Исследование факторов агрессивного воздействия и коррозии конструкций подземных сооружений

УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ АГРЕССИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И КОРРОЗИИ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Одной из наиболее значимых причин снижения надежности конструкций подземных сооружений, особенно канализационных коллекторов, является разнообразное воздействие на них агрессивной среды.

Источником агрессивного воздействия на конструкции тоннелей могут служить: грунтовый массив; грунтовые воды; тоннельная среда. Разрушая конструкции тоннелей, агрессивная среда способствует поступлению различных вредных веществ в окружающую среду.

Существуют следующие виды агрессивного воздействия на несущие конструкции канализационных коллекторов: химическая агрессия (за счет минерализации подземных вод, состава пород, загрязнения грунтовых вод химическими веществами); агрессия тяжелых металлов; вынос в тоннели нефтепродуктов и промышленных стоков; агрессивное воздействие блуждающих токов.

Опасность агрессии тяжелых металлов оценивается при проектировании следующими факторами:

• высокой радиоактивностью грунтов (предельная радиоактивность составляет 288 мкР/ч);

• высокой концентрацией в почвенных водах тяжелых металлов, особенно таких, как 6-валентный

хром, марганец, медь, цианиды, ртуть, цинк. Тяжелые металлы могут поступать в окружающую среду в результате утечек из коллекторных тоннелей, а также при халатном отношении к утилизации осадка очистных сооружений.

Опасность выноса в подземные сооружения нефтепродуктов и промышленных стоков оценивается следующими факторами:

1. При проектировании - расположением в районе трассы подземного сооружения нефтепроводов, складов горюче-смазочных материалов, нефтеперерабатывающих предприятий, территорий промышленных предприятий.

2. При строительстве и эксплуатации - повышением сверхдопустимых норм концентрации паров нефтепродуктов в тоннельных выработках, фильтрацией грунтовых вод с примесью нефтепродуктов и промышленных стоков в тоннели, ухудшением экологической обстановки в тоннелях и в районах заложения тоннеля.

3. При эксплуатации - коррозионными повреждениями чугунных и железобетонных обделок.

При этом можно выделить три вида условий эксплуатации обделок:

• эксплуатация при контакте внутренней поверхности обделки с агрессивной средой по отношению к

традиционным материалам - бетонам, стали, чугуну. К этому виду относятся линии самотечной хозяйственно-фекальной канализации. Эти стоки содержат значительное количество взвешенных частиц различной степени дисперсности, отличаются способностью загнивания, содержат органические и неорганические вещества. Бытовые сточные воды очень сильно загрязнены бактериями и представляют опасность в санитарном отношении. В табл. 1 приводятся химические анализы бытовых сточных вод по данным МГУП «Мосочиствод»;

• эксплуатация обделки в режиме, исключающем прямой контакт с ней транспортируемых жидких сред. Такие условия обеспечиваются при использовании тоннеля с первичной сборной железобетонной обделкой в качестве футляра для прокладки рабочих трубопроводов напорных сетей водоснабжения, теплоснабжения, нефтегазопродуктопроводов, различных кабелей;

• эксплуатация обделки при наличии прямого контакта с ней жидких неагрессивных сред - транспортирование дождевых канализационных стоков, воды оборотных систем водоснабжения предприятий энергетики.

Производственные сточные воды отличаются разнообразием по качеству и по составу в зависимости от технологического процесса производства. Сточные воды большинства отраслей промышленности наиболее агрессивны по сравнению с атмосферными и бытовыми сточными водами и способны оказывать коррозирующее действие на материалы канализационных сооружений.

В табл. 2 приводятся химический состав сточных вод некоторых предприятий г. Москвы по данным МГУП «Мосочиствод».

Таким образом, самыми ощутимыми и опасными воздействиями на обделки канализационных коллекторов являются:

• химическое воздействие - в результате миграции химических веществ из материалов гидроизоляции;

• биологическое - в форме развития биокоррозии;

• электрохимическое - в форме развития электрохимической коррозии и появления блуждающих токов;

• газовое - в форме развития газовой коррозии.

Железобетон, являющийся основным материалом обделки подземных сооружений города, - комплексный материал, в конструкциях из которого стальная арматура воспринимает обычно растягивающие напряжения, а бетон - сжимающие. В агрессивных условиях конструкция может быть долговечной, если бетон достаточно стойкий и длительно сохраняет способность защищать арматуру. Появление и развитие коррозии арматуры свидетельствует о потере бетоном защитной способности под влиянием внешних факторов, к которым относятся физические, физико-химические и химические процессы [1], [2].

Физические воздействия представляют собой механические отколы бетона, эрозионный износ, замораживание и оттаивание, приводящие к разрушению бетона и обнажению арматуры, которая затем коррозирует при непосредственном соприкосновении со средой.

Химические и физико-химические воздействия среды проявляются двояко: либо непосредственно разрушают бетон с последующим обнажением и коррозией арматуры, либо, не разрушая бетон, настолько изменяют его жидкую фазу, что коррозия арматуры начинается внутри бетона. Продукты коррозии стали занимают в 2-2,5 раза

больший объем и давят на окружающий бетон, в результате образуются трещины в защитном слое или его послойное разрушение, что облегчает доступ агрессивных агентов к арматуре и ускоряет ее коррозию. В результате нарушается сцепление арматуры с бетоном и резко падает несущая способность конструкции.

Все многообразие коррозионных процессов бетона сводится к следующим основным видам [3]:

I вид - коррозия выщелачивания, при которой происходит растворение и вынос из бетона его компонентов без протекания химической реакции. Особенно интенсивно эти процессы протекают при фильтрации воды через обделку. При потере 20 % гидроксида кальция бетон разрушается.

II вид коррозии, при которой происходят обменные химические реакции между растворяющимися компонентами бетона и агрессивной средой и удаление продуктов реакции во внешнюю среду в результате диффузии или фильтрационным потоком. Такой вид коррозии представляют процессы, возникающие при действии кислот при значениях показателей pH менее 7 и некоторых солей.

III вид коррозии включает процессы, при которых в порах бетона образуется новая кристаллическая фаза, продукт химического взаимодействия между средой и бетоном, с возникновением кристаллизационного давления и последующим разрушением. К этому виду относится коррозия при действии сульфатов.

Это деление весьма условно и в действительности можно наблюдать одновременно все три вида коррозии. Но для каждого вида могут быть установлены общие закономерности. Все эти виды коррозии протекают под действием природных, бытовых и промышленных сточных вод. Эти ос-

новные виды коррозии охватывают все многообразие внешнего воздействия агрессивных сред на бетон.

Воздействие органических веществ, в конечной стадии также сводится к одному или нескольким из вышеприведенных типов коррозии. Белковые вещества в живом организме в процессе обмена веществ дают мочевину СО(ЫН2)2, которая под влиянием гнилостных бактерий в сточной воде подвергается гидролизу с образованием азота аммиачных солей:

СО(Ш2)2 + 2Н2О • (Ш4)2СОз.

В этом виде азот находится в сточных водах. Разлагаясь, (ЫН4)2СО3 дает аммиак и углекислоту:

(Ш4)2СО3 = 2Ш3 + СО2 + Н2О.

Разрушение бетона в подсводовой части тоннеля характерно для хозфе-кальных безнапорных тоннелей, транспортирующих большое количество органических веществ, и происходит в результате воздействия выделяющегося из сточных вод сероводорода на бетонную поверхность, который, растворяясь в пленке влаги на обделке свода тоннеля, реагирует с основными (щелочными) компонентами цементного камня с образованием двуводного гипса и несвязных масс кремнекислоты, гидрооксида алюминия и железа. Процесс коррозии резко ускоряется за счет жизнедеятельности аэробных тионовых бактерий, которые преобразуют сероводород в серную кислоту, разрушающую бетон и арматуру за 10-12 лет эксплуатации.

В табл. 3 в виде схем представлены основные виды биохимических процессов в системах водоотведения.

В 60-70 гг. в городах бывшего Советского Союза велось интенсивное строительство канализационных коллекторов. Для магистральных коллекторов основным конструктивным

Таблица 1

Предприятия pH Взвесь, мг/л Fe, мг/л хпк, мг/л Хлориды, мг/л Эфирорастворимые, мг/л Жиры, мг/л Нефтепродукты, мг/л

Московский мясокомбинат 7,2 1437 2,2 4170 3200 276 744 2,0

Останкинский молочный комбинат 10,5 1174 - 6000 61,6 - 1400 -

Фабрика прачечная №21 9,5 231 - - - - - -

Пивной завод им. Бадаева 6,9 1226 - 1030 38,6 - - -

Завод ЖБИ №16 11,0 160,8 6,8 - 29,3 - - -

Деревообрабатывающий комбинат №3 7,9 41,6 - 2030 - 185 - -

Таблица 3

Условия Процессы Схемы реакций или реакции

Анаэробные в стоке Гниение и брожение органических веществ Белки ^ аминокислоты ^ RCOOH + NH3, H2S, CO2, H2; Жиры ^ C3H6(OH)3 + RCOOH, ROH, CO2; Углеводы ^ сахара ^ RCOOH, ROH, CO2

Метановое брожение жирных кислот RCOOH, ROH ^ CH4, CO2, H2O; CH3COOH = CH4 + CO2 + H2O и т.п.

Аммонификация мочевины аммонифицирующими бактериями CO(NH2)2 + H2O = 2NH3 + CO2 или CO(NH2)2 + H2O = 2NH3 + 2H2CO3

Нитрификация аммонийных соединений нитрифицирующими бактериями (при наличии растворенного в стоке кислорода) и денитрификация азотной и азотистой кислот денитрифицирующими бактериями (NH4)2CO3 + O2 ^ HNO3, HNO2 ^ N2, CO2, H2O; 2(NH4)2CO3 + 3O2 = 2N2 + CO2 + 8H2O

Сульфатредукция сульфатредуцирующими бактериями SO4aI + 8e + 10Ha/i+ = H2Sra3 + 4H2Oä

Аэробные Окисление сероводорода тионовыми бактериями H2Sra3 + 2O2ra3 = H2SO4aä

Химическое образование угольной кислоты СС>2Газ + H2O* = H2CO3*

Таблица 2

Химическая характеристика производственных стоков, поступающих в канализационные тоннели

Предприятия рН Взвесь, мг/л Бв, мг/л ХПК, мл/л Хло- риды, мг/л Си, мг/л Сеобш, мг/л N1, мг/л Zn, мг/л Эфиро- раство- римые, мг/л Жи- ры, мг/л Нефте- продукты, мг/л Фено- лы, мг/л Фто- риды, мг/л СПАВ , мг/л

Дербеневский химический завод 6-10,8 211 68 2646 - 0,6 2,0 28 2,9 48 - - - - -

Химический завод им. Войкова 2,5 182 51 1000 470 12,11 7,4 2,16 3,76 - - - - - -

Кунцевский хромовый завод 9,2 1590 8,6 920 - - 41 - - 34 - - - - -

Завод «Искра» холодильного машиностроения 4,4 10,56 17,4 847 11,4 5,1 - 7,15 4,8 - - - - - 22,4

Московский трубный завод 12,3 1720 470 66 45,7 0,8 2,4 - 6,3 47 - - - 3,2 -

Метизный завод «пролетарский труд» 4,4 204 2225 - - - 1,2 - 8,0 3,4 - - - - -

Московский электромеханический завод 9,4 640 25 130 0,26 - - - 3,8 - - 0,84 - - 59

Завод тонкого органического синтеза 9,3 258 8,4 2240 - - - - - - - 7,4 6,1 - 21,3

Завод ГПЗ №2 10 1040 13,8 280 - - - - 3,5 575 - - - - 69,5

Кунцевский игольноплатиновый завод 6,97,2 509 141 82 - - 17,0 - 14,9 264 - - - - 0,8

материалом, используемым при их строительстве, был железобетон. В начале 80-х службы, занимающиеся эксплуатацией канализационных систем, все чаще стали сталкиваться с разрушением бетона безнапорных канализационных коллекторов в результате газовой коррозии.

Бетон по своей природе является капиллярно пористым материалом с условным радиусом пор от 15 А до десятых долей миллиметра. Агрессивные жидкости не только воздействуют на поверхность бетона, но и проникают в бетон. Глубина проникновения агрессивных жидкостей в бетон и варьируется от 1-2 мм до 20 мм.

Коррозия бетона имеет место только в безнапорных коллекторах, в выступающей из воды части трубопровода или тоннеля. Максимальная интенсивность коррозии наблюдается в зоне, прилегающей к оси свода. Также коррозионное разрушение может интенсивно проявляться по стенам и в зоне переменного уровня воды.

В климатических условиях России в канализационных коллекторах средняя температура сточной воды, как правило, превышает температуру воздуха и температуру бетонной обделки в сводовой части. Поэтому, помимо основного направления воздушного потока - по ходу движения жидкости - имеют место восходящие потоки по оси тоннеля, которые интенсифицируют газовую коррозию в этой зоне. Остывая при соприкосновении с более холодным бетоном обделки, воздух опускается вдоль стен.

Относительно более интенсивная коррозия в зоне переменного уровня сточной воды в коллекторе объясняется тем, что пленка микроорганизмов смывается потоком сточной воды, и бетон там более подвержен воздействию кислоты, стекающей по стенкам в верхней части коллектора.

Газовая коррозия бетона обделки по длине тоннелей не одинакова. Наиболее интенсивному разрушению подвергается бетон обделки на участках тоннелей в местах присоединения к ним длинных напорных трубопроводов, в перепадных камерах и за ними.

В табл. 4 представлены данные о максимальной скорости коррозии бетонной обделки канализационных коллекторов на наиболее неблагоприятных участках в некоторых городах бывшего СССР. В некоторых канализационных тоннелях Санкт-Петербурга средняя скорость коррозии бетона обделки (в своде) составляет

1,5 мм в год.

Обследования состояния железобетонных конструкций показывают, что основным видом их повреждений в агрессивной атмосфере является

Таблица 4

№ п/п Город Скорость коррозии бетона обделки, мм/год

1. Донецк 8

2. Ефремов 7

3. Дмитров 6,6

4. Гродно 7,5

5. Херсон 10

6. Вознесенск 16

7. Кропоткин 12

8. Кременчуг 20

9. Мелитополь 7,1

10. Ирпень 8

11. Измаил 24

12. Измаил 9,2

13. Евпатория 9

14. Симферополь 3,9

15. Керчь 5

16. Никополь 13,3

17. Запорожье 6,9

18. Запорожье 5,5

19. Мариуполь 3,9

20. Ялта 1,2

коррозия арматуры, вызванная, как правило, нейтрализацией бетона кислыми газами. В результате газовой коррозии металлических и железобетонных элементов ежегодно происходят аварийные обрушения подземных сооружений, особенно коллекторов сточных вод.

Примерами могут служить следующие дефекты обделок, вызванные газовой коррозией.

В феврале 2002 г. было проведено обследование Восточного канализационного коллектора на участке длиной 2,3 км, построенного в 1972 г. В результате обследования обнаружено:

• в нижней половине обделки, ниже горизонтального диаметра, отмечено истирание лотка на отдельных участках на глубину до 5 см;

• в своде на всей длине обследованного участка наблюдается газовая коррозия бетона. На одном из участков длиной более 500 м глубина, разрушения бетона составляет 7-10 см, т.е. скорость разрушения бетона там составляет 2,3-3,3 мм в год;

• на одном из участков длиной 15 м внутренняя железобетонная рубашка толщиной 18 см отсутствует. Это говорит о том, что скорость разрушения бетона на нем превышала 6 мм в год.

В Москве среди протяженных канализационных тоннелей можно выделить Восточный канал (длиной 13,1 км), Черкизовский канал (11,6 км), Юго-Западный канал (9,1 км), усиление Юго-Западного канала (18,4 км), Филевский канал (8,4 км), отводящий канал от Филевской КНС (9,1 км) и др. Обделка этих коллекторных тоннелей выполнена из монолитного железобетона. Практически во всех тоннелях через несколько лет эксплуатации была отмечена коррозия бетона обделки. При этом интенсив-

ность коррозии бетона обделки в тоннелях разная. Наибольшим разрушениям подверглась бетонная обделка Филевского и Восточного каналов.

Анализ факторов, влияющих на интенсивность газовой коррозии бетонной обделки данных тоннелей, показал, что сточные воды, проходящие по Филевскому каналу, содержат значительно больше сульфатов и хлоридов, а также металлов, нефтепродуктов и жиров, чем сточные воды, проходящие по Восточному каналу. При этом интенсивность коррозии бетона в обоих тоннелях приблизительно одинакова.

Восточный канал принимает основные стоки, поступающие в главную приемную камеру по длинным напорным трубопроводам: от Черкизовской насосной станции 5 ниток длиной по 13,8 км и от Хапиловской насосной станции 4 нитки длиной по 8,0 км. Филевский канал в камере № 47 принимает сточные воды по 3 напорным трубопроводам длиной по 5 км и 2 напорным трубопроводам длиной по 3 км.

После ремонта в 2001 г. в главной приемной камере Восточного канала были установлены измерители скорости коррозии железобетона (ИСКЖ). Несмотря на наличие защитного покрытия бетона конструкций камеры и соответственно приборов ИСКЖ, была зафиксирована опасно высокая скорость коррозии бетона, которая в среднем составила около 25 мм в год.

Два других протяженных коллекторных тоннеля московской канализации - Правобережный Чертановский канал, длиной 7,2 км и Ёевобе-режный Чертановский канал - принимают также сточные воды, поступающие по протяженным (10,7 км и

13,5 км) напорным трубопроводам. Тем не менее, газовая коррозия бе-

тонной обделки в этих тоннелях незначительна. Сточные воды Чертановских каналов характеризуются относительно невысоким (в несколько раз меньшим, чем воды Филевского коллектора) содержанием сульфатов и хлоридов.

Эти примеры подтверждают, что наиболее интенсивно газовая коррозия бетона происходит в безнапорных коллекторах после подсоединения к ним длинных напорных коллекторов, а также в коллекторах, где в сточных водах высока концентрация сульфатов и хлоридов.

Кислые газы, проникая в поры бетона, растворяются в жидкой фазе, образуют кислоты и, вступая в химическую реакцию с гидратом оксида кальция, силикатами, алюминатами и другими новообразованиями цементного камня, нейтрализуют его с образованием соответствующих кальциевых солей, кремнекислоты, гидратов алюминия и железа. Цементный камень перерождается, его щелочной показатель падает, что приводит к нарушению пассивности стали.

Установлено, что высокая щелочность бетона (рН = 12-13) благоприятствует образованию и сохранению пассивирующих пленок на стали, которая при этом находится в состоянии повышенной коррозионной устойчивости. Одной из основных причин нарушения пассивного состояния стали в бетоне, является его нейтрализация кислыми газами, которая особенно усиливается в насыщенной влагой среде.

При этом все кислые газы делят на три группы [1], [2]:

1. Газы, образующие нерастворимые или малорастворимые соли кальция. В присутствии этих газов железобетонные конструкции повреждаются вследствие коррозии арматуры после нейтрализации защитного слоя

бетона. Сами продукты реакции газов и компонентов бетона вредного действия на арматуру почти не оказывают. Сюда относятся двуокись углерода, фтористый водород, фтористый кремний, фтористый ангидрид, пары щавелевой кислоты.

Происходит карбонизация защитного слоя бетона, суть которой заключается в поглощении бетоном из воздуха углекислого газа, который с гидратом окиси кальция

СО2+Са(ОН)2 — СаСО3+Н2О, образует углекислый кальций - малорастворимое соединение. Насыщенный раствор СаСО3 имеет рН = 9; снижение рН поровой жидкости нарушает условия устойчивости гидра-тивных минералов цементного камня, которые подвергаются гидролизу. Прочность бетона повышается, но он лишается способности пассивировать сталь, которая переходит в активное состояние и начинает коррозировать. Средняя скорость карбонизации составляет 2 мм/год. При наличии производственных сточных вод действие углекислоты дополняется действием других кислых газов. Из-за высокого аэродинамического сопротивления вентиляция тоннелей не обеспечивает удаления СО2 и его количество практически всегда на одном уровне [2].

2. Газы, образующие слаборастворимые кальциевые соли, которые при кристаллизации присоединяют значительные количества воды. За счет этого соли увеличивают свой объем, происходит послойное разрушение бетона. Арматура быстро коррозирует в связи с нейтрализацией защитного слоя, увеличением проницаемости этого слоя в связи с растрескиванием. Чем выше влажность, тем процесс коррозии идет быстрее. К указанной группе относятся сернистый и серный ангидриды, сероводород.

3. Газы, которые, реагируя с гидратом окиси кальция, образуют хорошо растворимые соли, обладающие высокой гигроскопичностью и способные присоединять кристаллизационную воду.

Присоединяя водяной пар, растворы солей за счет капиллярного подсоса быстро переносятся вглубь бетона. Если соли агрессивны, они разрушают бетон и сталь. Это хлористый водород, двуокись хлора, пары брома и йода, пары монохлоруксус-ной кислоты. Если соли нейтральны, то агрессия против арматуры происходит из-за снижения пассивирующего действия бетона. Нейтральные соли дают окислы азота, пары азотной кислоты и др. При обилии влаги газовая коррозия переходит в жидкостную с полным разложением основных соединений цементного камня, послойным разрушением бетона.

Если вопрос о газовой агрессии рассматривать применительно к удержанию газа и влажности в коммунальных тоннелях, то можно уточнить, что углекислый газ и сернистые газы будут неагрессивны по отношению к бетону обделок, если их концентрации не превышают:

• углекислого газа < 1000 мг/м3;

• аммиака < 0,2 мг/м3;

• сернистого ангидрида

< 0,5 мг/м3;

3

• хлора < 0,1 мг/м ;

• сероводорода < 0,01 мг/м3;

• хлористого водорода

< 0,05 мг/м3.

При большей концентрации агрессивных газов и повышенной влажности имеет место слабая агрессия. Следует иметь в виду, что хотя слабая агрессия может выражаться в нейтрализации малого слоя бетона, для тонкостенных железобетонных конструкций, каковыми являются обделки тоннелей, толщина этого слоя соизмери-

ма с толщиной защитного слоя и, возможно, может стать причиной коррозии стальной арматуры.

В работе [1] приводятся данные о глубине нейтрализации бетона в железобетонных конструкциях кислыми газами для реальных объектов. Так, глубина нейтрализации бетона газом С12 с концентрацией 1,5 мг/м3 при влажности 60-100 % составила 2 см, а ее продолжительность - 14-17 лет.

Таким образом, можно сделать вывод: газовая коррозия в канализационных коллекторах является существенной, что усугубляется почти 100 %-ой влажностью и значительным выделением газа.

Газовая среда канализационных тоннелей состоит из кислорода, сероводорода, углекислого газа, метана, аммиака. Согласно данным МГУП «Мосводоканал» состав сточных вод приведен в табл. 5.

Данные о характере воздушной среды в коллекторных тоннелях г. Москвы показаны в табл. 6 с целью установления газового режима в канализационных тоннелях.

Из данных табл. 6 следует, что в большинстве коллекторов имеется значительное количество углекислого газа, в несколько раз превышающее среднеатмосферное - 0,03 %. Также присутствуют сернистые газы, хотя и в небольшом количестве.

Свод коллекторов обычно покрыт слизью, в которой разводятся бактерии, конечным продуктом деятельности которых является сероводород и другие сульфаты. Значительно содержание углеводородов нефти, что, возможно, способствует разложению бетона.

Коррозионное поведение арматуры железобетонных обделок имеет свои особенности. Практически единственной защитой арматуры является бетон, защитное действие которого

Таблица 5

№п/п Наименование показателя Единица измерения Максимальная кон-

центрация

Сточные воды

1. pH - 7,5

2. Азот аммонийных солей (аммоний- мг/л 24

ион)

3. Алюминий мг/л 1,3

4. Железо мг/л 3,1

5. Медь мг/л 0,13

6. Никель мг/л 0,0085

7. Хром мг/л 0,0082

8. Сероводород и сульфиды (Н2Б) мг/л 0,8

9. Сульфаты (Б04) мг/л 34

10. ХПК мг/л 550

11. Хлориды мг/л 92

12. Электропроводность мкБ/см 930

Воздух в смотровых колодцах

13. Сероводород (Н2Б) мг/см3 30

не всегда обеспечивается. Так как для арматуры железобетонных конструкций важно длительное сохранение прочности и пластических свойств, то ее коррозионное поведение надо характеризовать падением разрывного усилия и пластичности, а также характером разрушения.

Распространенной причиной коррозии арматуры в бетоне являются хлориды. Их относят к веществам -активаторам стали. При некоторой небольшой концентрации они способны разрушать пассивирующие пленки на поверхности стали в щелочной среде бетона. Это связано с повышенной способностью хлорид-ионов к адсорбции, вследствие чего они вытесняют адсорбированный кислород, происходит пробой пассивирующего слоя и начинается язвенная коррозия стали. В связи с этим строительные нормы разных стран в той или иной степени ограничивают содержание хлоридов в составных частях бетонной смеси: цементе, заполнителях и воде затворения.

Согласно СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии», грунтовые воды неагрессивны к арматуре железобетонных конструкций. Среднее содержание хлоридов в воде, поступающей из грунта в тоннели, в пересчете на С1 составляет 3521 мг/л. При таких значениях степень агрессивного воздействия жидкой неорганической среды на арматуру железобетонных инструкций при периодическом смачивании характеризуется как средняя. Высокие значения содержания хлоридов в воде приурочены к протечкам в местах, расположенных вблизи основных транспортных магистралей, особенно это актуально в зимний и весенний периоды, когда с поверхности сходят талые воды. Максимальное значение С1 составляет 33200 мг/л. Таким образом, в конструкциях канализационных тоннелей может протекать и протекает хло-ридная коррозия стальной арматуры.

Как следует из табл. 7 [1] во влажном бетоне коррозия стали развивается с большой скоростью.

Таблица 6

Характеристики воздушной среды в коллекторных тоннелях г. Москвы

№ Адрес точек г ок- г, °С Диаметр Уклон 02, СО2, СО, СН4, ИИ, ^3, Углеводо- и О N0+^2

п/п замеров руж. воздуха, °С сточ- ных вод канала, мм % % мг л % мг/л мг/л роды нефти, мг/л мг/л

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1. 3 район, врезка от Савинской н. ст. и ЦПКО в УЮЗК 14 23 1400 0,052 20,45 0 0,023 0 0 следы 0,1 следы 0

2. Врезка от Савинской н. ст. в ЮЗК 14 23 1400 0,01 20,55 0 0,02 0,05 0,001 следы 0,15 следы 0

3. 4 район, Яузский канал 17 23 1400*4 0,0064 18,7 0,3 следы 0,6 следы 0 0,2 следы 0

4. Хапиловская н. ст. 17 25 1400 0,0005 20,5 0,4 0,03 0,1 следы 0 0,43 следы следы

5. 5 район, точка

подключения Хорошевского канала в Филевский 17 25 2000 0,034 18,4 0,7 следы 0,5 0 следы 0,5 следы 0

6. Филевская н. ст. 17 24 3500 0,011 20,4 0 следы 0,3 0,003 следы 0,23 следы 0

7. 7 район, ЮгоВосточный канал - 24 2000 0,001 20,4 0,3 следы 0,1 0 0 - следы следы

8. Старо-Люблинский канал - 24 1980 - 18,8 1,0 следы 0,5 0,001 - 0 0 0

9. Ново-Люблинский канал - 23 - 0,001 20,4 0,2 следы 0,4 следы - - - -

10. Угрешская н.ст. - - - 0,024 20,6 0,4 следы 0,2 0 следы 0,1 следы 0

11. Старо-Люберецкий коллектор 19 24 - 0,000403 20,9 0,05 0,01 0,1 0 следы 0 0,005 0

12. Восточный коллектор 21,5 23,5 3500 0,004 18,5 0,6 0,018 0,4 0,05 0 0,2 0,005 0

13. Ново-Люберецкий канал 21 23,5 2,98*3,45 0,0017 18,5

14. 8 район, подход к Бережковской н. ст. 13 23 900 0,00137 20,0

15. Начало Чертановского коллектора 14 24 1400 0,036 17

16. Конец Чертановского коллектора 14 24 1500 0,00403 20,0

17. Подход к Кунцевской н. ст. 12 24 1500 0,001 20,6

18. ЮЗР (Чуровской коллектор) 12 - - - 20,4

19. Левый берег Чу-ровского коллектора 13 24 2000 0,0137 20,4

20. Сетунский коллектор - - - 0,009 18,15

21. Место подсоедине-

ния напорных трубопроводов от Ту- 20 26 1000 0,00063 20,6

шинской н. ст. в Филевский канал

22. Место подсоединения трубопроводов Покровско-Глебовской н. ст. в Филевский коллектор 20 26 1000 1.01 18,15

0,15 следы 0,6 0 0 следы следы 0

0 0 0 0 0 0 0 следы

0 0,0035 0,4 0,05 0 0 0 0,001

0,6 0,002 0,2 следы 0 - 0 0

0 0 0 следы 0 - 0 0

0,3 0,001 0 0 0 - 0 0

0 0,0035 0 0 0 - 0 0

0,7 ОД 4 0,001 0 - 0,008 следы

0,1 0,02 0,1 0,05 0,005 0,15 следы 0

0,5 0,03 0,5 0,002 0 0,25 0,007 0

Таблица 7

Скорость коррозии стали в бетоне во влажной атмосфере

Бетон Потеря массы, г/м2 в год Максимальная глубина коррозионных язв за год, мм

Обычный, без добавок • плотный 0 0

• пористый 13-210 0,48

С добавками хлоридов 10-660 1,63

Карбонизированный 30 -

Коррозия обделок происходит не равномерно по всей поверхности, а на отдельных участках, приуроченных к дефектам обделки, поэтому при расчете долговечности железобетонных конструкций предельным стоянием следует считать момент достижения полной карбонизации защитного слоя или нарушение пассивности арматуры в наиболее слабом месте.

Таким образом, основными факторами, влияющими на агрессивность газовой среды канализационных коллекторов и скорость газовой коррозии бетонной обделки в них, являются:

• наличие длинных напорных трубопроводов перед их присоединением к безнапорным коллекторным тоннелям. При движении сточной воды в напорных трубопроводах быстро

1. Алексеев С.Н., Розенталь Н.Е. Коррозионная стойкость бетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. - М.: Стройиздат, 1976, 396 с.

2. Материалы международной конференции «Долговечность и защита

возрастает количество сульфидов и уменьшается количество растворенного кислорода. Анаэробные условия способствуют протеканию химических реакций с выделением сероводорода. Результаты исследований показывают, что каждый километр напорного трубопровода увеличивает содержание сульфидов в сточной воде примерно на 10 %;

• низкое содержание в сточной воде растворенного кислорода. В этом случае создаются благоприятные условия для образования сероводорода, который при определенных гидравлических режимах течения сточной жидкости выделяется в под-сводовое пространство;

• низкое качество и низкая плотность бетона обделки коллекторных тоннелей.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

конструкций от коррозии». - М., 1999, 652 с.

3. Пособие по проектированию защиты от коррозии бетонных и железобетонных строительных конструкций (к СНиП 2.03.1185). - М.: Стройиздат, 1989. И

— Коротко об авторах

Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.