CC BY
175
УДК 620.193.4
Б. Р. Анваров (асп.), В. М. Латыпов (д.т.н., проф.), Т. В. Латыпова (к.т.н., доц.), А. Р. Анваров (к.т.н., с.н.с.)
Воздействие сульфата алюминия на железобетонные конструкции емкостных сооружений водоподготовки
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра строительных конструкций 450080, г. Уфа, ул. Менделеева, 195; тел. (347) 2222200, e-mail: kafedra_sk@mail.ru
B. R. Anvarov, V. M. Latypov, T. V. Latypova, A. R. Anvarov
Impact of aluminum sulfate on reinforced concrete designs of capacitor constructions of water preparation
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleyev Str, 450080, Ufa, Russia; ph. (347) 2222200, e-mail: kafedra_sk@mail.ru
Представлена конструктивная схема железобетонных емкостных сооружений водоподготовки, предназначенных для осветления и обесцвечивания воды хозяйственно-питьевого водоснабжения. Изучен процесс воздействия сульфата алюминия на железобетонные конструкции, представлены результаты послойных физико-химических исследований и электронно-микроскопические снимки образцов бетона, представлены варианты работ по ремонту емкостных сооружений с применением мер вторичной защиты железобетона при воздействии сульфата алюминия.
Ключевые слова: долговечность железобетона; очистные сооружения водоподготовки; сульфат алюминия; сульфатная коррозия.
Очистные сооружения водоподготовки являются наиболее важными и ответственными элементами в системе водоснабжения городов питьевой водой.Решение поставленных перед очистными сооружениями задач проводится путем использования различных технологических приемов. Одним из таких приемов является очистка речной воды, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, путем ее осветления и обесцвечивания.Одним из способов осветления и обесцвечивания воды коагуляция — укрупнение коллоидных и диспергированных частиц, происходящее вследствие их слипания под действием сил молекулярного притяжения.В воду, подлежащую осветлению, вводят химические реагенты (коагу-
Дата поступления 12.09.12
The constructive scheme of reinforced concrete capacitor constructions of water preparation intended for clarification and decoloration of water of economic and drinking water supply is presented. The process of influence of sulfate of aluminum on reinforced concrete designs is studied, results of level-by-level physical and chemical researches as well as electronic and microscopic pictures of samples of concrete are presented, some options of work on repair of capacitor constructions with application of measures of secondary protection of reinforced concrete at influence of aluminum sulfate are presented.
Key words: durability of reinforced concrete; treatment facilities of water preparation; aluminum sulfate; sulphatic corrosion.
лянты), способствующие связыванию частиц, обусловливающих мутность, в видимые невооруженным глазом крупные хлопья, что ускоряет их осаждениеи отделение от жидкой фазы. В качестве основного реагента, используемого при осветлении и обесцвечивании хозяйственно-питьевой воды, применяется сульфат алюминия Al2(SO4)3.
В составе цеха очистных сооружений речной воды, подаваемой для хозяйственно-питьевых нужд, имеются растворные баки и баки для хранения сульфата алюминия. Данные емкости, возведенные по типовым проектам, представляют собой сооружения прямоугольной формы размером 6x6 м, высотой до низа плит покрытия 4.8 м. Несущий остов образован монолитным железобетонным днищем с уклоном от стен к центру, сборными железобе-
тонными стеновыми панелями (рис. 1), а также ребристыми плитами покрытия. Общая конструктивная схема емкостей представлена на рис. 2.
Гидроизоляция битумная мастика
Внешнии каркас Внитренний каркас
Рис. 1. Исходное (проектное) состояние стеновых железобетонный панелей
В системе водоподготовки данные сооружения являются наиболее подверженными разрушению в связи с агрессивными условиями эксплуатации, при этом днище и стеновые панели емкостей эксплуатируются при постоянном воздействии реагента — сульфата алюминия. С целью изучения степени влияния агрессивного компонента было проведено обследование технического состояния таких сооружений, эксплуатирующихся около 20 лет. При проведении обследования типовых баков было установлено «аварийное» 1 состояние сборных железобетонных стеновых панелей. Зафиксировано полное разрушение гидроизоляции, защитного слоя бетона, арматуры внутреннего каркаса (рис. 3). В связи с наличием в днище облицовочного слоя из кислотостойкого кирпича, техническое состояние днища оценивается как «ограниченно-работоспособное» 1, здесь обнаружены лишь локальные разрушения раствора в швах облицовочного слоя.
Железобетонные
иооТ с
0.000
И
стеноЬые панели
У
ч Железобетонное монолитное днище
Рис. 2. Конструктивная схема растворных баков
В отношении механизма разрушения структуры бетона при воздействии сульфатной среды необходимо отметить, что до настоящего времени по этому вопросу существует три точки зрения. Согласно первой из них, деструкция бетона наступает вследствие давления, оказываемого растущими кристаллами новообразований на стенки пор 2. По второй 3'4, причиной сульфатной коррозии является осмотическое давление, возникающее в поровой структуре бетона при образовании гипса и эттринги-та. Согласно третьей концепции, деструкция бетона при воздействии сульфатной среды обусловлена образованием гипса и эттрингита в коллоидной форме 5-7.
При взаимодействии сульфата алюминия с цементным камнем бетона в порах образуется гидроксид алюминия и гипс:
А12(804)з + 3Са(ОН)2 ^ ^ 2А!(ОН)3^ + 3Са8О4^
Скорость коррозии бетона определяется концентрацией раствора и при толщине защитного слоя бетона стеновых панелей 30 мм составляет около 1.5 мм в год. При этом после разрушения защитного слоя бетона арматура корродирует со скоростью, значительно превышающей скорость коррозии бетона (рис. 3,4).
Отсутствие гидроизоляции, защитного слоя 5етона
Внитренний каркас Разрушение рабочее? арматуры
Внешнии каркас
Рис. 3. Состояние стеновых панелей на момент про-ведения обследования
При нормировании агрессивности среды значительное влияние оказывают свойства катионов 8. Термодинамический анализ основных видов ионных реакций, которые могут протекать в порах и капиллярах цементного камня, показал, что наиболее опасными катионами в ряде активности цветных металлов являются Mg2+, ги2+, А13+, МИ42+, Си2+, Бе2+, образующие с ионами ОН- аморфные бессвязные гидроокиси, снижающие показатель рН цементного камня. В. В. Кинд 8 определял степень
Весовое содержание элементов в исследуемых слоях
Таблица 1
Внутренний неповрежденный слой бетона Наружный поврежденный слой бетона
Элемент О А1 Б1 Са Ре О А1 Б1 Са в
Содержание% 44.18 1.49 23.79 24.12 6.43 58.32 1.11 1.53 15.1 23.9
агрессивности жидких сред по водородному показателю, поэтому он располагал в один ряд кислоты и соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами, и считал особо опасными растворы 2пБ04, А12(Б04), Ре2(Б04), которые приравнял по агрессивности к серной кислоте.
Рис. 4. Растворение цементного камня, полное разрушение рабочей арматуры стеновых панелей
С целью изучения структуры и химического состава поврежденного бетона после воздействия сульфата алюминия в лаборатории-УГНТУ были проведены послойные физико-химические исследования отобранных образцов бетона стеновых панелей на растровом электронном микроскопе 1Е0Ь ^М-6610ЬУ. Эти данные были необходимы для уточнения механизма коррозионного воздействия сульфата алюминия на железобетонные конструкции.
Рис. 5. Внутренний неповрежденный слой бетона (плотная структура)
На рис. 5 представлен электронно-микроскопический снимок внутреннего неповрежденного слоя бетона стеновых панелей, который имеет плотную структуру, а также спектрограмма поэлементного состава бетона. На рис. 6 — снимок наружного поврежденного слоя бетона, имеющего рыхлую структуру, и спектрограмма поэлементного состава.
Рис. 6. Наружный поврежденный слой бетона (рыхлая структура)
Анализ результатов исследований образцов бетона свидетельствует о том, что в наружном поврежденном слое с рыхлой структурой-происходит формирование новообразований с высоким содержанием серы (табл. 1), что позволяет отнести их к гипсу. Эти данные подтверждают разрушение бетона стеновых панелей по механизму сульфатной коррозии.
Полученные данные позволили разработать меры защиты конструкций от воздействия сульфата алюминия при строительстве аналогичных сооружений, а также рекомендации по ремонту существующих емкостей. Основной целью при разработке мероприятий по ремонту растворных баков являлось восстановление-их эксплуатационной надежности — несущей способности и герметичности. Следует отметить, что железобетонные конструкции вновь возводимых растворных баков необходимо изготавливать на основе сульфатостойкого портландцемента, поскольку концентрация А12(Б04)з в растворных баках составляет около 200 г/л; согласно табл. 6 9 показатель агрессивности жидкой среды с таким содержанием сульфатов в пересчете на ионы Б042- соответствует сильноагрессивной среде при использовании даже сульфатостойких цементов, в связи с чем использование мер вторичной защиты железобетонных конструкций обязательно.
Состав работ по ремонту поврежденных конструкций включает полное удаление суль-фатизированного слоя бетона водоструйной очисткой с ручной доочисткой механическим способом. Для восстановления несущей способности стеновых панелей возможно использование ремонтных составов с включением полимерной фибры, а для надежной герметизации — сульфатостойкой гидроизоляции (рис. 7).
Гидроизоляция
"Мастерсил 185" - праймер "Мастерсил 136" - гидроизоляция
Армириюишя сетка Bp 5 100x100
Фиброиементный ремонтный состав марки "Эмако S88C"
Рис. 7. Схема ремонта стеновых панелей
Другой способ ремонта — устройство армированного лакокрасочного покрытия на основе эпоксидных материалов 10. Состав работ включает подготовку и нейтрализацию бетонного основания, устройство защитного покрытия. В качестве армирующего материала применяется стеклоткань. Подготовка бетонной поверхности производится механической пескоструйной очисткой до монолитной основы бетона. Нейтрализация защищаемой поверхности выполняется промывкой раствором кальцинированной соды и чистой водой. Устройство защитного покрытия включаетнанесение грунтовочного слоя, наклеивание полотнищ стеклоткани, нанесение не менее двух покрывных слоев лакокрасочного материала.
Данный способ ремонта был успешно применен на объектах водоподготовки службы северного комплекса водозаборных сооружений в г. Уфе (рис. 8).
Литература
1. ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».
2. Долговечность бетона и железобетона. Приложения методов математического моделирования с учетом ингибирующих свойств цементной матрицы / Комохов П. Г., Латыпов В. М., Латыпо-ва Т. В., Вагапов Р. Ф.— Уфа: Изд-во «Белая река», 1988.- C. 216.
3. Бабушкин В. И. Защита строительных конструкций от коррозии, старения и износа.— К.: Изд-во Харьк. ун-та, 1989.-168 с.
4. Бабушкин В. И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона.- М.: Изд-во лит.по стр-ву, 1968.- 187 с.
5. Mehta P. K. //Cem. and Conor. Res.- 1983.-V. 13, №3.- P. 401.
6. Mehta P. K., Haynes H. H. // J. Struct. Div. Proc. Amer. Soc. Civ. Eng.- 1975.- V. 101, №8.- P. 1679.
7. Hoffman D. //Silikattechnik.- V. 35, №7.1983.- S. 215.
8. Тихомирова М. Ф. Повышение долговечности зданий цехов по производству тяжелых цветных металлов.- М.: Стройиздат, 1980.- 116 с.
9. СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии».
10. ОАО«Монтаж химзащита». Инструкция по защите баков растворения и хранения реагентов реагентного хозяйства службы СКВС МУП «Уфаводоканал», 2011.
Рис. 8. Общий вид растворного бака до и после ремонта
