elima.ru
Вход
СтатьиПроектирование и строительство транспортных сооружений

Разрушение фундаментов транспортных сооружений при электрокоррозии

А. А. Кудрявцев, В. Г. Каратаев, С. Е. Гуков, Е. В. Дегтяренко

Рассмотрены вопросы электрокоррозионного разрушения фундаментов транспортных сооружений железных дорог, электрифицированных на постоянном токе. Предложен вариант узла сопряжения стальных опор с железобетонными фундаментами, позволяющий значительно повысить уровень электроизоляции опоры.

Введение

Железобетонные фундаменты транспортных сооружений, эксплуатируемых на электрифицированных железных дорогах с постоянным током, подвергаются весьма опасному воздействию токами утечки с рельсов.

Рельсы, как известно, являются обратными проводниками тока. Но не весь ток протекает по рельсам. Часть его ответвляется и протекает к тяговым подстанциям по земле. Конструкции, с которых стекают в землю тяговые токи, подвергаются электрокоррозионным разрушениям. К их числу относятся конструкции фундаментов опор контактной сети, платформ, светофоров, шпалы, свайные фундаменты мостов и ряд других, которые так или иначе соединены с рельсами (рис. 1).

image

Рис. 1. Схема стекания тока с металлических (а) и железобетонных (б) опор контактной сети: 1 – опорная конструкция; 2 – фундамент; 3 – заземляющий спуск; 4 – искровой промежуток

Электрокоррозионные процессы в железобетонных фундаментах

При стекании тока с арматуры, расположенной в теле фундаментов, в окружающую среду происходит электролиз металла. Арматура постепенно уменьшается в сечении. Образующиеся продукты коррозии, имеющие объем в 2,5…4 раза больше объема основного металла, оказывают внутреннее давление на бетон. При этом в бетоне образуются трещины, конструкции теряют целостность. Для того чтобы обоснованно принимать решения о работоспособности фундаментов, подвергшихся электрокоррозионным разрушениям, необходимо изучить характер стекания тока с арматуры фундаментов в бетон, механику растрескивания бетона, оценить состояние арматуры в зависимости от ширины раскрытия трещин. Кроме того, необходимо разработать конструктивные решения повышения электрокоррозионной стойкости железобетонных фундаментов и их защиты от токов стекания с рельсов.

Изучение картины токов стекания и механики растрескивания проводилось на образцах, размеры сечения которых были близки или в точности совпадали с размерами натурных конструкций. Закладываемые в образцы арматурные стержни изготавливались составными как по длине, так и по сечению. Составные стержни позволили получить пространственную картину токов стекания, оценить влияние электрических полей, возникающих в бетоне у рядом расположенных стержней. Напряженное состояние бетона изучалось с применением тензометрии. С этой целью была разработана специальная методика защиты тензорезисторов от увлажнения и давления газов.

Результаты экспериментальных исследований электрокоррозионных процессов в железобетонных фундаментах

Влияние трещин в бетоне на механику работы конструкции изучалось на крупномасштабных моделях и натурных конструкциях. Проведенные исследования показали следующее.

Электрокоррозионные разрушения в железобетонных транспортных сооружениях, в том числе мостах, возникают только в местах соприкасания их с грунтом или водной средой. В надземных частях, в частности в пролетных строениях мостов, электрокоррозия не развивается. Исключение могут составлять конструкции, в которых перетекание токов с элемента на элемент идет через водную среду, например у опор контактной сети, устанавливаемых в фундаменты стаканного типа.

Стекание тока с арматурных стержней идет неравномерно как по длине (глубине) фундамента или сваи, так и по сечению. Наибольшая плотность токов наблюдается на концевых участках, то есть в пределах одного метра от уровня грунта (рис. 2, а) и у подошвы фундамента (рис. 2, б), а также на уровне грунтовых вод. При наличии в грунтах или грунтовых водах хлоридов или сульфатов плотность токов увеличивается в 3…5 и более раз.

imageimage


Рис. 2. Разрушение железобетонной опоры (а) и полок стаканного фундамента (б) на концевых участках

В поперечных сечениях железобетонных элементов стекание тока с поверхностей арматуры, обращенных к наружным граням, примерно на 10…20% больше, чем обращенных внутрь. При принятых в железобетоне расстояниях между арматурными стержнями можно в первом приближении принимать, что стекание идет равномерно со всех арматурных стержней. Экранирование можно не учитывать.

Характерно, что величина тока стекания с любой конструкции с течением времени уменьшается. Объяснить это можно повышением электросопротивления продуктов коррозии в защитном (приарматурном) слое бетона, то есть закрытием поверхности металла продуктами коррозии. Иначе говоря, электрический ток, вызывая в начальный период интенсивное растворение металла, одновременно создает условия для затухания коррозионного процесса. Затрудненность диффузии продуктов растворения металла в арматурных стрежнях создает условия для их накопления, а ограниченность объема приводит к росту давления на бетон.

Повышение электросопротивления в приарматурном слое зависит от продуктов коррозии и, возможно, от выделения газа. Это особенно ощутимо в тех случаях, когда бетон имеет повышенную плотность, при этом диффузия газа затруднена.

Электрокоррозионные процессы по границе фундаментов и конструкций опор контактной сети

Стекание электрического тока с арматуры в бетон приводит не только к растворению металла и возникновению давления на границе раздела металл–бетон, но и к изменению условий устойчивого существования основных составляющих цементного камня.

Исследования показали, что с увеличением времени действия тока уменьшается объем гелеобразной составляющей цементного камня, происходит увеличение макропористости, ослабляется прочность контактной зоны цементный камень–заполнитель. Однако деструктивные процессы в бетоне все-таки в меньшей степени влияют на прочность железобетонных элементов, чем сама коррозия арматуры и нарушение целостности конструкции. Из двух перечисленных факторов на целостность конструкции при обследованиях обращается меньше внимания, чем на ослабление сечений арматуры. Объясняется это, по-видимому, тем, что при обрушениях всегда видны анкерные болты или арматура. Но если рассмотреть весь процесс разрушения фундаментов под нагрузкой, то можно отметить, что во многих случаях именно потеря целостности бетона и приводит к резкому снижению прочности.

Результаты экспериментальных исследований электрокоррозионных процессов по границе фундаментов и конструкций опор контактной сети

Как показали исследования, к моменту появления трещин в бетоне от давления продуктов коррозии толщина пленки ржавчины не превышает 1*10-2 мм, то есть ослабление сечения арматуры еще очень мало. Трещины могут начать свое развитие либо от контура арматурного стержня, либо от наружной поверхности конструкции. Это зависит от соотношения толщины защитного слоя и диаметра арматурного стержня. Характер дальнейшего разрушения конструкции будет зависеть от формы поперечного сечения и системы армирования.

Тонкостенные конструкции, например, двутаврового или кольцевого сечения растрескиваются по плоскостям арматурных каркасов и поперек стенок. У таких конструкций рабочее сечение уменьшается вдвое, так как защитный слой бетона, а он составляет почти половину толщины стенки, отслаивается. В меньшей степени нарушается целостность конструкций прямоугольного сечения (рис. 3). Но и у них могут быть довольно сильные разрушения в углах, особенно тогда, когда там расположено несколько анкерных болтов или арматурных стержней.

image

Рис. 3. Разрушение призматического фундамента на уровне грунта

При электрокоррозии трещины фактически соединяют все рядом расположенные анкерные болты или арматурные стержни, а иногда и расположенные в смежных углах (рис. 4). В этих случаях бетонное сечение уменьшается на 30…40%, ослабляется сцепление болтов с бетоном, а в ряде случаев болты выдергиваются из ниже расположенных частей фундаментов.

Охрупчивание стержневой арматуры классов А240 (А-I)…А400 (А-III) при электрокоррозии не происходит. У высокопрочной проволоки класса Вр1200 (Вр-II) пластические свойства несколько ухудшаются. Кроме того, даже незначительное ослабление сечений приводит к ее перенапряжению. Поэтому в элементах, подверженных электрокоррозии, высокопрочную проволоку применять не рекомендуется. Однако некоторые из транспортных конструкций, например шпалы и опоры контактной сети, приходится изготавливать именно с применением этой арматуры. Исключить ее нельзя, поэтому необходимо серьезно заниматься защитой таких конструкций от токов стекания с рельсов.

image

Рис. 4. Схемы развития трещин в углах ступенчатых фундаментов: 1 – анкерный болт, подвергающийся коррозии; 2 – бетон

Конструктивные мероприятия по повышению сроков службы фундаментов, подверженных электрокоррозии

Повысить сроки службы фундаментов в условиях воздействия на арматуру токов стекания с рельсов можно несколькими способами, в частности: разомкнуть электрическую цепь рельсарматура; изолировать анкерные болты и арматуру от бетона; нанести защитные покрытия на фундаменты; применить электропроводный бетон с электронной проводимостью; заменить стальную арматуру на стеклопластиковую.

Все указанные способы в той или иной степени проработаны, установлены их преимущества и недостатки.

За счет электроизоляции арматуры и анкерных болтов повысить электросопротивление фундаментов до требуемого уровня (10 кОм) очень трудно. При первых же грозовых перенапряжениях электроизоляция пробивается и в дальнейшем не восстанавливается. К тому же все полимерные материалы очень быстро стареют, электроизолирующие свойства их снижаются.

В 80-х годах прошлого столетия в ЛИИЖТе совместно с Институтом химии силикатов были разработаны неорганические стекловидные защитные покрытия. Но технология их нанесения оказалась очень сложной. Поэтому дальнейшие исследования по электроизоляции арматуры и анкерных болтов от бетона были приостановлены.

Наносить электроизоляцию на поверхность фундаментов и фундаментных частей опор также оказалось бесперспективно. Любые изолирующие покрытия, в том числе пропиточная изоляция, при транспортировании и монтаже повреждаются.

Применять электропроводный бетон с электронной проводимостью можно. Накоплен опыт применения такого бетона в заземлителях. Но прочностные свойства его невелики и нестабильны. До широко его применения в несущих конструкциях еще нужно провести дополнительные исследования и отработать технологию получения высокопрочных бетонов со стабильными свойствами.

Проще всего при новом строительстве предотвратить стекание тока с рельсов через опоры и фундаменты за счет врезки электроизоляции в узлы стыкования опорных и поддерживающих конструкций железобетонных опор и фундаментов. Такой подход повышения электрического сопротивления железобетонных опор реализован давно. С течением времени конструкции электроизолирующих деталей постоянно совершенствовались.

image

Рис. 5. Электроизоляция шпилек фундаментных болтов

Электроизолированные сопряжения металлических опор с фундаментами также разработаны, но широкого распространения они не получили. Пока реализовано два подхода. В первом из них анкерные болты, а точнее шпильки, изолируются от бетона с помощью труб из полимерных материалов, закладываемых в бетон при изготовлении фундаментов (рис. 5).

База металлических опор изолируется от фундамента с применением листовых полимерных материалов, как показано на рис. 5. Возможно применение решений, когда изоляция устанавливается в узлы стыкования опор с фундаментами так, как показано на рис. 6. Изолирующие детали представляют собой шайбы, изготавливаемые из стеклопластика АГ-4С.

image

Рис. 6. Узел крепления опоры

Первый подход разработан ВНИИЖТом совместно с ЦНИИСом и реализован на Октябрьской железной дороге при реконструкции участка Санкт-Петербург–Москва. Второй подход разработан учеными ЛИИЖТа (ПГУПС) и реализован на Латвийской железной дороге при реконструкции участка Рига–Юрмала.

Опыт возведения и эксплуатации опор с такими соединениями показал, что второй вариант конструктивного решения проще, чем первый, при монтаже и надежнее при эксплуатации. За 25…30 лет эксплуатации опор на Латвийской железной дороге не было ни одного случая выхода из строя электроизоляции и каких-либо других повреждений в сопряжениях опор с фундаментами. Уровень электроизоляции во всех случаях оставался выше требуемого (10 кОм) даже в условиях увлажнения. К тому же предложенная конструкция сопряжения позволяет при монтаже легко устанавливать опоры строго вертикально и рихтовать их в процессе эксплуатации в случае наклона фундаментов, например, в пучинистых грунтах.

Исследования напряженно-деформированного состояния опор контактной сети при применении регулирования в анкерных болтах

Для выяснения работоспособности предложенных соединений в ЛИИЖТе (ПГУПС) проведены обширные исследования. Их целью являлось изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) баз опор и анкерных болтов. Была создана пространственная конечно-элементная модель, проведен анализ напряженно-деформированного состояния в упругой стадии работы с применением проектно-вычислительного комплекса Structure CAD для Windows (SCAD).

Моделирование проводилось в два этапа. Первоначально напряжённодеформированное состояние опоры оценивалось в предположении работы опорной плиты как на упругоподатливом основании, а фиксация ее к фундаменту осуществлялась абсолютно жёсткими связями отрыва.

Определив в итоге, что на конечные результаты напряжённодеформированного состояния сильное влияние оказывают условия закрепления на опорах, в модель были введены связи, моделирующие податливость анкерных болтовых соединений.

После проведенного стендового натурного эксперимента, целью которого было определение деформаций опорных пластин в угловых точках и параметров податливости болтового соединения, в расчетную модель были внесены коррективы. А именно, произведён учёт податливости болтовых соединений для опорной пластины растянутого пояса. Для опорной пластины сжатого пояса произведён учёт упругой податливости основания.

Это позволило наиболее точно смоделировать напряженнодеформированное состояние элементов, учесть деформационные свойства материалов как фундамента, так и самого болта, регулировочных и крепёжных гаек, учесть воздействие предварительного натяжения анкерных болтов.

Проведенные в дальнейшем испытания опор (на Царскосельском заводе «София») подтвердили результаты теоретических исследований.

Заключение

Предложенная конструкция опоры на регулируемых болтах и конструктивные решения ее электроизоляции вполне работоспособны и должны найти широкое применение в практике строительства.

Оригинал статьи
twitter.comfacebook.comvk.comconnect.ok.ru
Если вы являетесь правообладателем данной статьи, и не желаете её нахождения в свободном доступе, вы можете сообщить о свох правах и потребовать её удаления. Для этого вам неоходимо написать письмо по одному из адресов: root@elima.ru, root.elima.ru@gmail.com.