Пропитка свай битумными материалами с применением поверхностно-активных веществ
Широкое применение свайных фундаментов вместо монолитных или сборных дает значительный выигрыш во времени и экономию в материалах. Но в ряде районов применение таких фундаментов затруднено вследствие засоленности грунтов и грунтовых вод, значительно превышающей предусмотренную нормативами предельную концентрацию растворенных в них веществ.
При обследовании фундаментов опор магистральных трубопроводов на территории г. Гурьева в бетоне, не имевшем защиты, через 7—8 лет было обнаружено большое количество новообразований (продуктов коррозии) и повреждений. Химический анализ водной вытяжки показал, что в фундаментах, соприкасающихся с минерализованными грунтовыми водами, содержится свыше 14000 мг/кг сульфатов (в пересчете на ионы SO"). Это говорит о необходимости изоляции бетона от агрессивных вод.
Защита железобетонных забивных свай от коррозии может быть выполнена путем повышения плотности бетона, применения сульфатостойких цементов, окраской раствором битума в бензине, нанесением защитных покрытий из эпоксидных смол, пропиткой битумом или петролатумом. Однако сваи, выполненные из бетона повышенной плотности на сульфатостойком цементе или окрашенные растворами битума, могли быть применены только в грунтах с меньшей степенью засоленности вод [3]. Защитные покрытия из эпоксидных смол не используются из-за их дефицитности и высокой стоимости.
Пропитка бетона защитными материалами выгодно отличается от других способов защиты долговечностью и надежностью. Пропиточный материал, проникая в бетон на некоторую глубину, не теряет своей сплошности при транспортировке и забивке свай.
В настоящее время пропитку свай производят:
в открытых ваннах при атмосферном давлении, где проникание раствора или расплава пропиточного материала происходит, в основном, за счет капиллярного подсоса;
в открытых ваннах с одновременным применением внутреннего вакуума, для чего откачивают воздух, находящийся внутри изделия;
методом конденсационного вакуума, возникающего при снижении температуры изделия в результате охлаждения пропиточного материала или при использовании метода холодных и горячих ванн;
в автоклавах, из которых откачивают воздух для удаления его из пор бетона; затем /вводят пропиточный материал и создают избыточное давление.
Следует отметить, что первые три способа мало производительны, а четвертый требует сложного оборудования. Основным недостатком пропитки является медленное проникновение пропитывающего материала в бетон. Например, пропитка железобетонных свай и деталей опор трубопроводов в расплаве битума на глубину 20 мм при температуре 180—230°С продолжается от 20 до 26 ч в зависимости от плотности бетона. Кроме того, по существующей технологии ее невозможно выполнить без предварительной сушки и подогрева в течение 15—20 ч. Все это требует больших расходов тепла и значительных производственных площадей.
В результате поисков наиболее экономичного решения был разработан метод пропитки бетона с применением поверхностно-активных веществ. Его сущность заключается в следующем. Стенки пор бетона имеют гидрофильные свойства, т. е. хорошо смачиваются водой и водными растворами [5]. При пропитке бетона в капилляры с гидрофильными стенками пор проникает жидкость, имеющая гидрофобные свойства. Такими свойствами обладают битумы — смолообразные натуральные (нефтяные асфальты) и искусственные веществ?., получаемые при переработке нефти (6J. Битумы являются коллоидными системами, в которых роль дисперсной среды играют смолы и масла, а диспергированной частью являются асфальтеиы, поэтому их наиболее часто применяют в качестве защитных материалов.
Продвижение жидкости из большого резервуара по горизонтальному капилляру под влиянием одних только сил поверхностного натяжения выражается формулой
Таким образом, на процесс можно влиять, меняя, например, угол смачивания между пропиточным материалом и стенками пор обрабатываемого материала.
Увеличить глубину и скорость пропитки бетонных и железобетонных конструкций можно следующим образом.
вводить поверхностно-активные вещества при затворении бетонной смеси для того, чтобы стенки пор изделия при соприкосновении с пропитывающим материалом имели наименьший угол смачивания;
обрабатывать готовое изделие поверхностно-активными веществами на глубину, соответствующую глубине пропитки для улучшения смачивания бетона;
вводить соответствующие поверхностно-активные вещества непосредственно в пропиточный материал для изменения его поверхностного натяжения и лучшего смачивания изделия.
Контрольные кубы после пропитки в битуме БНД-90/130 в течение 3 ч при температуре + 130°С
Кроме интенсификации процессов пропитки, использование поверхностно- активных веществ может увеличить защитные свойства материалов, так как улучшается адгезия битума к бетону и устраняется расклинивающее действие воды, возникающее между пропиточным материалом и частицами бетона.
Для удаления жидкости с твердого тела приходится преодолевать силы сцепления двух поверхностей. При этом должна быть затрачена работа, необходимая для замены раздела твердое тело — жидкость разделом твердое тело — газ. Работа адгезии выражается уравнением:
Как видно из рассматриваемого уравнения, работ адгезии, а следовательно, и сила сцепления увеличиваются с уменьшением угла смачивания.
Для гидрофобизации стенок цементного камня могут быть использованы растворы некоторых кремнийорганических веществ.
Эксперименты проводились на куби- как размером 5X5X5 см из цементнопесчаного раствора и бетонных образцов размером 15X15X15 см. В качестве поверхностно-активных веществ применялись кремннйогранические жидкости: ГКЖ-94, растворенная в керосине, ГКЖ-Ю и ГКЖ-11 в виде водных растворов. Концентрация их составила (в %): 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 7.
Образцы пропитывали в битуме различных марок при температурах от +90 да +2С0°С. Максимальная глубина пропитки составила 14 мм за 4 ч. Она достигнута в битуме БНД-90/130 на образцах, обработанных 3%-ным керосиновым раствором ГКЖ-94. В тех же условиях глубина проникания битума в контрольные образцы составила менее 1 мм. Максимальное значение величины адгезии к бетону отмечено у битума БНД-90/130 при обработке образцов 3%-ным керосиновым раствором ГКЖ-94 и составило 7,8 кгс/см2. Контрольные образцы имели сцепление с битумом 4,5 кгс/см2. Испытания образцов на проницаемость защитного слоя в агрессивных средах показали значительные преимущества бетона, пропитанного с предварительной гидрофобизацией, по сравнению с обычной пропиткой.
Предложенный способ пропитки отработан в производственных условиях и внедрен при . строительстве объектов нефтехимии и энергетики.
Пропитку свай осуществляли следующим образом. Их поочередно на 1—2 ч опускали в 3%-ный раствор кремнийорганичеокой жидкости ГКЖ-94. Затем изделия на 4—8 ч помещали в пропиточную ванну с битумом БНД-90/130 при температуре +130°С. Глубину пропитки контролировали по бетонным кубам, помещенным в ванну со сваями; она составляла за 4 ч 8 мм, а за 8 ч —10— 15 мм. Сваи остывали на открытом воздухе, благодаря охлаждению происходило дальнейшее проникание битума в глубь бетона на 2—5 мм. В процессе пропитки отмечалось увеличение прочности бетона на 20—30 %.
Метод пропитки железобетонных элементов и свай с предварительной гидрофобизацией был применен при строительстве градирня на Ново-Кемеровской ТЭЦ и Гурьевского нефтеперерабатывающего завода им. В. И. Ленина. Была доказана возможность и целесообразность использования данного способа противокоррозионной защиты и получен значительный экономический эффект. Железобетонные элементы градирен подвергаются действию мягких вод и знакопеременных температур, что приводит к сравнительно быстрым их разрушениям и вызывает необходимость проведения частых текущих и капитальных ремонтов сооружения. Капитальные ремонты градирен проводятся, как правило, через 10 лет. При пропитке бетона битумом по опыту Челябэнерго срок службы конструкций увеличивается до 20 лет и более.
Применение поверхностно-активных веществ позволило по сравнению с существующими способами в несколько раз сократить процесс пропитки бетона за счет снижения трудозатрат, уменьшения расхода энергии, сокращения времени работы механизмов; экономия составила 0,37 р. на 1 м2 поверхности. Более существенный экономический эффект получается за счет увеличения межремонтных периодов. Например, при увеличении межремонтного периода градирни в 2 раза экономический эффект составляет 23 611 р.
Выводы
Испытания в лабораторных и производственных условиях показали, что применение поверхностно-активных веществ значительно увеличивает глубину пропитки, повышает долговечность конструкций и, в конечном счете, увеличивает эффективность антикоррозионной защиты.