Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

РЕМОНТНО-ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Косухин М.М. 1 Шарапов О.Н. 1 Апалькова Л.В. 1 Комарова К.С. 1 Комарова Н.Д. 2
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
2 СКФ ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Проведены лабораторно-выездные исследования по выявлению причин разрушения поверхностей железобетонных элементов водоочистных сооружений. Установлено разрушающее влияние на физико-механические и эксплуатационно-технические свойства железобетона биокоррозионных процессов. Проведен сравнительный анализ технико-экономической эффективности железобетонных конструкций при использовании их в системах водоотведения. Выполнен анализ работ, посвященных биодеструкции железобетона, эксплуатируемого в биологически агрессивных средах. Показано, что под воздействием микробактериальной оксидации на внутренних поверхностях железобетонных коллекторов образуется кислотная среда, высокоагрессивная по отношению к бетону. Представлен общий механизм и область воздействия агрессивных сред внутри железобетонных коллекторов. Проведен анализ возможных мероприятий по защите бетона от агрессивных сред. Для исключения выявленных негативных факторов воздействия агрессивной среды предлагаются ремонтные составы на основе полифункционального модификатора фунгицидного действия.
ремонтные составы
модификаторы цементсодержащих композиций
биологическая коррозия
долговечность бетона
защитные покрытия водоотводящих коллекторов
1. Гольдшмидт М. Минеральные защитные покрытия для бетонных поверхностей водоочистных сооружений от серно-кислотной агрессии // Технологии бетонов. – 2007. – № 4. – С. 14–15.
2. Косухин, М.М. Повышение долговечности железобетона водоотводящих коллекторов / М.М. Косухин, В.А. Полуэктова, Л.В. Апалькова, О.Н. Шарапов, В.М. Малиновкер // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8–4. – С. 838–840.
3. Кафтаева М.В. Регулирование свойств мелкозернистых бетонов с пониженным содержанием воды: автореф. дис. ... канд. техн. наук // Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов. – Белгород, 2000.
4. Кантор П.Л. Эффективность вторичной защиты железобетонных канализационных коллекторов / П.Л. Кантор, В.С. Асянова, В.М. Латыпов // Промышленное и гражданское строительство. – 2011. – № 12. – С. 65–66.
5. Шаповалов Н.А. Суперпластификаторы для бетонов / Н.А. Шаповалов, А.А. Слюсарь, В.А. Ломаченко, М.М. Косухин, С.Н. Шеметова // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2001. – № 1. – С. 29.

В первом десятилетии 21 века жилищно-коммунальный комплекс Российской Федерации столкнулся с проблемой частичного или полного износа структурных составляющих комплекса очистных сооружений населенных пунктов. Зачастую данное явление связано с приходом в негодность железобетонных и бетонных сооружений, входящих в общую технологическую схему процесса очистки фекально-бытовых и промышленных стоков. На сегодня железобетонные конструкции очистных сооружений зачастую израсходовали гарантированный лимит надежности из-за продолжительного срока службы, а также по причине воздействия различных веществ и газов на поверхности как самих конструкций, так и сооружений в целом. Следствием данного факта зачастую становятся аварийные отказы работы как отдельных элементов структуры очистки, так и очистных сооружений в целом, что таит под собой возникновение факторов, негативно влияющих на общую экологическую обстановку.

Исследования и практика эксплуатации очистных сооружений и канализационных сетей показывают, что они подвержены быстрому и нередко непредсказуемому разрушению, вызванному интенсивным протеканием различных коррозионных процессов. Основными причинами разрушения бетонных сооружений являются неудовлетворительное качество бетона и недостаточно тщательная укладка его, перенапряжение материала, механические воздействия, такие, как повышенная скорость движения воды и резкие изменения температуры. Химическая деградация бетона вызывается действием агрессивной углекислоты, сильнокислой или сильнощелочной среды, действием различных солей и т.д. Немаловажную роль в разрушении бетона играют бактериальные процессы.

Проблема коррозии и защиты железобетонных конструкций очистных сооружений сточных вод является одной из наиболее сложных. Без всякого сомнения, бетон был и остается главным строительным материалом прошлого и нынешнего столетия. Это очень прочный, широко используемый, легко применяемый и относительно недорогой материал. В этой связи в строительстве водоочистных и водоотводящих сооружений бетон также занимает главенствующую роль.

Постоянное увеличение индустриализации и механизации производства и быта зачастую влекут за собой и увеличение потребления воды, наряду с новыми более агрессивными методами очистки, предъявляют наиболее высокие требования к прочности бетона. Прочный бетон может выдержать высокие механические и термальные нагрузки, но, будучи щелочным материалом, имеет свои пределы прочности в случаях контакта с кислыми средами [1].

Бетон – щелочная композиция со значениями рН-фактора, приблизительно равныи 11–12. Щелочность в бетоне создают небольшие примеси гидроксидов щелочных металлов (до 1 %) и свободная известь – гидроксид кальция, образующийся как побочный продукт в процессе гидратации силикатов и алюминатов кальция:

2(3CaO⋅SiO2) + 6H2O = 3CaO⋅2SiO2⋅3H2O + 3Ca(OH)2

Гидроксид кальция частично растворим в воде – 1,3 г/л. Однако, если вода фильтруется через тело бетона, вынос свободной извести заметно возрастает, и это ведет к постепенной деструкции цементного камня. Потеря свободной извести до 20 % от ее содержания в бетоне серьезно влияет на несущие свойства конструкции.

Капиллярно-пористая структура и щелочной характер бетона делают его особо уязвимым по отношению к кислым средам. Это могут быть растворы неорганических и органических кислот, альдегиды, кислые и способные к окислению газы, а также соли, гидролизующиеся с образованием кислот. Даже дистиллированная вода с величиной рН-фактора, равной 6, является опасной для бетона [3].

Кислоты взаимодействуют со свободной известью в бетоне, превращая ее в соли. Химическое равновесие в системе цементного камня смещается в сторону дополнительного гидролиза гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с образованием новых порций извести, которая вновь связывается и т.д. Эти повторяющиеся процессы приводят к существенным изменениям в структуре цементного камня. За небольшим исключением (фосфорная, щавелевая и кремнефтористая кислоты, образующие с известью труднорастворимые соли) механизм разрушительного действия на бетон характерен для всех остальных кислот. Кислые растворы растворяют на поверхности бетона плотную пленку карбоната кальция – продукта карбонизации свободной извести, облегчая доступ кислот в поровое пространство бетона. [5].

Городские непромышленные сточные воды, которые поступают на водоочистку с рН 6,5–7, в соответствии с действующими нормами, не представляют опасности для бетона и кирпича. В то же время стоки, проходя различные стадии обработки и очистки, подвергают опасности вторичной атаки посредством концентрации токсинов биологических процессов, которые в действительности вызывают разрушение бетона. В бытовых стоках органические субстанции, получаемые в процессе биологической очистки, трансформируются в биомассу как углекислый газ СО2 и сероводород Н2S, отдельно друг от друга. СО2 – природный газ, находящийся в атмосфере в количестве 0,03 %, является катализатором гораздо более опасного процесса – карбонизации бетона, но закономерно то, что процесс не происходит в мокрой среде водоочистных сооружений. Н2S, подобно СО2 также не очень агрессивен по отношению к бетону, но в то же время является причиной неприятного запаха. Проводя минимизацию вредного влияния сероводорода, необходимо максимально герметично изолировать стадии очистки. В результате структурных перемен сточных вод в процессе очистки, происходит вторичная атака на бетон над уровнем стоков, так называемая газовая атака.

Под действием данных процессов микробактериальная оксидация тиобациллы преобразовывает Н2S в концентрированную серную кислоту Н2SO4. По истечению нескольких месяцев это неизбежно приведет к падению рН до уровня 1–2,5. Н2SO4 – высокоагрессивная кислота по отношению к бетону, к тому же кислотная атака проходит двумя путями:

  • оказывает растворяющий эффект (цементный камень просто растворяется);
  • мелкодисперсная атака твердыми частицами отходов жизнедеятельности, которые образуют тонкий слой на поверхности бетона.

Проникновение частиц осадка внутрь бетона вызывает его разрушение, появляются трещины, и процесс разрушения интенсивно ускоряется во времени [4].

Скорость разрушения бетона зависит от ионного состава воды. Например, если вода содержит много аммонийных соединений, то при контакте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение извести и разрушение бетона. Аналогичное действие оказывают соли магния и любые более слабые, чем известь, основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону является вода, содержащая одновременно повышенные концентрации соединений аммония и магния и сульфаты.

Наличие в воде некоторых ионов, способных вовлекаться в биологические процессы, провоцирует развитие микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых могут разрушающе действовать на бетон. К числу таких микроорганизмов относятся, например, нитрификаторы и сероокисляющие бактерии, развитие которых сопровождается подкислением среды.

Микробиальные процессы разрушения бетона чаще всего связаны с деятельностью бактерий, осуществляющих превращение серы, и наблюдаются обычно в канализационных коллекторах.

При транспортировании сточной воды по самотечным каналам и трубопроводам со скоростью, меньшей, чем самоочищающая скорость, возможно выпадение взвешенных примесей воды в осадок. Находясь под слоем воды в анаэробных условиях, осадок может загнивать. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием H2S.

Под воздействием вышеперечисленных факторов незащищенный бетон очень быстро разрушается. Материалы применяемые для защиты бетона от негативных воздействий, должны отвечать следующим условиям:

  • безопасные для здоровья и окружающей среды;
  • кислотоустойчивые при рН = 1 и менее;
  • имеющие безупречную адгезию к бетону в постоянно влажных условиях;
  • прочные к механическим воздействиям.

При проведении, более тщательного анализа процессов, происходящих на поверхности технологических сооружений, можно судить о нескольких факторах, которые способствуют протеканию данных процессов. Результаты исследований показали, что органические покрытия не имеют диффузии водяного пара и по этой причине обречены на потерю адгезии к бетону. Данный процесс происходит из-за давления влаги изнутри бетонной конструкции, находящейся в контакте с грунтом, что, в свою очередь, приводит к образованию пузырей на поверхности защитного покрытия. Подобные явления были отмечены на большинстве водоочистных сооружений, что позволяет судить о системности данных процессов. Из-за своих физико-химических свойств органические покрытия очень чувствительны к влажности бетона (для эпоксида 0,6 %, для полиуретана – 0,4 %), что делает практически невозможным их использование для санации старых, поврежденных бетонов, находящихся в постоянно влажном состоянии [2].

Были проведены испытания ремонтных составов на основе цементосодержащих композиций, модифицированных фунгицидным модификатором полифункционального действия. Модификатор представляет собой продукт конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом. Наличие в его составе олигомерных продуктов конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом и непроконденсированных продуктов осмоления отходов производства резорцина – смеси дизамещенных фенолов и ароматических сульфокислот отличает этот модификатор от большинства аналогов способностью проявлять фунгицидные свойства в щелочной среде. Кроме того, использование модификатора позволяет значительно повысить подвижность ремонтных составов при постоянном и сниженном водоцементном отношении, что в свою очередь приводит к увеличению адгезии затверденного состава к основанию, повышению плотности и прочности ремонтного покрытия за счет кептезирующего действия модификатора.

Безусловен экономический эффект, учитывающий затраты на ремонт вследствие газовой атаки, инвестиции в прочную, надежную защиту бетона имеют прямую финансовую целесообразность по отношению к новому строительству. При экономическом расчете принимается во внимание то, что в закрытых циклах очистки стоков нуждаются в защите только верхние зоны (выше уровня сточных вод), а не вся поверхность емкостей, приводящая к экономии средств, затрачиваемых на комплекс восстановительных мероприятий. Кроме этого необходимо учитывать возможность выполнения работ, не прерывая основные мероприятия по очистке сточных вод, а лишь иногда приостанавливать работу того или иного сегмента технологического процесса.

Рецензенты:

Печеный Б.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ПЗ ГСХ, СКФ ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Минеральные Воды;

Лопанов А.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 26.08.2014.


Библиографическая ссылка

Косухин М.М., Шарапов О.Н., Апалькова Л.В., Комарова К.С., Комарова Н.Д. РЕМОНТНО-ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-9. – С. 1942-1945;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35166 (дата обращения: 09.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074