Задачи для ПГЗ09

Практическая работа №1

Разработка мероприятий для защиты конструкций при воздействии газовоздушных сред

Цели и задачи работы

Изучение правил оценки агрессивности сложной газовоздушной среды на разных уровнях: по отношению к материалам и строительным конструкциям, и на основании этого – порядка разработки мероприятий по антикоррозионной защите. Ознакомление с видами газовых агрессивных сред, воздействующих на строительные конструкции, а также способами антикоррозионной защиты и гидроизоляции этих конструкций.

Краткие сведения из теории

Кнаиболее характерным газовоздушным средам для большинства зданий

исооружений, применительно к которым можно давать оценку агрессивного

воздействия, относятся: углекислый СО2, сернистный (SО2) и серный ангидрид (SO3), сероводород (H2S), окислы азота (NO2, NO3), хлор (Сl2), хлористый водород (НС1). Наиболее опасными аварийными выделениями газов для строительных конструкций, способных быстро реагировать с влагой, считаются: Сl2, НСl, SO3 и др.

Источниками появления агрессивных газов являются различные технологические процессы с последующим выделением этих газов в атмосферу цеха из технологического оборудования или трубопроводов, а также испарение жидких сред.

Коррозионное воздействие агрессивных газов зависит от следующих показателей: концентрации газов, продолжительности их контакта с конструкциями, способности растворяться в воде и образовывать с ней различные соединения, которые также могут быть агреессивны.

Содержание газов в рабочей зоне нормируется значением ПДК – предельно допустимая концентрация, которая является часто основным количественным показателем, по которому ориентируются при оценке химического состава воздуха.

Наружные ограждения (стены, покрытия, остекления) эксплуатируются в наиболее сложных условиях – двойного воздействия: атмосферы и внутреннего микроклимата.

По влажностному режиму отапливаемые здания и сооружения подразделяются на четыре категории: сухой, нормальный, влажный и мокрый

(табл.3.1).

	Таблица 3.1 – Влажностные режимы помещений [15]
Режим		Влажность воздуха, % при температуре
	3

	до 12° С	12…24°С	свыше 24° С
Сухой	<60	<50	<40
Нормальный	>60 до 75	>50 до 60	>40 до 50
Влажный	>75	>60 до75	>50 до 60
Мокрый	–	>75	>60

Распределение по объему помещений цехов агрессивных газов зависит от многих факторов: направлений конвективных воздушных потоков, характера аэрации, этажности, степени герметизации ограждающих конструкций и т. д.

Причем, чаще всего содержание агрессивных газов отличается по высоте и ширине в различных точках цеха при одновременных замерах. Под покрытием помещений, где расположены наиболее нагруженные и большепролетные конструкции, рабочее содержание газов обычно выше, чем на уровне перекрытий, – иногда в 2 и более раза (рис.3.1). Величина колебаний содержания газов по объему помещений зависит от системы вентиляции в цехе, характера воздухообмена, наличия аэрационных фонарей, герметизации оборудования и помещений.

Рисунок 3.1 – Изменение концентраций газообразного хлора внутри цеха электролиза (мг/м3) при одновременных замерах в различных зонах [15]

При воздействии на бетон газовые среды условно подразделяются на три группы в зависимости от типа солей, образующихся при взаимодействии с бетоном [15].

Первая группа – газы, действие которых на бетон приводит к образованию слаборастворимых или практически нерастворимых солей кальция. Повышенная плотность в некоторых случаях объясняется тем, что при взаимодействии с бетоном в цементном камне объем твердой фазы может несколько увеличиваться. Образование малорастворимых солей исключает их диффузию в глубинные слои бетона, однако при этом снижается щелочность бетона, что представляет опасность для арматуры. К первой группе агрессивных газов относят углекислый газ СО2, фтористый водород HF, фтористый кремний SiF4, фтористый ангидрид.

4

Вторая группа – газы, образующие соли, значительно увеличивающиеся в объеме. К ним относятся сернистые и серные соединения: диоксид серы SО2, триоксид серы SО3, сероуглерод CS2, сероводород H2S и др.

К третьей группе газов относят газы образующие соли, хорошо растворимые в воде, обладающие хорошей гигроскопичностью. К ним относятся хлор Cl2, хлористый водород HCl, бром Br2, (пары), оксиды азота (NO2, NO3) и др. Наиболее опасны для железобетона (в части коррозии арматуры) галогеносодержащие газы, типа хлора и хлористого водорода.

Галогеносодержащие соединения

Галогеносодержащие газы (хлористый водород HCl, хлор Cl2, фтористый водород HBr) и их производные, считаются наиболее опасными для строительных конструкций, особенно для металлических конструкций и арматуры железобетонных конструкций. Хлор является одним из наиболее активных деполяризаторов. Он разрушает пассивирующую пленку на поверхности железа и при наличии влаги вызывает интенсивную коррозию строительных конструкций. Защита железобетона необходима в основном для обеспечения коррозионной стойкости арматуры.

При взаимодействии хлора с влагой воздуха образуется хлорноватистая кислота НСlО:

С12 + Н2О ↔ НСlО + Н + С1.

В свою очередь, хлорноватистая кислота в условиях солнечной радиации, примесей твердых частиц и различных газов разлагается на хлористый водород и кислород:

НСlО ↔ НС1 + О,

Кислород является сильным окислителем для металлических конструкций и арматуры, то есть стимулятором их коррозии.

Даже в щелочной среде возникает опасность коррозионных повреждений от воздействия хлоридов (особенно для предварительно-напряженных конструкций, где хлориды способны вызвать коррозионное растрескивание некоторых типов стали).

Бетон в газовых средах обладает достаточной химической стойкостью. Для железобетонных конструкций галогеносодержащие газы являются наиболее агрессивными, так как представляют значительную опасность для арматуры, особенно при повышенной влажности воздуха, что регламентируется нормами [8, 11].

Проникая в тело бетона НС1 и Сl2 активно взаимодействуют с гидроокисью кальция Ca(OH)2, образуя хлористый кальций СаCl2, гипохлорит кальция, различные формы оксихлоридов, а также гидрохлоралюминаты и гидрохлорферриты, часть из которых разлагается углекислым газом воздуха.

Ca(OH)2 + 2НС1 → СаCl2 + 2Н2О.

Продукты реакций активно поглощают влагу из воздуха. На поверхности бетона конструкции образуются хлоридсодержащие соединения, которые

5

диффундируют в глубину бетона. Их проникание зависит от концентрации хлоридов, влажности воздуха, плотности бетона.

Фтористый водород не опасен для стали и для бетона в сухой атмосфере, однако при повышенной влажности вызывает их коррозию.

Серосодержащие соединения

Одними из основных источников повышенного агрессивного воздействия атмосферы на строительные конструкции являются соединения, содержащие серу, включая сернистый ангидрид (диоксид серы) SO2 и серный ангидрид (сернистый газ) SO3. Концентрация сернистого газа колеблется в значительном интервале.

Выделяющийся в воздух SO2 способен под действием солнечной радиации, кислорода, влажности воздуха и различных загрязнений превращаться в SO3:

SO2 + 2О2 → 2SO3.

Далее SO3 при взаимодействии с влагой воздуха превращается в серную кислоту H2SO4:

SO3 + Н2О → Н2SO4.

Часть SО2 окисляется и также взаимодействует с влагой с образованием сернистой кислоты H2SO3, которая превращается в серную под действием кислорода:

2H2SO3 + O2 → 2H2SO4.

Ускоряют процессы окисления серосодержащих соединений наличие в воздухе ионов тяжелых металлов, оксидов азота и других соединений.

При взаимодействии SО2 с влагой на поверхности металла образуется кислота, которая растворяет оксидные пленки и активирует анодный процесс. Начальной фазой коррозии является адсорбция сернистого газа и реакции окисления, способствующие изменению РН.

Взаимодействие сернистого ангидрида SО2 с бетоном в. Сколько-нибудь этот газ может оказать лишь при концентрации намного выше ПДК и при высокой влажности воздуха.

Условия, в которых взаимодействие сернистого ангидрида SО2 с бетоном оказывают заметное влияние на бетон, создаются внутри сооружений (трубы, резервуары, газоходы, коллектора и т. д.). В атмосферных условиях такие реакции протекают довольно медленно. Поэтому в нормах [8, 11] сернистый газ SО2 по отношению к бетону классифицируется как среднеагрессивный лишь при высокой концентрации.

Для арматуры в железобетоне диоксид серы SO2 опасен при нарушении защитного слоя бетона, наличии трещин и дефектов. Проникая в тело бетона через трещины и дефекты, газ реагирует с цементным камнем бетона, в результате снижается уровень щелочной среды (рН) поровой жидкости бетона, что приводит к растворению защитных пленок поверхности арматуры, а значит и ее коррозии (депассивация арматуры).

6

Коррозионный эффект усиливается при воздействии нескольких газов, например SO2 и С12, НС1 и NO2.

Углекислый газ

Углекислый газ СО2 является одним из компонентов воздуха, содержание которого составляет около 0,03% (по объему).

При достаточной влажности в воздухе углекислый газ СО2 растворяется в воде с образованием углекислоты:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3. Углекислота Н2СО3, в свою очередь диссоциирует:

Н2СО3 ↔ НСО 3 + Н+ и далее НСО 3 ↔ СО 32 + Н2.

Поровая жидкость бетона имеет щелочной характер за счет содержания окисей кальция, в основном гидроокиси кальция Са(ОН)2. «Здоровый» бетон имеет рН, примерно равный 12–13.

При воздействии углекислого воздуха СО2 и достаточной влажности воздуха образуется карбонат кальция:

Са(ОН)2+СО2 → СаСО3 ↓ + Н2О.

За счет образующегося карбоната кальция процесс реакции углекислого газа с бетоном называют карбонизацией бетона.

Переход гидроокиси кальция Са(ОН)2 в углекислый кальций СаСО3, т. е. связывание извести, приводит к снижению рН поровой жидкости бетона до значения 10–9. При таких значениях рН щелочности поровой жидкости уже будет недостаточно для пассивации (защиты) арматуры и может начаться коррозия за счет растворения защитных пленок ее поверхности (депассивация арматуры).

В атмосферных условиях, где углекислый газ является одним из компонентов воздуха, процесс карбонизации не распространяется на значительную глубину и не представляет особой опасности для бетона. Более того, если были применены железобетонные конструкции с достаточным защитным слоем для защиты арматуры, бетон поверхностного слоя таких конструкций значительно уплотнялся при воздействии углекислого газа за счет уплотнения пор бетона образующимся карбонатом кальция СаСО3.

Если был применен бетон, не обладающий нужной плотностью, то коррозия бетона при воздействии углекислого газа может происходить более ускоренно.

При эксплуатации конструкций промышленных зданий и сооружений, где содержание углекислого газа в воздухе имеет концентрацию более 5%, происходит разрушение не только стальной арматуры или стальных конструкций, но и интенсивная коррозия бетона.

Во всех случаях воздействия агрессивных газов предпочтительно применять средства первичной защиты (см. лабораторную работу №1), таких

7

как обеспечение плотности и трещиностойкости, а также достаточной толщины
защитного слоя бетона в железобетонных конструкциях.
При воздействии хлористых газов также обязательно применение средств
вторичной защиты (см. лабораторную работу №1) – изоляцию конструкций
(лакокрасочными или мастичными покрытиями), исключающую их проникание
через защитный слой.
Исходные данные
В одноэтажном промышленном здании [15] с	кирпичными стенами
(глиняный кирпич на цементно-песчаном растворе), железобетонными
колоннами, металлическими фермами и сборными железобетонными плитами
покрытий (рис.1.2) газовая среда внутри помещений характеризуется
следующими параметрами: влажность, температура, состав агрессивных
веществ: углекислый газ, сероводород, хлористый водород (рис.1.2).
По [11] оценить степень агрессивного воздействия газовой среды при
различных влажностных режимах помещений (табл.1.2) на конструктивные
элементы здания и подобрать средства антикоррозионной защиты (первичную
защиту и вторичную защиту).
Результаты отобразить в виде таблицы 1.3, приведенной ниже.
Железобетон
	Кирпич глиняный
	на цементно-песчаном
	растворе
10.800
Сталь углеродистая
Железобетон
0.000
24000
A	Б
Рисунок 1.2 – Различные материалы, применяемые в несущих и ограждающих
конструкциях промышленного здания [15]

Таблица 1.1 –Техническое задание на проектирование

№			Цифры варианта
варианта	1-я	2-я		3-я	4-я	5-я

8

		Концентрация, мг/м3				Влажность	Температура
	СО2		Н2S		НСl	воздуха*, %	воздуха*, оС
1	100		0,001		0,005	80	10
2	400		0,01		0,05	70	15
3	800		0,05		0,1	60	20
4	1200		0,1		5	50	25
5	1600		5		7	40	30
6	2000		10		10	85	11
7	2100		50		20	75	16
8	2500		100		30	65	21
9	2700		120		40	55	24
0	3000		150		50	45	29

Таблица 1.2 – Влажностные режимы помещений [15]

		Режим		Влажность воздуха, % при температуре
			до 12° С			12…24°С		свыше 24° С
		Сухой	<60			<50			<40
		Нормальный	>60 до 75			>50 до 60		>40 до 50
		Влажный	>75			>60 до75		>50 до 60
		Мокрый	–			>75			>60
		Таблица 1.3 – Результаты оценки степени агрессивности конструкций
	№	Наименование конструкций и			Степень агрессивного воздействия
				не		слабо	средне		сильно
	п/п	материалов
				агрессивная		агрессивная	агрессивная		агрессивная
			кирпич
	1	Стены	цементно-
			песчаный
			раствор
	2	Колонны	железобетон
	3	Плиты	железобетон
		покрытия
		Фермы	сталь
	4		углеродистая
		покрытия
			ст-3

9

Методические указания к решению задания

Задание рекомендуется выполнить в следующей последовательности:

1)Изучить раздел дисциплины «Влияние газовоздушных сред на конструкции из различных материалов».

2)Выписать: цель работы, исходные данные по варианту.

3)По табл. Б.2 СП [11] каждому из агрессивных газов в зависимости от его вида и концентрации присвоить группу (А, В, С или Д).

4)По табл. 1.2 выбрать влажностный режим в помещениях здания (сухой, нормальный, влажный или мокрый).

5)По СП [11] оценить агрессивность газов по отношению ко всем материалам:

кирпичу – по табл.У.1;

цементно-песчаному раствору– по табл.Б.1 согласно п.7.4 СП [11];

железобетону– по табл.Б.1;

стали – по табл.Х.1;

6)Вычертить табл. 1.3 и заполнить ее на основании полученных результатов

(по п.5).

7)По СП [11] подобрать методы антикоррозионной защиты для всех конструкций:

кирпичной стены – п.7.7; табл.М.1 и табл. Ф.1.

железобетонных колонн – табл.Ж.3 для I группы арматурной стали (первичная защита); табл.М.1 и табл. П.1 и П.2 (вторичная защита).

железобетонных плит– табл.Ж.3 для II группы арматурной стали (первичная защита); табл.М.1 и табл. П.1 и П.2 (вторичная защита).

стальной фермы – табл. Ц.6 и Ц.7.

Действия, исключающие типичные ошибки при решении:

1.Если исходное значение концентрации газа совпадает с граничным значением концентрации по табл. прил.1 СП [11], то данное значение концентрации входит в верхний предел группы.

2.Кирпич по заданию – глиняный.

3.Если для группы «В» газа среда является неагрессивной, то для группы «А» – она тем более неагрессивна.

4.Агрессивность газов по отношению к цеметным растворам определять по табл.Б.1 согласно п.7.4 СП [11] – как для цементных бетонов. Раствор отличается от бетона тем, что в нем отсутствует крупный заполнитель, который при воздействии агрессивной среды считается инертным в отличие от цементного камня, активно вступающего в реакции с данной агрессивной средой.

10

5.При выборе степени агрессивности газов по отношению к стальной ферме принять «отапливаемое здание».

6.При выборе антикоррозионной защиты для всех конструкций желательно применить (если это возможно) одинаковые средства в целях экономической эффективности.

7.При выборе средств антикоррозионной защиты для кирпичной стены следует учесть, что она состоит из двух материалов: кирпича и цементнопесчаного раствора, по отношению к которым газовоздушная среда может быть по-разному агрессивна. Поэтому выбирать защиту стены нужно по результатам оценки воздействия среды не только на кирпич, но и на цементно-песчаный раствор.

8.При подборе лакокрасочного покрытия (ЛКП) в качестве вторичной защиты конструкций следует иметь в виду, что ЛКП является многослойной конструкцией, состоящей не только из финишного слоя (эмали или краски), но и других слоев (грунтовки, шпаклевки). Также следует подбирать ЛКП из составов, наиболее подходящих к заданным условиям. Покрытия должны иметь следующие индексы: «х» (химически стойкое», «х,к» (химически кислотостойкое), «п» (в помещении), для железобетонных конструкций – «х,тр» (химически стойкое трещиностойкое).

9.Состав лакокрасочного покрытия (если необходимо) для защиты стальной фермы подбирается по табл. Ц.6 и Ц.7 СП [11]. При выборе других видов защиты стальной фермы следует иметь в виду, что не все виды защиты для нее подходят, так как табл. Ц.6 СП [11] предлагает методы защиты для многих видов конструкций (от ферм до резервуаров и сооружений в грунтах.

Практическая работа №2

Оценка ожидаемого срока службы бетонных конструкций в условиях воздействия сульфатных вод

Цели и задачи работы

Найти ожидаемый срок службы бетонного элемента, подвергающегося воздействию жидкой среды, агрессивной по признаку сульфатной коррозии.

Исходные данные:

Бетонный элемент имеет прямоугольное сечение размерами bхhх ; d – параметр режима среды: d=1 при постоянном погружении в раствор и d=2,5 в зоне переменного горизонта при t≤40оС; Wb – водопоглощение бетона; nС3А – содержание в цементе трехкальциевого алюмината С3А; Сs – концентрация сульфат-ионов; γ=1 г-1; β=1 см·л/г; толщина разрушенного слоя ур; η=1,05 – коэффициент учитывающий влияние прогиба на значение эксцентриситета продольной силы е0.

По результатам обследований получены следующие результаты: Rср –

11

средняя фактическая кубиковая прочность бетона при коэффициенте вариации v=13,5%. Значения величин приведены в табл.4.1.

Таблица 4.1 – Техническое задание на проектирование

	№		Вид	bхh		ур,	Wb	nС3А	Сs	Rср	N,	М
	вари	d
			элемента	см	см	см	%	%	г/л	МПа	кН	кН·м
	анта
	1	1	Балка	25х25	–	0,5	3	0,15	50	20	–	0,7
			Центрально-
			сжатая
	2	1	стойка с	25х30	100	0,8	4	0,14	40	25	200	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	3	1	Балка	30х30	–	1	5	0,12	30	27	–	1,2
			Центрально-
			сжатая
	4	1	стойка с	30х40	200	1,2	6	0,10	20	29	600	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	5	2,5	Балка	30х40	–	1,5	7	0,09	5	18	–	2,0
			Центрально-
			сжатая
	6	2,5	стойка с	40х40	120	2	8	0,08	15	22	700	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	7	1	Балка	40х40	–	1,8	9	0,07	25	33	–	6,0
			Центрально-
			сжатая
	8	2,5	стойка с	40х50	150	2,5	10	0,06	35	28	1200	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	9	1	Балка	40х50	–	2	11	0,05	45	15	–	3,0
			Центрально-
			сжатая
	10	1	стойка с	50х50	100	3	12	0,04	65	19	1000	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	11	1	Балка	20х20	–	1	3	0,13	55	30	–	0,8
			Центрально-
			сжатая
	12	1	стойка с	20х20	90	0,5	5	0,11	42	50	500	–
			жесткой
			заделкой
			(μ=1)
	13	1	Балка	20х25	–	1,2	7	0,105	33	35	–	1,0

12