Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КАНТОР ПАВЕЛ ЛЬВОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ВОДООТВОДЯЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа - 2012
Работа выполнена на кафедре Строительные конструкции ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Латыпов Валерий Марказович.
Официальные оппоненты: Яковлев Владимир Валентинович доктор технических наук, профессор, Уфимский государствен ный нефтяной технический универси тет, профессор кафедры Автомоби ные дороги и технология строительно го производства;
Синицин Дмитрий Александрович кандидат технических наук, ГУП институт БашНИИстрой, заведующий лабораторией испытаний строительных материалов и изделий.
Ведущая организация ФГБОУ ВПО Казанский государст венный архитектурно-строительный университет
Защита состоится 25 мая 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан 17 апреля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Недосеко Игорь Вадимович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Канализационные сети являются частью подземной инфраструктуры городов и играют важную роль для их жизнеобеспечения. В 60-80 г.г. прошлого века в России велась массовая жилищная застройка новых территорий с соответствующими сетями водоотведения. При их устройстве широко применялись коллекторы из железобетона, к преимуществам которых можно отнести невысокую стоимость, отсутствие дефицита в сырьевых материалах при производстве, технологичность при укладке и последующей эксплуатации. Недостатком железобетонных коллекторов является их пониженная стойкость к биодеструкции. Процесс сероводородной коррозии в прошлом был недостаточно изучен, поэтому отсутствовали методы учета и прогнозирования факторов, влияющих на деструктивные процессы железобетона водоотводящих коллекторов. Кроме того, зачастую применялись изделия с ограниченной коррозионной стойкостью, имеющие марку бетона по водонепроницаемости W4 и ниже. При таких условиях железобетонные коллекторы не могли обеспечить нормативную долговечность, которая должна составлять не менее 50 лет. В результате эксплуатационным службам городов приходилось, в лучшем случае, осуществлять преждевременный капитальный ремонт канализационных сетей, а в худшем - проводить их полную замену. В последние годы имели место крупные аварии на железобетонных коллекторах, причинившие существенный экологический и материальный ущерб. В связи с этим актуальными являются задачи исследования факторов, обуславливающих сероводородную коррозию железобетона; прогнозирование скорости коррозии водоотводящих коллекторов и разработка мероприятий, способствующих повышению их долговечности.
Цель работы: Обоснование антикоррозионных мероприятий по обеспечению нормативной долговечности водоотводящих коллекторов на основе комплексной оценки различных факторов, влияющих на скорость сероводородной коррозии железобетона.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Ц систематизация факторов, обуславливающих сероводородную коррозию железобетона;
Ц оценка возможности теоретического прогнозирования средней скорости сероводородной коррозии;
Ц определение средней скорости сероводородной коррозии водоотводящих коллекторов в зависимости от влияющих факторов;
Ц исследование сероводородной коррозии на действующем железобетонном водоотводящем коллекторе с целью получения фактических значений показателей, позволяющих количественно обосновать имеющуюся величину коррозии;
Ц экспериментальные исследования различных систем первичной и вторичной защиты бетона;
Ц разработка антикоррозионных мероприятий и системы контроля качества производства изделий, обеспечивающих нормативную долговечность водоотводящих коллекторов.
Научная новизна:
Ц получена теоретическая зависимость учитывающая влияние плотности бетона на скорость сероводородной коррозии водоотводящих коллекторов;
Ц на основании натурных исследований определены значения средних скоростей коррозии для бетона различной плотности в зависимости от условий эксплуатации коллектора;
Ц разработан алгоритм определения остаточного ресурса (срока службы) водоотводящего коллектора в зависимости от гидравлических, геометрических и химических факторов его работы и показателей качества бетона.
Практическая значимость:
- разработана методика определения средней скорости коррозии железобетона водоотводящих коллекторов в зависимости от влияющих факторов;
- предложен инженерный метод определения потока сероводорода (sw), позволяющий получить значения скорости коррозии бетона коллектора;
- предложен алгоритм назначения требуемой марки бетона по водонепроницаемости (W) при проектировании железобетонных водоотводящих коллекторов с нормативной долговечностью;
- по результатам экспериментальных исследований определены наиболее эффективные средства первичной и вторичной защиты бетона;
- предложены антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности проектируемых и повышению долговечности эксплуатирующихся водоотводящих коллекторов;
- разработан технологический регламент производства изделий и конструкций водоотводящих коллекторов с повышенной коррозионной стойкостью.
Результаты исследований были использованы:
- на объектах МУП Уфаводоканал при оценке технического состояния и разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации железобетонных водоотводящих коллекторов, транспортирующих бытовые сточные воды;
- организацией ОАО ГлавБашСтрой при производстве конструкций водоотводящих коллекторов - железобетонных безнапорных труб (300, 500, 1000, 1400 мм) и стеновых колец колодцев (1000, 1500 мм) по разработанной с участием автора технической документации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях Проблемы строительного комплекса России (г. Уфа, 2008-2009 гг.) и Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды (г. Уфа, 2011 г.); на Всероссийской научно-технической конференции Эксплуатационная надежность промышленных и гражданских зданий и сооружений при строительстве и реконструкции (г. Уфа, 2010 г.); на научно-технической конференции Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона (г. Уфа, 2011 г.).
По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.
Исследования проводились в рамках выполнения гранта Российской академии архитектуры и строительных наук по теме: Безопасность и долговечность систем водоснабжения и водоотведения крупных городов (Гос. контракт № РА-01-10 от 01 августа 2010 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованных источников. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 35 иллюстраций и 50 таблиц.
Список использованных источников включает 150 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса обеспечения долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов, подробно описан механизм коррозии в них и факторы, влияющие на процесс.
Изучению вопроса повышения долговечности бетона и железобетона в различных агрессивных средах посвящены труды многих российских и зарубежных ученых: С.Н. Алексеева, В.И. Бабушкина, Е.А. Гузеева, Ф.М. Иванова, В.М. Москвина, А.Ф. Полака, Н.К. Розенталя, В.Ф. Степановой, В.В. Яковлева, F.P. Stark и других.
Процессы коррозии водоотводящих коллекторов в среде сероводорода наиболее полно изложены исследователями: И.В. Довгань, Г.Я. Дроздом, Н.К.
Розенталем, Г.В. Чехний, M. Haager, A. Lueghamer, R. Morton, A.H. Nielsen, C.D. Parker, R.D. Pomeroy, J. Vollertsen и другими. Результаты этих исследований показали, что сами сточные воды неагрессивны или слабоагрессивны по отношению к бетону трубопровода, в связи с чем ниже уровня транспортируемых сточных вод коррозионное воздействие слабо выражено. По современным представлениям разрушение происходит в сводовой (надводной) части железобетонных труб из-за биогенной сероводородной коррозии, которая протекает по следующей схеме (рис. 1):
сульфатредуцирующие бактерии, находящиеся в анаэробном слое иловых отложений, восстанавливают сульфаты до сульфидов, включая H2S;
сероводород выделяется в газовую среду коллектора и растворяется в конденсатной влаге сводовой поверхности труб;
аэробные тионовые бактерии, поселяющиеся на поверхности свода, окисляют H2S и другие серосодержащие соединения до H2SO4;
серная кислота H2SO4 вступает в реакцию с бетоном, разрушая его.
Рисунок 1. Механизм коррозии железобетонных коллекторов Анализ результатов исследований показывает, что основными факторами, влияющими на процесс коррозии железобетонных коллекторов, являются геометрические характеристики и гидравлические условия работы трубопровода;
химические параметры среды и показатели качества бетона, определяющие его коррозионную стойкость. Однако, в действующих нормативах, регламентирующих требования к антикоррозионной защите (СНиП 2.03.11, ГОСТ 31384), отсутствует методика учета совокупности вышеназванных факторов, что затрудняет выполнение оценки долговечности водоотводящих коллекторов и обоснование выбора способов их защиты на этапе проектирования. Ситуация усугубляется и тем, что по действующим стандартам (ГОСТ 6482, ГОСТ 8020) допускается применять для конструкций коллекторов бетон с маркой по водонепроницаемости W4. Это обуславливает низкое качество производимых изделий, а также тот факт, что основной объем их производства (65-70%) по-прежнему осуществляется на старом отечественном оборудовании: центрифугах ременного и роликового типа или по технологии вибрационного воздействия через формоснастку. Вместе с тем, за рубежом сегодня применяются новые технологии производства, которые позволяют занимать изделиям из бетона уверенные позиции во всех возможных областях строительства. Самым перспективным направлением производства железобетонных конструкций коллекторов является технология вибропрессования.
Устранению существующей неопределенности в оценке агрессивности эксплуатационной среды и получению коррозионностойких конструкций водоотводящих коллекторов посвящена настоящая работа.
Во второй главе приводится характеристика материалов для защиты новых (добавки, покрытия) и восстановления эксплуатируемых конструкций коллекторов (ремонтные составы), имеющих повреждения вследствие сероводородной коррозии железобетона. Дано описание методик физико-химических исследований, по которым оценивалась эффективность первичных и вторичных способов защиты бетона.
В качестве основной базы для проведения исследований был выбран действующий завод (ГлавБашСтрой) по выпуску изделий и конструкций водоотводящих коллекторов по технологии вибропрессования с использованием оборудования фирмы Pedershaab (Дания). В качестве объекта исследований была выбрана канализационная система г. Уфа. Результаты исследований представлены в главе 4.
В третьей главе приведена существующая математическая модель физико-химического процесса сероводородной коррозии; разработан инженерный метод определения потока сероводорода; получена теоретическая зависимость, позволяющая учитывать влияние плотности бетона по показателю водонепроницаемости на скорость коррозии водоотводящих коллекторов.
В зарубежных стандартах по проектированию канализационных коллекторов (в частности в американских стандартах EPA, ACPA и ASCE) для определения скорости сероводородной коррозии используется формула (1), предложенная R.D. Pomeroy. Данная математическая модель позволяет наиболее полно учесть влияние факторов на сероводородную коррозию, поэтому она была принята нами в качестве основной для осуществления дальнейших исследований:
, (1) где Cavg - средняя скорость сероводородной коррозии, мм/год; 11,5 - численный коэффициент с размерностью (ммчасм2)/(годг); f - коэффициент эффективности реакции серной кислоты с бетоном. Значение f может составлять от 0,3 и приближаться к 1,0, когда вся образовавшаяся на поверхности бетона кислота вступит в реакцию; А - коэффициент реакционной емкости бетона, выраженный в виде эквивалента карбоната кальция CaCO3. Значение A принимается в диапазоне 0,17-0,20 - для бетона, изготовленного на гранитном заполнителе;
А=0,9 - для бетона с известняковым заполнителем; А=0,4 - для цементных покрытий; sw - среднее значение потока сероводорода, г/м2/час, поступающего к поверхности стенки железобетонного коллектора, которое определяется по формуле:
( ), (2) где 0,7 - численный коэффициент с размерностью (м5/8с3/8)/час; S - уклон канализационного коллектора, м/м; u - скорость потока сточных вод, м/с; [DS] - среднее значение концентрации растворенных сульфидов в сточных водах, мг/л; j - коэффициент, определяющий относительное содержание сероводорода в сульфидах. Значение j рассчитывается по константам диссоциации сероводорода, с учетом двух параметров: pH сточных вод и их температуры; b - ширина поверхности потока сточных вод, м (рис. 2); pТ - периметр поверхности, подверженной коррозионному воздействию, м (рис. 2).
Для осуществления прогноза скорости сероводородной коррозии водоотводящих коллекторов первоочередным является определение потока сероводорода (sw). Однако выполнение практических расчетов по формуле (2) затруднено в связи с необходимостью вычисления геометрических параметров ширины потока сточных вод (b); периметра коллектора, подверженного коррозионному Рисунок 2. Геометрические воздействию (p'); возведения произведения параметры коллектора уклона (S) на скорость течения сточных вод (u) в степень 3/8; а также нахождения коэффициента j с помощью расчета относительного содержания форм сероводорода по константам его диссоциации в зависимости от рН и температуры сточных вод (t). Для удобства нахождения численного значения величины потока сероводорода (sw) выражение (2) с помощью формул для гидравлического расчета канализационных сетей А. Шези и Н.Н. Павловского было математически обработано и преобразовано в графический вид. Для этого первоначально были определены численные значения потока сероводорода (sw') при фиксированных средних значениях параметров [DS], h/d, pH, t и различном гидравлическом уклоне для всевозможных диаметров труб коллектора (рис. 3). В качестве средних значений параметров были приняты следующие величины: [DS]=1 мг/л; h/d=0,5; pH=6,8 (t=20C). В случае их изменения для каждого из параметров назначены соответствующие поправочные коэффициенты Z[DS], Zh/d, ZpH и определены их численные значения (рис.
4-6).
Алгоритм вычисления потока сероводорода (sw) следующий. Для коллектора заданного диаметра (d) и расчетного уклона (S) определяется численное значение потока сероводорода (sw') по графику на рис. 3. Далее по фактическим данным определяются поправочные коэффициенты Z[DS], Zh/d, ZpH по графикам на рис. 4, 5, 6 соответственно. Вычисляется итоговое значение потока сероводорода (sw) по формуле:
(3) 0,1Условия:
0,1h/d=0,[DS] = 1 мг/л 0,0рН 6,0,080 t=20C 0,050,0680,0100,0120,0140,00,00,00,000 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015 0,018 0,021 0,0Уклон S, м/м Рисунок 3. Значение потока сероводорода при заданных условиях (sw') для проекти- руемого диаметра коллектора (d) и расчетного уклона (S) 4,0 1,1,3,1,0,2,0,0,1,0,0,0,0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,0,00 1,00 2,00 3,00 4,Концентрация сульфидов [DS], мг/л Уровень наполнения коллектора h/d Рисунок 4. Зависимость коэффициента Рисунок 5. Зависимость коэффициента Z[DS] от концентрации сульфидов Zh/d от уровня наполнения коллектора 1,Температура сточных вод:
1,t=5C 1,t=20C 1,t=30C 0,t=40C 0,0,0,0,5,4 5,8 6,2 6,6 7 7,4 7,8 8,2 8,6 9 9,4 9,pH сточных вод Рисунок 6. Зависимость коэффициента ZpH от уровня рН сточных вод и их температуры sw Поток сероводорода , г/м /час h/d [DS] Коэффициент Z Коэффициент Z pH Коэффициент Z В математической модели скорости сероводородной коррозии R.D. Pomeroy учитываются четыре группы факторов: гидравлические, геометрические, химические и качество бетона по показателю реакционной емкости в зависимости от вида используемого заполнителя. Анализ формул (1) и (2) свидетельствует о том, что решающее влияние на величину скорости коррозии оказывают содержание сульфидов в стоках; скорость течения сточных вод (уклон); вид используемого в бетоне заполнителя, а также эффективность реакции кислоты с бетоном - коэффициент f. Вместе с тем исследования, проведенные многими российскими и зарубежными учеными и требования норм (ГОСТ 31384) показывают, что плотность бетона, характеризуемая его маркой по водонепроницаемости W, также существенным образом влияет на скорость коррозии бетона.
Поэтому представляется целесообразным получить новую теоретическую зависимость, позволяющую учитывать влияние плотности бетона на скорость его коррозии.
Если принять скорость коррозии для бетона с маркой по водонепроницаемости W4 за базовую, поскольку он является наименее плотным, то уравнение скорости коррозии для более плотного бетона можно представить в следующем виде:
, (4) где qWi - коэффициент изменения скорости коррозии бетона с маркой Wi относительно скорости коррозии бетона с маркой W4, коррозия которых происходит в равных условиях; СWi - скорость коррозии бетона с маркой по водонепроницаемости Wi (i = 4, 6,Е18, 20); CW4 - скорость коррозии бетона с маркой W4.
Значение коэффициента qWi может быть получено по соотношению скоростей коррозии бетона различной плотности Wi, находящихся в одинаковых по агрессивности условиях, по формуле:
(5) Для получения числен1,ных значений коэффициента 0,qWi за основу были приняты 0,0,0,результаты исследований Ро0,зенталя Н.К. ( - отмечены 0,0,0,на графике), которые выра- 0,0,0,0,0,0,жаются в глубине разруше- 0,0,ния бетона с различной мар4 6 8 10 12 14 16 18 кой по водонепроницаемости Марка бетона по водонепроницаемости Wi в растворах серной кислоты Рисунок 7. Значения qWi для бетонов различной за 50 лет (рис. 7).
плотности (Wi) Wi Значение q С учетом вышеизложенного, средняя скорость коррозии согласно (3) для коллектора, изготовленного из бетона с маркой по водонепроницаемости W4, может быть записана в следующем виде:
(6) Подставляя (6) в (4), имеем:
(7) Таким образом, зависимость (7) позволяет учесть влияние плотности бетона по показателю водонепроницаемости (W) на скорость коррозии водоотводящего железобетонного коллектора с помощью введенного в формулу R.D.
Pomeroy коэффициента qWi.
В четвертой главе приводятся результаты натурных и лабораторных исследований скорости сероводородной коррозии и способов защиты бетона.
В связи с тем, что сероводородная коррозия бетона является сложным многофакторным процессом с участием различных видов бактерий, а сам коллектор представляет собой подобие биологического реактора, смоделировать в лабораторных условиях в полном объеме протекание коррозии под воздействием биогенной серной кислоты до настоящего времени не представляется возможным. Поэтому для определения численных значений параметров математической модели коррозии и осуществления теоретического прогноза ее скорости нами были проведены натурные исследования на действующем в г. Уфе водоотводящем коллекторе, который был разделен на три характерные зоны (рис. 8):
1) Зона после подключения канализационной насосной станции - После КНС;
2) Застойная зона - скорость потока сточных вод и уклоны имеют предельно низкие значения, в отдельных случаях ниже допустимых;
3) Зона Быстротока - максимальные скорости и уклоны для данного коллектора.
Рисунок 8. Схема обследованного железобетонного коллектора 1000 мм (цифрами обозначены номера колодцев) В результате проведенных исследований для каждой из вышеназванных зон была определена фактическая средняя скорость коррозии бетона Cфакт и средние значения: pH, t, [DS], S, u, b, pТ (табл. 1).
Численное значение коэффициента эффективности реакции серной кислоты с бетоном (f) зависит от параметров, которые не представляется возможным точно измерить (вентиляция подсводового пространства, количество конденсата на стенке коллектора и т.д.). В связи с этим может возникнуть определенная погрешность в назначении коэффициента f теоретическим путем. Поэтому для осуществления более точного прогноза скорости сероводородной коррозии значение данного коэффициента определялось экспериментально по фактическим параметрам работы и фактической скорости коррозии коллектора с помощью формул (1) и (2):
(8) ( ) Таблица 1. Результаты исследований коллектора в г.Уфе b p' S u [DS] j A Сфакт fфакт sw 1 №1 0,94 1,271 0,0014 1,19 1,96 0,6 0,2 0,0553 2,2 0,2 0,87 1,119 0,0010 1,02 1,95 0,6 0,2 0,0479 1,2 0,3 №2 0,87 1,119 0,0010 1,02 2,16 0,6 0,2 0,0530 0,9 0,4 0,87 1,119 0,0010 1,02 1,99 0,6 0,2 0,0489 0,9 0,5 0,97 1,820 0,0100 2,49 1,06 0,6 0,2 0,0595 2,2 0,№6 0,97 1,820 0,0100 2,49 0,91 0,6 0,2 0,0511 2,4 0,Примечание: коэффициент А=0,2, т.к. коллектор изготовлен на гранитном заполнителе В связи с тем, что в зонах №2 и №3 исследования проводились сразу в нескольких точках, в качестве fфакт приняты значения, определенные в точках с наибольшей коррозией - колодец №2 в зоне Застойная и колодец №6 в зоне Быстроток (табл. 2).
Таблица 2. Значение коэффициента fфакт для различных зон коллектора Наименование зоны Значение коэффициента fфакт №1 После КНС 0,№2 Застойная 0,№3 Быстроток 0,м г/м /час реакции ка, м/сек дов, мг/л Поток H S, розионного зии, мм/год ГидравличеФактическая фективности фициента эфПериметр коржание сульфивоздействия, м Среднее содер№ колодца Скорость потоКоэффициенты Значение коэфский уклон, м/м скорость корроШирина потока, Наименование зоны Для обеспечения нормативной долговечности железобетонных коллекторов должно выполняться условие:
, (9) где Сн - максимально допустимая скорость коррозии, мм/год, которая определяется, как:
, (10) где Тн - нормативный срок эксплуатации коллектора, который должен составлять 50 лет; Lдоп - допускаемая к концу нормативного срока глубина коррозии - жертвенный слой, в качестве которого может быть принят защитный слой бетона. Толщина защитного слоя бетона для исследуемого коллектора аз=35 мм.
Для данного коллектора значение максимально допустимой скорости коррозии (Сн), при которой обеспечивается нормативная долговечность, должна составлять не более Сн=35/50=0,68 (мм/год). Полученные данные свидетельствуют о том, что при проектировании коллектора не учитывались факторы, влияющие на скорость сероводородной коррозии. В Застойной зоне вследствие недопустимо низкой скорости течения сточных вод, по всей видимости, идет накопление осадка и отложений, что способствует повышенному содержанию растворенных сульфидов в сточной воде. При этом скорость коррозии на данном участке вследствие незначительного уклона самая низкая. Выделение накопленных сульфидов в виде H2S происходит ниже по потоку в зоне Быстротока, чему способствует высокое значение уклона, характерное для данной зоны. Поэтому здесь наблюдается максимальная скорость коррозии. Изза того, что зоне Быстротока предшествует Застойная зона процесс коррозии коллектора протекает с различной скоростью. По данным фактических замеров средняя скорость коррозии составляет от 0,9 до 2,4 мм/год, что существенно превышает максимально допустимую Сн=0,68 мм/год. Объяснение этому является то, что коллектор изготовлен из бетона пониженной плотности - W4.
Для определения плотности бетона, которая обеспечит нормативную долговечность коллектора при данных условиях, была использована полученная зависимость (7). Для каждой характерной зоны коллектора (табл. 3) с помощью формулы (7) были определены значения скоростей коррозии бетонов различной плотности (СWi), а также остаточный ресурс (срок службы) коллектора по формуле:
, (11) где Тост - остаточный ресурс (срок службы) коллектора; Тэкс - срок эксплуатации коллектора.
Согласно полученным данным в зонах №1 и №3 эксплуатационный ресурс коллектора полностью исчерпан и необходимы безотлагательные мероприятия по реконструкции трубопровода. Подтверждением этого служат многочисленные факты аварий, произошедшие на коллекторе в период с 2000 по 2011 г.г.
Таблица 3. Средняя скорость коррозии для бетона с различной плотностью СWi ОстаточСредняя скорость коррозии для бетона с различной плотный реНаименование ностью, мм/год сурс, лет зоны W4 W6 W8 W10 W12 W14 W16 W18 W20 Тост №1 После КНС 2,2 1,61 0,99 0,92 0,84 0,77 0,70 0,62 0,55 №2 Застойная 1,2 0,88 0,54 0,50 0,46 0,42 0,38 0,34 0,30 менее №3 Быстроток 2,4 1,75 1,08 1,01 0,91 0,84 0,77 0,67 0,60 Примечение: Выделены значения, при которых выполняется условие (9):, где Сн = 0,68 мм/год. В остальных случаях нормативная долговечность Тн=50 лет не обеспечивается В качестве рекомендаций для осуществления проекта по реконструкции коллектора необходимо принять: в зоне №1 - бетон с маркой по водонепроницаемости W18; в зоне №2 - бетон с маркой по водонепроницаемости W8; в зоне №3 - бетон с маркой по водонепроницаемости W18. В случае отсутствия возможности применения конструкций, изготовленных из бетонов особо низкой проницаемости, допускается для всего коллектора назначить в качестве первичной защиты - конструкции с маркой по водонепроницаемости не менее W8, а на участках с повышенной агрессивностью среды (Зона №1 После КНС и зона №3 Быстроток) предусмотреть дополнительную обработку внутренних поверхностей труб средствами вторичной защиты.
Первоочередным является обеспечение первичной защиты бетона, поскольку она более экономичная по сравнению с другими способами повышения долговечности коллектора. С этой целью были проведены исследования по подбору состава бетона повышенной плотности с применением различных модифицирующих добавок Модификатор МБ 10Рисунок 9. Результаты подбора состава бетона повышенной плотности 01, ПФМ-НЛК, Сentrilit Fume SX, Murasan BWA16 (рис. 9).
На участках с повышенной агрессивностью среды меры первичной защиты оказываются недостаточно надежными, поэтому дополнительно должна применяться вторича) б) в) ная защита бетона, наиболее эффективной из которой является устройство защитных оболочек из полиэтилена. Для Рисунок 10. Образцы после натурных испытаний в водоотжелезобетонных заводящем коллекторе (12 месяцев): а) цементно-песчаный расводов, которые не твор без покрытия; б) Emaco+Masterseal - локальные повреждеобладают технологиния покрытия на гранях образцов; в) Macflow+Oldodur - покрытие без повреждений ей установки полиэтиленовых оболочек в процессе производства изделий, могут быть рекомендованы защитные покрытия, которые представляют собой кислотоустойчивые составы на органической или минеральной основе. При этом для восстановления поврежденных коррозией конструкций коллекторов могут быть использованы специальные ремонтные составы. Максимальный эффект от ремонта достигается совместным применением ремонтного состава и защитного покрытия, которое наносится по восста- Таблица 4. Результаты испытаний ремонтных составов и защитных покрытий новленной поверхности.
Средняя глубина коррозии, По результатам мм лабораторных испыта- Натурные исЛабораМатериал Покрытие пытания ний в 5%-й серной кисторные испытания 14 6 мелоте и натурных испымесясуток сяцев таний в коллекторе (рис. цев Полностью 10, табл. 4) установлен без покрытия 5 разрушен ряд эффективности исПЦ 400 ДMasterseal 136 0 0 следованных защитных Oldodur WS56 0 0 покрытий: Парацид < без покрытия 2 2 Masterseal 136 < Oldodur Macflow Masterseal 136 0 1 WS56. Результаты исOldodur WS56 0 0 пытаний образцов, изгобез покрытия 4 0 товленных из ремонтных Emaco S88C Masterseal 136 0 0 составов (Macflow, EmaOldodur WS56 0 0 co S88C, Антигидрон Антигидрон без покрытия 2 1 ВЛВЛ50) без применения защитного покрытия, не ПЦ 400 Д20 Парацид 3 1 позволяют выделить какой-либо отдельный состав по критерию коррозионной стойкости. Установлено, что ремонтные составы также, как и обычный цементный камень, подвержены интенсивной коррозии.
С целью а) б) получения сведений об изменении структуры и качественном составе новообразований испытанных образРисунок 11. Продукты коррозии цементного камня: а) двуводный цов, находивгипс - в наружном корродированном слое б) эттрингит - в переходшихся в условином слое ях сероводородной коррозии, были проведены дополнительные исследования с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6610LV и дифрактометра DPHA-SER. Полученные результаты подтвердили наличие в продуктах коррозии основного компонента - двуводного гипса (CaSO42H2O), а в переходном слое - эттрингита (3CaOAl2O33CaSO432H2O), которые обуславливают процесс разрушения бетона (рис. 11). Снимки неповрежденного и корродированного образцов бетона а) б) позволяют объяснить механизм коррозии, который заключается в растворении компонентов цементного камня с последуюРисунок 12. Изменение структуры бетона после натурных испытаний в водоотводящем коллекторе (12 месяцев): а) неповрежден- щей кристаллиный бетон; б) корродированный слой бетона зацией новообразований со значительным увеличением объема. При этом появляются внутренние усилия, которые обуславливают возникновение растягивающих напряжений в корродированном слое цементного камня, вследствие чего он представляет собой несвязную массу и, как правило, удаляется с поверхности конструкций коллекторов за счет сползания или смыва потоком (рис.12).
В пятой главе предложены антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности проектируемых и повышению долговечности водоотводящих коллекторов.
Первичные способы защиты Известняковый Оптимальные Плотная упаковка Добавка заполнитель условия твердения заполнителей микрокремнезем+СП Повышенная В/Ц менее Бетон повышенной реакционная емкость 0,плотности бетона Вторичные способы защиты Повышение стойкости Снижение бетона в условиях Покрытия образования H2SOсероводородной коррозии Оболочки Снижение влажности ДОЛГОВЕЧНЫЙ среды подсводового КОЛЛЕКТОР пространства в условиях сероводородной коррозии Эксплуатационные Проектные способы способы защиты защиты Снижение Предотвращение Профилактическая образования H2S турбулентности и очистка коллектора от завихрений потока отложений Устройство надлежащей Повышение pH стоков и вентиляции подсводового снижение их температуры пространства Обработка стоков Исключение накопления реагентами против осадка сероводорода Рисунок 13. Антикоррозионные мероприятия по обеспечению долговечности железобетонных коллекторов Анализ проведенных исследований показывает, что основным направлением повышения долговечности водоотводящих коллекторов может являться максимальное использование потенциальных возможностей самого бетона. Реализовываться это должно применением бетонов повышенной плотности (водонепроницаемости), получение которых возможно с применением специальных добавок. Дополнительным способом повышения долговечности является применение известнякового заполнителя. В тех случаях, когда этими методами не удается обеспечить долговечность, должны быть применены способы вторичной защиты. Необходимо также отметить, что повышение долговечности коллекторов основывается не только на использовании стойких материалов, но и на правильных конструктивных решениях, принятых при проектировании канализационной сети, а также проведением своевременных эксплуатационных мероприятий. Таким образом, защита от сероводородной коррозии должна решаться комплексно, в связи с чем, возникает необходимость систематизации эффективных антикоррозионных мероприятий, направленных на повышение долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов.
Основные мероприятия по повышению долговечности коллекторов могут быть разделены на первичные, вторичные, эксплуатационные и проектные способы защиты (рис. 13). Они заключаются в применении конструкций коллекторов, максимально стойких в данной среде (первичная и вторичная защита), либо в минимизации условий, способствующих повышению агрессивности среды по отношению к бетону коллектора (эксплуатационная и проектная защита).
Высокие требования по надежности и долговечности, которые предъявляются к коллекторам водоотведения, обуславливают необходимость производства качественных железобетонных изделий. Автором был разработан технологический регламент производства конструкций коллекторов, устанавливающий требования к входному контролю исходных сырьевых материалов, операционному контролю технологии выполнения работ, а также приемочному контролю по установлению соответствия качества готовых изделий требованиям стандартов. Основной целью разработанного технологического регламента является получение железобетонных труб и колец колодцев с повышенной плотностью. Данный документ был внедрен в производственный процесс изготовления железобетонных изделий и конструкций коллекторов на заводе ГлавБашСтрой. Общий выпуск изделий, соответствующих разработанному технологическому регламенту, за период с 2009 по 2011 г.г. составил 5 438 м3.
Марка бетона по водонепроницаемости для колец колодцев составила W12; для труб цилиндрических раструбных - W14. Повышенная плотность бетона была достигнута применением добавок, снижением В/Ц отношения, использованием смеси заполнителей с оптимальной гранулометрией и выбором оптимальных условий твердения бетона. Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в увеличении долговечности водоотводящих коллекторов. Теоретический срок службы по сравнению с рядовыми изделиями (с маркой по водонепроницаемости W4) для труб цилиндрических раструбных увеличился в 2,9 раза; для колец колодцев - в 2,6 раза.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Исследована возможность теоретического прогнозирования скорости сероводородной коррозии железобетонных водоотводящих коллекторов в зависимости от влияющих факторов: гидравлического уклона коллектора; скорости потока сточных вод; концентрации растворенных сульфидов в сточных водах; pH и температуры сточных вод; ширины свободной поверхности потока сточных вод; периметра поверхности коллектора, подверженной коррозионному воздействию; коэффициента эффективности реакции кислоты с бетоном; коэффициента реакционной емкости бетона.
2. Предложена математическая модель, позволяющая учесть влияние всех основных факторов на скорость сероводородной коррозии бетона различной плотности, а также разработан алгоритм определения остаточного ресурса (срока службы) коллектора. С помощью полученных зависимостей можно прогнозировать срок службы при проектировании новых и эксплуатации действующих водоотводящих коллекторов.
3. Разработан метод определения потока сероводорода (sw) на основе данных о расчетном гидравлическом уклоне (S), уровне pH стоков и их температуры, расчетном наполнении коллектора (h/d) и концентрации сульфидов [DS].
4. Показано, что водоотводящие коллекторы могут иметь характерные зоны, в которых происходят взаимосвязанные процессы определяемые сочетанием факторов, влияющих на скорость коррозии. По результатам исследований для действующего в г. Уфе коллектора выявлены три характерные зоны трубопровода. Для каждой из этих зон определены численные значения параметров математической модели коррозии, выполнен прогноз теоретических значений скоростей коррозии для бетонов различных плотностей и определен остаточный ресурс коллектора. Полученные данные свидетельствуют о том, что процесс коррозии на различных участках трассы коллектора протекает с различной скоростью. Установлено, что решающее значение на величину скорости коррозии в выявленных зонах оказывают содержание сульфидов в стоках; скорость течения сточных вод (уклон); эффективность реакции кислоты с бетоном, характеризуемая коэффициентом f, а также плотность бетона (W).
5. На действующем заводе ЖБИ ГлавБашСтрой по технологии вибропрессования получены изделия водоотводящих коллекторов с повышенной плотностью - марка бетона по водонепроницаемости W12-W14, что позволило повысить долговечность по сравнению с рядовыми изделиями (марка W4) в 2-3 раза. Показана возможность получения бетонов с маркой W16 и выше с помощью применения комплексных добавок на основе микрокремнезема и суперпластификатора (типа МБ 10-01).
6. Подтверждено наличие в продуктах коррозии бетона основного компонента - двуводного гипса, а в переходном слое - эттрингита, которые наряду с растворением компонентов цементного камня серной кислотой, обуславливают процесс разрушения железобетонных конструкций. Наиболее эффективным из исследованных способов вторичной защиты бетона является покрытие Oldodur WS56. Результаты испытаний образцов, изготовленных из ремонтных составов (Macflow, Emaco S88C, Антигидрон ВЛ50) без применения защитного покрытия, не позволяют выделить какой-либо отдельный состав по критерию коррозионной стойкости. Поэтому при восстановлении поврежденного коллектора ремонтными составами в местах повышенной агрессивности необходимо поверх ремонтного состава наносить защитное покрытие.
7. Предложены антикоррозионные мероприятия, включающие в себя производственные, проектные и эксплуатационные решения по обеспечению долговечности водоотводящих коллекторов на основе факторов сероводородной коррозии. Разработан технологический регламент, устанавливающий требования к контролю качества на всех стадиях производства конструкций водоотводящих коллекторов. Общий выпуск изделий, соответствующих разработанному технологическому регламенту, за период с 2009 по 2011 г.г. составил 5 438 м3. Экономический эффект от внедрения результатов исследований заключается в увеличении срока службы конструкций до нормативных значений.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих научных трудах, из них №7, №11, №15, №16 опубликованы в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ:
1. Латыпов, В.М. Основные факторы, определяющие качество сборного железобетона / В.М. Латыпов, П.Л. Кантор // Проблемы строительного комплекса России: материалы XII Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. - С. 48-49.
2. Латыпов, В.М. Определение требуемой плотности бетона труб водоотводящего коллектора в зависимости от агрессивности среды / В.М. Латыпов, П.Л. Кантор // Проблемы строительного комплекса России: материалы XIII Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 266-267.
3. Латыпов, В.М. Восстановление бетона и железобетона после деструктивного воздействия серосодержащих соединений / В.М. Латыпов, Т.В.
атыпова, А.Н. Авренюк, П.А. Федоров, Д.В. Тимеряев, П.Л. Кантор // Строительные материалы. - 2009. - № 3. - С. 58-59.
4. Латыпов, В.М. Коррозионностойкие изделия для сооружений водоснабжения и водоотведения / В.М. Латыпов, П.Л. Кантор // Эксплуатационная надежность промышленных и гражданских зданий и сооружений при строительстве и реконструкции: сборник трудов Всероссийской научнотехнической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 115-123.
5. Латыпова, Т.В. О качестве подготовки железобетона к ремонтным работам / Т.В. Латыпова, А.Н. Авренюк, П.Л. Кантор, В.М. Латыпов // Инженерные системы в строительстве и коммунальном хозяйстве. - Уфа, 2011. - №4. - С.
10-13.
6. Авренюк, А.Н. Об опасности повреждения структуры бетона на этапе подготовки поверхности перед ремонтом конструкций / А.Н. Авренюк, В.М. Латыпов, В.С. Асянова, П.Л. Кантор // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - №2. - С. 47-50.
7. Кантор, П.Л. Инженерные мероприятия по повышению долговечности железобетонных водоотводящих коллекторов / П.Л. Кантор, С.Л. Кантор, В.М.
атыпов // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: II Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Статьи и тезисы. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011.
Ц С. 132-136.
8. Кантор, П.Л. Прогнозирование скорости сероводородной коррозии железобетонных водоотводящих коллекторов / П.Л. Кантор // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: II Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых:
Статьи и тезисы. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С.137-140.
9. Кантор, П.Л. Экономическое сравнение двух вариантов армирования конструкций колодцев, выпускаемых по ГОСТ 8020-90 / П.Л. Кантор // Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона: материалы научнотехнической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Полака А.Ф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 283-284.
10. Кантор, П.Л. Определение средней скорости коррозии бетона водоотводящих коллекторов с учетом влияющих факторов / П.Л. Кантор // Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона: материалы научнотехнической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Полака А.Ф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 253-256.
11. Кантор, П.Л. Эффективность вторичной защиты железобетонных канализационных коллекторов / П.Л. Кантор, В.С. Асянова, В.М. Латыпов // Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - №12. - С.
65-66.
12. Кантор, П.Л. Прогнозирование скорости сероводородной коррозии водоотводящих железобетонных коллекторов с учетом плотности бетона / П.Л. Кантор, С.Л. Кантор, В.М. Латыпов // Промышленное и гражданское строительство. - 2012. - №1. - С. 44-47.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям