книги из ГПНТБ / Коррозия и защита сооружений на электрифицированных железных дорогах

рельсами существует большая опасность электрокоррозии тока­ ми утечки.

Чтобы установить, при каких условиях могут возникать

-электрокоррозионные повреждения арматуры (стали) в бетоне, ЦНИИ МПС совместно с Московским метрополитеном были проведены специальные исследования. Установлено, что харак­ тер разрушения стержней, находящихся в анодном состоянии, при одинаковой плотности тока утечки различен. В одних слу­ чаях происходит равномерное разъединение по поверхности, в дру­ гих — неравномерное. Возникновение трещин наступало быст­ рее на тех образцах, где электрокоррозионное повреждение стержня было более равномерное и меньше толщина защитного слоя бетона. При плотностях тока утечки до 0,6 мА/дм2 за два года ни один образец не был разрушен. Очевидно,, это является границей сохранения пассивного состояния стали в среде бето­ на. Величина плотности тока 0,6 мА/дм2 была выбрана забез-

опасную (допустимую). И в дальнейшем степень опасности электрокоррозии железобетонных конструкций стали оценивать по этой величине. Продукты коррозии арматуры занимают объем в 2,6 раза больший объема коррозированного металла, в результате чего они создают давление до 330 кгс/см2 на бетон­ ный слой и вызывают его распирание с последующим появлени­ ем трещин.

Лабораторными исследованиями установлено, что трещины на бетоне образуются после того, как скопилось достаточное количество продуктов коррозии на металле.

Появление трещин в подземной части железобетонной конст­ рукции еще не является концом срока службы конструкции, но это начало разрушения и первая стадия снижения устойчивости ее. Дальнейшее коррозионное разрушение арматуры в бетоне и разрушение самой конструкции после образования трещины в нем пойдет, естественно, быстрее вследствие облегчения доступа воды к арматуре из окружающего грунта сквозь трещину в бе­ тоне и из-за снижения электрического сопротивления для токов

утечки.

При эксплуатации железобетонных конструкций на электри­ фицированных участках возможно не только анодное состояние арматуры, но и катодное (втекающий ток в арматуру).

Из зарубежного опыта известно, что слой бетона, прилегаю­ щий к электроду-катоду, в результате вредного влияния накап­ ливающейся щелочи размягчается, что угрожает снижением прочности конструкции. Размягчение наступает, когда содержа­ ние водорастворимых щелочей достигает 10% и более от общего количества солей в цементе. Необходимо было установить, име­ ют ли место эти явления на железобетонных конструкциях, ар­ матура которых имеет металлическую связь с рельсами, находя* щимися в катодном состоянии (в зоне высоких отрицательных потенциалов). Для этой цели были взяты пробы бетона фунда-

70

арматуры и анкерных болтов являются места, где ток через толщу бетона стекает с арматуры и анкетных болтов. Такими очагами могут быть элементы верхнего пояса железобетонных опор, их фундаментные части и фундаменты металлических опор.

В верхнем поясе опор условия для электрической коррозии (рис. 28) арматуры создаются под элементами армировки опо­ ры в катодной зоне рельсов, т. е. при направлении тока с арма­ туры через цепь заземления к рельсу.

На центрифугированных опорах стекание тока будет проис­ ходить с арматуры на хомуты, полухомуты или через изолиру­ ющие втулки на закладные части опор. В опорах с закладными деталями при хорошем качестве изготовления и правильной ус­ тановке втулок последние резко увеличивают сопротивление рельс—опора.

На железобетонных опорах с жесткими поперечинами до­ полнительно возможно стекание тока с арматуры на полухому­ ты крепления оголовка.

Во всех случаях за счет небольшой площади стекания даже при сравнительно небольших токах создаются значительные плотности токов утечки.

В анодной зоне рельсовой сети стекание тока происходит с арматуры и анкерных болтов в подземной части опор (фунда­ ментов) .

Следует обратить внимание на материал среды, в которую стекает ток с анкерных болтов и арматуры. Если обеспечить стабильное и высокое значение сопротивления бетона или пере­ ходного слоя металл—бетон, то можно получить и достаточные величины сопротивлений, обеспечивающие ограничение стекаю­ щих токов до безопасных величин. Это можно достичь нанесе­ нием на поверхность арматуры изолирующих пленочных по­ крытий. Эффективность такого метода очень высока, так как со­

73

щих поверхность соприкосновения, равную 4,5—20,5 м2, приво­ дит к увеличению сопротивления не более чем на 50—80 Ом даже при пропитке ванным способом. Это не может создать сопротивления, достаточного для ограничения токов стекания.

Отекание тока происходит неравномерно как в плоскости поперечного сечения фундаментной части опоры, так и по ее длине из-за взаимного экранирования стержней арматуры или анкерных болтов и неравной проводимости бетона по глубине закопки. Проводимость бетона по высоте конструкции изменя­ ется и довольно значительно. В верхней надземной части не­ большой отрезок анкерного болта находится в воздухе, т. е. в диэлектрике (у = 0). Далее в надземной части фундамента бе­ тон можно считать воздушно-сухим с проводимостью у = = 50- Ю~б Сим/м. Ниже расположена зона воздушно-влажно­ го бетона с проводимостью у = 1-10 ~4 Сим/м. На границе уровня грунтовых вод начинается зона постоянно влажного бе­ тона с проводимостью у = 25*10~3 Сим/м. Проводимость ма­ териала арматуры стали у = 5- 106 Сим/м.

Наибольший ток утечки наблюдается, естественно, в зоне постоянно влажного бетона. Поэтому место расположения зо­ ны наиболее интенсивной коррозии арматуры и болтов зависит от уровня грунтовых вод. Именно в месте границы грунтовых вод и происходит наибольшее разрушение. В этом месте на­ чинает развиваться трещина при плотных бетонах или образу­ ется пятно ржавчины в рыхлых бетонах.

Необходимо обратить внимание на то, что для фундаментов и фундаментных частей опор особенно опасны обнажения ар­ матуры, местные уменьшения защитного слоя, нарушения гид­ роизоляции в отдельных местах. В таких местах резко возра­ стает плотность тока стекания и происходит местное разруше­ ние арматуры.

С этой точки зрения не оправданы стремления#проектных организаций ослабить конструкции фундаментов, как правило, на уровне расположения грунтовых вод. Опасны оставленные обнаженными в земле монтажные петли, установка конструк­ ций со сколами бетона и обнажениями арматуры в заглубляе­ мой части.

Не дало положительного результата и применение раздель­ ных железобетонных опор со стаканными фундаментами, так как увеличение общего сопротивления опоры составило 5'—

ния продуктов коррозии на границе между металлом и бетоном общее сопротивление цепи стекания увеличивается, но относи­

74

оно от силы обжатия бетоном стержня и коэффициента трения между ними. С другой стороны, величина

обжатия зависит от раскрытия и направления трещины. Под действием возникающего усилия происходит откалывание угла бетонной конструкции (рис. 30,г).

В кольцевых образцах влияние расположения проволок в сечениях на ориентацию трещин проявляется в наибольшей сте­ пени. Так, в образце кольцевого сечения с тонкой проволочной арматурой трещины идут или по радиальным направлениям или по кольцевым окружностям в зависимости от того, ‘как ориентирована ось пучка.

В образце со стержневой арматурой трещины рассекают стенку в двух взаимно противоположных направлениях. Первы­ ми появляются радиальные трещины. При раскрытии трещин 0,15—0,20 мм начинают появляться кольцевые трещины.

Аналогичная картина разрушения отмечена и в плоских об­ разцах, имитирующих пояса двутавровых опор как со стержне­ вой, так и с проволочной арматурой. Практически уже при ви­ димых па поверхности бетона трещинах раскрытием 0,3—0,4 мм можно считать пояса опор с тонкой арматурой расщепленными на плоские элементы, соединение между которыми отсутствует.

В плоских образцах со стержневой арматурой, как и в коль­ цевых, трещины также рассекают пояса в двух взаимно перпен­ дикулярных направлениях. В образцах с поперечной арматурой это влияние очень наглядно. Их можно было послойно разде­

75

В элементах с тонкой проволочной арматурой диаметром 3—5 мм уменьшение-сечения ее более чем па 10%, как показа­ ли эксперименты, возможно при раскрытии трещин в 0,5—0,6 м.

Растрескивание бетона приводит не только к уменьшению прочности поперечных сечений опор, но и к снижению работо­ способности конструкции от реактивного давления грунта. По­ этому опоры с продольными трещинами в подземной части под­ лежат немедленной замене.

Знание допустимой плотности тока утечки с арматуры в бе­ тон (0,6 мА/дм2) позволило определить нормы по ограничению утечки тока через опоры контактной сети.

Измерить непосредственно плотности тока в эксплуатацион­ ных условиях практически невозможно. Поэтому для железо­ бетонных конструкций (коротких) были установлены нормы по сопротивлению цепи утечки на 1 В разности потенциалов рельс— конструкция, в основе которых была заложена допустимая плотность тока утечки. Так, для металлических опор контактной

75 дм2, допустимый ток утечки будет до 45 мА, что соответству­ ет сопротивлению заземления опоры 22—23 Ом при напряже­

трескивания бетонных фундаментов, можно принять минималь­ ное допустимое сопротивление цепи утечки металлической опо­

76

ры 25 Ом на каждый вольт средней величины положительных значений потенциалов рельс—опора в анодных и знакоперемен­ ных зонах рельсового пути. Там, где эта норма не выдержива­ ется, необходимо проведение защитных мероприятий. Та же норма сопротивления цепи утечки была принята и для железо­ бетонных опор в анодных и знакопеременных зонах, так как поверхность арматуры, с которой стекает ток в подземной ча­ сти опоры или фундамента, примерно равна 70 дм2. Естествен­ но, эти нормы были распространены и на все опоры контактной сети с различным развитием арматуры (анкерные болты, швел­ леры) в фундаментах, так как в эксплуатационных условиях чрезвычайно трудно определить тип фундамента, а тем более поверхность арматуры, с которой стекает ток, хотя с таких фун­ даментов, как каркасные и швеллерные, допустимая утечка то­ ка значительно больше (300 и 140 мА соответственно). Поэто­ му иногда складывается ложное представление о том, что ме­ таллические опоры с железобетонными фундаментами, у кото­ рых большой защитный слой бетона, не подвергаются электро­ коррозии.

Так, на Московской дороге, сравнительно долгое время не наблюдалось выхода из строя металлических опор из-за элек­ трокоррозии. Большинство этих опор имело каркасные или швеллерные бетонные фундаменты.

У железобетонных опор, как уже отмечалось, электрокорро­ зии может подвергаться и арматура в надземной части, распо­ ложенная под хомутами или около закладных деталей, при от­ рицательных значениях потенциалов на рельсах. Расчетами ус­ тановлено, что поверхность арматуры, с которой может стекать ток в бетон, составляет 4,4 дм2; допустимый ток утечки с арма­ туры опоры в бетон, хомуты или закладные детали и далее по заземляющему проводнику в рельс будет около 2,5 мА. Следо­ вательно, для предотвращения коррозии арматуры токами утеч­ ки в верхней части опоры необходимо, чтобы в катодной и зна­ копеременной зонах потенциалов рельсов сопротивление цепи утечки (заземления) было не менее 400 Ом на каждый вольт средней величины отрицательных значений потенциалов рель­ сового пути. Электрическими измерениями, проведенными на многих грузонапряженных направлениях, установлено, что средние величины потенциалов рельсового пути в подавляющем большинстве случаев не выходят за пределы ( + 60) + (—20) В, Учитывая это, определено сопротивление цепи утечки (заземле­ ния) опор 10 000 Ом, исключающее опасную утечку тока с ар­ матуры в подземной и надземной частях опоры.

Следовательно, опоры контактной сети с сопротивлением цепи утечки 10 000 Ом являются надежной конструкцией, защи­ щенной от электрокоррозии во всех зонах потенциалов рельсов.

Такого сопротивления цепи утечки можно достичь только введением специальных изолирующих элементов между метал­

77

лическими деталями крепления контактной сети и арматурой бетона опоры или фундамента.

В последние годы в качестве изолирующих элементов стали применять изолирующие шайбы и втулки, которые должны обе­ спечить сравнительно высокий уровень изоляции. Поэтому при приемке в эксплуатации необходимо тщательно проверять на­ личие и состояние этих элементов и контролировать их элек­ троизолирующие свойства. Но учитывая то, что приемка опор в эксплуатацию может производиться в сырой период времени, т. е. при сильном поверхностном увлажнении опор, а следова­ тельно, значительной временной потере изолирующих свойств элементов, установлены минимально допустимые нормы сопро­ тивления цепи заземления, ниже которых нельзя принимать в эксплуатацию опоры контактной сети даже при дожде:

практически отсутствует, так как выполнение требования обес­ печения нормальной работы СЦБ, по которому опоры могут иметь глухое заземление на рельсы только при сопротивлении цепи заземления более 100 Ом, исключает попадание опасного тока в арматуру.

И, казалось бы, для железобетонных опор, сопротивление цепи утечки которых в несколько раз выше этой нормы, можно было все опоры заземлять «наглухо» на рельсы. Но для желе­ зобетонных опор, применяемых на участках, электрифицирован­ ных на переменном токе, было принято ошибочное решение о расположении заземляющего спуска в теле опоры, в результа­ те чего он имеет металлическую связь с арматурой опоры, а со­ противление цепи утечки у 90% таких опор стало ниже 100 Ом.

Поэтому на участках переменного тока пришлось все опоры заземлять на рельсы через искровые промежутки. В настоящее время по этой причине крайне желательно было бы отказаться от расположения внутри опоры заземляющего проводника и внести соответствующие изменения в типовые проекты, а на опорах, которые изготовлены по старым проектам, сделать на­

78

ружные спуски. При приемке опор на дорогах переменного то­ ка в эксплуатацию не должны быть допущены опоры с сопро­ тивлением цепи утечки менее 100 Ом (даже при сильном ув­ лажнении) .

§ 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ И ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Надежность и долговечность железобетонных фундаментов и опор могут быть обеспечены, если в процессе проектирования, изготовления, установки и эксплуатации опорных устройств на­ иболее полно учесть возможность появления рассмотренных физических процессов коррозии бетона и арматуры.

В первые годы внедрения железобетонных опор и фунда­ ментов вопросам коррозионной стойкости конструкций в про­ цессе эксплуатации не придавалось серьезного значения. Боль­ шее внимание было приковано к обеспечению планов выпуска конструкций, максимальному снижению веса, улучшению тех­ нологии изготовления опор и фундаментов. Такой подход совер­ шенно неправильно ориентировал работников участков энерго­ снабжения на ликвидацию дефектов и повреждений в процес­ се коррозии тогда, когда уже поздно бывает принимать какиелибо меры.

Практика участков энергоснабжения свидетельствует о том, что меры начинают принимать тогда, когда появляются внеш­ ние признаки коррозии: трещины, пятна ржавчины, разруше­ ние цементного камня. К этому времени повреждения достига­ ют, как правило, недопустимых пределов и приходится срочно заменять конструкции.

Более правильно в решении возникшей проблемы основной центр тяжести в обеспечении долговечности конструкций пере­ носить на предотвращение явлений коррозии арматуры и бето­ на. Сделать это можно только в процессе проектирования, из­ готовления и 'установки конструкций. И только учитывая, что сотни тысяч конструкций уже эксплуатируются, необходимо рассмотреть меры, которые должны быть приняты, чтобы не допустить катастрофического развития явлений коррозии, а особенно электрической коррозии арматуры.

Исходя из этого можно наметить следующие пути обеспече­ ния надежности и долговечности фундаментов и опор контакт­

ной сети:

ограничение токов, стекающих с рельсов через цепи зазем­ ления в арматуру опор и фундаментов;

внесение с этой целью в конструкции опор и фундаментов специальных изолирующих элементов;

применение специальных защитных покрытий, уменьшаю­ щих воздействие агрессивных сред;

79