Обеспечение долговечности строительных конструкций зданий и сооружений

Раздел II ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ III СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И 3.1 Уменьшение воздействия агрессивных сред При рассмотрении производств с агрессивными средами у проектировщиков нередко основное внимание уделяется вопросам выбора защитных покрытий, изолирующих строительные конструкции от контакта со средой (жидкой, газовой или твердой). Система защиты действительно эффективна, но при условиях, когда покрытие обладает химической стойкостью и непроницаемостью в течение того же срока, что и защищаемая конструкция. В то же время большинство покрытий требуют периодического возобновления уже через 5–7 лет, поэтому после «отказа» антикоррозионной защиты срок службы конструкции определяется лишь ее прочностным запасом. Учитывая это в нормативах по проектированию машиностроительного оборудования, при расчете конструкций толщина металла принимается в агрессивных средах несколько большей (при сохранении обязательных требований по защите). Строительные нормативы такой регламентации не имеют, и толщины конструкций рассчитываются только в зависимости от действующей механической нагрузки без учета коррозионного износа [21]. Поэтому задачей проектирования является разработка не только методов защиты (хотя это требование также обязательно), но и создание условий, при которых скорость коррозии будет сведена к минимуму. Решить ее возможно на том этапе, когда только начинается разработка технологической схемы и выбор объемно-планировочных параметров зданий и сооружений, а также типоразмеров строительных конструкций. Основные принципы снижения агрессивности среды, согласно [8], сформулированы следующим образом: «разработка генеральных планов предприятий, объемно-планировочных и конструктивных решений с учетом розы ветров и направленности потока грунтовых вод; проектирование технологического оборудования с максимально возможной герметизацией и обеспечение эффективной работы общеобменной и местной вентиляции». Когда защиту от коррозии начинают разрабатывать на стадии рабочей документации, большинство из указанных выше предложений уже нельзя реализовать, или же нужна коренная переделка проекта. 1 Между тем, снижение агрессивных воздействий может дать более значительный эффект, чем самое совершенное защитное покрытие. Рассмотрим более подробно некоторые из способов, позволяющих увеличить срок службы основных фондов в агрессивных средах, не забывая, что реализованы они могут быть лишь при условии, что специалисты, разрабатывающие архитектурно-строительный, технологический разделы, генеральные планы, транспорт, санитарно-техническую часть не будут игнорировать вопросы защиты от коррозии с начальных этапов проектирования. Генеральные планы промышленных предприятий разрабатываются с целью наиболее рационального размещения зданий, сооружений, коммуникаций, дорог, инженерных сетей и обеспечения благоустройства территории. Обычно принимается квартальная застройка, когда сблокированные предприятия разделены проездами и магистралями. Размеры кварталов зависят от характера производства. Группировка зданий и сооружений на генеральных планах осуществляется с учетом технологических признаков и включает, как правило, производственную, подсобную и складскую зоны. Между этими зонами осуществляется система транспортировки материалов и продуктов, в том числе содержащих агрессивные газы, жидкости, твердые соли. Она может быть надземная, подземная или смешанная (эстакады, каналы, трубопроводы, в том числе транспорт и т. д.). Поэтому с точки зрения вопросов защиты от коррозии при разработке генеральных планов важно решить следующие задачи: а) сокращение путей транспортировки агрессивных и токсичных сред; б) расположение зданий и сооружений с учетом минимального влияния на них объектов, являющихся источниками агрессивных сред или высокой влажности воздуха. Так как при любой транспортировке возможны потери агрессивных продуктов, система канализации кислых, щелочных и токсичных сред должна иметь минимальную протяженность с тем, чтобы процессы нейтрализации и обезвреживания осуществлялись в тех зонах, где образуются эти продукты. Например, очистка кислых стоков может быть не за сотни метров от производства, а приближена к цеху. Удачным решением является установка систем нейтрализации в самом производственном помещении. Для уменьшения протяженностей коммуникаций с этой же целью используется блокирование цехов с агрессивными средами в одном здании. При этом уменьшается периметр наружных стен и покрытий, т. е. тех элементов, которые при наличии агрессивных сред эксплуатируются в наиболее тяжелых условиях. Выгодно отличается блокировка и по общестроительным показателям. Эффективность таких решений должна подтверждаться технико-экономическим расчетом. Особое внимание на генеральных планах должно быть уделено складам кислот и щелочей, растворителей, токсичных продуктов, разгрузочным эстакадам, особенно железнодорожным. При отсутствии вертикальной 2 планировки и защиты атмосферные осадки (попадая на площадки с такими продуктами) могут проникать в грунты или вместе с дождевыми стоками в обычную ливневую канализацию, которая не предусматривает какой-либо защиты от коррозии. Поэтому, если нет возможности разместить склады, сливно-наливные эстакады в здании или под навесом, атмосферные осадки с таких площадок должны направляться на нейтрализацию и очистку, также как поступают с проливами на полы. Это касается также всех зон, где агрессивные продукты подвергаются воздействию атмосферных осадков и могут бесконтрольно распространяться по площадке. Здания и сооружения, выделяющие в атмосферу газы, пыль, аэрозоль, влагу, являются источниками повышенной опасности для ближайших к ним строительных конструкций. На практике, к сожалению, это учитывают довольно редко, так как разработка защиты осуществляется чаще всего не комплексно, а выборочно под конкретное производство – без учета соседних зданий. Попадая в наружную атмосферу из вытяжных систем вентиляции, открытых проемов твердые жидкие и газообразные среды распространяются вместе с потоками воздуха. Последние, в свою очередь, зависят от направления и скорости ветра, наличия по пути распространения зданий различной высоты (экранов) и характера выделяющихся вредностей. Направления ветра наносят на генеральный план в виде «розы ветров». Здания и сооружения, попадающие в розу ветров с подветренной стороны, оказываются в зоне повышенной коррозионной опасности, что следует учитывать при защите наружных стен, кровельных покрытий и всех открытых конструкций. Поэтому на генеральном плане источники агрессивных сред следует размещать таким образом, чтобы в зоне розы ветров за ними не было строений, а когда это требование невыполнимо обеспечивать их защиту от атмосферных воздействий с учетом влияния выделяющихся вредностей. Сказанное в полной мере относится и к выбору пород зеленых насаждений, если они имеются на площадке (рисунок 1 приложения 7). Определенную опасность представляют сооружения, выделяющие при эксплуатации в атмосферу большое количество влаги. Наиболее типичными являются градирни, имеющиеся на большинстве промышленных предприятий. Их влияние на окружающие конструкции настолько велико, что, например, в северных районах страны стены из ячеистых бетонов в расположенных по близости зданиях, уже через несколько лет начинают интенсивно разрушаться. Кроме того в результате увлажнения наружных стен снижаются теплотехнические показатели. Недоучет этих явлений особенно опасен для тех предприятий, где получают, перерабатывают или хранят агрессивные твердые, жидкие или газообразные продукты. Например, вокруг цехов получения серной кислоты битумные кровельные покрытия разрушаются уже через 1–3 года. Пыль от складов 3 хлористого калия и хлористого натрия, оседающая на металле и железобетоне в атмосферных условиях является сильно агрессивной и в десятки раз ускоряет коррозию стали. Известен ущерб от щелочных твердых сред, выделяемых цехами глинозема и оседающих на покрытиях. Внутри зданий и сооружений снижение степени агрессивности в первую очередь связано с уменьшением воздействия фазовой влаги и жидких сред. Исключение из производств мокрых процессов, гидросмыва, уменьшение объема канализационных стоков не только может улучшить санитарногигиенические условия, но на порядок снизить скорость коррозии и дать значительный экономический эффект за счет повышения сроков службы строительных элементов. Для производств, где по технологическим требованиям нельзя уменьшить высокую влажность воздуха, рекомендуются другие решения: подвесные потолки, специальные конструкции стен, включение наружных конструкций во внутренние объемы здания и др. (рисунок 2 приложения 7). В таких помещениях можно также создавать разряжение и использовать тройное остекление. Следует учитывать, что та экономия, которая получается в техникоэкономических расчетах от использования открытых зданий, этажерок (по сравнению с закрытыми зданиями и навесами) рассчитывается, как правило, без учета потерь от агрессивных сред и снижения сроков службы. Такие расчеты следует рассматривать с приведенными затратами, связанными с ремонтом и восстановлением зданий при эксплуатации. Поэтому часто экономически выгоднее делать отапливаемые здания, навесы, стены и заведомо несколько увеличивать первоначальную стоимость, но получить эффект от снижения степени агрессивного воздействия среды. Разумеется, должна быть учтена климатология; например, в районах с сухим и жарким климатом такие решения не могут быть столь эффективны, как в северных районах. Как уже было отмечено выше, одна и та же среда по-разному взаимодействует со строительными материалами. Поэтому коррозионные потери и снижение несущей способности во времени зависят от выбранных строительных материалов и конструктивных решений элементов зданий и сооружений. 3.2 Первичная защита Последние годы у специалистов, занимающихся вопросами защиты строительных конструкций, широкое распространение получили такие термины, как «первичная» и «вторичная» защита. При всей условности подобного деления его рациональная суть в том, что мероприятия по обеспечению долговечности и химической стойкости необходимо начинать не с выбора защитных покрытий, а в первую очередь с разработки такой 4 конструкции, которая обладала бы высокой долговечностью и надежностью. Оптимальный вариант первичной защиты – конструкция, выполненная целиком из химически стойких материалов. При этом возможность первичной защиты для стальных и железобетонных конструкций значительно отличается. 3.2.1 Металлические конструкции Металлические конструкции из низкоуглеродистой стали не применяются в агрессивных средах без защитных покрытий. Повышение срока службы за счет выбора марок сталей может дать определенный эффект в условиях атмосферной коррозии и только при слабой степени агрессивных воздействий. С этой целью используют атмосферостойкие стали. Они имеют повышенную коррозионную стойкость и в открытой атмосфере могут применяться без специальной защиты. В других условиях, например в средне- и сильно агрессивной среде и внутри цехов, то есть когда отсутствуют условия для образования защитной пленки, эти стали не обладают преимуществом перед обычными. Длительность формирования защитной пленки составляет 1,5…3 года, причем при наличии сернистого газа небольших концентраций, процесс образования пленки ускоряется (раздел II). Таким образом, для сталей выбор материала может дать эффект лишь в условиях слабой степени агрессивного воздействия среды. Значительно эффективнее при проектировании металлических конструкций использовать принципы концентрации материала, изменения сечения и формы. Концентрация материала состоит в применении сечений, имеющих возможно меньшую поверхность, контактирующую с агрессивной средой (при прочих равных условиях). Согласно этому принципу значительно эффективнее использовать конструкции с шагом 12 м, вместо 6 м, двутавры с утолщенными полками и стенками, увеличенные пролеты ферм и балок. Так как коррозия протекает по поверхности, то относительная площадь поражения уменьшается с увеличением площади сечения. В свою очередь, площадь сечений возрастает с увеличением размеров конструкций. На рисунке 3.1 показано, как изменяется относительная потеря сечения металла, в зависимости от его поперечного сечения. Для сплошностенных конструкций, например колонны, только путем увеличения сечения можно уменьшить коррозионный износ в 1,5–2 раза, без каких-либо изменений параметров агрессивности среды. Принцип концентрации материала и изменения формы может дать особенно значительный эффект в наиболее распространенных элементах зданий (рисунок 3.2). Проектировщики часто недооценивают первичную защиту. Например, нежелание изменить типовые серии ферм приводит к тому, что их используют даже в средне- и сильноагрессивных средах. Сечения таких ферм выполнены в виде спаренных уголков, между которыми имеется зазор всего 8–10 мм. При 5 незначительной величине зазора невозможно осуществить защиту и тем более возобновить покрытие, поэтому более 20% поверхностей не контролируются. Глубина коррозии, мкм Рисунок 3.1 – Уменьшение площади сечения различных равнопрочных элементов в зависимости от величины коррозионного повреждения: 1– тонколистовая сталь (толщина 1 мм); 2 –труба с толщиной стенки 2 мм; 3– равнобокий уголок. Рисунок 3.2 – Зависимость долговечности ферм из труб и спаренных уголков от величины пролета и шага при скорости коррозии 0,005 мм/год Образующиеся в процессе коррозии продукты заполняют пространство между уголками. Так как объем ржавчины значительно больше основного металла возникает давление, величина которого настолько велика, что порой происходит разрыв металла по сварным швам. В качестве примера можно сравнить потери от коррозии в фермах, имеющих два различных сечения: спаренные уголки и тавры при одинаковых площадях сечения. Контактирующая с агрессивной средой поверхность в случае тавра почти на 25% меньше, чем у сечения из спаренных уголков. Соответственно увеличиваются площадь, требующая защиты и расход материалов. При этом пространство между уголками не ремонтнопригодно. Поэтому использование спаренных уголков в элементах конструкций с высокой степенью агрессивности резко сокращает срок службы зданий. Степень влияния конструктивной формы оценивается коэффициентом K1, представляющим отношение износа элемента любого сечения к эталонному, в качестве которого принята труба. 6 Существует также коэффициент положения элемента в пространстве К2 – отношение износа сечения, расположенного под определенным углом к горизонтальному (таблица 3.1). Таблица 3.1 – Коэффициент влияния типа сечения и угла наклона к горизонтали на скорость коррозии углеродистой стали Тли сечения Трубы Замкнутое коробчатое сечение Лист, одиночный прокат Составной профиль, спаренные уголки Коэффициент влияния типа сечения К1 1,0 Коэффициент влияния угла наклона К2 град. 45 90 1 0,6 0,4 1,1 1 0,6 0,4 1,4 1 0,7 0,5 2,0 1 0,8 0,6 Не всегда приведенные данные точно совпадают с результатами натуральных замеров. Например, пыль при скапливании на горизонтальных поверхностях, может ускорить коррозионный процесс и в то же время уменьшить проникание газообразных продуктов, выполняя защитную функцию. Поэтому коэффициенты K1 и К2 могут использоваться лишь как ориентировочные при определении коррозионной стойкости элементов. Как мы видим, для одной конструкции, выполненной из различных сечений, элементы расположенных под углом к горизонтальной поверхности отличаются по стойкости в 2–2,5 раза (таблица 3.1). Считается, что хорошими параметрами обладают конструкции, имеющие близкие или отличающиеся не более чем в 1,5 раза показатели коррозионной стойкости, так как при этом потери от уменьшения сечения элементов и снижения их несущей способности будут более равномерными. 3.2.2 Бетон и железобетон В отличие от металлоконструкций, для которых состав обычной низкоуглеродистой стали незначительно влияет на скорость коррозии, свойства бетонов, имеющих даже одинаковую марку по прочности в условиях агрессивных сред, могут отличаться на порядок. Это позволяет более широко использовать методы повышения долговечности конструкций без применения какой-либо дополнительной обработки поверхности и изоляции от контакта со средой. Наиболее важным из этих методов является повышение плотности бетона. В таблице 1 [8] приведены данные, показывающие, насколько изменяется коррозионная стойкость бетона только за счет увеличения его плотности: с W4 до W20 (таблица Е1 [8]). 7 Методы повышения плотности бетона приведены в многочисленных нормативных документах и технической литературе [13] и включают: гранулометрический подбор заполнителей и свяжущих; минимальный расход воды при сохранении удобоукладываемости смеси; введение добавок; соблюдение технологии укладки, выбор режима твердения и т. д. Особая роль отводится использованию добавок. Получение бетонов с требуемыми показателями водонепроницаемости, химической стойкости и морозостойкости в настоящее время уже практически невозможно без применения различного рода уплотняющих, пластифицирующих, ингибирующих, воздухововлекающих и комбинированных добавок. Вид цемента. Основным вяжущим для конструкций промышленных зданий является портландцемент. В конструкциях редко используются другие виды цементов, так как выпускаются они в ограниченном объеме. Недостаточная информация о них и у проектировщиков. В то же время, для жидких агрессивных сред, содержащих, например, сульфаты, применение сульфатостойких цементов позволяет значительно повысить химическую стойкость без выполнения какой-либо вторичной защиты, (таблица В4 [8]). Промежуточное положение по химической стойкости между портландцементом и сульфатостойким портландцементом занимают среднеалюминатные цементы. Если содержание С3S в обычном портландцементе не превышает 65%, С3А менее 7%, а суммарное содержание С3А + C4AF не более 22%, то такое вяжущее обладает повышенной химической стойкостью в сульфатных водах или технологических растворах с сульфатами. Для использования этого вида первичной защиты надо знать химический состав портландцемента, поступающего на объект, так как он может значительно отличаться на различных предприятиях по его изготовлению. Выбор марок арматурных сталей. Для обычных конструкций тип арматурной стали незначительно влияет на долговечность конструкции. При наличии предварительного напряжения снижение коррозионной опасности может быть достигнуто путем рационального подбора вида армирования и типа сталей. В первую очередь необходимо ограничить применение сталей склонных к коррозионному растрескиванию. Обеспечение сохранности арматуры путем ограничения ширины раскрытия трещин и особенно фиксированного защитного «слоя бетона является обязательным условием, так как установлено, что продолжительность карбонизации бетона пропорциональна квадрату толщины защитного действия. Увеличив защитный слой с 10 до 25 мм (таблицы Ж3 и Ж4 [8]) можно в четыре раза повысить коррозионный запас. 8 Конструктивные мероприятия играют важную роль в повышении стойкости бетона, хотя применяются они в проектировании довольно редко. В значительной степени это объясняется использованием в проектах типовых сборных железобетонных конструкций. Методы первичной защиты путем изменения формы и типа армирования более эффективно в монолитных конструкциях. Так же, как и в металлических конструкциях, за счет изменения формы, возможно уменьшить площадь контакта со средой. В железобетоне потери от коррозии учитываются не только по уменьшению сечения, но и по сохранности арматуры, поэтому показатель коррозионной стойкости железобетона складывается из следующих параметров: — сохранение защитных свойств бетона защитного слоя по отношению к арматуре; — отсутствие опасных для арматуры трещин в бетоне; — сохранение сечения, обеспечивающего прочностные свойства конструкции. Влияние напряженного состояния при действии агрессивных сред в достаточной мере пока не учитывается при расчете конструкций. Объясняется это, как разнообразием различных воздействий, так и сложностью в прогнозировании снижения прочности конструкций в зависимости от вида механических воздействий, а также особенностей приложения нагрузки. Более четко условия эксплуатации учитываются применительно к конструкциям, подвергающимся замораживанию и оттаиванию во влажном состоянии путем введения коэффициента условий работ – γр. Кроме этого могут использоваться и другие многочисленные коэффициенты условий работ (от γb1 до γb12), учитывающие нарастание прочности бетона во времени, снижение прочности в зависимости от технологии укладки смеси, снижение прочности бетонов в случае их нагрева выше 50° С за счет солнечной радиации и др. При определении расчетных сопротивлений железобетонных и бетонных конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, начальный модуль упругости бетона умножается на понижающий коэффициент. При расчетной температуре ниже -40°С изменения условий работы путем перевода конструкций из водонасыщенной зоны в зону эпизодических увлажнений можно на 15…30% повысить значения расчетных сопротивлений материала конструкций [18, 19]. 3.2.3 Бетоны с повышенными защитными свойствами 5 9 Наиболее эффективно можно обеспечивать долговечность железобетонных конструкций путем разработки мероприятий, позволяющих их использовать без дополнительной защиты. С этой целью повышают плотность, выбирают различные типы цементов, используют добавки (модифицируют бетоны), что значительно расширяет область применения конструкций в агрессивных средах. [29] Что касается добавок, то если их количество не превышает 1…2% от массы цемента, то бетон считается цементным. При содержании добавок 7…15% физико-механические свойства бетонов и растворов значительно отличаются. Такой материал называют полимерцементным бетоном (или раствором). В капитальном строительстве полимерцементные бетоны ввиду высокой стоимости используют редко. Более широко применяют полимерцементные растворы. Особенно эффективно использовать этот материал для восстановления защитных слоев арматуры. Химическая стойкость полимеррастворов зависит от вида полимера или эмульсии. Например, широко используемая добавка ПВА улучшает адгезию и структуру растворов. Полимерцементные бетоны и растворы с эпоксидными и другими добавками имеют лучшую химическую стойкость и широко используются за рубежом для ремонтных работ. При тщательном подборе составов, ввиду высокой плотности, полимерцементные растворы могут использоваться, даже, вместо рулонной гидроизоляции в полах (таблица 3.2). Таблица 3.2 – Составы полимерцементных растворов Наименование составляющих Портландцемент М 400…500 Строительный песок Мкр 2…25 Вода Латекс стабилизированный СКС-65 Добавки ГКЖ-10 или ГКЖ-11 Жидкое стекло натриевое γ=1,42 Раствор СРБ ρ=0,9 Единица измерения кг кг л кг кг кг кг Состав 1 Состав 2 Состав 3 540…600 1200…1240 230…240 7…8 – 540…600 1200…1250 235…245 – 2…3 – – 600 1200 180…190 – – 12 12 – 3.3.2.1 Химически стойкие бетоны Кислотоупорный бетон получают путем перемешивания связующего с инертными материалами. Процесс отверждения в таких бетонах осуществляется путем введения кремнефтористого натрия. Жидкое стекло и кремнефтористый натрий выполняют ту же функцию, что и цемент в строительных бетонах. Основой кислотоупорных бетонов является жидкое стекло. Широко используемое натриевое жидкое стекло получают путем сплавления безводной 10 соды с кремнеземом в тонкодисперсном состоянии (сухой способ) или растворением кремнезема в растворе едкого натра (мокрый способ). Сырьем для получения жидкого стекла служат (как и для обычного стекла) чистые кварцевые пески, содержащие почти на 99% кварц SiО2. Так как в песках имеются примеси типа CaO, Fe2О3, Al2О3 и др. для улучшения качества их дополнительно обогащают. Кроме кварцевых песков для приготовления жидкого стекла используют аморфный кремнезем. Содержание SiО2 в кремнеземе может достигать 94…95%. Благодаря высокой дисперсности он легко реагирует с расплавленной содой и едкими щелочами. Кремнезем применяют в основном при получении стекла по мокрому методу. В общем виде формула натриевого жидкого стекла условно выглядит как Na2·nSiО2. Величина n – отношение числа молей SiО2 к числу молей Na2О (или К2О) называется модулем растворимого стекла. Величина модуля для применяемых кислотоупорных бетонов и замазок колеблется в пределах 2,8…3,0. Жидкое стекло способно разлагаться при действии даже углекислоты воздуха, однако процесс этот в массиве бетона (куда доступ воздуха ограничен) практически затормаживается. Поэтому дополнительно вводятся инициатор твердения – тонкомолотый кристаллический порошок кремнефтористого натрия (Na2SiF6). Процессы, протекающие при твердении кислотоупорных бетонов, заключаются во взаимодействии жидкого стекла с кремнефтористым натрием и выделения геля кремниевой кислоты, обладающего вяжущими свойствами. Затем в результате дегидратации Si(OH)2 в SiО2 и удаления выделяющейся воды получается твердая масса, обладающая высокой прочностью. Как и для цементных бетонов, избыток воды для жидкого стекла оказывает отрицательное влияние на свойства кислотоупорных бетонов. В свою очередь недостаточное количество воды делает смесь трудно укладываемой, поэтому для бетонов важен подбор составов, обладающих соответствующим модулем (2,8…3,0) и плотностью 1,36…1,41 г/см3. Эти два показателя являются основными. В кислотоупорных бетонах кроме заполнителей используются наполнители. Качество кислотоупорного бетона во многом зависит от чистоты заполнителей, так как даже незначительное содержание не кислотостойких составляющих снижает их химическую стойкость, особенно в условиях действия сильно концентрированных кислот. Бетон на жидком стекле обладает высокой механической прочностью (до 15…40 МПА). Что касается стойкости в кислых средах, то она возрастает с повышением концентрации кислот. Не пригоден кислотоупорный бетон при действии щелочей, плавиковой и кремнефтористоводородной кислот. В воде, особенно горячей, бетон разрушается. 11 Ввиду высокой пористости (гель кремневой кислоты теряет до 60–70% воды и значительно уменьшается в объеме) бетоны проницаемы для кислот, особенно разбавленных. При небольшой величине защитного слоя возможна коррозия арматуры, поэтому, как правило, изделия из обычного кислотоупорного бетона не армируют и используют в сооружениях и элементах оборудования, работающих на сжатие (приложение 8). Полимерсиликатбетон – это кислотоупорный бетон, модифицированный добавками (главным образом полимерными). Применение добавок и подбор составов позволяет значительно улучшить свойства бетона: плотность, прочность, водостойкость и морозостойкость. Благодаря этому при повышенной величине защитного слоя (30…45 мм) успешно эксплуатируются армированные конструкции и сооружения. Наиболее распространенной добавкой является фуриловый спирт. Применяют также сульфанол, ХСПЭ, ГКЖ-10, парафины и др., количество которых не превышает 1…3% от массы жидкого стекла (таблица 3.3). Введение фурилового спирта в полимерсиликатбетоны способствует уменьшению крупных пор, а наличие полярных групп вызывает их ориентированную сорбцию на частицах геля, вызывая эффект «защитного» действия. В свою очередь диффузия кислот вызывает «осмоление» полимера и способствует кольматации пор. Поэтому за несколько лет эксплуатации в среде 10…15% серной кислоты в травильных ваннах кислота проникает в полимерсиликатбетон всего на 5…7 мм. Таблица 3.3 – Составы химически стойких бетонов на жидком натриевом стекле, кг/м3 Наименование материала Кислотоупорный Полимерсиликатбетон перлитобетон Состав 1 Состав 2 Состав 1 Состав 2 Состав 2 Состав 3 1152…120 594…638 528…575 385…407 348…372 297…319 252…276 – – 53,0 38,0 Щебень кислотостойкий 1030 1145 Песок кварцевый Мука кварцевая Жидкое стекло Перлит молотый Кремнефтористый натрий Тетрафуриловый эфир ортофосфорной кислоты (ТФС) Фуриловый спирт Катапин Сульфанол 520 300 200 300 – 560 – 235 460 – – – – – – – – – – – – ГКЖ-10 792…836 800 1200 600 400 300 – 45 480 460 300 – 45 – 45 9 11,0 – 8,4 0,7 0,5 – – – 2,2 – – – – – 0,6 12 Процесс проникания растворов кислот в кислотоупорные бетоны носит затухающий во времени характер. Глубина проникания зависит от вида бетона, его структуры, уровня напряженного состояния, а также концентрации раствора кислот. В отличие от цементных бетонов, где защита арматуры обеспечивается за счет пассивации, в полимерсиликатбетонах среда слабощелочная, кроме того возможны отдельные активные зоны скопления NaF, образующегося между силикатами натрия и кремнефтористым натрием. Поэтому некоторые исследователи предлагают использовать в слабых растворах кислот добавкиингибиторы. По сравнению с цементными бетонами полимерсиликатбетон обладает более высокой (в 2,3…2,7 раза) прочностью сцепления с арматурой, а также большей прочностью на растяжение. Начальный модуль упругости Е0 = 21 ·10-3 МПа. У цементного бетона – класса В-25, В-35 Е0 = 27…32,5·10-3 МПа. Полимерсиликатбетон в естественных условиях набирает прочность довольно медленно, особенно при повышенной влажности воздуха (отличие от цементных бетонов). После 30 суток нормального твердения из него удаляется только 25% «свободной влаги». Поэтому для конструкций, размер сечения которых больше 15…20 см желательно осуществлять сушку при повышенной температуре (60…80°С) с обязательным отводом конденсата. При таком режиме уже через двое суток конструкции набирают около 80% прочности. Имеются составы промышленного изготовления, обладающие повышенной прочностью и ингибирующими свойствами [31]. Кремнебетон – смесь химически стойких заполнителей, наполнителей, размельченной силикат-глыбы, подвергнутых термообработке в автоклаве. Наполнителем служит тонкоизмельченный кварцевый песок с площадью удельной поверхности S = 5000 см2/г. Кварцевый наполнитель в процессе гидротермальной обработки и высокого давления, взаимодействует со стеклообразным кремнеземом. Аморфный кремнезем под воздействием температуры и давления в щелочной среде (щелочи входят в состав силикат-глыбы) стремится перейти в более устойчивую кристаллическую форму. Происходит эффект кристаллизационного твердения стеклообразного кремнезема, с образованием искусственного кварцевого камня, обладающего высокой прочностью и химической стойкостью (таблица 3.4, таблица 3.5). Таблица 3.4 – Состав кремнебетона Состав Силикат глыба высокоглиноземистая, фракция 0,3…1,4 мм Кварцевый песок (Мкр. = 1,4) Расход, кг/м3 320…340 250…300 13 Кварцевый песок молотый (γ = 3000…5000 см2/г ) Щебень кварцевитый, фракции 5…20 мм Вода 280…300 1400…1450 130…145 Таблица 3.5 – Свойства кремнебетона Характеристика Прочность при сжатии при сжатии с изгибом при осевом растяжении Плотность Термостойкость Морозостойкость не менее Общая пористость Коэффициент термического расширения Сцепление с гладкой арматурой Коэффициент стойкости в 20% H2SO4 единица измерения кг/м3 °С циклы % 1/°С Величина характеристики 40...60 40 6 2300 800 300 12...13 14 х 10~6 МПа Кст 6,0 0,96 МПа Кислотостойкость кремнебетона весьма высока и составляет 97…97,5% и близка к стойкости заполнителя. Щелочестойкость бетона также высокая – до 98% при рН = 12. Он обладает высокой прочностью. Конструкции из кремнебетона нашли применение для дымовых труб ГРЭС, где они использовались в виде плоских панелей размером до 10·2,5 м соединенных между собой через стальные закладные элементы. Для сильноагрессивных сред, где применение кремнебетона может дать значительный экономический эффект, его желательно применять без армирования или же с защитными слоями, гарантирующими сохранность арматуры. Кроме того надо иметь в виду, что изготовление конструкций может осуществляться лишь в заводских условиях. Кислотостойкий жидкостекольный перлитосиликатбетон автоклавного твердения с активным наполнителем – относительно новый тип бетона. В отличие от обычных и модифицированных жидкостекольных бетонов в качестве отвердителя и катализатора в нем участвует не кремнефтористый натрий, а молотый перлит с удельной поверхностью 3500см2/г. Смесь тонкомолотого перлита, водорастворимого силиката натрия и заполнителей после обработки высокой температурой и давлением затвердевает и превращается в высокопрочный материал. Особенность процесса в том, что перлитовая порода, содержащая активный кремнезем и тонкоизмельченном состоянии при температуре 150…200° С вступает во взаимодействие с щелочью жидкого стекла. 14 Тонкомолотый перлит является наполнителем и выполняет одновременно функцию инициатора твердения. Путем подбора составов и режима отверждения можно получить составы, обладающие прочностью до 100…110 МПа (таблица 3.6). Технология перемешивания, укладки, уплотнения как у цементных бетонов. Таблица 3.6 – Свойства перлитосиликатбетона Характеристика Плотность Прочность сжатие Изгиб Модуль упругости Коэффициент температурного расширения Морозостойкость Термостойкость Коэффициент стойкости в 20% H2SO4 Единица измерения кг/м3 МПа Величина характеристики 2200…2300 100…110 МПа МПа 1°С 20…25 (30…35) х 103 (13…14) х 10-6 Циклы °С Кст 500 400…500 0,9…0,95 Основная особенность этого вида бетона – необходимость температурной обработки при давлении и при температуре около 20 оС в автоклавах, куда помещается готовое изделие. Выполнение монолитных конструкций из этого вида бетона затруднено. В то же время при значительном объеме, ввиду их высокой прочности и стойкости применение этого типа бетонов может быть весьма эффективным. 3.3.2.2 Полимербетоны Связующими в этих типах бетонов могут быть фурановые, эпоксидные, полиэфирные, карбомидные смолы или их модификации. Высоконаполненные полимерные композиты – полимербетоны с содержанием связующего до 10…12%, имеют высокую прочность (при сжатии до 200 МПА), кислото- и щелочестойкость в сильноагрессивных средах. Из полимербетонов можно изготавливать как тяжелые так и легкие бетоны (таблица 3.7). Высокая прочность и химическая стойкость, возможность изготавливать конструкции различных геометрических размеров (с арматурой и не армированных), как в заводских условиях, так и на строительной площадке способствовали применению полимербетонов для защиты от коррозии в различных условиях эксплуатации. Полимербетоны интенсивно развиваются за рубежом, где ими занимаются сотни фирм, широко используя этот материал в машиностроении для станков, санитарной технике, гражданском и промышленном строительстве. 15 В нашей стране для защиты от коррозии наибольшее применение получил полимербетон на основе фурановых смол. Благодаря относительно невысокой стоимости и технологичности, широкое применение фурановых смол обусловлено, кроме высоких прочностных показателей и химической стойкости, значительной сырьевой базой. Фурановые материалы применяются для изготовления и защиты химической аппаратуры, деталей машиностроения, в виде замазок и футеровочных покрытий во многих ведущих фирмах США, Японии, где на эти цели используется до 80% выпускаемых фурановых смол. Фурановые смолы сочетаются с другими полимерами, поэтому кроме бетонов на мономере ФА, ФАМ могут применяться: карбамидно-фурановые, фурано- эпоксидные, фурано-фенольные смолы. Конструкции из полимербетона и армополимербетона в нашей стране стали применяться сначала в гидротехнике, затем для элементов зданий и сооружений в агрессивных средах. Таблица 3.7 – Основные свойства полимербетонов Показатели Плотность, кг/м3 Кратковременная прочность при сжатии, МПа Кратковременная прочность при растяжении, МПа Модуль упругости при сжатии, МПа Коэффициент Пуанссона Удельная ударная вязкость, Дж/см2 Линейная усадка при отверждении, % Водопоглощение за 24 ч, % Термостойкость, оС Морозортойкость не ниже циклов Коэффициент термического расширения на ФАМ (ФА) на ФАЭД 2200…2300 2200…22500 70…90 90…110 5…9 (20…32)∙10 0,2…0,24 0,15…0,25 80…110 9…11 3 на полиэфирной смоле типа ПН-1 2200…2400 7…9 3 (32…38)∙10 0,26…0,28 0,35…0,45 (28…36)∙103 – 0,2…0,25 0,1 0,05…0,08 0,05…0,3 90 388…500 0,01 90 500 0,05…0,1 80 300 (19…13)∙10-6 (10…14)∙10--6 (14…20)∙10-6 0,08…1,0 Они успешно применяются в цветной и черной металлургической промышленности и на химических предприятиях. Высокая химическая стойкость и плотность (таблица 3.7) обеспечивает надежную защиту стальной арматуры при величине защитного слоя 25…30 мм в растворах кислот высокой концентрации. Имеется успешный опыт эксплуатации полимербетона со стеклопластиковой арматурой. Сохранность арматуры в химически стойких бетонах зависит от величины защитного слоя и его непроницаемости для агрессивных сред. При отсутствии трещин и правильно подобранном составе, защитный слой величиной 40…50 мм обеспечивает сохранность арматуры даже в условиях 16 постоянного контакта с концентрированными кислотами в течение 15…20 лет. 3.3.2.3 Бетонополимеры Изделия и конструкции из обычного цементного бетона пропитанные специальными полимерными составами или мономерами с последующей полимеризацией непосредственно в теле бетона называются бетонополимерами. Пропитка обычно осуществляется после изготовления изделия. Отличие бетонополимеров от других методов защиты, например обработки поверхностного слоя в том, что пропитка в них осуществляется лишь на небольшую глубину (5…30 мм) и не изменяет физико-механические свойства всей конструкции как в бетонополимерах, хотя и повышает ее защитные функции. Бетонополимер – это по существу композит, в котором матрицей является твердая часть затвердевшего бетона, а полимер распределен по объему пор и капилляров. В качестве пропиточного материала наиболее широко исследовались метилметакрилат, стирол, мономер ФА, сера и др. Заполнение пор и дальнейшая полимеризация мономера превращает бетон в материал, обладающий физико-механическими свойствами значительно превышающими исходный материал. Так прочность на сжатие и растяжение может быть увеличена в 3…4 раза, сцепление с арматурой в 5…6 раз, водопоглощение снижено до 0,5…1%, морозостойкость достигает 1000 циклов (таблица 3.8). Таблица 3.8 – Свойства бетонополимеров Характеристика Плотность Прочность на сжатие Прочность на изгиб Модуль упругости Коэффициент термического расширения Морозостойкость Термостойкость Коэффициент стойкости в 20% H2SО4 Единица измерения кг/м3 Величина характеристики 2300…2400 МПа МПа МПа до 10015…20 (35…40) х 103 1°С (11…12) х 10-6 Циклы 1°С до 1000 80…90 кСт 0,5…0,6 Химическую стойкость бетонополимеров можно регулировать путем подбора необходимого пропиточного материала. 17 Для получения бетонополимеров необходимы специальные полигоны, поэтому его нельзя изготовить в условиях строительной площадки. Наиболее эффективны изделия из бетонополимеров незначительной толщины: трубы, плиты для полов, плиты покрытий. Бетонополимеры можно получить также на основе кислотоупорных бетонов, асбестоцемента и других пористых строительных материалов. 3.3.2.4 Конструкционные полимеры Наиболее эффективной первичной защитой, особенно в сильноагрессивных средах, являются конструкционные полимеры. Во многих средах они обладают более высокой химической стойкостью, чем нержавеющие стали, алюминий, титан. Прочностные свойства позволяют изготавливать из них технологическое оборудование и сооружения. Если для несущих строительных конструкций зданий конструкционные полимеры в промышленном объеме пока не применяются, то в ограждениях и для декоративной отделки они успешно эксплуатируются многие годы. В настоящее время во многих индустриальных странах до 60…75% технологического оборудования в сильноагрессивных средах выполняется «безметальными». Огромные возможности этих материалов (называемых еще композитами) позволяют считать, что они с успехом будут все больше заменять сложную и трудоемкую футеровку или другие виды вторичной защиты. Прежде всего, в связи с меньшей массой и габаритами. Так один квадратный метр футеровки при толщине 300…500 мм весит до 1 тонны, не считая самого металла или железобетона, а 1 м2 полимера имеет массу 20…40 кг при толщине 15…20 мм (приложение 9). Ввиду универсальной химической стойкости, которую можно регулировать путем подбора связующего, есть возможность выбора конструкции для различных условий работы (рисунок 3.3). Кроме того конструкционные полимеры имеют лучшую ремонтопригодность, что важно при эксплуатации. Вместе с тем важно учитывать и те особенности полимеров, которые не позволяют их использовать в тех же условиях, где работают стальные или железобетонные конструкции. У полимеров модуль упругости и прочность при кратковременном приложении нагрузки значительно выше, чем при длительном; в зависимости от размещения армирующего материала имеет место анизотропия механических и других свойств; обладая высокими механическими характеристиками (нередко превышающими аналогичные показатели у стали) поли- имеют относительно низкий модуль упругости, который, как и прочность, зависит от температуры, поэтому, ввиду небольшой толщины, несущая способность конструкционных полимеров определяется не только прочностными свойствами, сколько деформативными, а разрушения 18 происходят главным образом виду местной потери устойчивости (рисунок 3.4). Существуют различные классификации конструкционных полимерных материалов в зависимости от его функционального назначения и состава (рисунок 3.3, приложение 9). Применительно к сооружению используются стекло и углепластики на термореактивных столах, реактопласты или всевозможные комбинации термои реактопластов. Некоторые из этих материалов, например конструкции из фаолита, текстофаолита и их модификации с успехом применяются уже более трех десятилетий. Связующим для фаолитов является фенолформальдегидная смола. В качестве наполнителя используется тальк, графит, асбест. Из фаолита на заводах выпускают изделия (трубы и запорную арматуру), а также полуфабрикаты – мягкий («сырой») фаолит – в виде листов или сырой массы. Именно из мягкого фаолита изготавливают трубы, газоходы и другие сооружения, так как его можно формовать при обычной температуре. Конструкции из отвержденного фаолита или текстофаолита обладают высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред самых высоких концентраций при температуре не выше 140° С. Рисунок 3.3 – Состав некоторых конструкционных пластиков, используемых в сильноагрессивных средах Рисунок 3.4 – Зависимость прочности термопластов от температуры [17]: 1– полиэтилен; 2 – поливинилхлорид; 3 – фторопласт; 4 – полиамид. Армированные термореактивные смолы (стекло и углепластики) 19 В качестве связующего для этого типа конструкционных полимеров используются эпоксидные, фенольные, полиэфирные и другие типы смол. На отечественных предприятиях эпоксидные и полиэфирные нашли наиболее широкое применение. Как правило, связующее представляет двухкомпонентную систему, состоящую из смолы и отвердителя. С целью придания необходимых технологических и эксплуатационных свойств могут использоваться пигменты, красители, пластификаторы. В качестве арматуры используются различные типы стекловолокнистых (или углеволокнистых) материалов (рисунок 3.5). Тип армирующего материала и его количество зависят от вида изготовления стеклопластика и химической стойкости слоев, соприкасающихся с агрессивной средой. Обычно в стекле (углепластиках) различают три слоя (рисунок 3.6): внутренний; второй слой, работающий совместно с остальными; наружный слой (защитный). Толщина слоя определяется геометрическими размерами сооружений и механическими нагрузками. Стеклопластики для изделий небольших габаритов могут быть также прессованные. Из таких изделий, как из сборных элементов собирают конструкцию на болтовых или клеевых соединениях. [8] Для изготовления круглых в плане сооружений диаметром до 2,9…3,2 м наибольшее распространение в условиях строительства получили методы намотки. При толщине конструкции 10 мм количество слоев намотки в зависимости от типа стеклоткани составляет 20 и более. Могут быть и другие типы армирования стеклопластиков. Рисунок 3.5 – Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и содержания наполнителя: 1 – ориентированные стеклонити; 2 – стеклоткань; 3 – стекломаты. Рисунок 3.6 – Конструкция химостойкого стеклопластика: 1 – внутренний защитный слой; 2 – конструкционный слой; 3 – наружный защитный слой. Отдельную группу конструкционных полимеров представляют термопласты. Материалы этой группы являются наиболее стойкими в условиях агрессивных сред. Термопласты выпускаются в виде труб, а также листов, из которых путем сварки формируют изделие. 20 Ввиду ограниченной толщины из этих материалов пока можно выполнять лишь конструкции небольших габаритов или же предусматривать специальные решения, например, когда термопласт укладывается в виде свободного вкладыша в готовый металлический каркас. Осваивается изготовление листов из утолщенного полипропилена – до 30…40 мм. Первые емкости из него уже успешно эксплуатируются с соляной кислотой. Еще один тип конструкционных полимеров – бипластмассы. В бипластмассах прочность обеспечивается стеклом или углепластиком, а коррозионная стойкость термопластом. Технология изготовления бипластмасс состоит как бы из двух частей: первоначально сооружение изготавливают из термопласта, затем на эту конструкцию (не обладающую эксплуатационной прочностью) наносят слой стеклопластика толщиной, требуемой по расчету. Если сооружение цилиндрическое, то используют метод намотки, а для прямоугольных – контактное формование (рисунок 1 приложения 9). Выбор типа конструкционного полимера для первичной защиты определяется как конструктивными особенностями изделия (габариты, форма, наличие внутренних устройств), так и возможностями организацийизготовителей. 3.3 Вторичная защита Если первичная защита не обеспечивает долговечность и химическую стойкость строительных конструкций или же она не выгодна по техникоэкономическим соображениям, то возникает необходимость в разработке вторичной защиты. Ее задачей является изоляция конструкции от контакта с жидкой, твердой, газообразной средой или же уменьшение влияния среды на физико-механические и химические свойства строительных материалов. Сложность выбора вторичной защиты состоит не столько в подборе необходимых лаков, красок, мастик или футеровок, сколько в обеспечении совместной работы строительной конструкции и химически стойким покрытием при всех видах эксплуатационных нагрузок. При этом необходимо учитывать значительную разницу в сроках службы строительных элементов и материала защитного покрытия. Например, если колонны и балки перекрытий должны эксплуатироваться не менее 50 лет до капитального ремонта, то срок службы лакокрасочного покрытия в агрессивной среде составляет всего 5–6 лет. При многократном возобновлении покрытий стоимость вторичной защиты становится сопоставима, или даже превышает стоимость самих строительных конструкций. Поэтому проведение технико-экономических расчетов особенно для крупных промышленных объектов является важным этапом проектирования вторичной защиты. Ввиду многообразия средств защиты, отсутствия систематизированных данных по их свойствам в эксплуатационных условиях, различными 21 показателями при нанесении на строительных площадках и заводахизготовителях конструкций, выбор оптимальной изоляции часто определяется не проектными решениями, а возможностями той производственной организации, которой предстоит выполнять вторичную защиту. Поэтому проектные решения перед внедрением целесообразно согласовывать с исполнителями работ. 3.3.1 Лакокрасочные покрытия Это наиболее распространенный вид защиты в промышленном строительстве, благодарят целому ряду достоинств. Вместе с тем лакокрасочные покрытия могут применяться лишь в условиях действия газовоздушной среды или слабоагрессивных жидких средах, так как ввиду ограниченной толщины не обеспечивают долговременную защиту. Имеется классификация покрытий по условиям эксплуатации с учетом стойкости к климатическим факторам и разным средам [23, 24, 25]. Основой любого лакокрасочного покрытия составляет полимерная (органическая) пленка ограниченной толщины –150…300 мкм. Она образуется в результате сложного процесса превращения связующего из жидких мономеров в твердый полимер. Составляющими пленкообразующей системы могут быть один лак или смесь лака с пигментами, наполнителями, отвердителями, пластификаторами. Для лакокрасочных покрытий применяются лаки, грунтовки, эмали, шпатлевки, которые используются, как самостоятельно, так и в виде различных комбинаций [8, 13]. Применительно к железобетонным, бетонным, асбестоцементным конструкциям грунтовочным слоям являются лаки (могут использоваться и эмали), обеспечивающие пропитку поверхности конструкции, поэтому этот слой называют еще пропиточный (рисунок 3.7). Рисунок 3.7 – Схема защиты Рисунок 3.8 – Зависимость адгезии лакокрасочными покрытиями бетона: покрытия от влажности 1 – лакокрасочное покрытие; поверхностного слоя бетона 22 2 – грунтовка (пропитка); 3 – поры в бетоне. Верхний слой лакокрасочного покрытия находится в наиболее тяжелых эксплуатационных условиях, поэтому к нему предъявляют наиболее жесткие требования при выборе покрытий. Долговечность лакокрасочной системы зависит не только от материалов, из которых она состоит, но и из совместной работы вместе с подложкой, что в свою очередь определяется адгезией. Природа адгезионных сил при защите металла и бетона несколько отличается. Для металлов характерна собственно адгезия, т. е. взаимодействие грунтовочного слоя с подложкой. Адгезионная прочность зависит от природы связи, состояния подготовки металлической поверхности перед окраской. Наибольшей адгезионной прочностью обладают пленкообразователи, превращаемые в полимерное состояние на подложке и при их химическом взаимодействии с металлом. Самая низкая адгезионная прочность покрытий из фторопластов, полиэтилена, поливинилхлорида, сополимеров винилхлорида. Не меньшее влияние, чем природа пленкообразователя играет состояние поверхности подложки, ее рельеф, а также влажность воздуха, режим твердения. Поэтому для каждого типа пленкообразователей отработаны свои режимы нанесения. Адгезионная прочность увеличивают подбором соответствующих грунтовок и качеством подготовки поверхности. По характеру взаимодействия с металлической подложкой грунтовки, могут быть пассивирующие (ГФ-021, ГФ-0119, ПФ-0142), фосфатирующие, протекторные (цинковые порошки), изолирующие (ПФ-020, ЭП-0010) и др. Кроме того используются грунтовки – преобразователи ржавчины. Качество подложки играет важную роль в обеспечении долговечности лакокрасочного покрытия. Существуют разнообразные способы очистки металлов: химический, механический (основной метод для металлов), термический, комбинированные. Для оценки качества подготовки металла приняты четыре степени очистки: первая, вторая, третья и четвертая [26]. Для бетонных и железобетонных конструкций грунтовочный слой выполняет функцию пропитки поверхности и связи между подложкой и покрытием. Составы для грунтовки должны быть щелочестойкими. Нормативы ограничивают влажность поверхностного слоя в пределах 4–6% по массе. В отличие от металла для бетона в качестве грунтовки могут использоваться те же составы, которые применяются в покрывных слоях. 23 Нанесенный на подложку лакокрасочный материал после отверждения работает совместно с конструкцией, испытывая напряжения, вызванное деформациями, усадочными явлениями, химическими реакциями, протекающими при отверждении покрытий. Наиболее значительные из них вызваны усадкой при формировании пленки и разностью температурных деформаций подложки и покрытия. Напряжения внутри пленки изменяются по толщине покрытия. Чем ниже модуль упругости полимеров, тем меньше внутренние напряжения. Для уменьшения напряжений в полимеры вводят пластификаторы и наполнители, соотношение которых корректируется в зависимости от составов. В процессе эксплуатации внутренние напряжения могут сохраняться или изменяться. При этом они могут быть столь значительными, что способны привести к разрушению покрытий. Наличие внутренних напряжений является одной из причин ограничений предельной толщины лакокрасочных покрытий. Для каждого типа материалов существует «критическая толщина», увеличивать которую нецелесообразно, так как защитные свойства покрытия не только не улучшаются, но и могут ухудшаться. Разрушение покрытия может произойти от напряжений в подложке, превышающих адгезионную прочность и деформацию самого покрытия. Это особенно характерно для железобетонных конструкций, в которых при работе могут образоваться трещины, как технологического характера, так и от механических нагрузок. Допустимая величина трещин в бетоне для промышленных зданий составляет, как правило, 0,1…0,3 мм, а для большинства лакокрасочных покрытий, используемых для защиты – 0,05…0,1 мм. В зоне трещин покрытие испытывает значительное растяжение, поэтому для лакокрасочных покрытий, обладающих трещиностойкостью, вводят индекс «тр». Такие покрытия, находясь в деформированном состоянии, могут обеспечивать защитные свойства в зоне трещины [8, 13]. Эксплуатационная стойкость покрытий Выпускаемые промышленностью лакокрасочные материалы в зависимости от их назначения подразделяются на различные группы, каждая из которых имеет свою индексацию: ГФ; ПФ; БТ; ХВ; ХС; ЭП; ЭФ; МА; ФЛ; ВЛ; КО. Существует также эксплуатационное деление [17]: шпатлевки – 00; грунтовки – 0; краски, эмали, лаки атмосферостойкие – 1; краски, эмали, лаки ограничено атмосферостойкие – 2; краски, эмали, лаки водостойкие – 4; краски, эмали, лаки специальные – 5; краски, эмали, лаки маслобензостойкие – 6; 24 краски, эмали, лаки химически стойкие – 7; краски, эмали, лаки термостойкие – 8; краски, эмали, лаки электроизоляционные – 9. Если известно буквенное и цифровое обозначения лакокрасочного материала, то их можно расшифровать согласно вышеперечисленной группировке. Например, ХВ-1100 означает: (ХВ) – перхлорвиниловая, (1) – эмаль атмосферостойкая с порядковым номером 100. Атмосферные воздействия. Покрытие может обладать высокой химической стойкостью, но, если оно не атмосферостойко, срок его службы, например в открытых конструкциях, будет значительно сокращен. Основными из воздействующих факторов являются: радиационное солнечное воздействие и кислород и озон воздуха. В комплекс атмосферных воздействий входят также агрессивные жидкие, твердые и газовые среды, которые могут действовать как самостоятельно, так и совместно с солнечной радиацией и кислородом воздуха. Скорость разрушения покрытий в атмосфере почти в 50 раз больше, чем в помещении. Для повышения стойкости в покрытия вводят пигменты, экранирующие излучение, а также фотостабилизаторы. Сравнительно быстро стареют масляные и битумные покрытия, некоторые герметики. Наибольшей стойкостью обладают пленкообразователи типа фторопластов, полистирола, полисилоксаны, хлорсульфированный полиэтилен, а также цинксиликатные материалы. Газовые среды. В агрессивных газовых средах промышленных предприятий коррозионная стойкость самой полимерной пленки достаточно высока, поэтому «отказ» покрытия часто наступает, вследствие диффузии через пленку агрессивных продуктов к подложке и ее коррозии. В обеспечении защитных свойств проницаемость играет важную роль, характеризуя изолирующую способность пленки. Проницаемость газов и жидкостей через пленки носит диффузионный характер. С повышением молекулярной массы коэффициенты диффузии газов и жидкости уменьшается. Проницаемость повышается также с введением пластификаторов, снижающих жесткость молекулярной цепи полимера. В покрытии могут быть сквозные поры больших размеров, а также дефекты при выполнении работ. Для каждого типа покрытий существует предельная толщина, обеспечивающая минимальное количество пор (которые образуются при испарении растворителя). Для этого покрытия выполняют многослойными, когда каждый последующий слой (количество слоев достигает 6–8 и более) перекрывает поры предыдущего. 25 Проницаемость пленки для влаги в значительной степени зависит от полярности полимеров. Чем она выше, тем больше проницаемость и сорбционная влажность пленок. Значительное понижение проницаемости имеет место при пигментировании пленкообразователей. Для бетонных и железобетонных конструкций на проницаемость влияет характер пористости поверхности. Так, например проницаемость химически стойкого покрытия, нанесенного на пористый ячеистый бетон в десятки раз выше, чем на тяжелый бетон (при одинаковой подготовке). При действии жидких агрессивных сред лакокрасочные покрытия не обеспечивают надежную антикоррозионную защиту. Это должно учитываться как при проектировании, так и при ремонтах зданий и сооружений. Нередко проектировщики применяют лакокрасочные покрытия в растворах кислот и щелочей, используя справочные данные по химической стойкости того или иного материала. При этом не учитывают, что покрытия не работают самостоятельно, а их «отказ» наступает в результате подпленочной коррозии. Ввиду незначительной толщины лакокрасочных материалов трудно гарантировать отсутствие сквозных пор. Но даже при их отсутствии наличие гидростатического напора приведет к диффузионной проницаемости, прониканию агрессивной среды к подложке, и коррозии бетона или стали под лакокрасочным покрытием. Практика показывает что защита от коррозии в жидких высоко агрессивных средах, как металла, так и бетона может осуществляться только мастиками (толщиной не менее 1–3 мм), листовыми, рулонными материалами или футеровкой. Поэтому применять окрасочную защиту можно лишь только при случайных проливах или действии нейтральных или слабоагрессивных сред. Выбор системы лакокрасочных покрытий заключается в подборе типа покрывного слоя, удовлетворяющего химической стойкости и атмосферостойкости (если конструкция эксплуатируется на открытом воздухе) и грунтовки, обладающей адгезией к подложке и покрытию. Для бетона и железобетона в качестве грунтовки (пропитки) может использоваться эмаль и лак, применяемый в покрытии. Строительные металлоконструкции на заводах-изготовителях должны выполняться с защитой или как минимум с грунтовкой. Окраска по ржавчине. Для металлоконструкций очистка поверхности перед окраской является наиболее трудоемкой операцией. Трудоемкость этой операции порой превышает 50% всех трудозатрат по защите. Нередко выполнение пескоструйной или дробеструйной очистки на площадке невозможно по санитарным или технологическим требованиям. Еще 26 сложнее выполнять очистку при реконструкции и ремонтах в условиях действующих предприятий. Окраску по ржавчине целесообразно использовать при ремонтах и реконструкции. В новом строительстве – для защиты мало ответственных строительных конструкций. Грунтовки-преобразователи ржавчины. Большинство преобразователей содержат в своем составе ортофосфорную кислоту, которая при взаимодействии с продуктами коррозии превращает их в нерастворимые фосфаты железа. Так как преобразователи содержат пленкообразующие материалы, на поверхности металла образуется слой, обладающий определенной коррозионной стойкостью. Преобразователи можно применять, когда толщина продуктов коррозии не превышает 80–120 мкм. Для толстой пластовой ржавчины они не применимы, и требуется ее предварительная очистка. В слабо агрессивных средах для строительных конструкций могут быть рекомендованы преобразователи, модификаторы, грунтовки-модификаторы ЭВА- 01 ГИСИ, № 444, ВА-0112, № 3, П-1 Т (для ржавчины не более 50 мк), МС-0152 и др. Для агрессивных сред разработана специальная грунтовка-модификатор ЭП-0199 пригодная для последующего нанесения эпоксидных и перхлорвиниловых покрытий. Опыт эксплуатации ЭП-0199 показал ее высокую химическую стойкость. Армированные лакокрасочные покрытия. Увеличение толщины лакокрасочных покрытий более 200–300 мкм снижает качество покрытия ввиду значительных усадочных деформаций. В то же время большая толщина во многих средах необходима для уменьшения диффузионной проницаемости и повышения механической прочности. С этой целью лакокрасочное покрытие армируют. В качестве арматуры используют различные марки стеклотканей. При выборе марок стеклотканей важно чтобы они не были слишком плотными и имели адгезию к лакокрасочным покрытиям. Для связующего используют химически стойкие смолы. Введение арматуры повышает механическую прочность полимеров и превращает лакокрасочное покрытие уже в стеклопластиковое. При этом желательно, чтобы толщина армирующей ткани была близка к толщине пленки. Обычно используют двухслойное армирование, но может быть и большее количество слоев, и тогда общая толщина достигает 3–5 мм. Армированное лакокрасочное покрытие может использоваться как самостоятельное или же в качестве подслоя под футеровку. Применение армированных покрытий возможно и при действии сильноагрессивных сред при соответствующем выборе связующих. Армированные покрытия применяют в полах (как подслой), резервуарах, наливных сооружениях, выполненных, как из металла, так и железобетона. 27 Недостатками использования для защиты армированных лакокрасочных покрытий является следующее. Отмечается, что при защите железобетонных конструкций ввиду неровностей трудно обеспечить тщательное прилегание стеклоткани к поверхности, и поэтому возможны сквозные поры. Кроме того, если стеклоткань обработана замасливателем, то не обеспечивается адгезия со связующим. При использовании плотной стеклоткани последняя не всегда пропитывается и остается «сухой», что также приводит к резкому увеличению проницаемости. Таким образом, обеспечить работоспособность армированных лакокрасочных покрытий во всех случаях возможно при тщательном соблюдении технологии нанесения. 3.3.2 Обработка поверхности уплотнение, гидрофобизация) конструкций (пропитка, Для бетонных (асбестоцементных, деревянных) поверхностей кроме лакокрасочных покрытий могут применяться и другие виды вторичной защиты, многие из которых не менее эффективны. Их использование целесообразно при ремонтах и новом строительстве, так как позволяет отказаться от дефицитных и многослойных покрытий. Пропитка поверхности. Отличие пропитки от краски в том, что используются материалы, хорошо проникающие в бетон, полимеризирующиеся в порах или заполняющие их. При лакокрасочной защите грунтовочный слой также является пропиточным, но глубина этого слоя незначительна. При пропитке поверхности (как самостоятельном виде защиты) глубина пропитки может достигать 1…20 мм. Существует несколько типов пропитки. Пропитка сборных конструкций и изделий. Пропиточным материалом чаще всего являются продукты нефтепереработки, а также полимеры. В заводских условиях отдельные конструкции можно пропитать на всю глубину. Наиболее эффективен этот вид защиты для сборных железобетонных и бетонных элементов, листов асбестоцемента, когда имеется возможность организовать специальный участок по выполнению работ. Как правило, конструкции перед пропиткой должны быть высушены. Продолжительность пропитки бетона и цементного камня возрастает с понижением вязкости вяжущих и снижением плотности изделий. Значительно реже применяется пропитка для вторичной защиты после монтажа конструкций (по типу лакокрасочной). Между тем пропиточная защита обладает рядом преимуществ. Опыт эксплуатации конструкций в агрессивных средах с пропиточной защитой показал, что как в заводских, так и построечных условиях она с успехом может применяться в сильноагрессивных газовых и даже жидких средах. 28 Флюатирование – один из старых способов защиты. В настоящее время он используется редко, хотя обладает определенными достоинствами. По сравнению с лакокрасочными покрытиями – более простая технология нанесения и возможность использования недорогих материалов. Метод заключается в обработке бетона водными растворами кремнефтористоводородной кислоты или ее солей. Флюатирование представляет по существу искусственно вызванное кратковременное воздействие на бетон агрессивной жидкой среды, продукты взаимодействия которой заполняют и кольматируют (уплотняют) поры бетона. Флюатирование может быть как самостоятельной операцией, так и в сочетании с лакокрасочными покрытиями. Процесс флюатирования в зависимости от пористости бетона проводят за 2–3 раз с промежуточным высушиванием, причем первоначально используют слабые растворы концентрацией соответственно 1 и 3%. Гидрофобизация. Пленка, образуемая на поверхности конструкций, является барьером, уменьшающим проникание влаги к нижележащим слоям бетона, кирпича, асбестоцемента. Гидрофобизация является одной из разновидностей пропиточной изоляции. Так же как и пропитка, она может быть объемной и поверхностной. Гидрофобизация является эффективной при наличии капиллярного подсоса, при атмосферной коррозии, осадках, наличии твердых гигроскопичных частиц в воздухе. Гидрофобизирующие растворы могут быть как на воде, так и органических растворителях. Во всех случаях необходимо, чтобы они проникали в глубину бетона. Под действием солнечной радиации органические гидрофобизаторы со временем теряют свои свойства и поверхность вновь становиться гидрофильной, то есть смачиваемой. Поэтому обработанные гидрофобизирующими составами конструкции требуют периодического (через 2–3 года) восстановления. Наибольший эффект дает гидрофобизация для защиты фасадов, при наличии капиллярной влаги. Лакокрасочные покрытия, нанесенные на поверхность предварительно обработанную гидрофобизирующими составами, имеют больший срок службы на 20–50% по сравнению с обычной лакокрасочной защитой. Мастичные покрытия применяются как самостоятельный вид защиты стали и железобетона при действии средне и сильноагрессивных сред. Покрытия по сравнению с лакокрасочными считаются толстослойными (0,5– 3,0 мм). Для приготовления мастик (замазок) используются связующее (смолы). Соотношение связующее – наполнитель равно 1:(2…3). В зависимости от типа смол вводится отвердитель и пластификат. Замазки обладают прочностью при разрыве, превосходящей прочность цементных растворов: на сжатие до 50…100 МПА, изгиб – до 30…50 МПА. Адгезия к бетону достигает 2…3 МПА. 29 Изготовление мастичных покрытий осуществляется в построечных условиях (в отличие от многих лакокрасочных покрытий). Поэтому перед нанесением составы должны уточняться лабораторным путем в зависимости от вязкости смолы, типа растворителей, состава наполнителей и т. д. На бетонную поверхность мастика, как правило, наносится с предварительной пропиткой (упрочнением) поверхностного слоя. Химически стойкие мастики используются как в качестве самостоятельной защиты, так и для прослойки штучных материалов. Составы прослоечных мастик отличаются содержанием наполнителей и связующих. 3.3.3 Покрытия на основе эластомеров Одним из наиболее надежных способов защиты в сильноагрессивных средах является нанесение бесшовных эластичных покрытий, близких по химической стойкости к резинам. В отличие от листовых резиновых покрытий эластомерами можно защищать в построечных условиях, как бетон, так и сталь. Наносят их, как и мастики: кистью, валиком, распылителем. Толщина покрытий составляет до 1–3 мм. В зависимости от используемого материала покрытия могут быть на основе каучуков, гуммировочного состава типа наирита, водной дисперсии латекса. Благодаря высокой химической стойкости и технологичности эластомеры можно наносить на сложные по конфигурации конструкции, а высокая эластичность обеспечивает работоспособность при наличии в железобетоне трещин. Для защиты от агрессивных сред используют: наирит-хлорпреновый каучук типа НТ; полисульфидные каучуки, на основе которых выпускаются герметики У-30, У-ЗОМ, МЭС-5, МЭС-10; дивинилстирольный термоэластопласт – основа герметика 51-Г-10. Особую группу представляют водные дисперсии латексов, из которых изготавливают композиции типа Полан марок Б, 2М, хлор и др. Композиции типа Полан наряду с высокой химической стойкостью обладают важным преимуществом перед многими защитными покрытиями – они пожаро- и взрывобезопасны. Эластомеры с успехом используются как самостоятельно, так и для непроницаемого подслоя под футеровку. 3.3.4 Листовые и рулонные покрытия Листовые и рулонные покрытия в качестве самостоятельных покрытий для защиты строительных конструкций используются в ограниченном объеме. Связано это как с технологическими трудностями, возникающими при производстве работ в стыковых соединениях, так и недостаточной механической прочностью многих термоэластопластов. 30 В то же время благодаря высокой химической стойкости при отсутствии механических нагрузок некоторые из них с успехом могут применяться для защиты бетона и железобетона, например, профилированный полиэтилен. Недостатком обычного полиэтилена является отсутствие адгезии. До настоящего времени нет надежных клеевых композиций, обеспечивающих его нанесение на металл или бетон. В профилированном полиэтилене ребра имеют специальную форму, что позволяет после укладки в свежеприготовленный бетон надежно заанкерить листы. Закрепленные листы в стыковых соединениях после монтажа сваривают полосками такого же полиэтилена. Имеется опыт применения профилированного полиэтилена и для защиты монолитных наливных сооружений. В этом случае листы (предварительно раскроенные по форме сооружений) крепят до бетонирования к опалубке с внутренней стороны. После набора прочности опалубку демонтируют, и полиэтилен остается как защитное покрытие. Стыки сваривают контактным методом. Наиболее эффективно использовать профилированный полиэтилен в условиях заводов-изготовителей железобетона для защиты канализационных коллекторов, труб, стеновых панелей. Ввиду высокой химической стойкости такая защита может с успехом конкурировать с традиционной футеровкой. 3.3.5 Металлические покрытия Для металлоконструкций одним из наиболее эффективных методов защиты является нанесение металлических покрытий, обладающих более высокой, чем углеродистая сталь коррозионной стойкостью и сроком службы. С этой целью в заводских условиях применяют: горячее цинкование, алюминирование, цинк-алюминирование, металлизационные покрытия. На строительной площадке – металлизационные покрытия. В промышленной атмосфере скорость коррозии цинка и особенно алюминия во много раз меньше, чем у стали. Защитные свойства металлических покрытий основаны на их способности при действии атмосферной влажности и в водных средах образовывать защитную окисную пленку [17]. Состав пленки зависит от действующей среды. При использовании цинка она содержит гидроокись цинка и различные соли. Ее образование обеспечивает сохранность металлического покрытия. Окись цинка обладает амфотерными свойствами и при действии как кислых, так и щелочных сильноагрессивных сред она может разрушаться (рисунок 3.9) В алюминиевых покрытиях защита обеспечивается за счет образовавшейся окисной пленки оксида алюминия А1(ОН)3. Некоторые исследователи считают, что на алюминии образуется двухслойная пленка: первый слой незначительной толщины содержит аморфный оксид алюминия. 31 Верхний слой состоит из байерита и белита – минерала с кристаллической решеткой. В зависимости от среды могут быть и другие составляющие пленки. На свежей поверхности алюминия пленка образуется очень быстро, достигая толщины около 10 А°. Рисунок 3.9 – Зависимость скорости цинка от рН среды Рисунок 3.10 – Схема расположения слоев (фаз) цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка и х микротвердость [17]: r – фаза – толщина 1…3 мкм, содержание железа 21…28 % (по массе); δ – фаза – содержание железа 7…11,5 %; ζ – фаза – содержание железа 7…11,5 %; χ – фаза – поверхностный слой из основного металла; η – фаза – верхний слой покрытия (слой цинка). Значительное влияние на стойкость пленки (повышается с уменьшением в нем примесей) оказывает химический состав алюминия. Для алюминия так же как и цинка сильно агрессивными являются условия работы при повышенной влажности с наличием таких газов как хлор, хлористый водород, где необходима их дополнительная защита. В строительстве основным типом защитных металлических покрытий является горячее цинкование. Оно выполняется, как правило, на металлургических заводах и заводах металлоконструкций. В ванны, заполненные расплавленным цинком, опускают металлические изделия и конструкции. Температура расплава составляет 440…520° С. На поверхности металла происходит взаимодействие стали с цинком с образованием железоцинковых соединений, при которых изменяется химический состав и структура поверхностного слоя стали. Поэтому покрытие, полученное в 32 расплаве, состоит из нескольких железоцинковых фаз и слоя цинкового покрытия (рисунок 3.10). Слои, образованные из сплавов на основе системы цинк-железо, более твердые, чем углеродистая сталь. Цинк защищает сталь электрохимически, так как он имеет потенциал отрицательный по отношению к стали. В определенных условиях, например в горячей воде, механизм защитного действия изменяется. Цинк становится катодным покрытием. Электрохимический механизм защиты заключается в том, что по отношению к стали цинковое покрытие выполняет роль анода, а подложка основного металла является катодом. Длительность защиты определяется не средней, а минимальной толщиной цинкового покрытия конструкции. Оптимальная толщина покрытий составляет 10…200 мкм, так как при большей возможны внутренние напряжения ввиду низкой пластичности покрытий. Алюминиевые покрытия, как и цинковые, получаются путем погружения в горячий расплав. Температура ванн значительно выше, чем при цинковании – 620…710° С. Толщина покрытия составляет от 25 до 75 мкм. 3.3.6 Нанесение (металлизация) металлических покрытий напылением Кроме горячего цинкования и алюминирования в строительстве для защиты стальных конструкций используют нанесение металлических покрытий путем напыления, которое имеет преимущества. Напылением можно защищать резервуары, трубы, мосты, металлоконструкции покрытий и перекрытий. В зависимости от типа аппарата, используемого для металлизации, различают газопламенное и электродуговое напыление. Температура цинка, наносимого на поверхность, составляет у проволочных металлизаторов на расстоянии 100…150 мм от пистолета 400…500° С, а скорость нанесения частиц – 130…150 м/сек, что обеспечивает при выполнении требований технологии необходимую адгезию металлического покрытия к подложке. Поток частиц цинка или алюминия имеет форму факела, в центре которого температура несколько больше, чем на периферии, отличается и скорость нанесения. У напыленного металла основная связь с подложкой осуществляется механически, так как для сплавления напыляемых частиц с металлом тепла недостаточно, а процесс считают «холодным». Поэтому для обеспечения адгезии важно тщательно подготавливать поверхность с тем, чтобы обеспечить определенную шероховатость и очистку от окислов. Степень очистки должна быть не ниже 2. Для получения такой поверхности необходима тщательная очистка стальной дробью. После очистки профиль поверхности может достигать 60–80 мкм и проходит как бы механическое «заанкеривание» частиц цинка (или алюминия). 33 Жесткие ограничения действуют и к интервалу времени между очисткой и нанесением металла. Даже в закрытых помещениях, с влажностью менее 60– 80%, перерывы в операциях не должны превышать 5–7 часов. Особенностью металлизационного покрытия является его пористая поверхность, которая сохраняется даже при оптимальной толщине 280–300 мкм (более толстые покрытия не применяют, ввиду снижения адгезионной прочности). Хотя открытая пористость покрытия достигает 5–20%, защитные свойства сохраняются за счет электрохимического эффекта, а также в результате закупорки пор продуктами коррозии. Считается, что если металлическое покрытие имеет достаточную массу на единицу площади (для цинка 0,160 кг/м2), то защита уже обеспечивается, а отдельные механические нарушения самозалечиваются за счет анодного растворения. Высокая экономическая эффективность металлизации доказана многолетним опытом эксплуатации металлических конструкций ответственных сооружений (мостов и др.). 3.3.7 Комбинированные покрытия Наиболее эффективным методом защиты в агрессивных средах являются металлизационно-лакокрасочные покрытия. Считается, что защитная способность комбинированных покрытий в 1,5– 2,5 раза выше отдельного металлизационного и лакокрасочного покрытия. Наиболее эффективно использовать комбинированные покрытия в конструкциях, которые сложно ремонтировать. Благодаря тому, что металлизационные и лакокрасочные покрытия взаимно усиливают друг друга, систему металлическое покрытие – лакокрасочное покрытие можно оценить как композиционную, в которой одна фаза – пористый металлизационный слой, а вторая–полимер, уплотняющий и пропитывающий его. Поэтому полимерные пленкообразователи должны обладать свойствами, обеспечивающими заполнение пор и хорошую смачиваемость их стенок. С этой целью применяют перхлорвиниловые, эпоксидные, полиуретановые и другие химически стойкие лакокрасочные материалы. 3.3.8 Штучные химически стойкие покрытия Для многих сильноагрессивных сред при защите элементов зданий, сооружений и технологического оборудования широко применяется футеровка (облицовка) штучными химически стойкими материалами. Отдельные недостатки такой защиты в полной мере компенсируются ее надежностью. Поэтому специализированные организации, выполняющие работы по защите от коррозии в сильноагрессивных средах, до 90% всех объемов нередко ведут с применением футеровки. 34 Конструкция футеровок может быть простой и комбинированной, однослойной и двух(много)слойной (приложение 11, пункты ж)…п). В комбинированной футеровке кроме штучных материалов, дополнительно применяется еще изоляционный слой, обладающий химической стойкостью (подслой). Применение штучных футеровок следует признать целесообразным при наличии таких условий, когда другие виды первичной и вторичной защиты не могут быть эффективны. Керамические изделия – наиболее распространены ввиду их стойкости к большинству кислот (кроме фторсодержащих). Изделия из каменного литья и шлакоситалловые плитки применяются при воздействии концентрированных щелочей и кислот (также за исключением фторсодержащих). Углеграфитовые штучные материалы обладают универсальной стойкостью, но ввиду их высокой стоимости применяют главным образом в оборудовании и сооружениях при наличии фторсодержащих сред. Для соединения штучных изделий в монолитную конструкцию последние укладывают на прослойку из химически стойких материалов. Прослойка (наряду с прочностью) должна обладать химической стойкостью по возможности близкой к материалу футеровки. Прослойки могут быть кислотостойкими, щелочестойкими, обладать универсальной химической стойкостью как в кислотах, так и щелочах. Из полимерных прослоек широко используются мастики и замазки на основе фенолформальдегидных смол (арзамит), многочисленные модификации эпоксидных замазок, а также замазки на основе фурановых и других типов смол. В состав комбинированных футеровок, кроме штучных изделий и прослойки, входит изоляционный слой, называемый подслоем. Его использование вызвано тем, что большинство керамических изделий (основной материал футеровки) обладает высокой пористостью (до 12%). Поэтому при наличии одностороннего гидростатического напора, футеровка диффузионно проницаема. Наряду с этим в защитной футеровке и прослойке могут быть сквозные трещины и поры, вызванные дефектами производства работ. Поэтому материал подслоя по химической стойкости подбирают исходя из возможности проникания к нему той среды, которая контактирует с футеровкой. Так для концентрированных кислот применяю полиизобутилен; в условиях небольших концентраций кислот и щелочей с успехом используются рулонные материалы на битумной основе. С целью повышения надежности материалов подслоя их выполняют не менее чем в два слоя. Проектирование комбинированных футеровок включает: определение действующих агрессивных сред и механических воздействий, выбор типа защитного покрытия и подслоя, проведение при необходимости 35 теплотехнических и прочностных расчетов (при защите сооружений и оборудования). 36 IV ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Работоспособность и долговечность зданий и сооружений в значительной степени зависят от качества проектирования. Считается, что 25…30% всех повреждений и аварий вызваны нарушением проектировщиками действующих нормативов. Некоторые недоработки и дефекты проектной документации в части защиты от коррозии и обеспечения долговечности строительных конструкций могут выявляться еще до начала строительства или в период возведения зданий и сооружений. Отдельные недостатки могут быть обнаружены также при рассмотрении документации производственными организациями, специализирующимися по выполнению химзащитных работ. И все же чертежи с недоработками или даже ошибками нередко воплощаются в законченные конструкции зданий и сооружений. Процессы коррозии строительных конструкций протекают довольно длительно, порой до 10 и более лет, поэтому на снижении несущей способности они не могут отражаться сразу после начала эксплуатации. По истечении этого времени довольно сложно установить истинную причину снижения долговечности. Чаще всего все списывается на эксплуатацию. Между тем значительная часть дефектов проектной документации, касающейся разработки раздела «AЗ» связана с недооценкой реальных условий работы строительных конструкций. При выборе состава агрессивных сред, зон воздействия, влажности, температуры воздуха и других параметров они принимаются из условий безаварийной работы. Считается, что качество строительных материалов и выполнения работ соответствует СП. Не исключены и решения диаметрально противоположные, когда защита необоснованно усилена и выполняется из условий постоянной аварийной ситуации. Экономические потери будут во всех случаях. Поэтому задача проектирования – выбрать оптимальный вариант с учетом возможностей как строительных организаций, так и последующей культуры эксплуатации именно того предприятия, долговечность и химическую стойкость которого необходимо обеспечить. Для выбора защиты необходима информация уже на ранней стадии проектирования объекта. Только на первоначальных этапах работы, когда компонуется оборудование, объемно-планировочные и конструктивные решения можно использовать весь арсенал первичной защиты и получить наибольший экономический эффект. Объем исходных данных, являющихся основанием для разработки раздела «AЗ», зависит от поставленной задачи. Например, это может быть проектирование новой площадки, на которой располагаются крупные промышленные комплексы. Возможна разработка защиты для одного цеха, или даже отделения. Во всех случаях необходимы данные по климатологии, атмосферным воздействиям, гидрогеологическим условиям, характер среды в здании или сооружении (приложение 12). 37 Для объектов, которые уже длительное время эксплуатировались в агрессивных средах, определяющими являются данные натурных обследований, в которых отражены состояния конструкций, состав жидких, твердых и газообразных сред. Перед строительством крупных объектов с учетом возможностей строительно-монтажных организаций данного региона генеральным проектировщиком разрабатываются документ «Основные положения на строительное проектирование» (ОПСП). Там же должны быть приведены основные требования по первичной защите строительных конструкций. Целесообразность этих требований должна обосновываться ТЭР, который в свою очередь зависит от коррозионной опасности атмосферы и среды в проектируемых цехах. Наличие ОПСП позволяет решать вопросы унификации и единообразия инженерных решений, так как проектирование на площадках промышленных объектов ведут десятки различных организаций. Технико-экономическое обоснование или технико-экономический расчет служит для утверждения основных инженерных решений и определения расчетной стоимости строительства. Так как стоимость мероприятий по защите в агрессивных производствах достигает 30…50% от стоимости всех строительных конструкций, то их недооценка часто является причиной значительного удорожания зданий и сооружений. В составе пояснительной записки ТЭО (ТЭР) отражается следующее. 1 Характер агрессивных свойств грунтов и подземных вод. 2 Климатические факторы, необходимые для выбора конструкций и вторичной защиты. 3 Общие данные о технологии производства и агрессивном действии среды. 4 Принципиальные решения по первичной и вторичной защите. 5 Так как вопросы стоимости объекта, являются основными, а многие детали строительных конструкций при разработке ТЭО еще не проработаны, то наиболее надежным для определения затрат является использование данных по уже построенным аналогичным предприятиям. Сказанное не относится к грунтам и подземным водам, а также климатологическим воздействиям, которые могут значительно отличаться. Раздел «AЗ» в ТЭО и ТЭР пояснительной записки для предприятий с агрессивными средами следует выделять как самостоятельный. Стадия рабочий проект или проект осуществляется непосредственно после разработки и утверждения ТЭО (ТЭР). На этой стадии уточняются детали и стоимость, приводятся сведения о материалах и объемах работ. Кроме того, приводятся данные об агрессивных средах, характере первичной и вторичной защиты. Как правило, для зданий и сооружений с агрессивными средствами 38 должен разрабатываться раздел «AЗ» в качестве самостоятельного основного комплекта чертежей наряду с чертежами АР, КЖ, КМ, О и В и др. Состав раздела «AЗ»: пояснительная записка, графическая документация, сметная документация, паспорт рабочего проекта (проекта). Графическая документация на стадии «рабочий проект» дается применительно к химически стойким полам и защите сооружений (рисунок 1 приложения 13). При необходимости разрабатывается сметная документация, включающая объемы работ и ведомость потребности в материалах. Рабочая документация Оформление раздела «AЗ» осуществляется согласно [22]. В состав комплекта входят: общие данные, рабочие чертежи, ведомость объемов работ. Кроме рабочих чертежей в раздел «AЗ» может быть включена смета с ведомостью потребности материалов. Чертежи с общими данными включают таблицы условий эксплуатации конструкций, перечень нормативных документов и технологических инструкций, на основании которых необходимо производить работы, специальные требования, касающиеся пожаро- и взрывоопасных материалов, используемых для защиты. Рабочие чертежи выполняются на основании задания и включают планы и разрезы основных зданий и сооружений с указанием основных габаритных параметров вторичной защиты. Сечения и узлы наиболее сложных мест сопряжений вторичной защиты со строительными элементами обычно приводятся на отдельных чертежах. Ведомости объемов работ даются по видам элементов отдельной таблицей, а для полов совмещаются с экспликацией. Состав и правила оформления чертежей при проектировании антикоррозионной защиты, приведенные выше, даны для случая, когда раздел «AЗ» выпускается самостоятельно как часть основного комплекта. Если объем защиты небольшой или среда слабоагрессивная, допускается совмещать мероприятия по «AЗ» на тех же чертежах, где разработаны соответствующие конструкции или даются архитектурно-строительные элементы зданий или сооружений. Например, защита металлоконструкций – на листах КМ (в общих данных), защита сборного железобетона – на тех чертежах КЖ, где приводятся монтажные схемы, защита полов и окраска несущих и ограждающих конструкций – соответственно в экспликации полов и ведомости отделки на архитектурных чертежах. Во всех случаях необходимы таблицы с условиями эксплуатации несущих и ограждающих конструкций, размещение которых на чертежах зависит от вида зданий или сооружений (рисунок 2 приложения 13). Целесообразно, чтобы в сметной документации была выделена вторичная защита, выполняемая на монтажной площадке. Независимо ОТ стадийности проектирования и наличия или отсутствия самостоятельного раздела «AЗ» определяющим для качественной разработки 39 долговечных конструкций является объем исходных данных. Здания и сооружения работают в условиях, когда кроме механических нагрузок, конструкции подвергаются различным видам воздействий, способствующим развитию коррозионных процессов. Для большинства производств с сильноагрессивными средами именно эти процессы являются причиной снижения несущей способности перекрытий, колонн, ферм, стеновых элементов. Среды, действующие внутри зданий или сооружений не являются единственными источниками повреждений или разрушений строительных конструкций. Не меньшее, а порой, и определяющее воздействие оказывает окружающая атмосфера, а также грунты и подземные воды. В приложении 14 показаны исходные данные, необходимые для оценки коррозионной опасности. Получение этих данных является одним из наиболее трудоемких процессов проектирования защиты, так как при сложившейся практике гидрогеологические изыскания выполняются еще до разработки документации, данные об атмосферных воздействиях собираются из действующих нормативных документов (куда они в свою очередь попадают путем обобщения многолетних данных ближайших метеостанций), а среды внутри производств (если проектируется здание с новой технологией) определяется весьма приближенно. Исходные данные, являющиеся основой для проектирования, условно можно разделить на три большие группы: 1) климатологические; 2) гидрогеологические; 3) технологические. По отношению к зданию атмосферные воздействия (являющиеся частью климатологических) порой считают внешними, а действие газов, жидкостей и др. продуктов на конструкции в объеме здания – внутренними. Воздействие агрессивных грунтов и подземных вод можно также отнести к внешним. Условность такого деления очевидна и принята лишь с целью упрощения систематизации сбора материалов, необходимых для разработки проекта. Было бы неверно считать, что наличие данных, представленных в приложении 14, может само по себе обеспечить качественную разработку мероприятий по защите от коррозии. Для этого необходим определенный опыт проектирования, основой которого является получение информации, касающейся как технологической, так и строительных частей проекта. Объем этой информации зависит от стадии проектирования, т. к. нередко проектировщики, разрабатывающие например строительную часть, не всегда сами четко представляют технологический процесс. Например, на стадии «Проект», «Рабочий проект» и «Рабочая документация» для оценки среды необходимо следующее. Характеристика технологического процесса проектируемого объекта, в том числе: 1 Режим работы предприятия. 40 Краткое описание технологического регламента. Количество агрессивных сред, используемых в технологическом процессе в течение суток (для жидких продуктов). Периодичность остановок на профилактический и капитальный ремонты и их продолжительность. Для полов на грунте и перекрытии важно выявить площадь (в плане), занимаемую оборудованием с агрессивными средствами, и транспортные средства, а также способы доставки в цех сырья и его отгрузки или транспортировки в соседние цеха. Определенную информацию необходимо иметь не только по техническим вопросам, но и в части организации строительства. Например, решения по выбору материалов и защите конструкций целесообразно предварительно согласовывать с теми организациями, которым предстоит выполнять работы. Это следует проводить еще до разработки рабочей документации. Если раздел «AЗ» разрабатывается специализированной организацией, то согласование входит в ее обязанность. Последовательность этапов разработки первичной и вторичной защиты представлена в приложении 15. Применительно к объектам, подлежащим реконструкции, ремонту, техперевооружению, в дополнение к вышеперечисленному, необходимы также данные натурных обследований. 2 3 4 5 41 V НЕСУЩИЕ И ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ 5.1 Подземные конструкции Условия эксплуатации строительных конструкций, расположенных ниже уровня пола первого этажа и соприкасающихся с грунтом, значительно отличаются от надземных элементов зданий не только характером и составом твердых, жидких и газообразных сред, но главным образом отсутствием контроля за состоянием защитных покрытий. Отдельные подземные элементы зданий и сооружений могут одновременно эксплуатироваться в атмосфере, например, свайные основания выше нулевой отметки, фундаментные балки, стены подвалов. Наиболее характерными подземными элементами промышленных зданий являются фундаменты под колонны и оборудование, фундаментные балки, сваи, участки стен ниже уровня отметки земли. Чаще всего они выполняются из бетона или железобетона. По аналогии с атмосферными воздействиями физико-химический состав грунтов оснований и подземных вод может быть природным (фоновым) и техногенным. Как правило, техногенные воздействия приводят к значительному изменению природных характеристик оснований после эксплуатации предприятий. Поэтому выбор защиты подземных конструкций зависит не только от состава грунтов и подземных вод (приложение 16), полученных на стадии инженерных изысканий, но и от особенности производства, прогнозируемого уровня повышения подземных вод и изменений их химического состава. Специальной защиты требуют отдельные элементы подземных частей здания, которые соприкасаются с кирпичной кладкой или стенами из легкобетонных панелей (рисунок 5.1). Контакт материалов с разной пористостью при увлажнении (грунтовая и капиллярная влага) и наличие одностороннего испарения приводят к массопереносу: сухие участки стен увлажняются в результате капиллярного переноса влаги из бетона в кирпичную кладку. Для уменьшения влияния капиллярной влаги между бетоном, контактирующим с грунтом и кирпичной кладкой, устраивается изоляция в виде прослойки гидроизола или бризола. В условиях строительства чаще используют для этих целей цементно-песчаный раствор 1:3. Для агрессивных сред целесообразнее дополнительно раствор прокрашивать битумом мастикой по холодной грунтовке (горизонтальная изоляция стен). По этим же соображениям недопустимы контакты с грунтами конструкции из легких бетонов без выполнения специальных требований по их изоляции. Нормирование степени агрессивного воздействия для конструкций в зоне подземных вод действующими нормативами разработаны для грунтов с коэффициентом фильтрации более 0,1 м/суток. При меньшей фильтрации все показатели агрессивного воздействия воды-среды могут быть увеличены в 1,3 42 раза. Отдельные типы глин, имеющих минимальную фильтрацию, сами могут быть использованы в качестве вторичной защиты в виде экранов. Попадающие в зону грунтовых вод элементы зданий и сооружений подразделяются на две категории: напорные и безнапорные. Величина напора характеризуется отношением величины водяного столба к толщине конструкции. Рисунок 5.1 – Защита панельных стен в зоне опирания на фундаментные балки: 1 – фундаментная балка; 2 – разделка швов герметиком; 3 – цементнопесчаный раствор состава 1:3 с введением уплотнительных добавок; 4 – наружная стеновая панель из керамзитобетона; 5 – колонна; 6 – гидроизоляция битумной мастикой в 2 слоя. Чем больше градиент напора, тем быстрее происходит фильтрация через толщу конструкции и тем опаснее агрессивные воды. Поэтому наличие пустот в подземных бетонных и железобетонных конструкциях хотя и дает экономию материалов, применительно к агрессивным средам нельзя признать обоснованным: возрастает степень агрессивного воздействия среды и соответственно затраты на защиту. Кроме того наличие закрытых пустот полностью исключает диагностику состояния конструкции в процессе эксплуатации. 5.1.1 Защита конструкций в подземных водах и зоне капиллярного поднятия При отсутствии одностороннего напора выбор защиты определяется составом подземных вод, колебаниями уровня в течение года (с учетом перспективного повышения), а также типом конструкций, которые требуется защищать от коррозии (рисунок 1 Приложения 17). Для подземных бетонных и железобетонных конструкций в наибольшей степени эффективна первичная защита. Использование вторичной защиты в виде окрасочной или оклеечной изоляции следует признать обоснованным лишь в том случае, когда 43 применение бетонов, специальных цементов, добавок, конструктивных мероприятий не обеспечивают химической стойкости бетона и железобетона. При разработке защиты крупных объектов сильная степень агрессивности подземных вод является серьезным аргументом даже для пересмотра конструкции фундаментов. Так, например, вместо свайных оснований целесообразнее применять сплошную железобетонную плиту, или вместо монолитного железобетона – сборные бетонные блоки, которые можно защитить до монтажа, (таблица 1 Приложения 17). Порой экономически целесообразнее устройство водопонижения или даже перенос зданий или сооружений на другую площадку, где подземные воды залегают ниже уровня заложения фундаментов. Вид подземных конструкций и степень их ответственности также влияет на выбор защиты: основные фундаменты под здание и фундаменты мелкого заложения из бетона или железобетона. Как правило, они имеют большие запасы по прочности. Для конструкций этого типа нормы агрессивности подземных вод допустимо принимать со значительно более высокими показателями, ввиду меньшей ответственности самой конструкции. Для вторичной защиты подземных не напорных конструкций могут использовать: лакокрасочные, мастичные, пропиточные, штукатурные и оклеечные материалы, обладающие стойкостью в агрессивной среде (таблица 2 Приложения 17). На промышленных объектах в основном применяются два типа защиты: битумные мастики для окрасочной (обмазочной) защиты и оклеечная изоляция на основе битумов. При использовании оклеечной изоляции, выполняемой из рулонных материалов, необходимо гарантировать ее сохранность (от механического воздействия) защитной прижимной стенкой. Возведение прижимных стенок по высоте с целью обеспечения их устойчивости должно вестись по мере обратной засыпки фундаментов. Так как прижимная стенка нужна главным образом для обеспечения сохранности оклеечной изоляции на период строительства, для кладки можно использовать цементно-песчаные растворы. Может возникнуть необходимость специальной усиленной защиты в виде прижимной стенки из кислотоупорного кирпича на химически стойких вяжущих и др. Схему защиты в таких средах следует выбирать по аналогии с защитой железобетона от кислот и щелочей (раздел III). В 40–50-е годы для защиты фундаментов использовались экраны в виде «глиняных замков». Специально приготовленную глину укладывали вокруг сооружений и послойно трамбовали. При толщине замка 200–300 мм такая защита в случае ее сплошности исключала контакт бетона с агрессивными средами. Имеются и нормативы по расчету толщины глиняных замков в различных условиях. Поэтому не следует его исключать из возможных 44 способов защиты подземных конструкций, особенно при дефиците химостойких материалов. Кроме глиняных замков экранирование возможно выполнять путем инъецирования битумных или полимерных материалов в скважины, расположенные по периметру фундаментов,. При оклеечной или обмазочной изоляции важнейшим условием является обеспечение сплошности защиты по всему периметру, включая вертикальные элементы и подошву, хотя по конструкции и условиям работы у них имеется определенное отличие. Большинство отдельно стоящих фундаментов под колонны, как правило, состоят из подколонника и одно-, двух- и трехступенчатой плиты. Под фундаментом при отсутствии агрессивных сред устраивается бетонная подготовка обычно толщиной не менее 100 мм. Для агрессивных сред вместо бетонной подготовки применяется щебень (кислотостойких пород) утрамбованный в грунт или подготовка из щебня толщиной 80…100 мм, которая исключает лишь капиллярное поднятие. Чтобы обеспечить для подколонника, уступов и подошвы фундамента близкие защитные свойства, например при их обмазочной изоляции щебень дополнительно пропитывают горячим битумом. Если подколонник и уступы защищаются оклеечной изоляцией, то она должна обязательно проходить и под подошвой. Для сохранения оклеечной изоляции от повреждения укладки ее должна производиться на выровненную поверхность. Поэтому по щебню выполняют стяжку из кислотостойкого асфальта толщиной 20–30 мм, если по химической стойкости для этих целей нельзя использовать цементные растворы. По верху оклеечной изоляции должна быть уложена защитная стяжка 15–20 мм из цементного раствора (рисунок 2 Приложения 17). Значительное количество подземных конструкций эксплуатируется в условиях одностороннего напора подземных вод. В этом случае наряду с обеспечением водонепроницаемости изоляция должна обладать и химической стойкостью. Проектирование гидроизоляции и ее выполнение осуществляется в соответствии с действующими документами. Дополнительным требованием является проверка выбранной схемы на химическую стойкость в агрессивной среде. Кроме того все места сопровождений гидроизоляции также необходимо проверять с целью обеспечения их химической стойкости. В агрессивных грунтовых водах изоляция должна исключать какую-либо фильтрацию к внутренней поверхности конструкции, независимо от назначения сооружения. При одностороннем напоре может применяться только оклеечная или штукатурная изоляция. Толщина и количество слоев определяются величиной напора. Штукатурная гидроизоляция из холодных мастик используется при нанесении на вертикальную поверхность. Холодные асфальтовые мастики можно использовать для защиты напорных сооружений в условиях общекислотной агрессивности (рН>5) и содержании сульфатов до 8000 мг/л. 45 Покрытия наносят в несколько слоев толщиной до 8–15 мм с помощью специальных установок. Изоляцию горизонтальных элементов выполняют с помощью литых асфальтовых смесей. 5.1.2 Защита в «сухих» грунтах зоны аэрации Зона аэрации – непосредственно сообщается с атмосферой. Через эту зону фильтруют агрессивные атмосферные осадки, промышленные стоки, а также происходит испарение влаги из грунтов. Влага зоны аэрации находится в парообразном состоянии и при изменении температуры и давления способна образовывать конденсат. Когда в зону аэрации проникают осадки или проливы образуется «подвешенная» капиллярная вода. В этой же зоне скапливается верховодка, образование которой ускоряется наличием в основании грунтов с различной скоростью фильтрации. Бетонные и железобетонные подземные конструкции, попадающие в эту зону, обычно не требуют какой-либо дополнительной защиты. Исключение составляют лишь засоленные грунты, – являются коррозионно опасными для подземных конструкций. Их содержание определяется с помощью водных вытяжек. Если соли, попадая в конструкции не могут кристаллизоваться в них или у поверхности, специальной защиты не требуется. В том случае, когда подземная конструкция, контактируя с засоленным грунтом, одновременно выходит на поверхность и подвергается атмосферным воздействиям возможно интенсивное развитие коррозионных процессов. Грунты могут иметь естественную (фоновую) засоленность. Имеются карты страны, где характеризуются грунты по степени засоленности. Засоленность может появиться в процессе эксплуатации, – например, при утечке из наливных сооружений и трубопроводов или растворении атмосферными осадками твердых отходов производства. В подобных условиях эксплуатируются здания и сооружения в южных районах Средней Азии, Казахстана, Поволжья. Температура открытых солнцу конструкций в дневное время там достигает 60–80° С, а степень минерализации превышает 4%. В условиях жаркого климата коррозионным воздействиям подвержены конструкции, расположенные на высоте до 50-60 см от поверхности земли, то есть в той зоне, куда в результате диффузии могут переместиться насыщенные растворы. Ниже уровня земли коррозия не наблюдается. Первичная защита бетонных и железобетонных конструкций в условиях засоленных грунтов является обеспечение плотности бетона (W>6) и применение хорошо обожженного кирпича. В качестве вторичной защиты – устройство горизонтальной изоляции, а для вертикальных поверхностей нагреваемых солнцем – экранов и обмазочной изоляции (рисунок 3 Приложения 17). 46 5.1.3 Защита свайных фундаментов Конструкции этого типа находят широкое применение в промышленном строительстве, особенно на площадках со сложными гидрогеологическими условиями. Из многочисленных типов свай в промышленном строительстве наибольшее применение нашли забивные сваи прямоугольного сечения с обычным армированием, а также предварительно напряженные. Обычно под колонну забивают куст свай, объединенных единым монолитным элементом – ростверком. Так как при забивке вокруг каждой сваи образуется уплотнительный слой – пространство между ними заполнено грунтом, имеющим более низкую проницательность, чем грунт за пределами куста. Поэтому свая работает как бы в «обжатой рубашке». При этом продукты взаимодействия воды-среды с бетоном остаются на месте, создавая защитный барьер, что уменьшает скорость коррозионных процессов. Для свай первичная защита может потребоваться в агрессивных грунтовых водах, а также под зданиями с мокрыми и технологическими процессами и интенсивными проливами кислот на полы первого этажа. Наиболее эффективен способ вторичной защиты – пропитка химически стойкими составами в ваннах при атмосферном давлении. Как правило, глубина пропитки свай не должна быть больше чем защитный слой арматуры, так как некоторые пропиточные материалы, например нефтепродукты, способны уменьшить сцепление бетона с арматурой. Если сваи рассчитываются как «висячие», защитные покрытия или пропитка могут повлиять на коэффициент трения и соответственно снижение несущей способности. Имеются данные, что висячие сваи длиной до 22 м в глинистых грунтах при защите битумными мастиками снижали несущую способность на 30% по сравнению со сваями без защиты. Поэтому для висячих свай перед разработкой рекомендаций по защите должны проводиться предварительные испытания их несущей способности. Пропитка свай требует строительства специального полигона. Затраты на его возведение (если они не предусмотрены при разработке проекта) могут существенно отразиться на общей стоимости подземных конструкций. Наряду с пропиткой сваи можно защитить лакокрасочными составами и мастиками, в том числе на основе битумов. Для повышения химической стойкости используют эпоксидные материалы с введением пластифицирующих добавок модификаторов и на основе хлорсульфатированного гюлиэтилена. Важным условием является трещиностоикость покрытия, так как при забивке свай могут появляться трещины от ударных нагрузок. При реконструкции и расширении действующих производств не исключены ситуации, когда свайные фундаменты контактируют со средами, способными вызвать коррозионное разрушение не только бетона, но и защитных материалов. Для таких сред целесообразнее полностью перейти на другие типы фундаментов: сплошная силовая плита, столбчатые фундаменты с 47 усиленной вторичной защитой или выполнять сваи из химически стойких бетонов. 5.1.4 Защита металлоконструкций в грунтах Строительные металлоконструкции зданий и сооружений не должны иметь контакта с грунтами. Металлические колонны, опирающиеся на фундаменты ниже уровня планировочной отметки необходимо обетонировать. С целью обеспечения лучшего сцепления бетона с металлом к нему предварительно приваривают арматурную сетку. Защитный слой при этом не должен быть меньше 30 мм. Поверхность бетона защищается по типу железобетонных конструкций, (рисунок 5.2) Проблема защиты от подземной коррозии играет важную роль в сооружениях при прокладке трубопроводов, а также в тех случаях, когда нельзя исключить контакт грунтов с частями подземных металлических сооружений: шпунтовые стенки, резервуары и т. д. Для разработки защиты необходимы данные о коррозионной активности грунтов по отношению к стали, зоне влажности, в которой расположены трубопроводы и конструкции, сведения об источниках блуждающих токов. Оценка степени коррозионной опасности грунтов и разработка мер защиты металла от подземной (почвенной) коррозии и коррозии, вызываемой блуждающими токами, подробно изложена в специальной литературе, например, ГОСТ 16149. Рисунок 5.2 – Защита стальных колонн в условиях агрессивных грунтов: 1–стальная колонна; 2–бетон, нанесенный на колонну после ее монтажа; 3–фундамент; 4–мастичное покрытие. 48 5.2 Химически стойкие полы 5.2.1 Характеристика химически стойких полов В промышленных зданиях при воздействии в них агрессивных сред наиболее ускоренному износу подвергаются конструкции перекрытий и полов. Поэтому полы в таких зданиях должны обладать химической стойкостью и непроницаемостью. В результате механических и коррозионных воздействий совместно с действием повышенных температур и других тяжелых условий некачественное проектирование химически стойких полов может быть причиной разрушения конструкций зданий, а полов на грунте – также и подземных конструкций и коммуникаций. В зависимости от условий и технологии производства материалы конструкций химически стойких полов должны отвечать следующим требованиям:             химической или биологической стойкости; непроницаемости; механической прочности; жаростойкости; требованиям промышленной эстетики; электропроводности; диэлектричности, «беспыльности», отсутствия сорбции; необходимости обогрева в зимнее время; атмосферостойкости (полы открытых площадок и этажерок); другим специальным требованиям. Полы являются многослойной конструкцией, в которой каждый «слой» выполняет определенную функцию. Конструкции полов в разных помещениях с различными условиями могут отличаться. В зависимости от назначения различают следующие конструктивные элементы полов [27, 28].  Покрытие (из штучных материалов; сплошные покрытия).  Прослойка (в штучных покрытиях – цементный раствор полимерных и битумных мастик; в сплошных полах – мастика, клей, замазка). Материал покрытий и прослойки определяется непроницаемостью, химической стойкостью, прочностью, достаточной адгезией; морозостойкостью (в атмосферных условиях).  Гидроизоляционный слой, необходим в условиях гидросмыва и агрессивных сред; выполняет функцию непроницаемого барьера, 49 задерживающего кислоты, щелочи, водные растворы от проникания к нижележащим конструкциям пола. В целях исключения протечек стоков через углы примыкания вертикальных поверхностей к полам гидроизоляция по нормам [27] должен быть заведен на вертикальную поверхность на высоту не менее 200 мм от поверхности покрытия. Поэтому материал, применяемый для устройства гидроизоляционного элемента, должен обладать гидроизолирующими свойствами, и, если необходимо, химической стойкостью. В качестве гидроизолирующего слоя применяются рулонные, мастичные материалы, полипропилен и т.д., а также современные материалы.  Стяжка – основание под покрытие. Отсутствие стяжки может быть причиной нарушения сплошности гидроизоляционного слоя, обычно имеющего небольшую толщину (несколько миллиметров).  Подстилающий слой , толщина подстилающего слоя в производственных помещениях должна быть не менее 100 мм при марке бетона В 22,5. Конструкция подстилающего слоя во многом влияет на надежность и долговечность химически стойких полов, так как его деформации могут нарушить покрытие пола. Поэтому наиболее оптимальным вариантом является устройство сплошного подстилающего слоя, особенно в условиях сильноагрессивных сред, и особенно при проливах на полы агрессивных жидкостей.  Теплоизоляционный слой.  Грунтовое основание. Основанием полов для одноэтажных зданий являются грунты. Пол следует устраивать на грунтах, исключающих возможность деформации конструкции от просадки грунта. Основное требование к ним – отсутствие деформаций при эксплуатации и коррозионной активности по отношению к бетону. Кроме того, грунты не должны вступать в химическое взаимодействие с теми жидкими продуктами, которые могут при разрушении покрытия и подслоя проникать к ним с полов первого этажа. Некоторые группы сильноагрессивных сред способны при взаимодействии с грунтами увеличиваться в объеме, вызывая значительные необратимые деформации.  Защита от грунтовых вод или капиллярной влаги – при воздействии капиллярного поднятия грунтовых вод на подстилающий слой снизу, а также при отсутствии в помещениях воздействия на пол жидкостей (в том числе агрессивных) средней и большой интенсивности. Конструктивные элементы полов промышленных зданий в зависимости от их эксплуатационных условий представлены в приложении 18. 5.2.2 Уклон полов 50 Уклон полов необходим для эвакуации (смыва) стоков (в том числе агрессивных). Уклон полов на перекрытиях следует создавать применением стяжки переменной толщины, а полов на грунте – соответствующей планировкой грунтового основания [27, 28]. Величина уклона полов зависит от типа покрытия и интенсивности воздействия на пол жидкостей [27, 28]: 0,5…1% и 1…2%. Для эвакуации стоков применяют химически стойкие конструктивные элементы – каналы или лотки (рисунок 5.3) [17]. Для приема стоков пола и их удаления служат трапы (рисунок 5.4) [17]. Устраиваются трапы на перекрытиях здания или в полах на грунте. Трапы изготавливаются из химически стойких и прочных материалов диаметрами 50, 100 или 150 мм. Количество трапов и их расположение определяется специальными расчетами в зависимости от залповых проливов. Рисунок 5.3 – Устройство лотков в химически стойких полах [22] 51 1 3 2 4 5 6 8 9 7 Рисунок 5.4 – Устройство трапа в перекрытии (типовая серия 1.400-19) [17]: 1 – покрытие пола; 2 – решетка трапа; 3 – разделка химически стойкой эластичной мастикой; 4 – прослойка; 5 – непроницаемый подслой; 6 – дополнительная изоляция по типу изоляции пола; 7 – трап из нержавеющей стали; 8 – железобетонное перекрытие; 9 – закладная деталь в перекрытии. На планах фундаментов под оборудование, лотков, приямков, каналов, тоннелей и других сооружений указывают [22]:  координационные оси;  уклоны полов, лотков, каналов, тоннелей;  габаритные размеры лотков, приямков, каналов, тоннелей и других элементов здания (сооружения), а также высотные отметки фундаментов под оборудование, отметки дна лотков, приямков, каналов и тоннелей;  ссылки на сечения и узлы антикоррозионной защиты конструкций. Пример выполнения плана конструкций приведен на рисунке 5.5. 52 1 3 2 Рисунок 5.5 – Пример выполнения плана химического стойкого пола при воздействии агрессивных сред [16]: ФО-1, ФО-2, ФО-3, ФО-4 – фундаменты под оборудование; 1,2% – величина уклона пола; 1 – трап; 2 – лоток; 3 – направление движения агрессивной жидкости. На планах подземных конструкций здания (сооружения) [16] указывают:  элементы конструкций (схематично;  координационные оси;  зоны антикоррозионной защиты;  ссылки на сечения или узлы антикоррозионной защиты конструкций. Пример выполнения плана подземных конструкций приведен на рисунке 5.6. 53 Рисунок 5.6 – Антикоррозионная защита фундаментов при воздействии агрессивных сред [16] 5.2.3 Конструкции, используемые при сопряжении пола с вертикальными конструктивными элементами Для обеспечения непроницаемости и химической стойкости конструктивных элементов, соприкасающихся с полами, а также для предотвращения протечек в грунт (полы на грунте) обязательным элементом любого химически стойкого пола являются плинтусы. Именно стыки и углы являются самыми «слабыми» местами в любой конструкции. 54 Обеспечение сплошности непроницаемого подслоя является самым важным требованием при устройстве плинтусов. Конструктивное решение устройства плинтусов зависит от типа полов и интенсивности воздействия на пол жидкостей. Покрытие, прослойка и гидроизоляция выводятся на вертикальные элементы. Высота плинтусов зависит от многих факторов: интенсивности воздействия на пол жидкостей; высоты конструктивного элемента, размеров штучных материалов. Условно принято, что при «мокрой» уборке высота плинтуса не менее 300 мм, а «сухой» – 150 мм [17], однако размеры эти могут немного отличаться в зависимости от размеров штучных материалов. Не следует забывать, что гидроизоляция должна быть заведена на вертикальную поверхность на высоту не менее 300 мм от поверхности покрытия [27]. 5.2.4 Критерии, определяющие выбор химически стойких полов Среди эксплуатационных воздействий на полы можно выделить:  механические;  жидкостные;  тепловые. Различают четыре категории механических воздействий [17], применительно к которым определяются толщины покрытий полов. Хотя они довольно условны, но могут использоваться для сравнительной оценки: слабые; умеренные; значительные и весьма значительные. Отдельные виды воздействия, например падение тяжелых изделий весом более 20 – 50 кг с высоты, должны рассматриваться как нарушение нормальной эксплуатации, т. к. такие ударные нагрузки способны разрушить большинство из штучных материалов. Имея небольшую толщину и обладая низкой ударной стойкостью большинство из штучных материалов отлично выдерживают значительные статистические нагрузки, достигающие 10…50 тонн на 1м2, и разрушаются при падении на них с высоты слесарного молотка. Как правило, наибольшие механические нагрузки наблюдаются в полах первого этажа, складских помещениях, разгрузочных эстакадах, рампах, ремонтных отделениях, в зоне ворот. Даже в пределах одного помещения нагрузки могут значительно отличаться, поэтому транспортные проезды следует выделять в отдельные зоны. Состав и характер агрессивных проливов является определяющим для выбора материала покрытия и типа непроницаемого подслоя. При проектировании следует учитывать влияние на пол следующих жидкостей:  воды и растворов нейтральной реакции с указанием температур;  минеральных масел и масляных эмульсий;  органических растворителей (бензина, бензола, ацетона и др.);  веществ животного и растительного происхождения; 55  кислот и растворов кислой реакции с указанием концентрации и температуры;  щелочей и растворов щелочной реакции с указанием концентраций и температуры. Смывные воды с незначительным количеством кислых или щелочных примесей относят соответственно к растворам кислоты или щелочи. Могут быть и сочетания различных воздействий. Это часто вызывает сложности при выборе покрытий ввиду отсутствия «универсальных» материалов. Для химически стойких полов важно знать особенности технологических процессов. Частота и интенсивность воздействий, химический состав сред зависит от технологических регламентов, культуры производства, состояния оборудования. Даже в пределах одного помещения агрессивные воздействия могут значительно отличаться. Например, зона полов вокруг травильных ванн (метизное производство) будет подвергаться воздействию растворов, которые находятся в ванне. Зона полов, расположенная всего в 5–6 метрах от ванны, может работать уже в условиях, когда отсутствуют какие-либо агрессивные проливы. Интенсивность воздействия жидкостей на пол следует считать малой, средней и большой. Мытье пола (без разливания воды) и случайные редкие попадания на него брызг, капель и т.п. не считаются воздействием на пол жидкостей. В качестве тепловых воздействий принимают наибольшую температуру пола:  нагретого воздуха на уровне пола;  горячих предметов (раскаленные и нагретые детали, проливы расплавленного металла, горячие днища ковшей и др.) при их соприкосновении с полом;  горячих жидкостей при воздействии на пол. Температуру пола, нагреваемого теплоизлучением от технологического оборудования, определяют теплотехническим расчетом. 5.3 Ограждающие конструкции Из ограждающих конструкций в наиболее сложных условиях находятся стены и покрытия промышленных зданий. Коррозионные процессы в них протекают совместно с тепло-, влаго- и воздухопереносом. Снижение долговечности и разрушения ограждений может иметь место и при отсутствии агрессивных воздействий газов и паров только под влиянием климатических факторов (климатической активности). Это порой недооценивается как проектировщиками, так и службами эксплуатации. 56 Между тем, ошибки в выборе материалов наружных ограждений, изменения влажностного режима помещений в процессе эксплуатации способны порой всего за 2-3 года вызвать интенсивное разрушение ограждающих элементов и привести к огромным затратам на их капитальные ремонты. Агрессивные среды, действующие внутри помещений, рассматриваются часто только с точки зрения их химического воздействия на материал строительных конструкций и учитываются при теплотехнических расчетах [32] и проектировании стен и покрытий. Действующие нормы [32] рассматривают четыре основных параметра, определяющих нормальный температурно-влажностный режим стен и покрытий в производственных зданиях с точки зрения обеспечения комфортных санитарно гигиенических условий: сопротивление теплопередаче; теплоустойчивость; сопротивление воздухопроницанию; сопротивление паропроницанию (приложение 19). 5.3.1 Защита стен промышленных зданий Стены отапливаемых промышленных зданий (кроме металлических) можно разделить на два типа: кирпичные и панельные. Панельные стены широко распространены ввиду индустриальности и наличия достаточного количества предприятий-изготовителей. Материалом для стен служат ячеистые и легкие бетоны, а также тяжелый бетон с утеплителем. Агрессивные среды и повышенная влажность являются основными показателями, ограничивающими применение стен из ячеистых бетонов ввиду опасности коррозии арматуры. Даже в слабоагрессивных средах требуется дополнительная защита арматуры специальными покрытиями. Кроме того панели из ячеистого бетона не морозостойки. Поэтому в агрессивных средах и при повышенной влажности применяются легкие бетоны (одно- или двухслойные панели) и тяжелый бетон (в трехслойных панелях). Конструкции панелей из легкого бетона необходимо выполнять с плотным фактурным слоем из тяжелого бетона γ = 2200…2400 кг/м3. Так как панельные стены изготавливаются полной заводской готовности, фактурные слои должны выполняться в заводских условиях. Рядовые панели, выпущенные без фактурных слоев, защитить от коррозионных воздействий весьма сложно. Окрасочная антикоррозионная защита, нанесенная на конструкцию панели, у которой нет плотного паронепроницаемого фактурного слоя (в виде бетона или раствора), не эффективна. Слабым местом панельных стен являются швы. Ввиду значительного перепада температур в зимний и летний периоды года швы между панелями имеют деформации, достигающие 10-15 мм. Поэтому они должны быть выполнены из материалов, обладающих наряду с атмосферостойкостью и паронепроницаемостью, также высокой эластичностью. Наиболее надежными 57 являются стыки, в которых используются упругие прокладки и герметики (рисунок 5.7). Герметики нередко заменяют на обычные цементные растворы. При этом уменьшается термическое сопротивление в зоне шва, а в результате деформаций повышается воздухопроницаемость. В вертикальных швах, например, раствор со временем буквально «выпадает». Для такой конструкции влажностное состояние стен зависит от качества заделки стыков. В агрессивных средах применяются конструкции стен из навесных и самонесущих панелей (рисунок 5.8). Существенный недостаток навесных панелей – устройство стальных закладных и соединительных элементов, которые невозможно контролировать после монтажа (рисунок 5.9). Рисунок 5.7 Защита стыков в стеновых панелях: 1– упругие прокладки (толщина определяется по расчету); 2– герметизирующая мастика; 3– стеновая панель. Рисунок 5.8 – Стеновые панели отапливаемых промышленных зданий: 1 – навесные; 2–самонесущие. 58 Рисунок 5.9 – Схема крепления стеновых панелей к колоннам: 1 – стеновая панель; 2 – соединительная деталь; 3 – колонна; 4 – упругие прокладки; 5 – герметик; 6 – закладная деталь в стеновой панели; 7 – закладная деталь в колонне. Некоторые из таких элементов, например, опорные столики, эксплуатируются в условиях значительной механической нагрузки. Кроме того они являются «мостиками холода» и поэтому увлажняются в результате образования конденсата, а при плохой герметизации еще и атмосферными осадками. Установлено, что при отсутствии защиты и высокой влажности скорость коррозии соединительных деталей может достигать 0,2 мм/год. Наиболее надежная защита – оцинковка, алюминизация или комбинированная система. Она эффективна при условии восстановления в тех местах, где выполняется монтажная сварка. Одним из недостатков навесных панелей является также малая толщина – не более 300 мм. В условиях агрессивных сред и повышенной влажности такая толщина стен может быть принята только в ограниченном регионе страны. Поэтому целесообразнее применять самонесущие стеновые панели, которые могут быть нескольких типов (рисунок 5.10). 1 Трехслойные панели выпускаются толщиной до 400 мм. Опираются панели на простеночные элементы. Цокольные панели укладываются на фундаментные балки. Швы заделываются герметизирующей мастикой, а укладка осуществляется на упругих прокладках. 2 Однослойные самонесущие панели опираются на простеночные панели и поэтому не требуют опорных металлических столиков. Обеспечение их долговечности зависит от правильно выбранных теплотехнических параметров и качественного уплотнения швов. Для обеспечения требуемых параметров паропроницания и влагонакопления осуществляется дополнительная защита с внутренней и наружной стороны лакокрасочными покрытиями. 3 Двухслойные панели (рисунок 5.10). 59 Так как наибольшую коррозионную опасность представляет повреждение арматуры и размораживание, защита с внутренней стороны должна полностью исключить проникание в стены агрессивных аэрозолей и растворов. Во всех типах панельных стен как навесных, так и самонесущих слабым местом являются торцевые элементы над оконными проемами. Ввиду того что в торцах отсутствует фактурный слой, а штукатурка не обладает высокой плотностью, воздух с высокой влажностью проникает в середину панели и вызывает ее увлажнение. В панелях из легкого бетона попадание агрессивных газов через торцы может также быть причиной коррозии арматуры. По той же причине нежелательно использовать цокольные панели без фундаментных балок, так как через торцы может проникать в панель капиллярная влага из грунта. Эффективной защитой наружных стен при повышенной влажности воздуха, аэрозолях и газах является профилированный полиэтилен. Наряду с высокой химической стойкостью и паронепроницаемостью панели (на которые полиэтилен наносится в заводских условиях) не требуют после монтажа дополнительной изоляции. Для герметизации стыков, на швы наваривают полосы из полиэтилена. При этом оказываются защищенными и наиболее слабые места панелей – торцевые элементы над оконными проемами (рисунок 5.11). Кирпичные стены в условиях агрессивных сред следует признать наиболее долговечными. При качественном исполнении они могут многие десятилетия подвергаться сильным агрессивным воздействиям без снижения несущей способности. Красный кирпич на цементном растворе противостоит практически всем видам газовых воздействий, которые могут действовать на промышленных предприятиях. Разрушение наружных стен из кирпича имеет место в основном при их увлажнении и замораживании, когда морозостойкость кирпича бывает недостаточной, а пароизоляция в стенах отсутствует. Рисунок 5.10 – Наиболее распространенные типы стеновых панелей промышленных зданий: А – однослойные из легких бетонов с фактурными слоями; Б – трехслойные; В – двухслойные; 60 1–легкий бетон; 2–фактурный слой; 3–тяжелый бетон; 4–эффективный утеплитель. Рисунок 5.11 – Деталь защиты наружных стен профилированным полиэтиленом: 1 – легкий бетон; 2 – тяжелый бетон; 3 – полиэтилен профилированный; 4 – нащельник; 5 – жгут; пропитанный битумом; 6 – деревянные переплеты. Кирпичные стены более трудоемки, чем панельные и блочные, однако с учетом приведенных затрат, они экономичнее. Во влажных и мокрых производствах кирпичные стены следует признать наиболее надежными, так как их можно выполнять с вентилируемой воздушной прослойкой. Эффективным способом повышения паронепроницаемости стен и уменьшение проникания в нее агрессивных сред является использование штукатурки. Применение этого старого способа защиты имеет то преимущество, что в зависимости от характера агрессивных сред составы штукатурных растворов путем добавок можно подбирать применительно к конкретным условиям эксплуатации. Например, штукатурка, наносимая с помощью торкретирования, обладает плотностью и паронепроницаемостью не ниже чем бетон. По штукатурке можно наносить любые защитные лакокрасочные составы выполнять облицовку плиткой и другие виды отделки. 5.3.2 Покрытия промышленных зданий Покрытия, наряду с наружными стенами, в наибольшей степени подвергаются воздействию газовоздушных сред, аэрозолей и одновременно атмосферы. Конструкция покрытия включает несущие элементы: фермы, балки, прогоны, плиты, и ограждающие элементы (рисунок 1 Приложения 20). Покрытия должны обеспечивать изоляцию от проникания атмосферных осадков и тепловую защиту в холодное время года. 61 Толщина утеплителя в цехах с агрессивными средами подбирается таким образом, чтобы температура на поверхности конструкции, по которым укладывается утеплитель (в первую очередь плит покрытия), была не ниже точки росы. При отсутствии пароизоляции зимой теплый воздух проникает в утеплитель и конденсируется. Повышение влажности снижает теплоизоляционные свойства утеплителя. При высокой влажности в помещении и низких зимних температурах нулевая изотерма способна проходить даже по плитам покрытий, происходит их преждевременное разрушение от замораживания и оттаивания. Поэтому пароизоляция является обязательным элементом покрытия при повышенной влажности в помещениях. Наиболее надежной является оклеечная изоляция по тщательно выровненной стяжке. Можно также использовать полиэтиленовую пленку и фольгоизол. Устройство сплошной оклеечной пароизоляции еще не является гарантией от повышенного увлажнения утеплителя. Влага может проникать в него при повреждении кровельного покрытия, а также в период строительства при укладке. При отсутствии воздухообмена влага, скопившаяся между изоляционными слоями и не имеющая выхода, может быть одной из причин повреждений кровли. К началу теплого периода года вследствие интенсивного солнечного нагрева, скопившаяся влага начинает быстро испаряться, так как температура на поверхности кровли достигает летом 80° С. При испарении в кровле образуются пузыри (вздутия), способствующие ее повреждениям. Поэтому между кровельным покрытием и утеплителем необходимо устройство слоев, позволяющих излишней влаге свободно испаряться. Для этого можно укладывать листы битумонизированного картона, специальные стеклопластики, через которые воздух сообщается с атмосферой по периметру здания. Первый (к стяжке) слой кровли укладывают насухо или приклеивают частично. Последующие слои наклеивают обычным способом. Для этого применяют перфорированный рубероид. В условиях, как нового строительства, так и при ремонтах кровлю чаще приклеивают к стяжке (укладываемой по утеплителю) по всей поверхности без каких-либо промежуточных слоев, так как считается, что основное назначение кровельного покрытия – изоляция от атмосферных осадков. Большинство разрушений гидроизоляционного слоя (например, в плоских кровлях) связаны с действием конденсационной влаги. Кроме применения перфорированного рубероида существуют многочисленные инженерные решения этой проблемы: «перевернутые кровли»; применение покрытий, в которых теплоизоляционные слои укладываются с двух сторон гидроизоляции и другие (рисунок 1 Приложения 20). Используются вентилируемые кровли, в которых между кровельным покрытием и теплоизоляцией имеется воздушная прослойка, сообщающаяся с атмосферой. Самым верхним элементом, непосредственно подвергающимся атмосферным воздействиям является кровельный ковер, материал и количество 62 слоев которого выбираются в зависимости от величины уклона и географического района. В последние годы появились многочисленные полимерные мастичные и рулонные покрытия, заменяющие битумные. Для повышения срока службы кровельного ковра поверх него устраивается защитный слой, для чего используется посыпка гравием. Использование защитного слоя следует считать важным элементом покрытий, так как он не только защищает рулонные (эластичные) материалы от механических повреждений, но и предохраняет их от воздействия атмосферы прежде всего за счет снижения температуры (рисунок 5.12). Так же как и в полах, долговечность покрытий зависит не только от качественного кровельного ковра, но и многочисленных деталей кровли. Рисунок 5.12 – Суточные колебания температур на рулонной кровле с различными защитными покрытиями [17]: 1– температура наружного воздуха; 2 – битумная рулонная кровля без защитного слоя; 3 – тоже с засыпкой гравием толщиной 7 см; 4 – окраска белого цвета. 5.3.3 Остекленные поверхности В промышленных зданиях наряду со стенами, коррозионным воздействиям подвергаются и оконные переплеты. Площадь окон порой значительно превышает площадь наружных стен. Так как термическое сопротивление у окон ниже чем у ограждений внутренний воздух контактируя с ними, охлаждается (в холодные периоды года), относительная влажность возрастает и образуется конденсат (рисунок 1 Приложения 19). Материалы, используемые для переплетов, в условиях агрессивных сред подвергаются и интенсивной коррозии. Скорость разрушения стальных переплетов в некоторых производствах значительно выше, чем у конструкций, расположенных внутри цеха. Ввиду значительной конденсации между наружным и внутренним остеклением в холодное время года образуется порой такое большое количество влаги, что она скапливается в нижней зоне переплетов и вызывает 63 намокание наружных стен, способствуя их повреждению в условиях знакопеременных температур. В таких случаях должны быть предусмотрены специальные устройства для отвода конденсата. Поэтому в агрессивных средах представляется целесообразным использовать для переплетов материалы более долговечные, чем сталь, так как окраску переплетов при эксплуатации практически невозможно качественно восстановить. Отличным материалом является дерево, обладающее тем преимуществом, что имеет высокое термическое сопротивление. Если позволяют агрессивные среды (нет галогеносодержащих газов) можно также применять алюминиевые переплеты или стальные оцинкованные. Кроме того, желательно применять не двойное, а тройное остекление. При этом улучшаются теплотехнические характеристики переплетов, ввиду повышения термического сопротивления. Между тем многие промышленные здания часто имеют одинарное остекление, что в условиях агрессивных сред способствует ухудшению условий эксплуатации. Коррозии могут подвергаться не только переплеты. Стекло, обладая весьма высокой химической стойкостью практически во всех газовоздушных средах, интенсивно разрушается под действием фторсодержащих газов или аэрозолей плавиковой и кремнефтористоводородной кислот. Для таких сред должна предусматриваться защита остекления. Коррозия стекла приводит к резкому снижению светонапускной способности окон «помутнению стекол», и тем самым, ухудшает санитарногигиенические условия. 5.4 Легкие металлические конструкции Одним из наиболее перспективных направлений строительной индустрии являются легкие металлические конструкции (л.м.к.), к которым относятся серийно изготавливаемые на заводах отдельные элементы зданий или полностью здания (модули), суммарная масса которых на 1 м2 ограждающей поверхности составляет не более 100…150 кг. Темпы развития легких конструкций значительно опережает другие виды строительных конструкций. Их внедрение позволяет уменьшить массу зданий не менее чем на 10–20%, сократить трудозатраты в 1,2–1,5 раза и снизить стоимость. Эффективно применение л.м.к. в отдаленных районах страны, где традиционные строительные материалы требуют значительных затрат на доставку. Главное же преимущество л.м.к. – индустриальность изготовления. Здания из л.м.к. подразделяются на две группы: здания комплексной поставки и из смешанных конструкций. Отличительной особенностью конструкций типа «Канск» и «ОРСК» является то, что они представляют элементы рамы. Поставляемые раздельно на строительную площадку колонны и ригели соединяют с помощью высокопрочных болтов в жесткую конструкцию. 64 Ряд конструкций выполняется в виде труб (крупного или прямоугольного сечения). Трубчатые элементы должны быть герметичны, так как внутренние поверхности визуально не контролируются, а при разгерметизации появляется опасность коррозии с внутренней стороны. Защита несущих элементов не представляет технических трудностей, так как сечения доступны для окраски, а ремонтопригодность выше, чем например, у спаренных уголков. Что касается высокопрочных болтов, то это наиболее ответственные элементы несущих элементов. В слабоагрессивной среде допускается применение высокопрочных болтов из стали без какой-либо дополнительной защиты, но выступающие части болтов во всех случаях должны окрашиваться после монтажа. Что касается средней и сильной степени воздействия, то там болт должны иметь металлические покрытия и обязательную герметизацию соединений. Из л.м.к. конструкций наименее надежными являются структурные конструкции типа «Кисловодск». В стержневых элементах этих серий (они однотипные) применяются высокопрочные болты, которые при сборке соединяют несколько элементов с помощью коннекторов. Работоспособность конструкций обеспечивается при плотном касании узловых элементов (коннекторов) и гаек во всех узлах системы. Если эти условия нарушаются, то по резьбовым соединениям высокопрочных болтов начинаются коррозионные процессы, снижающие прочность стержневых элементов структурной конструкции. В настоящее время заводами выпускаются различные типы зданий комплексной поставки, общим для которых является ограничение их использования в производствах с повышенной влажностью и агрессивными средами. Если для ограждающих конструкций это вполне оправдано, то применительно к несущим элементам, эксплуатирующимся внутри помещений, вопрос не может быть решен так однозначно. В несущих элементах л.м.к. используются одиночные уголки, широкополочные двутавры, трубы, которые доступны для нанесения лакокрасочных покрытий. Имеются серии, в которых предусматривается обязательное горячее цинкование и лакокрасочные покрытия. Поэтому при качественной вторичной защите их нельзя считать менее надежными, чем традиционные металлоконструкции. Слабым элементом многих конструкций комплексной поставки являются высокопрочные болты. Перед их применением требуется обязательная предварительная проверка соединений и типов болтов с учетом условий эксплуатации и последующая защита выступающих частей. Ограждающие конструкции всех серий находятся в более тяжелых условиях, что в первую очередь возможно вызвано образованием конденсата. Кроме того для этих элементов используется тонколистовая оцинкованная сталь. 65 Покрытия зданий часто выполняют не из панелей, а из стальных оцинкованных листов, по которым укладывают утеплитель и гидроизоляцию. Несущий профилированный настил используется как в покрытиях, так и в стенах. Именно этот элемент – наиболее уязвимый в условиях влажности и агрессивных сред. Во многом это объясняется не только незначительной толщиной, но и отсутствием на заводах-изготовителях материалов для надежной вторичной защиты. Толщина цинкового покрытия для элементов, используемых в ограждениях чаще всего составляет 10…40 мкм (1-й класс –18…40 мкм, 2-й класс –10…18 мкм). Листы защищают горячим цинкованием, используя цинк марок ЦО и Ц1 и различные добавки. При этом необходимо иметь в виду, что толщина оцинковки, ввиду технологических особенностей не равномерна. «Разнотолщинность» допускается соответственно для первого и второго класса 10 и 4 мкм. Поэтому при расчете скорости коррозии необходимо учитывать возможное уменьшение толщины цинка почти на 25–30%. Из листовой и рулонной оцинкованной стали изготавливают стальные листовые гнутые профили, которые по назначению подразделяют на три группы: Н – для настила покрытий; НС –для настила и стеновых ограждений; С – для стеновых панелей. Профили для настила отличаются от стеновых несущей способностью. Оцинкованные профили могут иметь дополнительно защитное лакокрасочное покрытие (табл. 5.15), которое в зависимости от типа покрытий может быть для неагрессивной среды (группа А) и слабоагрессивной среды (группа В). Покрытия на каждой стороне могут быть разные, поэтому в зависимости от профиля типа покрытий вводятся следующие схемы обозначения, например: Н57 – 750 – 09 П А/В ГОСТ 21045-86 тип Размеры профиля Материал Тип защитного покрытия профиля высота, ширина, исходной листа (Н, толщина, мм заготовки (П – НС, С) повышенная прочность) Тот же настил, но без защитного покрытия будет иметь обозначения Н57750-09П ГОСТ 24045-2016. Вопрос об окраске оцинкованных листов довольно сложный, так как часть заводов защищает листы материалами зарубежных фирм, в том числе пластизолями. Некоторые заводы ввиду отсутствия материала вообще не выполняют защиту оцинковки. Особенность заводских защитных покрытий л.м.к. в том, что большинство из них требуют горячей сушки и потому не могут использоваться в построечных условиях; толщина покрытий в зависимости от их типа колеблется в пределах 25–80 мк. Адгезия пленки должна бы быть такой, чтобы выдержать изгиб на 180° С без разрывов до металла. 66 Коррозионные процессы применительно к трехслойным панелям могут быть как со стороны атмосферы (наружная поверхность), так и со стороны цеха (внутренняя поверхность). Кроме того коррозия может быть и внутри самой панели (на контакте с утеплителем). Эти процессы могут протекать с различной интенсивностью и независимо друг от друга. Поэтому отсутствие агрессивной среды в наружной атмосфере или внутри цеха еще не является гарантией долговечности ограждений в л.м.к. В промышленной атмосфере скорость коррозии цинка в десятки раз ниже, чем у углеродистой стали и составляет 2…10 мкм для умеренного климата. Поэтому если ориентироваться на минимальную толщину цинкового покрытия его может быть достаточно всего несколько лет, после чего начнется интенсивная коррозия уже углеродистой стали. Со стороны производственных помещений с агрессивными средами скорость разрушения цинка может быть еще более значительной. Еще одним источником коррозии оцинкованного настила является утеплитель. Наиболее характерны такие явления в покрытиях. Для утеплителя при полистовой сборке строители нередко используют любой материал соответствующий объемной массы. Если оцинкованные листы не окрашены или по ним не уложены рулонные материалы, а утеплитель содержит водорастворимые составляющие агрессивные к цинку, неизбежно начнется коррозия. Источником увлажнения могут быть конденсат (холодный период года), влага из помещения, атмосферные осадки (при дефектах кровли). Коррозию ускоряет даже такой утеплитель как перлит, не вступающий в реакцию с водой. Широко распространенные утеплители типа ФРП, СФ1, СФ-2 (содержание связующего 4-12%) на фенолформальдегидной связке, способны вызвать интенсивную коррозию. Поэтому не должно быть контакта оцинкованной стали с фенольными утеплителями и обязательным условием является предварительная окраска настила или устройство оклеечной пароизоляции между настилом и утеплителем. Исключить увлажнение утеплителя за период эксплуатации весьма сложно, так как любое нарушение гидроизоляции кровли может быть причиной накопления фазовой влаги в утеплителе. Например, устройство незаполненных гофр (рисунок 1 Приложения 20) способствует развитию коррозии, если в них накапливается влага, попадающая при образовании конденсата или через кровлю. Трудоемкость выполнения стен послойной сборки и их многослойность являются существенным недостатком. Поэтому наибольшее распространение имеют трехслойные стеновые панели типа «СЭНДВИЧ». Панели представляют собой конструкцию, выполненную из двух металлических листов с эффективным утеплителем, например пенополиуретаном. Общая толщина панелей – 35…100 мм. Они поставляются длиной до 7,2 м. Заводом может быть произведена резка панелей на длины кратные 1,2 м. 67 Обшивка выполняется из холодногнутых стальных оцинкованных, (окрашенных в заводских условиях) или алюминиевых профилей. Толщина стальной облицовки (ГОСТ 14918–80) составляет 0,6…0,8 мм, алюминиевой (сплав АМГ2) – 0,8…1,0 мм. Защита панелей (таблица 5.1) осуществляется в заводских условиях и с использованием горячей сушки. Если в процессе эксплуатации необходимо его возобновить, то в построечных условиях аналогичного качества добиться весьма сложно. Это необходимо учитывать при проектировании и ремонтах зданий из легких металлических конструкций. Таблица 5.1 – Защитные покрытия для оцинкованных панелей типа «СЭНДВИЧ» Степень агрессивного воздействия Неагрессивная Листы из оцинкованной стали Без защиты Органозоль, пластозоль Слабоагрессивная Эмали: акрилсиликоновые или полиэфирные а) Эмаль АС-1171 или АС 5122 по грунтовке ЭП-0200. Среднеагрессивная б) Пластизоль ПЛ-ХВ-122 по грунтовке АК-0138 при толщине слоя до 200–500 мкм Алюминиевые листы Без защиты Анодно-окисное покрытие толщиной 8 мкм Анодно-окисное покрытие толщиной 15– 20 мкм Для конструкции полистовой сборки применяются профилированные листы (как и для покрытий). Утеплителем могут быть минераловатные плиты, полистирол и др., укладываемые между двух слоев профилированного настила. Для защиты утеплителя от увлажнения между ним и металлическим листом прокладывается полиэтиленовая пленка. В зданиях с металлическими панелями и профилированным настилом используется большое количество крепежных деталей. Их необходимо защищать от контактной коррозии оцинковкой или кадмированием толщиной не менее 16…20 мкм. Для уплотнения стыков необходимо применять прокладки из эластичного морозостойкого пенополиуретана. Возможно также в горизонтальных и вертикальных швах применение гернитовых резиновых пористых прокладок, а для стыков клей-герметик типа Эластосил. Одним из важнейших требований к стеновым ограждениям является выполнение теплотехнических расчетов, выбор толщины утеплителя и обеспечение условий, исключающих выпадение конденсата. Наличие многочисленных включений, имеющих теплопроводность, превышающих например пенополиуретан более чем в 1000 раз, способствует образованию «мостиков холода», вокруг которых будет пониженная температура. Поэтому на поверхности ограждений даже при нормальном температурно-влажностном режиме при наличии зон с меньшим термическим 68 сопротивлением будет образовываться фазовая влага, количество которой резко возрастает с повышением влажности (φвн). Таким образом, сопротивление теплопередаче стен по ровной поверхности (по глади) не исключает возможности конденсата влаги на теплопроводных включениях. В таких местах будет интенсивная конденсация даже при незначительном содержании газов или пыли (рисунок 5.13). Рисунок 5.13 – Распределение температуры в зоне теплопроводных включений: 1 – обрешетка; 2 – текстолитовые шайбы; 3 – болт; 4 – самонарезающий винт; 5 – ригель; 6 – пенопласт; 7 – вкладыш ИЗ минеральной ваты. Особенно опасны для панелей сквозные болты, вокруг которых образуются очаги пониженной температуры. Снижение температуры и образование конденсата имеет место и в зоне окон, где термическое сопротивление ниже, чем у стен. Поэтому в местах, где будет интенсивное образование конденсата необходимо предусматривать мероприятия по его отводу. Снижение теплотехнических показателей ограждений нередко имеет место уже после начала эксплуатации по множеству причин. Для конструкций, имеющих небольшие сечения и соответственно запасы прочности, повышение степени агрессивного воздействия, которое происходит в результате ухудшения этих показателей, может быть причиной «отказа» элементов зданий за короткий период работы. При рассмотрении защиты л.м.к. надо иметь в виду, как дефицит защитных покрытий, так и нерешенность многих вопросов коррозионной стойкости. Поэтому при проектировании внимание должно быть обращено наряду с архитектурными и инженерными решениями на тщательный анализ теплотехнических свойств и условий эксплуатации, имея в виду, что порой экономически выгоднее несколько увеличить термическое сопротивление или выполнить более эффективную вентиляцию и вторичную защиту, чем иметь дополнительные затраты на ремонт л.м.к. в процессе эксплуатации. 69 VI ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ И ЭКОЛОГИЯ Многочисленные проблемы коррозии и защиты материалов, а также конструкций нельзя рассматривать лишь применительно к их химическому взаимодействию со средой или снижением долговечности зданий и сооружений. Большинство жидких, твердых и газообразных продуктов, являющихся агрессивными к строительным материалам, представляют опасность и для окружающей среды. Последствия этой опасности в должной мере не учитываются до настоящего времени. Нарушение природного равновесия вследствие техногенного изменения состава атмосферы, воды и почвы привело к вымиранию лесов и целых биологических видов, изменениям климата, разрушению озонового слоя, кислотным дождям, эрозии почв. В пищевых продуктах содержатся пестициды и другие вещества, вредные для человека. Поэтому определенный процент населения в промышленных районах страдает иммунодефицитом, аллергией. Уже сейчас вода из 75% рек, озер и некоторых других водоемов не соответствует стандартам на питьевую воду. Это и не удивительно, если учесть, что 90% промышленных стоков не отвечают современным требованиям санитарных норм, а степень очистки газов в дымовых и вентиляционных трубах промышленных городов составляет лишь 10–20%. Достоянием общественности только теперь становятся многие факты загрязнения окружающей среды и последствия этих загрязнений для среды обитания. Здания, сооружения, оборудования и коммуникации, с агрессивными и токсичными средами являются далеко не последними по своему «вкладу» в загрязнения (рисунок 6.1). Проблемы коррозии и экологии неразрывно связаны между собой. С одной стороны загрязнения атмосферы (и подземных вод) являются источниками повышенной коррозионной опасности для материалов, из которых выполнены здания и сооружения. Скорость коррозии в атмосфере промышленных городов и предприятий в сотни раз выше, чем в сельской местности. Последствия от загрязнений приводят к увеличению потерь металла, повреждениям фасадов зданий, разрушениям архитектурных памятников. Они как бы на виду и их можно даже подсчитать при учете экономических последствий от загрязнения атмосферы. Осадки и твердые частицы попадают в грунты и в зависимости от свойств последних изменяют их физико-химический состав. Учесть коррозионное влияние на подземные конструкции от осадков уже сложнее и систематизированных данных по этому вопросу пока немного. 70 Рисунок 6.1 – Некоторые источники техногенного загрязнения окружающей среды на промышленных площадках: 1 – склады сыпучих материалов; 2 – резервуары и емкости; 3 – вытяжные вентиляционные системы зданий; 4 – открытые площадки под емкости с жидкими средами; 5 – этажерки и отдельно стоящее открытое оборудование; 6 – градирни; 7 – вытяжные дымовые и вентиляционные трубы; 8 – подземные коммуникационные системы (лотки, трубы, тоннели). С другой стороны проблема связана с последствиями утечек из многочисленных сооружений, трубопроводов, а также полов промышленных зданий, в грунты и подземные воды. Считается, что потери нефти и нефтепродуктов (в значительной степени вызванные коррозией) составляют не менее 7% от всей добычи. Что касается потерь из сооружений с кислотами, солями, сточными агрессивными водами, то такие данные отсутствуют. Экономический ущерб от потерь будет заключаться не только в «недостаче» каких-то продуктов, но главным образом в затратах на ликвидацию последствий загрязнений окружающей среды. Ввиду значительного износа основных фондов, достигающего по отдельным отраслям 75–80%, и соответственно повышения вероятности повреждений (в первую очередь в агрессивных средах) эти проблемы будут год от года все более актуальными. Атмосферные загрязнения В соответствии с системой принятой для многих промышленных стран загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, строительным материалам, природным ресурсам – всей окружающей среде. 71 Из многочисленных веществ, загрязняющих атмосферу, мы остановимся лишь на тех, которые ускоряют развитие коррозионных процессов и описаны в разделе I. Применительно к промышленным предприятиям источники загрязнения могут быть классифицированы по различным параметрам, например по назначению: а) технологические газы, выбрасываемые в атмосферу после улавливания б) вентиляционные выбросы. По месту расположения: а) высотные, а также трубы, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высотой здания (Нзд); б) низкие, расположенные в зоне с высотой менее 2,5 Нзд; в) наземные. По геометрической форме: а) точечные; б) линейные. По режиму работы: непрерывного, периодического, залпового действия. По дальности распространения: а) внутриплощадочные; б) внешнеплощадочные. Выделяющиеся газы, аэрозоли и твердые частицы рассеиваются в атмосфере и распространяются по площадке в зависимости от скорости ветра, направления воздушного потока, высоты выбросов и наличия расположенных рядом соседних зданий и сооружений (рисунок 6.2). Рисунок 6.2 – Зоны потоков воздуха с агрессивными газами и твердыми продуктами, образующиеся вблизи зданий и сооружений различной высоты: А – одноэтажное здание; Б – трехэтажное здание; В – высотное сооружение; Г – граница повышенной коррозионной активности воздуха. 72 Для зданий решающее влияние на распространение оказывает ветер. При его воздействии на наветренной стороне создается избыточное давление, а на заветренной – разряжение. Перед зданием скорость воздушного потока уменьшается и кинетическая, энергия преобразуется в энергию давления. Скорость ветра над покрытием и с торцов больше, чем перед зданием. С заветренной стороны образуется зона аэродинамической тени, где в наибольшей степени происходит накопление агрессивных газов и пыли, так как эта зона имеет меньший обмен воздуха с окружающей средой и плохо рассеивается в потоках ветра. [3,11] Считается, что максимальная концентрация вредных веществ в приземном воздухе наблюдается на расстоянии равном 3–5 высоты здания (Нзд). Если по ветровому потоку последовательно расположены несколько зданий, выделяющих агрессивные газы и твердые продукты, то между ними образуется межкорпусная циркуляционная зона, в которой будут содержаться выбросы от большинства из этих зданий. Картина, приведенная на рисунке 6.2, характерна для прямоугольных зданий при длине L ≥ 10Нзд и ширине В < 2,5Нзд. Существуют специальные методики расчета границ зоны аэродинамической тени для зданий различных геометрических форм и размеров. По мере удаления от источника выделений концентрация агрессивных газов будет уменьшаться за счет перемешивания с потоками воздуха. Считается, что максимальная концентрация на расстоянии от источника прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Поэтому чем больше количество вредных веществ, тем выше приходится поднимать трубы. Правда, абсолютное количество вредностей, попадающее в атмосферу, остается таким же. Недаром существует афоризм, что «чем выше трубы, тем ниже культура производства». Для строительных конструкций значительное коррозионное воздействие оказывают не только высотные, но и наземные источники выбросов, то есть те газовыделения, которые имеют место внутри зданий или на открытых этажерках и площадках. Для таких источников важно обеспечить скорость выхода воздуха порядка 5–6 м/с, так как при таких скоростях капли дождя и снега не попадают в трубы и вытяжные отверстия. По этой же причине устройство зонтов над дефлекторами (когда скорость воздуха на выходе уменьшается) способствует повышению агрессивных продуктов в приземном слое атмосферы. Выделяющиеся в атмосферу газы и пыль (раздел I) начинают взаимодействовать с кислородом и влагой воздуха. Образуются многочисленные химические соединения, из которых наибольшую коррозионную опасность представляют диоксид серы, сульфаты, оксиды азота, хлориды, хлор, хлористый водород, сероводород, диоксид углерода, озон. Время их пребывания в атмосфере является важным показателем оценки 73 коррозионной опасности (таблица 6.1). Оно может быть сокращено за счет вымывания осадками (дождь, снег). Таблица 6.1 – Время пребывания веществ в атмосфере Элемент или соединение Азот Диоксид углерода Озон Диоксид азота Вода Сульфат ион Формула N2 CO2 O2 NO2 H2O SO42 Среднее время пребывания в атмосфере 106 – 2∙107 лет 5 – 10 лет 0,3 – 2 года 8 – 11 лет 10 суток 10 суток Оксид азота NO 9 суток Диоксид серы* SO2 2 – 4 суток Сероводород H2S 0,5 – 4 суток Примечание: *количество диоксида серы в атмосфере в течение суток сокращается наполовину. Атмосферу, в которую попадают вредные газы, аэрозоли и пыль иногда рассматривают как огромную окислительную систему с высоким содержанием кислорода. Соединения, образующиеся в атмосфере, превращаются в долгоживущие, например СО2 или же способны участвовать в химических превращениях с образованием кислот (оксиды азота и серы), удаляемых из атмосферы с осадками. В этих превращениях наряду с кислородом участвует озон, гидроксильный радикал ОН-, нитрат-ион NO3 ,а также другие соединения и аэрозоли. Оксиды азота и диоксид серы под влиянием гид роксильных радикалов, озона при взаимодействии с влагой воздуха превращаются в растворы азотной и серной кислоты. Установлено, что 25–30% SО2 и 15– 25% NО2 переносятся ветрами от промышленных зон на расстояние более 200 км и выпадают вместе с осадками в виде так называемых кислотных дождей. Для формирования кислотного дождя большую роль играют аэрозольные частицы, которые соединяются с жидкой фазой, образуя дождевые капли, которые поглощают диоксиды серы и азота. В свою очередь аэрозольные частицы представляют сажу, копоть, продукты неполного сгорания топлива. Составы кислотных дождей могут значительно отличаться в зависимости от концентрации ионов сульфата, нитрита, хлоридов водородного показателя рН (таблица 6.2). 74 Таблица 6.2 – Химический состав атмосферных осадков в некоторых промышленных районах, мг/л [17] Считается, что кислотные дожди на 2/3 вызываются диоксидом серы и на 1/3 оксидами азота. Так как при нормальных условиях дождевая вода может иметь рН = 5,6, то кислотными приняты осадки с рН меньше 5.6 Зафиксированы кислотные дожди с РН=4, 3.5 и даже 1.5. Их опасность усугубляется тем, что выпадать они могут на значительном удалении от источника загрязнений, разрушая жилые здания, исторические памятники, сельскохозяйственные строения, снижая урожайность, вызывая болезни лесов, изменяя геохимический состав водоемов [17]. Что касается твердых сред, то их мощными техногенными источниками являются металлургические и горно-обогатительные предприятия, 2 производства удобрений. В сутки на 1 м поверхности таких предприятий может выпадать до 4 грамм пыли. Радиус пылевыделения от предприятий достигает 2–3 км, а содержание сернистых соединений в пыли 0,2–0,4%. Распространение пылевидных частиц также как и газовых зависит от направления ветра. Поэтому здания, сооружения, открытое оборудование, попадающее в розу ветров с наветренной стороны от источников выделений, будут подвергаться агрессивным воздействиям (рисунок 6.4). Загрязнения на промышленных предприятиях превращают верхний слой грунтов по существу в смесь почв с аэрозолями, толщина которого достигает десятков сантиметров даже на значительном удалении. При проектировании защиты от коррозии отдельные данные по агрессивным составляющим атмосферы можно использовать из специального раздела проектной документации – «Охрана окружающей среды» если такой раздел разработан для промышленной площадки. Особую опасность для окружающей природы и подземных строительных конструкций представляют твердые бытовые и производственные отходы. Их влияние на окружающую среду зависит от содержания водорастворимых составляющих и химического состава. 75 Рисунок 6.4 – Условная схема распространения влаги и агрессивных выбросов на промышленной площадке: 1 – градирня; вытяжные трубы небольшой высоты; 3 – «Роза ветров». Отходы, накапливающиеся на промышленных объектах, вызывают сложные проблемы с их утилизацией и использованием. Типичным примером являются склады золы и шлака, удобрений, шахтные выработки, шламонакопители, продукты образующихся от гальванических и травильных производств. Например, в отвалах ТЭС могут находиться такие токсичные продукты, как мышьяк, кадмий, хром, свинец, молибден. Шламы, полученные с гальванических цехов, содержат цианиды, мышьяк, трех- и шестивалентный хром. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь через толщу твердых продуктов, растворяют и переносят агрессивные и токсичные вещества в нижележащие горизонты; затем они перемещаются, как и жидкие среды. Изменения химического состава подземных вод, расположенных под отвалами твердых отходов, могут прослеживаться до 1–1,5 км. Известны случаи аварий подземных коммуникаций, вызванные коррозией подземных трубопроводов, проложенных под открытыми отвалами минеральных удобрений. К опасным источникам загрязнений относятся свалки бытовых отходов, а проблема свалок остро стоит в большинстве городов нашей страны. Складирование съедает полезную площадь, являясь очагом загрязнения окружающей среды. 76 Поэтому внимание многих исследователей привлечено к разработкам более эффективных способов утилизации отходов, включая извлечение из них ценных материалов (металла, дерева, полимеров), сжигание, получение горючих газов за счет процессов гниения и др. Для уменьшения влияния твердых отходов важно исключить их увлажнения атмосферными осадками. Поэтому сооружения, где происходят погрузо-разгрузочные работы и твердые продукты попадают на землю, следует выполнять с навесами и покрытиями, обеспечивающими защиту от атмосферных осадков. 77