К вопросу о повышении биостойкости бетонных и железобетонных мостовых опор

Введение

В настоящее время предотвращение обрушений мостовых сооружений остается одним из ключевых направлений научных исследований в отрасли транспортного строительства. Мостовые опоры должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью [1][2]. Одной из причин обрушения мостовых сооружений является коррозионное разрушение строительных конструкций. Например, в 2009 г. произошло разрушение опоры низководного железобетонного автодорожного моста через ручей в селе Лоева Ивано-Франковской области. Мост представлял собой железобетонную балочную конструкцию длиной 6 м, шириной 12 м. Разрушение железобетонной опоры моста привело к последующему обрушению железобетонной плиты проезжей части. К счастью, человеческих жертв удалось избежать [1].

Деградация бетонных и железобетонных строительных конструкций является следствием коррозионных процессов, происходящих в цементном камне. Наиболее часто в зонах разрушения бетона действует одновременно несколько видов коррозии, например карбонизация + хлоридная + биологическая и другие сочетания. Итогом таких совместных процессов являются обширные зоны поражения конструкций (рис. 1а, б) транспортных сооружений.

И если исследования по влиянию карбонизации и хлоридной коррозии, а также по их выявлению на полевой и лабораторной стадии обследования строительных конструкций в литературе встречаются достаточно часто [6][7], то вот вопросы выявления и исследования биологической коррозии отражены недостаточно широко. До настоящего времени предотвращение биообрастания подводных бетонных и железобетонных сооружений проводилось в основном за счет обработки поверхностей биоцидами для уничтожения или предотвращения оседания потенциальных загрязняющих веществ. Однако экологическая безопасность ряда биоцидов против биообрастания вызывает серьезные опасения, возникает необходимость поиска альтернативных методов защиты [7].

Предмет и методы исследования

Рассмотрим частный случай коррозионного разрушения железобетонных мостовых опор в водной среде, усугубленный биообрастанием. Благоприятные условия для биообрастания складываются на задней торцевой части опоры в области низких давлений [3]. Около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений. Чаще всего биообрастание начинается с образования биопленки, состоящей из скопления органических и неорганических соединений и различных микроорганизмов, прикрепленных к поверхности мостовых опор. Толщина образующейся биопленки зависит от гидравлической нагрузки, концентрации органических веществ, от пористости материала, влияния факторов внешней среды [3][4]. Турбулентные потоки в пограничном слое приводят к нарушению целостности биопленки. Сброс биомассы и ее рост происходят непрерывно, поэтому на практике биопленка никогда не имеет строго определенной толщины по всей поверхности конструкции. Биопленка служит субстратом для поселения водорослей, моллюсков, некоторых форм грибов и т. д., характерных для речных вод [4][5]. Состав сообществ биообрастания сильно различается географически, сезонно и локально по глубине, также на него влияют многочисленные абиотические и биотические факторы. К абиотическим факторам относятся физико-химические характеристики воды, а именно: температура, pH, растворенный кислород и содержание органических веществ. Пресноводное обрастание обычно меньше морского и по числу видов, и по биомассе, а следовательно, и по толщине. Скорость обрастания в первую очередь зависит от скорости тока воды, которая определяет возможность оседания и удержания организмов на субстрате, снабжения их питательными веществами и кислородом и др.

Исследованию подвергался мост на свайном основании (рис. 2). Глубина реки в месте расположения моста менее 5 м. Скорость течения реки менее 2 км/ч. Свайная опора моста представлена плоской двурядной системой типовых железобетонных свай сплошного квадратного сечения 0,35 × 0,35 (м) с железобетонным ростверком по головам свай.

Оценка режима движения жидкости возможна с помощью числа Рейнольдса (Re):

(1)

На рис. 3 представлена схема обтекания двурядной системы опоры моста квадратного сечения потоком жидкости при малых числах Рейнольдса. В расчете расстояние между опорами принималось равным 1 м. При малых числах Рейнольдса при данном расположении опор образуется два потока скоростей для каждой опоры, которые ведут себя независимо друг от друга. Увеличение числа Рейнольдса изменит характер обтекания опор: будут возникать вихри, которые станут оказывать влияние друг на друга.

Из литературных источников [6][8] известно, что значения коэффициента кинематической вязкости (υ) существенно уменьшаются с повышением температуры t, °С. Рассмотрим диапазон наиболее характерных температур T = 0…20 °С. Расчетные значения числа Рейнольдса в зависимости от температуры (T) и коэффициента кинематической вязкости воды (υ) при средней скорости течения 2 км/ч представлены в табл. 1. Согласно табл. 1 в рассматриваемом случае движение жидкости – ламинарное.

При обтекании опоры потоком жидкости вблизи его поверхности образуется тонкий пограничный слой жидкости [9]. Биообрастание поверхности опоры приводит к возникновению шероховатости, которая влияет на сопротивление трения и способствует возникновению турбулентного движения в пограничном слое. Математическая теория пограничного слоя была дана Л. Прандтлем. Число Прандтля (Pr) взаимосвязано с числами Рейнольдса (Re) и Пекле (Pe):

Pe = Re • Pr. (2)

Скорость течения жидкости вблизи обтекаемой поверхности намного меньше скорости течения в основной части потока, а в месте контакта поверхности и жидкости равна нулю. В случае обтекания поверхности, подверженной биообрастанию, турбулентность в таких слоях возникает значительно раньше, чем при обтекании гладких поверхностей. Толщина пограничного слоя не может обладать четко выраженной границей в связи с природной неравномерностью биообрастания поверхности. При температуре жидкости T = 0…20 °С значения средней толщины турбулентного слоя составит 6,9…6,1 мм соответственно. До точки отрыва распределение скоростей в пограничном слое в непосредственной близости от поверхности аналогично распределению при взаимодействии турбулентного потока с плоской поверхностью. Далее оторвавшийся пограничный слой образует вихревое течение. В результате контакта бетона с жидкостью концентрация растворенного Са(ОН)₂ в порах бетона начинает уменьшаться, вызывая растворение свободных кристаллов Ca(OH)₂. Как следствие, происходит постепенное «выщелачивание» бетона в зонах контакта с водой и карбонизация бетона в участках над водой (рис. 4).

С точки зрения теории массопереноса диффузия «свободного» Са(OH)₂ к границе раздела фаз может быть описана дифференциальными уравнениями (3)–(10):

, (3)

(4)

Начальные условия характеризуются уравнениями:

, (5)

. (6)

Граничные условия:

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

Методом интегральных преобразований было получено решение уравнений (3)–(10) [10]:

(11)

(12)

С целью установления срока службы бетонных опор моста в речной воде по предложенной математической модели были выполнены расчеты полей концентраций «свободного» Ca(OH)₂ по толщине бетонной опоры через 2, 4, 5, 10 и 15 лет эксплуатации. Скорость роста биомассы во времени пропорциональна концентрации клеток. Согласно литературным источникам [10–12] среднее увеличение толщины биообрастания за год эксплуатации мостовых опор в речной воде составляет 25–30 мм. Исходя из этого были определены плотности биомассы, соответствующие заданным временным отрезкам. Результаты расчетов приведены на рис. 5. В итоге был сделан вывод, что концентрация «свободного» Ca(OH)₂ на поверхности бетонной опоры достигнет значения, соответствующего началу разложения высокоосновных составляющих бетона, через 2,1 года.

В настоящее время ГОСТ не регламентирует сроки проведения технической очистки подводных сооружений от биообрастания. Исследования и численные эксперименты по математической модели позволили сформулировать рекомендации по проведению плановых работ по очистке бетонных и железобетонных подводных конструкций от биообрастания.

Своевременное осуществление периодических осмотров частей мостов, находящихся ниже уровня воды, позволит снизить расходы на возможные ремонтные и восстановительные работы, а проведение плановой очистки подводных сооружений каждые 5 лет позволит снизить скорость их коррозионного разрушения.

Ниже приводится расчет экономической эффективности от проведения периодических работ по очистке подводных конструкций от биообрастания.

Согласно нормативным документам [13][14] нормативный срок службы сооружения определяется по формуле:

, (13)

где Н_а.р – процент ежегодных амортизационных отчислений на полное восстановление сооружения.

Срок службы для бетонных и железобетонных мостов составляет 100 лет, а общая норма амортизационных отчислений Н_а.р.= 1,3 % в т. ч. на капитальный ремонт 0,3 % [13][14].

Затраты и издержки, осуществляемые в процессе эксплуатации сооружений, рассчитываются по формуле [12][13]:

, (14)

где K_э – удельные капитальные вложения в ремонтную базу или стоимость основных производственных фондов, используемых при производстве ремонтно-строительных работ;
С_кр – затраты на один капитальный ремонт;
С_тр – затраты на один среднегодовой текущий ремонт;
С_зк – затраты, связанные с восстановлением и поддержанием качества и долговечности конструкций, а также с проведением технического обслуживания сооружений, не учтенного в составе капитальных и текущих ремонтов;
t – годы проведения капитальных ремонтов или затрат по восстановлению и поддержанию качества и долговечности строительных конструкций в процессе эксплуатации сооружений;
Т_кр – периодичность капитальных ремонтов конструкций;
Т_зк – периодичность проведения затрат по восстановлению и поддержанию качества и долговечности строительных конструкций.

Значение коэффициента 1/α_t при различных сроках осуществления затрат и нормативе приведения E = 0,1 является табличными величинами, где t – время в годах между моментом производства затрат и началом эксплуатации сооружений.

В то же время стоимость ежегодных текущих ремонтов определяется по формуле:

Годовой экономический эффект от использования мероприятия рассчитывается по формуле [13][15]:

Э_г = (З₁–З₂) • А₂, (16)

где З₁ – приведенные затраты, определяемые как З = (З_н–З_э) для строительной конструкции с исходным уровнем качества и долговечности (аналог);
З_н – приведенные затраты, осуществляемые до начала эксплуатации сооружений;
З_э – приведенные затраты, осуществляемые в процессе эксплуатации зданий или сооружений за срок службы Тс;
З₂ – то же, для конструкции повышенного качества и долговечности;
A₂ – годовой объем внедрения предлагаемого мероприятия по повышению качества и долговечности.

Согласно нормативным документам [13–16] восстановление первоначальных транспортно-эксплуатационных качеств сооружения необходимо проводить каждые 15–30 лет.

При периодичности капитальных ремонтов в 20 лет коэффициент μ_кр = 0,174; в 30 лет, μ_тр = 0,1. Тогда при t = 20 лет 1/α_t = 0,513; при t = 30 лет 1/α_t = 0,035; при t = 40 лет 1/α_t = 0,022; при t = 60 лет 1/α_t = 0,003; при t = 80 лет 1/α_t = 0,001; при t = 90 лет 1/α_t = 0,001; при t = 100 лет 1/α_t = 0,001.

З₁ = З_н1 +З_з1 = 58164,19 + 41067,12 = 99231,31 руб.

З₂ = З_н2 +З_з2= 58164,19 + 30121,05 = 88285,24 руб.

Годовой экономический эффект составит Э_г = (З₁–З₂) • А₂ = 99231,31 – 88285,24) • 0,08 ≈ 9 %

Ожидаемый экономический эффект в текущих ценах для Ивановской области от проведения своевременных плановых-предупредительных работ против биообрастания составил 9 % от стоимости сметных работ [10][17].

В результате исследования было установлено, что проведение очистительных от биообрастания работ с периодичностью каждые 5 лет в совокупности с иными мероприятиями плановых-предупредительных работ позволит увеличить срок межремонтных работ в 1,5 раза.