Широкое применение бетонных и железобетонных конструкций при строительстве зданий и сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки выдвигает на первый план проблему обеспечения их долговечности.
Указанные конструкции относятся к долговременным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одному поколению людей. Поэтому к ним практически не применимо понятие морального износа. Рассмотрим некоторые сооружения систем водоснабжения и водоочистки.
Водопроводные станции.
Железобетонные резервуары для очистки и хранения литьевой воды в составе водопроводных станций используются в нашей стране более 70 лет. Как правило, резервуары частично или полностью заглублены в землю. Сверху резервуары защищены от размораживания споем фунта толщиной около 1 м. Наиболее часто обследуемыми сооружениями водопроводных станций являются отстойники и резервуары для питьевой воды. По санитарным нормам, не допускается попадание в резервуары фунтовых вод. Утечка из резервуара воды в грунт способна повредить основание сооружения.
Отстойники представляют собой 3-секционные сборно-монолитные емкостные сооружения глубиной около 5 м и предназначены для образования и хранения осадка, выделяющегося при введении в очищаемую воду специальных реагентов-коагулянтов: сульфата алюминия и/или оксихлорида алюминия. Часовая подача воды по отстойнику составляет около 800 м³.
Резервуары для хранения питьевой воды представляют собой железобетонные сооружения из монолитного бетона глубиной около 5 м. Перекрытие плоское, безбалочное, опирается на сборные железобетонные колонны. Резервуары разделены на секции железобетонными перегородками.
Железобетонные конструкции резервуаров в основной период эксплуатации подвергаются воздействию чистой воды, а в периоды профилактической очистки действию хлора, гипохлорита натрия и других химических веществ. В зоне выше уровня воды конструкции постоянно подвергаются воздействию углекислого газа из воздуха.
По содержанию сульфатов, хлоридов и величине рН степень воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оценивается как неагрессивная.
Но при этом действие питьевой воды на железобетонные конструкции проявляется в виде следующих процессов:
- выщелачивание водой гидроксида кальция из состава цементного камня, вызывающее разуплотнение бетона в поверхностных слоях;
- взаимодействие растворенной в воде углекислоты с гидроксидом кальция из состава цементного камня с образованием растворимого бикарбоната кальция;
- взаимодействие хлора со щелочными компонентами цементного камня (гидроксидом, гидросиликатами и гидроалюминатами кальция) с образованием в качестве конечного продукта хлорида кальция, что приводит к растворению цементного камня в поверхностном слое бетона, а при содержании хлоридов более 0,5 % от массы цемента в бетоне вызывает коррозию стальной арматуры;
- карбонизация бетона углекислым газом воздуха вызывает образование карбоната
кальция. В определенных условиях образующийся карбонат может заполнять трещины и поры бетона, разрывая их изнутри. Как было установлено обследованиями отстойников, глубина карбонизации бетона велика. За 20-30 лет эксплуатации она не только достигает поверхности арматуры, но и распространяется на всю толщину бетона.
В большинстве случаев внутренние поверхности резервуаров, построенные более 20 лет назад, должны иметь защитный слой, выполненный из торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации торкретбетон разрушается основательно. За разрушенным споем торкретбетона находится размягченный слой бетона. При нормальной толщине защитного слоя (15-20 мм) стальная арматура не должна иметь следов коррозии и коррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной на 5 мм. В этом случае требуется удаление оставшихся следов торкретбетона и выполнение гидроизоляции несущей части сооружения.
Наибольшее деструктивное действие на железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оказывает сквозная фильтрация воды в трещинах днища, стен и покрытия. Причиной образования трещин являются как температурные деформации отдельных железобетонных элементов, так и деформации всего сооружения, вызванные неравномерной осадкой грунта. Подвод растворенного кислорода, нейтрализация стенок трещин в бетоне (снижение рН) создают условия для образования гальванической пары на поверхности арматуры с анодом в трещине. В этих условиях в трещине сталь растворяется, в то время как в прилежащем к трещине бетоне сталь остается пассивной. В результате интенсивной коррозии наблюдается обрыв арматуры а трещинах.
Ремонтно-восстановительные работы в отстойниках и резервуарах питьевой воды включают операции по восстановлению сечения стальной арматуры, заделке трещин с применением современных шовных гидроизоляционных материалов, восстановлению защитного слоя бетона путем использования ремонтных составов и го защите железобетонных конструкций от выщелачивающего воздействия воды.
Станции аэрации представляют собой огромный комплекс зданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооружений применена технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружения механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэростанки, вторичные отстойники). Из наиболее повреждаемых сооружений станций аэрации являются первичные и вторичные отстойники, песколовки, каналы и аэротанки.
Отстойники первичные и вторичные представляют собой круглые железобетонные сооружения, заглубленные в грунте. Отстойники возвышаются над поверхностью грунта на 0,5-0,8 м. Обычно стены отстойников выполняются из сборных железобетонных блоков, центральная часть — из монолитного железобетона. В первичных отстойниках происходит гравитационное осаждение основной части взвешенных загрязнений сточных вод и флотация плавающих веществ. Во вторичных отстойниках происходит отстаивание иловой смеси, поступающей из аэротанков, и отделение активного ила от очищенной воды.
Аэротанки в плане представляют собой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частично заглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с поперечными деформационными швами. Процесс очистки в аэротанках основан на биологической деструкции (окислении) растворенных и нерастворенных органических соединении саморегулирующимся консорциумом различных микроорганизмов (активным илом). Для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и перемешивания образованной им с водой иловой смеси в аэротанки по аэрационной системе подается сжатый воздух.
Основное агрессивное воздействие на железобетонные конструкции сооружений станций аэрации оказывает очищаемая вода, содержащая аммонийные соли, сульфаты, хлориды, сероводород, сульфиды и нефтепродукты.
В условиях эксплуатации отстойников, песколовок, каналов и аэротанков бетон подвергается повреждению за счет выщелачивания. Выщелачивание понижает содержание основных (щелочных) соединений в бетоне, приводит к снижению рН, что вызывает коррозию стальной арматуры. Выщелачивание наиболее опасно в тонкостенных конструкциях (перегородки аэротанков), когда составляющие цементного камня могут растворяться и вымываться водой.
Существенное влияние на протекание процессов выщелачивания оказывает химический состав очищаемой воды. Присутствие в воде солей, повышающих ионную сипу раствора, увеличивает выщелачивание Са(ОН)2;.
Наличие в аэрируемых стоках пузырьков воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скорость омывания поверхности конструкций аэротанков водой потенциально создают условия для возникновения процессов разрушения бетона и арматуры в подводной зоне аэротанков. Активная аэрация воды воздухом вызывает ускоренную карбонизацию бетона, следствием чего является утрата бетоном защитного действия по отношению к стали и развитие коррозии стальной арматуры.
Кроме того, сточные воды на входе в очистные сооружения характеризуются высоким показателем биологического (БПК5) и химического (ХПК) потребления кислорода, что может отрицательно сказаться на стойкости бетона при условии развития в нем процессов микробиологической коррозии.
Карбонизация бетона является одной из наиболее распространенных причин коррозии железобетона в конструкциях зданий и сооружений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процесс взаимодействия бетона с углекислым газом, в результате которого гидроксид кальция цементного камня вступает в химическое взаимодействие с углекислым газом и образует карбонат кальция. Карбонизация сопровождается снижением рН жидкой фазы, разложением силикатов и алюминатов кальция, потерей пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре, развитием коррозии последней, снижением несущей способности конструкции и иногда ее разрушением.
Климатические факторы активно влияют на скорость карбонизации бетона. К таким факторам относятся влажность и температура воздуха, частота и интенсивность атмосферных осадков (дождь, роса), скорость и направление ветра, нагрев поверхности солнцем. Определенное значение может иметь микроклимат сооружения.
Таким образом, в условиях эксплуатации конструкций зданий и сооружений станции аэрации основным агрессивным газом является углекислый газ, а основной вид повреждения железобетона в газовой среде станции аэрации — карбонизация защитного слоя бетона и вызванная этим процессом коррозия стальной арматуры. В песколовках агрессивное воздействие водной среды дополняется истирающим действием песка на поверхность железобетонных конструкций.
Основным способом защиты бетона от карбонизации является понижение его проницаемости до уровня, оцениваемого марками по водонепроницаемости W8 и более.
Надземная (надводная) часть сооружений аэротанков, песколовок, каналов, отстойников подвергается воздействию температуры и влаги окружающей среды, конденсата и атмосферных осадков. В летнее время надземная часть подвергается воздействию солнечной радиации, увлажнению и высушиванию, в зимнее время — циклическому замораживанию и оттаиванию. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и сточных вод из сооружений. Обширные исследования бетона в различных температурных условиях показывают, что периодическое замораживание и оттаивание негативно влияет на прочность бетона. В этих условиях наиболее быстрое повреждение наступает, если бетон находится в водонасыщенном состоянии. Образование в бетоне трещин под воздействием механических нагрузок, температурно-влажностных деформаций и других причин способствует быстрому насыщению бетона водой и ускоренному разрушению его в условиях знакопеременных температур.
Большие градиенты температуры и влажности в надземной зоне стен аэротанков, каналов и отстойников по отношению к подводной зоне создают предпосылки к возникновению трещин в бетоне и разрушению швов между плитами стен вследствие температурных и усадочных деформаций. Для указанных сооружений характерно
размораживание бетона в холодный период года.
Бетон в надземной и надводной части стен, перегородок, пешеходных мостиков конструкций аэротанков, песколовок, каналов и отстойников подвергается в водонасыщенном состоянии попеременному оттаиванию и замораживанию. В этом случае основной причиной повреждений является недостаточная морозостойкость бетона.
Несовершенство нормативной базы, недостатки проектирования, дефекты изготовления конструкций способствуют раннему повреждению конструкций.
В условиях эксплуатации аэротанков, каналов и отстойников эффективным и сравнительно простым способом повышения морозостойкости и водонепроницаемости бетона является применение технологий с использованием систем материалов проникающего гидроизоляционного действия и ремонтных составов.
За последние годы с помощью материалов системы «Пенетрон» выполнены работы для МУП «Водоканал» различных городов: Екатеринбурга, Москвы, Санкт-Петербурга, Дзержинска, Клина. Челябинска, Бердска, Ханты-Мансийска, Томска. Магнитогорска. Сыктывкара. Ачинска. Минска, Тулы, Владивостока, Златоуста. Юганска и др.