Виды коррозии винтовых свай: какие процессы действительно опасны и как защитить фундамент
Статья расскажет о том, какие виды коррозии винтовых свай существуют, что может стать причиной ржавления металла, а также о том, как оградить фундамент от негативного воздействия окружающей среды.
В компании работает с 2022 года. Принимает участие в решении задач в рамках следующих направлений деятельности ГК «ГлавФундамент»:
- полевые испытания грунтов;
- геофизические исследования;
- обследования зданий и сооружений.
- Что называют коррозией винтовых свай
- Основной риск: почвенная электрохимическая коррозия
- Зоны винтовой сваи и условия их работы
- Что не является видом коррозии, но влияет на срок службы
- Как оценивают коррозионную агрессивность грунта
- Как КАГ влияет на конструкцию винтовой сваи
- Методы антикоррозийной защиты
- Что проверить до покупки и монтажа
- Основные выводы
Винтовые сваи, установленные в грунт, подвержены воздействию коррозии. Вероятность возникновения и скорость протекания коррозионных процессов, а также вид коррозии зависят от множества факторов: физических и химических характеристик грунта, марки стали, влажности среды и других.
Если вопрос о видах коррозии имеет не только теоретическое, но и практическое значение, важно также понимать, какая последовательность действий предотвратит ржавление винтовых свай. Нужно изучить грунтовые условия участка, оценить несущую способность и коррозионную агрессивность грунтов, выполнить расчет параметров сваи, влияющих на срок ее службы и при необходимости позаботиться о дополнительной защите фундамента.
Что называют коррозией винтовых свай
|
Вид коррозии винтовых свай |
Химическая |
Электрохимическая (большая часть естественных коррозионных процессов) |
|---|---|---|
| Как протекает? | Химическая реакция поверхности металла с коррозионно-активной средой. Не сопровождается возникновением электрохимических процессов. | Протекает через электродные реакции, чаще всего – во влажной среде. |
| Причины возникновения | Возникает при соприкосновении металла или сплава, из которого выполнена свая, с кислородом или жидкостью. | Возникает при наличии электролита (воды), окислителя (кислород) и электрического тока (блуждающие токи). 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. |
| От чего зависит срок службы? | От уровня водородного показатели кислотности среды (чем ниже рН и более кислая среда, тем выше скорость коррозии), от типа грунта. | Единичные случаи не повлияют на сваю, но постоянно воздействие разрушит ее металлическую структуру. |
| Как снизить риски? | Ограничение доступа кислорода, жидкости (чем глубже установлена свая, тем ниже скорость химической коррозии). | Ограничить доступ влаги к сваям, увеличить толщину металла, использовать легированную сталь и катодную защиту. |
Основной риск: почвенная электрохимическая коррозия
Наибольшую опасность для винтовых свай представляют два подвида электрохимической коррозии – почвенная и атмосферная.
Электрохимическая атмосферная коррозия – воздействует на надземные конструкции и считается менее губительной чем почвенная (исключение – супеси и пески). Ее скорость зависит от природы металла, а кроме того, может меняться в зависимости от влажности окружающего воздуха.
Электрохимическая почвенная коррозия – разрушает подземные металлические сооружения под действием почвенного электролита: из-за местных неоднородностей на поверхности металла возникает большое количество коррозионных элементов.
Разные типы грунтов имеют разную степень коррозионной агрессивности:
- высококоррозионные (тяжелые глинистые, которые на протяжении долгого времени удерживают влагу);
- среднекоррозионные (суглинки);
- практически инертные в коррозионном отношении (супеси, песчаные грунты).
- влажность;
- пористость (воздухопроницаемость);
- кислотность (рН);
- электропроводность (удельное электрическое сопротивление);
- минералогический состав;
- степень неоднородности.
| Фактор | Почему он важен | Что нужно выяснить |
|---|---|---|
| Влажность |
Вода в грунте выступает в роли электролита в электрохимических реакциях |
Степень водонасыщения, уровень появления и установления грунтовых вод |
| Пористость, проницаемость |
Обеспечивает постоянный доступ кислорода, который выступает в роли окислителя в электрохимических реакциях |
Определить физико-механические свойства грунтов |
| Химический состав, в т.ч. водородный показатель pH |
Вода с растворенными ионами солей или кислот обладает большей электропроводностью, из-за чего скорость коррозионных процессов увеличивается. Наличие грунтов с водородным показателем pH ниже 3 (сильнокислотные) и выше 11 (щелочные) накладывает серьезные ограничения на использование металлических покрытий, например, горячего цинкования |
Определить химических свойств грунта |
| Неоднородность грунта |
В пределах одной площадки могут залегать грунты с разной степенью коррозионной агрессивности |
Построить геолого-литологический разрез |
Зоны винтовой сваи и условия их работы
Надземная часть
Надземный участок испытывает атмосферное воздействие. Здесь покрытие не подвергается истиранию грунтом. Его состояние можно контролировать визуально и при необходимости обслуживать, восстанавливая защитный слой.
Переходная зона «атмосфера–грунт»
Подвержена воздействию электрохимической почвенной коррозии.
В области около поверхности земли свая одновременно контактирует с грунтом, структура которого неизбежно нарушается при погружении, и воздухом. Здесь также высока вероятность наличия влаги. Тем не менее, в зависимости от типа грунта степень его коррозионной агрессивности может отличаться.
Покрытие на этом участке может сохранить целостность, но даже в этом случае не может рассматриваться в качестве основой защиты от негативного воздействия среды на металл. Восстановить его невозможно.
Нижняя подземная часть
Также подвержена воздействию электрохимической почвенной коррозии.
При погружении лопасть и ствол испытывают наибольшее абразивное (на истирание) воздействие, поэтому покрытие здесь однозначно получит максимальные повреждения.
В то же время из-за ограниченного доступа кислорода и влаги, а также высокой плотности грунт на этом участке более инертен к металлу, чем в средней части.
Что не является видом коррозии, но влияет на срок службы
Абразивное воздействие при завинчивании
В процессе погружения конструкция действительно подвергается механическому воздействию. Оно неизбежно приводит к нарушению целостности антикоррозийного покрытия, а иногда, в сочетании с рядом других факторов, даже может стать причиной возникновения коррозионных процессов в будущем. Однако это разовое воздействие, поэтому говорить о механической эрозии здесь неуместно.
Часто в качестве причины механической эрозии указывают ошибки монтажа, однако это также не соответствует действительности. Сам способ установки винтовых свай – завинчивание в сочетании с вдавливанием – предполагает значительное абразивное воздействие грунта на наконечник, лопасти и ствол.
Что касается покрытия, то его изначально не следует рассматривать в качестве основного способа защиты, как и учитывать в расчетах срока службы свай. Целесообразнее использовать легированную сталь, увеличить толщину стенки ствола и лопастей и т.д.
Дефекты сварных соединений
сварного шва
- материалы (как главные, так и сварные) низкого качества;
- несоответствие между сварным и главным материалами;
- некачественная подготовка сварного участка металла;
- нарушения технологии сварки;
- непрофессионализм сварщика.
Проверка качества сварных соединений проходит в два этапа.
1. Визуально-измерительный контроль. Основывается на получении первичной информации в ходе наблюдений или с помощью оптических приборов и средств измерений. Не позволяет оценить сплошность сварного шва.
2. Неразрушающий контроль. Основные методы – капиллярная дефектоскопия (ГОСТ 18442 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы») и ультразвуковой контроль (ГОСТ 14782 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые», ГОСТ 18353 «Неразрушающий контроль. Классификация методов и видов»).
При капиллярной дефектоскопии используют специальные индикаторные жидкости, которые проникают в поверхностные дефекты под действием капиллярного давления, повышая свето- и цветоконтрастность дефектного участка.
Ультразвуковой неразрушающий контроль сварных соединений (УЗК) выявляет дефекты, находящиеся на глубине от 1-2 мм до 6-10 мм от поверхности сварного шва.
Самостоятельно проконтролировать качество сварных швов невозможно, поэтому при покупке винтовых свай следует запрашивать у производителя отчет о сплошности сварного шва. Сертификат качества, ISO и другие документы не могут подтвердить качество конкретной партии винтовых свай.
Чтобы защитить от коррозии сварные соединения, которые выполняются уже на площадке строительства (приварка оголовков, монтаж металлического ростверка), после завершения работ конструкции обязательно должны быть очищены от шлака и загрязнений и полностью окрашены.
Как оценивают коррозионную агрессивность грунта
Полевые геологические исследования
- наиболее эффективно оценить грунт в состоянии его естественного залегания;
- определить физико-механические характеристики грунтов, необходимые для проектирования фундамента любого типа;
- выявить слабые прослойки или резкие изменения границ несущего слоя, специфические грунты;
- определить уровень появления и установления грунтовых вод.
Оценка геолого-литологического строения площадки
- идентификация литологических типов грунтов (глина, песок, гравий и др.);
- определение характера напластования грунтов (литологический разрез);
- определение уровня подземных вод в пределах исследуемой толщи грунтов;
- выявление специфических грунтов (просадочных, набухающих, пучинистых, слабых).
Однако геотехнические и геолого-литологические исследования не заменяют оценку коррозионного агрессивности грунтов.
Одновременно с ГОСТ 9.602 «Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии», который регламентирует оценку коррозионной агрессивности грунтов по отношению к стали, действует ГОСТ 31384 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования», регламентирующий оценку коррозионной агрессивности грунта по отношению к бетону.
Таким образом, оценка коррозионной агрессивности должна проводиться не только по отношению к стали, но и к любому материалу, из которого выполнен фундамент.
| Степень агрессивности грунта | Вид материала | Скорость разрушения |
|---|---|---|
| Слабая | Бетон |
Разрушение бетона на глубину не более 10 мм за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение <0,01 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Средняя | Бетон |
Разрушение бетона на глубину не более 20 мм за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение 0,01-0,05 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Сильная | Бетон |
Разрушение бетона на глубину 20 мм и более за 50 лет эксплуатации. |
| Сталь | Разрушение 0,05-0,1 мм стали за 1 год эксплуатации. | |
| Очень сильная | Бетон | |
| Сталь | Разрушение >0,1 мм стали за 1 год эксплуатации. |
Указанные диапазоны позволяют примерно оценить негативное воздействие среды. Для точного расчета срока службы фундамента нужно учесть геометрические параметры свай, нагрузки от надземной части сооружения и условия конкретного участка.
Пробное завинчивание не заменяет геологические исследования. Контроль крутящего момента применяют для подтверждения несущей способности, принятой в расчетах, но он дает информации о несущей способности основания и не определяет коррозионную агрессивность.
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
| Плюсы | Минусы |
|
|
|
|
|
|
|
Как КАГ влияет на конструкцию винтовой сваи
| Параметр | Основания для назначения |
|---|---|
| Марка стали |
Требования к жесткости и прочности; грунтовые условия (в том числе
данные о
коррозионной агрессивности грунтов (КАГ); условия эксплуатации.
|
| Толщина стенки ствола сваи, мм |
Данные о КАГ; требования к жесткости, прочности.
|
| Диаметр ствола сваи, мм |
Данные о КАГ; требования к жесткости, прочности, устойчивости.
|
| Длина сваи, мм |
Показатели расчетной глубины промерзания; несущая способность
основания.
|
| Диаметр лопасти, мм, количество лопастей |
Данные о нагрузках от строения (в соответствии с требованиями к
устойчивости);
несущая способность основания.
|
| Конфигурация лопасти |
Данные о физико-механических свойствах грунтов: пористость, степень
насыщения
водой, консистенция, гранулометрический состав и др.
|
Методы антикоррозийной защиты
| Мера | Роль в системе защиты | Что важно учитывать |
|---|---|---|
| Расчет толщины металла | Основная. Важнейший показатель, влияющий на долговечность, прочность и надежность винтовой сваи. | Подбирается только на основании расчетов, учитывающих КАГ и требования к жесткости и прочности. Так как свая приходит в негодность раньше, чем под действием коррозии разрушается весь металл, на этапе проектирования всегда должна выполняться проверка минимальной остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам. |
| Выбор марки стали | Основная. Введение в состав металла легирующих добавок повышает его физико-механические свойства и коррозионную стойкость. | Грунтовые условия (в т.ч. КАГ) и условия эксплуатации, а также требования к жесткости и прочности. |
| Заполнение канала ствола | Дополнительная, если толщина стенки ствола составляет 6мм и более, а оголовок проварен полностью (п. 9.2.2 СП 28.13330 «Защита строительных конструкций от коррозии»). Защищает внутреннюю поверхность ствола от коррозии, повышает жесткость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок и глушит вибрации. | Бетонный или песчано-цементный раствор можно без ущерба для качества заменить сухой ПЦС, особенно если монтаж выполняется при отрицательной температуре. После засыпки раствор или смесь следует обязательно уплотнить с помощью металлического стержня, чтобы избавиться от воздушных полостей. |
| Использование цинковых анодов | Дополнительная. Разновидность катодной защиты: поскольку площадь катода (сваи) значительно больше площади анода (электроотрицательного элемента), кольцо корродирует активнее, эффективно защищая сваю. | Несмотря на схожий принцип действия использование цинковых покрытий в случае с винтовыми сваями в большинстве грунтов не даст того же эффекта. В соответствии с п. 9.2.8 СП 28.13330 «Защита строительных конструкций от коррозии» металлические покрытия не могут быть применены в грунтах с водородным показателем pH ниже 3 (сильнокислотные) и выше 11 (щелочные). |
| Использование антикоррозийных покрытий, в т.ч. металлических | Дополнительная. Из-за способа установки винтовых свай высока вероятность повреждения краски при погружении. | Покрытие, даже сохранив свою целостность, прослужит не более 10-15 лет. |
| Обшивка цоколя и устройство дренажной системы | Дополнительная. Ограничивает доступ влаги к металлоконструкциям и снижает скорость коррозии. | Технологические особенности зашивки цоколя и устройства фундаментной отмостки. |
Полимерные, полиуретановые и эпоксидные покрытия
Покрытие – дешевый и действенный метод, если речь идет о дополнительной защите винтовых свай. Его эффективность будет во многом зависеть от качества подготовки поверхности перед окрашиванием и толщины слоя краски.
Перед нанесением покрытия поверхность должна быть механически зачищена до степени 2 по ГОСТ 9.402 – должна быть равномерно шероховатой и иметь металлический блеск. Удаляются острые кромки, выступы и окалины в зоне сварного шва. После этого она обезжиривается до степени 1 по ГОСТ 9.402. Окрашивать сваю следует не позднее, чем через сутки после обработки.
От толщины покрытия зависит его абразивостойкость, что имеет принципиальное значение для винтовых свай. В ходе испытаний полиуретановые и эпоксидные составы, а также грунты и эмали по ржавчине показали наибольшую эффективность при нанесении слоем от 30 до 60 мкм. Полимерные – при толщине от 80 до 120 мкм. Избыточная толщина способна привести к отслаиванию.
Качество покрытия также будет отличаться при нанесении на ровную поверхность и на сварные швы, на производстве и в полевых условиях. Некоторые составы вовсе невозможно применить без специальных условий и оборудования (полимерные), что делает невозможным восстановление поврежденных участков на стройплощадке.
Горячее и холодное цинкование
Что проверить до покупки и монтажа
- Вы провели исследования и обладаете точной информацией о грунтовых условиях в пятне застройки.
- Вы знаете степень коррозионной агрессивности грунтов по отношению к углеродистой стали.
- У вас есть проект сооружения, содержащий информацию о нагрузках от здания, необходимой глубине погружения винтовых свай, об их длине, диаметре, параметрах лопастей (в т.ч. конфигурации), мерке стали.
- Толщина стенки ствола и лопасти винтовых свай, а также марка стали назначены на основании расчета срока службы и подтверждены проверкой остаточной толщины стенки ствола на соответствие проектным нагрузкам.
- Производитель предоставил паспорт качества на сырье, сертификат соответствия на покрытие, а также отчет о сплошности сварного шва конкретной партии свай.
- Маркировка винтовых свай содержит информацию обо всех участниках производственного процесса: клеймо сварщика, резчика, мастера смены и т.д.
- Выполняются ли строительно-монтажные работы в соответствии с технологической картой строительства фундамента из винтовых свай (экземпляр технологической карты должен предоставить подрядчик).
- Осуществляется ли во время монтажа контроль вертикальности, глубины установки и несущей способности винтовых свай.
- Были ли зачищены и окрашены сварные швы после установки оголовков.
- Заполняются ли стволы винтовых свай, если это предусмотрено проектом.
- Осуществляется ли фото или видеофиксация каждого этапа работ.
Основные выводы
Виды коррозии винтовых свай важно рассматривать, исходя из реальных условий эксплуатации. Надземная часть винтовой сваи может быть подвержена электрохимической атмосферной коррозии, а подземная – электрохимической почвенной коррозии. Абразивное воздействие при погружении свай, а также дефекты сварных соединений могут стать причинами возникновения и развития коррозионных процессов.
Надежная защита начинается с исследований грунта и оценки КАГ. Затем проектировщик рассчитывает параметры сваи, производитель подтверждает качество металла, швов и покрытия, а подрядная организация соблюдает технологию монтажа. Только такая последовательность позволяет гарантировать долговечность фундамента.
