Коррозия и защита железобетонных резервуаров для хранения питьевой воды

Железобетонные резервуары для хранения питьевой воды в составе водопроводных станций используются уже более 60 лет. За это время накоплен определенный опыт их эксплуатации, а периодические обследования железобетонных конструкций выявили особенности поведения бетона в среде питьевой воды. Резервуары для питьевой воды имеют размеры в плане примерно 80х80 м и глубину около 5 м. Как правило, они находятся под землей и сверху защищены от замораживания слоем грунта толщиной около 1 метра.

Важной эксплуатационной характеристикой резервуаров является их герметичность для воды. Из санитарных соображений не допускается попадание в очищенную воду грунтовых, талых, дождевых и других неочищенных вод. Одновременно из соображений сохранности сооружений и экономии чистой воды не допускается утечка чистой воды в грунт, что привело бы к его размыву и просадке резервуара. По санитарным нормам внутренние поверхности конструкций резервуаров периодически подвергаются очистке и обеззараживанию хлором, гипохлоритом натрия и другими продуктами. Санитарные врачи предъявляют требования к качеству поверхности конструкций. Она должна быть ровной, гладкой, не иметь пор, что уменьшает возможность поселения на поверхности конструкций водорослей, грибов и бактерий. Из названных требований вытекает, что коррозионное повреждение поверхности бетона недопустимо.
Сотрудниками НИИЖБ в разные годы выполнялись обследования резервуаров чистой воды на различных водопроводных станциях. Наиболее старые из обследованных резервуаров были построены в 1930-х годах и к моменту обследования имели возраст около 60 лет.

Старение конструкций резервуаров происходит под влиянием физико-механических нагрузок и агрессивных сред, в т.ч.:
— очищенной (питьевого качества) воды;
— дезинфектантов (хлора, гипохлорита натрия);
— влажного воздуха в зоне над зеркалом воды в резервуаре. В воздухе может находиться некоторое количество хлора, выделившегося из воды, подвергнутой хлорированию.
С наружной стороны на конструкции резервуара воздействуют грунтовые воды и воды атмосферных осадков, фильтрующие через грунт. Со стороны грунта резервуары имеют гидроизоляцию, что исключает прямое воздействие грунтовых вод на бетон и коррозию бетона.
Обследование старых резервуаров выявили следующие особенности поведения железобетонных конструкций резервуаров.
Длительное действие чистой воды вызывает коррозию первого вида (выщелачивание). Растворимые компоненты цементного камня, главным образом гидроксид кальция, переходят в воду. В слое, подвергшемся процессу коррозии, происходит разложение минералов цементного камня (силикатов и алюминатов кальция). Прочность наружного слоя бетона понижается, затем полностью утрачивается. Коррозировавший слой состоит из гидратов кремния, алюминия, железа с включениями зерен заполнителя.
В большинстве случаев внутренние поверхности резервуаров имеют защитный слой, выполненный из торкрет-бетона. Наблюдения показывают, что за период около 50 лет торкрет-бетон разрушается на глубину около 10-15 мм. За разрушенным торкретом 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. Можно сделать вывод, что торкрет-бетон толщиной 10-15 мм в течение около 50 лет надежно исполняет роль защитного жертвенного слоя, после чего должен быть удален и заменен новым.

Периодическая обработка поверхности хлорсодержащими дезинфектантами не оказала заметного влияния на коррозионное состояние стальной арматуры в бетоне.
В надводной зоне (воздушная среда с высокой относительной влажностью), несмотря на образование конденсата на поверхности конструкций, существенного повреждения бетона по механизму коррозии первого вида не обнаружено. Не замечено существенного влияния и остаточного хлора в очищенной воде. Вследствие высокой влажности бетона и малой проницаемости для углекислого газа карбонизация бетона незначительная и коррозии стальной арматуры при нормальной толщине защитного слоя не вызывает.
Влажная среда в резервуарах способствует протеканию процессов гидратации в бетоне и росту прочности. За 50 лет прочность бетона увеличилась в 2-3 раза по сравнению с проектной. По-видимому, длительному росту прочности способствовал также грубый помол цемента, практиковавшийся в период строительства резервуаров. Те же влажные условия способствуют развитию и негативных процессов. Например, в одном случае выявлено растрескивание бетона колонн, вызванное процессом взаимодействия реакционноспособного заполнителя со щелочами цемента. Процесс развивался во внутренних слоях конструкций, где в отличие от наружного слоя содержание щелочей оставалось на исходном уровне, тогда как в наружном слое едкие щелочи вымывались водой. В указанном случае потребовалось усиление колонн железобетонной обоймой.

Железобетонные резервуары для питьевой воды на водопроводных станциях имеют большие размеры и возведены без деформационных швов. Следствием этого явилось образование силовых трещин в конструкциях днища, перекрытия и стен. Имеется несколько причин образования трещин. Это в т.ч. деформации основания под резервуарами, температурные деформации стальных труб большого диаметра, врезанных в стены резервуаров и, возможно, температурные деформации железобетона. Трещины обнаруживались обследователями уже в первые годы эксплуатации сооружений. Наличие сквозных трещин в конструкциях с длительной фильтрацией грунтовой воды вызвало коррозию стальной арматуры в трещинах вплоть до ее обрыва. Процесс растворения стали развивался лишь непосредственно в трещинах. Вскрытие защитного слоя рядом с трещинами показало, что здесь арматура находится в хорошем состоянии, коррозия ее отсутствует.
Имеет значение состояние грунтов под резервуарами. Обследования ряда резервуаров показали, что в некоторых случаях при неудовлетворительной конструкции и состоянии кольцевого дренажа возможно размягчение и суффозия грунта, а также разбухание глинистых грунтов. Ослаблению грунта может способствовать сток воды с кровли по стенам резервуара. Например, при годовой норме осадков 600 мм с кровли площадью 6400 м 2 может стекать порядка 4000 м 3 воды. Проникновение воды под днище резервуара способно вызвать просадку грунта и образование трещин в железобетонных конструкциях с описанными выше негативными последствиями. В одном случае указанные обстоятельства вызвали образование сквозной опоясывающей трещины, проходящей через перекрытие, стены и днище резервуара (по сливному лотку), разделяющей резервуар на две равные части, при этом арматура в трещинах коррозировала до обрыва.

В таких сложных случаях ремонт поврежденных железобетонных конструкций резервуара должен включать в себя:
— укрепление грунтов под основанием сооружения;
— ремонт и восстановление дренажной системы;
— ремонт, а при необходимости усиление, обеспечивающие восстановление несущей способности сооружения (при этом при заделке трещин необходимо восстановление поврежденной арматуры и защитного слоя);
— восстановление гидроизоляции сооружения;
— выполнение защитного жертвенного слоя из торкрет-бетона на поверхностях железобетонных конструкций, подвергающихся выщелачивающему действию чистой воды.

Существует проблема консервации резервуаров для питьевой воды на период обследований состояния и до начала ремонтных работ. При консервации резервуар выводится из эксплуатации и опорожняется. Рассмотрим факторы, влияющие на долговечность резервуаров в этих условиях.
1. Перекрытие резервуаров для питьевой воды находится в грунте на глубине около 1 м. Эта глубина существенно меньше глубины промерзания грунта, которая для Москвы составляет 1,4 м. В действующих резервуарах, заполненных водой, замерзания железобетонных конструкций перекрытий не наблюдается. Определенное положительное влияние в этом случае оказывает присутствие большого объема воды, имеющей всегда положительную температуру. В опорожненном резервуаре возникает опасность замораживания конструкций перекрытий при низких отрицательных температурах наружного воздуха. Опасность замораживания усиливается двумя обстоятельствами: во-первых, при проектировании и возведении конструкций не предусматривались требования по морозостойкости бетона. Во-вторых, бетон сооружения насыщен водой и при замораживании в таком состоянии морозная деструкция бетона усиливается.
2. При постепенном высыхании ускорится карбонизация бетона с потерей его защитного действия по отношению к стальной арматуре. Ускоренной карбонизации бетона будет способствовать произошедшее в процессе эксплуатации конструкций выщелачивание бетона защитного слоя, сопровождающееся увеличением пористости поверхностных слоев. С распространением карбонизированного слоя до поверхности стальной арматуры начнется коррозия арматуры.
3. Резервуары для воды даже после опорожнения остаются сооружениями с мокрым или влажным режимом эксплуатации. Во влажной среде можно ожидать ускоренное развитие грибной флоры. Присутствие микроскопических грибов в порах бетона было установлено при микроскопическом исследовании образцов бетона, отобранных в одном из обследованных резервуаров. Развитие грибков не может существенным образом сказаться на прочности железобетонных конструкций, но резко ухудшит санитарное состояние сооружения.
При консервации резервуаров для хранения питьевой воды необходима разработка специального проекта по предупреждению негативных последствий.

Николай РОЗЕНТАЛЬ, зав. сектором, к. т. н, Маргарита БУЛГАКОВА, ведущий научн. сотр., к. т. н, Галина ЧЕХНИЙ, старший научн. сотр., к. т. н, Раиса СОЛОВЬЕВА, научн. сотр., к. т. н, ГУП НИИЖБ Госстроя России, г. Москва