Header Image

Москва и Санкт-Петербург, два крупнейших города России, имеют 3,2 и 1,7 млн. м2 GLA (пригодных к аренде площадей) соответственно.

Подробнее ...
7.1. Проблемы борьбы с сульфатной агрессивностью к бетону Печать E-mail
14.12.2014 22:12

В практике строительства и эксплуатации зданий и сооружений часто приходится сталкиваться с воздействием на подземные конструкции агрессивных сред. По степени воздействия на строительные конструкции среды разделяются на неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные. Следствием такого воздействия может быть коррозия бетона. В России ежегодный ущерб от коррозии превышает 25 млрд. руб (Воронин, 2003). В развитых странах он достигает 4% валового национального продукта.

Под коррозией бетона понимается ухудшение характеристик и свойств бетона в результате следующих процессов (СНиП 2.03.11-85, 1986; СНиП 3.04.03-85, 2004):
 вымывания или выщелачивания из него растворимых составных частей;
 образования продуктов коррозии, не обладающих вяжущими свойствами;
 накопления малорастворимых кристаллизующихся солей, увеличивающих объем его твердой фазы.
Различают виды агрессивности, вызывающие коррозию бетона и показатели, определяющие их (СНиП 2.03.11-85, 1986):
 общекислотная - значение рН;
 магнезиальная - концентрация ионов Mg2+;
 углекислотная агрессивность - концетрация СО32-;
 щелочная - концентрация едких щелочей в расчете на Na+ + K+;
 сульфатная - содержание сульфатов в пересчете на ионы SO42-.
Рекомендуемые нормативными документами (СНиП 2.03.11-85, СНиП 3.04.03-85) методы защиты подземных конструкций от коррозии сводятся к повышению химической устойчивости применяемых материалов или их антикоррозионному покрытию. В некоторых случаях производится замена агрессивного грунта или снижение уровня подземных вод. Указанные способы требуют значительных затрат, и большая их часть неприменима в тех случаях, когда агрессивные среды сформировались в ходе эксплуатации сооружений.
В практике широко встречается сульфатная коррозия бетона – результат взаимодействия цементного камня с ионами SO42- (табл. 7.1). При таком воздействии происходит замена катиона в сульфате на ион кальция из цементного камня.
Ca(OH)2 + SO42- = CaSO4↓ + 2OH-
Сульфаты являются причиной развития процессов накопления и кристаллизации малорастворимых продуктов реакции, способных увеличить объем твердой фазы. Кристаллизация солей и другие вторичные процессы, развивающиеся в бетоне, создают внутренние напряжения, которые могут привести к повреждению структуры бетона.
Наибольшее значение для стойкости цементного камня при воздействии на него сульфатов (Фоменко, 2006) имеют гидросульфоалюминат кальция 3CaO • Al2O3 • 3CaSO4 - 32H2O (эттрингит) и гидросульфокарбоксиликат кальция 3CaO • SiO2 • SO3 - CO2 • 14,5H2O (таумасит).
Из-за образования этих продуктов будет происходить расширение, вызывающее трещины в бетоне и приводящее к значительному разрушению бетонных масс, которые становятся нестабильными.
Агрессивные среды наряду с естественными могут иметь техногенное происхождение, связанное с попаданием в область контакта с сооружением различных ингредиентов в ходе производственной деятельности (проливы, утечки, искусственные грунты) (Максимович, Горбунова, 1990; Матвеева, Генералова, 1992). Техногенные агрессивные среды формируются при изменении гидродинамических (Rethati, 1981) и геохимических параметров природных сред (Тютюнова и др., 1988), например, при подтоплении засоленных грунтов (Проблемы строительства на засоленных грунтах, 1991), окислении пирита и т.д. (Hawkins, Pinches, 1987).

Таблица 7.1 Степени сульфатного агрессивного воздействия жидких неорганических сред на конструкции из бетона и железобетона (СНиП 2.03.11-85)

Цемент

Показатель агрессивности жидкой среды1 с содержанием сульфатов в пересчете на ионы SO42-, мг/л, для сооружений, расположенных в грунтах с К(f) св. 0,1 м/сут, в открытом водоеме и для напорных сооружений при содержании ионов HCO3-, мг-экв/л

Степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на бетон марки W4* по водонепрони- цаемости

св. 0,0 до 3,0

св. 3,0 до 6,0

св. 6,0

Портландцемент

по ГОСТу 10178-76

Св. 250 до 500

Св. 500 до 1000

Св. 1000

Св. 500 до 1000

Св. 1000 до 1200

Св. 1200

Св.1000 до 1200

Св.1200 до 1500

Св. 1500

Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Портландцемент

по ГОСТу 10178-76 с содержанием в клинкере С(3)S не более 65%, С(3)А не более 7%,

С(3)A + С(4)АF не более 22% и шлакопортландцемент

Св.1500 до 3000

Св.3000 до 4000

Св. 4000

Св. 3000 до 4000

Св. 4000 до 5000

Св. 5000

Св.4000 до 5000

Св.5000 до 6000

Св. 6000

Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

Сульфатостойкие цементы по ГОСТу 22266-76

Св.3000 до 6000

Св.6000 до 8000

Св. 8000

Св.6000 до 8000

Св.8000 до 12000

Св. 12 000

Св.8000 до 12000

Св.12000 до 15000

Св. 15 000

Слабоагрессивная Среднеагрессивная Сильноагрессивная

1 При оценке степени агрессивности среды в условиях эксплуатации сооружений, расположенных в слабофильтрующих грунтах с К(f)

менее 0,1 м/сут, значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1,3.

* При оценке степени агрессивности среды для бетона марки по водонепроницаемости W6 значения показателей данной таблицы должны быть умножены на 1,3, для бетона марки W8 по водонепроницаемости - на 1,7.

Особенности формирования сульфатной агрессивности были изучены при строительстве крупного объекта в западной части Курганской области (Максимович и др., 2001). Основанием сооружений являются сине-зеленые глины чеганской свиты палеогена, которые характеризуются сульфатной агрессивностью к бетону. Формирование агрессивности в значительной степени обусловлено особенностями минерального состава чеганских глин - наличием в грунтах пирита (до 0,8%). Как показывает практика, строительство и эксплуатация сооружений на таких грунтах сопровождается увеличением сульфатной и общекислотной агрессивности вод и грунтов.
Чеганские глины сформированы за счет диагенетических преобразований осадков древнего морского бассейна (Умова и др., 1968). Отложения чеганской свиты представляют собой осадки неглубокого морского бассейна с пониженной соленостью, умеренной температурой, слабощелочной средой. Застойный гидродинамический режим древнего морского бассейна способствовал повсеместной пиритизации осадков. Мощность чеганских отложений по данным исследований на рассматриваемой территории колеблется в пределах 27-39 м. Глубина залегания кровли на территории строительства имеет сильную изменчивость - 1,5-6,8 м, что ниже глубины подземных конструкций (рис. 7.1).
По данным рентгеноструктурного анализа валовых проб чеганских глин в их минеральном составе присутствуют кварц, полевые шпаты (альбит и микроклин). Глинистые минералы представлены монтмориллонитом (до 40%), иллитом (до 24%), каолинитом (до 18%). Почти во всех пробах присутствует хлорит (1-18%). В составе глин отмечены сидерит (до 17%), гипс (до 15,3%), ярозит (до 6%), пирит (до 0,8%) и др. (рис. 7.2).


Рис. 7.1. Изолинии глубины залегания кровли чеганских глин.


Рис. 7.2. Пирит в глинах чеганской свиты: А – керн: 1 – стяжение пирита, 2 – прослои алеврита, обогащенного пиритом; Б – стяжения пирита.

Водная вытяжка глин чеганской свиты характеризуется выраженным сульфатным составом  содержание сульфатов составляет 0,7-4,8 г/кг грунта. Среди катионов преобладают натрий и калий (содержание до 1,1 г/кг грунта), реже кальций (до 0,8 г/кг грунта). Общее содержание водорастворимых солей в водной вытяжке чеганских глин значительно и составляет 1,3-6,6 г/кг грунта.
Определенную роль в формировании сульфатной агрессивности могут играть микробиологические процессы (Bock, 1984.). Тионовые бактерии являются важным фактором серно- кислотного процесса. Основная роль в окислении широкого круга соединений серы до сульфатов принадлежит представителям рода Thiobacillus. Обладая мощным ферментативным аппаратом, тионовые бактерии по своей окислительной активности могут конкурировать с процессами химического окисления сульфидов металлов, элементарной серы, сульфата двухвалентного железа, являясь активными коррозионными агентами, поскольку вызывают разрушение каменных и бетонных конструкций.
Механизм воздействия микроорганизмов на бетон заключается в следующем. При затвердевании бетон покрывается защитной пленкой, образованной углекислым кальцием. Пока пленка цела, она препятствует диффузии воды внутрь бетонной кладки и тем самым защищает бетонный блок от разрушения. Тионовые бактерии, поселяющиеся на поверхности кальциевого слоя, разрушают его, изменяя рН прилегающей воды (Исаченко, 1951). Тионовые бактерии были обнаружены при изучении причин разрушения Эрмитажа, Исаакиевского собора, дворцов Петергофа и многих других зданий и сооружений Петербурга (Старцев, 2005).
Для изучения причин формирования агрессивности чеганских глин был поставлен эксперимент по изучению развития окислительных процессов в условиях водно-кислородной среды (Максимович и др. 2001). Учитывая значительную роль в окислительном процессе пирита биологического фактора, из реальных условий толщи чеганских глин была получена культура тионовых бактерий. Для этого на элективную питательную среду для тионовых бактерий и вида Thiobacillus ferrooxidans были внесены сине-зеленые глины чеганской свиты из проб, характеризующихся кислой средой водной вытяжки. О развитии бактерий в питательной среде судили по образованию пленки или помутнению раствора, падению водородного показателя и присутствию в нем сульфатов.
Согласно проведенным экспериментальным исследованиям, сине-зеленые глины в условиях водно-воздушной среды и действия бактерий повышают кислотность контактирующих с ними водных сред, являются источником поступления в раствор сульфат-ионов. Так, в водном растворе отдельных проб в течение 30 сут. снижение величины водородного показателя составило 1 (соответствует десятикратному увеличению содержания ионов водорода в растворе); отмечено более чем двукратное увеличение содержания сульфат-ионов.


Рис. 7.3. Изменение величины рН водно-глинистого раствора за счеи деятельности микроорганизмов

Строительные работы, сопровождаемые вскрытием толщи котлованами, выемкой и складированием грунтов в поверхностных условиях, осушением толщи дренажом, будут способствовать усилению окислительных процессов за счет облегченного доступа кислорода к породам. Развитие процессов окисления пирита повлечет за собой снижение водородного показателя среды, поступление в грунтовые воды сульфатов, что приведет к повышению сульфатной и общекислотной агрессивности грунтов и грунтовых вод.
Основным способом защиты бетонов от сульфатной коррозии, в настоящее время, является уменьшение содержания алюминатной фазы в цементах, входящих в структуру эттрингита, что ограничивает его рост и обеспечивает достаточную долговечность бетона (Федосов, Базанов, 2003). Это приводит к существенному увеличению стоимости бетона.
В связи с этим возникает необходимость разработки новых подходов к проблеме защиты подземных конструкций от агрессивных сред с учетом экономической и технологической целесообразности. Одним из методов, позволяющих решить эту проблему, является создание геохимических барьеров на пути миграции агрессивных компонентов к подземным конструкциям (Максимович, 2001). В этом случае агрессивные компоненты будут взаимодействовать со специально вводимыми в грунтовый массив реагентами, а не с подземными конструкциями.
Опыт снижения агрессивности среды сравнительно невелик. Изучалась возможность использования золы, получаемой при сжигании угля в качестве добавок к грунтам для нейтрализации кислотности и осаждения вредных компонентов. Положительные результаты получены при внесении щелочных добавок - извести, известняка, троны (Sandereggen, Donovan, 1984). Известен способ снижения агрессивности грунтов к бетонным конструкциям путем насыщения среды карбонатными или бикарбонатными ионами с использованием углекислого газа и солей натрия (Авторское свидетельство СССР N 606932, кл.Е 02Д 31/06, 1978). Однако в случае высокого содержания сульфатов среда остается агрессивной по сульфат-иону. При наличии в грунтах сульфидов некоторые исследователи предлагают различные добавки для подавления их микробиологического окисления в тех случаях, когда оно является причиной появления сульфатной агрессивности (Evangelou, Grove, Rawlings, 1985; Kuinmann, 1982).

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.