автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Восстановление бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений материалами на цементной основе

На правах рукописи

□ □348 Ю18

АВРЕНЮК АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОСЛЕ ДЕСТРУКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ МАТЕРИАЛАМИ НА ЦЕМЕНТНОЙ ОСНОВЕ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2009

003481018

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Строительные конструкции».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Латыпов Валерий Марказович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Хозин Вадим Григорьевич;

кандидат технических наук, доцент Анваров Рамиль Айдарович.

Ведущая организация ГУЛ «Институт «БашНИИстрой», г.Уфа.

Защита состоится 19 ноября 2009 года в 1430 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.02 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте университета: http://www.rusoil.net.

Просим принять участие в защите и направить Ваш отзыв на диссертационную работу по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

Автореферат разослан « /У» октября 2009 года.

Ученый секретарь совета

Недосеко И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюгуальность темы. Серосодержащие соединения являются одними из наиболее распространенных агрессивных сред, вызывающих коррозию бетонных и железобетонных конструкций и необходимость их ремонта задолго до исчерпания нормативного срока службы. Однако, опыт эксплуатации отремонтированных конструкций свидетельствует о том, что в большом числе случаев они служат недолго по причине отслоения ремонтного материала.

По статистическим данным, в Европе стоимость ремонтных работ превышает 20 млрд. долларов в год, по России такие данные отсутствуют. Стоимость выполняемых ремонтных работ уже сопоставима со средствами, направляемыми на новое строительство. Это обусловлено также и тем, что срок эксплуатации объектов существующей инфраструктуры неуклонно возрастает. Опыт ремонта железобетонных конструкций свидетельствует о том, что обеспечение совместной работы прокорродировавшего и вновь уложенного бетона является сложной задачей, которая может быть решена в основном благодаря качественной подготовке поверхности поврежденных бетона и стали путем их очистки от слоев продуктов коррозии. В международном стандарте ISO 8504:2000 подчеркивается, что «...идеальная защита от коррозии при ремонте на 80% обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20% - качеством используемых материалов и способом их нанесения». Однако, вид, степень и параметры очистки поверхности бетона и арматуры в зарубежных нормативных документах регламентируются лишь частично, а в российских нормативах - практически не оговариваются. До настоящего времени в России отсутствует стандарт, описывающий весь процесс ремонта конструкции. В европейских странах такой единый документ был введен в действие лишь с 01.01.2009г.

В связи с этим, актуальным является поиск решений по быстрому и надежному восстановлению несущей способности эксплуатирующихся конструкций без их усиления, замены и остановки технологических процессов. Одним из ключевых вопросов является изучение причин и механизма отслоения нанесенных материалов на цементной основе с целью уточнения технологических регламентов на ремонт бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений.

Цель работы состоит в определении технологических параметров способов подготовки поверхности бетона и железобетона перед ремонтом для обеспечения длительной адгезии ремонтных составов, что в конечном счете является условием достижения нормативной долговечности конструкций.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- выявление характера и скорости повреждения бетонных и железобетонных конструкций при коррозионном воздействии серосодержащих соединений после различного срока эксплуатации;

теоретическое обоснование и экспериментальное исследование механизма деструктивных процессов на границе фаз «бетон основы - ремонтный состав»;

разработка технических требований к качеству подготовки восстанавливаемой поверхности бетона;

выбор методов обработки бетона, обеспечивающих достижение необходимого качества подготовки поверхности;

выбор оптимальных составов на цементной основе для ремонта конструкций;

разработка технологической инструкции по подготовке поверхности бетона и железобетона при восстановлении конструкций.

Научная новизна:

теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм деструктивных процессов на границе фаз «сульфатизированный слой бетона основы - ремонтный состав», вызывающий ускоренное отслоение ремонтных покрытий на цементной основе в случае неудовлетворительной подготовки поверхности;

уточнена классификация процессов коррозии бетона и железобетона при воздействии серосодержащих сред;

уточнен механизм и кинетика деструктивного воздействия серосодержащих сред, что позволило прогнозировать цикличность работ по ремонту конструкций.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

определены технологические параметры способов подготовки поверхности бетона в зависимости от его прочности, обеспечивающие достижение необходимого качества очистки без повреждения структуры бетона; на основе натурных исследований получены данные о техническом состоянии конструкций различных объектов как после длительного срока их безремонтной эксплуатации, так и восстановленных; получены данные по адгезии ремонтных составов к бетонной поверхности различной степени подготовки;

выбраны оптимальные составы для восстановления бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от вида и степени повреждения при воздействии серосодержащих соединений;

разработана технологическая инструкция по подготовке бетона и железобетона к ремонту и нанесению защитных составов с целью обеспечения длительной эксплуатационной надежности конструкций, а также увеличения межремонтных циклов и уменьшения трудозатрат.

Результаты исследований были использованы:

на объектах МУП «Уфаводоканал», в том числе: при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению эксплуатирующихся без ремонта конструкций - железобетонных коллекторов сточных вод 1000мм протяженностью более 20 км, 15 камер гашения напо-

ра, 28 колодцев; при оценке технического состояния восстановленных конструкций - 4 колодцев, одной камеры гашения напора и 2 поворотных камер в г.Уфе;

- на ОАО «Уфанефтехим» - при оценке технического состояния железобетонного резервуара для приема, хранения и откачки жидкой серы установки производства элементарной серы, а также разработке рекомендаций по восстановлению и антикоррозионной защите бетонных и железобетонных конструкций;

- на ОАО «Учалинский ГОК» - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению конструкций здания химлабо-ратории;

- на УКПН «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г.Агидель - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению железобетонного фундамента дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы;

- на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» - при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по восстановлению строительных конструкций установки сульфата натрия цеха №30;

- при разработке «Технологической инструкции по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами на цементной основе после деструктивного воздействия серосодержащих соединений» (УГНТУ. -Уфа, 2009. - 45с.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях Уфимского государственного нефтяного технического университета (г.Уфа, 2006-2009 гг.);

- научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2006-2009 гг.);

- научно-практическом семинаре «Повышение долговечности систем во-доотведения» (г.Уфа, 2006 г.);

- Второй Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности» (г. Уфа, 2009 г.);

- Третьей Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2009 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованных источников. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 79 иллюстраций и 39 таблиц. Список использованных источников включает 168 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена описанию процессов коррозионного воздействия соединений серы на бетон и железобетон, а также характеристике конструктивных решений зданий и сооружений и анализу агрессивности эксплуатационной серосодержащей среды; освещены вопросы экологической безопасности эксплуатируемых объектов и обоснована необходимость качественного ремонта конструкций. Приведен анализ работ по обследованию технического состояния и изучению механизма коррозии, проведенных исследователями как в России, так и за рубежом. Представлен анализ нормативных документов, патентов, оборудования и обзор современного состояния вопроса по подготовке поверхности и восстановлению бетонных и железобетонных конструкций.

Результаты обследований свидетельствуют о том, что конструкции зданий и сооружений при воздействии соединений серы эксплуатируются в условиях средней и сильной агрессивности среды. В ряде производств концентрации агрессивных серосодержащих веществ в несколько раз превышают не только ПДК, но и концентрации, регламентированные СНиП для сильноагрессивных сред. Этим объясняется сильное коррозионое повреждение ряда обследованных бетонных и железобетонных конструкций (сооружений водоотведения, промышленных объектов и др.) и необходимость их ремонта задолго до исчерпания нормативного срока службы. Однако, при наступлении необходимости ремонта, нормативами Российской Федерации четко не регламентируется последовательность, способы и параметры очистки (давление, продолжительность, степень очистки и т.д.) поверхности бетона и арматуры от серосодержащих продуктов коррозии, типы и характеристики наносимых составов, контроль качества и многие другие важные параметры.

Такие нормативные документы, как СНиП 3.04.01-87 «Изоляционные и отделочные покрытия», СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции», РД 31.35.13-90 «Указания но ремонту гидротехнических сооружений на морском транспорте», «Методические рекомендации по технологии и механизации работ при строительстве, ремонте. Усиление конструкции методом набрызга бетонной смеси» (ЦНИИОМПТ. - Москва, 1986г.), СП 13101-99 «Правила надзора, обследования, проведения технического обслуживания и ремонта промышленных дымовых и вентиляционных труб» регламентируют необходимость подготовки поверхности бетона и арматуры перед ремонтом лишь качественными, но не количественными параметрами. Только в РД 31.35.13-90 «Указания по ремонту гидротехнических сооружений на морском транспорте» содержатся отдельные количественные данные по требуемой степени и видам подготовки арматуры.

Однако, этих сведений недостаточно для выполнения качественной подготовки поверхности и нанесения составов при ремонтных работах. Нормативные документы также не предоставляю! ссылок на типовые инструкции по ремонту.

Степень повреждения и очистки арматуры более конкретно определена в двух Международных нормативах:

- ISO 8501-01:2000 «Подготовка стальной поверхности перед нанесением красок и относящихся к ним продуктов. Визуальная оценка чистоты поверхности», где определены 4 уровня повреждения (А,В,С и D);

- ISO 8504:2000 «Подготовка стальной поверхности перед нанесением красок и относящихся к ним продуктов. Методы подготовки поверхности», где определены степени очистки - Sa, St, F, Be. Однако, и в этих нормативах также недостаточно полно регламентирована степень подготовки поверхности бетона и параметры применяемых при этом методов подготовки.

Рынок готовых материалов и технологий для ремонта российского производства, как и нормативная база ремонтных смесей и материалов, значительно отстает от ремонтных потребностей. Многие же предлагаемые импортные материалы нуждаются в экспериментальной проверке, что вызвано, в том числе, и несовпадением российских и зарубежных методик и нормативных оценок их физико-механических свойств. Российская нормативная база должна быть дополнена документами, четко регламентирующими необходимость и степень подготовки поверхности бетона и арматуры после деструктивного воздействия серосодержащих соединений, а также технологию нанесения ремонтных составов.

В заключительной части сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена характеристике примененных в исследованиях ремонтных материалов, а также описанию методов физико-механических испытаний и физико-химических исследований.

Методы экспериментальных исследований, используемые материалы, приборы и оборудование соответствовали действующим стандартам, исследования проведены в аккредитованной лаборатории «Стройтехэкспертиза» УГНТУ и в аккредитованной лаборатории МУП «Уфаводоканал».

Описана уточненная методика оценки технического состояния зданий и сооружений, подвергавшихся коррозионному воздействию соединений серы, как длительное время, так и в течение нескольких лет. Полученные результаты обследований положены в основу уточненной классификации типов воздействия серосодержащих сред.

Послойное исследование образцов корродированного бетона конструкций, эксплуатировавшихся при различных воздействиях серосодержащих сред, было проведено методами химического, рентгенофазового, дифференциально-термического, электронно-микроскопического и микрорентгеност-руктурного анализа в лабораториях Уфимского государственного нефтяного технического университета, а также совместно со специалистами Башкирского государственного университета (д.ф.-м.н., проф. Бахтизин Р.З.), Института нефтехимпереработки РБ (д.х.н., проф. Хайрутдинов И.Р.) и Южноуральского государственного университета (д.т.н,, проф. Крамар Л.Я.).

Заявленные характеристики отечественных и зарубежных составов при ремонте бетонной поверхности с различной степенью очистки оценивались

как на лабораторных, так и на натурных образцах, отобранных из конструкций объектов после различных сроков эксплуатации.

Третья глава посвящена описанию результатов оценки технического состояния зданий и сооружений, подвергавшихся коррозионному воздействию соединений серы, а также исследованиям по механизму и кинетике коррозии бетона и арматуры в данных средах. Всего было обследовано более 120 различных объектов.

Анализ результатов обследования позволил выявить, что процесс коррозии при воздействии разных по природе сульфатсодержащих сред происходит по некоторым общим принципам протекания с образованием близких по составу продуктов коррозии. В табл. 1 приведена уточненная классификация наиболее распространенных типов коррозионного воздействия соединений серы на бетон, составленная на основании результатов обследований и комплексных исследований продуктов коррозии бетона, а также анализа литературных данных.

Таблица 1

Классификация наиболее распространенных типов коррозии при воздействии соединений

серы

.V; ¡Агрессивная п/п| среда Преобладающий вид воздействия Основной вид продуктов коррозии Место возникновении Условии возникновения Наибольшая скорость коррозии, им / год

I ! 2 3 4 5 б 7

Тип 1а Тип 16' Газ НгЬ Микробиологическая коррозия Эттрингит. гипс Коллекторы и камеры гашения Тионовые бактерии 15

Серная кислота (Н^О.) Кислотная коррозия Конструкции промышленным зданий Техологическис раствороы 12

Тип 2а Тип 26 Газ БСХ (50.!) 1 азовая коррозия Вентиляционные;Нормалыия шамы ¡температура 5

ГэтБСЫН;^) Ёмкости для} хранения ¡Высокая расплавов серы.¡температура дымовые тр\бы ! 9

Тип 3 Жидкости -рас I воры сульфатов Х!а,30, и др. Сульфатная коррозия Фундаменты зданий, емкости для технологических растворов Грунтовые воды и технологические растворы 7

Тип 1а. Процесс микробиологической коррозии протекает в сооружениях системы водоотведения при продуцировании из сероводорода серной кислоты тионовыми бактериями и её последующим воздействии на цементный камень.

Тип 16. Коррозия в результате воздействия проливов серной кислоты на конструкции промышленных предприятий протекает с интенсивным разрушением бетона и арматуры. Скорость коррозии зависит от концентрации, температуры среды и плотности бетона.

Тип 2а. Основной причиной повреждений железобетона в условиях газовой коррозии при нормальной температуре является утрата бетоном защитных свойств по отношению к арматуре из-за его нейтрализации серии-

стыми газами (SCb и S03) при их отведении по системе вентиляции. При этом в сухих условиях прочность бетона остается достаточно высокой, арматура не корродирует. Если же на конструкции периодически образуется конденсат, в нем происходит растворение сернистых газов с образованием серной кислоты и полным разрушением бетона и арматуры. Такие случаи разрушения зафиксированы в плитах покрытия чердачных помещений с холодным режимом работы.

Тип 26. При высокой температуре (60f'C и более), в емкостях с расплавами элементарной серы нефтехимических заводов, дымовых трубах и т.д., при взаимодействии сернистых газов с водой в конечном счете образуется серная кислота, разрушающая цементный камень и арматуру. Данные реакции идут с гораздо большей интенсивностью, чем при нормальной температуре.

Тин 3. В условиях сульфатной коррозии разрушение бетона происходит в результате образования н увеличения в объеме кристаллов эттрингнта, таумасита и гипса в порах бетона.

Причиной разрушения бетона в вышеприведенных случаях (тип 1 и 2) является взаимодействие конечного продукта - серной кислоты с гидратом окиси кальция и другими составляющими цементного камня с образованием легко растворимых кальциевых солеи и аморфных веществ, легко размываемых водой. Последовательность реакций может быть схематически выражена следующими формулами: Ca(QH);-H;SOi —> CaSCM-ITO, а затем п С а О - S i 0; • m H О+л H : S 04 Jaq —» nCaS04+Si(0H)j+aq. Интенсивность коррозии зависит от концентрации ионов водорода рН, характеризующей степень агрессивности раствора кислоты. Скорость коррозии возрастает с повышением концентрации растворов, скорости потока агрессивной среды, площади ее контакта с бетоном, пористости и проницаемости цементного камня и бетона.

Коррозия в растворах сульфатов (тип 3) наблюдается при действии минерализованных природных вод, различных технологических растворов в промышленности, грунтовых вод на участках, загрязненных промышленными отходами. Уравнения основных реакций: Ca(0H)2+Na:S04+2H20 — CaS04-2H2CH-2Na0H;

3Ca0-Ab03+3(CaS04-2H;0)+25H203CaOAl2Oy3CaSOy31HA В результате химических процессов в порах бетона образуются гипс (CaS04-2H;0) и гидросульфоалюминаты кальция (трехсульфаткая форма, эггрингит 3 С а О • А Ь О ; ■ 3 С a S О 4 - ( 3 0. ..32)Н>0, моносульфатная форма

3Cat>Al20'yCaS04'12H20), а также таумасит 3CaOSi02-S03'C02'14,5H20. При этом происходит увеличение объема твердых фаз. Интенсивность сульфатной коррозии зависит (при прочих равных условиях) от типа катиона, с которым связан сульфат-ион, по возрастанию степени агрессивного воздействия они располагаются следующим образом: Na* , Са3т , Mg~+ , NH4*. При наличии испаряющих поверхностей интенсивно разрушаются фундаментные конструкции, колонны, стенки, возведенные tía засоленных фунтах или находящиеся в контакте с технологическими растворами.

Вышеописанные механизмы были подтверждены результатами обследований конструкций коллекторов, колодцев, камер гашения на объектах МУП «Уфаводоканал», резервуара для хранения жидкой серы ОАО «Уфа-нефтехим», здания химлаборатории ОАО «Учалинский ГОК», железобетонного фундамента дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы на УКГТН «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г.Агидель, установки сульфата натрия цеха №30 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», а также физико-химическими исследованиями отобранных корродированных бетонных образцов. При этом также установлено, что степень повреждения бетона при воздействии соединений серы (т.е. прочность корродированного слоя) зависит от величины рН образующегося раствора серной кислоты (при микробиологической, кислотной и газовой коррозии), а также концентрации раствора сульфатов и содержания трехкальциевого алюмината С3А и гидросиликатов Са(ОН)з в цементе (при сульфатной коррозии).

На рис. 1 приведен состав корродированного слоя бетона для разных случаев воздействия среды. Установлено, что во всех случаях корродированный слой делится на 2 зоны:

- внутреннюю, имеющую достаточно высокую прочность (сульфатизиро-ванный слой);

- внешнюю, прочность которой может быть очень мала (при микробиологической коррозии этот слой оплывает под собственным весом).

Неповреждённый мой беяша Кафнизиробаиный слои детом

(улфатширобатый спой Шона й<(?[

Поп там разрушенный спой бетона И-О Гипс

ч СаСОзГСАК

•тттЫЕ

ШрежЗенный спой

V 0

ЬАгШ

и-------------------и--------

Рис. 1. Схема коррозионного воздействия соединений серы на бетон: а - при микробиологической и кислотной коррозии, а также воздействии сернистых газов; б - при сульфатной коррозии: К - прочность бетона

Четвертая глава посвящена описанию результатов физико-механических и физико-химических исследований. Физико-механические исследования проведены с целью определения оптимальных методов и параметров подготовки поверхности (давления, продолжительности, степени очистки, производительности и адгезии ремонтных составов). Часть исследований проведена на натурном образце стенки железобетонной трубы самотечного колектора 1000мм МУП «Уфаводоканал» после 35 лет

и

эксплуатации (рис.2-4), на натурных образцах бетона колонн установки сульфата натрия ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» (после 30 лет эксплуатации), а также на образцах-кубах размером 150мм марок М100-М500 с шагом М100 (рис. 5, табл.2). Контроль качества очистки проводился двумя визуальными способами: первый - с помощью раствора фенолфталеина (рН-контроль), дающего контрастную малиновую окраску на поверхности бетона, с которого полностью удалены продукты коррозии (и сульфатизированный и карбонизированный слои); второй - сохранению на поверхности бетона сульфатизи-рованного слоя, имеющего светло-коричневый цвет-

При оценке полученных результатов (см. рис.2-4) было выявлено три степени очистки:

• при обработке водой под давлением 150 и 250 атм. в различной степени удаляется лишь рыхлый наружный слой продуктов коррозии, а прочный переходный слой гипса светло-коричневого цвета остается. При этом очищенная поверхность индикатором не окрашивается (см. рис.2, а, зоны 2 и 3);

• при обработке водой под давлением 500 атм. сульфатизированный слой полностью удаляется, однако бетон принимает малиновую окраску лишь на 10% площади из-за сохранения внутреннего карбонизированного слоя. Расход воды составляет 20-25 л/мин, продолжительность воздействия около 0,6-0,8 мин/м2, арматура очищается до степени Sa 2 Уг, что достаточно для качественного ремонта. При обработке водой под давлением 600 атм. ситуация аналогична, поверхность окрашивается на 20% площади, однако появляются признаки повреждения структуры бетона. При давлении 900 атм. и выше поверхность окрашивается на 30% площади, однако при этом происходит сильное повреждение структуры бетона в виде трещин глубиной более 5 мм и выкрашивания зерен заполнителя (см. рис.2, б-г, рис.4). При водоструйной обработке перед нанесением ремонтных составов обеспыливание и увлажнение поверхности не требуется;

• при дробеструйной обработке под давлением 7 атм. абразивным порошком из шлаков медеплавильного производства сульфатизированный слой продуктов коррозии удаляется полностью, очищенная поверхность окрашивается в малиновый цвет на 90-95% площади (т.е. карбонизированный слой также удаляется практически полностью). Расход абразива составляет около 9-11 кг/м2, арматура очищается до степени Sa 2 '/2-3, что достаточно для качественного ремонта. Производительность метода составляет 20-40 м2/час. Данный вид обработки полностью надежно удаляет корродированные слои, не повреждает поверхность, степень очистки легко контролируется; кроме того, создается высокая степень шероховатости поверхности, что увеличивает сцепление наносимого ремонтного состава с бетонной поверхностью. При дробеструйной обработке перед нанесением ремонтных составов требуется обеспыливание и увлажнение поверхности, а также удаление использованного абразива из зоны очистки (см. рис.2, д).

Необходимая продолжительность обработки каждым из данных способов, составившая 30-60 сек. на зону, была определена из условия, что при

дальнейшей обработке степень очистки более не изменяется. Идентичные результаты получены при обработке натурных образцов бетона колонн установки сульфата натрия.

Рис. 2. Состояние поверхности образца трубы коллектора после очистки: а - общий вид; б - при водоструйной обработке 500 атм.; в - то же при 600 атм.; г - то же при 900 атм.; д- при дробеструйной обработке 7 атм. ¡3 Сульфатиэиройанный

\ \ 1

"''С:''.'У-:':':- —•

I

///У/ '//КТО, ■■.'//////. 1

\ Неповрежденный

„ « .5ел!0«

Карбонизиробаннии —£№

Кардонизиробйнныйс/кш Сохранятся Удалятся

мшш

Неповрежденный бетон

I г

: 100% I90-95%

50%

30% 20% т о%

1

с!

8 ип в?

ее '1

.3 е

сх

'На

43 со

&

Л а

\ Непобреждеит

Непобрежденный бетон

Рис. 3. Степень очистки поверхности бетона: а - при водоструйной обработке 250 атм.; б -то же при 500 атм.; в) - при дробеструйной обработке 7 атм.

Вид очистки

Рис. 4. Степень очистки поверхности по окраске раствором фенолфталеина (рН-контроль)

Рис. 5. Повреждение структуры на поверхности эталонных образцов-кубов бетона марки М 100 при обработке: а - водоструйным методом давлением 250 атм., б - то же, давлением 500 атм., в - то же, давлением 900 атм., г - дробеструйным методом давлением 7 атм.

Таблица 2

Степень повреждения структуры поверхности бетона в зависимости от его марки (класса)

X» п/п Марка (класс) бетона Способ подготовки

Водоструйный, давлением Дробеструйный, давлением 7 атм.

150 атм. 250 атм. 500 атм. 600 атм. 900 атм.

Степень подготовки бетонной поверхности

Сохранение сульфатизированного и карбонизированного слоев Сохранение карбонизированного слоя Удаление обоих слоев

1. М!00 (В7,5) МП ВП ВП ВП

2, М200 (В!5) МП ВП ВП

3. М300 (822,5) / МП ВП

4. М4О0 (ВЗО) 1 Грани ja безопасной с бработки МП ВП

5. М500 (В40) МП МП

МП

Условные обозначения:

малая степень повреждения структуры поверхности бетона; высокая степень повреждения;

очистка без повреждения структуры поверхности бетона.

ВП

В результате исследований установлено, что в целях сохранения структуры, поверхность бетона класса ниже В15 необходимо очищать только струйно-абразивными методами (дробеструйным, пескоструйным). При прочности бетона более В15 целесообразно использование метода водоструйной очистки, как наиболее производительного. Гидродробеструйная и пескоструйная являются универсальными и достаточно производительными методами на больших площадях очистки, однако характеризуются большими трудозатратами, связанными с необходимостью удаления отработанного абразива, а для пескоструйного метода - также обеспыливания поверхности.

Установлено, что величина адгезии ремонтных составов зависит главным образом от степени очистки поверхности, т.е. содержания сульфатов в слое плохо подготовленной поверхности, а также от влажности среды. Адгезия нанесенных образцов при переменном увлажнении-высушивании снижалась через 10 месяцев эксперимента на 0,1-0,2 МПа по сравнению с проектным возрастом 28 сут. (табл. 3). Это доказывает механизм обазования в контактной зоне «сульфатизированный слой бетона основы - ремонтный состав» расширяющихся соединений типа гидросульфоалюмината кальция (ГСАК) - продукта взаимодействия сульфатов с алюминатной фазой материала покрытия. Появление при этом в контактной зоне внутренних напряжений приводит к снижению адгезии и отслоению ремонтного покрытия (рис.6 и 7). Продолжительность периода до наступления данных процессов зависит главным образом от трех факторов:

- содержания СзА в ремонтном составе;

- содержания сульфатов в сульфатизированном слое бетона;

- влажности эксплуатационной среды.

Таблица 3

Результаты определения адгезии (МПа) ремонтных составов к натурному образцу трубы

коллектора после его очистки разными методами

№ п/ п Наименование ремонтного состава Характеристика зон очистки

Без очистки Водоструйная, давлением Дробестр уйная, давление м 7 атм.

150 атм. 250 атм. 500 атм. 600 атм. 900 атм.

Степень очистки бетонной поверхности

Сохранение сульфатизированного и карбонизированного слоев Сохранение карбонизированного слоя Удаление обоих слоев

1. Цементно-песчаный раствор, 28 сут. 0,05 0,07 0,10 0,21 0,23 0,20 0,25

То же, 10 мес. 0,03 0,04 0,06 0,15 0,26 0,19 0,29

2. ЦМВД-3,28 сут. 0,08 0,12 0,32 0,71 0,65 0,51 0,75

То же, 10 мес. 0,05 0,05 0,18 0,82 0,70 0,53 0,80

3. Sika Monotop 612, 28 сут. 0,09 0,11 0,28 0,79 0,72 0,65 0,84

Тоже, 10 мес. 0,08 0,11 0,19 0,82 0,73 0,71 0,91

Окончание табл. 3

4. Етасо МалосгЛе Я2, 28 сут. 0,10 0,21 0.32 0.91 0,76 0.65 1,02

То же. 10 мес. 0,08 0,15 0,22 0.94 0,89 0,78 0,94

5. Етасо 1>1апосге(е КЗ. 28 сут. 0,11 0,21 0,27 1.32 1,21 1,23 1,65

Тоже, 10 мес. 0,13 0,14 0,12 1.41 1.40 1,34 1,61

6. Етасо Мапосге1е Я4. 28 сут. 0,12 0,17 0,24 1,93 1.43 1,40 2,12

То же, 10 мес. 0,12 0,20 0,12 2,04 1.51 1,31 2,23

7. ЦМИД-3 с адгезионным слоем ЦМИД-1К, 28 сут. 0.09 0,12 0,17 0,82 0,71 0.58 0,81

Тоже. 10 мес. 0,08 0.10 0,10 0,85 0,65 0,63 0,90

8. Б&а Мопоюр 612 с адгезионным слоем Б1ка Мопоюр 610. 28 сут, 0.09 0.16 0,23 0,88 0,66 0.69 0,92

Тоже. 10 мес. 0.06 0,10 0,29 0,90 0.90 0.74 0.86

9. Етасо Ыапосге1е КЗ с адгезионным слоем Етасо Ыапосше АР, 28 сут. 0,10 0,28 0,38 1,59 1,31 1.29 1,89

Тоже, 10 мес. 0.09 0.12 0.21 1,67 1,12 1,35 1,94

Непобреждёншш слой баиоиа КйфнизироЬонный ОтИжт

Су/афтизироЬшш спай ¡июне

СаСО, г

У///А Ж т

Ш ЁЕЗ

ми

спой бетою #<(?>

Рис. 6. Механизм отслоения ремонтного покрытия на цементной основе при воздействии разных сред: а - типы 1а, 1 б, 2а и 26; б - тип 3 (согласно табл. 1); I. - слой, подлежащий удалению при очистке

Рис. 7. Отслоение ремонтного состава из-за низкой адгезии к поверхности корродированного бетона канализационного колодца после полугода эксплуатации.

Физико-химические исследования проведены с целью уточнения механизма и кинетики коррозионного процесса. Для выявления преобладающего

механизма воздействия эксплуатационной среды был выполнен химический и рентгенофазовый анализ продуктов коррозии бетона, отобранных с поверхности конструкций (сводовой части труб эксплуатирующихся коллекторов, стен и перекрытий камер гашения напора, шахт и колодцев, резервуаров. колонн и перекрытий), эксплуатирующихся в агрессивной серосодержащей среде, в том числе при воздействии раствора сульфата натрия. По результатам химического анализа образцы имели значения рН от 0,5 до 8,5. Корродированный слой бетона при этом имел цвет от белого до темно-серого и коричневого, прочность - от 50...80% от прочности неповрежденного бетона до практически нулевой. При отборе проб бетона после воздействия серной кислоты (как конечного продукта) было зафиксировано, что буферный (корродированный) слой состоит в свою очередь из трех слоев (см. рис. 8): малосвязного наружного (!). относительно прочного переходного (2) и прочного внутреннего (карбонизированного) слоя (3). Наружный и переходный слои имели, как правило, примерно одинаковую окраску - от белого до светло-серого и коричневого. Толщину внутреннего слоя можно было определить только по отсутствию окраски индикатора - раствора фенолфталеина. Также установлено, что при водоструйной очистке такой поверхности давлением до 250 атм.. на ней сохраняется твердый сульфатизированный слой гипса светло-коричневого цвета (2) (см. рис. 8). После удаления зерна крупного заполнителя и обработки поверхности индикатором, бетон под удаленным зерном окрашивается в малиновый цвет «здорового» бетона (рН > 9).

7) Поверхностный слой продуктов ^ коаоозии

2) Сохранившийся слой продуктов

^^^ хоооозии (з) Карбонизированный слой

Бетон основы

1 }

Л I

Здоровый» бетон осно-{вы после обработки раствором ф&ктЬталвигФ

Крупный заполнитель

г~——---—

..|Поверхно стныи ело й продуктов

(0РР03Ш1

Рис. 8. Состав корродированного слоя бетона при микробиологической коррозии.

Корродированный слой бетона при воздействии раствора сульфата натрия сходен с вышеприведенным. Он состоит из малопрочного поврежденного слоя (Я - 0,6-0,8гона), сульфатизированного слоя, карбонизированного слоя (при условии соприкосновения с воздухом) и неповрежденного бетона основы.

По результатам послойного рентгенофазового анализа (при воздействии серной кислоты) установлено, что из новообразований в наружном слое

присутствует преимущественно гипс, который фиксируется на рентгенограммах по дифракционным максимумам с d=7,56; 4,35; 3.07; 2,89; 2,69; 2,07 (хЮ"4) мк; в переходном слое помимо гипса обнаружены сульфоалюминаты с d=3,74; 3,25; 2,65; 2,17; 1,80; 1,62 (хЮ"1) мк и сульфосиликаты с d=3,18; 3,03; 2,82; 2,61; 2,50; 1,802 (хЮ"4) мк; во внутреннем слое присутствие сульфатсо-держащих новообразований минимально, однако были обнаружены кальцит и арагонит. По результатам послойного рентгенофазового анализа (при воздействии сульфата натрия) установлено наличие гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы, который фиксируется на рентгенограммах по дифракционным максимумам с d=9,73; 5,61; 3,88; 2,77; 2,56; и 2,22 (хЮ"4) мк; а также гипс d=7,56; 4,35; 3,07; 2,89; 2,69; 2,07 (хЮ"4) мк.

Рис. 9. Кристаллы гипса и гидросульфоалюмината кальция в слое корродированного бетона: а) при микробиологической коррозии (тки I). б) при газовой коррозии (тип 2), в), г) при сульфатной коррозии (гип 3)

Результаты электронно-микроскопического и микрорентгеноструктур-иого анализа подтвердили вышеприведенные данные. При послойном иссле-

довании обнаружены гипс и гидросульфоалюминат кальция различной степени кристаллизации (рис. 9).

Результаты химического анализа проб корродированного бетона (при воздействии серной кислоты) показали, что в диапазоне рН=4-7 соотношение содержания ионов кальция и сульфатов примерно одинаково, при меньших значениях рН<4 доминируют ионы сульфатов, что объясняется преобладанием агрессивного вещества в продуктах коррозии. Послойный химический анализ проб корродированного бетона (при воздействии сульфата натрия) показал, что максимальное количество сульфатов соответствует переходной зоне, в рыхлом поверхностном слое и внутренней части их количество уменьшается.

Таким образом, результаты проведенных исследований подтверждают предположение об образовании дополнительного количества расширяющихся соединений (таких как гидросульфоалюминат кальция) в контактной зоне «сульфатизированный слой бетона основы - ремонтный состав» и последующее отслоение нанесенного состава при недостаточной подготовке поверхности.

Пятая глава посвящена анализу условий, необходимых для обеспечения успешного ремонта бетонных и железобетонных конструкций.

Очевидно, что в современных условиях применение обычного цемент-но-песчаного раствора недопустимо, поскольку неизбежно приводит к раннему отслоению нанесенного слоя из-за снижения адгезии вследствие большой усадки такого состава. Имеющиеся в настоящее время специальные ремонтные безусадочные составы российского и зарубежного производства достаточно доступны как по цене, так и по предложению. Их массовое применение при восстановлении бетона и железобетона в последние годы стало обычной практикой.

Что касается качества подготовки поверхности бетона, то в результате адгезионных испытаний установлено, что карбонизированный слой на поверхности бетона может быть сохранен, т.к. в нем не содержится веществ, вызывающих протекание реакций с увеличением объема продуктов. Кроме того, при ремонте материалами на цементной основе будет иметь место восстановление рН в этом слое за счет миграции щелочей из нового покрытия, что исключит опасность коррозии арматуры. При выборе способа очистки следует исходить из того, что обязательным условием является полное удаление лишь наружной (сульфатизированной) части корродированного слоя. Кроме того, при очистке не должно происходить повреждения структуры бетона.

Экспериментально установлено, что параметры очистки бетонной поверхности после деструктивного воздействия соединений серы практически одинаковы при всех трех типах воздействия.

Предложена классификация и проведено тестирование используемых в настоящее время методов по основным параметрами очистки (класс бетона и глубина очистки; способность к удалению продуктов коррозии и сохранению структуры; возможность применения в конкретных условиях и необходимость удаления использованных материалов из зоны очистки; необходимость

очистки, обеспыливания или увлажнения поверхности бетона перед нанесением ремонтных составов). При использовании результатов этих исследований подрядчик может выбрать наиболее подходящий в конкретной ситуации метод в зависимости от технологической возможности.

Установлено, что наиболее эффективными способами очистки бетона и арматуры являются следующие:

1) водоструйный при давлении 450-500 атм.;

2) дробеструйный при давлении 7 атм.;

3) водо-пескоструйный при давлении 250-300 атм. Наименее производительными методами являются следующие:

4) водоструйный при давлении 200-250 атм. + механический (ручным или механизированным инструментом);

5) механический (ручным или механизированным инструментом). Предложена технология ремонта бетона и железобетона приведенными способами после деструктивного воздействия серосодержащих соединений, некоторые из них приведены на рис. 10 и 11.

»ч

——

О'

Рис. 10. Ремонт при водоструйной очистке давлением 450-500 атм.: а,б - удаление малопрочного наружного и сульфатизированного слоев; в - нанесение ремонтного состава

г-'.

г К

Рис. 1!. Ремонт при дробеструйной очистке давлением 7 атм. а,б - удаление малопрочного наружною, сульфатишровшиого и карбонизированного слоев, обеспыливание и увлажнение поверхност и; в - нанесение ремонтного состава

Результаты исследований были применены при оценке технического состояния конструкций и разработке способов их ремонта поврежденных конструкций на объектах: МУЛ «Уфаводоканал», ОАО «Уфанефтехим», ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Белкамнефть»; ОАО «Салаватнефтеоргсин-тез».

Результаты исследований были также применены при разработке «Технологической инструкции по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами на цементной основе после деструктивного воздействия серосодержащих соединений» (УГНТУ. -Уфа, 2009.- 45с).

Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в продлении срока службы бетонных и железобетонных конструкций до расчетных (нормативных) значений и более. При этом появляется возможность в некоторых случаях отказаться от дорогостоящего усиления или замены конструкции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ результатов обследования технического состояния бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, эксплуатируемых в агрессивных серосодержащих средах, свидетельствует о значительном увеличении в последние годы числа аварийных ситуаций, имеются многочисленные случаи раннего (через 2-15 лет) повреждения железобетона. Одной из причин несоответствия ожидаемого и фактического срока службы железобетонных конструкций данных объектов является то, что их проектирование и строительство осуществлялось без применения каких-либо средств защиты, а также выполнение ремонта при недостаточной подготовке поверхности и при помощи обычных составов, а не специальных ремонтных.

2. В действующих отечественных нормах не приводится достаточных сведений для выполнения качественной очистки поверхности и нанесения составов при ремонтных работах.

3. На основе комплексных физико-химических и физико-механических исследований экспериментально подтвержден механизм деструктивных процессов, протекающих на границе фаз «сульфатизированный слой бетона рсновы - ремонтный состав», которые вызывают ускоренное отслоение ремонтных покрытий на цементной основе в случае недостаточной подготовки поверхности. Данный механизм также подтверждается результатами исследования адгезии ремонтных материалов на цементной основе к натурным образцам с различной степенью подготовки поверхности бетона.

4. Установлено, что при воздействии разных по природе сульфатсодержа-щих сред, они могут быть классифицированы по общим принципам протекания процесса и образования основных продуктов коррозии и, следовательно, иметь идентичные параметры подготовки поверхности бетона и арматуры, а также ремонта конструкций в целом.

5. Определены рациональные методы, параметры и последовательность подготовки поверхности бетона и арматуры в зависимости от класса бе-

тона, при которых происходит удаление сульфатов без повреждения структуры поверхности бетона. Показано, что ключевым параметром при очистке является удаление сульфатизированного слоя, а карбонизированный слой может быть сохранен, так как в нем не содержится веществ, вызывающих протекание реакций с увеличением объема продуктов. Выполнен отбор оптимальных составов для ремонта бетонных и железобетонных конструкций.

6. Установлено, что сульфатизированный слой удаляется при водоструйной подготовке давлением 450-500 атм., что является оптимальным интервалом; при большем давлении (600-900 атм.) происходит повреждение структуры бетона класса В15-В45, а при давлении до 250 атм. сульфатизированный слой сохраняется. При дробеструйной очистке давлением 7 атм. удаляются сульфатизированный и карбонизированный слои, без повреждения структуры поверхности.

7. Установлено, что в целях сохранения структуры, поверхность бетона класса ниже В15 необходимо очищать только струйно-абразивными методами (дробеструйной, пескоструйной).

8. Результаты проведенных исследований применены при обследовании, разработке рекомендаций и ремонте железобетонных конструкций на более, чем 120 объектах предприятий МУП «Уфаводоканал», ОАО «Уфа-нефтехим», ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Белкамнефть», ОАО «Сала-ватнефтеоргсинтез». Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в продлении срока службы бетонных и железобетонных конструкций до расчетных (нормативных) значений.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих научных трудах, из них №10 и №14 - опубликованы в журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Луцык, Е.В. Исследование свойств составов на цементной основе для ремонта бетона и железобетона / Е.В. Луцык, А.Н. Авренюк, Т.В. Латыпо-ва // Проблемы строительного комплекса России: материалы X Международной научно-технической конференции при X специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство-2006» / УГНТУ.-Уфа, 2006.-Т.1.-С. 25.

2. Ахмадуллин, P.P. Рациональные способы обеспечения долговечности железобетона в зданиях канализационных насосных станций / Р.Р. Ахмадуллин, А.Н. Авренюк // Повышение долговечности систем водоотведения: материалы научно-практического семинара при XVI Международной специализированной выставке «Форум. Уралстройиндустрия-2006».-Уфа, 2006.-С.55-57.

3. О проектировании антикоррозионной защиты железобетонных конструкций систем водоотведения / В.М. Латыпов, P.P. Ахмадуллин, А.Н. Авренюк и др. // Проблемы строительного комплекса России: материалы XI Международной научно-технической конференции при XI специализиро-

ванной выставке «Строительство. Архитектура. Коммунальное хозяйство-2007» / УГНТУ. -Уфа, 2007.-Т. 1 .-С. 3-4.

4. Рациональные способы обеспечения долговечности строительных конструкций канализационных насосных станций /Р.Р.Ахмадуллин, А.Н. Авре-нюк, Т.В. Латыпова и др. // Проблемы строительного комплекса России: материалы XI Международной научно-технической конференции при XI специализированной выставке «Строительство. Архитектура. Коммунальное хозяйство-2007» / УГНТУ. -Уфа, 2007.-Т.1.-С.37-39.

5. Луцык, Е.В. Устройство фундаментов под оборудование с применением современных безусадочных материалов / Е.В. Луцык,4А.Н. Авренюк, А.И. Сарварова // Проблемы строительного комплекса России: материалы XI Международной научно-технической конференции при XI специализированной выставке «Строительство. Архитектура. Коммунальное хозяйство-2007» / УГНТУ. -Уфа, 2007.-Т.1.-С. 39-40.

6. Авренюк, А.Н. О результатах обследования конструкций резервуара для приема, хранения и откачки жидкой серы установки производства элементарной серы ОАО «Уфанефтехим» / А.Н. Авренюк // Проблемы строительного комплекса России: материалы XII Международной научно-технической конференции при XII специализированной выставке «Строительство. Архитектура. Коммунальное хозяйство. Насосы. Трубопроводы-2008» / УГНТУ. -Уфа, 2008.-Т.1.-С. 43-45.

7. Авренюк, А.Н. Долговечность железобетонных конструкций систем, транспортирующих сернистые газы / А.Н. Авренюк, Д.В. Тимеряев, В.М. Латыпов // Проблемы строительного комплекса России: материалы XII Международной научно-технической конференции при XII специализированной выставке «Строительство. Архитектура. Коммунальное хозяйство. Насосы. Трубопроводы-2008» / УГНТУ. -Уфа, 2008.-Т.1.-С. 62-65.

8. Восстановление железобетона после деструктивного воздействия соединений серы / В.М. Латыпов, Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк и др. // Материалы 59-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. -Уфа, 2008.-С. 60.

9. Авренюк, А.Н. О результатах обследования конструкций камер гашения, колодцев и шахт МУП «Уфаводоканал» / А.Н. Авренюк, Д.В. Тимеряев, Т.В. Латыпова // Материалы 59-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. -Уфа, 2008.-Т.2.-С. 139141.

Ю.Восстановленне бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений /В.М. Латыпов, Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк и др. // Строительные материалы.-2009.-№3.-С. 58-59.

11.Латыпов, В.М. О применении специальных эластичных покрытий для защиты железобетонных конструкций / В.М. Латыпов, Е.В. Луцык, А.Н. Авренюк // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Международной научно-технической конференции при XIII специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйст-во-2009» / УГНТУ. -Уфа, 2009.-Т.1 .-С. 41-42.

12.Авренюк, А.Н. О причинах отслоения ремонтных покрытий при ремонте бетонных и железобетонных конструкций /А.Н. Авренюк // Проблемы строительного комплекса России: материалы ХШ Международной научно-технической конференции при ХШ специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2009» / УГНТУ. -Уфа, 2009.-Т.1.-С. 43-44.

13.Авренюк, Д.Н. Рациональные способы подготовки поверхности при ремонте бетонных и железобетонных конструкций /А.Н. Авренюк // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Международной научно-технической конференции при XIII специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство-2009» / УГНТУ. -Уфа, 2009.-Т.1.-С. 46-48.

14.Латыпоя, В.М. Рациональные способы подготовки поверхности бетона при ремонте конструкций после деструктивного воздействия серосодержащих соединений / В.М. Латыпов, Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета.-2009.-№1 (11).-С. 277-283.

15.Латыпов, В.М. Зависимость адгезии ремонтных составов от качества подготовки поверхности бетона / В.М. Латыпов, Е.В. Луцык, А.Н. Авренюк // Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности: труды Второй Всероссийской научно-практической конференции. -Уфа, 2009.-С. 117-118.

16.Латыпов, В.М. Особенности ремонта железобетонных конструкций сооружений объектов водоотведения / В.М. Латыпов, А.Н. Авренюк // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: труды Третьей Международной научно-практической конференции. -Уфа, 2009.-С. 420-421.

17.Технологическая инструкция по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами на цементной основе после деструктивного воздействия серосодержащих соединений / В.М. Латыпов, А.Н. Авренюк, P.P. Ахмадуллин, Е.В. Луцык / УГНТУ. -Уфа, 2009. - 45с.

Подписано в печать 15.10.09. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 90. Заказ 226. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОСЛЕ ДЕСТРУКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ.

1.1. Условия эксплуатации и состояние сооружений при коррозионном воздействии серосодержащих соединений.

1.2. Технические характеристики сооружений, эксплуатирующихся в условиях коррозионного воздействия соединений серы.

1.2.1. Конструктивные решения.

1.2.1.1.Сооружения водоотведения.

1.2.1.2.Промышленные сооружения.

1.2.2. Анализ работ по обследованию технического состояния железобетонных конструкций сооружений.

1.3. Характеристика агрессивности эксплуатационной серосодержащей среды.

1.3.1.Важнейшие соединения серы.

1.3.2. Жидкости.

1.3.3. Газовоздушная среда.

1.3.4. Микробиологический фактор коррозии.

1.4. Экологическая безопасность эксплуатируемых объектов и обоснование необходимости их ремонта.

1.5. Требования к поверхности бетона и арматуры перед ремонтом.

1.6. Существующие способы подготовки поверхности бетона и арматуры перед4 ремонтом.

1.7. Оборудование для подготовки поверхности бетона и железобетона перед ремонтом

1.8. Существующие материалы для» ремонта бетонных и железобетонных конструкций.49''

1.9. Анализ нормативных.документов по восстановлению бетонныхи железобетонных.кбнструкцнй'.

1.10. Анализ патентов Российской-Федерации,по*подготовке поверхности и ремонту бетонных.и железобетонных,конструкций .561.11. Задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ.

2.1. Оценка технического состояния конструкций эксплуатируемых объектов.

2.1.1. Визуальное обследование.

2.1.2. Инструментальное обследование.

2.2. Характеристика ремонтных материалов, примененных для исследовании.

2.3. Методики физико-механических исследований. 2.4. Методики физико-химических исследований.

2.4.1. Рентгенофазовый анализ продуктов коррозии бетона.

2.4.2. Химический анализ продуктов коррозии бетона.

2.4.3. Электронно-микроскопический и микрорентгеноструктурный анализ продуктов коррозии бетона.

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА КОРРОЗИИ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ.

3.1. Микробиологическая коррозия.

3.1.1. Характеристика агрессивности среды при воздействии микробиологической коррозии.

1 3.1.2. Обследование технического состояния конструкций камер гашения

• напора, шахт и колодцев. г 3.1.3. Методы обеспечения долговечности конструкций систем водоотведения при реконструкции и ремонте. 3.2. Газовая коррозия;.

3.2.1. Характеристика агрессивности эксплуатационной среды при воздействии сернистых газов.

3.2.2. Обследование технического состояния конструкций химлаборатории ОАО «Учалинский ГОК».

3.2.3. Методы обеспечения долговечности конструкций химлаборатории ОАО «Учалинский ГОК» при ремонте.

3.2.4. Обследование технического состояния резервуара для приёма

I и хранения жидкой серы установки производства элементарной серы ОАО «Уфанефтехим». к' '3.2.5. Методы обеспечения долговечности конструкций резервуара для приёма и хранения жидкой серы установки производства элементарной серы ОАО «Уфанефтехим» при ремонте

I 3.2.6. Обследование железобетонного фундамента дымовой трубы

I высотой 45м, отводящей сернистые газы на УКПН «Ашит»

ОАО «Белкамнефть» в г. Агидель.

3.2.7. Методы обеспечения долговечности железобетонного фундамента

I дымовой трубы высотой 45м, отводящей сернистые газы на УКПН

1 «Ашит» ОАО «Белкамнефть» в г. Агидель при ремонте.

3.3. Сульфатная коррозия.

3.3.1. Характеристика агрессивности среды при воздействии растворов сульфатов.

3.3.2. Обследование технического состояния конструкций установки сульфата натрия цеха № 30 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

3.3.3. Обеспечение долговечности конструкций установки сульфата натрия цеха № 30 ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» при ремонте.

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Физико-механические исследования.

4.1.1. Определение видов и параметров подготовки поверхности бетона и железобетона перед ремонтом.

4.1.2. Определение адгезии ремонтных материалов к поверхности бетона с различной степенью подготовки.

4.2. Физико-химические исследования.

4.2.1. Рентгенофазовый анализ.

4.2.2. Химический анализ.

4.2.3. Микроскопический анализ.

4.2.3. Электронно-микроскопический анализ.

ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСПЕШНОГО РЕМОНТА БЕТОННЫХ

И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

5.1. Факторы, влияющие на качество выполнения ремонтных работ 138'

5.2. Обоснование необходимости тщательной подготовки ремонтируемой поверхности бетона и арматуры.140*

5.3. Роль адгезии наносимых ремонтных составов.

5.4. Обоснование выбора материалов на цементной основе для ремонта бетонных и железобетонных конструкций и предъявляемые к ним требования.

5.5. Внедрение результатов исследований.

5.5.1. Камеры гашения, коллекторы и колодцы МУП «Уфаводоканал»

5.5.2. Резервуары для хранения расплавов серы ОАО «Уфанефтехим».

5.5.3. Установка сульфата натрия ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»

5.6. Технологическая инструкция-по подготовке поверхности и ремонту бетонных и железобетонных конструкций материалами*нащементной основе после деструктивного воздействия^серорсодержащих соединений.

5.7. Экономическая эффективность исследований.

Серосодержащие соединения, являются одними из наиболее распространенных агрессивных сред, вызывающих коррозию железобетонных конструкций и необходимость их ремонта задолго до исчерпания нормативного срока службы. Однако, опыт эксплуатации отремонтированных конструкций свидетельствует о том, что в большом числе случаев они служат недолго по причине отслоения ремонтного материала.

Эффективность покрытий, применяемых при ремонте конструкций строительных объектов, длительное время подвергавшихся агрессивным действиям, зависит не только от качества материала покрытия и соблюдения технологии, но и от состояния поверхности строительных конструкций, в той или иной степени изменившейся в период эксплуатации.

Ремонт бетонных конструкций - работа, требующая высококвалифицированных специалистов в данной области на всех стадиях процесса. Восстановление бетона - процесс устранения результатов, разрушения, вызванного^ агрессивными, механическими воздействиями и воздействием окружающей среды, — часто осуществляется с помощью обычного цементно-песчаного раствора, что изначально залогом успешного ремонта не является. А выбор специальных ремонтных составов, как и различных технологий, на сегодняшнем рынке, не только европейском, но и российском, огромен. По статистическим данным, в Европе стоимость ремонтных работ превышает" 20 млрд. долларов в год, по России такие данные отсутствуют. В России средства, затрачиваемые на ремонт и восстановление отдельных промышленных сооружений, за, 45 лет доходят до суммы, равной общей их стоимости [158].

Анализ опыта эксплуатации инженерных сооружений из бетона и железобетона показывает [158], что они разрушаются значительно раньше, чем*предусмотрено проектным нормативным сроком, из-за коррозии и ускоренного г физического износа. Сегодня состояние большинства отремонтированных сооружений из железобетона претерпевает серьезное ухудшение спустя уже несколько лет после проведения ремонтные работы. По данным проведенных исследований, около 75 % отказов при ремонте железобетонных конструкций наступает по истечении всего 5 лет. Считается успехом, если повторный ремонт необходимо выполнять через 12-15 лет. В идеальном случае такие работы приходится повторять через 25 лет [158,169].

Стоимость выполняемых ремонтных работ уже сопоставима со средствами, направляемыми на новое строительство. Это обусловлено также и тем, что срок эксплуатации объектов существующей инфраструктуры неуклонно возрастает. Опыт ремонта железобетонных конструкций свидетельствует о том, что обеспечение совместной работы прокорродировавшего и вновь уложенного бетона является сложной задачей, которая может быть решена в основном благодаря качественной подготовке поверхности поврежденных бетона и стали путем их очистки от слоев продуктов коррозии.

Опыт ремонта железобетонных конструкций показывает, что обеспечение совместной работы прокорродировавшего и вновь уложенного бетона является серьезной инженерно-технической задачей, которая может быть решена только благодаря качественной подготовке поверхности'поврежденных бетона и стали за счет их очистки от продуктов коррозии. Однако, вид, степень и параметры очистки поверхности бетона и арматуры в зарубежных нормативных документах регламентируются лишь частично, а в российских практически не регламентируются, стандарта на ремонт, описывающего всю цепочку ремонта конструкции, не существует.

В международном, стандарте ISO 8504:2000 подчеркивается, что «.идеальная защита от коррозии при ремонте на 80% обеспечивается* правильной подготовкой поверхности, и только на 20% - качеством используемых материалов и способом их нанесения». Однако, вид, степень и параметры^ очистки поверхности бетона и арматуры в зарубежных нормативных документах 1 регламентируются лишь частично, а в российских нормативах - практически не оговариваются. До настоящего времени в России отсутствует стандарт, описывающий весь процесс ремонта конструкции. В европейских странах такой единый документ был введен в действие лишь с 01.01.2009г.

В связи с этим, актуальным является поиск решений по быстрому и надежному восстановлению несущей способности эксплуатирующихся конструкций без их усиления, замены и остановки технологических процессов. Одним из ключевых вопросов является изучение причин и механизма отслоения нанесенных материалов на цементной основе с целью уточнения технологических регламентов на ремонт бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений.

Собственно, появление на рынке новых методов и материалов для ремонта и восстановления бетонных и железобетонных конструкций и вызвало необходимость определения четких методов и параметров очистки, а также разработки новых норм, стандартизирующих технологии ремонта.

Решению этих задач посвящена данная работа.

Автор выражает благодарность коллективу сотрудников ССП УГНТУ ХНИЛ «Уфимский городской центр СтройТехЭкспертиза» за помощь в выполнении диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ результатов обследования технического состояния бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, эксплуатируемых в агрессивных серосодержащих средах, свидетельствует о значительном увеличении в последние годы числа аварийных ситуаций, имеются многочисленные случаи раннего (через 2-15 лет) повреждения железобетона. Одной из причин несоответствия ожидаемого и фактического срока службы железобетонных конструкций данных объектов является то, что их проектирование и строительство осуществлялось без применения .каких-либо средств защиты, а также выполнение ремонта при недостаточной подготовке поверхности и при помощи обычных составов, а не специальных ремонтных.

2. В действующих отечественных нормах не приводится достаточных сведений для выполнения качественной очистки поверхности и нанесения составов при ремонтных работах.

3. На основе комплексных физико-химических и физико-механических исследований экспериментально подтвержден механизм деструктивных процессов, протекающих на границе фаз «сульфатизированный слой бетона основы - ремонтный состав», которые вызывают ускоренное отслоение ремонтных покрытий на цементной основе в случае недостаточной подготовки поверхности. Данный механизм также подтверждается результатами исследования адгезии ремонтных материалов на цементной' основе к натурным образцам с различной степенью подготовки поверхности бетона.

4. Установлено, что- при воздействии разных по природе сульфатсодержащих сред, они могут быть классифицированы, по общим принципам протекания процесса и образования основных продуктов коррозии и, следрвательно, иметь идентичные параметры подготовки поверхности бетона и арматуры, а также ремонта конструкций в целом.

5. Определены рациональные методы, параметры и последовательность подготовки поверхности бетона и арматуры- в зависимости от класса бетона, при которых происходит удаление сульфатов без повреждения структуры f поверхности бетона. Показано, что ключевым параметром при очистке является удаление сульфатизированного слоя, а карбонизированный слой может быть сохранен, так; как в нем не содержится веществ, вызывающих протекание реакций с увеличением объема продуктов. Выполнен отбор оптимальных составов для ремонта бетонных и железобетонных конструкций.

6. Установлено, что сульфатизированный слой удаляется при водоструйной подготовке давлением 450-500 атм., что является оптимальным интервалом; при большем давлении (600-900 атм.) происходит повреждение структуры бетона класса В15-В45, а при давлении до 250 атм. сульфатизированный слой сохраняется. При дробеструйной очистке давлением 7 атм. удаляются сульфатизированный и карбонизированный слои, без повреждения структуры поверхности.

N I

7. Установлено, что в целях сохранения структуры, поверхность бетона класса ниже В15 необходимо очищать только струйно-абразивными методами (дробеструйной, пескоструйной).

8. Результаты проведенных исследований применены при обследовании, разработке рекомендаций и ремонте железобетонных конструкций на более, чем 120 объектах предприятий МУП «Уфаводоканал», ОАО «Уфанефте-хим», ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Белкамнефть», ОАО «Салаватнефте-оргсинтез». Экономический эффект от внедрения результатов исследований i заключается в продлении срока службы бетонных и железобетонных конст

• I рукций до расчетных (нормативных) значений.

1. Алексеев, В.Н. Количественный анализ /В.Н. Алексеев.- М.: Госхимиздат, 1963. - 568 с.2.' Алексеев, С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне / С.Н. Алексеев.- М., 1968 230 с.

2. Алексеев, С.Н. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде /С.Н. Алексеев, Н.К. Розенталь. -М.: СтроГшздат, 1976. 345 с.

3. Андреюк, Е.И. Микробиологическая коррозия строительных сталей и бетонов / Е.И. Андреюк, И.А. Козлова, A.M. Рожанская // Биоповреждения в строительстве / Под ред. Ф.М. Иванова, С.Н. Горшина. М.: Стройиздат, 1984. - С. 354.

4. Бабков, В.В. Аспекты долговечности цементного камня / В.В. Бабков, А.Ф. Полак, П.Г. Комохов // Цемент.-1988.- №3.-С. 33-35.

5. Бабушкин, В.И. Защита строительных конструкций от коррозии, старения и износа / В.И. Бабушкин. Харьков: Вища школа, 1989. - 168 с.

6. Баженов, Ю.М. Бетонополимеры /Ю.М. Баженов. М.: Стройиздат, 1983. - 472 с.

7. Базанов, С.М. Механизм разрушения бетона при воздействии сульфатов / С.М. Базанов // Строительные материалы. 2004. - № 9. - С. 46-47.

8. Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны /В.Г. Батраков. М.: Стройиздат, 1990. -400 с.

9. Бедов, А.И. Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений /А.И. Бедов, В.Ф. Сапрыкин. М.: Издательство АСВ, 1995.- 192 с.

10. Белецкий, Б.Ф. Конструкции водопроводно-каналнзационных сооружений. Справочное пособие / Б.Ф. Белецкий, Н.И. Зотов, JI.B. Ярославский. М.: Стройиздат, 1989: -447 с.

11. Бойко, В.В. Гидроизоляция подземных сооружений полимерными материалами /В.В.Бойко, P.JI. Маилян. Киев: Будивэльник, 1989. - 144 с.

12. Болотских, О.Н. Подготовка поверхности бетонных и железобетонных конструкций к ремонту / О.Н. Болотских, В.П. Чернявский // Ватерпас.-2001 г.-№4. С. 114-117.

13. Борисенко, В.М. Одностороннее воздействие жидких агрессивных сред на работу конструкций /В.М. Борисенко, Е.А. Гузеев // Бетон и железобетон.-1986.-№6 — С. 18-20.

14. Бородин, O.A. Прогнозирование коррозионной стойкости бетона в движущихся жидких средах / О.А.Бородин // Долговечность и защита конструкций от коррозии: материалы международной конференции, М, 25-27 мая 1999г.-М., 1999.-С. 150-152.

15. Брукс, Г. Торкрет-бетон, торкрет-цемент, торкрет-штукатурка /Г. Брукс, Р. Линдер, Г. Руфферт. М.: Стройиздат, 1985. — 180с.

16. Васильев, В.М. Правила технической эксплуатации системы канализационных тоннелей / В.М. Васильев // Водоснабжение и санитарная техника.-2001.-№1. С. 23-26.

17. Васильев, В.М. Анализ повреждений тоннельных канализационных коллекторов Санкт-Петербурга и их восстановление /В.М. Васильев // Водоснабжение и санитарная техни-ка.-2003.-№12.-С. 11-15.20.