Защита железобетонных конструкций промышленных предприятий от коррозии, вызываемой блуждающими токами
Электрическая коррозия арматуры под действием блуждающих токов вызывает серьезные разрушения и подземных и надземных железобетонных конструкциях железнодорожного транспорта, промышленных и коммунальных предприятий, потребляющих постоянный электрический ток.
Разрушение железобетона происходит у анодных участком арматуры, где ток с арматуры стекает и бетон. Основной анодной реакцией, непосредственно приводящей к разрушению арматуры, является переход металла в ионное состояние. При градиенте поля блуждающих токов, направленном вдоль арматуры, разрушение последней происходит с образованием характерных игловидных концов. Кроме того, вблизи анодных участков арматуры накапливается значительное количество продуктов коррозии, имеющих объем в 2—2,5 раза больший, чем объем прокорродировавшего металла, вследствие чего в бетоне возникают напряжении, приводящие к образованию трещин и к резкому дальнейшему ускорению коррозии арматуры.
В качестве критериев для определения присутствии блуждающих током и железобетонных конструкциях и опасности их воздействия могут быть использованы следующие причины:
Е1 — разность потенциалов арматура — медно-сульфатный электрод, контактирующий с бетоном;
Е2 — разность потенциалов арматура — медно-сульфатный электрод, контактирующий с землей;
Е3 — разность потенциалов на поверхности бетона вдоль арматуры, измеренная с помощью двух медно-сульфатных электродов.
Величина Е1, наиболее показательна для определения присутствия и опасности воздействия блуждающих токов.
Естественные значения указанных величин, определенных статистическим путем по принятой методике [I], следующие: 0>Е1>—0,3 в; 0>Е2>— 0,5 в; Е3<0,25 в.
При наличии и железобетонных конструкциях блуждающих токов наблюдается смещение замеряемых потенциалов относительно естественных значений. В анодных зонах потенциал арматуры смещается в положительном направлении, в катодных — в отрицательном.
Блуждающие токи становятся опасными тогда, когда они превышают определенный предел. Величина этого предела определяется условиями эксплуатации конструкций.
В зависимости от величин потенциалов, опасных при воздействии блуждающих токов, все железобетонные конструкции можно разбить на две группы.
Для конструкций первой группы опасными будут лишь те блуждающие токи, которые смещают потенциал арматура — медно-сульфатный электрод, контактирующий с бетоном, до значений более положительных, чем +-0,4 - 0,6 в. К этой группе относятся железобетонные конструкции, находящиеся в условиях воздействия сред невысокой агрессивности. Это - подземные конструкции: фундаменты, трубопроводы, коллекторы, резервуары и условиях воздействия грунтовых вод с содержанием С1-ионов не более 0,2 г/л.
В плотном некарбонизированном бетоне на портландцементе арматура находится в пассивном состоянии, которое нарушается под действием внешнего анодного тока в указанных условиях лишь при значениях потенциала выше +-0,4 - 0,6 в.
К первой же группе относится наземные железобетонные конструкции цехов электролиза расплавленных солей: электролиза алюминия, титана, магния, натрия. В этих цехах атмосфера достаточно суха (как правило, 30—40%). Соли шихтовых материалов без наличия влаги не проникают глубоко в бетон и не вызывают нарушения насеянного состояния арматуры.
Для конструкции второй группы опасными следует считать блуждающие токи любых величин, т. е. любое отклонение потенциала арматуры от нуля в положительную сторону. Сюда относится подземные железобетонные конструкции, находящиеся в УСЛОВИЯХ воздействия грунтовых вод с содержанием С1-иоиов более 0,2 г/л, и наземные конструкции цехов электролиза водных растворов, подвергающиеся увлажнению и обливанию различными технологическими растворами, агрессивными по отношению к арматуре. В этом случае арматура находится па границе устойчивости пассивного состояния или даже в зоне активного растворения и но этому практически всякий блуждающий ток ускоряет процесс коррозии.
При оценке опасности блуждающих токов по их величине за верхний безопасный предел тока может быть принято значение плотности анодного тока — 0,6 ма/длр, рекомендованное ЦНИИ МПС и Метростроем на основании проведенных ими работ [2]. Замеры утечек тока при этом должны производиться па сопротивление, близкое к сопротивлению исследуемой конструкции по отношению к земле.
Следует подчеркнуть, что потенциал арматуры и плотность внешнего тока, натекающего или стекающего с арматуры, взаимосвязанные величины. В условиях воздействия на железобетон слабо агрессивных сред ток 0,6 ма/дм2 вызывает смещение потенциала арматуры до значении 0,4 4-0,6 в, т. е. рекомендуемые пределы опасных потенциалов и токов дают хорошее совпадение. Однако потенциал арматуры для оценки наличия и опасности блуждающих токов более удобен. Дело в том, что при замерах тока практически невозможно осуществить переход от замеряемой силы тока к плотности тока, являющейся характеристикой состояния арматуры, так как в реальных условиях эксплуатации без разрушения конструкций невозможно определить, с какой поверхности арматуры происходит стекание тока.
Лаборатория коррозии ШШЖБа в течение ряда лет проводит обследование железобетонных строительных конструкций цехов электролиза цветной металлургии, цехов электролиза предприятий химической промышленности и т. п. На предприятиях, где не были приняты специальные меры по защите, обнаружены значительные разрушения многих железобетонных конструкций — фундаментов, опор и перекрытий под электролизными ваннами и т. п. [3].
В электролизном цехе одного из московских заводов через 5—6 лет после его реконструкции оказался разрушенным железобетонный каркас, расположенный в подвальном этаже и поддерживающий электролизные ванны. Разрушению подверглись все элементы каркаса — колонны, продольные и поперечные балки. Защитный слой бетона в основании колонн полностью разрушился, оголив коррозировавшую арматуру. Железобетонный каркас почти потерял несущую способность и его заменили кирпичными устоями. Электроизмерениями на разрушенных основаниях железобетонных колонн были обнаружены потенциалы «арматура—земля» +5 - 27 в.
В цехе электролиза солей никеля одного из уральских заводов восстановительные ремонты железобетонных колонн и
балок, поддерживающих электролизные ванны, приходилось
производить каждые 2—3 года. При ремонтах арматуру очищали от ржавчины, местами заменяли новой и бетонировали.
Однако после ремонтов трещины появлялись вновь, защитный
слой бетона отпадал, арматура оказывалась покрытой толстым
слоем ржавчины. Потенциал «арматура—земля» изменялся в
пределах 1—22 в, «арматура — бетон» 0,6 - 0,8 в.
Эти далеко не единичные примеры серьезных разрушений убеждают в необходимости разработки специальных мероприятий по защите железобетонных конструкций, подвергающихся действию блуждающих токов, от электрокоррозии. Защитные мероприятия должны проектироваться одновременно с проектированием конструкций и выполняться при строительстве. Выполнение их на эксплуатирующихся конструкциях представляет значительные трудности и не всегда возможно. Кроме того, для обеспечения постоянного контроля за коррозионным состоянием железобетонных конструкций следует предусматривать выводы от арматуры и оборудование контрольно-измерительных пунктов.
В 1959 г. на основании данных научно-исследовательских работ по электрокоррозии железобетона и материалов обследования большого количества электролизных цехов предприятий цветной металлургии и химической промышленности
ПППЖВом были разработаны «Указании по защите железобетонных конструкций электролизных цехом от коррозии, вызываемой блуждающими токами» — СИ 65—59. Результаты работ последующих лет, а также результаты работ других организаций нашли отражение и ноной «Инструкции но защите железобетонных конструкции от коррозии, вызываемой блуждающими токами» — СИ 65—67, инструкцией и действие с I января 1968 г. Инструкции была разработана ПППЖВом при участии ЦНИИ МПС, Академии коммунального хозяйства им. К. Л. Памфилова, ЦПППС, Трансэлектронроекта и других организации.
«Указания» CI I 65—59 распространялись на проектирование, сооружение и эксплуатацию железобетонных конструкций лишь электролизных цехов предприятий цветной металлургии и химической промышленности, Инструкции СП 65—67, помимо этого,— и на железобетонные конструкции железнодорожного транспорта, линии трамвая, метрополитена, заглубленные и полузаглубленные резервуары, подземные железобетонные коллекторы. Раздел, повещенный защите от электрокоррозии промышленных предприятий, уточнен и расширен. 13 частности, в СИ 65—67 дифференцированно, с учетом ответственности конструкции и наличия условии, способствующих развитию электрокоррозии указаны требования к толщине защитного слои бетона, защитный слой бетона около любой арматуры должен быть не менее требований главы СНиП 11 - 0.1-С2 и СП 262—67 не менее величин: для плоских и ребристых плит — 20; для стенок и стеновых панелей — 20: для балок, ферм, колонн— 25. для фундаментных балок и фундаментов—30 мм.
Следует подчеркнуть, что толщина защитного слоя бетона нормируется для любой арматуры, а не только для рабочей, так как попаданию блуждающих токов па арматурный каркас будет способствовать всякая арматура, расположенная вблизи поверхности.
Железобетонные конструкции цехов электролиза подвергаются не только воздействию блуждающих токов, по и воздействию агрессивной паровоздушной среды. Поэтому для таких конструкций ширина раскрытия трещин ограничивается в зависимости от степени агрессивности паровоздушной среды, а также предусматриваются различные мероприятия в соответствии с СИ 262—67 по защите поверхности железобетонных конструкций от воздействия агрессивной атмосферы и обливания агрессивными растворами; возможность же появления и железобетонных конструкциях блуждающих токов требует проведении целого ряда дополнительных конструктивных мероприятий, способствующих уменьшению и ограничению блуждающих токов.
Токонесущие устройства необходимо тщательно изолировать от строительных конструкций: трубопроводы, транспортирующие электролиты, выполнять на неэлектропроводных материалов, устанавливать специальные приспособления для прерывании струй электролитов, а также дли отвода токов из электролитов, делать электроизоляционные вставки на металлических трубопроводах, устраивать продольные и поперечные разрывы и железобетонных конструкциях.
Очень большое значение имеют мероприятия по предохранению железобетонных конструкций от увлажнении, опасность которого определяется тем, что оно приводит к значительному снижению электрического сопротивлении бетона. При увлажнении конструкций (наличие конденсата или обливов) действие блуждающих токов на арматуру конструкции может быть приравнено к действию сильноагрессивной среды.
Для предохранения железобетонных конструкций от увлажнении необходимо: строить полы из материалов, не пропускающих влагу и технологические растворы; делать пропитку или покраску внешней поверхности наземных железобетонных конструкций гидрофобизирующими или лакокрасочными материалами; обеспечивать гидроизоляцию и электрическую изоляцию фундаментов;
устраивать дренажи для отвода грунтовых под от железобетонных фундаментов, водных каналов и других железобетонных подземных конструкций, а также асфальтовые отмостки внешних железобетонных степ корпусов.
Проведение всего комплекса указанных мероприятий является необходимым условием эффективности защиты железобетонных конструкций от коррозии, вызываемой блуждающими токами.