2.5. Электрокоррозионные разрушения фундаментов и фундаментных частей железобетонных опор

Электрокоррозия по своей физической сущности является некоторой разновидностью широко распространенного электрохимического процесса коррозии арматуры в бетоне. Но из-за большой скорости растворения металла и сильного растрескивания бетона она представляет собой серьезную опасность. Если при электрохимической коррозии на арматуре железобетонных конструкций действует множество микро- и макро- гальванических пар, то при наложении внешнего тока вся поверхность ее превращается в анод или катод (в зависимости от знака потенциала). В тех же случаях, когда непосредственно на арматуру потенциал не выносится, а конструкция находится в поле блуждающих токов, на ней выделяется две зоны: анодная и катодная. Наибольшие разрушения происходят в анодных зонах, там, где происходит стекание тока с арматуры в бетон.

На электрифицированных железных дорогах источником тока обусловливающего электрокоррозию фундаментов транспортных сооружений, являются рельсы, являющиеся обратным проводником тока. Доказано, что стекание тока с контактной сети через изоляторы ничтожно и не приводит к опасным электрокоррозионным разрушениям. В тех местах, где опоры не соединены с рельсами, электрокоррозия не наблюдается.

Большие электрокоррозионные разрушения фундаментов и фундаментных частей опор отмечаются в основном на дорогах, электрифицированных на постоянном токе [15, 47, 48]. Скорость электрокоррозии на переменном токе в десятки и сотни раз меньше. Переменный ток промышленной частоты при плотности его до 20 мА/см² коррозии не вызывает [24]. Попадание в бетон хлоридов может ускорять коррозию [25], но пока на участках переменного тока даже в сильно минерализованных средах опасных электрокоррозионных разрушений опор и фундаментов не наблюдалось.

Ток с рельсов на анодных участках рельсовой сети стекает через цепи заземления, арматуру опор и фундаментов в бетон и далее в грунт (рис. 2.14 и 2.15). На катодных участках путь тока обратный.

Рис. 2.14. Схема стенания тока с рельсов через фундаменты металлических опор при неисправной изоляции: 1 - опора; 2 - фундамент; 3 - заземляющий проводник; 4 - поврежденный искровой промежуток

С целью ограничения токов стекания устанавливают искровые промежутки, диоды, изолирующие детали. В наибольшей степени решают задачу изолирующие детали. Но к их массовой установке приступили довольно поздно. В первые годы электрификации подавляющая часть опор устанавливалась вообще без всякой изоляции. Поэтому было много случаев быстрого разрушения опор и фундаментов. Больше всего их было заменено на грузонапряженных участках таких дорог, как Куйбышевская, Южно-Уральская, Донецкая, Азербайджанская. Позже стали менять опоры и фундаменты из-за электрокоррозии арматуры на Львовской, Октябрьской, Прибалтийской и других дорогах.

Рис. 2.15. Схема стекания тока с рельсов через железобетонные опоры при неисправной изоляции: 1 - опора; 2 - заземляющий проводник; 3 - поврежденный искровой промежуток

С учетом того, что применяемые средства защиты от токов стекания с рельсов устанавливались далеко не на всех конструкциях при вводе участка в эксплуатацию, а также и того, что они часто пробиваются при грозовых перенапряжениях или выходят из строя по другим причинам, электрокоррозионным разрушениям подвержены многие из эксплуатируемых опор. Степень разрушения их различна, но она будет с течением времени увеличиваться. Ускоряют этот процесс другие виды воздействий внешней среды.

Стекает ток по глубине заложения опор и фундаментов неравномерно. При этом какой-либо ярко выраженной картины не наблюдается. Статистически установлено, что наиболее сильные разрушения опор и фундаментов происходят в двух зонах: в пределах первого метра от уровня грунта (вглубь) и в нижней части (близ подошвы фундамента). Но резко меняет эту картину наличие грунтовых вод. В этом случае зона максимальных разрушений смещается к уровню воды, где повышенная проводимость среды. В неоднородных по проводимости грунтах разрушения могут наблюдаться и в других частях конструкции как по глубине, так и по сечению. Например, в условиях поверхностного засоления грунта, что имеет место в долинах Азербайджана и других районах, прилегающих к Каспийскому морю, часты случаи разрушения конструкций на уровне грунта. С учетом этого назначать глубину откопки при обследовании эксплуатируемых опор и фундаментов нужно с учетом конкретных грунтовых условий.

В железобетонных опорах раздельного типа, установленных в стаканные фундаменты, наиболее опасные разрушения наблюдаются в зоне стакана, причем разрушается сама опора. Обусловлено это тем, что ток с ее арматуры стекает на относительно непротяженных участках (рис. 2.16). Плотность тока здесь значительно выше, чем в подземной части фундамента, поэтому и разрушение больше. Если стакан полностью заполнен водой, плотность тока стекания с арматуры будет, безусловно, меньше, чем в первом случае, но все равно она будет больше, как показывают элементарные расчеты, чем плотность тока стекания арматуры фундамента. Такое положение облегчает диагностику состояния эксплуатируемых стаканных фундаментов, так как о наличии электрокоррозионных повреждений в них можно судить по состоянию самих опор. Указывать на развитие электрокоррозии могут продольные трещины в опорах на уровне обреза фундамента (рис. 2.17). Защитный слой бетона в зоне трещин отслаивается. При ударах молотком он издает глухой звук. А если оголовки стаканных фундаментов были заделаны некачественно и разрушились или вовсе не были заделаны, в результате чего в стаканах стоит вода, то электрокоррозионные трещины и бурые пятна вдоль них - видны еще лучше.

Рис. 2.16. Схема стекания тока с арматуры опор в стаканные фундаменты: 1 - опора; 2 - фундамент; 3 - цементнопесчаный раствор

В целом подверженность железобетонных опор и фундаментов электрокоррозионным разрушениям определяется состоянием изоляции токоведущих частей от арматуры опор и анкерных болтов фундаментов. Электрическое сопротивление подземной части опор и фундаментов, как правило, не превышает 100 Ом. Причем существенно повысить его и длительно сохранять в стабильном состоянии, нанеся на подземную часть битумную изоляцию, не удается. Этот материал многокомпонентен, подвергается деструкции и растрескивается уже в первые 3-4 года. В местах его разрушения наблюдаются более сильные электрокоррозионные разрушения, чем на остальной части опоры.

Рис. 2.17. Электрокоррозионные трещины в опоре на уровне обреза фундамента

Электрическое сопротивление железобетонных опор в "верхнем поясе", т. е. в зоне крепления консолей и фиксаторов, - величина непостоянная, сильно зависящая от влажностного состояния бетона и качества изоляции. Оно может изменяться в 10-1000 раз и сохранять низкое значение в течение длительного времени, вызывая электрокоррозию опор. Накапливаются продукты коррозии металла и нарастает давление от них на бетон постепенно. Процесс этот имеет необратимый характер [21, 23, 50]. В такой ситуации оценка состояния опор по средним значениям сопротивлений и потенциалов рельсов, как это рекомендуется [19], дает искаженную картину. Часто бывает и так, что среднее расчетное значение токов стекания за определенный промежуток времени не превышает допустимого [19], хотя в периоды повышения потенциалов рельсов (при одном и том же электрическом сопротивлении) стекание токов идет. Принимая это во внимание, надежнее оценивать вероятность электрокоррозионного процесса не по средним, а по максимальным (или близким к ним) значениям потенциалов рельса и минимальным значениям электрических сопротивлений опор.

Начинается анодное растворение металла, когда плотность тока стекания превышает 0,6 мА/дм² [22]. Реакции, происходящие на аноде, связаны с выделением кислорода в результате разряда ионов OH^- в приэлектродной зоне и растворением металла [50]. При небольших значениях анодной поляризации (вплоть до ±60 мВ) происходит пассивация и окисление железа. Увеличение потенциала положительнее 600-800 мВ приводит к протеканию реакций выделения кислорода:

4OH^-=O₂+2H₂O+4e.

Резкое увеличение расхода ионов ОН^- приводит при дальнейшем увеличении потенциала к созданию условий для интенсивного растворения железа. При потенциале более 900 мВ наряду с продолжающимся разрядом ионов гидроксила все более интенсивно идет растворение железа.

Нарушение пассивного состояния стали в бетоне при потенциалах выше 200 мВ связано [33] с понижением pH поровой жидкости у поверхности металла. Восстановление значения pH вследствие диффузии гидроксил-ионов из прилегающих слоев цементного камня идет медленно. При потенциалах выше 900 мВ значение pH поровой жидкости в прианодном слое не восстанавливается.

Способствуют депассивации стали в бетоне содержащиеся даже в небольшом количестве хлорид-ионы.

Выделяющийся на аноде кислород и продукты гидратации железа замедляют ход реакций, препятствуя доступу реакционно-способных компонентов к поверхности металла. Сильно влияет на повышение электрического сопротивления при "бросках" тока выделение именно газовой фазы. Это особенно ощутимо в тех случаях, когда бетон имеет повышенную плотность и диффузия газа ограничена. Было высказано предположение, что развивающееся в прианодном слое давление газа приводит к возникновению больших механических напряжений в бетоне и разрушению его. Но практический опыт пока это не подтверждает. Из-за давления газа просто замедляется процесс электрокоррозии, а диффузия его сквозь поры в бетоне приводит к восстановлению состояния поровой жидкости и электросопротивления в зоне перехода металл-бетон.

Постепенное повышение электрического сопротивления в прианодном слое связывают в основном с закрытием поверхности анода продуктами коррозии. Возникает так называемая обратная связь, когда электрический ток, вызывая в начальный период интенсивное растворение металла, одновременно создает условия для его затухания. Образующиеся при коррозии гидратные соединения занимают объем, в 2-4 раза больший, чем у исходного металла. Термодинамически, как показано А. А. Старосельским [50], наиболее вероятно образование на аноде Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, а также FeO. Затрудненность диффузии продуктов растворения от электрода обусловливает быстрое накопление их, а ограниченность объема обусловливает рост давления на бетон.

В прианодных зонах при длительном воздействии постоянного тока в результате понижения pH нарушаются условия устойчивого существования основных составляющих цементного камня - гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

Результаты исследований фазового состава и дисперсности гидратных соединений показали, что с увеличением времени действия тока уменьшается объем гелеобразной составляющей. Эти изменения в начальный период времени протекают вблизи электрода и постепенно распространяются от него в радиальном направлении.

Изменение состава гидратных соединений, их рекристаллизация оказывают влияние на характер пористой структуры материала - происходит увеличение макропористости [50]. Наряду с этим ослабляется прочность контактной зоны цементный камень-заполнитель. Это снижает прочностные свойства бетона и должно приводить к ускорению морозных разрушений. Однако в большинстве случаев деструктивные процессы в бетоне признодной зоны все-таки в меньшей степени влияют на прочность железобетонных конструкций, чем коррозия арматуры.

Повреждения бетона в прикатодной зоне связывают чаще всего в опасностью уменьшения его сцепления с арматурой, а также щелочной коррозией кремнезема заполнителей, поскольку в прикатодной зоне происходит подщелачивание приэлектродного слоя в результате восстановления водорода, т. е. H₂O+e->H+OH^-, и повышается концентрация в нем ионов Na₊ и K⁺ вследствие миграции их в электрическом поле. При взаимодействии этих ионов с гидроалюминатами и гидросиликатами кальция образуются водорастворимые соединения, приводящие к снижению сцепления арматуры с бетоном на 10-40% [21, 50].

Для катодных зон характерно также заполнение пор бетона кристаллическими образованиями Ca(OH)₂ в результате переноса к катоду ионов кальция Ca⁺⁺ из окружающего пространства.

Таким образом, основное влияние катодного тока на железобетонные конструкции заключается в деструкции бетона в приарматурном слое. Но до настоящего времени опасных последствий этого явления в опорах контактной сети не наблюдалось. Выход из строя их происходил в результате наложения анодного тока, а связанные с ним разрушения заключались в растворении металла и растрескивании бетона.

На отдельных конструкциях электрокоррозионный процесс приводил к полному разрушению арматуры (рис. 2.18 и 2.19). В основном это наблюдалось у массивных фундаментов, где бетон воспринимал на себя эксплуатационные механические нагрузки. Если же прочность бетона оказывалась низкой, то наблюдалось падение опор, когда ветровые нагрузки достигали расчетных значений. Выход из строя тонкостенных железобетонных опор происходил при меньшем износе арматуры, так как бетонные сечения их значительно слабее, чем у фундаментов, и основная доля нагрузки воспринимается самой арматурой. Естественно, что допустимый износ ее в этих условиях невелик.

Рис. 2.18. Фундамент с продольными трещинами, возникшими из-за электрокоррозии анкерных болтов

К особенно тяжелым последствиям приводит электрокоррозия арматуры струнобетонных опор. В них арматура находится в напряженном состоянии. Растягивающие напряжения только от усилий предварительного напряжения составляют 0,4-0,6 расчетного сопротивления. Под влиянием механической нагрузки на опоры эти усилия возрастают и начинают непосредственно влиять на ускорение коррозионного процесса, который особенно интенсифицируется, как уже отмечалось, при напряжениях, превышающих 0,7 предела прочности. Такие напряжения у высокопрочных сталей, к числу которых и относится арматура струнобетонных опор, способствуют развитию хрупкого коррозионного разрушения, особенно в средах, содержащих хлориды и соединения серы. Существенно снижаться разрывное усилие (на 20-30%) может при уменьшении диаметра высокопрочной проволоки всего на 2-3%. В применявшейся для армирования железобетонных опор и фундаментов стержневой арматуре подобных явлений не отмечалось.

Рис. 2.19. Подземная часть опоры кольцевого сечения с трещинами электрокоррозионного происхождения

К моменту появления трещин в бетоне толщина слоя продуктов коррозии составляет всего 1,2-10^-3-4,4•10^-3 мм. Даже в результате развития пластических деформаций в бетоне толщина пленки ржавчины не превышает 1•10^-2 мм, т. е. степень уменьшения сечения арматуры к началу появления трещин в бетоне еще очень мала. Первые трещины в бетоне от давления продуктов коррозии могут возникнуть как со стороны контура арматурного стержня, так и со стороны наружной поверхности. Это зависит, как показано А. М. Подвальным [40], от соотношения толщины защитного слоя а и радиуса арматурного стержня R. Если отношение a/R<73, то наибольшие растягивающие напряжения возникают в бетоне у наружной поверхности конструкции, откуда и возьмет свое развитие первая трещина. В противном случае растрескивание бетона начнется от арматурного стержня.

При далеко отстоящих друг от друга арматурных стержнях и тонком защитном слое (a≤2R) развитие начальных трещин происходит так, как показано на рис. 2.20. Но на этом процесс растрескивания бетона, как правило, не заканчивается. Часто и особенно при глубоком расположении арматурного стержня в бетоне, когда a/R>3, от его поверхности в глубь бетона идет еще одна или две трещины.

Рис. 2.20. Схемы расположения начальных трещин (а) и распределение напряжений в защитном слое (б) у одиночно расположенных корродирующих стержней: 1 - корродирующий стержень; 2 - бетон; 3 - слой продуктов коррозии; 4 - трещины

Аналогично рассмотренному случаю идет откалывание защитного слоя бетона в углах призматических фундаментов. Здесь, как показывают эксперименты и обследования натурных конструкций, в сечениях фундаментов может от каждого анкерного болта "отходить" по 3-4 трещины (рис. 2.21). Причем ка поверхности бетона вначале бывает только одна трещина. Опасность этого вида растрескивания бывает в том, что анкерные болты, кроме уменьшения сечения, которое вначале еще не представляет опасности, теряют сцепление с бетоном основного сечения фундамента.

Рис. 2.21. Схема расположения трещин в бетоне у одиночных анкерных болтов в фундаментах: а - из плотного бетона марок M300 - M400; б - из малопрочного бетона марок M100 - M150

При расположении в углах фундаментов по нескольку анкерных болтов трещины, как правило, соединяют их (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Схема растрескивания бетона в углах ступенчатых фундаментов при двух (а) и при четырех (б) корродирующих анкерных болтах

Электрокоррозии подвергаются одновременно все болты, но в большей степени находящиеся ближе к наружной поверхности. Стекание тока с поверхностей арматурных стержней, обращенных к наружным граням фундаментов, всего на 15-30% больше, чем с поверхностей, обращенных внутрь массива. Примерно такое же различие и в токах стекания с анкерных болтов ори групповом их расположении в углах фундаментов [26].

Важным с практической точки зрения является то, что к моменту появления трещин на поверхности бетона степень коррозии анкерных болтов и арматурных стержней бывает очень мала. Практически ее можно не учитывать. Существенное уменьшение сечений арматуры, т. е. более чем на 10%, как показали эксперименты и многочисленные обследования эксплуатируемых конструкций, отмечаются при раскрытии трещин более 1,5-2 мм.

Даже в пористом бетоне, исключая, конечно, случаи раковистого бетона, электрокоррозионные разрушения арматуры всегда сопровождаются развитием трещин. Считать, что значительное уменьшение сечения арматурных стержней или анкерных болтов может произойти без видимых на поверхности бетона признаков, нет оснований. В начальной стадии развития электрокоррозионного процесса в бетоне со сквозной пористостью или при тонком защитном слое на поверхности конструкции одновременно с трещинами или несколько раньше их могут появляться бурые пятна. Бесследно раствориться в порах бетона арматура не может.

Ориентация трещин в сечениях центрифугированных и двутавровых опор зависит от расположения проволок в сечениях. При расположении проволок в радиальном направлении, что характерно для комлевой части (близ подошвы опоры), трещины рассекают стенки насквозь (рис. 2.23,а). Если же проволоки в пучках ориентированы параллельно наружной поверхности, то в первую очередь идет растрескивание бетона по направлениям, соединяющим пучки между собой и лишь в более поздние периоды трещины появляются на наружной поверхности (рис. 2.23,б). Такой характер растрескивания чаще всего наблюдается в сечениях опор, расположенных на расстоянии более 1,2-1,5 м от нижнего конца опоры, где проволоки в пучках бывают наиболее часто развернуты параллельно наружной поверхности.

При групповом расположении проволок в пучках, а также при армировании опор стержневой арматурой трещины равновероятно рассекают стенки опор как в радиальном, так и в кольцевом направлении (рис. 2.23,в).

Рис. 2.23. Схемы расположения трещин электрокоррозионного происхождения в стенках струнобетонных опор: а - при радиальном расположении струн в пучках; б - то же при групповом; в - то же при параллельном относительно наружной поверхности

В двутавровых фундаментах и железобетонных опорах трещины рассекают полки и стенки как в плоскости каркасов, так и поперек. Эти конструкции расщепляются в условиях электрокоррозии арматуры на отдельные полосы (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Расколотые полки двутавровых фундаментов по плоскостям каркасов при электрокоррозии арматуры

Струнобетонные двутавровые опоры также сильно растрескиваются по плоскостям арматурных каркасов и пучков, но целостность их остается все-таки больше, чем двутавровых фундаментов, так как у этих конструкций довольно рано выходит из строя тонкая высокопрочная проволока, расположенная по краям полок, и их приходится заменять еще в ранней стадии.

Выявить достаточно надежную зависимость степени коррозии высокопрочной проволочной арматуры от ширины раскрытия продольных трещин не удалось, так как разброс результатов очень велик. В опорах с тонкой проволочной арматурой диаметром 3-5 мм уменьшение сечения ее более допустимых значений возможно при раскрытии трещин всего в 0,4-0,6 мм.

В целом следует отметить, что при электр о коррозии арматуры железобетонных опор опасно не только уменьшение ее сечения, но чрезвычайно сильное растрескивание бетона [28, 29]. Трещины снижают целостность опор. Они достаточно полно характеризуют состояние опор. Установка в опоры кольцевого сечения дополнительной стержневой арматуры не предохранит их от растрескивания в случае электрокоррозии, но позволит уменьшить опасность хрупкого обрушения.

Надежность фундаментов металлических опор в условиях электрокоррозии, безусловно, выше, чем железобетонных опор.

Разработка приборных методов обнаружения повреждений в подземной части опор и фундаментов без их откопки представляет собой сложную задачу. В этом направлении долгие годы работали А. И. Гуков, В. И. Подольский, А. А. Багдасаров, А. Б. Чадин. Ими предложено два основных метода: электрохимический и вибрационный [12-14]. В основу электрохимического метода положена зависимость между степенью электрокоррозии стальной арматуры под бетонным покрытием и характером изменения ее потенциала при наложении калиброванного импульса анодного тока. Вибрационный метод построен на оценке параметров колебаний опор и изменении их с появлением трещин. В качестве контролируемого параметра этого метода взят логарифмический декремент колебаний. Возбуждение колебаний создается калиброванным импульсом.

Оба метода обнаружения повреждений опор являются составными частями комплексной системы диагностики. Информации, получаемой по какому-либо одному из методов, часто бывает недостаточно для того, чтобы судить о состоянии опоры. И дело здесь не в недостатках этих методов, а в том, что слишком много факторов оказывает влияние на конечный результат измерений. Так, непосредственное использование электрохимического метода затрудняется в связи с тем, что опоры контактной сети находятся в поле блуждающих токов, арматура их может иметь непосредственный контакт с тяговым рельсом, а также грунтом, так как струны в нижнем торце не всегда изолированы.

На результаты вибрационного метода накладывают отпечаток грунтовые условия, тяжение проводов на кривых участках пути, а также степень повреждения самих опор. Этим методом трудно уловить начальную стадию разрушений.

К настоящему времени практические рекомендации по диагностике состояния подземной части разработаны применительно к струнобетонным опорам нераздельного типа. Исследования в этом направлении продолжаются. Имеется практическая необходимость в использовании дополнительных физических принципов контроля состояния эксплуатируемых опор и фундаментов.

В целом следует отметить, что, несмотря на принятые в последнее время меры защиты опорных конструкций от токов стекания с рельсов, полностью остановить электрокоррозионные разрушения их невозможно. В дальнейшем еще долго нужно будет проводить кропотливую работу по диагностике и отбраковке постепенно разрушающихся конструкций, так как эффективность примененных защитных средств еще недостаточно высока, а начавшийся однажды коррозионный процесс очень трудно остановить.