автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение долговечности железобетона водоотводящих коллекторов

На правах рукописи

005017420

КАНТОР ПАВЕЛ ЛЬВОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ВОДООТВОДЯЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

1 0 млз пщ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2012

005017420

Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Латыпов Валерий Марказович.

Официальные оппоненты: Яковлев Владимир Валентинович

доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет, профессор кафедры «Автомоби-ные дороги и технология строительного производства»;

Синицин Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, ГУП институт «БашНИИстрой», заведующий лабораторией испытаний строительных материалов и изделий.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Казанский государст-

венный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 25 мая 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета. Автореферат разослан 17 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Недосеко Игорь Вадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Канализационные сети являются частью подземной инфраструктуры городов и играют важную роль для их жизнеобеспечения. В 60-80 г.г. прошлого века в России велась массовая жилишная застройка новых территорий с соответствующими сетями водоотведения. При их устройстве широко применялись коллекторы из железобетона, к преимуществам которых можно отнести невысокую стоимость, отсутствие дефицита в сырьевых материалах при производстве, технологичность при укладке и последующей эксплуатации. Недостатком железобетонных коллекторов является их пониженная стойкость к биодеструкции. Процесс сероводородной коррозии в прошлом был недостаточно изучен, поэтому отсутствовали методы учета и прогнозирования факторов, влияющих на деструктивные процессы железобетона водоотводящих коллекторов. Кроме того, зачастую применялись изделия с ограниченной коррозионной стойкостью, имеющие марку бетона по водонепроницаемости \У4 и ниже. При таких условиях железобетонные коллекторы не могли обеспечить нормативную долговечность, которая должна составлять не менее 50 лет. В результате эксплуатационным службам городов приходилось, в лучшем случае, осуществлять преждевременный капитальный ремонт канализационных сетей, а в худшем - проводить их полную замену. В последние годы имели место крупные аварии на железобетонных коллекторах, причинившие существенный экологический и материальный ущерб. В связи с этим актуальными являются задачи исследования факторов, обуславливающих сероводородную коррозию железобетона; прогнозирование скорости коррозии водоотводящих коллекторов и разработка мероприятий, способствующих повышению их долговечности.

Цель работы: Обоснование антикоррозионных мероприятий по обеспечению нормативной долговечности водоотводящих коллекторов на основе комплексной оценки различных факторов, влияющих на скорость сероводородной коррозии железобетона.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- систематизация факторов, обуславливающих сероводородную коррозию железобетона;

- оценка возможности теоретического прогнозирования средней скорости сероводородной коррозии;

- определение средней скорости сероводородной коррозии водоотводящих коллекторов в зависимости от влияющих факторов;

- исследование сероводородной коррозии на действующем железобетонном водоотводящем коллекторе с целью получения фактических значе- , ний показателей, позволяющих количественно обосновать имеющуюся /

величину коррозии;

экспериментальные исследования различных систем первичной и вторичной защиты бетона;

разработка антикоррозионных мероприятий и системы контроля качества производства изделий, обеспечивающих нормативную долговечность во-доотводящих коллекторов. Научная новизна;

получена теорегическая зависимость учитывающая влияние плотности бетона на скорость сероводородной коррозии водоотводящйх коллекторов;

на основании натурных исследований определены значения средних скоростей коррозии для бетона различной плотности в зависимости от условий эксплуатации коллектора;

разработан алгоритм определения остаточного ресурса (срока службы) водоотводящего коллектора в зависимости от гидравлических, геометрических и химических факторов его работы и показателей качества бетона. Практическая значимость:

разработана методика определения средней скорости коррозии железобетона водоотводящйх коллекторов в зависимости от влияющих факторов; предложен инженерный метод определения потока сероводорода (срто), позволяющий получить значения скорости коррозии бетона коллектора; предложен алгоритм назначения требуемой марки бетона по водонепроницаемости (\\г) при проектировании железобетонных водоотводящйх коллекторов с нормативной долговечностью;

по результатам экспериментальных исследований определены наиболее эффективные средства первичной и вторичной защиты бетона; предложены антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности проектируемых и повышению долговечности эксплуатирующихся водоотводящйх коллекторов;

разработан технологический регламент производства изделий и конструкций водоотзодящих коллекторов с повышенной коррозионной стойкостью.

Результаты исследовании были использованы:

на объектах МУП «Уфаводоканал» при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации железобетонных водоотводящйх коллекторов, транспортирующих бытовые сточные воды;

организацией ОАО «ГлавБашСтрой» при производстве конструкций водоотводящйх коллекторов - железобетонных безнапорных труб (0300,

500, 1000, 1400 мм) и стеновых колец колодцев (01000, 1500 мм) по разработанной с участием автора технической документации. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2008-2009 гг.) и «Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды» (г. Уфа, 2011 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Эксплуатационная надежность промышленных и гражданских зданий и сооружений при строительстве и реконструкции» (г. Уфа, 2010 г.); на научно-технической конференции «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона» (г. Уфа, 2011 г.). По результатам исследований опубликовано 12 научных работ. Исследования проводились в рамках выполнения фанта Российской академии архитектуры и строительных наук по теме: «Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов» (Гос. контракт №РА-01-10 от 01 августа 2010 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованных источников. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 35 иллюстраций и 50 таблиц. Список использованных источников включает 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса обеспечения долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов, подробно описан механизм коррозии в них и факторы, влияющие на процесс.

Изучению вопроса повышения долговечности бетона и железобетона в различных агрессивных средах посвящены труды многих российских и зарубежных ученых: С.Н. Алексеева, В.И. Бабушкина, Е.А. Гузеева, Ф.М. Иванова,

B.М. Москвина, А.Ф. Полака, Н.К. Розенталя, В.Ф. Степановой, В.В. Яковлева, F.P. Stark и других.

Процессы коррозии водоотводящих коллекторов в среде сероводорода наиболее полно изложены исследователями: И.В. Довгань, Г.Я. Дроздом, Н.К. Розенталем, Г.В. Чехний, М. Haager, A. Lueghamer, R. Morton, А.Н. Nielsen,

C.D. Parker, R.D. Pomeroy, J. Vollertsen и другими. Результаты этих исследований показали, что сами сточные воды неагрессивны или слабоагрессивны по отношению к бетону трубопровода, в связи с чем ниже уровня транспортируемых сточных вод коррозионное воздействие слабо выражено. По современным представлениям разрушение происходит в сводовой (надводной) части железо-

бетонных труб из-за биогенной сероводородной коррозии, которая протекает по следующей схеме (рис. 1):

• сульфатредуцирующие бактерии, находящиеся в анаэробном слое иловых отложений, восстанавливают сульфаты до сульфидов, включая Н28;

• сероводород выделяется в газовую среду коллектора и растворяется в конденсатной плаге сводовой поверхности труб;

• аэробные тионовые бактерии, поселяющиеся на поверхности свода, окисляют Н2Б и другие серосодержащие соединения до Н2804;

• серная кислота НгЭС^ вступает в реакцию с бетоном, разрушая его.

Рисунок 1. Механизм коррозии железобетонных коллекторов

Анализ результатов исследований показывает, что основными факторами, влияющими на процесс коррозии железобетонных коллекторов, являются геометрические характеристики и гидравлические условия работы трубопровода; химические параметры среды и показатели качества бетона, определяющие его коррозионную стойкость. Однако, в действующих нормативах, регламентирующих требования к антикоррозионной защите (СНиП 2.03.11, ГОСТ 31384), отсутствует методика учета совокупности вышеназванных факторов, что затрудняет выполнение оценки долговечности водоотводящих коллекторов и обоснование выбора способов их защиты на этапе проектирования. Ситуация усугубляется и тем, что по действующим стандартам (ГОСТ 6482, ГОСТ 8020) допускается применять для конструкций коллекторов бетон с маркой по водонепроницаемости \У4. Это обуславливает низкое качество производимых изделий, а также тот факт, что основной объем их производства (65-70%) по-прежнему осуществляется на старом отечественном оборудовании: центрифугах ременного и роликового типа или по технологии вибрационного воздействия через формоснастку. Вместе с тем, за рубежом сегодня применяются новые технологии производства, которые позволяют занимать изделиям из бетона уверенные позиции во всех возможных областях строительства. Самым перспективным направлением производства железобетонных конструкций коллекторов является технология вибропрессования.

Устранению существующей неопределенности в оценке агрессивности эксплуатационной среды и получению коррозионностойких конструкций водо-отводящих коллекторов посвящена настоящая работа.

Во второй главе приводится характеристика материалов для защиты новых (добавки, покрытия) и восстановления эксплуатируемых конструкций коллекторов (ремонтные составы), имеющих повреждения вследствие сероводородной коррозии железобетона. Дано описание методик физико-химических исследований, по которым оценивалась эффективность первичных и вторичных способов защиты бетона.

В качестве основной базы для проведения исследований был выбран действующий завод («ГлавБашСтрой») по выпуску изделий и конструкций водоот-водящих коллекторов по технологии вибропрессования с использованием оборудования фирмы Рес^геЬааЬ (Дания). В качестве объекта исследований была выбрана канализационная система г. Уфа. Результаты исследований представлены в главе 4.

В третьей главе приведена существующая математическая модель физико-химического процесса сероводородной коррозии; разработан инженерный метод определения потока сероводорода; получена теоретическая зависимость, позволяющая учитывать влияние плотности бетона по показателю водонепроницаемости на скорость коррозии водоотводящих коллекторов.

В зарубежных стандартах по проектированию канализационных коллекторов (в частности в американских стандартах ЕРА, АСРА и АБСЕ) для определения скорости сероводородной коррозии используется формула (1), предложенная Л.О. Ротегоу. Данная математическая модель позволяет наиболее полно учесть влияние факторов на сероводородную коррозию, поэтому она была принята нами в качестве основной для осуществления дальнейших исследований:

г _ 11,5ф5ц.^

--д > (!)

где С„,8 - средняя скорость сероводородной коррозии, мм/год; 11,5 - численный коэффициент с размерностью (мм-час м )/(год-г); С- коэффициент эффективности реакции серной кислоты с бетоном. Значение Г может составлять от 0,3 и приближаться к 1,0, когда вся образовавшаяся на поверхности бетона кислота вступит в реакцию; А - коэффициент реакционной емкости бетона, выраженный в виде эквивалента карбоната кальция СаСОз. Значение А принимается в диапазоне 0,17-0,20 - для бетона, изготовленного на гранитном заполнителе; А=0,9 - для бетона с известняковым заполнителем; А=0,4 - для цементных покрытий; <р5„ -среднее значение потока сероводорода, г/м2/час, поступающего к поверхности стенки железобетонного коллектора, которое определяется по формуле:

_ 0.7-Ри)1-|.[Р5]-Ь

где 0,7 - численный коэффициент с размерностью (м5'8-с3/8)Лмс; Б - уклон канализационного коллектора, м/м, и - скорость потока сточных вод, м/с, [ОЭ] - среднее значение концентрации растворенных сульфидов в сточных водах, мг/л; j - коэффициент, определяющий относительное содержание сероводорода в сульфидах. Значение j рассчитывается по константам диссоциации сероводорода, с учетом двух параметров: рН сточных вод и их температуры; Ь - ширина поверхности потока сточных вод, м (рис. 2); р' - периметр поверхности, подверженной коррозионному воздействию, м (рис. 2).

Для осуществления прогноза скорости сероводородной коррозии водоотводящих коллекторов первооче редным является определение потока сероаодорода (<р51У). Однако выполнение практических расчетов по формуле (2) затруднено в связи с необходимостью вычисления геометрически): параметров ширины потока сточных вод (Ь); периметра коллектора, подверженного коррозионному

воздействию (р'); всзведения произведения Рисунок 2. Геометрические

г г параметры коллектора

уклона (8) на скорость течения сточных вод

(и) в степень 3/8; а также нахождения коэффициента] с помощью расчета относительного содержания форм сероводорода по константам его диссоциации в зависимости от рН и температуры сточных вод О). Для удобства нахождения численного значения величины потока сероводорода (<р3™) выражение (2) с помощью формул для гидравлического расчета канализационных сетей А. Шези и Н.Н. Павловского было математически обработано и преобразовано в графический вид. Для этого первоначально были определены численные значения потока сероводорода (ф5»') при фиксированных средних значениях параметров [1)8], Ь/с1, рН, I и различном гидравлическом уклоне для всевозможных диаметров труб коллектора (рис. 3). В качестве средних значений параметров были приняты следующие неличины: [Э8]=1 мг/л; Ь/<1=0,5; рН=6,8 (1=20°С). В случае их изменения для каждого из параметров назначены соответствующие поправочные коэффициенты '¿■ш, и определены их численные значения (рис. 4-6).

Алгоритм вычисления потока сероводорода ((рзж) следующий. Для коллектора заданного диаметра (с1) и расчетного уклона (8) определяется численное значение потока сероводорода (ф5И') по графику на рис. 3. Далее по фактическим данным определяются поправочные коэффициенты Z[Ds), 7-ьл, Zpн по графикам на рис. 4, 5 6 соответственно. Вычисляется итоговое значение потока сероводорода (ф3№) по формуле:

ср5и, = Ф^' ' ^ь/а ' грн (3)

0.000

0,000 0,003 0,006

0,009

0,012 0,015 Уклон в, м/м

0,018 0,021

0,024

Рисунок 3. Значение потока сероводорода при заданных условиях (фп,') для проектируемого диаметра коллектора (с!) и расчетного уклона (8)

Рисунок 4. Зависимость коэффициента г|в5| от концентрации сульфидов

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Уровень наполнения коллектора

Рисунок 5. Зависимость коэффициента от уровня наполнения коллектора

Температура сточных вод:

-£=5°С

5,4 5,8 6,2 6,6 7 7.4 7,8 8.2 8.6 рН сточных вод

9 9,4 9,8

Рисунок 6. Зависимость коэффициента Ъ^н от уровня рН сточных вод и их температуры

В математической модели скорости сероводородной коррозии Я.О. Роте-гоу учитываются четыре группы факторов: гидравлические, геометрические, химические и качество бетона по показателю реакционной емкости в зависимости от вида используемого заполнителя. Анализ формул (1) и (2) свидетельствует о том, что решающее влияние на величину скорости коррозии оказывают содержание сульфидэв в стоках; скорость течения сточных вод (уклон); вид используемого в бетоне заполнителя, а также эффективность реакции кислоты с бетоном - коэффициент £ Вместе с тем исследования, проведенные многими российскими и зарубежными учеными и требования норм (ГОСТ 31384) показывают, что плотно'лъ бетона, характеризуемая его маркой по водонепроницаемости XV, также существенным образом влияет на скорость коррозии бетона. Поэтому представляется целесообразным получить новую теоретическую зависимость, позволяющую учитывать влияние плотности бетона на скорость его коррозии.

Если принять скорость коррозии для бетона с маркой по водонепроницаемости \У4 за базовую, поскольку он является наименее плотным, то уравнение скорости коррозии для более плотного бетона можно представить в следующем виде:

= " С\/У4>

где - коэффициент изменения скорости коррозии бетона с маркой относительно скорости коррозии бетона ; маркой \>/4, коррозия которых происходит в равных условиях; С\у. -скорость коррозии бетона с маркой по водонепроницаемости (1 = 4, 6,... 18, 20); Сум -скорость коррозии бетона с маркой \?/4.

Значение коэффициента может быть получено по соотношению скоростей коррозии бегона различной плотности находящихся в одинаковых по агрессивности условиях, по формуле:

Для полученья численных значений коэффициента за основу были приняты результаты исследсваний Ро-зенталя Н.К. ( ш - отмечены на графике), которые выражаются в глубине разрушения бетона с различной маркой по водонепроницаемости в растворах серной кислоты за 50 лет (рис. 7).

4 6 8 10 12 14 16 18 20

Марка бетона по водонепроницаемости

Рисунок 7. Значения для бетонов различной плотности (\У|)

С учетом вышеизложенного, средняя скорость коррозии согласно (3) для коллектора, изготовленного из бетона с маркой по водонепроницаемости \У4, может быть записана в следующем виде:

г — 11.5<реу^

- -- (6)

Подставляя (6) в (4), имеем:

Таким образом, зависимость (7) позволяет учесть влияние плотности бетона по показателю водонепроницаемости (XV) на скорость коррозии водоотво-дящего железобетонного коллектора с помощью введенного в формулу Я.О. Ротегоу коэффициента

В четвертой главе приводятся результаты натурных и лабораторных исследований скорости сероводородной коррозии и способов защиты бетона.

В связи с тем, что сероводородная коррозия бетона является сложным многофакторным процессом с участием различных видов бактерий, а сам коллектор представляет собой подобие «биологического реактора», смоделировать в лабораторных условиях в полном объеме протекание коррозии под воздействием биогенной серной кислоты до настоящего времени не представляется возможным. Поэтому для определения численных значений параметров математической модели коррозии и осуществления теоретического прогноза ее скорости нами были проведены натурные исследования на действующем в г. Уфе водо-отводящем коллекторе, который был разделен на три характерные зоны (рис. 8):

1) Зона после подключения канализационной насосной станции - «После КНС»;

2) «Застойная» зона - скорость потока сточных вод и уклоны имеют предельно низкие значения, в отдельных случаях ниже допустимых;

3) Зона «Быстротока» - максимальные скорости и уклоны для данного коллектора.

Рисунок 8. Схема обследованного железобетонного коллектора 01000 мм (цифрами обозначены номера колодцев)

В результате проведенных исследований для каждой из вышеназванных зон была определена фактическая средняя скорость коррозии бетона Сфакт и средние значения: рН, 1, [ЮБ], Б, и, Ь, р' (табл. 1).

Численное значение коэффициента эффективности реакции серной кислоты с бетоном (0 зависит от параметров, которые не представляется возможным точно измерить (вентиляция подсводового пространства, количество конденсата на стенке коллектора и т.д.). В связи с этим может возникнуть определенная погрешность в назначении коэффициента Г теоретическим путем. Поэтому для осуществления более точного прогноза скорости сероводородной коррозии значение данного коэффициента определялось экспериментально по фактическим параметрам работы и фактической скорости коррозии коллектора с помощью формул (1) и (2):

е _ 'факт

Сфакт-А-Р'

11,50.7-(5и)в-НВЗ]Ь

(8)

ев Щ О е^ О ¡Л 2 2 о о о а а « со о а и Й 3 Ширина потока, ! м .! | 2 £ " о г: ш &1у с 8 Гидравличе- ! ский уклон, м/м 1 Скорость потока, м/сек . Среднее содержание сульфидов, мг/л Коэффициенты «Я »ч,-О в 5 о ь-С Фактическая скорость коррозии, мм/год Значение коэффициента эффективности реакции

X Ь Р' в и Рв! ] А ф™ Сф|КТ 1факг

1 №1 0,94 1,271 0,0014 1,19 1,96 0,6 0,2 0,0553 2,2 0,69

2 0,87 1,119 0,0010 1,02 1,95 0,6 0,2 0,0479 1,2 0,44

3 №2 0,87 1,119 0,0010 1,02 2,16 0,6 0,2 0,0530 0,9 0,30

4 0,87 1,119 0,0010 1,02 1,99 0,6 0,2 0,0489 0,9 0,32

5 №3 0,97 1,820 0,0100 2,49 1,06 0,6 0,2 0,0595 2,2 0,64

6 0,97 1,820 0,0100 2,49 0,91 0,6 0,2 0,0511 2,4 0,82

Примечание: коэффициент А=0,2, т.к. коллектор изготовлен на гранитном заполнителе

В связи с тем, что в зонах №2 и №3 исследования проводились сразу в нескольких точках, в качестве Гфакт приняты значения, определенные в точках с наибольшей коррозией - колодец №2 в зоне «Застойная» и колодец №6 в зоне «Быстроток» (табл. 2).

Наименование зоны Значение коэффициента Гфакт

№1 «После КНС» 0,69

№2 «Застойная» 0,44

№3 «Быстроток» 0,82

Для обеспечения нормативной долговечности железобетонных коллекторов должно выполняться условие:

Cwi < С„, (9)

где С„ - максимально допустимая скорость коррозии, мм/год, которая определяется, как:

С„=^, (10)

1 н

где Тн - нормативный срок эксплуатации коллектора, который должен составлять 50 лет; LJ0„ - допускаемая к концу нормативного срока глубина коррозии - «жертвенный слой», в качестве которого может быть принят защитный слой бетона. Толщина защитного слоя бетона для исследуемого коллектора а,=3 5 мм.

Для данного коллектора значение максимально допустимой скорости коррозии (С„), при которой обеспечивается нормативная долговечность, должна составлять не более С„=35/50=0,68 (мм/год). Полученные данные свидетельствуют о том, что при проектировании коллектора не учитывались факторы, влияющие на скорость сероводородной коррозии. В «Застойной» зоне вследствие недопустимо низкой скорости течения сточных вод, по всей видимости, идет накопление осадка и отложений, что способствует повышенному содержанию растворенных сульфидов в сточной воде. При этом скорость коррозии на данном участке вследствие незначительного уклона самая низкая. Выделение накопленных сульфидов в виде H2S происходит ниже по потоку в зоне «Быстротока», чему способствует высокое значение уклона, характерное для данной зоны. Поэтому здесь наблюдается максимальная скорость коррозии. Из-за того, что зоне «Быстротока» предшествует «Застойная» зона процесс коррозии коллектора протекает с различной скоростью. По данным фактических замеров средняя скорость коррозии составляет от 0,9 до 2,4 мм/год, что существенно превышает максимально допустимую С„=0,68 мм/год. Объяснение этому является то, что коллектор изготовлен из бетона пониженной плотности - W4.

Для определения плотности бетона, которая обеспечит нормативную долговечность коллектора при данных условиях, была использована полученная зависимость (7). Для каждой характерной зоны коллектора (табл. 3) с помощью формулы (7) были определены значения скоростей коррозии бетонов различной плотности (Cwi), а также остаточный ресурс (срок службы) коллектора по формуле:

Т°ст = с^ ~ Тэкс> (Ч)

где Toc - остаточный ресурс (срок службы) коллектора; Тзк - срок эксплуатации коллектора.

Согласно полученным данным в зонах №1 и №3 эксплуатационный ресурс коллектора полностью исчерпан и необходимы безотлагательные меро-

приятия по реконструкции гочисленные факты азарий, 2011 г.г.

трубопровода. Подтверждением этого служат мно-произошедшие на коллекторе в период с 2000 по

Наименование зоны Средняя ск эрость коррозии для бетона с различной плотностью, мм/год Остаточный ресурс, лет

W4 W6 W8 W10 W12 W14 W16 W18 W20 Тост

Х°1 «После КНС» 2,2 1,61 0,99 0,92 0,84 0,77 0,70 0,62 0,55 0

№2 «Застойная» 1,2 0,88 0,54 0,50 0,46 0,42 0,38 0,34 0,30 менее 8

№3 «Быстроток» 2,4 1,75 1,08 1,01 0,91 0,84 0,77 0,67 0,60 0

При мечен не: Выделены значен = 0,68 мм/год. В остальн >ix случ ется ля, при которых выполняется условие (9): С\у1 < Сн, гдеС„ аях нормативная долговечность Тн=50 лет не обеспечива-

стр.

В качестве рексмендащ коллектора необходимо прин цаемости XV18; в зоне №2 — Ё №3 - бетон с маркой по вод! можности применения кон> проницаемости, допускается вичной защиты - конс трукщ а на участках с повышенно? зона №3 «Быстроток») пр дополнительную обработку поверхностей труб средствам; защиты.

Первоочередным явля чение первичной защиты скольку она более экономич нению с другими способами долговечности коллектора. С были проведены исслгдован ру состава бетона повышен сти с применением различи цирующих добавок Модиф 01, ПФМ-НЛК, СеШпИс Рит запВ\УА16 (рис. 9).

,ий для осуществления проекта по реконструкции [ять: в зоне №1 - бетон с маркой по водонепрони-етон с маркой по водонепроницаемости W8; в зоне онепроницаемости W18. В случае отсутствия воз-|укций, изготовленных из бетонов особо низкой для всего коллектора назначить в качестве пери с маркой по водонепроницаемости не менее W8, агрессивностью среды (Зона №1 «После КНС» и едусмотреть внутренних и вторичной

ется обеспе-бетона, по-ная по срав-повышения этой целью ня по подбо-ной плотно-ых модифи-сатор МБ 10-е SX, Mura-

Марка бетона но водонепроницаемости

А

WI8 WI6 WI4 WI2-WI0 W8 W6 W4-W2 0

I

© с

Наименование составов

Рисунок 9. Результаты подбора состава бетона повышенной плотности

На участках с повышенной агрессивностью среды меры первичной защиты оказываются недостаточно надежными, поэтому дополнительно должна

применяться вторичная защита бетона, наиболее эффективной из которой является устройство защитных оболочек из полиэтилена. Для железобетонных заводов, которые не обладают технологией установки полиэтиленовых оболочек в процессе производства изделий, могут быть рекомендованы защитные покрытия, которые представляют собой кислотоустойчивые составы на органической или минеральной основе. При этом для восстановления поврежденных коррозией конструкций коллекторов могут быть использованы специальные ремонтные составы. Максимальный эффект от ремонта достигается совместным применением ремонтного состава и защитного покрытия, которое наносится по восста- Таблица 4. Результаты испытаний ремонтных составов и новленной поверхности.

По результатам лабораторных испытаний в 5%-й серной кислоте и натурных испытаний в коллекторе (рис. 10, табл. 4) установлен ряд эффективности исследованных защитных покрытий: Парацид < Мав1ег5еа1 136 < ОШоёиг \VS56. Результаты испытаний образцов, изготовленных из ремонтных составов (МасАош, Ета-со 588С, Антигидрон ВЛ50) без применения

а) б) в)

Рисунок 10. Образцы после натурных испытаний в водоот-водящем коллекторе (12 месяцев): а) цементно-песчаный раствор без покрытия; б) Ншасо+Ма81егееа1 - локальные повреждения покрытия на гранях образцов; в) МасАо\у+01с1ос1иг - покрытие без повреждений

защитных покрытии

Материал Покрытие Средняя глубина коррозии, мм

Лабораторные испытания 14 суток Натурные испытания

6 месяцев 12 месяцев

ПЦ400 Д20 без покрытия Полностью разрушен 5 15

Ма81егееа1 136 0 0 7

ОМоаиг \VS56 0 0 0

Масйо\у без покрытия 2 2 6

Майегееа! 136 0 1 1

ОМоёиг \VS56 0 0 0

Ешасо 888С без покрытия 4 0 10

Мазсегееа1 136 0 0 2

СМсЫиг \VS56 0 0 0

Антигидрон ВЛ50 без покрытия 2 1 7

ПЦ 400 Д20 Парацид 3 1

Рисунок 11. Продукты коррозии цементного камня: а) двуводный гипс - в наружном корродированном слое б) эттрингит - в переходном слое

защитного покрытия, не позволяют выделить какой-либо отдельный состав по критерию коррозионной стойкости. Установлено, что ремонтные составы также, как и обычный цементный камень, подвержены интенсивной коррозии.

С целью получения сведений об изменении структуры и качественном составе новообразований испытанных образцов, находившихся в условиях сероводородной коррозии, были проведены дополнительные исследования с помощью растрового электронного микроскопа ШОЬ ЛвМ-ббЮЬУ и дифрактометра 02 РНА-ЙЁЯ. Полученные результаты подтвердили наличие в продуктах коррозии основного компонента - двуиодного гипса (Са804-2Н20), а в переходном слое -этгрингита (ЗСа0 А120з-ЗСа^04-32Н20), которые обуславливают процесс разрушения бетона (рис. 11). Снимки неповрежденного и корродированного образцов бетона позволяют объяснить механизм коррозии, который заключается в растворении компонентов цементного камня с последующей кристаллизацией новооб-увеличением объема. При этом появляются внут-славливают возникновение растягивающих напряжений в корродированном слое цементного камня, вследствие чего он представляет собой несвязную массу и, как правило, удаляется с поверхности конструкций коллекторов за счет сползания или смыва потоком (рис.12).

В пятой главе предложены антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности проектируемых и повышению долговечности водоотво-дящих коллекторов.

КЭСКжЯ ______

Рисунок 12. Изменение структуры бетона после натурных испытаний в водоотводящем коллесторе (12 месяцев): а) неповрежденный бетон; б) корродированный слой бетона

разований со значительным ренние усилия, которые обу

Чспвичиме способы защиты

Рисунок 13. Антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности

железобетонных коллекторов

Анализ проведенных исследований показывает, что основным направлением повышения долговечности водоотводящих коллекторов может являться-максимальное использование потенциальных возможностей самого бетона. Реализовываться это должно применением бетонов повышенной плотности (водонепроницаемости), получение которых возможно с применением специ-

альных добавок. Дополнительным способом повышения долговечности является применение известнякового заполнителя. В тех случаях, когда этими методами не удается обеспечить долговечность, должны быть применены способы вторичной защиты. Необходимо также отметить, что повышение долговечности коллекторов основывается не только на использовании стойких материалов, но и на правильных конструктивных решениях, принятых при проектировании канализационной сети, а также проведением своевременных эксплуатационных мероприятий. Таким образом, защита от сероводородной коррозии должна решаться комплексно, в связи с чем, возникает необходимость систематизации эффективных антикоррозионных мероприятий, направленных на повышение долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов.

Основные мероприятия по повышению долговечности коллекторов могут быть разделены на первичные, вторичные, эксплуатационные и проектные способы защиты (рис. 13). Они заключаются в применении конструкций коллекторов, максимально стойких в данной среде (первичная и вторичная защита), либо в минимизации условий, способствующих повышению агрессивности среды по отношению к бетону коллектора (эксплуатационная и проектная защита).

Высокие требования по надежности и долговечности, которые предъявляются к коллекторам водоотведения, обуславливают необходимость производства качественных железобетонных изделий. Автором был разработан технологический регламент производства конструкций коллекторов, устанавливающий требования к входному контролю исходных сырьевых материалов, операционному контролю технологии выполнения работ, а также приемочному контролю по установлению соответствия качества готовых изделий требованиям стандартов. Основной целью разработанного технологического регламента является получение железобетонных труб и колец колодцев с повышенной плотностью. Данный документ был внедрен в производственный процесс изготовления железобетонных изделий и конструкций коллекторов на заводе «ГлавБашСтрой». Общий выпуск изделий, соответствующих разработанному технологическому регламенту, за период с 2009 по 2011 г.г. составил 5 438 м3. Марка бетона по водонепроницаемости для колец колодцев составила \V12j для труб цилиндрических раструбных - У/14. Повышенная плотность бетона была достигнута применением добавок, снижением В/Ц отношения, использованием смеси заполнителей с оптимальной гранулометрией и выбором оптимальных условий твердения бетона. Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в увеличении долговечности водоотводящих коллекторов. Теоретический срок службы по сравнению с рядовыми изделиями (с маркой по водонепроницаемости \М4) для труб цилиндрических раструбных увеличился в 2,9 раза; для колец колодцев - в 2,6 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследована возможность теоретического прогнозирования скорости сероводородной коррозии железобетонных водоотводящих коллекторов в зависимости от влияющих факторов: гидравлического уклона коллектора; скорости потока сточных вод; концентрации растворенных сульфидов в сточных водах; рН и температуры сточных вод; ширины свободной поверхности потока сточных вод; периметра поверхности коллектора, подверженной коррозионному воздействию; коэффициента эффективности реакции кислоты с бетоном; коэффициента реакционной емкости бетона.

2. Предложена математическая модель, позволяющая учесть влияние всех основных факторов на скорость сероводородной коррозии бетона различной плотности, а также разработан алгоритм определения остаточного ресурса (срока службы) коллектора. С помощью полученных зависимостей можно прогнозировать срок службы при проектировании новых и эксплуатации действующих водоотводящих коллекторов.

3. Разработан метод определения потока сероводорода (<р5*,) на основе данных о расчетном гидравлическом уклоне (Б), уровне рН стоков и их температуры, расчетном наполнении коллектора (ИМ) и концентрации сульфидов [ОБ].

4. Показано, что водоотводящие коллекторы могут иметь характерные зоны, в которых происходят взаимосвязанные процессы определяемые сочетанием факторов, влияющих на скорость коррозии. По результатам исследований для действующего в г. Уфе коллектора выявлены три характерные зоны трубопровода. Для каждой из этих зон определены численные значения параметров математической модели коррозии, выполнен прогноз теоретических значений скоростей коррозии для бетонов различных плотностей и определен остаточный ресурс коллектора. Полученные данные свидетельствуют о том, что процесс коррозии на различных участках трассы коллектора протекает с различной скоростью. Установлено, что решающее значение на величину скорости коррозии в выявленных зонах оказывают содержание сульфидов в стоках; скорость течения сточных вод (уклон); эффективность реакции кислоты с бетоном, характеризуемая коэффициентом £ а также плотность бетона (\У).

5. На действующем заводе ЖБИ «ГлавБашСтрой» по технологии вибропрессования получены изделия водоотводящих коллекторов с повышенной плотностью - марка бетона по водонепроницаемости \V12-W14, что позволило

повысить долговечность по сравнению с рядовыми изделиями (марка W4) в 2-3 раза. Показана возможность получения бетонов с маркой \У16 и выше с помощью применения комплексных добавок на основе микрокремнезема и суперпластификатора (типа МБ 10-01).

6. Подтверждено наличие в продуктах коррозии бетона основного компонента - двуводного гипса,'а в переходном слое - этгрингита, которые наряду с растворением компонентов цементного камня серной кислотой, обуславливают процесс разрушения железобетонных конструкций. Наиболее эффективным из исследованных способов вторичной защиты бетона является покрытие ОМос1иг \VS56. Результаты испытаний образцов, изготовленных из ремонтных составов (МасЯои?, Етасо 888С, Антигидрон ВЛ50) без применения защитного покрытия, не позволяют выделить какой-либо отдельный состав по критерию коррозионной стойкости. Поэтому при восстановлении поврежденного коллектора ремонтными составами в местах повышенной агрессивности необходимо поверх ремонтного состава наносить защитное покрытие.

7. Предложены антикоррозионные мероприятия, включающие в себя производственные, проектныЬ и эксплуатационные решения по обеспечению долговечности водоотводящих коллекторов на основе факторов сероводородной коррозии. Разработан технологический регламент, устанавливающий требования к контролю качества на всех стадиях производства конструкций водоотводящих коллекторов. Общий выпуск изделий, соответствующих разработанному технологическому регламенту, за период с 2009 по 2011 г.г. составил 5 438 м\ Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в увеличении срока службы конструкций до нормативных значений.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих научных трудах, из них №7, №11, №15, №16 опубликованы в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Латыпов, В.М. Основные факторы,, определяющие качество сборного железобетона / В.М. Латыпов, ПЛ. Кантор // Проблемы строительного комплекса России; материалы XII Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. - С. 48-49.

2. Латыпов, В.М. Определение требуемой плотности бетона труб водоотводя-щего коллектора в зависимости от агрессивности среды / В.М. Латыпов,

П.Л. Кантор // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009.-С. 266-267.

3. Латыпов, В.М. Восстановление бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений / В.М. Латыпов, Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк, П.А. Федоров, Д.В. Тимеряев, ПЛ. Кантор И Строетельные материалы. - 2009. - № 3. - С. 58-59.

4. Латыпов, В.М. Коррозионностойкие изделия для сооружений водоснабжения и водоотведения / В.М. Латыпов, ПЛ. Кантор // Эксплуатационная надежность промышленных и гражданских зданий и сооружений при строительстве и реконструкции: сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 115-123.

5. Латыпова, Т.В. О качестве подготовки железобетона к ремонтным работам / Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк, ПЛ. Кантор, В.М. Латыпов // Инженерные системы в строительстве и коммунальном хозяйстве. - Уфа, 2011. - №4. - С. 10-13.

6. Авренюк, А.Н. Об опасности повреждения структуры бетона на этапе подготовки поверхности перед ремонтом конструкций / А.Н. Авренюк, В.М. Латыпов, В.С. Асянова, ПЛ. Кантор // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2011. - №2. - С. 47-50.

7. Кантор, ПЛ. Инженерные мероприятия по повышению долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов / П.Л. Кантор, С.Л. Кантор, В.М. Латыпов // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: II Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Статьи и/тезисы. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. -С. 132-136.

8. Кантор, ПЛ. Прогнозирование скорости сероводородной коррозии железобетонных водоотводящих коллекторов / П.Л. Кантор // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: II Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Статьи и тезисы. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С.137-140.

9. Кантор, ПЛ. Экономическое сравнение двух вариантов армирования конструкций колодцев, выпускаемых по ГОСТ 8020-90 / П.Л. Кантор // Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона: материалы научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Полака А.Ф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 283-284.

10. Кантор, ПЛ. Определение средней скорости коррозии бетона водоотводящих коллекторов с учетом влияющих факторов / П.Л. Кантор II Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона: материалы научно-

технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Полака А.Ф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 253-256.

11. Кантор, П.Л. Эффективность вторичной защиты железобетонных канализационных коллекторов / ПЛ. Кантор, B.C. Асянова, В.М. Латы-пов // Промышленное и гражданское строительство. — 2011. - №12. — С. 65-66.

12. Кантор, ПЛ. Прогнозирование скорости сероводородной коррозии во-доотводящих железобетонных коллекторов с учетом плотности бетона / ПЛ. Кантор, СЛ. Кантор, В.М. Латыпов // Промышленное и гражданское строительство. — 2012. - №1. — С. 44-47.

Подписано в печать 16.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 306.

Отпечатано в тип. ООО «Принт+», г. Уфа, пр. Октября, 71. Тел.: 235 57 44

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Повышение долговечности железобетона водоотво-

дящих коллекторов

Специальность 05.23.05 Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Латыпов В.М.

Уфа 2012

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.....................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ВОДООТВЕДЕНИЯ.........................................................................7

1.1 Железобетонные водоотводящие коллекторы - современное

состояние, перспективы применения и производства.................7

1.1.1 Номенклатура выпускаемых железобетонных труб...................................9

1.1.2 Основные виды конструкций колодцев.....................................................10

1.1.3 Технология производства............................................................................11

1.1.4 Метод радиального прессования................................................................12

1.1.5 Метод центрифугирования..........................................................................14

1.1.6 Метод вибропрессования............................................................................15

1.2 Аварии на сетях водоотведения.......................................................24

1.2.1 Физико-механические повреждения коллекторов....................................26

1.2.2 Коррозионные повреждения коллекторов.................................................28

1.3 Математическая модель сероводородной коррозии....................33

1.4 Постановка целей и задач исследований.......................................38

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ....................................................40

2.1 Общая характеристика технологии выпуска изделий и

конструкций водоотводящих коллекторов.......................................40

2.2 Исследование эффективности первичной защиты бетона...............46

2.3 Исследование эффективности вторичной защиты бетона...............50

2.4 Исследование состава и структуры образцов, находившихся в

условиях коррозии..................................................................................55

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СКОРОСТИ СЕРОВОДОРОДНОЙ

КОРРОЗИИ......................................................................................56

3.1 Основные факторы, влияющие на скорость коррозии.....................56

3.2 Определение потока сероводорода к поверхности коллектора.......57

3.3 Прогнозирование скорости коррозии с учетом

плотности бетона.....................................................................................67

3.4 Определение требуемой плотности бетона и остаточного ресурса

коллектора с учетом факторов, влияющих

на скорость коррозии.............................................................................73

3.5 Элементы колодцев..................................................................................78

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ......................79

4.1 Исследования сероводородной коррозии на действующем

коллекторе................................................................................................,у

4.2 Исследования по подбору составов бетона повышенной

плотности..................................................................................................

4.3 Исследования по определению наиболее эффективных защитных

покрытий и ремонтных составов........................................................86

4.4 Исследования структуры образцов, подвергшихся коррозии.........91

ГЛАВА 5. АНТИКОРРОЗИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО

ПОВЫШЕНИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВОДООТВОДЯЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ.............................................................................93

5.1 Первичная защита бетона.......................................................................94

5.2 Вторичная защита бетона........................................................................95

5.3 Эксплуатационные способы защиты....................................................96

5.4 Рекомендации для проектирования железобетонных

водоотводящих коллекторов по критерию «долговечность»........97

5.5 Организация производственного процесса на комбинате по

выпуску изделий и конструкций

водоотводящих коллекторов..............................................................101

5.1.1 Входной контроль......................................................................................102

5.1.2 Операционный контроль...........................................................................103

5.1.3 Приемочный контроль...............................................................................110

5.6 Внедрение результатов исследований и их экономическая

эффективность.......................................................................................111

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Канализационные сети являются частью подземной инфраструктуры городов и играют важную роль для их жизнеобеспечения. В 60-80 г.г. прошлого века в России велась массовая жилищная застройка новых территорий с соответствующими сетями водоотведения. При их устройстве широко применялись коллекторы из железобетона, к преимуществам которых можно отнести невысокую стоимость, отсутствие дефицита в сырьевых материалах при производстве, технологичность при укладке и последующей эксплуатации.

Процесс сероводородной коррозии в прошлом был недостаточно изучен, поэтому отсутствовали методы учета и прогнозирования факторов, влияющих на деструктивные процессы железобетона водоотводящих коллекторов. Кроме того, зачастую применялись изделия с ограниченной коррозионной стойкостью, имеющие марку бетона по водонепроницаемости и ниже. При таких условиях железобетонные коллекторы не могли обеспечить нормативную долговечность, которая должна составлять не менее 50 лет. В результате эксплуатационным службам городов приходилось, в лучшем случае, осуществлять преждевременный капитальный ремонт канализационных сетей, а в худшем - проводить их полную замену. В отдельных случаях были зафиксированы крупные аварии на железобетонных коллекторах, причинившие существенный экологический и материальный ущерб.

В настоящее время проблеме повышения долговечности водоотводящих коллекторов уделяется большее внимание, однако данные, содержащиеся в современных российских нормативах, не позволяют произвести оценку ресурса эксплуатации коллекторов водоотведения. Так, в ГОСТ 31384 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» [35] указывается, что для оценки степени агрессивности среды по отношению к бетону коллектора концентрацию сероводорода необходимо принимать по опыту эксплуатации данных сооружений или рассчитывать при проектировании в зависимости от состава сточных вод и конструктивных характеристик трубо-

5

провода. В связи с отсутствием у проектировщиков методов расчета, факторы сероводородной коррозии не учитываются при разработке проектов водо-отводящих сетей.

В связи с этим актуальными являются задачи исследования факторов, обуславливающих сероводородную коррозию железобетона; прогнозирование скорости коррозии водоотводящих коллекторов и разработка мероприятий, способствующих повышению их долговечности.

Автор выражает благодарность коллективу сотрудников ХНИЛ УГНТУ «Уфимский городской центр СТРОЙТЕХЭКСПЕРТИЗА» и ОАО «ГлавБаш-Строй» за помощь в выполнении диссертационной работы.

Исследования проводились в рамках выполнения гранта Российской академии архитектуры и строительных наук по теме: «Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов» (Гос. контракт № РА-01-10 от 01 августа 2010 г.).

ГЛАВА 1È СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ВОДООТВЕДЕНИЯ 1.1 Железобетонные водоотводящие коллекторы - современное состояние, перспективы применения и производства

Развитие сетей водоотведения во всех странах происходит по одинаковой схеме с использованием металлических (стальных и чугунных), полимерных, бетонных, железобетонных, керамических и асбестоцементных труб. Бетонные и железобетонные коллекторы стали использоваться намного позже керамических и чугунных, и практически одновременно со стальными и асбестоцементными. Самая старая из известных бетонных конструкций санитарного назначения - коллектор в г. Мохаок (Нью-Йорк, США), который был построен в 1842 г. и функционировал более 100 лет. Железобетонные трубы впервые появились во Франции в 1896 г, а через 8 лет их производство также начали в США. В 1907 г. была основана Американская ассоциация производителей бетонных труб - American Concrete Pipe Association. В 1910 г. производство железобетонных труб начато в Австралии [120].

В настоящее время различие в проценте применения различных материалов для труб коллекторов обусловлено грунтовыми условиями, качеством и количеством стоков. В странах Западной Европы в системах водоотводя-щих коллекторов пластик используется в основном для труб диаметром до 250 мм при прокладке придомовых сетей. Для магистральных трубопроводов с диаметром труб от 300 до 600 мм используется керамика, бетон и железобетон. При этом бетонные трубы менее востребованы из-за опасности хрупкого разрушения от нагрузок, возникающих при их транспортировке, складировании и монтаже. И если за рубежом бетонные трубы небольших длин и диаметров производятся в незначительном объеме, то в России они практически не выпускаются [120].

Существует определенная закономерность - чем больше диаметр коллектора, тем выше доля железобетона. Это обусловлено сравнительно низкой

стоимостью железобетонных труб больших диаметров по отношению к чу-

7

гунным, стеклопластиковым и полимербетонным (рис. 1.1), а также высокой прочностью и жесткостью относительно менее дорогих полиэтиленовых труб, которые стали применяться относительно недавно.

келезобетон

1600«

полиэтилен

железобетон

1400«

стеклопластик "полиэтилен

»чугун

1200«

^железобетон ^^мммполиэтилен

стеклопластик

»^олимербетон

келезобетон

100»

»полиэтилен

стеклопластик

■чугун

1 900

стеклопластик

<и £ го

§ 800 >5 <

х X л к го

»чугун иеаззвполимербетон

елезобетон

стеклопластик

£ О X

700

»полиэтилен

■чугун

стеклопластик ^мимчугун

«^еж-железобетон

стеклопластик олиэтилен

иЕп^лимербетон

«■^вжеле

501

401

елезобетон

стеклопластик олиэтилен

Г-

елезобетон

стеклопластик олиэтилен ■■■»чугун

«■»железобетон

стеклопластик олиэтилен

£)лимербетон

полимербетон

4000

8000 12000 16000 Стоимость, руб./пог.м

20000

24000

Рисунок 1.1. Сравнительный анализ цен на трубы

Анализ графика (рис. 1.1) показывает, что применение железобетона в системах водоотводящих коллекторах является наиболее экономически выгодным решением. Кроме того, в ряде случае у железобетонных труб практически нет альтернативы - например, когда требуется быстрая замена поврежденного участка канализационной сети диаметром от 500 мм и выше; для устройства «футляров» при пересечении магистралей и железнодорожных

путей; для устройства водоперепускных труб при пересечении водотоков; в

8

з

канализационных сетях, где существует вероятность сброса сточных вод с высокой температурой [120].

Несмотря на низкую стоимость и универсальность железобетонных коллекторов главным критерием, влияющим на выбор потребительских предпочтений, сегодня является соответствие материала труб техническим требованиям, предъявляемым к водоотводящим сетям в отношении надежности, ремонтнопригодности и долговечности. В России железобетонные коллекторы имеют две основные области применения - бытовая и ливневая безнапорные канализации. Основные виды конструкций коллекторов выпускаются по ГОСТ 6482 [38] и ГОСТ 8020 [41]. 1.1.1 Номенклатура выпускаемых железобетонных труб

Основной составляющей канализационной сети являются трубы, транспортирующие сточные воды. Согласно ГОСТ 6482 [38] они подразделяются на три группы по несущей способности:

- Первую - при расчетной высоте засыпки грунтом 2 м;

- Вторую - при расчетной высоте засыпки грунтом 4 м;

- Третью - при расчетной высоте засыпки грунтом 6 м.

Самыми распространенными являются цилиндрические трубы с круглым поперечным сечением. Трубы диаметром до 1600 мм имеют раструбные стыки (рис. 1.2, а) ступенчатой и конической формы. Трубы диаметром более 1600 мм изготавливают с фальцевым соединением (рис. 1.2, б). Стандартные трубы диаметром до 1000 мм имеют одиночный каркас, большие диаметры армируются двумя каркасами.

Количество арматуры зависит от величины изгибающих моментов и их распределения по контуру трубы, поэтому наиболее экономичным является сечение трубы, в котором изгибающие моменты будут, насколько это возможно, меньше по величине и равномерно распределены по периметру трубы [114]. Для этого в мировой практике существуют трубы сложных поперечных сечений - овальные, яйцевидные, трубы с плоской подошвой (рис. 1.2 -в, г, д).

а)

б)

в)

г)

Д)

г

Рисунок 1.2. Конструкции железобетонных водоотводящих труб: а - цилиндрические раструбные трубы; б - цилиндрические фальцевые трубы; в -овальные трубы; г - трубы яйцевидного сечения; д - трубы с плоской подошвой.

1.1.2 Основные виды конструкций колодцев

Конструкции канализационных колодцев являются необходимыми элементами трубопровода, которые позволяют производить в нем периодические эксплуатационные работы, связанные с наблюдением за работой сети, профилактической чисткой, ликвидацией засоров и т.д. Колодцы устраивают в местах поворота сети, присоединения труб различных диаметров, изменения глубины и уклонов трубопроводов, а также на прямолинейных участках с определенным интервалом.

Для устройства конструкций колодцев используются различные бетонные и железобетонные изделия, которые согласно ГОСТ 8020 [41], подразделяются на следующие виды:

- КФК - рабочая камера колодца;

- КС - стеновое кольцо рабочей камеры или горловины колодца;

- КО - опорное кольцо;

- ПО - опорная плита;

- ПД - дорожная плита;

- ПН - плита днища;

- ПП - плита перекрытия.

Помимо стандартных изделий, указанных в ГОСТ 8020 [41], многими российскими и зарубежными производителями выпускаются альтернативные конструкции коллекторов, имеющие преимущества в эксплуатации и являющиеся более экономичными (рис. 1.3).

Рисунок 1.3. Конструкции канализационных колодцев: а - рабочая камера колодца; б - стеновое кольцо колодца; в - опорная плита; г - стеновое кольцо колодца с замковым соединением; д - то же с отверстиями под канализационные трубы; е - колодец квадратного сечения; ж - то же с отверстиями под канализационные трубы; з - кольцо колодца конусной формы; и - до-борное кольцо; к - конус для рабочих камер.

1.1.3 Технология производства

В настоящее время не менее 65-70% железобетонных труб, производимых в России, изготавливаются на старом отечественном оборудовании: центрифугах ременного и роликового типа, а также по технологии вибрационного воздействия на бетон через формоснастку [120]. Данное обстоятельство обуславливает низкое качество производимых изделий и негативное отношение российских «Водоканалов» к применению железобетона в системах во-доотведения. Вместе с тем за рубежом сегодня применяются новые технологии производства, которые позволяют занимать изделиям из железобетона уверенные позиции во всех возможных областях строительства.

Производителями современного оборудования для изготовления конструкций водоотводящих коллекторов являются фирмы Западной Европы и США. На сегодняшний день самыми прогрессивными и распространенными являются три технологии:

- радиальное прессование;

- центрифугирование с дополнительной вибрацией;

- высокочастотное виброформование с дополнительной подпрессовкой бетона (вибропрессование).

Определяющими факторами при выборе технологии изготовления конструкций коллекторов являются номенклатура выпускаемых изделий, геометрические размеры, количество формовочных постов, производительность оборудования, а также ее доступность. 1.1.4 Метод радиального прессования

Данный метод особенно интенсивно развит и применяется в США фирмой McCracken и Besser, в Италии фирмой Siome, а также в Германии фирмой SchlosserPfeiffer GmbH (рис. 1.4).

При таком способе опалубочная форма, в которую подается бетонная смесь, формирует наружную поверхность конструкции. Для равномерного распределения бетона в форме и его уплотнения используется вращающийся в радиальном направлении инструмент, который состоит из прессующей и распределительной головок. Он выполняет сразу несколько функций: распределение бетона, прессование, затирка стенок внутренней поверхности конструкции.

Процесс изготовления начинается с установки опалубочной формы с закрепленным к ней раструбообразующим кольцом на виброплощадку. Формующая головка, расположенная на конце длинного шпилевого вала, опускается в форму, куда начинает подаваться бетонная смесь.

В первую очередь производится формование раструба при одновременном вращении головки и вибрации вибростола. Одновременное воздействие прессования и вибрации позволяют обеспечить необходимое уплотнение бетона. Вращение головки вала осуществляется по часовой стрелке, в то время, как ролики вращаются против часовой стрелке со скоростью в 3 раза большей, чем скорость вала. Таким образом, устраняются напряжения при кручении, возникающие в свежеотформо�