Л химия цемента и защита железобетонных конструкций гидротехнических сооружений


Download 1.01 Mb.
bet1/3
Sana20.10.2019
Hajmi1.01 Mb.
  1   2   3

ЛК4.  ХИМИЯ ЦЕМЕНТА И ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ( спец. ГТИ – НСФ заоч/отд)


Валовой гидроэнергетический потенциал Узбекистана - 656 рек, имеющих вместе с притоками общую площадь водосбора 83369 км2 - оценивается в 88,5 млрд.кВт-ч, а технический - в 27,4 млрд. кВт ч. В том числе 3,06 млрд.кВт-ч на перепадах каналов, 1,36 млрд. кВт ч при ирригационных водохранилищах и 9,82 млрд. кВт ч на реках.

В настоящее время из технического потенциала исп-ся только 6,27 млрд. кВт ч (5,29 млрд. кВт-ч ГЭС в системе ГАК «Узбекэнерго» и 0,98 млрд. кВт-ч ГЭС в системе Минсельводхоза РУз) или около 23% .

Согласно концепции развития гидроэнергетической отрасли РУз на 2020-2024 гг.  в среднесрочной перспективе запланировано строительство 42 новых и модернизация 32 действующих ГЭС. В этом году идет реализация 10 проектов на $364,6 млн.

В результате будет обеспечено увеличение ежегодной выработки электроэнергии на 2,83 млрд кВт.ч, при этом в структуре АО «Узбекгидроэнерго» общее количество станций достигнет 57 ГЭС с суммарной выработкой электроэнергии 9,343 млрд кВт.ч.

До 2025 года Узбекистан планирует направит $2,63 млрд. на реализацию этих проек-тов, из них - $2,04 млрд. собственные средства и $643 млн. – кредитные средства.

ГЭС и ГАЭС подразделяют:



  • по установленной мощности на мощные – более 1000 МВт, средней мощности от 30 до 1000 МВт, малой мощности – менее 30 МВт;

  • по максимальному напору: высоконапорные – более 300 м, средненапорные – от 30–50 до 300 м, низконапорные – менее 30–50 м;

  • малые-, мини- и микро ГЭС от 3-5 квт/ч – до 100 квт/ч.

  • В настоящее время работают 12 цементных заводов суммарной мощностью 9,2 млн т. Вводится в эксплутации 6 заводов суммарной мощностью 3.5 млню тонн и и намечается:

  • в Самаркандской обл. — 2,0 млн т (КНР); в Джизакской обл. — 2,0 млн т (Германия);

  • в Ташкентской обл. — 1,0 млн т (КНР); в Бухарской обл. — 1,0 млн т (КНР).

Выше изложенное требует резкое увеличение мощностей по производству цемента за счет модернизации существующих и строительства новых заводов и технологичес ких линий. Изготовление цемента регламентируется гос. стандартами: ГОСТом 30515-2013 — общие техусловия, ГОСТами 10178-85 и 31108-2003 на строительные портланд-цементы. Для специальных видов разработаны отдельные нормативы. Например, для Богучанской ГЭС разработали бетон по морозостойкости в 600 циклов замораживания и оттаивания, которая обеспечит его 50-летнюю эксплуатацию без ремонта!


В районах Крайнего Севера используют особо тяжелые бетоны, имеющие плотность свыше 2500 кг/м³
По химическому составу цементный клинкер: СаО – 67%; SiO2—22%; Al2O3- 5%; Fe2O3 – 3% + различные добавки, улучшающие их физ-хим. свойства. Это продукт, полученный спеканием при температуре 1450°С двух горных пород: 75% известняка и 25% глины. Из обжиговой печи клинкер выходит в виде гранул Ø10-60 мм, который далее измельчается (не менее Ø 2 мм).

В маркировке ГОСТ 10178-85 количество добавок обозначается буквой и числом %: Д0, Д5, Д20. В конце шифра указывается стандарт, по которому изготовлен продукт. Пример: ПЦ 400-Д20-Б-ПЛ ГОСТ 10178-85 — портландцемент прочностью 400 кг/см² с добавками в количестве 20%, быстротвердеющий, пластифицированный.

Для оценки прочностной характеристики одновременно пользуются старой и новой классификациями. Цифровой ряд марок: М200, М300, М400, М500, М600. Соответствующие значения класса твердости: В15; В22,5; В32,5; В42,5; В52,5.

М400 — строительство железобетонных сооружений прочностью М300, дорожных покрытий, тротуарной плитки, бордюрных камней, опорных конструкций;

М500 — все виды наружных бетонных работ, изготовление аэродромных плит и гидротехнических сооружений из монолита М400.

ГФ — гидрофобный цемент для бетонных изделий в воде; ПЛ — пластифицированный, обеспечивает удобство укладки раствора даже при низких температурах; ВРЦ — влаго непроницаемый расширяющийся цемент, твердеет в любой среде.

80-суточный гидробетон имеет 4 вида водонепроницаемости: W8, W6, W4, W2. Подвергнутый стандартным испытаниям материал должен выдерживать давление воды 0,8 МПа, 0,6 МПа, 0,4 МПа, 0,2 МПа. Специальные добавки увеличивают водонепроницаемость выше W12.

Гидротехнических бетон служит при строительстве специфических объектов, таких как дамбы, пирсы, волнорезы, градирни, очистные сооружения, мосты. Существует 3 вида:



  • подводный, который постоянно находится в толще воды;

  • пребывающий в зоне с периодическим изменением уровня воды;

  • расположенный над водой, периодически омываемый ей.

Существуют требования по водостойкости, водонепроницаемости (W), морозостойкости (F), прочности на сжатие (B) и растяжение, по ограниченному тепловыделению при твердении, деформативной способности, ограниченной усадочности, стойкости к истиранию насосами и водой ( теплота гидратации, 50 калорий за 3 дня и 60 калорий за 7 дней на 1 г цемента).



Коррозия ЖБИ конструкций под воздействием жидких агрессивных сред


Основными мероприятиями, повышающими долговечность железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию минерализованных вод, являются: правильный выбор вяжущего для бетона с учетом вида коррозии, использование высококачественных заполнителей классифицированного песка и промытого фракционированного щебня, повышение плотности бетона путем ограничения водоцементного отношения (не более 0,5) и тщательного уплотнения бетонной смеси при укладке.

При высокой степени агрессивности минерализованных вод, когда перечисленными мероприятиями не обеспечивается требуемая долговечность сооружений, следует применять конструктивные меры защиты, исключающие возможность проникания воды внутрь бетона, К ним относятся покрытия поверхности бетона водонепроницаемыми синтетическими материалами, керамическими плитками, облицовка естественным камнем, пропитка бетона битумом, петролатумом и др., оклейка водонепроницаемыми рулонными материалами и т.д.



Стойкими, долговечными, надежно защищающими бетод от воздействия агрессивных жидких сред являются покрытия на основе эпоксидных смол. Впервые эпоксидная смола была получена французским химиком Кастаном в 1936 году и широко исп. В различных защитных покрытиях.

Классификация и общие условия коррозий цементного гидротехнического бетона.

предложенной В.М. Москвиным.

1.Выщелачивание гидроксида кальция - разрушение происходит в результате растворения и увода гидроксида кальция из цементного камня при фильтрации воды под давлением. Степень разрушения зависит в первую очередь от объема открытых, капиллярных пор и количественного содержания в них раствора свободного гидроксида кальция. Такая коррозия развивается наиболее интенсивно в мягких водах (дождевых, талых, болотная, конденсат), содержащих небольшое количество солей.
Вода с бикарбонатной щелочью менее 1,4 - 0,7 мг.экв/л является агрессивной. Под действием проникающих в бетон мягких вод растворяется наименее стойкое соединение Ca(OH)2, раст-воримость которого составляет 1,2 г/л в расчете на CaO, вслед за этим разлагаются гидро-силикаты и гидроалюминаты кальция (клинкерные минералы). Выщелачивание 15-30%, CaO из цементного камня приводит к уменьшению прочности на 40 - 50%.
2. Кислотная коррозия - . Эту коррозию можно наблюдать при действии на цементный камень кислот и солей с кислой реакцией, образованных сильной кислотой и слабым основанием, например хлорид или нитрат аммония. Кислоты вступают в реакцию с кристаллическими продуктами гидратации цемента, образуя или легко растворимые соеди нения или гелеобразные соединения, не обладающие прочностью. Эти агрессивные среды вызывают самые сильные разрушения, интенсивность которых зависит от концентрации агрессивного раствора, его температуры и скорости движения потока по отношению к разрушаемой поверхности. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть также при конденсации на поверхности конструкций влаги, если в атмосфере содержатся агрессивные вещества. Такая атмосфера характерна для современных промышленных центров. К этому виду коррозии относят углекислотную, общекислотную, магнезиальную.
Углекислотная (газовая) коррозия. Углекислый газ СО2, находящийся в воздухе, растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н2СО3. При наличии в воде достаточного количества карбоната кальция СаСО3, чтобы нейтрализовать угольную кислоту, H2CO3 и СаСО3 должны находиться в равновесном состоянии: СаСО3 + H2CO3 = Ca (HCO3)2. Эта угольная кислота не является агрессивной по отношению к цементному камню. Если количество углекислоты больше, чем равновесное, она становится агрессивной и способна разрушить цементный камень по реакциям: Са(ОН)2 + Н2СО3 = СаСО3 + 2Н2О; CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2. Гидрокарбонат кальция легко растворяется и вымывается водой.
Кислотная коррозия происходит в результате действия растворов неорганических и органичес ких кислот при их рН < 7. Не входят сюда кремнефтористоводородная и поликремневая кислота. Кислоты содержатся в сточных, болотных водах; в выбросах промышленных предприятий может быть сернистый газ SO2, хлор и другие газы, образующие с водой кислоты. Кислоты взаимодействуют с гидроксидом кальция, в результате чего получаются бессвязные кальциевые соли, легко вымываемые водой. Например, при действии соляной кислоты НСl на цементный камень получается растворимый хлорид кальция: Сa(OH)2 + 2НСl = CaCl2 + 2Н2O. Органические кислоты - уксусная, молочная и винная также быстро разрушают цементный камень. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты (оле иновая, стеариновая, пальмитиновая и другие) разрушают бетон, поскольку при действии гидроксида кальция они омыляются.
Магнезиальная коррозия. Чисто магнезиальная коррозия происходит при действии магнезиальных солей (кроме MgSO4), которые содержатся в растворенном виде в грунтовых водах и всегда в большом количестве в морской воде. Например, в морской воде содержание хлорид магния MgCl2 составляет 3,8 г/л. Разрушение цементного камня вследствие реакции обмена протекает по следующей схеме: Са(ОН)2 + MgCl2 = СаСl2 + Mg(OH)2. Образуется растворимый хлорид кальция и бессвязный гидроксид магния, нерастворимый в воде, поэтому реакция идет до полного израсходования гидроксида кальция. Коррозия становится наиболее заметной при содержании в воде MgCl2 более 1,5-2 %.

Солевая коррозия - имеет место при действии солей на цементный камень. Накапливаясь в порах кристаллы самой агрессивной среды, при условии наличия испаряющей поверхности и отсутствия взаимодействия с цементным камнем (хлорид и карбонат натрия), или продукты реакции цементного камня с сульфосодержащими средами вызывают уплотнение и упрочне ние структуры. В результате взаимодействия со средой в порах цементного камня возникают новые твердофазные соединения, объем которых намного больше объема исходных продук тов реакции. В дальнейшем, при заполнении порового пространства, этот процесс сопровожда ется ростом остаточных деформаций. Кристаллы этих соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызывая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона. Наиболее ярко коррозия третьего вида проявляется при действии на цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия), приводящем к разрушению материала. Народное хозяйство республики несет от сульфатной агрессии огромные убытки.
Щелочная коррозия - происходит в двух формах: под действием концентрированных раст воров щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (NaOH или KOH), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в порах бетона образуется сода и поташ, которые кристаллизуясь, расширяются в объеме и разрушают цементный камень. Сильнее разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция. Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. В составе цементного клинкера всегда содержится разное количество щелочных соединений. В составе заполнителей бетона, в особенности в песке, встречаются реакционно-способные модификации кремнезема: опал, халцедон, вулкани ческое стекло. Они вступают при обычной температуре в разрушительные для бетона реакции со щелочами цемента. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерен реакционно-способного заполнителя, появляется сеть трещин, поверхность бетона местами вспучивается и шелушится. Такое разрушение бетона может происходить через 10 - 15 лет после окончания строительства.
Помимо трех основных видов коррозии, охватывающих подавляющее большинство процессов, которые приводят к разрушению бетона, исследованы также некоторые специфические виды коррозионного воздействия, из которых следует выделить процессы адсорбционного понижения прочности капиллярно-пористых материалов. Эти процессы развиваются при действии на бетон поверхностно-активных веществ, которые, адсорбируясь на цементном камне, существенно уменьшают его поверхностную энергию, что способствует развитию микротрещин в бетоне и понижению его прочности. .

Сульфатная коррозия - один из широко распространенных видов химического разрушения цементных материалов, в частности, бетона. При контакте с бетоном сульфаты активно взаимодействуют с гидроксидом кальция и алюминатными составляющими цементного камня. В результате реакции сульфатов с гидроксидом кальция образуется CaSO4×2H2O, накопление которого в поровом пространстве бетона ведет к его постепенному разрушению. К более опасным последствиям приводит взаимодействие сульфатов с алюминийсодержа щими минералами, в результате которого образуются различные формы гидросульфоалюми ната кальция (ГСАК). Интенсивность коррозии бетона в сульфатсодержащих средах зависит от минералогического состава применяемого цемента. Бетоны, для изготовления которых используются цементы с ограниченным содержанием трехкальциевого силиката и, особенно, алюминийсодержащих минералов, обладают, как правило, повышенной сульфатостойкостью.
Рассмотрим взаимодействие цементного камня с водами, содержащими природные сульфаты. При достаточно высокой концентрации аниона SO42- в жидкой фазе он реагирует с катионом кальция Ca2+ по реакции: Ca2+ + SO42- = CaSO4×2H2O. Далее гипс насыщается водой и при кристаллизации увеличивается в объеме, что приводит к разрушению цементного камня.
Сульфоалюминатная коррозия - возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей CaSO4, и протекает по схеме: 3СaO×Al2O3×6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = 3CaO×Al2O3×3CaSO4×31H2O. В результате взаимодействия образуется малораст-воримый кристаллический трехсульфатный гидросульфоалюминат кальция, объем которого примерно в 2,8 раза больше объема исходных веществ. Развивающееся в порах кристаллиза ционное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происхо дит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции (Слайд ..). Вместе с тем к такой коррозии могут привести и агрессивные сточные воды промышленных предприятий (Слайд …), а также грунтовые воды. При малой концентрации сернокислых солей их агрессивное воздействие проявляется следующим образом. При действии вод, содержащих, например, сульфат натрия Na2SO4, он вначале реагирует о Са(ОН)2 по схеме: Са(ОН)2 + Na2SO4 = CaSO4 + 2NаОН. В последующем CaSO4 взаимодействует с гидроалюминатом, что также приводит к образованию эттрингита 3CaO×Al2O3×3CaSO4×31H2O. Следует отметить, что сульфат кальция CaSO4 практически сразу реагирует с клинкерным минералом.
Сульфатно-магнезиальная коррозия возникает при действии на цементный камень суль фата магния МgSО4, который также может присутствовать в грунтовой или морской воде. Реакция взаимодействия: Са(OH)2 + MgSO4 + 2H2O = CaSO4×2H2O + Mg(OH)2.

Образуется рыхлая масса Mg(OH)2 и кристаллы CaSO4×2H2O, которые растворяются водой.
Основные мероприятия по борьбе с коррозией бетона

1. Повышение плотности бетона различными конструктивными мерами;

2. Выбор специальных цементов из клинкера опр-ленного минералогического состава;

3. Введение добавок изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т.д.;

4. Обработка поверхностного слоя высокомолекулярными соединениями ( битумом, эпоксидными смолами, метилметакрилатом, стиролом и др.;

5. Окраски, оштукатуривания, оклейки гидроизоляционными материалами;

6. Покрыть поверхность бетона слоями из более плотных, прочных бетонов.

7. Применять более водостойкие пуццолановые портландцементы и шлакопортландцементы.

8. Наиболее эффективным средством борьбы с коррозией являются химические добавки. Их использование позволяет на три-четыре марки повысить непроницаемость (плотность) бетона. В таких бетонах резко снижается скорость диффузионного переноса агрессивных агентов в поровом пространстве и, соответственно, скорость коррозии;

Заключение: Механизм и интенсивность коррозионного разрушения бетонных конструкций, находятся в прямой зависимости со свойствами агрессивной среды, в контакте с которой они эксплуатируются. Наиболее опасной является химическая коррозия, которая вызывается взаимодействием агрессивных газов и жидкостей с составными частями затвердев шего портландцемента, главным образом с Ca(OH)2 и 3СaO×Al2O3×6H2O.
Гидротехнический бетон используют для сооружения: гидроэлектростанции, плотины, каналы, туннели, насосные станции, дамбы, шлюзы и т.п.

Портландцемент является основным компонентом гидротехнического бетона. В качестве наполнителей используют песок, щебень, а также гравий и крупную гальку. Помимо этого, в составе гидробетона имеются разнообразные добавки:



  • Пластифицирующие. Они отличаются тем, что существенно повышают пластичность раствора. Присутствие данных пластификаторов ведет к уменьшению порообразования.

  • Уплотняющие. К таким компонентам относятся неорганические соли металлов. Наиболее эффективной является нитрат кальция, при добавлении которого повышается водонепроницаемость и прочность.

  • Воздухововлекающие. Их количество – не более 1% от общего веса.

Самым идеальным наполнителем является природного происхождения промытый кварцевый песок (плотностью 2 т/м³). Использование щебня или гравия не возбраняется, но они должны иметь высокие технические характеристики.



Важно! С увеличением размера зерна (например, больше, чем 2 мм) происходит уменьшение уровня водостойкости.

Также на степень водостойкости влияет отношение пропорции воды и цемента в составе раствора: чем оно ниже, тем водонепроницаемость выше. Пластификаторы также способствуют тому, что смесь потребляет воды меньше.


Рецепт приготовления 1 м3 гидротехнического бетона: цемент М400–500 - 490 кг, щебень — 1100 кг; песок — 600 кг; пластификатор С3 — 1,5 кг; нитрат кальция — 5,0 кг; гидрофобизатор ГКЖ — 1,0 кг + вода.
Специалисты классифицируют гидротехнический бетон по его техническим харак-теристикам, прописанным в ГОСТ 26633-2012. Главными из которых считают прочность на сжатие, изгиб, а также осевое растяжение, производятся испытания водонепроницаемости и морозостойкости.

Самый распространенный метод определения прочности затвердевшего состава – разрушение куба с ребром 15 см. Для гидробетонов этот показатель может колебаться по классам прочности от В10 до В40, в зависимости от технических требований. Осевое растяжение маркируется индексами Bt 0,4 — Bt 4 и берутся с шагом 0,2, они показывают образование трещины при растяжении конструкции. Аналогичные показатели на изгиб от Btb 0,4 — Btb 8, где применен тот же шаг, а нагрузка идет на изгиб элемента до появления трещины.


Марка водонепроницаемости измеряется в возрасте 180 суток после заливки раствора. При изготовлении водостойкого бетона специального назначения применяются пластификаторы, увеличивается доля цемента, и показатель доводится до W12.

По морозоустойчивости гидротехнический бетон делится по маркам от F50 до F300 с шагом 50. Цифра после индекса означает количество циклов заморозки-оттаивания, которые выдерживает состав до потери четверти своей прочности. Добавление некоторых компонентов позволяет получить гидротехнический бетон с показателем F400. Испытание проводится в морозильной камере с меняющейся температурой на протяжении 28 суток, присваивается марка морозоустойчивости.



Приведем некоторые примеры количества цемента в бетонной смеси: 
– подводное бетонирование методом ВПТ (метод вертикально-перемещаемой трубы): 300—350 кг/м 3 ; 
– подводное бетонирование методом ВР (метод восходящего раствора): 300—370 кг/м 3 ; 
– основание бетонных плотин: до 230 кг/м 2 ; 
– подводная зона бетонных плотин: не менее 240 кг/м 3 ; 
– зона переменного уровня воды: 300—450 кг/м3, не менее 275 кг/м 3 ; 
– внутренняя зона бетонных плотин: не менее 160 кг/м 3 ; 
– наружные зоны, не подвергающиеся воздействию воды: до 240 кг/м 3 ; 
– наружные зоны, подвергающиеся воздействию воды: до 260 кг/м 3 ; 
– рисбермы бетонных плотин: от 210 кг/м 3 ; 
– донья шлюзов: 250 кг/м 3 ; 
– обделка гидротехнических туннелей: 240—330 кг/м 3 ; при подаче бетона бетононасосами — от 280—300 кг/м 3 ; 
– ремонтный бетон: от 300 кг/м 3 .

По степени морозостойкости гидротехнический гидробетон делится на 5 марок: F50, F100, F150, F200, F300, где цифровое значение указывает количество циклов заморозок и оттаиваний материала до того, как он потеряет 25% прочности. Проверку проводят в специальных морозильных камерах. Величина данного параметра обязательно учитывается при строительстве зданий, на которые будут воздействовать низкие температуры. В отдельных случаях изготавливается морозостойкий бетон для гидротехнических сооружений марки F400, при его производстве в состав добавляют специальные примеси в определенных пропорциях.



1. 3. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА 
Бетоны по плотности делятся на тяжелые (более 2200 кг/м3), облегченные (1800—2200 кг/м3) и легкие (1800 кг/м3 и менее). 

По достижении материалом возраста 180 суток определяют уровень водонепроницаемости. Во время тестирования гидротехнический бетон не должен пропускать влагу. Такими свойствами обладают марки W2, W4, W6, W8. Это значит, что он выдерживает давление воды в 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 МПа соответственно. Путем добавления специальных примесей-пластификаторов или изменения пропорций цемента можно увеличить плотность и водонепроницае мость до W12.



Прочность на сжатие. Определяется посредством осевого сжатия куба размером 15х15х15 см. Существует несколько классов, которые обозначают буквой B и цифрой, указывающей количество циклов воздействия. К самым популярным относят B10–B40. 2. Прочность на изгиб и осевое растяжение. Данный показатель важен, когда в конструкции не допускается образование трещин или работа обусловливается прочностью растянутого бетона. Основные классы: от Bt 0,4 до Bt 4 с шагом в 0,2. Прочность на изгиб отмечается показателями от Btb 0,4 до Btb 8 с таким же шагом. В некоторых случаях учитывают дополнительные параметры: стойкость к истиранию наносами и потоками воды, деформативность, небольшая усадка и др. На выбор цемента для раствора влияют условия строительства и принцип функционирования строений. Внешние зоны Портландцемент с низким содержанием трехкальциевого алюмината Внутренние зоны и подводная часть Пуццолановый или шлаковый цемент Надводная часть строения Пластифицированный и гидрофобный цемент Гидротехнический водостойкий бетон используют при строительстве: мостов, туннелей метро; бассейнов, декоративных мини-прудов и водных парков развлечений; канализационных шахт; набережных зон; гидротехнических и очистных сооружений (причалов, дамб, волнорезов)
Download 1.01 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
  1   2   3




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2020
ma'muriyatiga murojaat qiling