Бетонные  и железобетонные  конструкции широко  применяются  при  строительстве  зданий  и  сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки, что  выдвигает на первый план проблему обеспечения их долговечности. Эти конструкции относятся к долговременным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одному поколению людей.

Коллекторы сточных вод

Проблема  обеспечения  коррозионной стойкости  коллекторов  сточных  вод  является одной из наиболее  сложных. В  крупных  городах  ежегодно  происходят  аварии,  вызванные обрушением  железобетонных  канализационных труб.

Степень  агрессивного  воздействия  среды коллекторов  на  бетонные  и  железобетонные конструкции  может  изменяться  от  слабой  до сильной.

В  лотковой  части  железобетонные  конструкции  коллекторов  подвергаются  воздействию  сточных  вод  и  истирающему  действию осадков,  особенно  ливневой  и  совмещенной (ливневой  и  хозяйственно-бытовой)  канализации. В верхней части – в подсводовом пространстве  –  бетон  конструкций  самотечных коллекторов подвергается воздействию агрессивной  газовой  среды.  В  последнее  время получены настораживающие данные  о  разрушении бетона в результате воздействия агрессивной газовой среды в напорных коллекторах  сточных вод, периодически  (в  зависимости от объема  сбрасываемой  воды)  работающих  в самотечно-напорном режиме.

Хозяйственно-бытовые  жидкие  стоки различаются  содержанием  растворенных веществ,  из  которых  наиболее  значимы: хлориды,  сульфаты,  растворенная  углекислота, органические  вещества. Жидкие стоки  содержат  в  себе  сложный  комплекс  микроорганизмов,  в  том  числе бактерии,  споры  грибов,  водоросли  и другие. Результаты обследования многих  общегородских  коллекторов  сточных вод, полученные НИИЖБ и рядом других  организаций,  показывают,  что хозяйственно-бытовые  стоки  являются слабоагрессивными  или  неагрессивными  по  отношению  к  бетонам  марок по  водонепроницаемости  W8  и  выше и агрессивными для бетонов с водонепроницаемостью ниже  W8.

Коррозионное  воздействие  может вызывать  содержащаяся  в  сточных  водах  углекислота,  ускоряющая  растворение цементного  камня. При действии углекислоты  карбонаты  и  гидроксид кальция  переходят  в  хорошо  растворимый  бикарбонат кальция.  При  воздействии  мягких  вод  происходит  выщелачивание  кальция  из цементного  камня, размягчение  и  снижение  прочности  бетона. Процесс  растворения цементного камня  в  бетоне  протекает  сравнительно медленно,  но  это  только  на первый взгляд.  Ориентировочная  скорость процесса  —  15–20  мм  за  10–15  лет. для многих  конструкций  такая  скорость коррозии  не  представляет  опасности,  но  для канализационных коллекторов, особенно если проектируемый  срок  эксплуатации должен быть неограниченно большим, указанный вид коррозии достаточно опасен.

Газовая  среда  коллектора  формируется  под  воздействием  сточных  вод  и  микробиологических  процессов,  развивающихся  в объеме  сточных  вод  и  слизистой биопленке, образующейся  на  поверхности  железобетонных  конструкций.  По  данным  высокоточных измерений,  газовая  среда,  помимо  сероводорода,  содержит  оксиды углерода,  азота, серы, меркаптаны и другие газы. Согласно современным представлениям  о  коррозионных процессах  в  бетоне,  в  агрессивных  газовых средах  коллекторов сточных  вод  основным негативным  фактором  является  образование серной  кислоты,  продуцируемой  аэробными тионовыми  бактериями,  использующими  в своем жизненном цикле сероводород. В свою очередь, сероводород производят анаэробные бактерии,  содержащиеся  в  сточных  водах,  в слизистой биопленке на поверхности бетона и в осадке. Сероводород образуется в условиях ограниченного  содержания кислорода.  Такие условия создаются в определенных слоях биопленки, в осадке, а также в напорных участках коллекторов, где содержание кислорода ввиду его  потребления  в  биологических  процессах существенно  понижено.  Многочисленные  обследования коллекторов сточных вод показывают, что наибольшее выделение сероводорода наблюдается в местах, где сточные воды из напорных  трубопроводов  изливаются  в  самотечные участки, а также в перепадных шахтах. Выделению сероводорода способствует накопление осадка в коллекторе. Другими причинами интенсивного выделения  сероводорода из сточных  вод  являются:  подключение  стоков, имеющих  повышенную  температуру  и  пониженное  значение  pH,  а  также  стоков,  загрязненных  отходами  кожевенного  производства, предприятий  по  переработке мяса,  рыбы,  заводов безалкогольных напитков.

Наши  наблюдения  за  состоянием  бетона в  газовой среде  коллекторов показывают, что процесс коррозии новых конструкций из бетона проходит по крайней мере две стадии. Сначала, примерно в  течение  года, на поверхности бетона отсутствуют следы повреждения. В  этот  период  происходит  нейтрализация щелочных  (основных) соединений цементного камня диоксидом углерода и другими кислыми газами. Затем с нейтрализацией наружного слоя возникают условия для поселения и развития  тионовых  бактерий.  Начинается  разрушение  бетона.    Нейтрализованный  и  разрушенный слой становится носителем бактерий.

Специальные  исследования  показали, что в наружном слое содержится до 99 % всех проникших в бетон бактерий. Также показано, что  стойкость  повышается  с уменьшением проницаемости  (размера пор) бетона. В поры диаметром менее 0,3 мм проникновение бактерий, размеры которых в основном составляют 0,05–0,2  мм,  затруднено.  Размер  тиобацилл составляет около 1 мкм.

Показано,  что  по  мере  удаления от  поверхности  бетона  количество  аэробных  бактерий  уменьшается  сильнее,  чем  количество анаэробных. С  уменьшением водоцементного отношения глубина проникания микроорганизмов в тело бетона уменьшается.

Выполненные НИИЖБ испытания бетонов различной  водонепроницаемости  (до  W20)  в газовой среде коллектора сточных вод показали,  что  скорость  коррозии  с понижением проницаемости бетона значительно замедляется.

Наиболее  эффективным  способом  зашиты  от  коррозии  является  исключение контакта строительных конструкций коллектора с агрессивной средой или повышение в значительной  степени  водонепроницаемости бетона. Принципиально это достигается двумя мерами: понижение концентрации сероводорода в  газовой среде коллектора и применение химически стойких гидроизоляционных материалов,  снижающих  проницаемость  капилляров и микротрещин бетона.

Учитывая  трудности  ремонта  коллекторов, находящихся в эксплуатации, и их высокую стоимость, целесообразно основной характеристикой материалов,  применяемых  для  антикоррозионной  защиты,  считать  способность  оказывать длительное защитное действие на строительные конструкции.

Трубопроводы  и  отстойники  ливневых стоков (истирание, морозная деструкция)

Отстойники  ливневых  стоков  представляют собой  в  плане  прямоугольные  железобетонные сборно-монолитные сооружения, частично заглубленные в землю.

Наши  наблюдения  показывают,  что  в  условиях эксплуатации отстойников и трубопроводов ливневых  стоков  бетон  подвергается  повреждению за счет выщелачивания и истирающего действия осадков.

Надземная  (надводная)  часть  сооружений подвергается воздействию  температуры и влаги окружающей  среды,  конденсата  и  атмосферных осадков. Кроме того, надземная часть указанных сооружений  работает  в  условиях  капиллярного подсоса воды из грунта и ливневых стоков из сооружений. В этих условиях периодическое замораживание и оттаивание бетона, находящегося в водонасыщенном  состоянии,  быстро  приводит  к его ускоренному разрушению.

В  этом  случае  основным  способом  обеспечения долговечности сооружения является повышение марки бетона по водонепроницаемости и морозостойкости.

 В заключение следует отметить, что катастрофические  последствия  коррозионного  разрушения  сооружений  водоснабжения,  водоотведения и водоочистки требуют масштабного применения и  использования  защитных  технологий,  обеспечивающих  долговечность конструкций на этапах проектирования, строительства и эксплуатации.

Безопасная  эксплуатация  указанных  сооружений требует учета мирового  и отечественного опыта с  привлечением специалистов различных областей.