Чем обработать сваи для фундамента

Защита свай от коррозии – что предохранит металлические и бетонные поверхности

В вопросе долговечности свай большую роль играет защита бетонных и металлических поверхностей от коррозии. Первичной мерой устранения негативных процессов является использование при изготовлении изделий стойких к агрессивным условиям эксплуатации марок стали и бетона, а также различных добавок и наполнителей, значительно увеличивающих коррозионную выносливость материалов. Вторичная защита представляет собой обработку готовых изделий различными составами, в том числе битумными, полимерными, антисептическими, гидрофобизирующими и т.д.

На забивные, вибропогружные и винтовые сваи, изготавливаемые в заводских условиях, финишные покрытия наносят непосредственно на предприятии, что в значительной степени гарантирует качество изолируемого слоя. При затрудненном доступе к поверхностям, например в случае устройства буронабивных свай, антикоррозионные меры ограничиваются использованием определенных видов цемента и введением в состав бетона специальных добавок.

Определение требуемой защиты

Способы, предотвращающие негативные последствия при взаимодействии поверхности свай с грунтами, подземными водами и окружающей средой, разрабатываются еще на этапе проектирования. При этом учитываются конкретные условия площадки строительства, а именно:

• климат;
• химический состав и тип грунта;
• характеристика агрессивных составляющих и их концентрация;
• уровень грунтовых вод;
• риски подтопления;
• условия эксплуатации;
• механические нагрузки на фундамент;
• материал изготовления свай.

Данные принимаются, исходя из геологических изысканий участка, метеорологических карт, технического задания и расчетов. После обработки результатов принимается решение, каким образом можно будет защитить подземные конструкции от коррозии.

Железобетонные и металлические винтовые сваи имеют различные варианты антикоррозионной защиты, определенные в СНиП 2.03.11-85. Однако, указания нормативного документа не распространяются на радиационную коррозию изделий. В нем не рассматриваются, также, конструкции, выполненные из кислотостойких и полимербетонов, но определяются меры по максимальному устранению таких видов разрушения как:

• механическое;
• химическое;
• электрохимическое.

По степени воздействия срéды бывают неагрессивными или мало-, средне- и сильноагрессивными. Они могут находиться в жидком, газообразном либо твердом физическом состоянии.

Защитить от коррозии и увеличить срок эксплуатации подземных конструкций поможет своевременное определение предохранительных мер в проектной документации.

Защита металлических свай

Наиболее значимой для винтовых свай является химическая коррозия, появляющаяся на границе соприкосновения металлических поверхностей с водой или кислородом. Скорость разрушения, в этих случаях, во многом зависит от уровня кислотности (рН) среды и типа грунта. Чем ниже показатель рН, тем быстрее происходит процесс коррозии.

По данным исследований, глубина проникновения ржавчины в стенки незащищенной сваи за год зависит от характеристик грунта и составляет при размещении фундамента:

• в глине – 0,0032мм;
• в песке – 0,00292мм;
• на границе с водой/грунтом – 0,0814мм.

Также на скорость коррозии металлической сваи оказывает влияние размер ее заглубления. Под толщей грунта доступа кислорода к стенкам фундамента нет, поэтому его нижняя часть сохраняется лучше, хотя там свое действие может оказывать вода.

Защитить винтовые сваи помогает исключение взаимодействия воды и кислорода с металлом. Некоторые специалисты считают, что сама ржавчина, полностью покрыв поверхность, создает защитный слой, мешающий дальнейшему развитию коррозии. В результате негативные реакции прекращаются, и сваю с успехом вкручивают в грунт. Но разумнее будет, все же, воспользоваться более цивилизованными методами защиты, заключающимися в нанесении специальных пленок.

Не поддаются действию ржавчины винтовые сваи, изготовленные из нержавейки. Но они в несколько раз дороже изделий из черного металла.

Возникновение электрохимической коррозии связывают с попаданием электролита в виде водного раствора, находящегося в агрессивной почвенной среде, на стенки металлической сваи. Под действием блуждающих токов, появляющихся в результате различных утечек, в такой среде начинает происходить реакция электролитической диссоциации, разрушающая структуру металла. Единичные случаи во внимание не принимаются, но близость к трамвайным и железнодорожным путям, к подземной технике и метрополитену дают понять, что блуждающие токи могут иметь постоянный характер. На данный фактор следует обращать особое внимание.

Виды защитных мероприятий

В заводских условиях и непосредственно на стройплощадке винтовые сваи подвергаются целому комплексу антикоррозийных мероприятий, начиная с использования высоколегированных сталей и заканчивая заполнением свайного ствола цементным раствором, а также защитой участков, возвышающихся над землей. Технология монтажа фундамента требует тщательного соблюдения требований на каждом этапе работ. Только в этом случае металлические сваи получат 100% гарантию антикоррозийной защиты на длительный период времени.

Производители предлагают несколько видов покрытий:

• битумную мастику;
• лакокрасочные составы;
• холодное цинкование;
• полимерные смеси;
• термоусаживаемую пленку;
• комбинированную обработку и др.

Выбор защитного слоя зависит от многих факторов и заранее оговаривается с заказчиком. Цена и способ нанесения составов во многом влияет на формирование окончательной стоимости изделий.

Многие задаются вопросом о целесообразности антикоррозийной обработки винтовых свай в связи с тем, что покрытие, якобы, в процессе вкручивания стирается при взаимодействии с грунтом. Ради справедливости стоит отметить, что подобные случаи не редкость для металлических стволов с нанесенной на них битумной мастикой. Но свая, в этом случае, оголяется частично – только на острие и режущей кромке лопасти, а боковые поверхности остаются под слоем защиты.

Стершийся участок оказывается на глубине и практически не подвергается воздействию атмосферного кислорода, что значительно замедляет ржавление. Для сохранения покрытия в верхней части ствола, в точке установки сваи предварительно выкапывают ямки глубиной до 70см, благодаря которым защитный слой верха сваи остается нетронутым и цельным. После вкручивания конструкции до проектной отметки, ямки засыпают грунтом с послойной трамбовкой.

Защита от коррозии стенок винтовых свай с помощью полимерных составов и термоусаживающей пленки представляет собой более надежный, но дорогостоящий вариант обработки металлических поверхностей.

Битумная мастика

Высокоэластичная пленка создает водонепроницаемую пленку, способную надежно изолировать металл от негативных последствий воздействия влаги и кислорода. Мастика недорого стоит и легко наносится на поверхность, но также легко стирается при вкручивании металлической сваи. К тому же, битум оставляет черные пятна на поверхностях, с которыми соприкасается при транспортировке и хранении изделий, а также размягчается при высоких температурах.

Лакокрасочные покрытия

К данному сегменту относятся эмали, специальные краски и лаки. Такая защита считается надежной, наиболее простой и сравнительно недорогой. Она включает в себя нанесение грунтовочного и финишного слоя, в результате чего появляется покрытие, отличающееся:

• водонепроницаемостью;
• эластичностью;
• повышенной твердостью;
• химической и электрохимической пассивностью.

Вид ЛКМ выбирается в зависимости от марки стали, рельефности поверхности и габаритов металлической сваи, а также предполагаемых механических нагрузок (вибраций, ударов). Кроме того, учитываются внешние факторы, условия эксплуатации и ценовые критерии. К новому поколению красящих составов относятся смеси, в состав которых входят полиуретановые смолы, обладающие лучшими характеристиками по сравнению с эпоксидными аналогами.

Недостаток лакокрасочных покрытий очевиден. Далеко не все из них могут справиться с воздействием сил трения в момент вкручивания сваи в грунт, хотя современные полимерные составы показывают иные результаты. Их минусом является высокая стоимость.

Холодное цинкование

Металлическая поверхность обрабатывается специальными цинконаполненными красками, в составе которых содержится более 94% чистого цинка. Покрытие со временем уплотняется, образуя непроницаемый барьер и электрохимическую пару двух металлов. В результате все поры заполняются, что содействует появлению на сваях надежного щита, предотвращающего коррозию.

Холодное цинкование относится к дешевым, доступным и скоростным видам антикоррозионной защиты. Краска отличается высокой адгезией, но слой может легко разрушиться даже при малейших механических нагрузках.

После окончания электрохимической реакции, на поверхность сваи допускается наносить лакокрасочное покрытие.

Следует обратить внимание на одно важное требование, прописанное в СНиП. Оно заключается в недопустимости использования оцинкованных и других защитных покрытий из металла в грунтах или жидких средах, относящихся к средне- или сильноагрессивным и имеющих показатель кислотности менее 3 и более 11. Данное условие должно учитываться на стадии проектирования.

Термоусадочные кожухи

Изготавливаются из материалов, устойчивых к механическим воздействиям и агрессивным средам. Как правило, термоусадочные трубки или пленки располагают на винтовых сваях в наиболее слабом месте – на выходе металлического ствола из грунта. Их устанавливают с запасом в обе стороны от планировочной отметки на 10-15см.

Пластичную насадку прогревают, после чего она уменьшается в диаметре, плотно охватывая сваю. В результате получается дополнительная герметичная изоляция.

Внутренняя защита

Полости винтовых свай не допускается оставлять незаполненными. После установки в проектное положение их бетонируют, во избежание попадания внутрь атмосферного кислорода и воды. В зимнее время в раствор добавляют специальные присадки.

Защита бетонных и железобетонных свай

В процессе коррозии бетона происходит выщелачивание его растворимых составляющих, образование соединений, не имеющих вяжущих свойств и накопление малорастворимых твердеющих солей. В результате неблагоприятные участки в холодный период времени замораживаются, после чего бетон подвергается механическому разрушению.

К первичной защите забивных, вибропогружных и буронабивных свай относится:

• использование стойких к агрессивным средам бетонов;
• применение специальных добавок, снижающих проницаемость и повышающих защитную функцию бетона по отношению к арматурным стержням, заложенным в свае;
• соблюдение конструктивных требований.

Вторичная защита представляет собой обработку бетонных поверхностей уже готовых изделий различными составами:

• мастичными обмазочными;
• окрасочными;
• пропиточными;
• гидрофобизирующими;
• антисептическими.

В нормативах указывается, что для свай следует выбирать марку бетона по водонепроницаемости не ниже W6, а пропитки и покрытия должны быть настолько прочными, чтобы в процессе погружения фундаментного столба они не смогли потерять свои защитные свойства. Устойчивость окрасочного или обмазочного слоя проверяют после нанесения состава и сушки изделия путем предварительных испытаний.

Битумные защитные покрытия для забивных свай не рекомендуется использовать на участках с песчаными и гравелистыми грунтами.

В зависимости от агрессивности среды, в которой предполагается разместить забивные или вибропогружные свайные фундаменты, определяется вариант защитного покрытия, максимально ограничивающего появление коррозии:

• при слабой агрессивности – допускается наносить холодные и горячие битумные мастики;
• при средней агрессивности – выбор оставляют за составами на основе лака ХП734 или полиизоцианата;
• при сильной агрессивности – используют полимерное эпоксидное покрытие, пиропласт, а также пропитку глубиной более 5мм стирольно-инденовыми смолами или полиизоцианатом.

Защита железобетонных свай от электрокоррозии производится в случае расположения строения в поле блуждающего тока или при использовании конструкции в качестве заземлителя. Меры, ограничивающие негативное влияние, описывают в проектной документации после досконального изучения проблемы.

Источник

Коррозия винтовых свай. Как продлить срок службы свайно-винтового фундамента?

Винтовые сваи изготавливают из стали, а потому срок их службы зависит в первую очередь от скорости возникновения и развития коррозионных процессов. Это заставляет потенциальных клиентов сомневаться в надежности технологии, поэтому в статье мы рассмотрим некоторые факторы, влияющие на срок службы свайно-винтового фундамента, и способы защиты.

Содержание статьи:

1. Виды коррозии металлов

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов, вызванное химическим или физико-химическим воздействием окружающей среды, основная причина которого – термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Корродирующий материал – материал, подвергающийся коррозии.

Коррозионная среда – среда, в которой происходит коррозионный процесс.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться воздействию среды.

По механизму протекания коррозия делится на химическую и электрохимическую.

1.1. Химическая коррозия металла винтовой сваи

Химическая коррозия – это взаимодействие или химическая реакция поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз.

Для химической реакции характерно:

• наличие непосредственного контакта частиц;
• хаотическое взаимодействие по всему объему или площади;
• при взаимодействии веществ прохождение электроном путь порядка ионного радиуса;
• выделение энергии путем выделения тепла.

Примером химической коррозии в неэлектролитах может служить разрушение цилиндров двигателей внутреннего сгорания. В топливе содержатся примеси – сера и ее соединения, которые при сгорании превращаются в оксиды серы (IV) и (VI) – коррозионно-активные вещества. Они разрушают детали реактивных двигателей – сопла и др.

У винтовых свай химическая реакция возникает, как правило, в точке соприкосновения металла или сплава с кислородом или жидкостью (например, содержащейся в грунте водой).

Срок службы сваи при данном воздействии будет зависеть от уровня водородного показателя кислотности среды в грунте (при пониженном уровне pH, характерном для кислой среды, скорость повышается) и от типа грунта.

Чем глубже располагается свая, тем ниже скорость химической коррозии (т.к. доступ кислорода к металлу под толщей грунта ограничен).

1.2. Электрохимическая коррозия металла винтовой сваи

Электрохимическая коррозия протекает через электродные реакции, в большинстве случаев –во влажной среде. К этому виду коррозии относят коррозию в водных растворах, атмосферную коррозию под влиянием пленок влаги на поверхности, а также коррозию в грунте. В коррозионном процессе при электрохимической коррозии выделяются сопряженные реакции: анодная реакция окисления и катодная реакция восстановления.

Для электрохимической реакции характерно:

• протекание без прямого контакта частиц;
• пространственное разделение реагирующих частиц (разделение на анод и катод);
• при взаимодействии веществ в ходе реакции прохождение электроном большого пути, который зависит от конструкции электрохимической ячейки (разделение на анод и катод, через которые проходит постоянный ток);
• выделение энергии в виде электрической.

Большая часть коррозионных процессов в естественных условиях относится к электрохимическим. Они часто протекают с участием электрохимических ячеек, подобных гальваническим элементам и называемых коррозионными элементами. Существуют два основных типа таких элементов:

• коррозионные элементы с разделенными анодными и катодными поверхностями (например, изделие, выполненное из разных видов металлов);
• коррозионные элементы с неразделенными анодными и катодными поверхностями, в которых вся поверхность металла служит и анодом, и катодом (например, изделие, выполненное из одного вида металла).

Рисунок 1 — Коррозионный элемент: а) – анодная и катодная поверхности различимы; б) – анодная и катодная поверхности неразличимы

Чтобы произошла электрохимическая коррозия металла, необходимо присутствие окислителя, способного восстанавливаться. Чаще всего окислителем является растворенный в воде кислород.

Коррозия в грунте, как правило, протекает именно по электрохимическому механизму с кислородной деполяризацией. Электрохимическая коррозия всегда требует наличия электролита (роль электролита играет влага, содержащаяся в грунте – конденсат, грунтовая вода и т.п.), с которым соприкасаются электроды – либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с отличающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, электропроводность ее повышается, и скорость процесса соответственно увеличивается.

Однако для реакции электролитической диссоциации необходим электрический ток. Откуда он берется в грунте? Существует два источника тока – внешний и внутренний.

Внешний источник – блуждающие токи. Образуются они путем утечки с разных источников: железнодорожных и трамвайных путей, подземной техники, поврежденного электрического кабеля, заземлителей и т.д. Удельное сопротивление сваи ниже, чем грунта, потому ток переходит в нее, образуя катодную зону, и покидает ее, уходя обратно в землю, создавая уже анодную зону. Единичные случаи прохождения блуждающего тока не повлияют на сваю, но постоянное действие разрушает ее металлическую структуру. Электрохимическая ячейка, образованная внешним источником тока, называется электролизером.

Кроме того, электрическая энергия может образовываться из химической в ходе электрохимической реакции, что является внутренним источником образования электрического тока. Реакция, химическая энергия которой в элементе превращается в электрическую, называется токообразующей реакцией. Электрохимическая ячейка, способная сама производить электрический ток, называется гальваническим элементом.

Электрохимическая коррозия – это самый распространенный вид коррозии, поэтому ниже мы подробно рассмотрим ее на примере винтовых свай.

2. Воздействие электрохимической коррозии на свайно-винтовой фундамент

Для фундамента на винтовых сваях наибольшую опасность представляют два подвида электрохимической коррозии – почвенная и атмосферная.

Почвенная коррозия – разрушение подземных металлических сооружений под действием почвенного электролита. На поверхности металлических изделий, находящихся в контакте с почвенным электролитом, из-за местных неоднородностей металла или электролита возникает большое количество коррозионных элементов.

Однако нельзя забывать, что почвы и грунты чрезвычайно разнообразны и не только в пределах крупных регионов, но и в пределах одного небольшого участка. То есть на сравнительно небольшой площади могут встречаться грунты с разной степенью коррозионной агрессивности: высококоррозионные (тяжелые глинистые, которые на протяжении долгого времени удерживают влагу), среднекоррозионные (суглинки) и практически инертные в коррозионном отношении (супеси, песчаные грунты).

На разницу протекания коррозионных процессов в разных грунтах указывает и Британский стандарт BS 8004 «Фундаменты» (пункт 10.3.5). В соответствии с данным документом остаточная толщина стальных свай, устанавливаемых в ненарушенные почвы, «остается в пределах допустимых значений толщины даже после многих десятилетий эксплуатации», так как скорость коррозии в данных грунтах не превышает 1-2 мм за 100 лет. В то же время в нарушенных почвах «использование окислительно-восстановительного потенциала, удельного сопротивления грунта и значений рН может иметь определенное значение для прогнозирования скоростей коррозии». Однако даже в этом случае толщину металла следует подбирать исходя из степени агрессивности нарушенных почв.

Выдержки из Британского стандарта показывают, что на скорость протекания почвенной коррозии влияет и ряд дополнительных факторов: влажность грунта, его пористость (воздухопроницаемость), кислотность, электропроводность, минералогический состав и неоднородность. В зависимости от характера изменений какого-либо из указанных параметров может произойти как ускорение коррозионных процессов, так и их замедление.

Атмосферная коррозия – разрушение конструкций, оборудования, сооружений, эксплуатируемых в атмосфере. Считается, что она менее губительна, чем почвенная. Однако рассматривая это утверждение, необходимо учитывать тип почв: если это тяжелая глинистая почва и мероприятия по водоотведению не проведены, то она как правило хорошо удерживает влагу. Следовательно, скорость коррозии будет выше. Если это суглинок, то разница между почвенной и атмосферной коррозией уже менее значительна. Если же это супесь или песок, то степень разрушительности почвенной коррозии сопоставима с атмосферной.

Скорость атмосферной коррозии также не является величиной постоянной и зависит от природы металла, окружающей его атмосферы и особенно влажности воздуха. Эта скорость изменяется от минимума для сухой и до максимума для влажной атмосферной коррозии.

Все это свидетельствует, что металл разрушается не с постоянной скоростью, а скачкообразно: на определенном этапе скорость может увеличиться (сразу после установки из-за вмешательства в структуру грунта, весной/осенью при высокой влажности воздуха), а затем уменьшиться в разы (из-за уплотнения грунта, произошедшего естественным путем, в жаркий сухой сезон). То есть скорость протекания процесса коррозии металла имеет нелинейный характер и находится в сильной зависимости от условий окружающей среды, воздействуя на которые можно свести негативное влияние внешних факторов к минимуму, увеличив тем самым срок службы металлоконструкций не на один десяток лет.

Так ограничение доступа кислорода и/или воды может привести к существенному замедлению процесса коррозии. Для фундаментов из винтовых свай обязательна правильная обшивка цоколя с обустройством дренажной системы, которая снижает влажность, а значит и скорость развития коррозионных процессов. Технические решения по устройству цоколя для фундамента из винтовых свай собраны в разделе «Отделка и утепление цоколя».

2.1. Особенности влияния условий протекания почвенной коррозии на скорость развития коррозионных процессов винтовых свай

Существует ряд дополнительных факторов, на которые также стоит обратить внимание, рассматривая механизмы воздействия почвенной коррозии на металлические конструкции.

Если катод и анод расположены близко друг к другу (например, стальная свая), а рН влаги в грунте >5, коррозионные продукты могут образовывать покрытие, защищающее поверхность стали. В этом случае коррозия будет равномерной, и ее скорость будет падать во времени.

Если анод и катод удалены друг от друга (например, стальной трубопровод), и это удаление составляет порядка 1-2 км, то образующиеся на аноде ионы металла будут мигрировать с током к катоду. Продукты коррозии будут оседать между анодом и катодом. Поэтому они не образуют защитного покрытия на аноде, где будет активно проходить питтингообразование. Поскольку защитное покрытие на аноде не образуется, скорость коррозии не убывает во времени, а может наоборот возрастать. Если площадь катода во много раз больше площади анода, то анодная плотность потока, а значит, и скорость питтингообразования, будет высокой.

Исследованию работы стальных свай уделено немало внимания. К примеру, английские исследователи Е. Прентис и Л. Уайт в своей работе «Подводка фундаментов под существующие здания» отмечают, что металлическая оболочка сваи остается неповрежденной до тех пор, пока она соприкасается с грунтом. Одним из возможных объяснений этого явления может служить то обстоятельство, что поверхность оболочки каждой такой сваи вследствие наличия в грунте кислорода несколько ржавеет, причем этот образующийся слой ржавчины благодаря соприкосновению с землей удерживается на месте, не позволяя обнажиться следующему слою, который мог бы оказаться подверженным коррозии. Иными словами, благодаря образованию некоторого налета ржавчины труба оказывается защищенной этим слоем от дальнейшего ржавления. Они также приводят в качестве примера тот факт, что в соответствии с нью-йоркскими строительными нормами при использовании набивных свай в стальных оболочках под новое строительство внутреннюю арматуру не применяют, а из эффективной площади сечения трубы при расчетах исключают наружное кольцо толщиной в 1,5 мм. Подразумевается, что остальное сечение трубы коррозионному разрушению подвергаться не будет. Обобщая американский исследовательский опыт, Д.А. Леонардс и другие в труде «Основания и фундаменты» анализируют опыт применения трубчатых и Н-свай в Нью-Йорке, Кливленде, Чикаго и указывают на то, что обычно коррозия стальных свай отсутствует, если они находятся ниже уровня циркуляции воздуха, т.е. примерно на 60 см ниже поверхности земли, а колебания УПВ в отсутствие воздуха не влияют на их разрушение.

Остановимся подробнее на вопросе коррозионного разрушения металлических свай, погружаемых с вытеснением грунта в их объеме и работающих затем в уплотненном глинистом грунтовом массиве. Как правило, плотность грунта у боковой поверхности свай, погружаемых с полным вытеснением грунта, увеличивается на 10% и более. При этом, соответственно, снижается пористость грунта, а коэффициент фильтрации уменьшается в десятки и сотни раз. Действительный срок службы таких свай в зависимости от инженерно-геологических и эксплуатационных условий можно установить.

В результате уплотнения грунта скорость коррозии свай резко снижается. Известный советский инженер Э.М. Гендель в своей работе «Инженерные работы при реставрации памятников архитектуры» пишет, что коррозирует только внешний слой металла толщиной 3-4 мм, а образовавшаяся при этом пленка защищает его от дальнейшего разрушения. Отметим также, что даже начавшийся процесс коррозии сваи в грунте должен стать затухающим: связав весь свободный кислород, продукты коррозии, значительно увеличиваясь в объеме по сравнению с исходным металлом, дополнительно уплотняют окружающий массив грунта.

Источник