WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Наиболее важным и потенциально опасным фактором внешней среды по отношению к бетонным плотинам является водная, поскольку вода не только омывает большие бетонные поверхности, но и фильтрует через бетон при больших градиентах напора, что приводит к возникновению коррозионных процессов и снижению долговечности гидротехнического сооружения.

На основании данных Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды г. Братска проведён анализ химического состава воды Усть-Илимского (с 1973 по 1997г.г.) и Братского (с 1963 по 2000г.г.) водохранилищ, который позволил установить, что вода ангарских водохранилищ по бикарбонатной жесткости и агрессивной углекислоте согласно СНиП 2.03.11-85 в отдельные периоды может быть агрессивна по отношению к бетону.

В основе принятой методики оценки протекающих коррозионных процессов в бетоне напорного фронта лежит сопоставление химического состава фильтрата с водой водохранилища.

В процессе контроля за состоянием бетона напорной грани проводился систематический отбор проб фильтрата воды в продольных смотровых галереях на различных отметках.

Химический анализ отобранных проб проводился на основе «Методики химанализа фильтрующейся воды для Братской и Усть-Илимской ГЭС» ВНИИГ им. Веденеева. При проведении анализа определялось содержание ионов Ca2+, Na++K+, Mg2+, SO2-4, HCO-3, CO 3 2, CL-, свободной СО2 и показателя pH. Для обеих плотин было проведено сравнение концентрации ионов в фильтрате и воде водохранилища, которое показало, что значимая разница в отдельные периоды отмечена для концентрации ионов кальция, натрия, калия, гидрокарбоната и свободной углекислоты. В результате анализа установлено, что примерно в половине наблюдений ионы кальция не вымываются, а осаждаются в процессе фильтрации через бетон, то есть концентрация ионов кальция в фильтрате ниже, чем в воде водохранилища. Также отмечено существенное увеличение в фильтрате ионов натрия и калия.

Построенные по результатам наблюдений зависимости количества выносимых ионов от величины фильтрационных расходов, позволили сделать заключение о преимущественном осаждении ионов кальция в виде кальцита по путям фильтрации и выносе ионов натрия и калия при расходах до 0,005 л/мин. При фильтрационных расходах в интервале от 0,до 0,02 л/мин наблюдается как осаждение, так и вынос ионов кальция. При более высоких расходах (более 0,02 л/мин) наблюдается в основном вынос ионов кальция, натрия и калия.

Контрольное бурение бетона в районе трещин полностью подтвердило, что отложение кальцита по путям фильтрации может быть основной причиной самозалечивания трещин с малыми фильтрационными расходами, т.к. отложения кальцита были обнаружены непосредственно на поверхности трещин.

Насыщение фильтрата ионами натрия и калия можно объяснить их диффузией из цементного камня. В частности, в гидротехническом цементе Красноярского цементного завода, содержание щелочей в пересчёте на оксид натрия составляло 0,6 % - 0,8% от массы клинкера. В шлакопортландцементе, использованном при строительстве обеих плотин, за счет введения до 50% Новокузнецких металлургических шлаков, содержание щелочей составило более 1%.

Предложенная модель коррозионного процесса, учитывающая влияние оксидов натрия и калия, не может рассматриваться отдельно от фильтрационных расходов, величина которых определяет концентрацию растворяемых соединений. Осаждение карбоната кальция возможно только при достаточном насыщении фильтрата карбонатами натрия и калия, которое в той или иной степени происходит при фильтрационных расходах примерно до 0,л/мин. Повышение фильтрационных расходов и соответствующее снижение концентрации растворяемых компонентов цементного камня меняет характер коррозионного процесса таким образом, что растворение и вынос как щелочных оксидов, так и гидроксида кальция лимитируется в конечном счёте диффузией указанных соединений из бетона. При расходах более 0,02 л/мин прирост концентрации контролируемых ионов в фильтрате по сравнению с водой водохранилища настолько мал, что создаётся иллюзия отсутствия коррозии. Очевидно, что в таких наиболее опасных местах фильтрации в плотине требуется более точный контроль концентрации ионов, как в фильтрате, так и в воде водохранилища.

В третьей главе приведены результаты анализа динамики фильтрационных расходов обеих плотин и дана оценка состояния бетона на контакте с сильно фильтрующей трещиной.

Характер коррозионных процессов зависит от динамики фильтрационных расходов, поэтому все места наблюдений разделили на 3 группы:

- с расходами менее 0,005 л/мин: для этой группы процесс фильтрации относительно стабилен с тенденцией к затуханию;

- с расходами от 0,005 до 0,02 л/мин: в этом случае процесс фильтрации нестабилен, с наличием временного дрейфа;

- с расходами более 0,02 л/мин: для этой группы характерно сочетание временного дрейфа и сезонных пиков, причем пики могут достигать сотен литров в минуту. Динамику фильтрационных расходов этой группы можно считать наиболее опасной, с точки зрения надежности работы плотины.

В отдельных местах наблюдений отмечается пульсация фильтрационных расходов (периодическое понижение и повышение), наиболее вероятная причина которых, была установлена на примере Усть-Илимской плотины. Путём обработки многолетних наблюдений было установлено соответствие между вероятностью появления пиковых расходов и наиболее холодных месяцев года. Для выявления частоты пиков была построена гистограмма показывающая, что наибольшая вероятность появления пиков приходится на январь, февраль, март и апрель.

С.Я.Эйдельман и В.Н. Дурчева объясняют сезонный пиковый прирост фильтрационных расходов со стороны напорного столба особенностями статической работы плотины, когда на постепенно промерзающей низовой грани раскрываются строительные и межстолбчатые швы и соответствующая часть профиля плотины исключается из работы, что в конечном счете, является причиной деформации (наклона) первого столба в сторону нижнего бьефа.

На Усть-Илимской плотине были проведены исследования сильно фильтрующей в течение 30 лет трещины, относящейся к 3 группе как наиболее опасной. Фильтрационные расходы этой трещины отличаются ярко выраженной сезонностью с пиковыми расходами в январе – марте до 300 400 л/мин.

Было проведено бурение сетки скважин общей длиной 127 м, пересекающих постоянно фильтрующую трещину. По координатам выхода скважин в трещину с помощью программы STADIA построена ее пространственная модель (рис.1).

Из выбуренных кернов были отобраны пробы бетона, непосредственно выходившего в трещину, и, для сравнения, глубинных слоев. Полученные образцы-керны были подвергнуты комплексными испытаниям, в том числе на водопоглощение и прочность.

Рисунок 1- Пространственное изображение трещины секции в отметках 236,80 237,93 (Усть-Илимская ГЭС) Поровое пространство цементного камня оценивалось по методике Бруссера М.И., суть которой заключается в анализе динамики водопоглощения бетона, описываемая в общем виде формулой:

- t ( ) Wt = Wмакс 1- e, (1) где Wt – водонасыщение образца за время t; Wмакс – максимальное водонасыщение; - показатель степени экспоненты, равный пределу отношения ускорения к скорости процесса насыщения, значением которого оценивается средний радиус капилляров; – коэффициент, характеризующий степень однородности капилляров по их радиусам (0 < 1). При = все капилляры имеют постоянные размеры.

Результаты сопоставления величины 2, характеризующей сравнительный диаметр капиллярных пор и максимального водопоглощения по объёму позволяют сделать оценку последствий фильтрации в течение 30 лет на состояние контактной бетонной поверхности, которое проявляется в виде увеличения размеров капиллярных пор и их относительного объёма.

Анализ полученных данных по пористости позволяет предположить, что до 70 % бетона, примыкающего к трещине, имеет показатели пористости, не отличающиеся от аналогичных для массивного бетона, а значимые изменения структуры бетона распространяются на глубину до 15 см от поверхности трещины. Таким образом, изменение размера и объема капиллярной пористости затронули не более 30% поверхности трещины.

Результаты анализа данных по прочности позволили сформулировать критерий стойкости бетона в районе фильтрующих трещин в виде Rmin(p=0..95) 25 МПа (в проектном возрасте), являющейся той величиной, на которую может быть ориентирован оперативный контроль качества и откорректирован проектный состав бетона.

При осмотре кернов, выходящих в трещину, был обнаружен тонкодисперсный налет, рентгенофазовый анализ которого показал наличие кварца, халцедона, плагиоклаза, калиевых полевых шпатов и кальцита, т.е. породообразующих минералов заполнителей. Это позволяет сделать вывод, что налет на поверхности трещины является продуктом разрушения бетона до минеральных составляющих заполнителей.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке указанных особенностей коррозии бетона в местах сосредоточенной фильтрации.

В результате натурных наблюдений за химическим составом фильтрата при малых фильтрационных расходах был обнаружен вынос из бетона натриевых и калиевых соединений при осаждении кальциевых соединений на поверхности фильтрующих трещин. Основной причиной указанных особенностей коррозии можно рассматривать насыщение фильтрата легко растворимыми щелочами (натрия и калия) цемента, которые усваивают свободную углекислоту, содержащуюся в воде водохранилища. Существенное уменьшение или полное отсутствие свободной углекислоты нарушает необходимое условие существования в воде водохранилища бикарбоната кальция, который распадается с образованием кальцита, т.е. поставщиком отлагающегося кальцита в определённых условиях является вода водохранилища.

Для проверки этих особенностей в химической лаборатории Братской ГЭС была проведена экспериментальная работа, цель которой состояла в моделировании процессов, протекающих в воде водохранилища при фильтрации её через бетон напорного фронта.

Суть первой части эксперимента заключалась в поэтапном насыщении воды водохранилища ионами натрия и наблюдении за изменением содержания ионов кальция, натрия, свободной углекислоты и величины рН.

Предварительно был определён ионный состав воды водохранилища Братской ГЭС.

Было отобрано 6 проб воды водохранилища, в которые добавили щелочь NaOH c концентрацией 0,1 моль/л. Данные по содержанию ионов натрия и кальция, определённые после 8 часов выдерживания, дают основание для вывода о том, что при нарастании концентрации ионов натрия содержание иона кальция закономерно уменьшается по сравнению с водой водохранилища (выпадение в осадок в виде СаСО3). Наличия свободной углекислоты в растворе после добавления щелочи не обнаруживается.

Полученные результаты эксперимента позволяют дать объяснение такому явлению как понижение концентрации ионов кальция в фильтрате по сравнению с водой водохранилища, т.е. источником для образования кальцита в определённых условиях может служить не только цементный камень, но и распадающийся бикарбонат кальция из воды водохранилища.

Вторая часть эксперимента посвящена проверке предположения о том, что наличие натриевых соединений снижает растворимость гидроксида кальция.

С этой целью были приготовлены насыщенные растворы гидроксида кальция на воде водохранилища. В три пробы с водой водохранилища добавили сухую навеску едкого натра. Определение содержания иона кальция в растворе показало, что по мере добавления ионов натрия в воду водохранилища, концентрация ионов кальция уменьшается. Следовательно, можно сделать вывод, о том что присутствие едких щелочей в цементном камне существенно влияет на растворимость гидроксида кальция.

Таким образом, предлагаемая модель коррозионного процесса в бетоне учитывает влияние присутствующих в цементе легкорастворимых оксидов натрия и калия и описывает состояние процесса в зависимости от фильтрационных расходов, которые, в свою очередь, определяют концентрацию растворимых соединений в фильтрате.

По результатам экспериментальной работы был построен график (рис. 2), отражающий снижение растворимости гидроксида кальция в воде водохранилища с различной степенью насыщения ионами натрия.

y = 18,413Ln(x) - 37,0 50 100 150 200 250 300 Концентрация ионов Na,мг/л Рисунок 2 – Зависимость снижения содержания ионов Са2+ от концентрации ионов Na+ На основании данных натурных наблюдений, полученных на плотине Братской ГЭС было рассчитано уравнение регрессии, описывающее зависимость концентрации ионов натрия от фильтрационных расходов (рис.3). Совмещение зависимостей на рисунках 2 и позволило создать с помощью программного комплекса STADIA графо - аналитическую моСнижение содержания ионов Са, % дель коррозии бетона в местах сосредоточенной фильтрации (рис.4), которая отражает снижение концентрации ионов Са2+ в фильтрующих трещинах в зависимости от расхода воды, т.е. описан процесс осаждения кальцита из воды водохранилища и определены границы, при которых это явление имеет место.

500,450,400,350,300,y = 2,8803e-0,9908x 250,200,150,100,50,0,-4,50 -4,25 -4,00 -3,75 -3,50 -3,25 -3,00 -2,75 -2,50 -2,25 -2,00 -1,75 -1,50 -1,25 -1,00 -0,75 -0,50 -0,25 0,Расход воды (Log q - 1), л/мин Рисунок 3 – Зависимость концентрации ионов натрия от фильтрационного расхода воды Рисунок 4 – Графо-аналитическая модель процессов, протекающих в бетоне Г.П. Вербецким был проведен ряд экспериментальных и натурных исследований, на основании которых предложена формула (2) для расчета ширины раскрытия трещины в бетоне по экспериментальным значениям начального единичного расхода (на 1 пог. м) q0 и градиента напора J:

Концентрация ионов Na+, мг/л q0 + 0.754 qaT =. (2) 524 J Пользуясь формулой (2) и базами данных по фильтрационным расходам на Братской и Усть-Илимской плотинах, была определена ширина раскрытия трещин и построена зависимость единичного расхода воды (на 1 пог. м) от ширины раскрытия трещины (рис.5), которая позволила выделить три зоны:

- Зона самозалечивания - расход воды менее 0,15 л/мин соответствует ширине раскрытия трещины до 0, 25 мм. В этом случае, при достаточно малых расходах воды, происходит самозалечивание трещин. В воде, протекающей в трещине, происходят химические реакции, в результате которых образующийся слаборастворимый карбонат кальция СаСО3 откладывается в извилинах трещины, и ее сечение сужается.

- Переходная зона – расход воды от 0,15 до 12 л/мин соответствует ширине раскрытия трещины от 0, 25 до 3,0 мм. В этом случае имеет место отложение кальцита только в отдельных местах, а на верхней границе интервала возможно разрушение бетона.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»