Защита конструкций железобетонных резервуаров в условиях хранения воды

КУПРИЯШКИНА Л. И., СЕДОВА А. А., ГОЛЯЕВ Е. С., ДОЛГОВА В. А., КУПРИЯШКИНА Е. И.

ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В УСЛОВИЯХ ХРАНЕНИЯ ВОДЫ Аннотация. Показана возможность использования цеолитсодержащих пород для покрытий конструкций железобетонных резервуаров. Проведен химический анализ вод Республики Мордовии. Получен результат осадка фильтра взаимодействия воды с цементными композитами, наполненными цеолитсодержащими породами.

Ключевые слова: резервуар, железобетон, агрессивная среда, цеолитсодержащие породы, сточные воды, очистные сооружения, покрытия, композиционный материал, условия эксплуатации.

KUPRYASHKINA L. I., SEDOVA A. A., GALYAЕV E. S., DOLGOVA V. A., KUPRYASHKINA E. I.

PROTECTION OF CONCRETE TANKS UNDER THE CONDITIONS OF WATER STORAGE Abstract. The possibility of using zeolite rocks for coatings of concrete tanks is shown. Chemical analysis of waters of the Republic of Mordovia is carried out. The analysis of the filter sediment shows the results of interaction of water and cement composites filled with zeolite rocks.

Keywords: water tank, reinforced concrete, aggressive environment, zeolite rocks, waste water, sewage treatment plant, coating, composite material, operating conditions.

На современном этапе развития строительной отрасли проблема улучшения качества и долговечности покрытий с учетом экономии ресурсов является актуальной. Бетонные и железобетонные конструкции очистных сооружений находятся в жестких условиях воздействия агрессивных сред: водных стоков, грунтовых вод и газов. В этой связи на очистных сооружениях срок эксплуатации железобетонных конструкций не безграничен и требуется их периодический ремонт. Необходимость ремонта конструкций возникает при коррозионных процессах бетона и арматуры, когда нарушается защитный слой бетона. В этом случае изменяется геометрическая конфигурация конструкций, оголяется продольная и поперечная арматура, происходит возникновение сети трещин и выкрашивание бетона. Поэтому необходимо разработать качественные и долговечные покрытия, позволяющие увеличить срок эксплуатации сооружений.

Для разработки составов покрытий, используемых для увеличения срока службы конструкций очистных сооружений (рис. 1), был проведен химический анализ природных

Рис. 1. Резервуары (а) и отстойники (б) для хранения воды.

Исходные стандартные растворы ионов железа (III) и фосфат-ионов, содержащие 1 г/л соответствующих ионов, готовили согласно нормативным требованиям ГСО. Разбавление растворов осуществляли деионизированной водой в день проведения анализа. Концентрацию ионов К+, №+, Ca2+, Mg2+, О", F", SO42", NO3" определяли методом ионной хроматографии на ионном анализаторе $ШМАВ2и Р1А-1000. Концентрацию ионов Fe3+ и РО43" измеряли спектрофотометрическим методом с помощью спектрофотометра иУ-1800. Элементный анализ осадка, полученного из цементного камня в результате выдерживания его в природной и сточной воде в течение 7, 21, 56 суток, осуществляли рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре ARL РегАэгтх 4200.

Таблица 1

Результаты химического анализа природной и сточной воды

Тип воды Сточная вода, г. Саранск Ичалковский район, с. Селище п. Николаевка, г. Саранск

рН 7,04 7,25 6,92

Жесткость воды, моль-экв/л общая 9,77 8,88 12,63

карбонатная 8,90 4,93 8,17

постоянная 0,87 3,95 4,47

Окисляемость, мгО2/л 387,43 361,9 40,1

Электропроводность, мкСм/см 1186 863 1395

Агрессивная углекислота, мг/л 44,00 22,00 26,60

Из данных таблицы 1 можно заключить, что сточная и природная воды имеют среду, близкую к нейтральной (рН сточной воды равно 7,04, природной - 6,92 и 7,25). Изучаемые типы воды различаются по жесткости. Сверхжесткой является вода п. Николаевка. Общая жесткость равна 12,63 ммоль/л. При этом карбонатная жесткость составляет 8,17 ммоль/л, постоянная - 4,47 ммоль/л, вода сильно минерализованная. Общая жесткость воды очистных сооружений составляет 9,77 ммоль/л, т.е. вода обусловлена в основном карбонатами, вода сильноминерализованная. Природную воду Ичалковского района можно отнести к среднеминерализованной. Общая жесткость равна 8,88 ммоль/л, карбонатная и постоянная жесткость близки по своим значениям.

Исследуемые воды отличаются по окисляемости. Высоким потреблением О2 отличается сточная вода (387,43 мгО2/л). Лишь немного по окисляемости уступает вода Ичалковского района с. Селище - 361,9 мгО2/л. Низкое значение окисляемости для воды п. Николаевка - 40,1 мгО2/л. Вероятно, сточная вода и вода Ичалковского района сильно загрязнены органическими веществами, нефтепродуктами и неорганическими восстановителями. Наиболее высокое содержание агрессивной углекислоты установлено в сточной воде - 44,00 мг/л, что наполовину ниже содержания агрессивной углекислоты в воде Ичалковского района и п. Николаевка. Наиболее высокое значение электропроводности установлено в воде п. Николаевка - 1395 мкСм/см, для сточной воды - 1186 мкСм/см и 863,9 мкСм/см для воды Ичалковского района. Известно, что электрическая проводимость растет с увеличением концентрации электролита, по электропроводности можем судить о качестве природных и сточных вод. Наиболее минерализованными из изученных вод является вода п. Николаевка и сточная вода.

Анализ вод на содержание катионов и анионов показал, что наиболее высокое содержание ионов Са2+найдено в воде п. Николаевка и с. Селище Ичалковского района, ионы №+ в большом количестве содержатся в сточной воде. Также в ней преобладают ионы Mg2+ и Fe3+, увеличено содержание И-, SO42-- ионов. Фторид-ионы содержатся в большой концентрации в сточной воде - 7,52 мг/л. Вода с. Селище Ичалковского района и п. Николаевка является питьевой, но содержание F--ионов превышает ПДК более, чем в 3 раза. Достаточно высокая концентрация фосфат-ионов определена в сточной воде.

Таким образом, по результатам химического анализа можно сделать вывод, что исследуемые воды проявляют агрессивность по отношению к бетону, вызывают коррозию арматуры, могут снижать прочность и морозостойкость (рис. 2).

Для проведения исследований влияния вод на разрабатываемые защитные покрытия железобетонных резервуаров были подготовлены образцы цементных композитов, в которых в качестве наполнителя использовались цеолитсодержащие породы (ЦСП) Атяшевского

месторождения республики Мордовия (10, 20 и 30%). Природные цеолиты - новый тип полезных ископаемых, использование которых в промышленном и сельском хозяйстве началось только в 60-х годах прошлого столетия. Пористая микроструктура и другие особенности строения цеолитов предопределяют их уникальные адсорбционные катионообменные и каталитические свойства, обуславливающие их применение в промышленности, позволяя использовать их в качестве сорбентов для очищения воды [1]. Одновременно добавка цеолитсодержащих пород к цементным составам не только активизирует процесс твердения, но и улучшает микроструктуру, что приводит к увеличению прочности, коррозионной стойкости и непроницаемости цементного камня [2].

Рис. 2. Воздействие агрессивной среды на железобетонные конструкции (разрушение бетона и коррозия арматуры).

Продуктами гидратации цемента, в первую очередь, являются гидросиликаты, трехкальциевый высокоосновной алит 3СаО^Ю2 и двухкальциевый белит 2СаО^Ю2. Содержание в цементе СазS составляет 62,5 % и Са2S - 14-15 %. Выщелачивание гидроксида кальция из бетона приводит к потере прочности бетона. При потере бетоном 33 % СаО наступает его разрушение. При больших скоростях течения воды выщелачивание зависит от скорости отвода СаО с поверхности бетона [3; 4]. Согласно полученным экспериментальным данным (табл. 2), введение цеолитсодержащих пород позволяет уменьшить вымывание Са2+ и замедляет процессы разрушения защитного слоя.

Известно также присутствие в воде солей (ионов), не вступающих в реакцию с элементами цементного камня, но повышающих ионную силу раствора, что увеличивает выщелачивание СаО, т.е. способствует коррозии бетона. Поэтому уменьшение присутствия ионов №+, К+, С1", N03" при введении ЦСП способствует замедлению процессов разрушения бетона.

Таблица 2

Результаты анализа фильтра после выдерживания (56 суток) цементного камня, наполненного ЦСП, в различных типах вод

Вода ЦСП, % Са2+ Mg2+ Fe3+

Очистные сооружения, г. Саранск 0 246,616 314,368 41,469 35,150 Следовые кол-ва

10 325,440 384,612 38,654 14,706 Следовые кол-ва

20 283,678 308,501 37,173 21,675 Следовые кол-ва

30 286,967 324,569 39,812 13,734 Следовые кол-ва

п. Николаевка, г. Саранск 0 203,575 276,797 31,759 27,532 Следовые кол-ва

10 169,754 241,006 27,918 24,581 Следовые кол-ва

20 142,753 185,055 28,087 29,979 Следовые кол-ва

30 135,830 149,382 28,614 30,256 Следовые кол-ва

Ичалковский район, с. Селище 0 189,710 289,153 32,685 21,711 Следовые кол-ва

10 147,227 225,419 27,158 5,672 Следовые кол-ва

20 125,692 193,604 26,156 3,941 Следовые кол-ва

30 152,658 221,590 27,171 1,843 Следовые кол-ва

При введении ЦСП в состав цементных покрытий для очистных сооружений концентрация фторид-ионов в воде повышается, что, вероятно, связано с понижением концентрации СаО в цементном камне, а значит, меньше образуется Са(ОН)2 за счет гидратации цемента, и поэтому фторид-ионы меньше будут вступать в реакцию осаждения с образованием осадка СаF2 (К = 410-11). Показано, что повышение концентрации фторид-ионов ярко выражено в сточной воде. Это является свидетельством того, что Са(ОН)2 взаимодействует с фосфат-ионами с образованием малорастворимого осадка Caз(PO4)2 = 2 10-29), а доля фторид-ионов в воде повышается, образуя в дальнейшем труднорастворимые новообразования, которые забивают поры, уплотняют его и увеличивают срок службы конструкций [5].

Вероятно, при контакте цементного камня с водой происходит разрушение гидросиликатов кальция, вымываются ионы кальция, которые с фосфат-, фторид-, сульфат-ионами воды образуют малорастворимые соли Са3(РО4)2, СаF2, CaSO4, а свободный

гидроксид кальция остается в незначительном количестве, поэтому рН растворов повышается незначительно [6; 7]:

3СаО^Ю2 + 2РO43- + nH2O ^ Caз(PO4)2 |+ SiO2•nH2O;

3Са0&02 + 6Р + nH2O ^ CaF2 |+ SiO2•nH2O. Фосфат кальция, фторид кальция и гель кремниевой кислоты заполняют поры бетона, вызывая их частичное закупоривание (кольматацию). Поэтому процесс разрушения бетона становится временно самотормозящимся [8].

Предлагаемые экспериментальные составы цементных композитов, наполненных ЦСП, целесообразно использовать в качестве защитного слоя в конструкциях очистных сооружений. Это позволит увеличить срок службы конструкций, эксплуатирующихся в условиях взаимодействия с агрессивными водами. При разработке предлагаемых покрытий конструкций железобетонных резервуаров предлагается вводить в состав торкрет-бетона цеолитсодержащие породы в пределах 20% для уменьшения корродируемости арматуры, увеличения плотности внутреннего слоя, повышения прочности и стойкости к воздействию агрессивных сред. Разрабатываемые составы покрытий позволят экономить до 20% цемента при получении железобетонных конструкций очистных сооружений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брэк Д. Цеолитовые молекулярные сита / пер. с англ. - М.: Мир, 1976. - 784 с.

2. Рабо Дж. Химия цеолитов и катализ на цеолитах / пер. с англ. - М.: Мир, 1980. -Том 1. - 506 с.

3. Куприяшкина Л. И., Осипов А. К., Савинова О. Н., Седова А. А., Селяев В. П., Баландина А. В. Влияние концентрации солей магния на прочность цементного камня, наполненного цеолитсодержащей породой [Электронный ресурс] // Огарёв-online. - 2016. - № 19. - Режим доступа: http://joumal.mrsu.ru/arts/vliyanie-koncentracii-solej-magшya-na-prochnost-cementnogo-kamnya-napolnennogo-ceoHtsoderzhashhej-porodoj.

4. Пеков И. В., Турчкова А. Г., Ловская Е. В. Цеолиты щелочных массивов. - М.: Экост, 2004. - 168 с.

5. Куприяшкина Л. И., Гарынкина Е. Н. Проблемы повышения стойкости бетона и железобетона в растворах щелочей // Актуальные вопросы архитектуры и строительства: материалы Четырнадцатой Международной научно-технической конференции. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. - С. 251-254.

6. Куприяшкина Л. И., Седова А. А., Куприяшкина Е. И., Гарынкина Е. Н. Действие магнезиальных солей на наполненные цементные композиты // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций: материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. - С. 59-63.

7. Седова А. А., Иванов В. М., Селяев В. П., Осипов А. К., Куприяшкина Л. И. Изучение процессов повреждения цементного камня растворами карбоновых кислот // Вестник Моск. ун-та. Сер.2. Химия. - 2014. - Т.55, № 5. - С. 296-301.

8. Рахимбаев Ш. М. Процессы кольматации при химической коррозии цементных систем. Физическая модель // Бетон и железобетон. - 2013. - № 4. - С. 30-32.