Гидроабразивное изнашивание бетонных обделок канализационных коллекторов

УДК 624.191

проф., к. т.н.

кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт»

Московский государственный горный университет

Гидроабразивное изнашивание бетонных обделок канализационных коллекторов

HYDROABRASIVE WEAR OF SEWERSCONCRETE LINING

Согласно литературным данным способность бетонных обделок канализационных коллекторов к гидроабразивному изнашиванию оценивается на основе обработки данных, получаемых из эксперимента. При этом абсолютный износ образцов определяется по формуле:

(1)

где Р1 – вес образца до испытания, г; Р2 – вес образца после испытания, г; S – площадь истирания.

Интенсивность изнашивания определяется по формуле:

(2)

где U – абсолютный износ; t – время изнашивания.

Факторы, влияющие на гидроабразивное изнашивание бетонных обделокможно подразделить на [6]:

·  активные;

·  определяющие стойкость бетона к истиранию.

К активным факторам относится:

·  насыщенность потока абразивом их форма и крупность;

·  влияние агрессивности среды на износ бетонов.

К факторам, определяющим стойкость бетонов к гидроабразивному изнашиванию, можно отнести:

·  влияние на гидроабразивный износ активности цементов;

·  влияние на гидроабразивное изнашивание химико-минералогического состава и тонкости помола цемента;

·  влияние водоцементного отношения на гидроабразивный износ бетонов;

·  влияние на гидроабразивный износ бетонов крупности заполнителя.

На величину гидроабразивного износа бетонных обделок коллекторных тоннелей влияет насыщенность потока абразивными частицами, а также их форма и крупность.

Согласно экспериментальным данным [4], гидроабразивный износ бетонных обделок в зависимости от насыщенности потока абразивными частицами носит линейный характер (рис. 1).

Такому же линейному характеру подчиняется зависимость истирания обделок от крупности абразива (рис. 2).

Наличие активной жидкой (агрессивной) среды, в которой находятся взвешенные частицы, приводит к многократному усилению износа бетонной обделки.

Как правило, интенсивность износа бетонной обделки в агрессивной среде в 2 раза выше, чем в нейтральной. Это в полной мере подтверждается литературными данными [1], [2], [3].

Рис. 1. Зависимость износа бетона (С, %) от концентрации абразива (К, %)

Рис. 2. Зависимость износостойкости бетонной обделки от крупности абразива

Так, из табл. 1 следует, что прочность образцов, хранившихся в агрессивной среде, на 20-30% ниже, чем у образцов обычного хранения. Износ бетона в агрессивной среде в первый час происходит гораздо интенсивнее, чем износ бетона в нормальной среде.

Это объясняется глубиной воздействия агрессивного фактора на бетон.

Таблица 1.

Прочность бетона на сжатие в нейтральной среде, МПа	Гидроабразивный износ бетонных образцов в нейтральной среде, г/см2	Гидроабразивный износ бетонных образцов в агрессивной среде, г/см2	Прочность бетона на сжатие в агрессивной среде, МПа
1 ч	2 ч	3 ч	1 ч	2 ч	3 ч
9	0,67	0,33	0,18	0,98	0,35	0,15	7
18	0,32	0,17	0,11	0,61	0,27	0,11	14
27	0,17	0,09	0,06	0,29	0,11	0,07	24

При постоянном действии агрессивных сред в коллекторе можно ожидать усиления истираемости во времени за счет проникания агрессивной среды в бетон.

Износостойкость лотка бетонной обделки при его механическом истирании зависит от прочности раствора, содержащегося в бетоне. Повышение В/Ц увеличивает износ бетона. Износ бетона в агрессивных средах в 2 раза выше, чем в нейтральной среде (при соответствующих условиях).

Из вышесказанного следует, чтобы уменьшить гидроабразивный износ бетонной обделки коллекторного тоннеля в агрессивных средах необходимо, прежде всего, повысить ее плотность и водопроницаемость. Плотный и водопроницаемый бетон в основном подвергается только поверхностной коррозии. Кроме того, для увеличения стойкости бетона к агрессивные средам целесообразно защищать бетон разнообразными покрытиями (эпоксидными, битумными смолами и др.).

Активность цементов оказывает существенное влияние как на прочность, так и на гидроабразивный износ бетонных обделок. С увеличением активности цемента увеличивается сопротивляемость бетонов на износ (рис. 3).

Одним из основных факторов, влияющих на гидроабразивную стойкость бетонных обделок канализационных коллекторов, является химико-минералогический состав цемента. Известно также, что тонкость помола цемента оказывает определенное влияние на это качество[5].

Исследованиями доказано, что эти параметры цемента интегрально выражаются через нормальною густоту цементного теста –Кн. г., поэтому при исследованиях были приняты цементы, отличающиеся по Кн. г. [5] (табл. 2).

Рис. 3. Зависимость износостойкости бетонной обделки (С, %) от активности цемента R28

Таблица 2.

Вид цемента	Активность R28, МПа	Кн. г.	Относительная износостойкость	Предел прочности бетона на сжатие, МПа
I	40	0,277	0,16	23
II	40	0,305	0,43	19
III	40	0,260	0,11	28

Рис. 4. Зависимость износостойкости бетонной обделки от коэффициента нормальной густоты Кн. г.

Как следует из табл. 2 и полученного графика (рис. 4) с уменьшением нормальной густоты цементного теста износостойкость образцов падает. Следовательно, при проектировании износостойких бетонных обделок канализационных коллекторов необходимо применять цементы с пониженными значениями нормальной густоты.

Водоцементное отношение (В/Ц) также оказывает существенное влияние на способность бетонных обделок коллекторных тоннелей к истиранию. Так, согласно исследованиям [3], [4], отраженным в табл. 3, следует, что с увеличением водоцементного отношения В/Ц растает износ образцов.

Таблица 3.

№ п/п	Коэффициент нормальной густоты Кн. г•	В/Ц	Крупность заполнителя, мм	Относительная износостойкость, %
1.	Кн. г	0,260	-	0,110
2.	1,2Кн. г	0,512	-	0,125
5.	1,4Кн. г	0,564	-	0,150
4.	1,6Кн.г	0,416	-	0,195
5.	1,8Кн.г	0,468	-	0,225
6.	2Кн. г	0,520	-	0,275
7.	Кн. г	0,560	0,15	0,090
8.	1,4Кн.г	0,450	0,15	0,109
9.	1,6Кн.г	0,550	0,15	0,155
10.	2Кн. г	0,620	0,15	0,225
11.	Кн. г	0,550	0,30	0,080
12.	1,4Кн.г	0,450	0,30	0,110
13.	1,6Кн.г	0,480	0,30	0,170
14.	2Кн.г	0,590	0,30	0,190
15.	Кн.г	0,506	0,60	0,060
16.	1,4Кн. г	0,410	0,60	0,105
17.	1,6Кн.г	0,452	0,60	0,140
18.	2Кн. г	0,566	0,60	0,170
19.	Кн. г	0,500	1,20	0,660
20.	1,4Кн.г	0,400	1,20	0,080
21.	1,6Кн.г	0,450	1,20	0,125
22.	2Кн. г	0,560	1,20	0,150

 

Применение низких водоцементных отношений порядка Кн. г, 1,2Кн. г приводит к повышению прочности и износостойкости образцов. В то же время низкое В/Ц приводит к получению более жестких смесей, требующих интенсивной проработки. Повышение водоцементного отношения ведет к ослаблению клеющей способности цемента и повышению пористости, тем самым, облегчая отрыв зерен от массы. Следовательно, проектируя износостойкие бетонные обделки, необходимо стремиться к получении бетонов с малым В/Ц отношением.

Гидроабразивный износ бетонных обделок коллекторных тоннелей зависит от размеров заполнителя. Если в качестве мелкого заполнителя рассмотреть фракционированный песок 0,15; 0,3; 0,6; 1,2 и принять В/Ц в зависимости от коэффициента нормальной густоты цементного теста плюс вода, необходимая для смачивания зерен крупного и мелкого заполнителя, то получится следующий результат (табл. 4).

Таблица 4.

№ п/п	Фракции мелкого заполнителя	Цемент, кг	Песок, кг	Вода, мм	В/Ц	Относительная износостойкость, %
1.	0,00	1	-	305	0,305	0,475
2.	0,15	1	2	425	0,425	0,400
3.	0,30	1	2	385	0,385	0,350
4.	0,60	1	2	352	0,352	0,290
5.	1,20	1	2	346	0,346	0,230

Как следует из табл. 4, увеличение крупности мелкого заполнителя (фракции от 0,15 до 1,2 мм) ведет к повышению износостойкости бетонных обделок в 2 раза. Подобное повышение износостойкости бетонных обделок можно объяснить тем, что с увеличением размеров зерен мелкого заполнителя поверхность цементного камня уменьшается, а он, как известно, менее стоек к гидроабразивному износу [5]. Следовательно, при проектировании износостойких бетонных обделок коллекторных тоннелей необходимо применять крупнозернистые пески, обладающие повышенной твердостью.

Аналогично для крупного заполнителя (табл. 5): с увеличением крупности заполнителя увеличивается стойкость бетонных обделок канализационных коллекторов к гидроизносу.

Таблица 5.

№ п/п	Крупность заполнителя	Расход материала, кг	В/Ц	Относительная износостойкость, %
Цемент	Щебень
1.	3	1	2	0,34	0,21
2.	5	1	2	0,18
3.	7	1	2	0,15
4.	10	1	2	0,11

Литература.

1. Материалы международной конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии». – М., 1999. – 652 с.

2. , Путляев эпоксидными мастиками от коррозии железобетонных резервуаров для промышленных стоков. – М., 1965.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Совершенствование техники и технологии сооружения коллекторных тоннелей с целью повышения скорости проходки, производительности труда и снижения стоимости работ». – М.: МГИ, 1974.

4. Куликов обделок самотечных канализационных коллекторных тоннелей в части повышения их несущей способности, водонепроницаемости и износостойкости. Отчет. – М.: МГИ, .

5. Куликов конструкций подземных сооружений. – Инструкция и методические указания. – М.: МГГУ, 1990.

6. Моделирование влияния дефектов конструкций коммунальных тоннелей на химическое загрязнение окружающей среды. // Горный журнал, 2002. – №9. – С. 76-79.

Аннотация.

Гидроабразивный износ обделок является сложным химико-механическим явлением. В статье рассмотрены параметры, определяющие гидроабразивное изнашивание коллекторных тоннелей. Выявлены факторы, определяющие стойкость бетонов к гидроабразивному изнашиванию.

Lininghydroabrasive wear is a complex chemical-mechanical phenomenon. In the article the parameters defining hydroabrasive wear sewer tunnels are discussed. The factors, determining the resistance of concrete to hydroabrasive wear are find out.

Ключевые слова.

бетонная обделка, износ, истираемость, химико-минералогический состав цемента, густота цементного теста, канализационный коллектор

concrete lining, wear, abrasion, chemical and mineralogical compositionof the cement, the density of cement grout, sewer