Защита конструкций железобетонных резервуаров в условиях хранения воды

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

(Ичалковский район и п. Николаевка) и сточных вод (г. Саранск). Исследуемую воду предварительно очищали от крупных примесей с помощью бумажного фильтра и проводили химический анализ состава (табл. 1).

а)                                                   б)

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⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, F^-, SO 4 ^2-, NO^3- определяли методом ионной хроматографии на ионном анализаторе SHIMADZU PIA-1000. Концентрацию ионов Fe³⁺ и PO 4 ^3- измеряли спектрофотометрическим методом с помощью спектрофотометра UV-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 Perform`x 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, мгО 2 /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 О 2 отличается сточная вода (387,43 мгО 2 /л). Лишь немного по окисляемости уступает вода Ичалковского района с. Селище – 361,9 мгО 2 /л. Низкое значение окисляемости для воды п. Николаевка – 40,1 мгО 2 /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 Na⁺ в большом количестве содержатся в сточной воде. Также в ней преобладают ионы Mg²⁺ и Fe³⁺, увеличено содержание Cl^-, SO 4 ^2-- 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•SiO 2 и двухкальциевый белит 2СаО•SiO 2 . Содержание в цементе Са э З составляет 62,5 % и Са 2 8 - 14-15 %. Выщелачивание гидроксида кальция из бетона приводит к потере прочности бетона. При потере бетоном ээ% 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 Na⁺, К⁺, Cl^-, NO 3 ^- 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, %	Na+	K+	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 СаF 2 (Ks = 4·10^-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 Ca 3 (PO4) 2 (Ks = 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]:

3CaO·SiO 2 + 2РO 4 ^3- + nH 2 O → Ca 3 (PO 4 ) 2 ↓+ SiO 2 ·nH 2 O;

3CaO·SiO 2 + 6F^- + nH 2 O → CaF 2 ↓+ SiO 2 ·nH 2 O.

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.