CC BY
20
УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕЧЕЙ В НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Образование течей и «свищей» в бетонных обделках подземных сооружений связано с локальной неплотностью бетона, которая характеризуется его водонепроницаемостью. Известно [1], [2], что водонепроницаемость бетона зависит более чем от 14 факторов, среди которых основным является степень и характер пористости материала, в свою очередь, зависящая от водноцементного отношения (В/Ц:). Считается, что чем крупнее поры, тем проницаемее бетон. Так, по данным работ [3], [4], увеличение диаметра пор в горных породах или бетонах на один порядок ведет к увеличению количества протекающей по ним жидкости в 10000 раз, то есть это количество, согласно уравнению Пуайзеля для фильтрации пропорционально радиусу пор в четвертой степени. В сложной системе пор бетона [5] этот эффект ниже, что подтверждается данными табл. 1, составленной на основе работы [6]. Для составления таблицы исследовался бетон состава 1:2,1:3,12 с расходом цемента 350 кг
13
м нормально-влажностного твердения. Объем и величина пор в образцах были определены методом ртутной порометрии.
Полученные данные показали, что с увеличением В/Ц бетона в 1,75 раз его водонепроницаемость ухудшается в 2,45 раз. В то же время наблюдается снижение мелкой пористости от 62
до 45 % за счет увеличения объема средней (с 27 до 41 %) и крупной (с11 до 14 %) пористости. Интересно, что изменение водонепроницаемость бетона в 2,45 раза происходит при изменении среднего радиуса пор с 4,53 мк (В/Ц = 0,4) до 5,71 мк (В/Ц = 0,7), т.е. в 1,26 раз. Тем самым подтверждается положение о более низком эффекте изменения проницаемости бетона при изменении радиуса пор.
Явление изменения водонепроницаемости локальных участков бетона при изменении В/Ц исследованы для бетона подземных сооружений. Так, Болховитинов [4] в полупромышленном и промышленном экспериментах показал, что капеж и прерывистые струи подземных вод сильно изменяют водонепроницаемость отдельных участков бетонов крепи горных выработок в отрицательную сторону. Аналогичные результаты содержатся в работах Ю.Д. Снегирева [4], В.М. Мосткова [7] и др. Принимая вывод о значительном влиянии добавочной (за счет капежа) влаги на локальную водонепроницаемость бетонных крепей, следует учитывать, что даже в лабораторных образцах имеют место неплотности, аналогичные вышеупомянутым.
При образовании подобных неплотностей наряду с мелкими порами гелевой составляющей цементного камня в структуре бетона образуются
Средний диаметр пор, мм
Водоцементное отношение
В / Ц %
0,4/100 0,65/100 0,7/175
К 10-6 Коэффициент фильтрации Ф , м/с
%
1,6/100 3,14/196 3,9/245
Объем пор ^102, м3/ % г
22.13 5.13 1.14 Суммарный объем пор в образце, 1/102, м3/г 0,31/11 0,77/27 1,73/62 2,81/100 0,53/15 1,09/32 1,89/53 3,51/125 0,72/14 2,24/41 2,47/45 5,44/194
поры и каналы, иногда с сечением в 1-2 порядка превосходящим сечение каналов цементного камня [3].
Так, например, опыты М.К. Шаро-вара на тщательно подготовленных лабораторных образцах бетона высокого класса (В 45 - В 60) диаметром 300 мм наглядно продемонстрировали, что примерно в 40 % образцов имеются сосредоточенные каналы фильтрации (течи). На тот же эффект указывают работы [2], [5].
Таким образом, наличие сосредоточенных каналов в бетоне, как органически присущих ему дефектов, является посылкой к образованию течей и «свищей» в бетонных обделках подземного сооружения. Количественная оценка вероятности образования подобных дефектов бетона в рассмотренных литературных источниках практически не рассмотрена.
Сосредоточенные каналы развиваются в «свищи» под воздействием фильтрации подземных вод и выщелачивающей коррозии (коррозии I вида) [3]. Механизм этой коррозии, вскрытый в работах В.М. Москвина [8], В. В. Кинда [9] и др., заключается в растворении гидроксида кальция Са(ОН)2 фильтрующейся водой и вымывании его из бетона. Количество Са(ОН)2 в портландцементом камне
после 1 месяца твердения составляет 9-11 %, после 3-х месяцев - достигает 15 % массы цемента [10]. Вымывание Са(ОН)2 фильтрующей водой приводит к нарушению равновесия в системе «продукты гидратации - вода» и, в конечном итоге, к разрушению цементного камня. Так, белит (2СаО-БЮ2-ая) вполне устойчив лишь в насыщенном растворе Са(ОН)2, силикат (3СаО-2БЮ2-ая) - в растворах, содержащих не менее 1,1 кг СаО в 1 л, а гидроалюминат кальция
(3СаО-Д12О3-6Н2О) находится в равновесии с раствором, содержащим 1,15 г/л гидроксида кальция. Четы-рехкальцевый гидроферрит может существовать только при концентрации СаО в жидкой фазе не ниже 1,06 г/л. При снижении концентрации Са(ОН)2 в растворе указанные составляющие цементного камня разлагаются с потерей вяжущих свойств, что ведет к образованию сквозного отверстия - «свища».
Анализ условий возникновения коррозии I вида позволяет выявить важнейшие из них - допустимый коэффициент фильтрации воды через бетон [3]. Зная значение коэффициента фильтрации и такие величины, как количество извести, которое может быть удалено из единицы объема
бетона без потери им основных технических свойств дизв, г/см3, количество воды, фильтрующей через единицу объема бетона в единицу времени (объемную скорость воды) V0б, см3/(см3 • с), среднюю концентрацию извести в воде Сизв, можно определить продолжительность службы т конструкции, ее элемента или сооружения:
т =
Чи:
V с ’
об изв
а из формулы [3]: Чизв = К^Ц а
(1)
(2)
где К - заданный допустимый процент выщелачивания извести; Ц - содержание цемента, г на 1 см3 бетона или кг/л; а - содержание СаО в цементе, доли единицы.
Согласно закону Дарси
Vоб = Кф• АН, (3)
где АН =------градиент напора.
а
Тогда допустимый коэффициент фильтрации бетона может быть представлен как
кф = АР (4)
Подставляя формулу (1) в (4) получим:
V = ■
Чи'
КФ =
Чи
тСив •АН
(5)
(6)
Выражение (6), полученное коллективом проф. В. М. Москвина, позволяет определить требуемую степень водонепроницаемости как бетонных конструкций подземного сооружения в целом, так и локальных
«пятен». Величина Сизв в формуле (6) не является постоянной, поэтому ее рекомендуется определять экспериментально, т.к. большое количество допущений и сложность процесса коррозии не позволяют достаточно надежно пользоваться функциональными зависимостями, основанными на использовании общих закономерностей диффузии [3].
Растворимость гидроксида кальция бетона в воде в значительной степени зависит от содержания солей. Ионы Са2+, ОН- снижают, а ионы ЭО42-, С1-, Ыа+, К+ повышают растворимость гидроксида кальция. Повышение растворимости Са(ОН)2 и других составных частей цементного камня усиливает развитие коррозии I вида и ускоряет разрушение бетона.
Из приведенных в табл. 2 данных химических анализов грунтовых вод на дефектных участках Калининского радиуса Московского метрополитена следует, что грунтовые воды содержат значительное количество солей, способствующих быстрому растворению гидроксида кальция бетонных обделок. Этим, по-видимому, и объясняется более высокий уровень течей данных участков (1 течь на 1 мм против 0,06) по сравнению с течами Пролетарской линии метро, где минерализация грунтовых вод гораздо ниже.
Подводя итог изложенному, следует отметить, что решение проблемы обеспечения фильтрационной надежности подземных сооружений требует количественной оценки вероятности образования течей, а, следовательно, и определения допустимого коэффициента фильтрации наиболее неплотных локальных участков бетонной и железобетонной обделок подземных сооружений. Приведенный обзор показывает, что проблема герметизации подземного сооружения не может
Таблица 2
Результаты химических анализов грунтовых вод на дефектных участках
Адрес отбора проб Катионы, мг/л pH
К+ Са2+ Мд2+ СГ 8042' С0з2- НСОз ОН-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
«Плошадь Ильича» - I путь ПК-27 + 59 п.к.р. 36,8 24 29,3 16 76,8 36 122 нет 8,6
«Плошадь Ильича» - I путь ПК-40 + 00 п.к.р. 161 168 53,7 140 321,6 нет 6,9 12,8 9,2
«Марксистская» -«Плошадь Ильича» ПК-42 + 46 к.р. 105 136 97,6 144 355,2 488 нет 6,9
«Плошадь Ильича» -«Авиамоторная» - II путь ПК 46+38 п.к.р. 170,2 144 48,8 148 331,2 463,6 нет 6,9
«Плошадь Ильича» -«Авиамоторная» - II путь ПК 60+92 п.к.р. 9,2 40 58,9 16 115,2 268,4 нет 7,5
«Плошадь Ильича» -«Авиамоторная» - I путь ПК 61+02 п.к.р. 9,2 20 36,6 12 4,8 нет 244 нет 7,5
«Плошадь Ильича» -«Авиамоторная» - I путь ПК 64+48 п.к.р. 9,3 20 36,6 12 4,8 нет 244 нет 7,5
«Авиамоторная» - «Шоссе энтузиастов» - II путь ПК 86+63 п.к.р. 262,2 480 82,4 80 нет 1920 нет 571,2 8,6
«Шоссе энтузиастов» -«Перово» - I путь ПК105+ 11 п.к.р. 184 10 нет 5 161,3 нет 30,5 нет 7,5
Жест- кость обшая Карбона тная агрессия, мг/л Углеки- слотная агрессия, мг/л Щело ч- ность, мг/л Содер- жание Бв, мг/л Обшее содержание солей, мг/л Вид обдел- ки Харак- тер течи Агресси вность
11 12 13 14 15 16 17 18 19
3,6 нет нет нет 216 чугун- ная агрессивная среда
18,6 9,2 нет 1124 561,2 унифи- циро- ванная течь из-за обделки агрессивная среда
14,8 8 37,3 8 нет 10 чугун- ная течь из-за обделки агрессивная по Э04 среда
11,2 7,6 18,6 7,6 нет 1074 чугун- ная течь из-за обделки агрессивная по Э04 среда
6,8 4,4 9,3 4,4 нет 373 чугун- ная течь из-за обделки не агрессивная среда
4 4 4,4 4 нет 204 чугун- ная течь из-за обделки не агрессивная среда
4 4 4,4 4 нет 204 чугун- ная течи со следами плесени не агрессивная среда
30,8 30,8 нет 40 нет 1667 унифи- циро- ванная железо- бетон- ная не агрессивная среда
0,5 0,5 6,6 5 нет 512 чугун- ная не агрессивная среда
Адрес отбора проб Катионы, мг/л pH
К+ Са2+ Мд2+ С1' 8042' С0з2- НСОз ОН'
«Шоссе энтузиастов» -«Перово» - I путь ПК 11+32 п.к.р. 409 80 12,2 180 892,7 нет нет 68 8,7
«Шоссе энтузиастов» -«Перово» - I путь ПК 112+25 п.к.р. 44,2 180 73,2 140 499,9 нет 152,5 нет 6,7
«Перово» -«Новогиреево» - I путь ПК 131+18 п.к.р. 349,6 128 24,4 88 513 нет 634 нет 6
«Перово» -«Новогиреево» - II путь ПК 130+94 п.к.р. 145,8 168 82,9 1723 99 нет 512 нет 7
«Перово» -«Новогиреево» - II путь ПК 1330+45 п.к.р. 49,2 40 48,8 56 46,6 36 268,4 нет 7,5
«Тушинская» - I путь 165,5 246 нет 92 163,2 24 нет 224,4 8,7
быть решена лишь за счет улучшения бетонной обделки и ставит вопрос о необходимости мероприятий по
1. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат, 1981, 163 с.
2. Чеховский Ю.В. Понижение проницаемости бетона. - М.: Энергия, 1968, 190 с.
3. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев А. А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. - М.: Стройиздат, 1980.
4. Экспериментальное исследование водонепроницаемости бетона марки 600-800 при высоких давлениях. //Труды НИИЖБ, М.,1975, вып. №19.
5. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Брус-сер М. И. Структура и свойства цементных бетонов. - М.: Стройиздат, 1979.
6. Назаренко Ю.Б. Исследование несущей способности конструкций и долговеч-
управлению характеристиками состояния грунтового массива.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ности материалов обделки напорных коллекторных тоннелей. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МГИ, 1978.
7. Насберг В. М. Фильтрационный расчет шпурового дренажа, служащего для разгрузки облицовки тоннелей и шахт от давления грунтовых вод. //Труды ТНИСГЭИ. Вып. 3. - Тбилиси, 1972.
8. Москвин В.М. Коррозия бетона. - М.: Недра, 1962.
9. Кинд В.В. Коррозия цементов и бетона в гидротехнических сооружениях. - М.: Мысль, 1955.
10. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. - М.: Недра, 1951. ШИЗ
Жест- кость обшая Карбонатная агрессия, мг/л Углеки- слотная агрессия, мг/л Ще- лоч- ность, мг/л Содер- жание Ре, мг/л Обшее содержание солей, мг/л Вид обдел- ки Харак- тер течи Агрес- сив- ность
10 нет 4 нет 1442 чугунная течь сме танооб-разной массы агрессивная по Б04 среда
15 2,5 33 2,5 12,5 1013 чугунная течь со следами ржавчины агрессивная по Б04 среда
8,4 8,4 52,8 10,4 нет 1420 сборная же-1езобетон-^ая прямоугольного очертания агрес- сивная по сульфа- там
15,2 8,4 17,6 8,4 нет 1224 сборная же-1езобетон-^ая прямоугольного очертания агрес- сивная по сульфа- там
6 5,6 нет 5,6 нет 410 сборная же-1езобетон-^ая прямоугольного очертания течи не агрессивная среда
12,8 14 нет 14 нет 925 железо- бетонная не агрессив ная среда
— Коротко об авторах----------------------------------------------------
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
