Коррозия и защита железобетонных конструкций в систему водоснабжения и водоочистки
Широкое применение бетонных и железобетонных конструкций при строительстве зданий и сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки выдвигает на первый план проблему обеспечения их долговечности.
Указанные сооружения относятся к долговременным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одному поколению людей. Поэтому к ним практически не применимо понятие морального износа. Рассмотрим некоторые сооружения систем водоснабжения и водоочистки.
Водопроводные станции. Железобетонные резервуары для очистки и хранения питьевой воды в составе водопроводных станций используются в нашей стране более 70 лет. Как правило, резервуары частично или полностью заглублены в землю. Сверху резервуары защищены от размораживания слоем грунта толщиной около 1 м. Наиболее часто обследуемыми сооружениями водопроводных станций являются отстойники и резервуары для питьевой воды. По санитарным нормам не допускается попадание в резервуары грунтовых вод. Утечка из резервуара воды в грунт способна повредить основание сооружения.
Отстойники представляют собой 3-секционные 1-этажные сборно-монолитные емкостные сооружения глубиной около 5 м и предназначены для образования и хранения осадка, выделяющегося при введении в очищаемую воду специальных реагентов-флокулянтов: сульфата алюминия и/или оксихлорида алюминия. Часовая подача воды по отстойнику составляет около 800 м3. Средняя скорость потока в коридоре 0,007 м/с. Такой поток не оказывает разрушающего механического воздействия на железобетонные конструкции отстойника.
Резервуары для хранения питьевой воды представляют собой железобетонные сооружения из монолитного бетона глубиной около 5 м. Перекрытие плоское, безбалочное, опирается на сборные железобетонные колонны. Резервуары разделены на секции железобетонными перегородками.
Железобетонные конструкции резервуаров в основной период эксплуатации подвергаются воздействию чистой воды, а в периоды профилактической очистки действию хлора, гипохлорита натрия и других химических веществ. В зоне выше уровня воды конструкции постоянно подвергаются воздействию углекислого газа из воздуха.
По содержанию сульфатов, хлоридов и величине pH степень воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оценивается как неагрессивная.
Действие питьевой воды на железобетонные конструкции проявляется в виде следующих процессов:
— выщелачивание водой гидроксида кальция из состава цементного камня, вызывающее разуплотнение бетона в поверхностных слоях;
— взаимодействие растворенной в воде углекислоты с гидроксидом кальция из состава цементного камня с образованием растворимого бикарбоната кальция;
— взаимодействие хлора с щелочными компонентами цементного камня (гидроксидом, гидросиликатами и гидроалюминатами кальция) с образованием в качестве конечного продукта хлорида кальция, что приводит к растворению цементного камня в поверхностном слое бетона, а при содержании хлоридов более 0,5 % от массы цемента в бетоне вызывает коррозию стальной арматуры;
— карбонизация бетона углекислым газом воздуха вызывает образование карбоната кальция. Переход гидроксида кальция в карбонат кальция сопровождается снижением величины pH с 12,5 до 8,8. Вследствие этого бетон утрачивает пассивирующее действие на стальную арматуру. В определенных условиях (при медленном выносе на поверхность растворенной извести) образующийся карбонат может заполнять трещины и поры бетона, уменьшая его проницаемость для воды. Как было установлено обследованиями отстойников, глубина карбонизации бетона невелика. За 50–60 лет эксплуатации она не достигает поверхности арматуры, если толщина защитного слоя соответствует проектной.
В большинстве случаев внутренние поверхности резервуаров имеют защитный слой, выполненный из торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации до 50 лет торкретбетон разрушается на глубину около 10–15 мм. За разрушенным слоем торкретбетона находится размягченный слой бетона толщиной около 5 мм. При нормальной толщине защитного слоя (15–20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии и коррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной до 1–5 мм. За указанные сроки эксплуатации торкретбетон выполняет свою роль защитного «жертвенного» слоя и должен быть заменен новым.
Наибольшее деструктивное действие на железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевой воды оказывает сквозная фильтрация воды в трещинах днища, стен и покрытия. Причиной образования трещин являются как температурные деформации отдельных железобетонных элементов, так и деформации всего сооружения, вызванные неравномерной осадкой грунта. Подвод растворенного кислорода, нейтрализация стенок трещин в бетоне (снижение pH) создают условия для образования гальванической пары на поверхности арматуры с анодом в трещине. В этих условиях в трещине сталь растворяется, в то время как в прилежащем к трещине бетоне сталь остается пассивной. В результате интенсивной коррозии наблюдается обрыв арматуры в трещинах.
Накапливающийся на дне отстойников нерастворимый осадок может оказывать на бетон некоторое защитное действие. Микроскопические частицы осадка при фильтрации воды могут заполнять поры бетона и трещины и уплотнять их.
Как правило, прочность бетона в указанных конструкциях вследствие длительной гидратации цемента увеличивается и часто превышает проектную в 3 раза и более. Это характерно для бетона сооружений, эксплуатирующихся в водной среде, особенно для бетонов старой постройки, когда использовался цемент грубого помола с высокой потенциальной возможностью гидратации во времени.
Ремонтно-восстановительные работы в отстойниках и резервуарах питьевой воды включают операции по восстановлению сечения стальной арматуры, заделке трещин с применением эластичных материалов, восстановлению защитного слоя бетона и защите железобетонных конструкций от выщелачивающего воздействия воды — создание так называемого «жертвенного» слоя бетона.
Трубопроводы чистой воды. Одной из важнейших проблем водоснабжения является обеспечение надежной работы трубопроводных систем, являющихся основой жизнедеятельности любого промышленного, жилищно-коммунального или сельскохозяйственного объекта.
Главной причиной неудовлетворительного состояния трубопроводных систем подачи и распределения воды является внутренняя коррозия металлических труб, которые в течение десятилетий укладывались без каких-либо защитных покрытий.
Водоводы питьевой воды, выполненные из стальных труб, повреждаются вследствие электрохимической коррозии, развивающейся при контакте стали с водой. Со временем коррозия может развиваться вплоть до перфорации и разрыва трубы, вызванного давлением воды в трубе и давлением грунта снаружи.
В отечественной и зарубежной практике применяется защита стальных водоводов цементно-песчаным раствором, наносимым на внутреннюю поверхность труб способом центробежного разбрызгивания или торкретированием. Защитный цементно-песчаный слой в контакте с водой может постепенно разрушаться. Это связано с тем, что основной компонент цементного камня — гидроксид кальция — способен растворяться в воде.
Полученные в НИИЖБ экспериментальные данные на установке, смонтированной из труб, защищенных внутри цементно-песчаным раствором состава Ц:П=1:1, показали, что толщина разрушенного слоя цементно-песчаного раствора за 50 лет составит около 5 мм. Результаты получены для модели, когда CaO полностью вымывается из каждого последующего слоя. В действительности снижение содержания кальция от наружного слоя вглубь раствора происходит медленнее. С учетом этого полученные результаты следует увеличить вдвое. Тогда расчетная глубина разрушения цементно-песчаного раствора составит за 50 лет около 10 мм, что примерно совпадает с результатами обследования железобетонных конструкций резервуаров для питьевой воды водопроводных станций.
Выполненные в НИИЖБ исследования позволяют оценить скорость коррозии 1-го вида (выщелачивание) в лабораторных условиях, однако перенос получаемых результатов на реальные трубопроводы требует учета ряда особенностей защитного покрытия, а также условий службы последнего. Обследования трубопроводов из стальных труб с защитой из цементно-песчаного раствора показали, что при деформации труб в период погрузки и перевозки, а также при укладке на недостаточно выровненное и уплотненное основание, возможно образование трещин в цементно-песчаном растворе. Трещины шириной раскрытия до 0,1–0,2 мм вследствие продолжающейся гидратации цемента заполняются продуктами гидратации и закрываются. Более широкие трещины могут вызвать локальную коррозию стальной трубы.
Станции аэрации представляют собой огромный комплекс зданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооружений применена технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружения механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) и биологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники). Из наиболее повреждаемых сооружений станций аэрации являются первичные и вторичные отстойники, песколовки, каналы и аэротенки.
Отстойники первичные и вторичные представляют собой круглые железобетонные сооружения, заглубленные в грунте. Отстойники возвышаются над поверхностью грунта на 0,5–0,8 м. Обычно стены отстойников выполняются из сборных железобетонных блоков, центральная часть — из монолитного железобетона. В первичных отстойниках происходит гравитационное осаждение основной части взвешенных загрязнений сточных вод и флотация плавающих веществ. Во вторичных отстойниках происходит отстаивание иловой смеси, поступающей из аэротенков, и отделение активного ила от очищенной воды.
Аэротенки в плане представляют собой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частично заглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с поперечными деформационными швами. Процесс очистки в аэротенках основан на биологической деструкции (окислении) растворенных и нерастворенных органических соединений саморегулирующимся консорциумом различных микроорганизмов (активным илом). Для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и перемешивания образованной им с водой иловой смеси в аэротенки по аэрационной системе подается сжатый воздух.
Основное агрессивное воздействие на железобетонные конструкций сооружений станций аэрации оказывает очищаемая вода, содержащая аммонийные соли, сульфаты, хлориды, сероводород, сульфиды и нефтепродукты.
С точки зрения агрессивного воздействия на бетон и железобетон концентрация названных соединений невелика. Согласно СНиП 2.03.11-85, хозяйственно-бытовые воды в указанных сооружениях оцениваются как неагрессивные или слабоагрессивные по отношению к бетону железобетонных конструкций.
В условиях эксплуатации отстойников, песколовок, каналов и аэротенков бетон подвергается повреждению за счет выщелачивания. Выщелачивание понижает содержание основных (щелочных) соединений в бетоне, снижению pH, что вызывает коррозию стальной арматуры.
Выщелачивание наиболее опасно в тонкостенных конструкциях (перегородки аэротенков), когда составляющие цементного камня могут растворяться и вымываться водой.
Существенное влияние на протекание процессов выщелачивания оказывает химический состав очищаемой воды. Присутствие в воде солей, повышающих ионную силу раствора, увеличивает выщелачивание Ca(ОН)2. Присутствие в воде карбонатов и бикарбонатов снижает скорость выщелачивания, также ее снижению способствует карбонизация бетона.
В большинстве случаев внутренние поверхности отстойников, каналов и аэротенков имеют защитный слой, выполненный из торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации до 30 лет торкретбетон разрушается на глубину около 10–15 мм. При нормальной толщине защитного слоя (15–20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии и коррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной до 1–5 мм.
Наличие в аэрируемых стоках пузырьков воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скорость омывания поверхности конструкций аэротенков водой потенциально создают условия для возникновения процессов разрушения бетона и арматуры в подводной зоне аэротенков. Активная аэрация воды воздухом, вызывает ускоренную карбонизацию бетона, следствием чего является утрата бетоном защитного действия по отношению к стали и развитие коррозии стальной арматуры.
Кроме того, сточные воды на входе в очистные сооружения характеризуются высоким показателем биологического (БПК5) и химического (ХПК) потребления кислорода, что может отрицательно сказаться на стойкости бетона при условии развития в нем процессов микробиологической коррозии.
Карбонизация бетона является одной из наиболее распространенных причин коррозии железобетона в конструкциях зданий и сооружений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процесс взаимодействия бетона с углекислым тазом, в результате которого гидроксид кальция цементного камня вступает в химическое взаимодействие с углекислым газом и образует карбонат кальция. Карбонизация сопровождается снижением pH жидкой фазы, разложением силикатов и алюминатов кальция, потерей пассивирующего действия бетона по отношению к стальной арматуре, развитием коррозии последней, снижением несущей способности конструкции и иногда ее разрушением.
В среде с нормальной влажностью при воздействии углекислого газа происходит уплотнение бетона. Химическим анализом установлено, что в карбонат кальция в плотном бетоне переходит около 60 % кальция из состава гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. В более пористом бетоне в карбонат кальция может быть связано из цементного камня до 80 % кальция. Большая пористость бетона способствует лучшему доступу к реагирующей поверхности углекислого газа при меньшей степени уплотнения бетона карбонатом кальция. В средах с более высокой влажностью степень перерождения минералов цементного камня увеличивается. При большом количестве воды облегчается растворение гидроксида кальция, вынос его в жидкой фазе в зону взаимодействия с углекислотой и кристаллизация карбоната кальция. В предельном случае — при насыщении бетона водой и возможности отвода продуктов коррозии наружу в жидкой фазе — наблюдается растворение цементного камня углекислотой с образованием в остатке нерастворимых гелеобразных продуктов.
Климатические факторы активно влияют на скорость карбонизации бетона. К таким факторам относятся влажность и температура воздуха, частота и интенсивность атмосферных осадков (дождь, роса), скорость и направление ветра, нагрев поверхности солнцем. Определенное значение может иметь микроклимат сооружения.
В работах НИИЖБ экспериментально показано, что максимальная глубина карбонизации наблюдается при влажности среды около 50 %, при этом степень карбонизации (количество основных соединений цементного камня, прореагировавших с углекислым газом) была невысокой. При повышении влажности степень карбонизации увеличивается, а толщина карбонизированного слоя уменьшается. Для протекания процесса карбонизации необходима вода, однако повышенное количество воды в бетоне делает его менее проницаемым для углекислого газа.
Таким образом, в условиях эксплуатации конструкций зданий и сооружений станции аэрации основным агрессивным газом является углекислый газ, а основной вид повреждения железобетона в газовой среде станции аэрации — карбонизация защитного слоя бетона и вызванная этим процессом коррозия стальной арматуры. В песколовках агрессивное воздействие водной среды дополняется истирающим действием песка на поверхность железобетонных конструкций.
Основным способом защиты бетона от карбонизации является понижение его проницаемости до уровня, оцениваемого марками по водонепроницаемости W8 и более и устройство защитного слоя из торкретбетона.
Надземная (надводная) часть сооружений аэротенков, песколовок, каналов, отстойников подвергается воздействию температуры и влаги окружающей среды, конденсата и атмосферных осадков. В летнее время надземная часть подвергается воздействию солнечной радиации, увлажнению и высушиванию, в зимнее время — циклическому замораживанию и оттаиванию. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и сточных вод из сооружений. Обширные исследования бетона в различных температурных условиях показывают, что периодическое замораживание и оттаивание негативно влияет на прочность бетона. В этих условиях наиболее быстрое повреждение наступает, если бетон находится в водонасыщенном состоянии. Образование в бетоне трещин под воздействием механических нагрузок, температурно-влажностных деформаций и других причин способствует быстрому насыщению бетона водой и ускоренному разрушению его в условиях знакопеременных температур.
Большие градиенты температуры и влажности в надземной зоне стен аэротенков, каналов и отстойников по отношению к подводной зоне создают предпосылки к возникновению трещин в бетоне и разрушению швов между плитами стен вследствие температурных и усадочных деформаций. Для указанных сооружений характерно размораживание бетона в холодный период года.
Бетон в надземной и надводной части стен, перегородок, пешеходных мостиков конструкций аэротенков, песколовок, каналов и отстойников подвергается в водонасыщенном состоянии попеременному оттаиванию и замораживанию. В этом случае основной причиной повреждений является недостаточная морозостойкость бетона. Несовершенство нормативной базы, недостатки проектирования, дефекты изготовления конструкций способствуют раннему повреждению конструкций.
В условиях эксплуатации аэротенков, каналов и отстойников эффективным и сравнительно простым способом повышения морозостойкости бетона является применение воздухововлекающих добавок при изготовлении бетонных смесей.
Коллекторы сточных вод. Проблема обеспечения коррозионной стойкости коллекторов сточных вод является одной из наиболее сложных. В крупных городах ежегодно происходят аварии, вызванные обрушением железобетонных канализационных труб.
Степень агрессивного воздействия среды коллекторов на бетонные и железобетонные конструкции может изменяться от слабой до сильной.
В лотковой части железобетонные конструкции коллекторов подвергаются воздействию сточных вод и истирающему действию осадков, особенно ливневой и совмещенной (ливневой и хозяйственно-бытовой) канализации. В верхней части — в подсводовом пространстве — бетон конструкций самотечных коллекторов подвергается воздействию агрессивной газовой среды. В последнее время получены настораживающие данные о разрушении бетона в результате воздействия агрессивной газовой среды в напорных коллекторах сточных вод, периодически (в зависимости от объема сбрасываемой воды) работающих в самотечно-напорном режиме.
Хозяйственно-бытовые жидкие стоки различаются содержанием растворенных веществ, из которых наиболее значимы: хлориды, сульфаты, растворенная углекислота, органические вещества. Жидкие стоки содержат в себе сложный комплекс микроорганизмов, в том числе бактерии, споры грибов, водоросли и другие. Результаты обследования многих общегородских коллекторов сточных вод, полученные НИИЖБ и рядом других организаций, показывают, что хозяйственно-бытовые стоки являются слабоагрессивными или неагрессивными по отношению к бетонам марок по водонепроницаемости W8 и выше. Существенного повреждения бетона хозяйственно-бытовыми стоками после различных сроков эксплуатации коллекторов в зоне ниже среднего уровня воды не наблюдается. В отдельных случаях на поверхности бетона образуется прочный (инкрустирующий) слой осадков сложного органо-минерального состава, защищающий бетон от повреждения.
Коррозионное воздействие может вызывать содержащаяся в сточных водах углекислота, ускоряющая растворение цементного камня. При действии углекислоты карбонаты и гидроксид кальция переходят в хорошо растворимый бикарбонат кальция. При воздействии мягких вод происходит выщелачивание кальция из цементного камня, размягчение и снижение прочности бетона. Процесс растворения цементного камня в бетоне протекает сравнительно медленно. Ориентировочная скорость процесса — 5–10 мм за 30–50 лет. Для многих конструкций такая скорость коррозии не представляет опасности, но для канализационных коллекторов, особенно если проектируемый срок эксплуатации должен быть неограниченно большим, указанный вид коррозии необходимо учитывать.
Газовая среда коллектора формируется под воздействием сточных вод и микробиологических процессов, развивающихся в объеме сточных вод и слизистой биопленке, образующейся на поверхности железобетонных конструкций. По данным высокоточных измерений газовая среда, помимо сероводорода, содержит оксиды углерода, азота, серы, меркаптаны и другие газы. Согласно современным представлениям о коррозионных процессах в бетоне, в агрессивных газовых средах коллекторов сточных вод основным негативным фактором является образование серной кислоты, продуцируемой аэробными тионовыми бактериями, использующими в своем жизненном цикле сероводород. В свою очередь, сероводород производят анаэробные бактерии, содержащиеся в сточных водах, в слизистой биопленке на поверхности бетона и в осадке. Сероводород образуется в условиях ограниченного содержания кислорода. Такие условия создаются в определенных слоях биопленки, в осадке, а также в напорных участках коллекторов, где содержание кислорода ввиду его потребления в биологических процессах существенно понижено. Многочисленные обследования коллекторов сточных вод показывают, что наибольшее выделение сероводорода наблюдается в местах, где сточные воды из напорных трубопроводов изливаются в самотечные участки, а также в перепадных шахтах. Выделению сероводорода способствует накопление осадка в коллекторе. Другими причинами интенсивного выделения сероводорода из сточных вод являются: подключение стоков, имеющих повышенную температуру и пониженное значение pH, а также стоков, загрязненных отходами кожевенного производства, предприятий по переработке мяса, рыбы, заводов безалкогольных напитков.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что коррозия бетона в газовой среде коллекторов сточных вод развивается вследствие воздействия серной кислоты, продуцируемой аэробными тионовыми бактериями. Предполагается, что и другие кислые газы — оксиды углерода, серы, азота — должны влиять на коррозионное состояние бетона, однако количественно доля их воздействия в коррозии бетона коллекторов к настоящему времени не выявлена. При химическом анализе продуктов коррозии бетона в газовой среде коллекторов определяют содержание сульфатов и сульфидов, которые имеют ограниченную растворимость (для сульфата кальция 2,1 г/л) и в значительной степени остаются в разрушенном бетоне. При малой растворимости вымывание их из бетона конденсатом происходит сравнительно медленно. В обнаруженном количестве сульфатов нельзя выделить долю, образовавшуюся при воздействии на бетон оксидов серы. Нитраты и нитриты, образующиеся в бетоне при воздействии оксидов азота, являются хорошо растворимыми веществами и легко вымываются из бетона. Поэтому существенного количества нитратов и нитритов кальция в бетоне химическим анализом не обнаруживается. В Германии были выполнены в лабораторных условиях специальные исследования влияния меркаптанов на коррозию бетона. Заметного влияния их на коррозионный процесс не обнаружено.
Паркером предложена следующая схема коррозии бетона в сероводородной среде коллекторов сточных вод:
— анаэробные сульфатредуцирующие бактерии, находящиеся в сточной воде, биопленке и осадке образуют сероводород;
— сероводород растворяется в сточной воде и затем выделяется в газовую среду коллектора;
— аэробные тионовые бактерии, имеющиеся в наружном слое бетона, окисляют сероводород и другие содержащие серу соединения до серной кислоты;
— серная кислота разрушает бетон.
Согласно Паркеру, в коррозионном процессе принимают участие 3 вида тиобактерий. В начале процесса при pH=9–11 развиваются автотрофы, синтезирующие из неорганических веществ необходимые для жизни органические вещества. Далее при pH=5–9 развиваются Thiobacillus «X». Затем при pH < 5 развиваются Thiobacillus concretivorus (Thiobacillus thiooxidans), образующие серную кислоту. Дальнейшие исследования показали, что в коррозионном процессе в бетонных коллекторах принимают участие и другие бактерии: аммонифицирующие, нитрифицирующие, а также грибы. При этом трибы разрушают пористые материалы как давлением растущих гифов, так и химическим действием продуктов жизнедеятельности. В целом процесс коррозии бетона в коллекторах сточных вод достаточно сложен и обусловлен совместным воздействием воды, растворенных в ней химических соединений, действием бактерий и грибов.
Наши наблюдения за состоянием бетона в газовой среде коллекторов показывают, что процесс коррозии новых конструкций из бетона проходит по крайней мере две стадии. Сначала, примерно в течение года, на поверхности бетона отсутствуют следы повреждения. В этот период происходит нейтрализация щелочных (основных) соединений цементного камня диоксидом углерода и другими кислыми газами (первый период по Паркеру). Затем с нейтрализацией наружного слоя возникают условия для поселения и развития тионовых бактерий. Начинается разрушение бетона. Наружный нейтрализованный и разрушенный слой становится носителем бактерий.
Специальные исследования, выполненные , показали, что в наружном слое содержится до 99 % всех проникших в бетон бактерий. Показано, что стойкость повышается с уменьшением проницаемости (размера пор) бетона. В поры диаметром менее 30 мкм проникание бактерий, размеры которых в основном составляет 0,5–20 мкм, затруднено. Размер тиобацилл составляет около 1 мкм.
Показано, что по мере удаления от поверхности бетона количество аэробных бактерий уменьшается сильнее, чем количество анаэробных. С уменьшением водоцементного отношения глубина проникания микроорганизмов в тело бетона уменьшается.
Выполненные НИИЖБ испытания бетонов различной проницаемости (до W20) в газовой среде коллектора сточных вод показали, что скорость коррозии с понижением проницаемости бетона замедляется, однако в сильноагрессивной среде остается достаточно большой.
Активность микроорганизмов зависит от температуры, вида субстрата, обеспеченности кислородом, величины pH. При изменении температуры от 15 до 25 °C при прочих оптимальных условиях активность бактерий увеличивается как минимум в 2 раза.
Образование серной кислоты под действием сероводородных бактерий оптимально протекает при температуре от 30 до 37 °C, но уже при температуре 18 °C может образовываться 6%-ная серная кислота.
Образование сероводорода и летучих органических соединений серы при микробиологическом разложении белка не устранимо. Однако подача кислорода в канализационные каналы сильно снижает концентрацию летучих соединений серы. По-видимому, достаточное количество кислорода вызывает спонтанное окисление; имеющееся количество летучих соединений серы становится недостаточным для тиобацилл и их популяция снижается. Малое содержание кислорода в сточных водах и слабое падение канала вызывает отложение шлама и процесс десульфуризации, что вызывает образование сероводорода. Таким образом, даже в разбавленных стоках от домов могут образовываться сульфиды. С увеличением загрязнения стоков органическими веществами выделение сульфидов увеличивается.
Химическое превращение соединений серы в сточных водах в больших количествах в основном происходит в анаэробной среде (в напорных трубопроводах, в осадках). Обнаружена прямая связь между содержанием летучих соединений серы и степенью коррозии. Содержание сульфидов в воде менее связано со скоростью коррозии. Во всех случаях pH конденсата на поверхности конструкций является хорошим показателем коррозионной опасности. Во всех исследованных случаях с увеличением количества сульфатов значительно повышалось содержание сульфидов. В холодное время года при температуре воды 8 °C опасность коррозии в коллекторе сильно понижена. Кроме того, холодные сточные воды содержат больше кислорода. В летнее время не исключена температура воды более 20 °C. При движении воздуха над поверхностью сточной воды в самотечном коллекторе происходит обмен газами вследствие турбулентности, поэтому в обычных условиях содержание кислорода в стоках составляет 2–3 мг/л, при этом говорят о «свежих» стоках. При малой скорости потока содержание кислорода в воде меньше. При дополнительном поглощении кислорода осадками количество кислорода может быть <1 мг/л, возможна восстановительная среда, которая благоприятствует образованию сульфидов. В напорных трубопроводах, где поступление кислорода в сточную воду естественным путем невозможно, создаются анаэробные условия, которые зависят от потребления стоками кислорода и длительности пребывания воды в трубопроводе.
Лабораторными исследованиями, выполненными в Гамбурге, установлено малое влияние на скорость коррозии бетона и большое — на скорость коррозии заполнителей в серной кислоте вида цемента. Потеря массы образцов, изготовленных на карбонатном заполнителе, была в 4 раза меньше, чем образцов на кварцитовом заполнителе. Потеря массы при pH=3 и 5 была сравнительно мала, тогда как при pH=1 она была значительной. Преимущество известняка было показано испытаниями в Южной Африке. Срок жизни бетонных труб из бетона с заполнителем из известняка был в 3–5 раз больше, чем из бетона на кварцитовом заполнителе. Подобное наблюдалось и в наших обследованиях коллекторов. В разрушенном слое бетона зерна крупного заполнителя из карбонатных пород разрушались значительно медленнее, чем цементный камень бетона. Замедленное разрушение бетона на карбонатном заполнителе в растворах серной кислоты было показано и в лабораторных испытаниях, выполненных в НИИЖБ.
Thiobacillus thiooxidans являются бактериями, образующими серную кислоту. Сами бактерии стойки в серной кислоте концентрации свыше 20 %. В каплях конденсата канализационных сооружений обнаружена серная кислота концентрации до 7 %, что соответствует pH около 0,1. Важным условием для развития биогенной сернокислотной коррозии в канализационных системах является наличие влаги на поверхности строительной конструкции, подвергающейся действию сероводорода. Строительные конструкции, находящиеся постоянно в сухом состоянии, не подвергаются биогенной сернокислотной коррозии, даже если постоянно имеется сероводород. Снижение влажности газовой среды коллектора путем подачи в подсводовое пространство свежего воздуха существенно замедлит скорость коррозии бетона.
Наиболее эффективным способом зашиты от коррозии является исключение контакта строительных конструкций коллектора с агрессивной средой и/или понижение степени агрессивного воздействия среды на строительные конструкции. Принципиально это достигается двумя мерами: понижение концентрации сероводорода в газовой среде коллектора и применение химически стойких, непроницаемых изолирующих покрытий.
Учитывая трудности ремонта коллекторов, находящихся в эксплуатации, и их высокую стоимость, целесообразно основной характеристикой материалов, применяемых для антикоррозионной зашиты, считать способность оказывать длительное защитное действие на строительные конструкции. При устройстве изолирующего покрытия должны быть использованы материалы биостойкие, стойкие в среде сероводорода и серной кислоты, имеющие низкую диффузионную проницаемость для серной кислоты.
Понижение концентрации сероводорода в газовой среде коллектора можно достигнуть путем дополнительной очистки стоков, насыщения их кислородом, озоном, обработкой хлором и другими реагентами, а также устройством вентиляции подсводового пространства и другими конструктивными мероприятиями.
Трубопроводы и отстойники ливневых стоков (истирание, морозная деструкция). Отстойники ливневых стоков представляют собой в плане прямоугольные железобетонные сборно-монолитные сооружения, частично заглубленные в землю.
Наши наблюдения показывают, что в условиях эксплуатации отстойников и трубопроводов ливневых стоков бетон подвергается повреждению за счет выщелачивания и истирающего действия осадков.
Надземная (надводная) часть сооружений подвергается воздействию температуры и влаги окружающей среды, конденсата и атмосферных осадков. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и ливневых стоков из сооружений. В этих условиях периодическое замораживание и оттаивание бетона, находящегося в водонасыщенном состоянии, быстро приводит к его ускоренному разрушению.
В этом случае основным способом обеспечения долговечности сооружения является повышение марки бетона по водонепроницаемости и морозостойкости.
Снегосплавные пункты представляет собой сооружения, состоящие из системы заглубленных в грунт железобетонных бункеров, оборудованных сверху дробилками, предназначенными для разрушения комьев снега и льда. Специальным насосом из коллектора подается теплая (около 18 °C) сточная вода. Образующаяся после таяния снега вода вместе со сточной водой, поданной для плавления снега, через песколовки попадает в коллектор.
В результате обследования коллекторов сточных вод, расположенных в различных районах Москвы, транспортирующих хозяйственно-бытовые воды и талые воды снегосплавных пунктов установлено следующее.
Снегосплавные пункты способствуют повышению агрессивности сточных вод, так как, во-первых, в местах врезки труб от снегосплавных пунктов в коллекторы сточных вод создается высокая турбулентность потока и, тем самым, ускоряется выход сероводорода в атмосферу коллектора, во-вторых, наличие противогололедных реагентов в тающем снеге способствует повышению содержания ионов хлоридов в сточных водах, что при поврежденном защитном слое бетона (наличие трещин, оголение арматурного каркаса) увеличивает скорость процесса коррозии стальной арматуры.
В этом случае одним из эффективных способов ремонта участков врезки труб от снегосплавных пунктов в коллекторы сточных вод является применение защитных систем в виде двух концентрических труб из полиэтилена с заполнением пространства между ними цементным составом.
В заключении следует отметить, что катастрофические последствия коррозионного разрушения сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки требуют масштабных решений проблем обеспечения их долговечности на этапах проектирования, строительства и эксплуатации.
Безопасная эксплуатация указанных сооружений требует учета мировою опыта и проведения собственных масштабных исследований с привлечением специалистов различных областей — химиков, технологов, конструкторов.
Стоимость защитных работ составляет 1–3 % от стоимости сооружения, тогда как расходы на ремонтно-восстановительные работы превышают стоимость профилактических мероприятий в 4–5 раз. Для увеличения сроков службы сооружений, кроме традиционных мероприятий по повышению коррозионной стойкости бетона и железобетона, следует считать целесообразным разработку критериев для нормирования в стоках предельно допустимого содержания серосодержащих соединений, организации постоянного мониторинга за состоянием сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки.
