сточные воды извести дешевле и эффективнее добавления хлорной извести, выделяющей хлор. Однако этим отнюдь не обязательно пользоваться во всех случаях. Другие работы свидетельствуют о том, что введение хлора на выходе весьма эффективно. Некоторые специалисты предпочитают вводить в отстойники известь, а затем в напорную магистраль хлор. Введение в напорную магистраль кислорода также дало положительные результаты.

Новый метод обработки сточных вод заключается в добавлении к ним перекиси водорода (Н202). Перекись водорода вступает в реакцию с сероводородом, образуя воду и серу, причем последняя выпадает п виде осадка и не агрессивна к бетону на портландцементе. Сообщение о разработке этого метода опубликовано в журнале «Водопроводные и канализационные сооружения» в августе 1973 г. (США). Последующие исследования в других странах подтверждают эффективность метода для уменьшения количества образующегося сероводорода и, следовательно, конечного продукта — серной кислоты. Однако испытания этого метода дают возможность предположить, что он гораздо дороже, чем другие упомянутые методы.

Так как температура играет важную роль при образовании сероводорода (выделение H2S резко возрастает выше 16ЭС), нужно делать все возможное, чтобы исключить спуск горячих сточных вод в канализационную систему.

Рекомендуется проводить тщательные и регулярные осмотры (например, дважды в год) для установления необходимости ремонтных работ.