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

По механизму протекания коррозия делится на химическую и электрохимическую.

Для химической реакции характерно:

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.

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.

Для электрохимической реакции характерно:

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

Для электрохимической коррозии металла необходимо присутствие окислителя, способного восстанавливаться. Чаще всего окислителем выступает растворенный в воде кислород.

Коррозия в грунте, как правило, протекает 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, а скорость процесса 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. Это внутренний источник 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.

Для фундамента из винтовых свай наибольшую опасность представляют два подвида электрохимической коррозии – почвенная и атмосферная.

На разницу протекания коррозионных процессов в разных грунтах указывает и Британский стандарт BS 8004 «Фундаменты» (пункт 10.3.5).

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

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: 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). Ограничение доступа кислорода и/или воды может привести к существенному замедлению процесса коррозии.

На что еще 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.

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.

Чтобы подобрать оптимальные геометрические (толщина стенки ствола и лопасти) параметры сваи, необходимо измерить коррозионную агрессивность грунтов на участке строительства, а также выполнить расчет срока службы с последующей проверкой остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.

Используя эти данные, специалисты проектного отдела заложат в проект фундамента те типоразмеры свай, которые наилучшим образом будут эксплуатироваться в конкретных грунтовых условиях.

Увеличение толщины металла – основной способ увеличения долговечности металлоконструкций – иногда позволяет полностью отказаться от защитного покрытия.

Срок службы самого современного и качественного неметаллического покрытия, даже соответствующего критериям ГОСТ 9.032 «Лакокрасочные покрытия», составляет не более 10 лет, а горячего цинкования, относящегося к металлическим покрытиям, – 15 лет (по данным Американского института стали и сплавов (AISI)). Более того, нет гарантии, что во время установки сваи из-за значительного абразивного воздействия или столкновения с острыми предметами (камнями и т.п.) покрытие не получит повреждений. В этом случае ставку, определенно, лучше делать на толщину металла.

ГК «ГлавФундамент» для обеспечения нормативного срока службы зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ 27751 «Надежность строительных конструкций и оснований» проводит на всех объектах измерения коррозионной агрессивности грунтов.

Легирование стали – это добавление в состав металла разных компонентов и химических соединений, которые улучшают физико-механические характеристики металла и защищают от коррозии. Стали марок 20Ст (углеродистая конструкционная сталь) и 30ХМА (высоколегированная сталь), увеличивают срок службы винтовых свай. По физико-химическим свойствам они превосходят широко применяемую сталь марки 3.

К анодным покрытиям можно отнести цинкование. Срок его службы зависит от толщины, износостойкости и скорости коррозии в конкретных условиях. Такое покрытие становится анодом при коррозии, а основной металл – катодом. Он будет защищен от разрушения до тех пор, пока сохраняется электрический контакт покрытия с металлом и через систему проходит достаточный ток, или до тех пор само покрытие не разрушится.

Однако с учетом абразивного воздействия грунта на защитное покрытие при погружении свайной конструкции, такие покрытия малоэффективны при эксплуатации в грунте. Их лучше использовать для защиты от атмосферной коррозии или коррозии в нейтральных либо слабокислых средах.

Эффективная альтернатива металлическим покрытиям – цинковые кольца. Здесь используется тот же эффект – создание пары из цинкового кольца (анод) и сваи (катод). Этот способ лишен всех минусов цинкования, что дает возможность для точного прогноза срока защиты. Преобладание площади катода (сваи) над площадью анода (цинковое кольцо) способствует более активному включению в процесс коррозии самого цинкового кольца.

Заполнение канала ствола винтовой сваи бетонным или песчано-цементным раствором замедляет развитие коррозионных процессов на внутренней поверхности ствола.

Правильная обшивка цоколя с устройством дренажной системы ограничивает доступ влаги к металлоконструкции и снижает скорость коррозии. Всем нашим клиентам мы бесплатно предоставляем варианты технических решений отделки и утепления цоколя.

Покрытие – только дополнительная мера защиты свай от коррозии, так как во время установки в грунт конструкции испытывают значительное абразивное воздействие.