Долговечность строительных конструкций

Содержание

Введение

1. Причины разрушения конструкции  аэротенков

2. Обследование конструкций аэротенков МУП «Уфаводоканал»

Заключение

Список использованных источников

 

 

Введение

В системе канализования крупных городов одно из ключевых мест занимают городские очистные сооружения канализации (ГОСК), в составе которых находятся аэротенки с емкостями первичных и вторичных отстойников. В России основной парк этой группы сооружений был возведен в 60.80-е годы 20в. в сборном и сборно-монолитном варианте и к настоящему времени их возраст достиг или превысил половину нормативного срока эксплуатации. В связи с этим практически во всех мегаполисах актуальными являются три проблемы: обеспечение экологической безопасности сооружений водоочистки, продление ресурса эксплуатирующихся сооружений и строительство новых объектов водоочистки в связи с ежегодным увеличением объема сточных вод.

Обеспечение экологической безопасности может быть достигнуто, главным образом, за счет исключения протечек через  швы между сборными элементами конструкций, поскольку фильтрация жидкости через последние незначительна. Продление ресурса эксплуатируемых железобетонных конструкций возможно на основании применения научно-обоснованных методов ремонтно-восстановительных работ, с учетом степени износа конструкций по результатам обследования их технического состояния. Строительство же новых объектов водоочистки должно проводиться с учетом опыта эксплуатации таких сооружений, то есть по скорректированным типовым проектам и уточненным нормативам по оценке степени агрессивности эксплуатационной среды [1].

Аэротенк – основное сооружение биологической очистки на станциях аэрации, получивших широкое распространение для очистки городских сточных вод. В настоящее время в городах России (не считая Москву и С.-Петербург ) эксплуатируются до 400 станции аэрации с суммарным ежесуточным притоком сточных вод более 14 млн.м³.

Аэротенк- тонкостенная конструкция, которая может быть выполнена из металла, монолитного или сборного железобетона. Современные аэротенки небольшой производительности собирают в заводских условиях и поставляют на объект в готовом виде; крупные сооружения изготавливают непосредственно на строительной площадке. Аэротенк постоянно заполнен водой и эксплуатируется на открытом воздухе. Поскольку аэротенк является основным сооружением биологической очистки, то от его надежно йработы зависит качество очистки сточных вод. Поэтому проблема долговечности аэротенков с увеличением срока эксплуатации приобретает решающее значение в связи с возможностью разрушения их конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Причины разрушения конструкций аэротенков

Станции аэрации представляют собой огромный комплекс зданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооружений применена технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружения механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники). Из наиболее повреждаемых сооружений станций аэрации являются первичные и вторичные отстойники, песколовки, каналы и аэротенки.

Аэротенки в плане представляют собой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частично заглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с поперечными деформационными швами. Процесс очистки в аэротенках основан на биологической деструкции (окислении) растворенных и нерастворенных органических соединений саморегулирующимся консорциумом различных микроорганизмов (активным илом). Для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и перемешивания образованной им с водой иловой смеси в аэротенки по аэрационной системе подается сжатый воздух.

Основное агрессивное воздействие  на железобетонные конструкций сооружений станций аэрации оказывает очищаемая  вода, содержащая аммонийные соли, сульфаты, хлориды, сероводород, сульфиды и нефтепродукты.

С точки зрения агрессивного воздействия  на бетон и железобетон концентрация названных соединений невелика. Согласно СП 28.13330.2012 , хозяйственно-бытовые воды в указанных сооружениях оцениваются  как неагрессивные или слабоагрессивные по отношению к бетону железобетонных конструкций.

В условиях эксплуатации аэротенков бетон подвергается повреждению за счет выщелачивания. Выщелачивание понижает содержание основных (щелочных) соединений в бетоне, снижению pH, что вызывает коррозию стальной арматуры.

Выщелачивание наиболее опасно в тонкостенных конструкциях (перегородки аэротенков), когда составляющие цементного камня могут растворяться и вымываться водой.

Существенное влияние на протекание процессов выщелачивания оказывает  химический состав очищаемой воды. Присутствие в воде солей, повышающих ионную силу раствора, увеличивает  выщелачивание Ca(ОН)2. Присутствие в воде карбонатов и бикарбонатов снижает скорость выщелачивания, также ее снижению способствует карбонизация бетона.

В большинстве случаев внутренние поверхности аэротенков имеют защитный слой, выполненный из торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации до 30 лет торкретбетон разрушается на глубину около 10–15 мм. При нормальной толщине защитного слоя (15–20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии и коррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной до 1–5 мм.

Наличие в аэрируемых стоках пузырьков  воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скорость омывания поверхности конструкций аэротенков водой потенциально создают условия для возникновения процессов разрушения бетона и арматуры в подводной зоне аэротенков. Активная аэрация воды воздухом, вызывает ускоренную карбонизацию бетона, следствием чего является утрата бетоном защитного действия по отношению к стали и развитие коррозии стальной арматуры.

Кроме того, сточные воды на входе  в очистные сооружения характеризуются  высоким показателем биологического (БПК5) и химического (ХПК) потребления  кислорода, что может отрицательно сказаться на стойкости бетона при  условии развития в нем процессов  микробиологической коррозии.

Карбонизация бетона является одной  из наиболее распространенных причин коррозии железобетона в конструкциях зданий и сооружений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процесс  взаимодействия бетона с углекислым тазом, в результате которого гидроксид кальция цементного камня вступает в химическое взаимодействие с углекислым газом и образует карбонат кальция. Карбонизация сопровождается снижением pH жидкой фазы, разложением силикатов и алюминатов кальция, потерей пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре, развитием коррозии последней, снижением несущей способности конструкции и иногда ее разрушением.

В среде с нормальной влажностью при воздействии углекислого  газа происходит уплотнение бетона. Химическим анализом установлено, что в карбонат кальция в плотном бетоне переходит  около 60 % кальция из состава гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. В более пористом бетоне в карбонат кальция может быть связано из цементного камня до 80 % кальция. Большая пористость бетона способствует лучшему доступу к реагирующей поверхности углекислого газа при меньшей степени уплотнения бетона карбонатом кальция. В средах с более высокой влажностью степень перерождения минералов цементного камня увеличивается. При большом количестве воды облегчается растворение гидроксида кальция, вынос его в жидкой фазе в зону взаимодействия с углекислотой и кристаллизация карбоната кальция. В предельном случае — при насыщении бетона водой и возможности отвода продуктов коррозии наружу в жидкой фазе — наблюдается растворение цементного камня углекислотой с образованием в остатке нерастворимых гелеобразных продуктов.

Климатические факторы активно  влияют на скорость карбонизации бетона. К таким факторам относятся влажность  и температура воздуха, частота  и интенсивность атмосферных  осадков (дождь, роса), скорость и направление  ветра, нагрев поверхности солнцем. Определенное значение может иметь  микроклимат сооружения.

В работах НИИЖБ экспериментально показано, что максимальная глубина  карбонизации наблюдается при влажности  среды около 50 %, при этом степень  карбонизации (количество основных соединений цементного камня, прореагировавших с  углекислым газом) была невысокой. При  повышении влажности степень карбонизации увеличивается, а толщина карбонизированного слоя уменьшается. Для протекания процесса карбонизации необходима вода, однако повышенное количество воды в бетоне делает его менее проницаемым для углекислого газа.

Таким образом, в условиях эксплуатации конструкций зданий и сооружений станции аэрации основным агрессивным газом является углекислый газ, а основной вид повреждения железобетона в газовой среде станции аэрации — карбонизация защитного слоя бетона и вызванная этим процессом коррозия стальной арматуры.

Основным способом защиты бетона от карбонизации является понижение его  проницаемости до уровня, оцениваемого марками по водонепроницаемости W8 и  более и устройство защитного  слоя из торкретбетона.

Надземная (надводная) часть сооружений аэротенков воздействию температуры и влаги окружающей среды, конденсата и атмосферных осадков. В летнее время надземная часть подвергается воздействию солнечной радиации, увлажнению и высушиванию, в зимнее время — циклическому замораживанию и оттаиванию. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и сточных вод из сооружений. Обширные исследования бетона в различных температурных условиях показывают, что периодическое замораживание и оттаивание негативно влияет на прочность бетона. В этих условиях наиболее быстрое повреждение наступает, если бетон находится в водонасыщенном состоянии. Образование в бетоне трещин под воздействием механических нагрузок, температурно-влажностных деформаций и других причин способствует быстрому насыщению бетона водой и ускоренному разрушению его в условиях знакопеременных температур.

Большие градиенты температуры  и влажности в надземной зоне стен аэротенков по отношению к подводной зоне создают предпосылки к возникновению трещин в бетоне и разрушению швов между плитами стен вследствие температурных и усадочных деформаций. Для указанных сооружений характерно размораживание бетона в холодный период года.

Бетон в надземной и надводной  части стен, перегородок, пешеходных мостиков конструкций аэротенков подвергается в водонасыщенном состоянии попеременному оттаиванию и замораживанию. В этом случае основной причиной повреждений является недостаточная морозостойкость бетона. Несовершенство нормативной базы, недостатки проектирования, дефекты изготовления конструкций способствуют раннему повреждению конструкций.

В условиях эксплуатации аэротенков эффективным и сравнительно простым способом повышения морозостойкости бетона является применение воздухововлекающих добавок при изготовлении бетонных смесей.

 

2 Обследование конструкций аэротенков МУП «Уфаводоканал»

В 2003 г. специалистами УГНТУ и  МУП «Уфаводоканал» было проведено комплексное обследование технического состояния конструкций блока № 1 с целью решения следующих задач:

— определение степени физического  износа конструкций объекта после  длительного срока его безремонтной эксплуатации (Тэ=29 лет);

— разработка мероприятий по капитальному ремонту и усилению поврежденных конструкций для обеспечения  безаварийной работы сооружения до нормативного срока службы (Тн=50 лет), то есть на период не менее 21 года;

— выявление характерных дефектов и повреждений конструкций сооружения после длительной эксплуатации, с  тем чтобы учесть их при завершении строительства емкостей блоков № 3 и № 4.

Основанием для экстраполяции  данных по стойкости бетона и железобетона с емкостей блока № 1 на вновь  строящиеся сооружения блоков № 3 и  № 4 стали следующие рассуждения:

— материалы обследования блока  № 1 являются фактически результатами длительного натурного эксперимента, учитывающего многообразие неблагоприятных  факторов эксплуатационной среды и  их взаимное влияние, что практически  невозможно смоделировать в лабораторных условиях;

— параметры эксплуатационной среды (газовоздушной фазы и сточных вод), а следовательно, и ее агрессивность являются достаточно стабильными для региона;

— конструкции блоков № 1, № 3 и  № 4 изготовлены в Башкирии на местной  сырьевой базе, то есть бетон как  по химико-минералогическому составу  цементного камня, так и по структуре (пористость, состояние контактной зоны «цементный камень — заполнитель») имеет близкие характеристики.

Работы по обследованию были проведены  как снаружи, так и изнутри  сооружения. К первой категории конструкций  относятся те, которые являются доступными для обследования даже при заполненных  емкостях, то есть в эксплуатационном режиме объекта. Это надводные конструкции, а также конструкции расположенных  по периметру сооружения полузаглубленных каналов-коридоров, предназначенных  для размещения технологического оборудования и контроля за протечками в наружных стенах емкостей. Возможность обследования состояния конструкций, расположенных ниже уровня сточных вод, представилась в связи с кратковременным опорожнением одного из четырех аэротенков блока № 1 для замены в нем технологического оборудования.

Блок емкостей № 1 состоит из четырех  идентичных секций, причем каждая секция включает в себя первичный и вторичный  отстойники и собственно аэротенк. Аэротенки блока емкостей № 1 по принципу очистки сточных вод являются типовыми четырехкоридорными аэротенками-смесителями, представляющими собой открытое прямоугольное емкостное сооружение, выполненное из сборно-монолитных тонкостенных железобетонных конструкций. Днище, стыки между стеновыми панелями, а также участки стен в углах выполнены из монолитного железобетона.  Основными конструктивными элементами аэротенков и отстойников являются плоские стеновые панели двух типов: вертикально расположенные консольные стеновые панели наружных стен и горизонтально расположенные самонесущие стеновые панели внутренних стен-перегородок.

Основными конструктивными элементами аэротенков являются плоские стеновые панели 2-ух типов: вертикально расположенные консольные стеновые панели внешних стенок и горизонтально расположенные самонесущие стеновые панели внутренних стен-перегородок.

  По условиям эксплуатации бетонные и железобетонные конструкции аэротенков могут быть разбиты на две группы, для которых свойственны определенные виды брутального воздействия (табл. 1).

Таблица 1

Группа конструкций	Вид конструкций	Вид воздействия	Тип коррозии бетона
I	Фундаменты, днище, расположенные  ниже уровня сточных вод панели стенок, колонны, консоли колонн	Слабоминерализованная вода, обогащенная  растворенным кислородом и сероводородом	1. Коррозия бетона I вида (выщелачивание -вымывание гидроксида кальция из бетона) 2. Коррозия бетона II вида (обменные  реакции компонент цементного  камня и сточных вод)
II	Плиты-мостики, части стенок и консолей колонн, расположенные выше уровня сточных вод	1. Разрушение бетона из-за кристаллизации  солей в порах бетона, обусловленное капиллярным подсосом сточных вод и испарением воды на открытых поверхностях конструкций 2. Коррозия арматуры железобетона  из-за нейтрализации слоя защиты  бетона, вызванного его карбонизацией 3. Разрушение бетона из-за воздействия  сероводорода с образованием  нерастворимых солей 4. Действие отрицательных температур	1. Коррозия бетона III вида (солевая  коррозия) 2. Газовая коррозия железобетона (коррозия карбонизации) 3. Хим коррозия III вида 4. Морозное разрушение бетона

Анализ архивных данных химлаборатории городских очистных сооружений канализации (ГОСК) указывает, что сточные воды имеют фактически нейтральную реакцию и представляют собой слабоминерализованный многокомпонентный раствор, а более брутальными к бетону и железобетону субстанциями являются сульфаты и хлориды. В 80-х годах прошедшего века сточные воды по содержанию сульфатов являлись Слабоагрессивными по отношению к бетону на обыкновенном цементе с маркой по водонепроницаемости W4—W6 [1]. Но нужно учитывать возможность увеличения концентрации этих ионов в надводной части конструкций за счет испарения воды в летний период. Не считая того, в сточных водах имеются довольно высочайшие концентрации ионов цветных металлов, сульфаты которых владеют высочайшей злостью к бетону.

 В газовоздушной среде цементный камень бетона подвержен перерождению на существенно огромную глубину, чем в водянистой среде, о чем свидетельствуют бессчетные разрушения слоя защиты бетона и обнажение арматуры надводной части железобетонных конструкций (табл. 2). Коррозия бетона в газовоздушной среде аэротенка вызвана всеохватывающим воздействием последующих причин: конкретным химическим воздействием сероводорода, коррозией карбонизации, солевой коррозией, микробиологической коррозией.

Таблица 2

Место отбора пробы	Элемент конструкции	Глубина нейтрализации, мм	Крепкость при сжатии, МПа	Водопоглощение, мас. %
Выше уровня воды	Плита-мостик	5-7	>30	7,6
	Панель-перегородка	4-7	>30	6,7
	Консоль колонны	2-5	>30	7,2
Ниже уровня воды	Консоль колонны	1,5-3	>30	6,7
	Колонна	2-4	>30	9
	Панель-перегородка	0,4-1	>30	6,7
	Торкрет	0,6-1	>20	12,7

 

Так как наблюдается только малозначительное понижение прочности поверхностного нейтрализованного слоя бетона по сопоставлению  с бетоном внутренних слоев, то, возможно, в большей степени на надводную  часть конструкций происходит совместное воздействие только первых 3-х разрушающих  бетон причин, а микробиологическая коррозия не проявляется в очевидном  виде из-за пониженной концентрации сероводорода в газовоздушной среде.

  К числу более соответствующих изъянов и повреждений стройконструкций сооружения относятся последующие:

 — нейтрализация и разрушение  слоя защиты бетона железобетонных  конструкций, расположенных выше  уровня налива сточных вод  (плит-мостиков, консолей колонн  и панелей-перегородок);

 — коррозионные повреждения  конструктивной и отчасти рабочей  арматуры в железобетонных конструкциях, расположенных выше уровня налива  сточных вод (в плитах-мостиках  и консолях колонн);

 — недостатки строительства,  допущенные при монтаже железобетонных  конструкций (малая глубина защемления  панелей-перегородок);

 — образование трещинок и  сколов в конструкциях панелей-перегородок  и колонн;

 — обрушение 5% железобетонных  панелей-перегородок вследствие  механического воздействия и  коррозионного износа;

 — образование трещинок и  сколов в слое торкрет-бетона, также его разрушение на 70% площади стенок;

 — коррозия закладных деталей  и других железных частей в  зоне деяния паровоздушной среды;

 — образование трещин в местах соединений внешних стеновых панелей и в углах аэротенка.

Обследование емкостей показало, что 13% плит-мостиков и 5% консолей колонн находятся  в пред-аварийном состоянии.

Наиболее слабым местом аэротенков являются соединения железобетонных конструкций внешних стеновых панелей, как угловых, так и рядовых, разгерметизация которых приводит к прониканию сточных вод за границы сооружения и нарушению экологической безопасности сооружения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Широкое применение бетонных и железобетонных конструкций при строительстве  зданий и сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки  выдвигает на первый план проблему обеспечения их долговечности.

Неотъемлемой частью всех очистных сооружений являются аэротенки, служащие для очистки стоков. Под воздействием агрессивных сточных вод и абразивного износа в аэротенках довольно часто наблюдаются типичные для этого вида сооружений дефекты и разрушения:

• износ защитного слоя бетона с оголением арматуры;

• отсутствие герметичности в межплиточных швах;

• образование трещин.

Для обеспечения требуемой долговечности  конструкции аэротенков должны обладать водонепроницаемотью, необходимой морозостойкостью, трещиностойкостью, прочностью, стойкостью к коррозии и газонепроницаемостью. При строительстве и эксплуатации железобетонные емкости очистных сооружений, имеющие коррозионную защиту, должны быть выполнены из плотного монолитного бетона методами непрерывного бетонирования; при бетонировании должны быть исключено образование рабочих швов; необходимо предусматривать наклон не менее 1/20 высоты по внутренней поверхности стен емкостей высотой более 4 м; при воздействии агрессивных грунтовых вод необходима наружная гидроизоляция; для контроля за возможными утечками целесообразно устройство контрольных колодцев (не менее двух); необходимо обеспечение жесткости, устойчивости сооружения в эксплуатационных условиях и герметичности стыков и швов сборных конструкций.

 

 

Использованные источники

1. СП 28.13330.2012 актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии
2. Комохов П.Г., Латыпов В.М., Латыпова Т.В., Вагапов Р.Ф. Долговечность бетона и железобетона. Приложения методов математического моделирования с учетом ингибирующих свойств цементной матрицы. Уфа: Белая река. 1998. 216 с.
3. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Модры С., Шиссль П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990.
4. Алексеев С.Н., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. — М.: Стройиздат. 1976.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Реконструкция аэротенков очистных сооружений

Актуальность проблемы водопроводно-канализационное хозяйства нашей страны довольно долго оставалось без должного внимания, что в свою очередь привело к необходимости реконструкции более 60 % действующих очистных сооружений.

За последние годы ситуация кардинально  изменилась в лучшую сторону –  разрабатываются и реализуются  программы, направленные на модернизацию старых и строительство новых  очистных сооружений. Новейшие эффективные  разработки и технологии позволяют  не только повысить качество питьевой воды, но и обеспечить бесперебойность  всего производственного процесса по водоподготовке и водоотведению. Межремонтный срок при этом увеличивается  до максимально возможного.

При выборе материалов и технологий для восстановления целостности  конструкции аэротенков и обеспечения ее герметичности следует учитывать не только степень разрушения бетонных элементов, но и физико-химические процессы, возникающие в аэротенках в процессе их эксплуатации. Ремонтные материалы, которые необходимо использовать с этой целью, должны быть стойкими к агрессивной среде и истиранию. Поэтому применение гидроизоляционных материалов, создающих защитный водонепроницаемый слой на поверхности бетона, является нецелесообразным. Их стойкость к истиранию ограничивается несколькими годами, а стоимость восстановительных работ с промежутком в 2-3 года влечет за собой существенные дополнительные затраты для эксплуатационного предприятия.

Гораздо эффективнее в таком  случае (как с технологической, так  и с экономической точки зрения) применение материалов проникающего гидроизоляционного действия, способных обеспечить водонепроницаемость  всей толщи бетона, а не его поверхности. Для герметизации стыков и восстановления разрушенного слоя бетона предназначены  составы, обладающие высокой прочностью, водонепроницаемостью и безусадочностью.

Ниже описана типовая технология выполнения восстановительно-гидроизоляционных  работ в аэротенках, наиболее часто применяемая в подобных сооружениях, с использованием гидроизоляционных материалов системы Пенетрон и «Скрепа».

Технология выполнения работ

I этап: восстановление защитного  слоя бетона

1. Удалить слабый бетон с использованием  отбойного молотка. Очистить поверхность  бетона механическим способом  от иловых отложений и других  материалов. Бетонная основа должна  быть структурно прочной и  чистой.

2. Произвести очистку арматуры  от следов коррозии до степени  2 по ГОСТ 9.401-2004. Зазор между стержнями  рабочей арматуры и поверхностью  бетона должен быть не менее  10 мм.

3. Приготовить раствор материала «Скрепа М600 инъекционная» согласно инструкции по применению (см. Стандарт организации «Ремонт монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций с применением материалов «Скрепа». Чертежи узлов. Технология выполнения ремонтных работ.)

4. Нанести раствор материала  «Скрепа М600» на арматуру кистевым  способом с целью обеспечения  ее защиты от коррозии.

 

 

5. Приготовить раствор материала «Скрепа М500 ремонтная» согласно инструкции по применению (см. Стандарт организации «Ремонт монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций с применением материалов «Скрепа». Чертежи узлов. Технология выполнения ремонтных работ).

6. С целью восстановления защитного  слоя бетона нанести раствор  материала «Скрепа М500 ремонтная»  на разрушенные участки. При  этом поверхность бетона следует  предварительно тщательно увлажнить.

II этап: герметизация трещин, межплиточных швов

1. По всей длине трещин, швов, примыканий выполнить штрабы «П» – образной конфигурации сечением 25*25 мм.

2. Штрабы очистить щеткой с металлическим ворсом.

3. Подготовленные штрабы тщательно увлажнить.

4. Приготовить раствор материала  «Пенетрон» согласно инструкции по применению (см. «Технологический регламент на проектирование и выполнение работ по гидроизоляции и антикоррозионной защите монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций»). Вид приготовленной смеси – жидкий, сметанообразный раствор.

5. С целью обеспечения околошовной структуры бетона водонепроницаемостью обработать штрабы приготовленным раствором материала «Пенетрон».