Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 2, стр. 214-217

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение надежной защиты внутренних поверхностей емкостных железобетонных сооружений от агрессивного воздействия технологических сред при ремонте и реконструкции объектов военной инфраструктуры является актуальной задачей. На сетях водоснабжения эксплуатируются наземные обсыпные и заглубленные резервуары для хранения питьевой воды, отстойники, фильтры, осветлители. К эксплуатируемым сооружениям водоотведения относятся резервуары для очистки сточных вод, биофильтры, метантенки, аэротенки, песколовки, нефтеловушки, нефтеотделители, отстойники, смесители, фильтры-осветлители. Емкостные сооружения водоснабжения и водоотведения выполнены из железобетонных конструкций в сборном, сборно-монолитном или монолитном исполнении.

Бетон в таких конструкциях имеет пористую структуру и шероховатую поверхность, он обладает высоким водопоглощением, проницаемостью для газов, подвержен воздействию растворенных в воде химически активных веществ и абразивному гидроизносу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Железобетонные конструкции емкостных сооружений водоснабжения при их эксплуатации подвергаются воздействию растворенных в воде сульфатов и хлоридов, а в периоды очистки при обслуживании воздействию хлора (Cl₂), озона (O₃), гипохлорита натрия (NaClO). В надводной зоне на конструкции емкости воздействует углекислый газ из воздуха. При этом на бетон воздействуют следующие процессы: коррозия первого вида с выщелачиванием водой гидроксида кальция (Ca(OH)₂) в цементном камне, что приводит к разрыхлению бетона в поверхностных слоях; взаимодействие растворенной в воде углекислоты с гидроксидом кальция в цементном камне с вымыванием растворимого бикарбоната кальция; воздействие хлора на гидроксиды, гидросиликаты и гидроалюминаты кальция цементного камня с образованием растворимого в воде хлорида кальция (CaCl₂). Это приводит к разрушению поверхностного слоя бетона и коррозии стальной арматуры, карбонизации бетона углекислым газом воздуха в надводной зоне, что вызывает переход гидроксида кальция (Ca(OH)₂) в карбонат кальция (CO₃), нейтрализацию бетона со снижением величины pH, что вызывает коррозию арматуры.

В процессе эксплуатации бетон емкостных сооружений водоотведения подвергается механическим воздействиям, изменению температурно-влажностных условий эксплуатации и химическим воздействиям агрессивной среды производственных, хозяйственно-бытовых и ливневых сточных вод. В сточных водах содержатся минеральные, органические и биологические компоненты. Среди растворенных минеральных веществ наиболее агрессивными являются углекислота, хлориды, сульфаты, соединения аммония и магния. Углекислота, взаимодействуя с гидроксидом кальция (Ca(OH)₂) в бетоне, образует растворимую в воде известь. При этом из цементного камня удаляется кальций (Ca), что приводит к разрыхлению и уменьшению прочности бетона и коррозии арматуры [1]. Соединения аммония (NH₄) и магния (Mg) при взаимодействии со щелочной средой бетона приводят к выделению аммиака, который ускоряет растворение извести и разрушение бетона.

Воздействие на щелочные составляющие цементного камня хлоридов и сульфатов приводит к нейтрализации щелочной среды, образованию легко растворимых солей. Вымывание таких солей разрыхляет структуру бетона и также приводит к коррозии арматуры. Кроме того, их воздействие может привести к образованию расширяющихся гидратированных соединений гидросульфоалюминатов, которые в процессе своего роста вызывают внутренние напряжения в бетоне и возможное образование трещин. Щелочные соединения приводят к растворению алюмосодержащих компонентов бетона и таким образом нарушают его структуру.

Воздействие содержащихся в производственных сточных водах органических кислот также приводит к нейтрализации щелочной среды и образованию легко растворимых солей. Биологические компоненты сточных вод в виде бактерий, грибов и водорослей, находящихся на поверхности бетона, в процессе жизнедеятельности выделяют серную кислоту, сероводород и органические кислоты, что приводит к повреждению и разрушению железобетонных ограждающих конструкций.

Незаполненная сточными водами часть емкостных сооружений водоснабжения и водоотведения подвергается воздействию агрессивных газов и температурно-влажностному воздействию окружающей среды. Газовая среда может содержать сероводород, оксиды углерода, азота, серы и другие газы. При периодическом замораживании и оттаивании водонасыщенного бетона возникают замерзание льда в макропорах, его расширение, создание внутреннего напряжения в структуре бетона, что приводит к ускоренному разрушению бетона. Его невысокая деформативность может приводить к образованию микротрещин из-за температурных колебаний. Температурные деформации отдельных железобетонных элементов, деформации всего сооружения, вызванные неравномерной осадкой грунта, приводят к дальнейшему раскрытию трещин в днище, стенах и покрытии и сквозной фильтрации воды в ограждающих конструкциях.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Опыт применения наиболее распространенных способов первичной и вторичной защиты железобетонных конструкций показывает их недостаточную надежность. Первичная защита путем обеспечения высокой химической стойкости, водонепроницаемости, износостойкости цементобетона не обеспечивает защиту в течение всего срока эксплуатации и требует периодических ремонтов с нанесением слоев торкрета или составов проникающего действия. Поэтому при капитальном ремонте и реконструкции необходима вторичная защита бетона специальными покрытиями [1].

Применение вторичных окрасочных, оклеечных, мастичных защитных покрытий не гарантирует сроки эксплуатации более 15–20 лет, а наиболее надежная изоляция из металлических листов имеет высокую стоимость, подвержена коррозии и нуждается в дополнительной защите [2]. Анализ приведенных в табл. 1 способов вторичной защиты железобетонных конструкций показал, что наиболее надежным среди них является футеровка внутренних поверхностей емкостных сооружений полимерными листами.

Основными преимуществами полимерных листов являются: срок эксплуатации не менее 50 лет, высокая химическая стойкость, эластичность и экологическая безопасность. Этот материал не является дефицитным, он производится в Российской Федерации по отечественным технологиям [3].

Фиксация полимерных футеровочных листов к бетонным поверхностям может проводиться различными способами. Листы с плоскими поверхностями приклеивают клеем или мастикой, а листы с анкерными выступами закрепляют в свежеуложенном слое мелкозернистого бетона между ремонтируемой железобетонной конструкцией и футеровкой.

Недостатком клеевого крепления является незначительное сцепление с бетоном и большинством клеев. Анкерные листы с выступами в виде анкерных ребер имеют T-образные или цилиндрические утолщения, обеспечивающие заанкеривание в бетоне, жесткость футеровки и плотное прилегание к поверхности. Полимерные листы могут иметь анкерные элементы, выполненные в виде “ласточкиного хвоста” и равномерно распределенные по поверхности [5–8].

Для оценки эксплуатационных свойств футеровочных листов в бетонных конструкциях был проведен комплекс испытаний на прочность анкеровки с бетоном, определение средней плотности, водопоглощения, определение модуля упругости. Испытания проводили на полноразмерных образцах железобетонных конструкций. Класс бетона всех железобетонных конструкций соответствовал В15. Сами конструкции до испытаний хранились в одинаковых условиях бетонного завода “БетонМикс” (г. Санкт-Петербург) и испытывались в проектном возрасте (табл. 2).

Лучшие характеристики показали футеровочные листы с анкерными ребрами рельсовидного профиля производства АО НПП “ГИДРОПОЛИМЕР”, которые производят на предприятии в соответствии с нормативными требованиями методом экструзии из полипропилена или полиэтилена отечественного производства со специальными добавками и красителями, обеспечивающими устойчивость к окружающей среде применения.

Ремонтно-восстановительные работы включают в себя технологические операции по очистке поверхности от слабого бетона, заделке трещин, восстановлению поверхностного слоя бетона и устройству вторичной гидроизоляции. Ремонтируемые бетонные поверхности вначале очищают от слабосвязанных и осыпающихся частиц аппаратом гидродинамической очистки, а в случае недостаточной шероховатости насекают с последующей промывкой напорной струей воды. Заделку трещин выполняют после их расшивки до основания трещины, продувки сжатым воздухом и огрунтовки. Арматуру очищают от ржавчины металлическими щетками. Заполнение трещин выполняют заделкой с поверхности или инъектированием. Заполнение трещин выполняют полимерцементными растворами.

Разработана инновационная технология футеровки поверхностей полимерными листами с анкерными ребрами в процессе ремонта железобетонных конструкций емкостных сооружений.

Восстановление поверхностного слоя выполняют пропиткой и составами проникающего действия для снижения пористости поверхности, уменьшения водопоглощения бетона и повышения механической прочности. Наносят составы кистью, валиком или распылителем в зависимости от вязкости материала. После нанесения происходит быстрое впитывание состава в бетонное основание с покрытием стенок пор, испарение жидкой фазы и высыхание. Составы проникающего действия на определенной глубине взаимодействуют со свободной окисью кальция, кольматируют микропоры в бетоне.

Помимо всех поверхностей конструкций необходимо тщательно герметизировать температурные швы, примыкания стенок ко дну и покрытию, вводы трубопроводов, зоны технологических люков и смотровых площадок.

При устройстве защитных покрытий железобетонных конструкций футеровочные листы монтируют анкерными ребрами к поверхности конструкции, закрепляют их анкерами к основанию. После фиксации листов проводят экструзионную сварку вертикальных швов. Места установки анкеров закрывают полимерными накладками и обваривают. Выявленные мелкие дефекты полимерного покрытия и порезы устраняют сварочным экструдером. Для устранения вырывов шириной более 15 мм применяют накладки из полиэтиленового листа.

Пространство между полимерным листом и внутренней поверхностью железобетонной конструкции заполняют мелкозернистой бетонной смесью. Заполнение проводится поярусно, не доходя 5–10 мм до верхней кромки листа [4].

При футеровке как сборных, так и монолитных железобетонных конструкций обеспечивается надежная защита конструкций в течение всего срока эксплуатации от любых агрессивных сред сточных вод, в том числе кислот, щелочей, нефтепродуктов. Полимерное покрытие обеспечивает полную водонепроницаемость, низкое водопоглощение, высокую морозостойкость, экологичность и хорошие диэлектрические свойства. Футеровка обладает эластичностью, высоким сопротивлением растрескиванию и тепловому старению, она экологична и инертна к агрессивным средам. Температурный интервал, при котором обеспечивается надежная эксплуатация гидроизоляции на основе полимерных футеровочных листов, от –20 до +40°С. Срок эксплуатации футерованных конструкций емкостных сооружений составляет не менее 50 лет. К преимуществам этой технологии относятся небольшой вес футеровочного покрытия, его прочное сцепление с бетоном, возможность получения герметичного, прочного и цельного покрытия в сжатые сроки.

ВЫВОДЫ

Применение полимерных футеровочных листов с анкерными ребрами является одной из наиболее перспективных технологий ремонта и реконструкции бетонных и железобетонных конструкций емкостных сооружений водоснабжения и водоотведения объектов военной инфраструктуры. Необходимы дальнейшие исследования для определения параметров технологических процессов закрепления анкерных листов и их сварки.