Предмет и методы исследованияРассмотрим 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.
Рис. 2. Схема моста на свайном основании.Красным выделены наиболее уязвимые участки опор к биокоррозии и карбонизации
Fig. 2. Scheme of a bridge on a pile foundation.The most vulnerable to biocorrosion and carbonization support areas are highlighted in red
https://cdn.elpub.ru/assets/journals/vestnikcstroy/2022/1/xGzKOEvJr7NWqYYCmZpjUR4y2wNB5lVQkMajB1KI.png
Оценка режима движения жидкости возможна с помощью числа Рейнольдса (Re):
(1)
где ρ – плотность жидкости, кг/м3;d – величина, характеризующая линейные размеры тела, обтекаемого жидкостью, м;v – средняя скорость движения жидкости, м/с;µ – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа•с;υ – коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с.
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.
Рис. 3. Схема обтекания двурядной системы опоры мостапотоком жидкости при малых числах Рейнольдса
Fig. 3. Scheme of the liquid flowing over a two-row bridgesupport at small Reynolds numbers
https://cdn.elpub.ru/assets/journals/vestnikcstroy/2022/1/hTltPQ1x7J9E3H1XWDCljLKmpDcp8XkUR2s392oq.png
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.
Таблица 1
Зависимость числа Рейнольдса от температурыи коэффициента кинематической вязкости воды
Table 1
Dependence of the Reynolds number on the temperatureand the coefficient of the water kinematic viscosity
| t, °С | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
| v, 10-6 м2/с | 1,79 | 1,52 | 1,31 | 1,15 | 1,01 |
| Re, 105 | 1,17 | 1,38 | 1,61 | 1,82 | 2,09 |
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).
Рис. 4. Биокоррозия и карбонизация на железобетонных опорахавтомобильно-дорожного моста в Ивановской области
Fig. 4. Biocorrosion and carbonation on reinforced concrete supportsof the road bridge in the Ivanovo region
https://cdn.elpub.ru/assets/journals/vestnikcstroy/2022/1/NgUgG61XwGIZrzIXPT1u2z16PxDSLpYTHNZI440z.png
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)
Здесь: С1(x, τ) – концентрация «свободного» Са(ОН)2 в перерасчете на СаО в бетоне для времени τ в точке с координатой x, (кг СаО/кг бетона);С2(x, τ) –концентрация «свободного» гидроксида кальция в перерасчете на СаО в биопленке в момент времени τ в произвольной точке с координатой x, (кг СаО/кг биомассы);k1,2 – коэффициенты массопроводности, м2/с;δ1– толщина бетонной конструкции, м;δ2 – толщина биопленки, м;С1,0 – начальная концентрация «свободного» СаО, кг СаО/кг бетона;С2,0 – начальная концентрация «свободного» СаО, кг СаО/кг биомассы;m – константа равновесия Генри, кг биомассы/кг бет.;ρбет, ρбиом, – плотности бетона и биомассы, кг/м3;Z1(, Fom) – безразмерная концентрация переносимого компонента по толщине бетона;Z2(, Fom) – безразмерная концентрация переносимого компонента по толщине биопленки;= x/ δ1 – безразмерная координата;Kk = k2/k1;Kδ = δ2/δ1;qH– плотность потока массы, уходящей от биопленки в поток жидкости;N = (ρбиом • k2)/(ρбет • k1• m) – коэффициент, учитывающий характеристики фаз;Fom = (k1 • τ)/ δ12 – критерий Фурье; – массообменный критерий Кирпичева.
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.
Рис. 5. Поля концентраций в бетонной мостовой опорепри критерии Фурье Fom равном: 1 – 0,16; 2 – 0,32; 3 – 0,4; 4 – 0,8; 5 – 1,2;что соответствует 2, 4, 5, 10 и 15 годам эксплуатации
Fig. 5. Concentration fields in the concrete bridge supportat the Fourier criterion Fom equal to: 1 – 0,16; 2 – 0,32; 3 – 0,4; 4 – 0,8; 5 – 1,2;corresponding to 2, 4, 5, 10 and 15 years of operation, respectively
https://cdn.elpub.ru/assets/journals/vestnikcstroy/2022/1/GMw6P1ePNpKLmoy0qKgQERzMAhoHF409tq8EnwtZ.png
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 На.р – процент ежегодных амортизационных отчислений на полное восстановление сооружения.
Срок службы для бетонных и железобетонных мостов составляет 100 лет, а общая норма амортизационных отчислений На.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 Kэ – удельные капитальные вложения в ремонтную базу или стоимость основных производственных фондов, используемых при производстве ремонтно-строительных работ;Скр – затраты на один капитальный ремонт;Стр – затраты на один среднегодовой текущий ремонт;Сзк – 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;Ткр – периодичность капитальных ремонтов конструкций;Тзк – периодичность проведения затрат по восстановлению и поддержанию качества и долговечности строительных конструкций.
Значение коэффициента 1/αt 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:
, (15)
где q – коэффициент, зависящий от модуля поверхности конструкции Мп, равного отношению площади внешней поверхности конструкций (м2) к ее объему (м3). Для массивных конструкций модуль поверхности Мп ≈ 5, а коэффициент q = 0,04.
Годовой экономический эффект от использования мероприятия рассчитывается по формуле [13][15]:
Эг = (З1–З2) • А2, (16)
где З1 – приведенные затраты, определяемые как З = (Зн–Зэ) для строительной конструкции с исходным уровнем качества и долговечности (аналог);Зн – приведенные затраты, осуществляемые до начала эксплуатации сооружений;Зэ – 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 μкр = 0,174; в 30 лет, μтр = 0,1. Тогда при t = 20 лет 1/αt = 0,513; при t = 30 лет 1/αt = 0,035; при t = 40 лет 1/αt = 0,022; при t = 60 лет 1/αt = 0,003; при t = 80 лет 1/αt = 0,001; при t = 90 лет 1/αt = 0,001; при t = 100 лет 1/αt = 0,001.
Приведенные затраты на 100 м2 бетонной поверхности равны:
З1 = Зн1 +Зз1 = 58164,19 + 41067,12 = 99231,31 руб.
З2 = Зн2 +Зз2= 58164,19 + 30121,05 = 88285,24 руб.
Годовой экономический эффект составит Эг = (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.