Коррозия железобетона и виды повреждений опор контактной сети
Бетон представляет собой так называемую «трехфазную» систему, состоящую
из твердой фазы, жидкой фазы и воздуха. По своей структуре бетон
является
капиллярно-пористым и может активно впитывать влагу
и воздух из окружающей среды. Из-за наличия пор н капилляров,
пронизывающих структуру, он не обладает достаточными кроющими
свойствами, а его защитные функции по отношению к арматуре нельзя
уподоблять действию обычных покрытий, механически изолирующих металл от
внешней среды. Защитный эффект бетона объясняется его способностью
поддерживать высокую щелочность жидкой фазы (впитанной влаги) и в первую
очередь приарматурного слоя жидкости. Высокая щелочность обеспечивает
пассивность поверхности металла, на ней образуется пленка гидроксида
железа, препятствующая дальнейшему развитию коррозии. Все известные
коррозионные повреждения арматуры в железобетонных конструкциях так или
иначе связаны с разрушением защитной пленки, поэтому целесообразно
остановиться на наиболее частых причинах нарушения пассивности.
Первая причина разрушения пассивирующей пленки заключается в том, что
она может быть устойчива лишь при высоких значениях pH. Снижение pH до
11,3—11,8 делает защитную пленку неустойчивой и она растворяется. Обычно
высокая щелочность сохраняется благодаря избытку содержащегося в бетоне
гидрата окиси кальция, насыщающего поровую жидкость. Если по каким-либо
причинам в бетонной оболочке образуются трещины, неизбежно снижается
щелочность вблизи участков металла под ними, что приводит к нарушению их
пассивности и последующей коррозии. Естественно, такое снижение зависит
от ширины раскрытия трещин. По данным лаборатории контактной сети
Московской дороги при раскрытии трещин больше 1 мм и толщине защитного
слоя 20 мм скорость коррозии арматуры под трещиной становится такой же,
как у незащищенной покрытием стали той же марки, находящейся в тех же
почвенных условиях.
Второй механизм нарушения пассивности обусловлен проникновением в бетон
некоторых агрессивных веществ — активаторов. Активаторами называют
вещества, присутствие которых не изменяет щелочности влаги,
соприкасающейся с арматурой, но разрушающе действует на пассивирующую
пленку. Наиболее распространенными активаторами для подземных
сооружений, и в том числе для опор контактной сети, являются хлориды.
Пути их попадания в бетой различны. Хлористый кальций в ряде случаев
добавляют в бетон при производстве железобетонных изделий для ускорения
его схватывания. Также в процессе производства в бетон может попадать
соль (хлористый натрий) — в некоторых случаях (особенно в прошлые годы)
таким образом пытались предотвратить замерзание воды, используемой при
работах в зимнее время. Общее количество добавок хлорцдов не должно
превышать допустимую норму. Контроль за соблюдением этого условия
возложен на заводы-изготовители.
Хлориды могут попадать в бетон и из почвы с повышенным их содержанием.
Опасность этого особенно возросла в последние годы в связи с ростом
масштабов применения антиобледенителей дорожных покрытий, в качестве
которых наиболее часто используют тот же хлористый натрий.
В особую группу следует выделить те случаи, когда с арматуры стекает
постоянный ток значительной плотности. Электрокоррозия арматуры,
наблюдаемая при этом, также начинается с нарушения пассивности,
вызванного снижением щелочности приарматурного слоя. Механизм
электрокоррозии подробно рассмотрен в книге [3].
Все. вышеперечисленные факторы снижения коррозионной стойкости
железобетона относились в первую очередь к коррозии арматуры.
Повреждения бетона при этом неизбежно сопровождают коррозию металла,
однано являются как бы вторичными проявлениями процесса и, как правило,
вызваны механическим разрушением бетонной оболочки под действием
продуктов коррозии. Вместе с тем, существует несколько факторов,
агрессивно воздействующих в первую очередь на бетон. Назовем среди них
три наиболее значимые для опор контактной сети.
1. Природные воды, наиболее часто проявляют себя при просачивании через
бетон или протекании по его-поверхности. Вода постепенно вымывает из
бетона некоторые его составляющие, в первую очередь, гидроксид кальция.
Под действием углекислого газа воздуха, указанное соединение
претерпевает химическое превращение — образуется карбонат кальция, часто
наблюдаемый на поверхности бетона в виде белых пятен и натеков.
2. Углекислота, содержащаяся в природных водах, а также ряд других
кислот, присутствующих в почвах, например, сернистая и серная,
содержащиеся в торфян-никах; сюда же относятся отходы различных
производств, включающие в себя свободные кислоты и попадающие в почву
или воздух. Под действием кислот происходит комплекс химических реакций
с участием компонентов бетона [3].
3. Циклическое замерзание и оттаивание содержащейся в капиллярах и порах
бетона влаги вызывает постепенное разрушение структуры бетона из-за
образующихся при замерзании гидравлических давлений (при переходе в лед
объем первоначальной влаги увеличивается на 9 %).
Анализируя все вышеизложенное, можно заключить, что в эксплуатационных
условиях опоры контактной сети подвергаются воздействию комплекса
неблагоприятных факторов. Наиболее опасным из них, безусловно, является
стекающий ток. Для понимания причин недолговечности необходимо учитывать
и то обстоятельство, что несущая способность конструкции зависит не
только от состояния арматуры, но и от состояния бетона. Не все
коррозионные повреждения вызваны прямым стеканием тока, более того,
анализ данных о замене опор на Московской дороге свидетельствует о
наиболее частых дефектах именно надземной части, т. е. тех участков, где
электрокоррозионные процессы невозможны. С другой стороны, практика
противокоррозионной работы показывает, что классификация повреждений по
их местоположению и внешнему виду для центрифугированных железобетонных
опор в значительной мере условна. С уверенностью можно говорить лишь о
том, что электрокоррозионные повреждения невозможны в надземной части.
Наличие же некоторых агрессивных веществ, например, хлоридов, одинаково
опасно для надземной и подземной частей. Повреждения, вызванные
коррозией бетона, а также связанные с некоторыми
температурно-влажностными процессами, также должны рассматриваться
комплексно, без искусственного подразделения на подземную и надземную
части. С этой точки зрения для принятия технически грамотных решений все
наблюдаемые повреждения опор контактной сети следует классифицировать по
источникам коррозии. Например, целесообразно ввести две основные группы
повреждений:
первая — электрокоррозионные повреждения;
вторая — повреждения, не связанные с протеканием тока.
В первую группу входят, прежде всего, повреждения, которые вызываются
током утечки через цепь заземления опоры на рельс. К этой же группе
относятся повреждения, вызванные перетекающими токами между опорами в
групповом заземлении.
Вторая группа представляет повреждения, хотя и менее опасные с точки
зрения динамики потери несущей способности, но являющиеся более
массовыми. Это различного рода растрескивания бетона, снижение его
цепления с арматурой, повреждения, вызванные агрессивными веществами и
т. п.