Защита железобетонных конструкций от действия агрессивных нефтяных сред.

Строительство в агрессивной среде.

Строительные конструкции зданий и сооружений часто подвергаются воздействию агрессивных сред [31]. При этом происходит преждевременное их разрушение, называемое коррозией. По мере развития техники изменяются виды и формы коррозии материалов. Растет общее загрязнение атмосферы над территориями всех государств. Значительная доля выбросов приходится на сернистый газ, окись углерода, окись азота. Коррозия наносит огромный ущерб хозяйству. Защита от коррозии является важнейшей государственной задачей.

Агрессивные среды классифицируют по физическому состоянию на твердые, жидкие и газообразные. Коррозионные процессы в твердой и газообразной средах протекают только в присутствии жидкой фазы. Состав промышленных агрессивных сред зависит от материалов, применяемых в технологическом процессе. Концентрированные технологические растворы не должны контактировать со строительными конструкциями. Наиболее опасны кислые среды. Промышленные жидкие агрессивные среды подразделяют на неорганические и органические.

В химической промышленности 40 % затрат приходится на обслуживание и ремонт, связанные с коррозией. Около 75 % стальных конструкций нуждаются в постоянной защите от коррозии. На некоторых объектах через несколько лет эксплуатации стоимость ремонтных работ превышает капитальные вложения. Ежегодные потери металла от коррозии превышают 1,5 млн. тонн. В промышленном строительстве не менее трети зданий и сооружений эксплуатируются в агрессивных средах. Наряду с кислотами, щелочами, газами, типа хлора и хлористого водорода, сернистого ангидрида, окислов азота значительная часть конструкций подвергается попеременному замораживанию и оттаиванию в водонасыщенном состоянии или при высокой влажности.

Коррозия бетонных и железобетонных конструкций.

Способы защиты.

Коррозией называется процесс разрушения материалов в результате химического и физико-химического воздействия окружающей среды.

Карбонизация – это изменения в бетоне при действии ни него углекислого газа СО2. Гидроокись кальция Са(ОН)2 при поглощении углекислого газа превращается в карбонат кальция. Значение водородного показателя рН поровой воды в бетоне находится в пределах 10,5 … 11,5. При карбонизации оно уменьшается до девяти и ниже. Вследствие этого возможна коррозия арматуры. Чем глубже карбонизация, тем больше опасность коррозии стали. Глубину карбонизации определяют, обрабатывая бетон фенолфталеином. Особенно подвержены карбонизации бетонные изделия низкого качества.

Химическая агрессия бетона и арматуры вызывается веществами, находящимися в грунте или в грунтовой воде; агрессивной жидкостью или веществами, хранящимися в сооружениях или транспортируемыми по нему; бактериологическими воздействиями. В естественных глинистых грунтах возможно наличие сульфатов, в торфяных – органических кислот. В местах нахождения промышленных отходов грунт и грунтовые воды могут быть сильно агрессивными.

Различные металлы не должны соприкасаться друг с другом. При непосредственном контакте происходит электрохимическое взаимодействие. Один металл превращается в анод, другой – в катод. Анод коррозирует.

Бетон на портландцементе образует вокруг арматуры высокощелочную среду с рН = 10,5 … 11,5. Вокруг стали создается защитный слой, замедляющий процесс коррозии. Скорость коррозии стальной арматуры в бетоне определяется тремя факторами: контактом между сталью и ионопроводящей водной фазой бетона, зависящей от влагосодержания и состава бетона; наличия анодных и катодных участков на металле, соприкасающемся с электролитом; присутствием кислорода, способствующего катодным реакциям.

В.И. Москвин выделил три основных вида коррозии бетона.

К первому отнесены все процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии жидких сред, способных растворять компоненты цементного камня. Особенно интенсивно эти процессы протекают при фильтрации воды через толщину бетона.

Ко второму виду коррозии относят процессы, при которых происходят химические взаимодействия между компонентами цементного камня и раствора. Образующиеся продукты или легко растворимы и выносятся из структуры фильтрационным потоком или отлагаются в виде аморфной массы. Такая коррозия возникает при действии на бетон растворов кислот и солей.

При третьем виде коррозии в порах бетона происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы. Значительные внутренние напряжения могут привести к повреждению структуры бетона. Такая коррозия возникает при действии сульфатов.

Возможны коррозии в результате внутренних процессов взаимодействия цементного камня и заполнителей, при действии адсорбционно-активных сред, обусловленные биологическими процессами, электрокоррозия и т.д. Имеют место следующие физико-химические процессы на контакте цементного камня и заполнителя: взаимодействие активного кремнезема заполнителей и щелочей цемента; взаимодействие доломита в заполнителях с растворами солей щелочных металлов; электрохимическая коррозия стали; коррозия растрескивания стали.

Капиллярно-пористая структура цементного камня определяет интенсивность коррозионных процессов. Выделены 15 основных типов капилляров разной формы. Проницаемость бетона и объем сквозных пор являются показателями коррозионной активности. При высоких градиентах давлений и при высушивании непроводящие поры могут быть фильтрующими или газопроницаемыми. Побудительной силой движения жидкостей или газов может быть разность температур по обе стороны конструкции и разность влажности в разных частях конструкции.

Коррозия первого типа связана с растворением гидроксида кальция – выщелачиванием извести. Установлена корреляционная зависимость между прочностью бетона R и степенью выщелачивания извести QCaO, %. Можно приближенно оценить срок службы конструкции τ. Пусть qизв, г/см3 – количество извести, которое может быть удалено из единицы объема бетона без потери им основных технических свойств; νоб, см3/(см3 · с) – количество воды, фильтрующейся в единицу времени через единицу объема бетона; Сизв – средняя концентрация извести в воде за время срока службы конструкции,

τ = q_изв / (ν_об C_изв ) .

Эффективность противокоррозийнной защиты зависит от:

1) правильного определения коррозионной нагрузки;

2) оптимального выбора объемно-планировочного решения, обеспечивающего наименьшую коррозионную нагрузку;

3) правильного выбора конструкционного материала, формы элементов и вида соединений;

4) подхода к защите отдельных конструкций и элементов с точки зрения сроков их службы;

5) учета степени снижения несущей способности элементов в результате коррозионного износа;

6) выбора оптимальных систем защитных покрытий, способа их нанесения;

7) соблюдения требуемых условий нанесения и режима сушки защитных покрытий.

Коррозионную стойкость обеспечивают применением коррозионно-стойких материалов, добавок, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категориям трещиностойкости, ширине раскрытия трещин и толщине защитного слоя.

При недостаточной эффективности названных мер предусматривается защита поверхности лакокрасочными покрытиями, оклеечной изоляцией из листовых и пленочных материалов; облицовкой, футеровкой изделиями из керамики, стекла, природного камня; штукатурными покрытиями на основе цементных или полимерных вяжущих, жидкого стекла, битума; уплотняющей пропиткой химически стойкими материалами.

Бетонные и железобетонные конструкции изготавливают нормируемой проницаемости. Различают бетон нормальной проницаемости Н (марка бетона по водонепроницаемости W4, В/Ц ≤ 0,6), пониженной проницаемости П (W6, В/Ц ≤ 0,6) и бетон особо низкой проницаемости О (W8, В/Ц ≤ 0,45).

Защитные мероприятия назначают в зависимости от степени агрессивного воздействия для газообразных и твердых сред, грунтов выше уровня грунтовых вод, жидких неорганических и органических сред. Выделены четыре степени агрессивного воздействия сред на конструкции: неагрессивная, слабоагрессивная, среднеагрессивная и сильноагрессивная.

Определены четыре группы агрессивных газов в зависимости от их вида и концентрации: A, B, C и D. В СНиП 2.03.11-85 оценивается влияние углекислого газа, аммиака, сернистого ангидрида, фтористого водорода, сероводорода, оксидов азота, хлора и хлористого водорода. Учитывается влажностный режим помещений: сухой, нормальный, влажный и мокрый.

Степень агрессивного воздействия твердых сред на конструкции определяется в зависимости от их растворимости и гигроскопичности: хорошо растворимые малогигроскопичные, хорошо растворимые гигроскопичные.

Показатель агрессивности жидкой среды для сооружений, расположенных в грунтах с kf > 0,1 м/сут, принимают в зависимости от содержания: углекислот, магнезиальных солей, аммональных солей, едких щелочей, водородного показателя, бикарбонатной щелочности. Для конструкций с агрессивными средами применяют следующие виды цементов: портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкие цементы, глиноземистый цемент, портланцемент с минеральными добавками.

Категорию требований к трещиностойкости, предельно допустимую ширину непродолжительного и продолжительного раскрытия трещин принимают в зависимости от классов арматуры и степени агрессивного воздействия. Толщину защитного слоя бетона назначают в зависимости от группы арматурной стали, марки по водонепроницаемости бетона и степени агрессивного воздействия.

Мелкий и крупный заполнители проверяют на содержание потенциально реакционноспособных пород [23]. В ряде случаев (для конструкций с напрягаемой арматурой; с ненапрягаемой арматурой B – I с ds ≤ 5 мм; эксплуатируемых в условиях влажного или мокрого режима; подвергающихся электрокоррозии) введение хлористых солей не допускается.

Арматурные стали по степени опасности коррозионного повреждения подразделяются на три группы [75]. К первой относятся стали классов A – I, A – II, A – III, B – I, Bр – I, A – IIIв, A – IV, Aт – IVк, Aт – III, Aт – IIIс; к третьей – A – V, A – VI, Aт –VI, B – II, Bр – II, K – 7, K – 19 при ds ≤ 3,5 мм (для В – II, Bp – II, K – 7 и К – 19). Для зданий с агрессивными средами предварительно напряженные конструкции, изготавливаемые способом натяжения на затвердевший бетон, не применяются.

При проектировании защиты поверхностей конструкций предусматривают:

• лакокрасочные покрытия (аэрозоли) – при действии газообразных и твердых сред;

• лакокрасочные толстослойные (мастичные) покрытия – при действии жидких сред или при непосредственном контакте с твердой агрессивной средой;

• оклеечные покрытия – при действии жидких сред;

• пропитку химически стойкими материалами – при действии жидких сред;

• гидрофобизацию – при периодическом увлажнении водой или атмосферными осадками.

Поверхности забивных свай должны быть защищены механически прочными покрытиями и пропиткой. Марка бетона по водонепроницаемости должна быть не ниже W6. Для подземных конструкций из монолитного бетона применяют первичную защиту специальными видами цементов, заполнителей, подбором составов бетонов, введением добавок.

Стальные закладные детали защищают лакокрасочными или металлическими покрытиями (цинковыми и алюминиевыми) в помещениях с влажным или мокрым режимом при неагрессивной и слабоагрессивной степени воздействия среды, комбинированным (лакокрасочными по металлизационному слою). В случае сильных агрессивных сред предусматривают химически стойкие стали.

Электрокоррозия конструкций имеет место при наличии блуждающих токов от установок постоянного тока, от действия переменного тока при использовании конструкций в качестве заземляющих устройств. Способы защиты от электрокоррозии подразделяют на следующие группы: I – ограничение токов утечки; II – пассивная защита (применение марки бетона по водонепроницаемости не ниже W6; исключение применения бетонов с добавками, понижающими электросопротивление бетона; назначение толщины защитного слоя не менее 20 мм; ограничение толщины раскрытия трещин не более 0,1 мм для предварительно напряженных конструкций и не более 0,2 мм для обычных конструкций).

Морозосолевая коррозия возникает:

1) при удалении снега и наледи с конструкции при помощи химических реактивов;

2) на поверхности конструкций, находящихся в зоне переменного уровня высокоминерализованных вод;

3) при выпадении кислотных дождей и высокой загазованности атмосферы;

4) когда ограждающие железобетонные конструкции предприятий химической промышленности увлажняются водными

растворами спиртов, глицерина, карбамида, аммиака и т.д.;

5) при изготовлении конструкций с применением противоморозных добавок без обогрева, интенсивном увлажнении весной, когда периоды кратковременного оттаивания сменяются замораживанием.

Удаление снега и наледи часто осуществляют с помощью поваренной соли, хлористого натрия, нитрата и нитрита натрия. Морозосолевую коррозию отличает четко выраженная слоистость. Внезапному проявлению интенсивной деструкции с полной потерей механической прочности слоя бетона предшествует скрытый период предразрушения, когда появляются мелкие трещины, не снижающие или мало снижающие прочность бетона при сжатии.

Разрушение бетона морозосолевой коррозией связано с образованием в бетоне периодической льдистости за счет формирования диффузионного слоя у фронта изменения агрегатного состояния. Вымораживание поровой жидкости между слоями льда вызывает гидростатическое давление и образование первичных трещин.

Высокоморозостойкие бетоны можно получить путем использования структурирующего (воздухововлекающего или газообразующего) действия модификаторов. За счет этого изменяется структура порового пространства цементного камня – образуется система мелких условно замкнутых пор сферической формы. Наиболее эффективным способом повышения морозостойкости является применение газообразующих кремнийорганических продуктов, особенно гидрофобно-газообразующего типа.

Защита железобетонных конструкций от действия агрессивных нефтяных сред.

Нефтепродукты снижают прочность бетона и сцепление его с арматурой. Так, сопротивляемость пропитанного нефтепродуктами бетона воздействию динамических нагрузок с частотой колебаний 200 … 800 циклов в минуту, примерно, в 10 раз меньше, чем непропитанного бетона.

К числу предприятий, в которых возможен контакт нефтепродуктов с конструкциями, относятся: нефтебазы, нефтеперегонные заводы, ТЭС, ТЭЦ, склады жидкого топлива, подстанции, цеха металлообработки машиностроительных и ремонтных заводов, гаражи, ангары, цеха по ремонту автоматики, тракторов, прокатные цеха и т.д. В качестве агрессивных нефтепродуктов могут быть сырая нефть, сернистый мазут, дизельное топливо, керосин, бензин, масла минеральные чистые и отработанные, охлажденные эмульсии.

Определена степень агрессивного воздействия нефтепродуктов на конструкции из бетона разной плотности при разной интенсивности попадания (малой, средней и большой) [66, 75]. Наибольшей агрессивностью обладает сырая и сернистая нефть, минеральные отработанные масла.

В случае систематических проливов нефтепродуктов на конструкции следует применять особо плотный бетон. Для снижения проницаемости бетонов при действии нефтепродуктов рекомендуется применять пуццолановые или портландцементы с минеральными и пластифицирующими добавками. Составы бетонов, стойких к действию нефтепродуктов, приведены в [75].

Для защиты конструкций применяют лакокрасочные покрытия, стойкие в среде различных продуктов при разных температурных условиях: алкидные, эпоксидные, перхлорвиниловые, эфироцеллюлозные, поливинилацетатные, фуриловые, полусульфидные. Разработаны группы покрытий: бензостойкие (Б), маслостойкие (М), масло и бензостойкие (МБ). Защитные покрытия на резервуары наносятся со стороны напора. Толщина покрытия 200 … 300 мкм.

Бетон, применяемый для изготовления конструкций, контактирующих с такими средами, должен иметь марку по водонепроницаемости не ниже В6. Для особо плотного бетона (марка В8) защитных мероприятий не требуется.

Ингибиторы коррозии– вещества, которые тормозят коррозию металла независимо от того, на протекание какой реакции они влияют. Различают (Ю. О. Эванс) ингибиторы катодные, анодные и смешанного действия. Европейская федерация коррозии подразделяет ингибиторы на поверхностно-активные (ПАИ), пленочные (ПИ) и мембранные (МИ). Первые преимущественно применяют в кислых и щелочных водных растворах, вторые действуют в разбавленных электролитах, третьи – в нейтральных и щелочных средах.

К неорганическим ингибиторам относят нитриты, хроматы, фосфаты, силикаты, ванадаты и др.; к органическим – желатин, декстрин, животный клей, крахмал и др.

Некоторые двухкомпонентные ингибиторы отличаются синергетическим действием, т.е. общий эффект двух веществ, превышает действие каждого компонента в отдельности. Плиты дорожного ограждения, бортовые камни, водопропускные лотки, лестничные марши и т.д. подвергаются комплексному воздействию выхлопных газов, растворов размораживающих солей, знакопеременных температур, высыхания и увлажнения, абразивного износа и т.п. Для повышения морозосолестойкости применяют импрегнирующие антикоррозионные составы (ИАКС), разработанные ВНИИ Железобетоном. Они представляют собой растворы парафинов со спецприсадками в керосине или дизтопливе. Наносятся распылением или обливом при температуре выше 15 °С.