д.т.н. Чурадзе Т.К. , к.т.н. Грдзелишвили М.В.,

докторант- Зурабиани Г.А. , докторант – Джамагидзе Р.Г.

Грузинский Технический Университет, Грузия

Анализ факторов влияющих на интенсивность коррозионного разрушения бетонных обделок перегонных тоннелей метрополитена в агресивной сульфатной среде

Тоннели –капитальные сооружения,расчитанные на длительный срок эксплуатации (более100-150 лет). В течение этого срока они должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надежности, обеспечивая безопасность, сохраненность и ремонтопригодность сооружения в целом и его составных частей, т.е. способность выполнять определенные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах при заданных режимах работы и условиях использования сооружения, его технического обслуживания и ремонта.

Основная несущая конструкция транспортных тоннелей – обделка – испытывает влияние окружающей среды с двух сторон: с внешней, обращенной к грунту, и внутренней, со стороны эксплуатируемой части тоннеля. Влияния всех сил и воздействии, воспринимаемых обделкой, разделяют на две группы:

Первая группа – нагрузки и силы, в результате действия которых может возникнуть механическое, прочностное разрушение обделки.

Вторая группа – воздействия, от которых может возникнуть коррозийное разрушение обделки под влиянием химических, биологических, электромеханических и других агентов окружающей среды и эксплуатационных условий.

При проектировании тоннельных обделок главное внимание уделяется первой группе воздействии. Действие второй группы иногда недооценивается и учитывается лишь в тех случаях, когда гидрогеологический прогноз или условия эксплуатации обязывают принимать меры защиты против разрушения обделки от коррозии со стороны породы или изнутри тоннеля, являющейся разновидностью техногенного воздействия на сооружение. Последнее ныне становится все более заметным и представляет значительную опасность.

В отечественной и зарубежной практике строительства и эксплуатации тоннелей имеется много примеров нарушений конструкций в следствие активного воздействия окружающей среды:

- Химическая агрессия от грунтов и подземных вод (Тбилисский,Бакинский,Минский и Днепропетровские метрополитены), а также химическая атмосферная агрессия (Тбилиссий и Санкт-Петербургский метрополитены);

- Атмосферная агрессия (Люблинская линия Московского метрополитена, Санкт-Петербургский, Тбилисский и Бакинский метрополитены);

- Биологическая агрессия (Люблинская линия Московского метрополитена, Ташкентский и Минский метрополитены)

- Газовая агрессия от химического воздействия промстоков нефтепродуктов (Люблинская линия Московского метрополитена, Ташкентский метрополитен);

- Агрессия тяжелых металлов (Ташкентский и Днепропетровский метрополитены).

В крупных городах – мегаполисах, где идет освоение территорий, находящихся ранее за городской чертой, в зоне бывших свалок и захороненных отходов, повышается степень опасности воздействия на обделки тоннеля второй группы сил и воздействий.

Со значительным увеличением объемов и темпов тоннельного строительства в различных гидрогеологических условиях потенциальная вероятность агрессивного воздействия внешней среды на тоннельные сооружения и значимость внутренней коррозии резко повышается,что делает проблему важной и актуальной.

Следует отметить,что отличительной чертой внутренней коррозии бетона является процесс взаимодействия, протекающий внутри бетона, в контактных слоях поверхности зерен заполнителя и цементного геля и его практически нельзя приостановить.

Целью исследования поставленной задачи является установление влияние подземных агрессивных вод на бетонные тоннелные конструкции.

Для решения поставленных задач использовались физико-механические (электромикроскопический и рентгеноструктурные ) системные методы исследования проведенные в Грузинском Техническом Университете и на объектах Тбилисского метрополитена общей совокупностью показателей физико-химических анализов, коррозионное воздействие воды на бетон конструкций Тбилисского метрополитена. Причем, это коррозионное воздействие проявляется в виде сульфатной и выщелачивающей коррозии, согласно проф. В.М.Москвине.

При действии агрессивной среды в цементном камне, растворе и бетоне возникают сложные процессы [1;2]. Из большинства разнообразных процессов, согласно классификации, предложенной Москвиной В.М. [3], можно выделить три основные вида коррозии.

1.Коррозия первого вида, при которой происходит вынос выщелачивание из бетона относительно легко растворимых составляющих, в основном, извести и щелочей.

2.Коррозия второго вида, когда протекают обменные реакции:сюда относят действие кислот, щелочей и некоторых солей.

3. К третьему виду коррозии следует отнести процессы при действии сульфатов. При этом в порах, капиллярах и других пустотах происходит накопление кристаллов солей, вследствие чего появляются деформационные напряжения с образованием характерных трещин.

В последующих исследованиях зарубежных и, особенно советских ученых [4] были установлены явления разрушения бетона в результате взаимодействия щелочей цемента с аморфным кремнеземом заполнителей.Этот вид коррозии приводит к образованию щелочных силикатов с увеличением объема новообразований в затвердевшем бетоне,что приводит к растрескиванию бетона. Выщелачивание происходит только при условии непрерывного обмена воды, например, при систематической односторонней фильтрации воды через бетонную обделку.

Выделяющаяся при гидролизе известь может удаляться с водой,вызывая ослабление структуры бетона: происходит выщелачивание, так называемая «бельая смерть бетона» [5;6]. Но даже в этих случаях фильтрующаяся вода должна быть мягкой. К тому же удаление извести из бетона даже при фильтрации происходит только из определенных участков, характеризующичся неплотной укладкой бетона. Разрушение бетона кислотами или влажными кислотными газами является наиболее распространенным явлением в промышленном строительстве. В большинстве случаев эти разрушения вызываются действием систематически промывающих растворов кислот,которые взаимодействуют с известью цемента. Действие всех кислот или кислотообразующих газов на цементные материалы значительно превосходит действие наиболее агрессивных солей или щелочей. Особенность действия отделных кислот на обычный бетон состоит в том, что они образуют кальцевые соли, различные по растворимости и свойствами.

Щелочные растворы при длительном действии практически является агрессивными. Наиболее агрессивно действуют (при одинаковой концентрации) растворы едкого натрия,затем едкого калия. При действии щелочных растворов, в особенности периодическом ,наблюдается временное упрочнение образцов, после чего наступает сравнительно быстрое их разрушение. Получается,что прогрессирующее снижение прочности этих материалов, при действии на них растворов щелочей, вызывается в первую очередь нарушением сцепления цементного камня с заполнителем.

В третьем виде коррозии особое положение занимают сульфатные анионы (SO₄^-2). При известной концентрации они могут образовывать с ионами кальция двуводный гипс, а в месте с высокоосновными алюминатами и гидросульфоалюминат:

Ca⁺² + SO₄^-2 + 2H₂O→ CaSO₄ ∙ 2H₂O

3CaSO₄ +3CaO ∙ Al₂O₃ + 31H₂O → CaO ∙ Al₂O₃ ∙ 3CaSO₄ ∙ 31H₂O

Особенностью этих реакций является то,что образующиеся гипс и гидросульфоалюминат кристаллизуются при значительном увеличении объема.Однако, среди исследователей этих явлений имеются разногласия по вопросу о механизме расширения. В одном случае принимают,что образование гидросульфоалюмината кальция происходит а порах уже сложившейся структуры цементного камня и создаются большие внутренние напряжения, приводящие бетон в конструкциях к характерному растрескиванию или отслаиванию поверхностных слоев. Гидросульфоалюминат кристаллизируется в виде характерных игл, что послужило поводом назвать его «цементной бациллой». В другом случае считают, что гидросульфоалюминат кальция образуется в результате реакций, происходящих в жидкой фазе между растворенными в ней компонентами. В результате в цементном камне не возникают внутренние напряжения и он расширяется в меньшей степени.Таких взглядов придерживаются Байков А.А. [7]. Михайлов В.В. [8] и другие исследователи. Следует отметить,что попытки установить эмпирические зависимости между интенсивностью коррозионного разрушения бетона реальных конструкций и большим числом случайных влияющих факторов методами многомерного корреляционного анализа успеха не дали. Что касается существующих в настоящее время неразрущающих методов они также не позволяют оценить степень их коррозионного разрущения. Поэтому для этой цели Нами были испытаны керни выбуренные из тела сооружения с помощью бурового станка диаметром коронки 127 мм. Механические испытания кернов производилось по стандартной методике. В результате математической обработки взаймосвязи между прочностью бетона и содержанием сульфатинов построен график (рис.1).

Рис.1 График зависимости прочности бетона выбуренных кернов на сжатие и линии регресии

Влияние коррозии и карбонизации можно учесть также изменением толщины конструкции обделки. При постоянном действии коррозии заданной интенсивности толщина обделки изменяется по экспоненциальному закону [9] :

l_nh=l_nh₀ – kTe^-k₁ (1)

где h – тольщина конструкции в момент времени T, см

h₀ – начальная конструкция,см

T- время старения, сутки,месяци,годы;

k- коэффициент, учитывающий концентрацию реагирующих веществ и их природу;

k_{1 –} коэффициент учитывающий влияние среды.

Коэффициенты k и k₁ постоянны,поскольку концентрация и природа реагирующих вещевств, а также среда,в которой работает обделка на конкретном участке неизменены. Тогда α=k∙l ^–k₁= const (2)

Целесобразно в практических расчетах ограничиться определением коэффициента α не вычисляя конкретные значения k и k_1, тогда формула (1) примет вид :

l_nh=l_nh₀ – αT (3)

Снижение прочности бетона в конструкции при наличии агрессивных воздействий определяется из уравнения:

R_T=R_Ol^BT (4)

Где, R_T - прочность бетона в момент времени T, кг/см²

R_O – начальная прочность бетона, кг/см²

В – коэффициент,зависящий от кинетики химической реакции составляющих бетона с агрессивной средой.

Для определения коэффициентов α и В необходимо знать величины скородировавщегося слоя в разные годы и величины прочности бетона в эти же годы. Для установления постоянного мониторинга предлагается разработать прибор для измерения интенсивности коррозии бетона натурными измерениями. Для этого следует установить постоянный мониторинг над состоянием обделки. С этой целью нами разрабатывается прибор для измерения интенсивности коррозии бетона натурными измерениями.

Выводы: Научная новизна проведенных исследований заключается в установлении опасности для бетона протекающей через обделку воды в зависимости от ее дебита, скорости движения, химического состава и температуры. Изучение характеристики водообильности тоннеля и исследование химизма воды показали, что подземные минерализованные воды Тбилисского метрополитена являются агрессивными в отношении бетонной обделки. Количество сульфатионов колеблется от 200 до 3000 мг/лит.,одновременно содержание иона хлора не превышает в большинстве случаев 160 мг/лит. Кроме того, есть основание считать, что сезонные колебания содержания сульфатиона в существенных пределах делают воду более агрессивной. Теоретическое значение исследования состоит в исследовании основных физико-механических свойств выбуренных кернов из бетона в агрессивной среде. Установлено, что в бетоне, подвергающемся коррозионному воздействию, происходит снижение прочности с различной интенсивностью в зависимости от степени агрессивности среды.Обработка экспериментальных данных методами математической статистики показала, что при содержании ионов SO₄^-2 в воде до 1000 мг/лит. корреляционная связь между прочностью бетона и содержанием сульфатионов слабая, что говорит о неизмененной прочности бетона при данном содержани SO₄^-2 в воде. При содержании сульфатиона от 1000 до 2500 мг/лит. корреляция довольно высокая и отрицательная (r > -0,7). В дальнейших исследованиях предпологается разработать прибор для измерения интенсивности коррозии бетона натурными измерениями

Литература :

1. Кинд В.В. Коррозия цементов и бетона в гидротехнических сооружениях. Госэнергоиздат.,Москва.,1955.

2. Солнцева В.А. Исследование химической стойкости расширающегося цемента в некоторых агрессивных средах. Сборник трудов,вып.13, ЦНИИС,Москва,1965

3. Москвин В.М. Коррозия бетона. Госстройиздат.,Москва, 1952

4. Москвин В.М.,Рояк Г.С. Коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителя. Госстроийздат.,Москва, 1962

5. Фурман М.И.,Стольников В.В.,Литвинова Р.Е. Выщелачивание извести из бетона в условиях омывания его водой. Известия ВНИИГ, 1952

6. Москвин В.М. Коррозия бетона. Госстройиздат.,Москва, 1952

7. Байков А.А. О влиянии на бетон органических и неорганических соединений, находящихся в воде. Собрание трудов,т.5, АН ССР,1948

8. Михайлов В.В. Напрягающий цемент.Труды совещания по химии цемента, Промстройиздат., 1956.

9. Методические рекомендации по оценке надежности и долговечности перегонных тоннелей метрополитенов,сооружаемых закрытым способом. Москва, ВНИИТС,1977