Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры

Дымбренов, Тимур Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры"

На правах рукописи УДК 622.25:620.197

Дымбренов Тимур Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ, РАЗРУШАЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ КОРРОЗИИ АРМАТУРЫ

Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ио

Москва 2007

003177058

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ШИЛИН Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Смирнов Вячеслав Иванович кандидат технических наук Щекудов Евгений Васильевич

Ведущая организация - ГУЛ «Москоллекгор» (г. Москва)

Защита состоится «20» декабря 2007 г в часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, ГСП, Москва, В-49, Ленинский

проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «

/А ноября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние годы проблеме коррозии стали в бетоне под воздействием различных агрессивных сред уделяется все больше внимания Масштабное применение железобетонных конструкций подземных сооружений и ограничение их сроков службы под воздействием агрессивных сред, в том числе и ионов хлоридов, обусловили увеличение объемов работ по ремонту и восстановлению

Подземные сооружения, в частности коллекторные тоннели общей протяженностью, по данным ГУЛ «Москоллектор», 480 км только в г Москве (из них 10% коллекторы со щитовой проходкой и 90% со сборной обделкой), часто располагаются под дорогами и подвергаются наибольшему воздействию различных солей и растворов, в том числе содержащих хлориды Это воздействие и повышенное содержание С02 в подземных сооружениях, вызывающее карбонизацию защитного слоя бетона, являются причинами коррозии арматуры, в результате которой разрушается бетон и снижается несущая способность конструкций

Опыт обследования коллекторных тоннелей показал, что 30% плит перекрытия разрушается в результате воздействия С02 и 70% в результате воздействия хлоридов, то есть происходит отказ сооружения через 10-15 лет после начала эксплуатации, это в 5 раз меньше проектного срока.

Для поддержания конструкций на требуемом уровне надежности необходимо выполнять профилактические мероприятия и ремонтные работы В большей степени в практике ремонтных работ используется технология локального ремонта железобетона, которая не учитывает воздействие хлоридов, на долю, которой приходится до 85% всех объемов ремонтных работ в тоннелях г. Москвы Ремонт стараются осуществлять после выполнения гидроизоляционных работ и снятия нагрузок на конструкцию Однако в подземных сооружениях и, в частности в коллекторных тоннелях, производство таких работ не всегда возможно. Их можно осуществить чаще всего только изнутри сооружения, что не позволяет полностью защитить конструкцию от воздействия воды и хлоридов, которые проникают в элементы сооружения извне. Накопление в конструкции хлоридов и особенно их неравномерное распределение на отремонтированном участке способствуют продолжению процесса коррозии металла

ремонта с применением элементов катодной защиты, а именно электрохимическая защита с использованием протекторов.

В исследованиях, направленных на поддержание конструкций, разрушающихся под воздействием хлоридов, и выполненных в НИИЖБ, ЦНИИС, МГСУ, ЦНИИСК, ФГУП «Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона», ЮУГУ, American Concrete Institute, Technical Research Centre of Finland и многих других организациях, не учитывается специфика подземных сооружений, а именно не всегда возможно выполнить гидроизоляцию подземных сооружений по всему контуру и снять все нагрузки с ремонтируемых конструкций Также в этих работах недостаточно изучены технологические разработки, позволяющие реализовать научный потенциал эффективных и надежных сочетаний известных на сегодняшний день технологий и способов защиты.

Предлагаемый способ защиты подземных сооружений сегодня ограничен в применении из-за отсутствия расчетных параметров, увязывающих между собой эксплуатационную среду подземного сооружения, величину и объемы поврежденных конструкций и технологию производства ремонтных работ.

Поэтому обоснование, разработка и использование технологии ремонта железобетонных конструкций городских подземных сооружений, разрушающихся под воздействием хлоридов на ранней стадии эксплуатации, является весьма актуальной задачей для строительной геотехнологии.

Цель работы - установление зависимостей технического состояния конструкций коллекторных тоннелей от влияния хлоридов, свойств материала железобетонных элементов, температуры и относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля, позволяющих научно обосновать параметры технологии ремонта, обеспечивающих их поддержание на требуемом уровне надежности

Идея работы заключается в использовании свойств катодной защиты, факторов окружающей среды (содержания хлоридов, проницаемости бетона) и особенностей конструкции коллекторных тоннелей для разработки технологии ремонта, защищающей арматурный каркас от коррозии, вызванной воздействием хлоридов, и обеспечивающей требуемый уровень надежности на период дальнейшей эксплуатации.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

1 Уточнен механизм коррозионного разрушения арматуры в железобетонных элементах обделки коллекторных тоннелей, вызванный воздействием хлоридов, отличающийся учетом распространения хлоридов не

только со стороны стыка между плитами, но и с нижней поверхности ребра жесткости, что приводит к увеличению объемов ремонтных работ.

2. Установленная зависимость интенсивности коррозии арматуры в плитах перекрытия, выраженная через удельное электросопротивление бетона, от величины его проницаемости и концентрации хлоридов в защитном слое, является определяющей при выборе технологии ремонта конструкций тоннеля и позволяет определить основные параметры электрохимической защиты, шаг установки протекторов от 10 до 50 см и массу протектора от 51 до 128 г.

3. Скорректирован расчетный срок эксплуатации протектора, используемый при определении долговечности отремонтированных участков с установленной катодной защитой, учитывающий изменчивость внутренней среды коллекторного тоннеля и зависящий от влажности воздуха

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

- сходимостью значительного объема статистических данных, полученных с помощью современных методов исследований конструкций и сертифицированных приборов, при обследовании более 30 км коллекторных тоннелей до и после выполнения ремонтных работ с применением электрохимической защиты,

- положительными результатами внедрения электрохимической защиты при ремонте коллекторных тоннелей по срокам, объемам и качеству выполняемых работ.

Научная новизна работы.

1. Научно обоснованы и разработаны параметры технологии ремонта обделки коллекторного тоннеля, разрушающейся в результате коррозии арматуры, учитывающие воздействие хлоридов и основанные на свойствах катодной защиты Впервые в натурных условиях установлены зависимости, определяющие количество, массу и схему расположения элементов катодной защиты (протекторов) с учетом распространения хлоридов и состояния плит перекрытий

2. Впервые установлены факторы окружающей среды (влажность и температура воздуха внутри коллекторного тоннеля и концентрация хлоридов) и определено их влияние на параметры технологии производства ремонтных работ коллекторных тоннелей, количество и шаг установки протекторов, их массу

Научное значение работы заключается в комплексном учете влияющих факторов на параметры технологии поддержания конструкций подземных

сооружений на требуемом уровне надежности, разрушающихся под воздействием хлоридов.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии выполнения ремонтных работ, обеспечивающей поддержание на требуемом уровне надежности конструкций подземных сооружений, разрушающихся под воздействием хлоридов

Реализация выводов и рекомендаций. Технология ремонта конструкций подземных сооружений с использованием электрохимической защиты, включающей установку протекторов, применена в ГУЛ "Москоллекгор" для защиты конструкций плит перекрытий коллекторного тоннеля «Садово-Кудринский», «Таганский», «Проектируемый», «Кутузовский»,

«Котельнический», «Башиловский», находящихся в предаварийном и аварийном режимах эксплуатации в результате воздействия хлоридов.

Разработаны технологические карты по защите конструкций с применением электрохимической защиты с использованием протекторов, позволяющие выполнять ремонт любых подземных железобетонных конструкций, разрушающихся под воздействием хлоридов, на заданном уровне надежности

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и получили одобрение на П Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон, пути развития» (2005 г ), на техническом заседании ГУЛ «Москоллекгор» (2006 г ), на научных семинарах кафедры СПСиШ Московского государственного горного университета (2005-2007 гг).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 опубликованных работах, включая 1 патент на изобретение и 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, содержит 37 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 115 наименований ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Исследованиям, направленным на поддержание конструкций, разрушающихся в результате коррозии арматуры, посвящены работы НИИЖБ, ЦНИИС, МГСУ, Ц НИ ИСК, ФГУП «Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона», ЮУГУ, American Concrete Institute, Technical Research Centre of Finland и многих других организации.

Изучению вопроса коррозии стали в бетоне посвящены работы Алексеева С.Н., Иванова Ф.М., Модры С., Москвина В.М., Полак А.Ф., Розенталя Н.К., Шиссель П., Andrade С., Vesikari Е, Tuutti К. и др.

Существенный вклад в развитие теории и практики защиты железобетонных конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, посвящены работы: Кириленко А.М., Шилина А.А., Andrade С., Broomfield J., Lazzari L., Millard S.G., Pastore T., Pedeferri P., Polder RJB., Schokker A J. и др.

В исследованиях перечисленных авторов отмечается перспективность направления развития технологий защиты железобетонных конструкций, разрушающихся под воздействием хлоридов, на основе применения технологии локального ремонта железобетона, электрохимических методов защиты или технологии замены железобетонного элемента Однако специальных широкомасштабных исследований по использованию указанных технологий в подземных сооружениях до настоящего времени, к сожалению, не проводилось

Поэтому в соответствии с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи

— анализ современного состояния и приоритетных направлений развития методов защиты конструкций, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов;

— натурные обследования коллекторных тоннелей с установлением мест разрушения, вызванных коррозией арматуры, характера и степени разрушений и определением причин коррозии арматуры до и после ремонта;

— разработка оптимальных геометрических и электрохимических параметров, и определение условий эффективной работы применяемой системы защиты арматурного каркаса конструкций при ремонте,

— испытания разрабатываемой системы защиты и ее корректировка;

— научное обоснование и разработка технологических решений по установке протекторов в ребрах жесткости плит перекрытия в зависимости от их геометрических параметров, степени разрушений, засоленности, проницаемости, влажности;

— формирование наиболее экономичных и эффективных вариантов установки электрохимической защиты при ремонте конструкций в зависимости от условий эксплуатации

В соответствии с поставленными задачами осуществлен анализ современного состояния и приоритетных направлений развития методов защиты конструкций, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов Существующие технологические решения, а именно локальный ремонт тоннеля с нанесением специальных покрытий, катодная защита арматуры

с внешним источником тока, электрохимический метод извлечения хлоридов из бетона (обессоливание), ремонт с использованием ингибиторов коррозии, замена железобетонных элементов - не находят широкого применения при ремонте коллекторных тоннелей по причинам их сложности, трудоемкости и малой эффективности

Самой распространенной технологией поддержания коллекторных тоннелей на требуемом уровне надежности является технология локального ремонта

Проведенные натурные исследования отремонтированных участков коллекторных тоннелей показали после проведения ремонта влага продолжает поступать внутрь железобетонного элемента через дефекты и стройную структуру капиллярных пор бетона, а вместе с влагой и хлориды, не всегда удается удалить весь зараженный хлоридами бетон Это способствует образованию макроэлементов и коррозии арматуры

Одним из способов защиты арматуры в бетоне от воздействия хлоридов и предотвращения образования макроэлементов является применение катодной защиты с использованием гальванических анодов (электрохимическая защита с использованием протекторов) Этот способ не требует значительных подготовительных работ и дорогостоящего оборудования Однако эффективность работы электрохимической защиты зависит от окружающей среды

Учитывая широкое применение технологии локального ремонта коллекторного тоннеля и простоту монтажа протекторов в железобетонные элементы, экономически целесообразно совместно с технологией локального ремонта использовать электрохимическую защиту с применением протекторов Для этого требуется установить факторы, влияющие на работу электрохимической защиты в конструкциях коллекторных тоннелей, и подобрать наиболее оптимальные параметры, позволяющие разработать технологические операции по ремонту конструкций с установкой электрохимической защиты

В соответствии с поставленными задачами проведены натурные обследования коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций г Москвы,, а также проведены лабораторные исследования электрохимической защиты

Натурное обследование проводилось в два этапа на участках коллекторных тоннелей, возрастом от 5 до 50 лет, общей протяженностью 10 км

Первый этап натурных обследований, направленный на определение степени и причин коррозионных разрушений, включал в себя

- визуальное обследование, определение причины разрушения конструкций,

— определение температурно-влажностного режима эксплуатации,

- определение качественных характеристик бетона,

- привязка выявленных разрушений с поверхностью земли и их сопоставление с имеющимися категориями технического состояния;

- построение хлоридных профилей для плит перекрытия.

Второй этап натурных обследований включал в себя электрохимические методы испытаний для оценки состояния коррозии арматуры на момент исследования

Анализ результатов, полученных в ходе натурных исследований, позволил сделать следующие выводы.

Наиболее разрушаемые элементы конструкций коллекторного тоннеля -плиты перекрытия Все плиты перекрытия коллекторных тоннелей можно разделить на три вида: 1) с видимыми дефектами, 2) со скрытыми дефектами, 3) без дефектов.

Плиты перекрытия с видимыми дефектами характеризуются коррозией арматуры, наличием пятен ржавчины на поверхности железобетонных элементов, образованием трещин в защитном слое бетона, а также его отколом и разрушением.

Во всех случаях причиной разрушения плит перекрытия коллекторных тоннелей являлась коррозия арматурных стержней, вызванная воздействием СОг (30% обследованных конструкций) и хлоридов (70% обследованных конструкций), чему способствует эксплуатационная среда коллекторных тоннелей

Эксплуатационная среда характеризуется высокой изменчивостью, которая напрямую влияет па состояние железобетонных конструкций коллекторного тоннеля Максимальная относительная влажность воздуха внутри коллекторного тоннеля может достигать 98%, минимальная 60%, значения температуры воздуха колеблются от 4°С до 37°С Наибольшие колебания температуры и влажности воздуха отмечаются в зоне влияния вентиляционных камер

В результате значительных колебаний температурно-влажностного режима происходит увлажнение/высушивание бетона плит перекрытия, вследствие чего ухудшается его качество, а _ именно снижается прочность и увеличивается проницаемость

Прочность бетона плит перекрытия, расположенных рядом с вентиляционными камерами (28,25 МПа), ниже прочности бетона плит перекрытия, расположенных вне зоны воздействия вентиляционных камер (33,07

МПа) Однако прочность бетона на всех участках не уменьшилась ниже проектной (25 МПа)

Проницаемость бетона, оцененная через водопоглощение, показала, что среднее значение водопоглощения по всем обследованным коллекторным тоннелям составляет 7,1%, что свидетельствует о том, что водопроницаемость бетона ниже нормальной

Толщина защитного слоя бетона плит перекрытий коллекторных тоннелей колеблется от 5 мм до 60 мм Более 50 % плит перекрытий имеют недостаточный защитный слой - менее 20 мм

Плиты перекрытия, характеризующиеся значительными разрушениями, вызванные воздействием хлоридов, расположены под дорогами Отказ гидроизоляции коллекторных тоннелей под дорогами выше, чем вне дорог Плиты перекрытия с категорией технического состояния выше второй встречаются чаще под дорогами, чем вне дорог Особенно сильные разрушения плит перекрытий расположены под дорогами рядом с вентиляционными камерами

Лабораторный анализ проб бетона из ребер жесткости показал, что концентрация хлоридов в поверхностном слое бетона плит перекрытия, расположенных под дорогами, составила 0,2-2,4% от веса цемента (рис 1), вне дорог редко превышала 0,4% (рис 2) Максимальное значение содержания хлоридов вне дорог составило 1,2% от веса цемента

0,4 0,3

•30,1

0,28

0,11

0,15

0,18

0,17

0,11

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 % от веса цемента

Рис 1 Концентрация хлоридов в защитном слое бетона плит под дорогами

потенциально коррозионно-активная зона

0,1 0,2 0,3 0,4 более 0,4 % от Ёёса цемента

Рис 2 Концентрация хлоридов в защитном слое бетона плит перекрытия вне дорог Для начала коррозии арматурных стержней с учетом высокой проницаемости, малой толщинй защитного слоя бетона, высокой влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля достаточно небольшого количества хлоридов На основе анализа результатов проведенных исследований была получена зависимость начала коррозии арматуры в бетоне плит перекрытия (рис 3), определяемая визуально с помощью увеличительных приборов, от проницаемости бетона и содержания хлоридов, которая описывается уравнением

>- = 28,019 х'2™1 (1)

Сопоставление полученных значений показало, что 40% плит, расположенных вне дорог, находятся в коррозиояно-активной зоне, 35 % в потенциально активной (рис 2)

1,2

2 0,8 -

н о

. 0,6 в о

§• о,4 ^ 5

е 0,2

у =28,019х

0123456789 Водопоглощение бетона, % - коррозия арматуры в бетоне (начало)

Рис 3 Коррозия арматуры в бетоне (начало)

Распространение хлоридов в бетоне ребер жесткости плит перекрытия, исследованное путем составления хлоридных профилей и анализа измерения диаметров арматурных стержней, происходит не только со стороны стыка между плитами, но и с нижней поверхности ребра жесткости, что приводит к интенсивной коррозии всех арматурных стержней. Это позволило внести уточнение в физическую модель разрушений ребер жесткости плит перекрытия в результате коррозии арматурных стержней, вызванной воздействием хлоридов

С помощью построения карт распределения потенциалов на арматурных стержнях и удельного сопротивления бетона удалось определить плиты перекрытия с начавшейся коррозией арматурного каркаса без проявления дефектов на поверхности железобетонных элементов.

На плитах перекрытия без видимых" дефектов значение потенциала находилось в пределах (+20 - -411) мБ Из них 73% измерений показали, что арматурные стержни находятся в состоянии возможной коррозии, 17% измерений показали, что арматурные стержни уже находятся в состоянии коррозии

В основном (60%) низкое значение потенциала (менее -200 мВ) на арматурных стержнях приходилось на стержни, расположенные возле стыков между плитами перекрытия. 90% значений потенциалов на арматурных стержнях (менее -350 мВ) приходится на участки под дорогами

С помощью прибора «RESI» было оценено удельное сопротивление бетона, значения которого говорят об интенсивности коррозии. Порядка 20% значений, полученных с помощью прибора «RESI», превышают значение 20 кОм см, на этих участках интенсивность коррозии низкая, к участкам с диапазоном значений удельного сопротивления «5-20» кОм см (интенсивность коррозии повышенная) относятся 76% измерений Участки со значением ниже 5 кОм см (интенсивность коррозии очень высокая) составляют 8%.

Сопоставление результатов, полученных с помощью приборов «CANIN» и «RESI», с данными, полученными в ходе первого этапа исследований, выявило следующее.

- зависимость электрохимических параметров плит перекрытий (удельного сопротивления бетона и потенциала на арматурных стержнях) от качества бетона и засоленности конструкций (рис. 3 и 4),

- с помощью определения электрохимических параметров возможно определить плиты перекрытия с коррозией арматуры до проявления дефектов на поверхности.

О % 2,5-

н о У = 13,735х^Ш

-Я 04 я" о § Си О 5 О S цемента 2 ■ 1,5 ' 1 - У У У = 20,б42х'И1 = 43,115х2-53"

о ё ч 0,5 •

!§ 0- ■-- 1

О 2 4 6 8 10

Водопоглощение, % ♦ SkOmcM «ЮкОмсм а15кОмсм Х20к0мсм

Рис 4 Зависимость удельного сопротивления бетона от проницаемости и

засоленности бетона При проведении локального ремонта железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию хлоридов, требуется удалить весь загрязненный хлоридами бетон, что является трудоемкой задачей и приводит к дополнительным затратам Примерно до 70% времени тратится при ремонте на подготовительные работы При выборе мест, где удаляют бетон, руководствуются визуальным осмотром, в результате которого не всегда возможно определить места с высокой проницаемостью бетона (где интенсивность коррозии наибольшая), вследствие этого ремонт на этих участках не проводится или проводится, но включает только окраску поверхности С течением времени (1-3 года) в этих местах образуются видимые дефекты

Определение плит перекрытия с начавшейся коррозией арматуры, вызванной воздействием хлоридов, без проявления дефектов на поверхности позволяет принять меры по защите конструкций с минимальными затратами.

В результате проведенных лабораторных исследований выяснилось, что максимальная эффективность работы одного протектора (длина участка ребра жесткости, на арматурных стержнях которого устанавливается защитный потенциал «-850 мВ») может достигать 40 см Рассчитана (согласно закону Фарадея) долговечность протектора, зависящая от его массы

Разработаны оптимальные геометрические параметры и форма протектора, учитывающие конструкционные параметры коллекторного тоннеля и технологию установки протекторов

Основными параметрами, влияющими на эффективность работы протектора, являются проницаемость бетона, выраженное через его удельное сопротивление, его засоленность (содержание хлоридов в защитном слое бетона)

Получены значения длины участка арматурных стержней, на которых устанавливается защитный потенциал, в зависимости от величины удельного сопротивления бетона (табл 1)

Таблица 1

Длина участка, на котором устанавливается защитный потенциал при различном удельном сопротивлении бетона

Удельное сопротивление бетона, кОм см Менее 5 5-10 10-15 15-20 Более 20

Длина участка, см До 40 До 30 До 25 До 20 До ю

На основании полученных результатов натурных и лабораторных исследований установлено, что возможно разработать технологию ремонта плит перекрытий в тоннелях, разрушающихся в результате воздействия хлоридов, с использованием электрохимической защиты

В диссертации представлены результаты масштабного эксперимента ремонта коллекторных тоннелей с установкой электрохимической защиты

Масштабный эксперимент проводился в обследованных коллекторах на участках с различными условиями эксплуатации В ремонтируемые плиты перекрытия устанавливались протекторы различной массы и с различным интервалом, подобранным в ходе лабораторных исследований (табл 1), а также с интервалом 50 и 60 см

На основании существующей классификации, показывающей степень повреждения конструкций (категория технического состояния), создана последовательная схема ремонта и защиты поврежденного железобетона плит перекрытия Анализ технологических вариантов восстановления плит перекрытия, опыт лабораторных экспериментов позволили определить момент, на котором следует устанавливать электрохимическую защиту.

На основании результатов исследования отремонтированных участков коллекторных тоннелей, с учетом конструктивных особенностей плит перекрытая и физической модели разрушения ребер жесткости при воздействии хлоридов были разработаны и применены в масштабном эксперименте несколько схем установки протекторов в плиты перекрытия

А) при распространении хлоридов с нижней поверхности ребра жесткости и коррозии всех арматурных стержней;

Б) при интенсивной коррозии крайних (возле шва) арматурных стержней,

В) при интенсивной коррозии всех арматурных стержней и при заражении бетона хлоридами на глубину, превышающую глубину расположения арматурных стержней;

Г) комбинированная установка протекторов по схемам (А) и (Б).

Проведенный масштабный эксперимент выявил, что самым трудоемким

способом ремонта является ремонт плит перекрытия с установкой протектора по

схеме (В). Затраты времени на ремонт ребра жесткости по различным схемам

установки протектора (А,Б,В,Г), в том числе и по «старой» технологии без

установки протекторов, представлены на рис. 5.

_ Варьируется в

зависимости от дефектов

«Старая» технология, б Ремонт по варианту «В» Ремонт по варианту «Г» Ремонт по варианту «Б»

Ремонт по варианту «А»

з установки протекторов

Допустимый предел затрат времени

Время на ремонт одного ребра жесткости, мин.

Рис. 5. Затраты времени на ремонт ребра жесткости При сравнении затрат времени ремонта конструкций с монтажом электрохимической защиты (по разрабатываемой технологии) и без монтажа (по «старой» технологии) выяснилось, что общее время ремонта конструкций с монтажом электрохимической защиты сократилось до 60%, за счет сокращения затрат времеии на удаление старого зараженного хлоридами бетона.

Установку протекторов по схеме (Б) целесообразно проводить в плиты перекрытия с имеющимися протечками и начавшейся коррозией арматурного каркаса (в основном II категория технического состояния). Данный способ требует самых минимальных затрат времени и материалов (рис. 5, 6, 7).

Самой распространенной схемой установки протектора оказалась установка по схеме (А), так как ее возможно применять в плитах перекрытия с различными категориями технического состояния и в зависимости от степени дефектов возможно минимизировать затраты времени по установке протекторов (рис. 5, 7).

1000

и «Г ¿i 900 -

Й га 800 ■

i «J о 700 -

cd 2 600 •

500

= 0,001х3 - 0^273x2 + 17,957x± 302,61

y = 0,0009x - 0,202x + 15,962x+ 268,99

O 20 40 60 80 100 120 140 Масса протектора, г

♦ расход активатора при установке протектора под швом между плитами

■ расход активатора при установке протектора под нижней поверхностью ребра жесткости

Рис 6 Расход активатора при изменении массы протектора

60 80 Масса протектора ♦ для V категории »

А для Ш категории ж дня V категории под швом + для Ш категории под швом — — установка под нижней поверхностью ребра

100

120

140

для IV категории дня П категории для IV категории под швом для П категории подшвом -подшвом между плитами

Рис 7 Затраты времени на установку протекторов различной массы При проведении масштабного эксперимента были определены расход времени и материала активатора, затрачиваемые на установку протекторов различной массы в штаты перекрытия с различной степенью повреждений. На основании результатов измерений были построены зависимости (см рис 6, рис 7) Анализ этих зависимостей показал, что при использовании протекторов

массой 51, 71 и 90 г затраты материала активатора отличаются на 5% (величина ошибки), и что чем ниже (II) категория технического состояния плит перекрытий, тем меньше времени требуется на монтаж электрохимической защиты. Это возможно объяснить тем, что высокая категория технического состояния плит перекрытий (IV или V) обусловливает наличие большого объема бетона, зараженного хлоридами. Время, затрачиваемое на монтаж протекторов массой 51, 71 и 90 г, отличается на 3-7%.

Анализ времени, затрачиваемого на каждую из операций по монтажу электрохимической защиты (рис. 8), показывает, что наибольшую часть времени монтажа занимает время, затрачиваемое на удаление старого зараженного хлоридами бетона (в среднем 56%). На втором месте — операция по восстановлению геометрии ребра жесткости (в среднем 15%), затем операция по очистке арматуры (12%), операция по нанесению активатора (10%) и на последнем месте операция по подсоединению протектора (7%).

15%

а 1 разбивка бетона ■ 2 очистка арматурного каркаса

□ 3 подсоединение протектора □ 4 заделка активатором

■ 5 восстановление геометрии ребра жесткости

Рис. 8. Усредненные затраты времени на каждую из операций по монтажу электрохимической защиты Учитывая сравнительно одинаковое время на монтаж протекторов (массой 51, 71, 90 г) и расход материала активатора (см. рис. 6 и 7), целесообразно в зависимости от эффективности электрохимической защиты в течение времени выбрать наиболее эффективную массу протектора. Для этого и для выявления влияния окружающей среды на установленную электрохимическую защиту проведен ее мониторинг, длившийся в течение 1,5 лет.

При анализе результатов мониторинга выяснилось, что после установки протекторов в плиты перекрытия потенциал на арматурных стержнях сместился в более отрицательную сторону. При этом на протекторе величина потенциала была менее значения потенциала на арматурных стержнях (рис. 9).

Разница значений потенциалов на арматурных стержнях и протекторе сохранялась на протяжении всего срока мониторинга, что свидетельствовало о

наличии тока между протектором и арматурой, останавливающего коррозию арматуры

Контроль измерений удельного сопротивления выявил, что на изменения его значений оказывают влияние относительная влажность воздуха внутри коллекторного тоннеля (рис 10), концентрация хлоридов в защитном слое бетона (рис 11) Незначительное влияние на изменение удельного сопротивления бетона оказывает температура воздуха внутри коллекторного тоннеля (рис 12)

Рис

100 200 300 400 500

Время, дни

ф значение потенциала на арматурном стержне * значение потенциала на протекторе

9 Изменение потенциала на арматурном стержне и на протекторе

25 •

20 а 15

1 10

5 0

50 60 70 80 90 100 110

Ошосит влажность воздуха, —♦—С1,1% отвеса цемента —■—0,65% -йг-0,30% —X—0,15%

Рис 10 Влияние относительной влажности воздуха По окончании мониторинга были вскрыты арматурные стержни плит перекрытий, где не производилась установка протекторов и где установка производилась В первом случае обнаружены продукты коррозии арматурных стержней (ржавчина) Во втором случае следов коррозии не обнаружено

Взвешивание протекторов показало, что их вес уменьшился, причем уменьшение веса зависит от интервала установки протекторов и удельного сопротивления бетона На основании результатов взвешивания и интервалов

установки протекторов были получены зависимости для каждого из удельных сопротивлений бетона и построены графики изменений

5 25 %

я 20 а

1 15

10 -

5 15 1

2 ю

у = -3,3307х + 17,562х - 32,989х+ 24,043

0,5 1 1,5 2 2,5

С1, % от веса цемента

Рис 11 Влияние концентрации хлоридов

X-К-X-X—.

А-йг-А ■■'■■■■

—"-'-1-■-1—

10 15 20 25 30 Температура воздуха, IС

-С1,1% отвеса цемента •

- 0,65% 0,30%

-0,15%

Рис 12 Влияние температуры на удельное сопротивление бетона При установке протекторов с большим интервалом, чем требуется при соответствующем удельном сопротивлении бетона (лабораторные исследования), образуются участки арматурных стержней, на которых значение потенциала менее значения потенциалов на протекторе Вскрытие арматуры показало, что на этих участках происходит коррозия с образованием ржавчины

В результате мониторинга выяснилось, что реальный срок работы протектора не совпадает с расчетным и зависит от внутренней среды коллекторного тоннеля На основании данных мониторинга' были получены реальные сроки работы протектора для различной относительной влажности воздуха внугри коллекторного тоннеля, и была скорректирована его долговечность с помощью коэффициентов При высокой относительной влажности воздуха (более 95%) значение коэффициента составляет 0,86, при

относительной влажности воздуха 85-95% - 0,9, менее 85% коэффициент 1,15 (табл 2)

Таблица 2

Долговечность протекторов различной массы в зависимости от относительной влажности воздуха

№ п/п Масса протектора, грамм Расчетный срок эксплуатации, год При относ влажности воздуха менее 85% При относ влажности воздуха 8595% При относ влажности воздуха более 95%

1 51 0,31-1,55 0,36-1,78 0,28-1,4 0,27-1,33

2 71 0,57-2,89 0,66-3,32 0,51-2,6 0,49-2,49

3 90 0,91-4,43 1,05-5,09 0,82-3,99 0,78-3,81

4 109 1,33-6,8 1,53-7,82 1,2-6,12 1,14-5,85

5 128 1,82-9,2 2,09-10,58 1,64-8,28 1,57-7,91

Коэффициенты 5,15 0,9 0,86

При высокой проницаемости бетона на его удельное сопротивление

оказывает влияние относительная влажность воздуха внутри коллекторного тоннеля, которая характеризуется высокой изменчивостью. То есть при установке протекторов в бетон с одним значением удельного сопротивления в результате увеличения относительной влажности произошло снижение удельного сопротивления бетона, что увеличило интенсивность коррозии и, как следствие, расход протектора

. Анализ результатов, полученных в ходе масштабного эксперимента, позволил внести корректировку в технологию ремонта, а именно

- при удельном сопротивлении бетона менее 5 кОмсм интервал установки должен быть 50 см, масса протектора должна быть максимально принятой для проводимого исследования;

- при удельном сопротивлении бетона 5-10 кОмсм интервал установки протекторов должен быть 40 см,

- при удельном сопротивлении бетона от 10 кОм см и выше интервал установки протекторов должен быть принят согласно табл 1,

- установка протекторов при распространении хлоридов с нижней поверхности ребра жесткости и при высокой (IV, V) категории технического состояния плит перекрытия целесообразна под арматурными стержнями,

- скорректированы расчетные сроки службы протекторов в зависимости от удельного сопротивления бетона и высокой относительной влажности воздуха коллекторного тоннеля (табл 2), с помощью коэффициентов, полученных в ходе мониторинга

Натурные, лабораторные и экспериментальные исследования закономерностей функционирования системы «окружающая среда — электрохимическая защита - конструкция коллекторного тоннеля» позволили разработать технологию ремонта и защиты строительных конструкций подземных сооружений, разрушающихся под воздействием хлоридов

Скорректированная технология ремонта коллекторных тоннелей позволяет сократить затраты ресурсов и времени, что способствует экономической эффективности разработанной технологии

В диссертации приведена экономическая оценка разработанной технологии локального ремонта с установкой электрохимической защиты

Экономическая эффективность при ремонте плит перекрытия коллекторных тоннелей (Кутузовский, Садово-Кудринский, Таганский, Проектируемый, Котельнический) составила 810 ООО рублей в ценах 2007 года, это означает, что разработанная технология на 22% дешевле «старой» технологии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению зависимостей технического состояния конструкций коллекторных тоннелей от влияния хлоридов, совокупность которых может квалифицироваться как решение задачи обоснования и разработки технологии ремонта конструкций подземных сооружений, что имеет существенное значение для поддержания на требуемом уровне надежности и сокращения ремонтных затрат

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 На основе анализа современного состояния методов защиты конструкций, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, установлено, что одним из оптимальных вариантов защиты является рациональное сочетание технологии локального ремонта конструкций и применение катодной защиты с использованием гальванических анодов

2 На основании анализа результатов обследования коррозионного состояния конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, установлены основные факторы окружающей среды, инициирующие коррозию арматурных стержней малая толщина защитного слоя бетона (менее 20 мм), высокая проницаемость бетона (среднее значение водопоглощения - 7,1%), высокая изменчивость относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля (колебания от 60% до 98%), которые способствуют распространению хлоридов в плите перекрытия

Установлено, что даже при малой концентрации хлоридов в защитном слое бетона происходит инициация коррозии стальной арматуры в плитах перекрытия, Которые являются наиболее слабым звеном функционирования системы «окружающая среда - технология ремонта — подземное сооружение»

3 Установлено, что хлориды, проникая с грунтовой влагой через дефектную гидроизоляционную мембрану, стекают на нижнюю поверхность ребра жесткости, где под воздействием капиллярного подсоса и в результате колебания относительной влажности воздуха проникают к арматурным стержням На основании этого получена физическая модель разрушений ребер жесткости плит перекрытия, вызванных воздействием хлоридов как при коррозии только крайних (возле стыка между плитами арматурных стержней), так и при коррозии всех арматурных стержней

4 Получены наиболее эффективные длины участков ребра жесткости, на которых устанавливается защитный потенциал («-850» мВ) и которые зависят от параметра бетона (его удельного сопротивления) менее 5 кОм см - до 50 см, 5-10 кОм см — до 40 см, 10-15 кОм см-до 25см; 15-20 кОм см-до 20 см

5 Обоснованы и разработаны варианты установки протекторов в ребра жесткости плит пересытил, учитывающие их геометрические параметры, степень разрушения, засоленность и т д Научно обоснована технология ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры, включающая использование наиболее экономичных и эффективных вариантов установки протекторов под арматурными стержнями и в стыках между плитами До настоящего времени поддержание конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, на заданном уровне надежности осуществлялось с помощью локального ремонта сооружения

6 Установлены зависимости расхода активатора и времени установки протектора от его массы, которые учитывают схему установки протекторов (в зависимости от варианта распространения хлоридов) и степень разрушений плит перекрытия коллекторных тоннелей Показано, что при установке протекторов массой 51, 71 и 90 г целесообразно устанавливать протектор массой 90 г — как наиболее экономичный и долговечный (до 5 лет) При требовании срока эксплуатации более 10 лет рекомендуется установка протектора массой 128 г

7 В ходе испытания разрабатываемой системы защиты были получены коэффициенты, позволившие скорректировать расчетный срок работы протектора и зависящие от относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля

При относительной влажности воздуха менее 85% значение коэффициента составляет 1,15, при влажности 85-95% - 0,9, при влажности более 95% - 0,86

8 Разработана технологическая карта ремонта конструкций коллекторных тоннелей с использованием электрохимической защиты с применением протекторов Данная технологическая карта утверждена ГУЛ «Москоллектор»

9. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии на предприятии ГУЛ «МосколЛектор» по сравнению с вариантом по технологии без использования электрохимической защиты составил 810 ООО рублей

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах автора

Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки России

1 Дымбренов Т.Н. Электрохимическая защита железобетонных конструкций подземных сооружений от воздействия хлоридов с помощью протекторов//Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005 -№12 -С 31-37

2 Дымбренов Т.Н. Диагностика Котельнического коллекторного тоннеля и ремонт плит перекрытия с помощью электрохимической защиты бетона с применением протекгоров//Горный информационно-аналитический бюллетень -2005 -№12 -С 35-42

Прочие издания

1. Дымбренов Т.Н., Кириленко A.M., Шилин A.A. Применение электрохимической защиты при ремонте конструкций коллекторного тоннеля// II Международная конференция «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» - Екатеринбург Изд УГГУ. - 2007 — С. 6870

2 Дымбренов ТЛ. Обоснование применения дополнительной меры защиты при ремонте конструкций подземных сооружений, разрушающихся под воздействием хлоридов// П Всероссийская (Международная) конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития» - М. Дипак,-200,5 -Т 4 -С 628-634

3 Шилин A.A., Дымбренов Т.Н., Немков С.А. Способ протекторной защиты железобетонных конструкций/УПатент на изобретение №2299955, зарегистрировано 27 05 2007 г.

Подписано в печать М М' Of Формат 60x90/16 Объем 1 п л Тираж 100 экз Заказ №

Типография МП У Москва, Ленинский пр, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Дымбренов, Тимур Николаевич

Введение

1. Анализ состояния и методов поддержания конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры, под воздействием хлоридов на ранней стадии эксплуатации.

1.1. Характеристика конструкций коллекторных тоннелей инженерных коммуникаций.

1.2. Основные виды повреждений конструкций коллекторных тоннелей, образующихся в результате воздействия агрессивных сред.

1.3. Анализ применения существующих методов ремонта железобетонных конструкций, разрушающихся под воздействием хлоридов, в подземных сооружениях.

1.4. Выводы и постановка задачи исследования.

2. Натурные исследования коллекторных тоннелей.

2.1. Цель и методика проведения натурных исследований.

2.1.1. Цель натурных исследований.

2.1.2. Методика натурных исследований.

2.2. Результаты, полученные в ходе натурных исследований коллекторных тоннелей.

2.3. Выводы.

3. Лабораторные исследования электрохимической защиты с использованием протекторов.

3.1. Цель лабораторных исследований. Основные положения электрохимической защиты с использованием протекторов.

3.2. Методика лабораторных исследований.

3.3. Результаты, полученные в ходе лабораторных исследований 80 3.8. Выводы.

4. Разработка технологии поддержания конструкций подземных сооружений разрушающихся на ранней стадии эксплуатации под воздействием хлоридов.

4.1. Общие положения по разработке технологии ремонта.

4.2. Разработка методики расчета электрохимической защиты плит перекрытия.

4.3. Технологические варианты восстановления плит перекрытия, коллекторного тоннеля, разрушающихся под воздействием агрессивных сред.

4.4. Схема установки протекторов в плиты перекрытия коллекторных тоннелей в зависимости от условий эксплуатации.

4.5. Восстановление ребер жесткости плит перекрытия коллекторных тоннелей, разрушающихся под воздействием хлоридов.

4.6. Результаты мониторинга электрохимической защиты установленной в плиты перекрытия.

4.7. Разработка технологии ремонта коллекторного тоннеля с установкой электрохимической защиты.

4.8. Экономическая оценка технологии ремонта с применением электрохимической защиты.

4.9. Выводы. 137 Заключение. 137 Список литературы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры"

За последние годы проблеме коррозии стали в бетоне под воздействием различных агрессивных сред уделяется все больше внимания. Масштабное применение железобетонных конструкций подземных сооружений и ограничение их сроков службы под воздействием агрессивных сред, в том числе и ионов хлоридов, обусловили увеличение объемов работ по ремонту и восстановлению.

Подземные сооружения, в частности коллекторные тоннели общей протяженностью, по данным ГУП «Москоллектор», 480 км только в г. Москве (из них 10% коллекторы со щитовой проходкой и 90% со сборной обделкой), часто располагаются под дорогами и подвергаются наибольшему воздействию различных солей и растворов, в том числе содержащих хлориды. Это воздействие и повышенное содержание СО2 в подземных сооружениях, вызывающее карбонизацию защитного слоя бетона, являются причинами коррозии арматуры, в результате которой разрушается бетон и снижается несущая способность конструкций.

Опыт обследования коллекторных тоннелей показал, что 30% плит перекрытия разрушается в результате воздействия СО2 и 70% в результате воздействия хлоридов, то есть происходит отказ сооружения через 10-15 лет после начала эксплуатации, это в 5 раз меньше проектного срока.

Для поддержания конструкций на требуемом уровне надежности необходимо выполнять профилактические мероприятия и ремонтные работы. В большей степени в практике ремонтных работ используется технология локального ремонта железобетона, которая не учитывает воздействие хлоридов, на долю, которой приходится до 85% всех объемов ремонтных работ в тоннелях г. Москвы. Ремонт стараются осуществлять после выполнения гидроизоляционных работ и снятия нагрузок на конструкцию. Однако в подземных сооружениях и, в частности в коллекторных тоннелях, производство таких работ не всегда возможно. Их можно осуществить чаще всего только изнутри сооружения, что не позволяет полностью защитить конструкцию от воздействия воды и хлоридов, которые проникают в элементы сооружения извне. Накопление в конструкции хлоридов и особенно их неравномерное распределение на отремонтированном участке способствуют продолжению процесса коррозии металла.

Наиболее перспективной задачей, решение которой направлено на поддержание конструкций подземных сооружений, разрушающихся из-за коррозии арматуры под воздействием хлоридов, является разработка технологии ремонта с применением элементов катодной защиты, а именно электрохимическая защита с использованием протекторов.

В исследованиях, направленных на поддержание конструкций, разрушающихся под воздействием хлоридов, и выполненных в НИИЖБ, ЦНИИС, МГСУ, ЦНИИСК, ФГУП «Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона», ЮУГУ, American Concrete Institute, Technical Research Centre of Finland и многих других организациях, не учитывается специфика подземных сооружений, а именно не всегда возможно выполнить гидроизоляцию подземных сооружений по всему контуру и снять все нагрузки с ремонтируемых конструкций. Также в этих работах недостаточно изучены технологические разработки, позволяющие реализовать научный потенциал эффективных и надежных сочетаний известных на сегодняшний день технологий и способов защиты.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Уточнен механизм коррозионного разрушения арматуры в железобетонных элементах обделки коллекторных тоннелей, вызванный воздействием хлоридов, отличающийся учетом распространения хлоридов не только со стороны стыка между плитами, но и с нижней поверхности ребра жесткости, что приводит к увеличению объемов ремонтных работ.

2. Установленная зависимость интенсивности коррозии арматуры в плитах перекрытия, выраженная через удельное электросопротивление бетона, от величины его проницаемости и концентрации хлоридов в защитном слое, является определяющей при выборе технологии ремонта конструкций тоннеля и позволяет определить основные параметры электрохимической защиты: шаг установки протекторов от 10 до 50 см и массу протектора от 51 до 128 г.

Новизна работы:

1. Научно обоснованы и разработаны параметры технологии ремонта обделки коллекторного тоннеля, разрушающейся в результате коррозии арматуры, учитывающие воздействие хлоридов и основанные на свойствах катодной защиты. Впервые в натурных условиях установлены зависимости, определяющие количество, массу и схему расположения элементов катодной защиты (протекторов) с учетом распространения хлоридов и состояния плит перекрытий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

Научное значение работы заключается в комплексном учете влияющих факторов на параметры технологии поддержания конструкций подземных сооружений на требуемом уровне надежности, разрушающихся под воздействием хлоридов.

Реализация выводов и рекомендаций. Технология ремонта конструкций подземных сооружений с использованием электрохимической защиты, включающей установку протекторов, применена в ГУП "Москоллектор" для защиты конструкций плит перекрытий коллекторного тоннеля «Садово-Кудринский», «Таганский», «Проектируемый», «Кутузовский», «Котельнический», «Башиловский», находящихся в предаварийном и аварийном режимах эксплуатации в результате воздействия хлоридов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и получили одобрение на II Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон, пути развития» (2005 г.), на техническом заседании ГУП «Москоллектор» (2006 г.), на научных семинарах кафедры СПСиШ Московского государственного горного университета (2005-2007 гг.).

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 37 рисунков, 17 таблиц и список использованной литературы из 115 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Дымбренов, Тимур Николаевич

4.9. Выводы.

1. Обоснованы и разработаны варианты установки протекторов в ребра жесткости плит перекрытия, учитывающие их геометрические параметры, степень разрушения, засоленность и т.д. Наиболее экономичными и эффективными являются варианты установки в стыках между плитами и под арматурными стержнями.

2. Установленные зависимости расхода активатора и времени установки протектора от их массы, учитывающие схему установки протекторов (в зависимости от варианта распространения хлоридов) и степень разрушений плит перекрытия коллекторных тоннелей, показали, что при установке протекторов массой 51, 71 и 90 г, целесообразно устанавливать протектор массой 90 г - как наиболее экономичный и долговечный (до 5 лет). При требовании срока эксплуатации (более 10 лет) рекомендуется установка протектора массой 128 г.

3. В ходе испытания разрабатываемой системы защиты были получены коэффициенты, позволившие скорректировать расчетный срок работы протектора и зависящие от относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля. При относительной влажности воздуха менее 85% значение коэффициента составляет 1,15, при влажности 85-95% - 0,9, при влажности более 95% - 0,86.

Заключение.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа современного состояния методов защиты конструкций, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, установлено, что одним из оптимальных вариантов защиты является рациональное сочетание технологии локального ремонта конструкций и применение катодной защиты с использованием гальванических анодов.

2. На основании анализа результатов обследования коррозионного состояния конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, установлены основные факторы окружающей среды, инициирующие коррозию арматурных стержней: малая толщина защитного слоя бетона (менее 20 мм), высокая проницаемость бетона (среднее значение водопоглощения - 7,1%), высокая изменчивость относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля (колебания от 60% до 98%), которые способствуют распространению хлоридов в плите перекрытия. Установлено, что даже при малой концентрации хлоридов в защитном слое бетона происходит инициация коррозии стальной арматуры в плитах перекрытия, которые являются наиболее слабым звеном функционирования системы «окружающая среда - технология ремонта -подземное сооружение».

3. Установлено, что хлориды, проникая с грунтовой влагой через дефектную гидроизоляционную мембрану, стекают на нижнюю поверхность ребра жесткости, где под воздействием капиллярного подсоса и в результате колебания относительной влажности воздуха проникают к арматурным стержням. На основании этого получена физическая модель разрушений ребер жесткости плит перекрытия, вызванных воздействием хлоридов: как при коррозии только крайних (возле стыка между плитами арматурных стержней), так и при коррозии всех арматурных стержней.

4. Получены наиболее эффективные длины участков ребра жесткости, на которых устанавливается защитный потенциал («-850» мВ) и которые зависят от параметра бетона (его удельного сопротивления): менее 5 кОм-см - до 50 см; 5-10 кОм-см - до 40 см; 10-15 кОмсм - до 25см; 15-20 кОм-см - до 20 см.

5. Обоснованы и разработаны варианты установки протекторов в ребра жесткости плит перекрытия, учитывающие их геометрические параметры, степень разрушения, засоленность и т.д. Научно обоснована технология ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры, включающая использование наиболее экономичных и эффективных вариантов установки протекторов под арматурными стержнями и в стыках между плитами. До настоящего времени поддержание конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры под воздействием хлоридов, на заданном уровне надежности осуществлялось с помощью локального ремонта сооружения.

6. Установлены зависимости расхода активатора и времени установки протектора от его массы, которые учитывают схему установки протекторов (в зависимости от варианта распространения хлоридов) и степень разрушений плит перекрытия коллекторных тоннелей. Показано, что при установке протекторов массой 51, 71 и 90 г целесообразно устанавливать протектор массой 90 г - как наиболее экономичный и долговечный (до 5 лет). При требовании срока эксплуатации более 10 лет рекомендуется установка протектора массой 128 г.

7. В ходе испытания разрабатываемой системы защиты были получены коэффициенты, позволившие скорректировать расчетный срок работы протектора и зависящие от относительной влажности воздуха внутри коллекторного тоннеля. При относительной влажности воздуха менее 85% значение коэффициента составляет 1,15, при влажности 85-95% - 0,9, при влажности более 95% - 0,86.

8. Разработана технологическая карта ремонта конструкций коллекторных тоннелей с использованием электрохимической защиты с применением протекторов. Данная технологическая карта утверждена ГУП «Москоллектор».

9. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии на предприятии ГУП «Москоллектор» по сравнению с вариантом по технологии без использования электрохимической защиты составил 810 000 рублей.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дымбренов, Тимур Николаевич, Москва

1. Лямин А.А., Скворцов А.А. Строительные конструкции тепловых сетей из сборных железобетонных деталей. М.: Стройиздат. -136 с.

2. Правила технической эксплуатации городских коммуникационных тоннелей. М.:МАДИ, 1982. - 66с. 62.

3. Технические правила на проектирование, строительство и приемку в эксплуатацию городских коллекторов для инженерных коммуникаций в г. Москве.-М.:Мосинжпроект, Главмосархитектуры. 1991 г.

4. Регламент выполнения ГУП «Москоллектор» работ по технической эксплуатации коммуникационных коллекторов в городе Москве, Комплекс городского хозяйства, Москва, 2001.

5. Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях. М.: Стройиздат, 1969. 151 с.

6. Шилин. А.А. Обоснование стратегии и разработка конформативной технологии технической эксплуатации подземных сооружений: Дисс. докт. техн. наук. Москва, 2001 г.

7. Кириленко A.M., «Обоснование и разработка методики расчета эксплуатационной надежности подземных строительных конструкций коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций», Дисс. канд. техн. наук. -М. 1994 г.-164 с.

8. Картузов Д.В., «Обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций городских подземных сооружений с резервом по несущей способности»; дисс. канд. техн. наук. М. 2003. - 150 с.

9. Алексеев С.И. Коррозия и защита арматуры в бетоне 2-е изд., перераб.- М.: Стройиздат, 1968.- 231 с.

10. Алексеев С. И., Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде Стройиздат, 1976.- 205 с.

11. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А., под общ. ред. Москвина В.М., Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. - 536 с.

12. Шилин А.А., Кириленко A.M., Дымбренов Т.Н., Закоршменный А.И. Исследование состояния конструкций коллекторного тоннеля «Костомаровский». Деп. рук. справка №11982. М.: ФГУП «ВНИИНТПИ», Библиографический указатель депонирования рукописей. 2005, №1.

13. Рекомендации по оценке состояния железобетонных конструкций при эксплуатации в агрессивных средах // НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1984. - 34 с.

14. Burdekin, F.M. and Rothwell, G.P. Survey of corrosion and stress corrosion in prestressing components used in concrete structures with particular reference to offshore applications/ Slough 1981, Cement and concrete Association. 36 pp.

15. Коррозия арматуры и долговечность железобетонных мостов/ТПП УССР Харьк. Отд-ие. N А 895/7. - Харьков, 30.09.86. - 22 е.: ил. - Пер. ст. Vassie Р.К. из журнала Corrosion Prevention and Control. - 1985, vol. 32, N 3. -P.43-49. - Библиогр.: С. 22.

16. Коррозия арматуры/СКФ ВЦП. N РИ-56174. - 14 е.: ил. - Пер. ст. Nevill А.из журн. Concrete. - 1983, vol. 17, N6. - P. 48-50. Библиогр. - с 14.

17. Обзор по коррозии стальной арматуры в бетоне / СКФ ВЦП. N РН-56778 - 7 е.: ил. - Пер. статьи Wittekind Р. Из журн. Concrete. - 1983, vol.17, N6. -P. 13-15. Библиогр. с. 7.

18. Corrosion of steel in Concrete / Rep. of Techn. Comm. 60-CSC RILEM.141

19. Ed. Schiessl P. L and N.Y.: - Chapman and Hall, 1981. - 98 p.

20. Uji K., Matsuoka Y., Maruya T. Formulation of an equation for surface chloride content of concrete due to permeation of chloride // Corrosion of reinforcement in concrete, 3d Int. Symp. L., N.Y.: Elsevier appl. Sci - 1990. - P.258-267.

21. Гордон C.C. Прогноз долговечности железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 1992. - N 6. - С. 23-25.

22. Полак. А.Ф. Расчет долговечности железобетонных конструкций. Учебное пособие. Уфа: Изд-во УНИ, 1983 - 183 с.

23. Vesikari Е. Service life of concrete structures with regard to corrosion of reinforcement./Techn.Res.centre of Finland, Research Report N553-Espoo,1988-53p.

24. Шилин А.А., Гусев A.C., Кириленко A.M., Павлов O.H. Эксплуатация и ремонт несущих конструкций тоннелей инженерных коммуникаций. Долговечность и защита конструкций от коррозии. Строительство, реконструкция //Международная конференция, 1999.

25. Broomfield John P. Corrosion monitoring//Concrete Engineering International, March 1998.

26. Broomfield John P. Corrosion of steel in concrete, Understanding, investigation and repair. London.: E and FN SPON, 1997. - 240 p.

27. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии./ Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 48 с.

28. Картозия Б.А. Научное обоснование подземного строительства. Избранные руды ученых московского государственного горного университета./ Издательство Академии горных наук. М.: 2001. 350 с.

29. Pullar-Strecker P. Corrosion damaged concrete assessment and repair. -Ciria, Butterworths, London, 1998.

30. Guang-Nan Fanjiang, Michael Mazzuca, Lin Nathan, Robin Pawson. Tunnel takes cathodic protection.// Civil engineering// November

31. ASTM International. Standart Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, ASTM С876-9Ц1999)/ Book of Standards, Volume 03.03. West Conshohocken, Pa., 1999.

32. ASTM International. Standart Test Method of Measurements of Soil REsistivity Using the Wenner Four-Electrode Method, ASTM G57-95a(2001)/ Book of Standards, Volume 03.02. West Conshohocken, Pa., 2001a.

33. Polder R., Andrade C., Elsener В., Gulikers J. Test methods for on site measurements of resistivity of concrete.// Materials and Structures // Vol. 33, December 2000, pp 603-611.

34. Elsener В., Andrade C., Gulikers J., Polder R. and Raupach M. Half-cell potential measurements Potential mapping on reinforced concrete structures.// Materials and Structures // Vol. 36, August-September 2003, pp 461-471.

35. Paul Chess and Frits Gronvold. Corrosion investigation a guide to half cell mapping./ Thomas Telford Publishing, 1996.

36. NACE, 1990, Standard RP0290-90 Cathodic protection of reinforcing steel in Atmospherically Exposed Structures.

37. Concrete Society, 1989, Cathodic protection of reinforced concrete./ Tech Report no.36, Concrete Society & Corrosion Engineering Association.

38. CUR, 1996, Kathodische bescherming van wapening in betonconstru' (Cathodic protection of reinforcement in concrete structures), CUR Tecb Recommendation 45, Gouda, in Dutch.

39. G. K. Glass, A. M. Hassanein and N. R. Buenfeld, Cathodic protection of steel in concrete/ Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College, London, SW7 2BU, http:// www.concrete.cv.ic.ac.uk

40. Bertolini L., Pedeferri P., T. Pastore, Bazzoni B. Macrocell effects on potential Measurements in concrete in concrete cathodic protection systems. Corrosion143

41. Engineering / Vol. 52, no 7/ 1995. p. 552-557.

42. Page C.L., Yu S.W., 1995, Potentials effects of Electrochemical Desalination of Concrete on Alkali Silica Reaction, Magazine of concrete Research, 47, P. 23-31.

43. Steven F. Understanding Corrosion and Cathodic Protection of Reinforced Concrete Structures./ Daily Corrpro Companies, Inc.//http://www.corrpro.com/

44. Steve Kahl, Electrochemical chloride extraction./ Technical Report No. R-1384, February 2001, Michigan Department of Transportation Construction and Technology Division.

45. Методические рекомендации по исследованию ингибиторов коррозии арматуры./ Научно-исследовательский институт бетона и железобетона Госстроя СССР,/ 1980.

46. Gianetti F. Corrosion inhibitor // Concrete Engineering International, March 1998.

47. Fischer, H.: Inhibition und Inhibitoren. In: Werkstoffeund Korrosion (1955), Nr. 1,S. 26-32.

48. ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Метод определения влажности. Госстрой СССР, М.: Издательство стандартов, 1994.

49. Карапетьянц М.Х. Введение в теорию химических процессов: Учеб. Пособие для вузов. ЗОе изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1981. - 333 с.

50. Glass G.K., Page C.L. and Short N.R. Factors affecting the corrosion rate of steel in carbonated mortars./ Corrosion Science, Vol. 32, (12) P. 1283-1294/ 1991.144

51. Raupach M. Chloride-induced macroelement corrosion of steel in reinforced concrete. German Committee for Reinforced Concrete, 433, Beuth Editions, Berlin-Cologne, 1992.

52. Alonso M.C., Andrade C. and Gonzalez J. A. Relation between resistivity and corrosion rate of reinforcement in carbonated mortar made with several cement types./ Cement and Concrete Research (8), P. 687-698. 1988.

53. Шоссаден Т., Арлиги Ж. Методики испытаний французской группы международного объединения научно-исследовательских лабораторий при наличии хлоридов в бетоне: Методы извлечения и титрования./ Materials and structures, Vol. 32, April 1999. P. 230-234.

54. AASHTO, Sampling and testing for total chloride ion in concrete and concrete raw materials. AASHTO Standard, 260-82, Washington, 1982.

55. Otsuki N., Nagataki S. and Nakashita K. Evaluation of AgN03 solution spray method for measurements of chloride penetration into hardened cementitious matrix materials./ ACI Materials Journal 89 (6)./ P. 587-592/ 1992.

56. Руководство по определению скорости коррозии цементного камня, раствора и бетона в жидких агрессивных средах /НИИЖБ Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1975. 28 с.

57. Сапронов О.В. Обоснование и разработка методики расчета межремонтных сроков строительных конструкций тоннелей для инжнерных коммуникаций./ МГГУ

58. Gowers K.R., Millard S.G. Measurements of concrete Resistivity for Assessment of corrosion Severity of steel Using Wenner Technique./ ACI Materials Journal/ September-October, 1999. P. 536-540.

59. Vassie P.R. Half-cell Potential Method of locating corroding reinforcement in concrete structures./ Transport and road research laboratory application guide 9. UK Transport and road research laboratory, Crowthorne, 1990. P. 30.

60. Millard S.G. Reinforced concrete resistivity measurements techniques./ Proc. Institution civil engineers, part 2. March 1991, p. 71-88.

61. Меркин B.E., Щекудов E.B. и др. Руководство по диагностированию автодорожных тоннелей./М. Росавтодор, 2000,2001, с. 7,5.

62. Tuutti К. Corrosion of steel in concrete. Swedish cement and concrete research institute // CBI-research, 4.82. Stokholm, 1982.

63. Arvind K., Suryavanchi, R. Narayan Swamy, George E. Cardew, Estimation of diffusion coefficients for chloride ion penetration into structural concrete./ ACI Materials Journal/V 99. No 5. September-October 2002. P. 441-450.

64. Gu P., Beaudoin I.I., Tumiajsky P.I., Mailvaganam N. Electrochemical incompatibility of parches in reinforced concrete // Concrete international, August 1997.

65. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Л.: Химия, 1989. 456 с.

66. Raharinaivo A., Lenglet J.C., Toumeur, С. Mahouche, Pollet V. Chloride removal and realkalisation of concrete by using galvanic anodes, International conference on corrosion and rehabilitation of reinforced concrete structures, Orlando, Florida.

67. Bertolini et al./ Cathodic protection and cathodic prevention in concrete: Principles and applications, Journal of applied electrochemistry, Vol. 28. 12/ 1998/ p. 1321-1331.

68. Schuten G., Leggedoor J., Polder R.B. CP for corroding reinforcement in concrete floor elements/ Materials Performance, 40, no 1/ 2001. p. 22-25.

69. Руфферт Г. Дефекты бетонных конструкций /Пер. с нем. И.Г.Зеленцова; Под ред. В.Б.Семенова. М.: Стройиздат. 1987. -111 с.

70. Chaudhary Z., Chadwick J. Cathodic protection of buried reinforcement in concrete structures/Proc. Eurocorr'97./ Vol. 1. 1997. p. 565-572.

71. Broomfield J.P. Cathodic protection of reinforced concrete structures and case study of a multiple anode trial./ Int. J., Restoration of buildings, 6, (6). 2000. p. 619-623.

72. Page C.L., Sergi G. Development in cathodic protection applied to reinforced concrete. Journal of materials in civil engineering./ Vol. 12. 2000. p. 8-15.

73. Glass G., Taylor J, Roberts A, Davidson N. The protective effects of electrochemical treatment in reinforced concrete./ NACE Paper No03291, Corrosion 2003.

74. Hausman D.A. Steel corrosion in concrete./ Material protection, 1967. p.19.23.

75. Odden L. The repassivating effect of electro-chemical realkalisation and chloride removal, Corrosion and corrosion protection of steel in concrete. Proc. Int. Conf., Sheffield July 1994.

76. Polder R.B., Nuiten P.C. A multi-element approach for cathodic protection of reinforced concrete.// Materials Perfomance. 33 (6). 1994 p. 11-14.

77. Wyatt B. Cutting corrosion Costs of reinforced concrete highway structures, construction repair, July. 1993.

78. Воробьев JI.A., Чеботаев B.B., Щекудов E.B. Прочность и надежность конструкционного бетона./Сборник научных трудов в ЦНИИС. М.: ЦНИИС, 2007, с 1.

79. Михайлов К.В., Фоломеев А.А. Справочник по производству сборныхжелезобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1982. 440 с.

80. Герасименко А.А. и др. Справочник. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений.- М.: Машиностроение, 1987.-688 с.

81. Защита от коррозии. М.: издательство стандартов, 1988, 341 с.

82. Коррозия металлов в бетоне /КР ВЦП. N КМ-93155. - 14 с, 5 ил. -Пер. ст. из журн. Concrete International. - 1985, vol.7, N 9, - p. 56-59.

83. Сапронов O.B. Прогнозирование оптимальных межремонтных периодов при эксплуатации тоннелей для инженерных коммуникаций на заданном уровне надежности //Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, ISSN 0236-1493 2006 г.

84. Физдель К.И. Дефекты в конструкциях и сооружениях и методы их устранения. М.: Стройиздат, 1978. - 161 с.

85. Alonso С. Andrade С. Castellote М. Castro P.Chloride threshold values to depassivate reinforcing bars embedded in astandardized OPC mortar, Cement and Concrete Research 30, 2000, pp. 1047-1055

86. Bob C., Clipii Т., Ilea A. On the service life of concrete structures.//Buietin stiintific "Construct»". 1990. -vol.35, N49 - P17-23.

87. C. Andrade, I. Martinez, G.P. Tilly Monitoring and assessing performance Newsletter #4

88. Gannon E. J. A life cycle cost model for use in the optimization of concrete bridge deck repair and rehabitation, The Pennsylvania State University, Dissertation, 1998

89. Gordon A.R., K.R. Shore Life Cycle Renewal as a Business Process, APWA International Public Works Congress, Philadelphia, Sep. 2001.

90. Weyers R.E., Service life model for concrete structures in chloride laden environments, ACI Mater. J. 95 (4) (1988) 445- 453

91. Исследование состояния железобетонных конструкций коллектора для инженерных коммуникаций «Рязанский» ГУП Москоллектор». № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.20.00 10459, 2000.

92. Исследование состояния железобетонных конструкций коллекторного148тоннеля «Гарибальди» на ПК 173. № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.20.00 10455, 2000.

93. Исследование состояния железобетонных конструкций коллекторного тоннеля инженерных коммуникаций «Чайковский» в интервале пикетов ПК0 -ПК30 в сторону Смоленской площади. № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.2.00 101206,2000.

94. Исследование состояния железобетонных конструкций кабельного коллектора от электроподстанции № 17, 2-й район МКС АО «Мосэнерго». № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.200.2 00904, 2000.

95. Отчет «Эксплуатация и ремонт несущих конструкций коллекторов подземных сооружений». М.: УДК 624.012.45. Инв. №10/97, 1997. Гос. Per. ВНТИЦ 10.08.90-009119.

96. Исследование состояния железобетонных конструкций коллекторного тоннеля «Беляево» в интервале пикетов ПК0-ПК231 вдоль ул. Бутлерово и ПК0 -ПК200 вдоль ул. Профсоюзная, включая галереи. № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.99.00 09446, 1999.

97. Исследование состояния железобетонных конструкций коллекторного тоннеля «Чайковский». № гос. Регистрации ВНТИЦ 01.9.80 010096,1998.

98. Шилин А.А., Кириленко A.M., Сапронов О.В., Знайченко П.А., Шеврин Д.В., и др. Исследование состояния железобетонных конструкций коллекторного тоннеля «Настасьинский» в интервале пк 13-16 //ВНИИНТПИ, 2006г., №12003

99. Исследование состояния железобетонных конструкций перекрытия камеры №1 коллекторного тоннеля гостиницы «Москва» //ВНИИНТПИ 2006г., №12008

100. Справочник гидрогеолога. Госгеотехиздат, М., 1962.

101. Browne, R.D. Corrosion of steel in reinforced concrete in marine and otherchloride environments. 2nd Int. Conf. on the durability of building Materials and Components. Gaithersburg, Md., 14- 16 Sept. 1981.

102. Browne, R.D., Geoghenan M.P. and Baker A.F./ Analysis of structural condition from durability results// Corrosion of recement in concrete construction. Ed. A.P. Crane. London 1983. Society of chemical Industry. Pp. 193 222.

103. Sentler L., Stochastic characterization of carbonation of concrete. 3rd Int. Conf. on the durability of building materials and components. Espoo, 12-15 aug. 1984. Espoo 1984. Technical Research Centre of Finland, VTT Symposium 50. Vol. 3. Pp. 569-580.

104. ИЗ. Картозия Б.А., Федунец Б.И., Шуплик M.H. Смирнов В.И. и др. «Шахтное и подземное строительство: учеб. Для вузов 2-ое изд., перераб. и доп.: в двух Т. - М.: изд-во Академии горных наук, 2001. - Т.П. - 582 е.: илл.

105. Судаков В.В.Контроль качества и надежности железобетонных конструкций. Д.: Стройиздат, 1980. 168 с.

Информация о работе

Дымбренов, Тимур Николаевич
кандидата технических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Обоснование параметров технологии ремонта конструкций подземных сооружений, разрушающихся в результате коррозии арматуры - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы