CC BY
38
УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова
ТРЕБОВАНИЯ К БЕТОННЫМ ОБДЕЛКАМ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Основные требования, предъявляемые к обделкам канализационных коллекторных тоннелей можно разделить на следующие:
• гидроизоляционные свойства;
• механическая стойкость;
• коррозийная стойкость;
• стойкость против гидроабразивного износа.
В настоящее время ни в литературе, ни в практике подземного городского строительства нет сведений о количественных параметрах вышеназванных требований. Это приводит к неопределенности при создании новых средств защиты бетонных обделок от воздействия внешних факторов и агрессивности сред, протекающих по коллекторным тоннелям.
Ставя задачу дальнейших исследований в части повышений коррозийной стойкости, водонепроницаемости, прочности и износостойкости обделок коллекторных тоннелей, необходимо оценить вышеуказанные требования.
Гидроизоляционные свойства обделок канализационных коллекторных тоннелей должны обеспечивать их достаточную водонепроницаемость, в том числе за счет прекращения капиллярного движения влаги в порах бетона.
Рассматривая водонепроницаемость бетонной обделки, необходимо отменить, что перенос влаги в бетоне
может осуществляться вязкостным или капиллярным потоками, а также за счет диффузионного переноса. В первых двух случаях осуществляется перенос собственно жидкости со всеми растворенными в ней веществами. Движение жидкости по порам и капиллярам, вызванное ее испарением, определяется выражением [1]: г = (1)
где Хц - коэффициент капиллярной проводимости жидкости;
У
Xх^=-Ж_
8ц
2 г
| г 2 / —( г Г)йг,
г
О
А^ = —
1 1
(2)
(3)
'2 У
где Уж - удельный вес жидкости; ц -вязкость жидкости; г1>2 - радиус кривизны менисков.
Рядом авторов теоретически и экспериментально доказано, что все три вида переноса имеют место при следующих коэффициентах фильтрации материалов (табл. 1). Как следует из таблицы, только при Кф = (3^4)-10-7см/час можно гарантировать необходимый и достаточный количественный уровень гидроизоляционной защиты коллекторного тоннеля.
Прочность бетона обделки коллекторных тоннелей. Грузонесущая способность обделки коллекторных тон-
Механизм переноса жидкости
Молекулярная диффузия Капиллярный поток Вязкостный поток
нелей в известной степени определяется прочностью материала. Так как условия работы конструкции обделки коллекторного тоннеля меняются в зависимости от динамики развития горного давления и характера взаимодействия массива горных пород с крепью, то и прочностные свойства материала обделки должны быть соответственно изменены. В этой связи каждый материал должен рассматриваться с точки зрения его конечной прочности.
На рис. 1 показаны зависимости некоторых показателей, характеризующих прочность обделок коллекторных тоннелей, от конструктивных параметров несущих элементов [2].
Как показывает практика подземного городского строительства, при возведении обделок канализационных коллекторных тоннелей наибольшее распространение получили бетоны класса «В 40», в зависимости от горно-геологических условий.
Обследование состояния обделок канализационных коллекторных тоннелей г. Москвы, проведенное МГУП «Мосочиствод», показали, что в ряде случаев бетонная обделка коллекторов не удовлетворяет заданной прочности. Следовательно, для обеспечения необходимой прочности бетона необходимо завышать его проектируемую прочность в 1,2-1,4 раза, а в сложных гидрогеологических условиях еще больше.
Коррозийная стойкость бетонных обделок коллекторных тоннелей. Статистика отказов инженерного оборудования городов показывает, что частота аварий канализационных сетей
Коэффициент фильтрации Кф, см/час
3,48-10-7
3.48 -10-7^3,48-10-5
3.48 -10-5^3,48-10-4
увеличивается с каждым годом. Нередки аварии, приносящие значительный материальный ущерб, связанный с провалами дорог, обрушением зданий, сооружений, а иногда и гибелью людей. Часто отказы канализационных сооружений сопровождается загрязнением вмещающих сооружение грунтов и грунтовых вод, сбросом хозяйственно-бытовых стоков в водоемы. Поэтому борьба с нарушениями (отказами) канализационных сетей является актуальной.
Одним из аспектов проблемы борьбы с отказами является задача по своевременному выявлению коррозионных поражений железобетонных конструкций коллекторов.
Непосредственный осмотр железобетонных элементов конструкций колодцев и железобетонных труб, измерение прочностных параметров и скорости разрушения железобетонных элементов под воздействием агрессивной газовой среды, дает возможность принять меры по предотвращению разрушения конструкций, определить сроки их службы и своевременно проводить ремонтностроительные работы, а в случае отсутствия коллекторов-дублеров и невозможностью отключения действующего коллектора ставить вопрос о строительстве нового коллектора.
На долговечность обделок коллекторных тоннелей наибольшее воздействие оказывает коррозийная стойкость материала обделки. Расчет влияния коррозийного ослабления бетона на несущую способность обделки коллекторного тоннеля показы-
Рис. 1. Зависимость времени начала трешинообразования (Ш1)в конструкциях тоннеля: а - от толщины защитного слоя бетона Ь; б - от коэффициента карбонизации к; в - от коэффициента диффузии ионов С1- О; г - от времени отказа гидроизоляции £; £ - среднее время начала трешинообразования, годы; ^- время, соответствующее времени начала спада надежности обделки коллектора, ^ = 18,3 года
вает: потеря несущей способности обделки наступает при уменьшении прочности бетона в 2 раза по сравнению с проектной (при соответствующих горно-геологических условиях). Развитию процессов коррозии бетона
способствует, прежде всего, неплотность бетона.
Результаты количественной оценки степени коррозийной стойкости металлических и железобетонных конструкций приведены в табл. 2.
в
г
Степень агрессивного воздействия среды Металлические конструкции Железобетонные конструкции
Скорость равномерной коррозии, мм/год Среднегодовая потеря несущей способности при эксплуатации, % Среднегодовая потеря несущей способности при эксплуатации в %
Подземные конструкции Несущие и ограждающие конструкции
Слабая до 0,1 5 3 5
Средняя 0,1 - 0,5 10 5 10
Сильная более 0,5 15 8 15
Таблица 3
Скорость коррозии стали в бетоне во влажной атмосфере
Бетон Потеря массы, г/кв.м в год Максимальная глубина коррозионных язв за год, мм
Обычный, без добавок: • плотный 0 0
• пористый 13-210 0,48
С добавками хлоридов 10-660 1,63
Карбонизированный 30 -
При этом предполагается, что конструкция подлежит капитальному ремонту или замене при потере несущей способности 40-60 %.
Наличие добавок в бетоне накладывает свой отпечаток и на степень коррозийной стойкости арматурного каркаса (табл. 3).
Степень коррозии арматуры зависит от наличия и величины раскрытия трещин К в теле бетона обделки подземного сооружения, что наглядно демонстрирует рис. 2 и формула (4) [2]:
* = (4)
УЛ+1
й4
где Ь - толщина защитного слоя бетона, м; ё - диаметр арматуры, м; 3 -раскрытие трещины, м.
Величина коррозии арматуры является граничным условием перехода конструкций подземного сооружения из одного технического состояния в другое. Так, при величине коррозии К(§ = 2 % происходит переход конст-
рукций из I во II категорию технического состояния, при K(t) = 7 % - из II в III категорию, K(t) = 15 % - из III в IV категорию, K(t) = 25 % - из IV в V категорию [2].
Коррозию бетона вызывает и
фильтрация мягких вод через обделку
тоннеля. Вымывание 25 % СаО из
цемента приводит к резкому падению
прочности и к полному разложению
бетона в дальнейшем. Если принять,
что средний расход цемента на 1 м
бетона равен 350 кг и что в среднем
на 1 м бетона приходится 210 кг
СаО, то можно сделать вывод: выше’ 3
лачивание 52,5 кг СаО на 1 м бетона обделки коллекторного тоннеля может привести к его разрушению.
Исследованиями установлено, что процесс распада органических соединений, находяшихся в сточных водах, приводит к появлению в надводной части самотечных коллекторов углекислого газа, аммиака, сероводорода, метана и других газов.
При аэробных процессах разложения (с участием кислорода) происходит в
0.00
6.00
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
приведенное раскрытие трещины К,
Рис. 2. Зависимость степени коррозии обделки от приведенного раскрытия трещин в бетоне
основном выделение углекислого газа, а при анаэрофобнык (бескислороднык) процессах основными продуктами распада являются сероводород и метан, причем наибольший процент приходится на сероводород. Появление сероводорода в атмосфере надводного пространства коллектора сопровождается развитием на его стенках тионовыгх бактерий, под действием которык сероводород окисляется до серной кислоты и в виде кислотного конденсата воздействует на сводовую часть коллектора.
Химический анализ продуктов коррозии бетона показывает, что они состоят в основном из гипса, кремнезема, гидрооксидов алюминия и соединений железа. В водонасышенном состоянии продукты коррозии имеют консистенцию жидкого теста и легко отваливаются от потолочных и вертикальных поверхностей. Скорость коррозии бетона зависит от концентрации сероводорода и иногда достигает до 20 мм в год. Это приводит к тому, что подобные участки коллектора отваливаются через 5-10 лет эксплуатации.
Помимо вышелачиваюшей агрессии на бетонную обделку действует агрес-
сия протекаюших сточных вод. В результате действия на бетонную обделку сточнык вод, конденсата газа и микроорганизмов, хорошо развиваюшихся в слизистой пленке, покрываюшей стенки канала, происходит значительное уменьшение содержания СаО в бетоне с 60-64 % до 12 % и увеличение сульфатов с 1,5 % до 42 %. В среднем глубина коррозии бетонной обделки коллекторных тоннелей оценивается в 613 мм в год [3].
Следовательно, можно предположить, что срок службы бетонной обделки по фактору коррозийной стойкости колеблется в пределах 20-35 лет. Однако известно, что коррозия бетона может иметь лавинный характер, что, вероятно, должно приводить к быстрому разрушению обделки.
В настояшее время можно управлять характеристиками бетона (повышать его плотность и снижать пористость) путем введения добавок (суперпластификаторов для снижения водоцементного отношения, майкросилики) или покрывая бетонную поверхность материалами, способствуюшими коль-матации пор (ксайпекс, кальматрон,
пенетрон и др.). Это способствует увеличению водонепроницаемости бетона тоннельной обделки, ее стойкости к агрессивным воздействиям. Однако этого не достаточно для предотвращения разрушение бетона при воздействии на него агрессивной среды. Защиту бетонной обделки от коррозийного разрушения можно осуществлять по двум направлениям: либо увеличивая плотность бетона, либо защищать бетон антикоррозийными покрытиями.
Износостойкость бетонных обделок коллекторных тоннелей.
Истираемость бетонной обделки определяется величиной потери первоначального веса отнесенной к поверхности площади истирания. Вследствие воздействия абразивных материалов в сточной воде при скоростях движения более 2 м/сек происходит интенсивное истирание лотка тоннеля.
Как показали оценочные расчеты влияния гидроабразивного износа лотковой части бетонной обделки на несущую способность крепи коллекторного тоннеля, при истирании 40-60 % толщины лотковой части крепь тоннеля теряет свою несущую способность. На основании статистической обработки данных установлено, что в год, в среднем истирается 1,2 см лотка. Следовательно, срок возможной эксплуатации
1. Мошанский Н.А., Путляев И.Е. Защита эпоксидными мастиками от коррозии железобетонных резервуаров для промышленных стоков. - М.: 1965
2. Шилин А.А. Повышение гидроизоляционных свойств монолитных бетонных крепей вертикальных стволов шахт. - Дис-
коллекторного тоннеля по фактору истираемости находится в пределах 1012 лет. Гидроабразивный износ обделки коллекторного тоннеля начинается с вымывания цементного камня и отрыва зерен крупного и мелкого заполнителя, в результате обделка тоннеля становится более шероховатой, а это в свою очередь усугубляет изнашивание.
Рассмотрев основные требования, предъявляемые к бетонным обделкам коллекторных тоннелей, можно считать, что основным направлением увеличения долговечности бетонной обделки канализационных коллекторных тоннелей является:
• правильный подбор плотного водонепроницаемого состава бетона (т.е. методика расчета состава водонепроницаемого бетона);
• выбор добавок обеспечивающих повышенную плотность, прочность, и водонепроницаемость бетона;
• исследование некоторых параметров составов бетонных смесей обеспечивающих их стойкость к истиранию;
• выбор средств и способов защиты бетонной обделки против гидроабразивного износа и коррозии бетона вызываемой агрессивностью сред протекающих по тоннелям.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МГИ, 1976
3. Алексеев С.Н., Розенталь Н.Е. Коррозионная стойкость бетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. - М.: Стройиздат, 1976, 396 с. ШИН
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет. Статья представлена кафедрой «Строительство подземных сооружений и шахт» Московского государственного горного университета.
Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.А. Картозия.
