Оценка защитных систем сточных конструкций

Введение

С конца 80-х годов товарищество Emscher-GenossenschaftLippeverband(EG/LV) преследуют цель полногоосвобождения от сточных вод бассейна реки Эмшер (Рурская обл.) общей протяженностью338 кми улучшения в нем экологической обстановки. Инвестиции, оцениваемые примерно в4,4 млрд евро, для перестройки Эмской системы в основном пошли на строительстводецентрализованных очистительных сооружений, новых сточных каналов сзапланированной общей длиной ~400 км, сооружение систем по обработке дождевыхвод и, наконец, приведение в вид, близкий к естественному, освобожденных отсточных вод водоемов.

Производимые системы стока рассчитанына эксплуатацию длительностью в 100 лет, в течение которой они смогутпротивостоять физическим и химическим нагрузкам. В конкретных случаях могутпотребоваться дополнительные мероприятия по защите бетона.

Чтобы соблюсти требованиядолговременной эксплуатации сооружений, товарищество EG/LV разработало проект определения качества и количества(«эвалюирования»), согласно которому из всего многообразия в каждом отдельномслучае в зависимости от местных, порой весьма разных, условий строительства испецифики стока выбирается те или иные материалы и системы защиты.

Целью этого проекта былоисследование степени защитной способности с помощью единой контрольнойпрограммы и оценка отдельных систем через сравнительный анализ полученныхрезультатов.

На основе новейших разработок втехнологии бетона — особенно в области бетонов высокой прочности —товариществом EG/LV была инициированадальнейшая исследовательская программа. При этом свойства высокотехнологичныхбетонов должны были исследоваться в особых местных условиях, с соблюдениемопределенных строительных требований к сооружению и к эксплуатации, то есть возможностиих применения должны были оцениваться на практике.

Воздействия на сточные сооружения во время строительства и напротяжении эксплуатации

Строительные сооружения дляхозяйственного стока подвергаются механико-физическим и химическимвоздействиям. При этом вид и интенсивность воздействий зависят от условийпроекта, геотехнических, строительных, гидромеханических и других специфическихдля данного стока мероприятий. Сточные устройства для перестройки Эмскойсистемы подвержены необыкновенно высоким механическим и химическим воздействиям,связанным с тем, что проводка ведущих сетей должна находиться на глубине до 40 м в слоях земли, на которыеуже оказали большое влияние горное дело, промышленность и время.

Химические воздействия

Растущее осознание экологическойценности такого природного ресурса, как вода, вынуждает к сооружению стоков дляотведения при строительстве вредных элементов, концентрация которых продолжаетрасти. В Эмском проекте следует ожидать возможных химических коррозийныхвоздействий на стройматериалы — как изнутри сооружений из-за биогеннойкислотной коррозии (серная кислота, иногда азотная кислота) в местах, где естьгаз, или из-за коррозийного содержимого в местах соприкосновения со стоком, таки снаружи сооружений из-за коррозийного содержимого в грунтовых водах или впочве.

Химические материалы, которыемогут защитить технические сооружения внутри и снаружи в зависимости отприменяемых материалов подразделяются на неорганические (например, анионы,катионы, кислоты, щелочи) и органические (например, алифатические,ароматические или галогеновые углеводороды, органические кислоты).

Механико-физические воздействия

Механико-физические воздействияна строительные сооружения, проложенные в основном под землей, оченьмногослойны и обусловлены и производством, и эксплуатацией, и их обслуживанием.

Внешние воздействия обусловленыдавлением земли, грунтовых вод, транспорта, наземных строительных сооружений, атакже окружением и связанными с этим подвижками земных пластов.

Внутренние воздействияпроисходят за счет собственного веса, наполнения водой, повышенного внутреннегодавления воды, чистки, контроля плотности, температуры и абразии (размыва).

Кроме того, на системы оказываютвоздействие строительные работы (транспорт, складирование), осевые воздействияи тяговые силы при прокладке труб, а также укладка в опорные сооружения иусловия засыпки при открытом типе строительства.

Возможные защитные антикоррозийные системы при строительстве сооруженийдля сточных вод

Спектр применяемых в сточныхсооружениях материалов и защитных систем является комплексным. В то время каксопротивляемость различных систем механическому воздействию, как правило, известнадостаточно точно, химическую сопротивляемость можно прогнозировать зачастуюлишь приблизительно из-за отсутствия знаний о нагрузке. То же самое можносказать и о длительности действия этих систем в условиях постояннойэксплуатации при названной степени воздействия на них.

Чтобы ограничить общий объемпроекта по оценке нагрузки целесообразными масштабами, сначала из всего спектравозможных защитных антикоррозийных систем отбираются предположительноподходящие материалы. Основой для этого предварительного отбора служат результатыисследований, изложенные в мировой литературе, и опросы изготовителей. В этойсвязи учитывались как системы, прошедшие многолетнюю проверку, так и новыеразработки. На базе опыта и предположений о технической пригодности, хорошейсопротивляемости ожидаемым воздействиям и долгосрочности в эксплуатации былиболее досконально исследованы следующие строительные материалы и компонентысистемы:

— Высокомощные бетоны.

—Покрытия РЕ-HD.

— Полимерные бетоны и покрытия.

— Трубы-моноблоки и покрытия из GFK.

— Стеклопокрытия.

— Керамические трубы-моноблоки,внутренние керамические трубы, а также плакировка керамикой (каменной массой) ссоединениями на эпоксидной смоле.

Высокомощные бетоны с повышенной сопротивляемостью кислотам

Материалы, связанные цементом,например, бетон, никогда не смогут полностью противостоять кислотной агрессии,в лучшем случае сопротивление таким воздействиям может быть повышено. При этомследует учитывать, что традиционный бетон, рассчитанный на класс экспозиции XA, уже демонстрирует длительнуюустойчивость к постоянному воздействию, например, коммунального стока сдовольно высоким показателем pH.Эту устойчивость необходимо повысить. Собственно, кислоты разъедают в бетонелишь цементную составляющую. Поэтому нужно достичь возможно более плотнойструктуры бетона, чтобы агрессивная кислота не могла беспрепятственно внедрятьсяв структуру. Кроме того, должно быть минимизировано содержание в бетоне цемента.Одновременно (как и в случае высокомощных бетонов) предполагается низкое содержаниесвязующей воды (<0,45) и, при необходимости, введение реактивныхсоставляющих (кварцевой пыли, летучей золы). Для повышения плотности цементасвязывающие средства подгоняются друг к другу с точки зрения гранулометрии.

В системах стока, где трубы илишахты изготовлены из нормального бетона, часто уже через несколько летэксплуатации появляются повреждения бетона, которые однозначно можно приписатьхимической атаке из стока. Если и заранее произведенные крупноформатные железобетонныетрубы, и шахты на месте изготовлены из высокостойкого к действию кислот бетона,срок их эксплуатации значительно повысится. Но даже и обсуждаемым здесь бетонамнельзя приписать безупречной стойкости при длительных и массивных атакахвредных веществ (например, при экстремальном образовании биогенной сернойкислоты при очень низком значении pH).

По заданию товарищества EG/LV, в Рурском университете (г. Бохум)исследовалась практическая пригодность многих видов бетона с повышеннойстойкостью к воздействию кислот. При этом дифференцированно рассматривалисьбетоны, предназначенные для строительства труб и для прокладки шахты, — из-за различныхместных условий их эксплуатации. Наряду с требованием стойкости к воздействиюкислот другим акцентом в исследовании бетона для шахты было обеспечение надежнойспособности всасывания на строительной площадке. В соответствии с проектнойконцепцией этих бетонов участие грубых зерен в смеси относительно высокое —из-за стремления к низкому содержанию связывающих веществ. Требуемаяспособность всасывания могла быть достигнута для некоторых связующих составовоптимальной установкой линии просеивания. После проведенных лабораторныхисследований были успешно проведены практические пробы на месте.

Бетон с повышенной стойкостью квоздействию кислот можно охарактеризовать как типичный высокомощный бетон.Чтобы достичь нужных качеств, необходимо во время производства следить завысокой равномерностью исходных веществ и быть внимательным при взвешиванииотдельных компонентов. Гарантирующий качество контроль исходных компонентов ибетона должен заметно выходить за рамки обычных мероприятий. Особеннонеобходимо следить, чтобы этот грубозернистый бетон не расслаивался (неразрушался) при встраивании в опалубок конструкции шахты или, например, втрубчатую обшивку в цехе блочных конструкций, что может произойти, например,при перепаде высот. Совершенно необходимо дать соответствующие указанияперсоналу при изготовлении и при переработке бетона, пояснив, что речь идет осовершенно особом бетоне.

а

б

Рис. 1. Созданиеподошвы шахты из бетона с повышенной стойкостью к воздействию кислот

В рамках «пилотного» проектаЭмского товарищества в Бохуме впервые была создана конструкция шахты из такогобетона (рис. 1). Достигнутыерезультаты были оценены как вполне удовлетворительные.

Метод контроля для количественного определения механической ихимической устойчивости

Для более точной выверкихимической и механической устойчивости описанной защитной системы авторамипроекта была разработана обширная программа контроля, которая помогаетпроверить все возможные воздействия на системы стока. Избранный при этом методконтроля для определения возможных областей применения в основном опирается насоответствующие стандарты, например, Din 28052, DinEN1916, DinV1201 или DinEN295-3.

Общий объем избранных методов: см.табл. 1.

Метод контроля для количественного определения сопротивляемости воздействию химических факторов

Метод контроля для количественного определения сопротивляемости воздействию механических факторов

Определение устойчивости веществ к ароматическим углеводородам Определение устойчивости веществ к галогеновым углеводородам Определение устойчивости веществ к серной кислоте Определение устойчивости веществ к двууглекислому натрию (соде, щелочи)

Количественное определение поведения при перемычках трещин при футеровке систем Количественное определение поведения при отводке Определение устойчивости к ударам Определение устойчивости к действию внешнего давления Определение устойчивости к сгибаниям, обусловленным внешними статистическими и динамическими воздействиями Определение устойчивости к дифференциальным смещениям Определение устойчивости тяговых труб к осевым сдавливаниям Определение устойчивости к воздействиям при промывке под высоким давлением

Таблица 1

Этот контроль проводился большейчастью на мелкоформатных объектах, но в особых случаях — и на целых сегментахтруб (с внутренним диаметром 1,2 м).

К проведениюмеханико-физического контроля были подключены институты по контролю заматериалом (сопромат) в Карлсруэ, Лейпциге и Штутгарте. Химическим контролемзанимались НИИ Берлин-Бранденбурга и Брауншвейга.

Сравнительный анализ результатов контроля и оценка антикоррозийныхзащитных систем

Последовательное проведение описанногоконтроля защитных систем дает возможность непосредственного сравнительногоанализа достигнутых результатов и объективной оценки сопротивляемостипрогнозируемым химическим и механическим воздействиям.

Углубленное изложение отдельныхрезультатов контроля существенно расширило бы рамки данного отчета. Но в целомможно констатировать, что ни одна из обследованных систем не может гарантироватьдолгосрочную защиту от всех возможных воздействий. Выбор наиболее выносливой антикоррозийнойсистемы в каждом конкретном случае зависит от местных условий.

Рис. 2. Повреждения полимерных бетонов в газовом помещении сгалогеновыми углеводородами

Рис. 3. Состояние отказа действия при испытании стеклопокрытия привнешнем воздействии давления водой

В оценку защитных систем длязаказчика наряду с механической и химической устойчивостью должны входить икритерии расчетов, возможности ремонта, подвижность систем, возможныеопасности, гидравлическая мощность и общая стоимость системы.

На основе этих оценок для различныхгрупп конструкций (проходимые и непроходимые, изготавливаемые открытыми илизакрытыми, в виде шахты и особые системы), а также для возможных специфическихпроектов в зависимости от силы механического и химического воздействияразработаны соответствующие антикоррозийные защитные системы, подтвержденныерекомендациями. Таким образом, с помощью разработанных методов можно подобратьдля любого строительного объекта и его специфических требований оптимальную антикоррозийнуюзащитную систему.