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

Технология Гражданское строительство Промышленное строительство Проектирование Гарантия


Время чтения: 15 минут Интересно, но нет времени читать?

Отправка на почту статьи


Нажимая кнопку "Получить", я подтверждаю свою дееспособность и даю согласие на обработку своих персональных данных в соответствии с условиями



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

    1.1. Химическая коррозия металла винтовой сваи

    1.2. Электрохимическая коррозия металла винтовой сваи

2. Воздействие электрохимической коррозии на свайно-винтовой фундамент

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

3. Наиболее эффективные способы борьбы с коррозией винтовых свай

    3.1. Увеличение толщины лопасти и стенки ствола

    3.2. Использование легированной стали

    3.3. Нанесение металлических покрытий

    3.4. Заполнение канала ствола винтовой сваи. Обшивка цоколя

    3.5. Антикоррозионные покрытия винтовых свай

4. Выводы


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).

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

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. 

3. Наиболее эффективные способы борьбы с коррозией винтовых свай

3.1. Увеличение толщины лопасти и стенки ствола

Обязательным условием подбора оптимальных геометрических параметров (толщина стенки ствола и лопасти) для конкретного объекта является проведение измерений коррозионной агрессивности грунтов на участке строительства, а также выполнение расчета срока службы с последующей проверкой остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.

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

Толщина металла – важнейший показатель, влияющий на долговечность, прочность и надежность винтовой сваи. Увеличение толщины стенки ствола и лопасти существенно увеличивает срок ее службы: так за счет увеличения толщины металлопроката всего лишь на 1 мм срок службы винтовой сваи даже в наиболее агрессивных грунтах (зола, шлак), в которых практически не строят, увеличивается до 20 лет, не говоря уже об обычных грунтах, где этот показатель может доходить до 50 лет.

Увеличение толщины металла – основной способ увеличения долговечности металлоконструкций – в некоторых случаях полностью исключает применение защитного покрытия.

Срок службы самого современного и качественного неметаллического покрытия, даже соответствующего критериям ГОСТ 9.032-74 «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.

Компания «ГлавФундамент» для обеспечения нормативного срока службы зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» проводит на всех объектах измерения коррозионной агрессивности грунтов (подробнее в статье «Экспресс-геология: геотехнические и геолого-литологические исследования и измерения коррозионной агрессивности грунтов»).

3.2. Использование легированной стали

Выбирая сваи, уделите внимание марке стали. Хороший вариант – легированная сталь.

Легирование стали – это добавление в состав металла разных компонентов и химических соединений, которые улучшают физико-механические характеристики металла и защищают от коррозии. Использование стали марок 20 (углеродистая конструкционная сталь) и 30ХМА (высоколегированная сталь), увеличивает срок службы винтовых свай. По физико-химическим свойствам эти стали превосходят традиционно применяемую сталь марки 3. Подробнее о сталях рассказывается в статье «Использование стали различных марок в производстве винтовых свай».

3.3. Нанесение металлических покрытий

Этот метод – разновидность катодной защиты. К защищаемой конструкции замыкают накоротко более электроотрицательный материал – протектор. В создавшемся коррозионном элементе протектор становится анодом и защищает основную конструкцию, ставшую катодом, от разрушения.

К анодным покрытиям можно отнести цинкование. Срок его службы зависит от толщины, износостойкости и скорости коррозии в данных 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. Целесообразнее использовать их для защиты от атмосферной коррозии или коррозии в нейтральных либо слабокислых средах.

Эффективной альтернативой металлическим покрытиям для защиты свай является использование цинковых колец. Здесь используется тот же эффект – создание пары из цинкового кольца (анод) и сваи (катод). Этот способ лишен всех минусов, возникающих в случае применения цинкового покрытия, а именно – разрушения в ходе погружения, 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. 

3.4. Заполнение канала ствола винтовой сваи. Обшивка цоколя

Заполнение канала ствола винтовой сваи бетонным или песчано-цементным раствором замедляет развитие коррозионных процессов на внутренней поверхности ствола. Больше информации в статье «Обоснование необходимости бетонирования ствола винтовой сваи».

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 (примеры в разделе «Отделка и утепление цоколя»).

3.5. Антикоррозионные покрытия винтовых свай

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

Виды покрытий:

  • полимерные;
  • грунты-эмали по ржавчине;
  • полиуретановые;
  • эпоксидные;
  • цинковые (полученное методом горячего или холодного цинкования).
Подробные результаты испытаний перечисленных покрытий Вы можете найти в статье «Сравнительный анализ различных типов антикоррозийного покрытия.

4. Выводы

  1. Основным и наиболее эффективным способом борьбы с коррозией является увеличение толщины металла, использование легированных сталей и цинковых колец.
  2. Важно позаботиться об организации системы водоотведения, так как вода в сочетании с грунтом превращается в крайне агрессивную для металла среду. Ограничение доступа влаги к металлоконструкциям позволяет значительно снизить негативные последствия.
  3. Дополнительную защиту металла может обеспечить покрытие.
  4. Наличие ржавчины – это еще не конец света, а лишь начало длительного процесса, который протекает нелинейно: на определенном этапе его скорость может увеличиться, а затем замедлиться в разы. Более того, в определенных условиях слой ржавчины является дополнительной защиты от дальнейшей коррозии.
  5. Канал ствола сваи заполняется песчано-цементным либо бетонным раствором, который будет осуществлять поддерживающую функцию, даже если произойдет точечное разрушение металла, и минимизирует коррозионное воздействие на внутреннюю поверхность ствола.


Была ли информация для Вас полезной?
155
10
13
 
Текст сообщения*
Загрузить файл или картинкуПеретащить с помощью Drag'n'drop
Перетащите файлы
Ничего не найдено
Защита от автоматических сообщений

Статьи по теме