18.5.6.7 Сталь для мостовых конструкций и водопропускных труб

Мостовые конструкции изготавливают из листовой и фасонной горяче­катаной стали. Применяют толстолистовую и широкополосную универсаль­ную сталь; уголковую, двутавровую, швеллерную, полосовую, круглую и другую фасонную сталь.

Конструкции мостов подвергаются динамическим нагрузкам. Для их из­готовления применяют высококачественные низкоуглеродистые и низколе­гированные мартеновские и конверторные стали.

В низкоуглеродистых сталях ограничивается содержание вредных при­месей. В сталях для конструкций обычного исполнения (Т _min до минус 40 °С) содержание серы и фосфора не должно превышать 0,035 % каждого. В сталях северного исполнения (Т_min ниже минус 40 °С до минус 50 °С) –серы не более 0,03 % и фосфора не более 0,025 %.

Низколегированные стали изготавливают с добавками хрома (X), кремния (С), никеля (Н), меди (Д), марганца (Г), ванадия (Ф) и других элементов. В зави­симости от вида термообработки стали подразделяют на три категории: 1 – без термической обработки: 2 – нормализованные; 3 – термически улучшенные по­сле закалки и высокого отпуска. Применение низколегированных сталей снижа­ет их расход на 15–18 %, сметную стоимость на 12–15 % по сравнению с угле­родистой.

Для основных несущих элементов пролетных строений мостов приме­няют низколегированные конструкционные стали марок 16Д, 15ХСНД и 10ХСНД с механическими свойствами, приведенными в таблице .18.8.

Таблица 18.8 – Механические свойства стали при растяжении

Марка стали	Толщина про­ката, мм	Временное сопро­тивление σв, Н/мм2	Предел текучести σт, Н/мм2	Относитель­ное удлине­ние δS, %
16Д	До 20 21–40 41–60	375–510 375–510 375–510	235 225 215	26 26 26
15ХСНД	8–32 33-50	490–685 470–670	345 335	21 19
10хснд	8–15 16–32 33–40	530–685 530–670 510-670	390 390 390	19 19 19

При устройстве водопропускных труб применяют стальные трубы с круглыми отверстиями диаметром до 9 м или эллиптические с отверстиями размером до 12 м. Трубы изготавливают из гнутых гофрированных листов толщиной 1,5–7 мм с кольцевыми или спиральными гофрами, из стали мар­ки 15Спс – для районов с обычным климатом и марки 09Г2СД – для север­ных районов. Защищают трубы от коррозии цинковым покрытием.

18.6 Коррозия и защита металлов от коррозии

Коррозией называется процесс химического и электрохимического раз­рушения металлов под воздействием окружающей среды.

Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих га­зов и растворов неэлектролитов – бензина, масел, мазута, спиртов и др. На поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии. Примером

химической коррозии служит окисление стали при высоких температурах. Железо взаимодействует с кислородом и образуется окалина.

Электрохимическая коррозия происходит при воздействии на металл растворов электролитов: воды, водных растворов солей, кислот, щелочей, расплавов солей и щелочей.

В этих условиях коррозию можно рассматривать, как работу множества микрогальванических элементов, возникающих на поверхности металла вследствие неоднородности металла или окружающей среды.

Коррозия металлов в атмосфере, почве и других агрессивных средах арматурной стали и бетона, имеет свои особенности.

Атмосферная коррозия. В сухой атмосфере окисление металла проис­ходит медленно и существенного его разрушения не происходит. При воз­действии дождя, снега, водяного пара, при эксплуатации конструкций в воз­духе с повышенной влажностью скорость коррозии становится высокой. Степень агрессивности атмосферы может повыситься в десятки и сотни раз при воздействии загрязненного воздуха. Например, срок службы проводов связи в сельской местности составляет 50–60 лет, в местах расположения промышленных предприятий (металлургических и химических заводов), электростанций уменьшается до 4–5 лет. В среде дымовых газов скорость коррозии достигает 0,4–0,8 мм в год. Особенно высокую агрессивность име­ет атмосфера с содержанием сернистого газа. При взаимодействии его с во­дой воздуха образуется серная кислота, которая быстро разрушает углеро­дистые стали и защитные цинковые покрытия. Более долговечны алюми­ниевые сплавы.

Коррозия железа во влажной атмосфере происходит в результате образо­вания ржавчины xFeO · yFe₂O₃  ZгН₂О в виде рыхлого осадка, который не защищает металл от дальнейшего разрушения и коррозия может продол­жаться до полного разрушения металла.

Способ защиты металла выбирается в каждом отдельном случае. Повы­шенную коррозионную стойкость имеют легированные стали с добавкой хрома, никеля, меди. Углеродистые стали защищаются лакокрасочными и металлическими покрытиями, смазками.

Почвенная коррозия. Почвенной коррозии подвергаются трубопрово­ды, шпунты, различные опоры. Она определяется составом почвы, грунто­вых вод, температурой и пр. Скорость коррозии углеродистой стали может достигать 7-8 мм в год. Усиливают коррозию бактериальные процессы. Особенно опасны сульфатредицирующие бактерии, которые восстанавли­вают сульфатные соли в почвах. Коррозионная стойкость конструкций по­вышается при применении сталей, легированных хромом и никелем.

Цинк корродирует в почвах, особенно в почвах с кислой реакцией. И все же цинковое покрытие - достаточно эффективная защита стальных конст­рукций от электрохимической коррозии.

Алюминий и его сплавы разрушаются щелочами. Однако при рН 10-11 скорость уменьшается и в интервале от рН 10–11 до рН 3–4 скорость корро­зии остается постоянной.

Защищают от почвенной коррозии конструкции из углеродистой стали металлическими, силикатными, лакокрасочными покрытиями, обрабатыва­ют почву замедлителями коррозии. Защита от блуждающих токов осущест­вляется дренажной защитой, заключающейся отводом их в источник, соз­дающий эти токи. При наличии агрессивных микроорганизмов применяют изолирующие покрытия, добавляют в почву яды.

Коррозия арматурной стали в железобетоне. Одним из существенных недостатков железобетона является коррозия арматурной стали. Она носит преимущественно электрохи­мический характер и протекает на границе металл-раствор элекролита.

Поровое пространство бетона частично заполнено водой с рас­творенными в ней солями, щелочами, газами, т. е. является электро­литом, способным проводить электрический ток. Свободная часть заполнена воздухом.

П

Рисунок 18.30 – Схема гидратации и перехода в раствор ионов металла а –b– линия поверхности металла

о современным представлениям металл состо­ит из ион-атомов Ме⁺, связанных с электронами е, способными перемещаться внутри кристаллической решетки от одного атома к друго­му. Преодолеть электростатическое притяжение электронов, вы­рваться из кристаллической решетки и оторваться от поверхности металла ион-атом может только при наличии необходимой энергии. Эта энергия возникает в результате реакции гидратации (рисунок 18.30).

Электроны не переходят в раствор, и на поверхности металла остается их эквивалентное количество

Ме∙е + nН₂О  Ме + nН₂О + е.

Н

а

ба

а границе металл–электролит образуется равновесный двойной слой из отрицательных электрических зарядов на поверхности металла и положительных ионов (рисунок 18.31а) с возникновением между ними разности потенциалов.

Рисунок 18.31 – Схема двойного слоя: а – при выходе иона металла в раствор; б – при выходе катиона из раствора на металл

Коррозионный процесс заключается в растворении металла. Избыточные электроны на поверхности металла ассимилируются ионами, атомами или молекулами электролита (деполяризаторами), которые при этом восстанавливаются:

е + D  De.

Коррозия арматурной стали в бетоне

Коррозия возможна при наличии деполяризации металла. Участок металла, который растворяется, называется анодом, а на котором происходит разряд избыточных электронов, – катодом. Анодный и катодный процессы в результате проводимости металла и электролита могут существовать раздельно на разных участках поверхности металла. При нехватке энергии гидратации для разрыва связи между ион-атомами и электронами на поверхности металла адсорбируются катионы из раствора, и поверхность металла приобретает положительные заряды, которые с ионами раствора также образуют двойной слой (рисунок 18.31,б). Устанавливается равновесие, коррозии не происходит.

Анодная реакция арматурной стали в бетоне представляет собой реакцию окисления железа с переходом двухвалентного железа в водный раствор с освобождением двух электронов:

Fe⁰ → Fe² + 2е.

Катодная реакция в бетоне в сильнощелочной среде протекает с кислородной деполяризацией. Кислород восстанавливается и превращается в присутствии воды в ион-гидроксил:

½О₂ + H₂О + 2е = 2ОН^--.

Для защиты арматуры в железобетоне следует ограничить поступление к ней, в первую очередь, кислорода воздуха и воды. Эту функцию выполняет защитный слой бетона толщиною 10–20 мм и более.

Поровая жидкость бетона имееет рН 12–14. Кислотообразующие газы нейтрализуются щелочными составляющими бетона. На поверхности стали образуется нерастворимая пленка, которая находится в пассивном состоянии, и коррозии не будет. При рН менее 11,8 происходит окисление железа с образованием Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Продуктом коррозии может быть ржавчина.

Ускоряют коррозию стали ионы Сl и SO₄ ^2- поровой жидкости, которые повышают коррозионную активность и разрушают защитную пленку на арматуре.

Предотвратить коррозию можно способами, обеспечивающими рН поровой жидкости бетона выше 11,8. Плотность бетона должна быть такой, чтобы в течение всего срока эксплуатации конструкций защитный слой не был нейтрализован кислыми газами и жидкостями.

Коррозия и защита стальных мостов. Нормативный срок службы металлических железнодорожных мостов 100 лет. Они эксплуатируются в тяжелых условиях. Способствуют разрушению атмосферные воздействия, агрессивность перевозимых грузов. Особенно сильно корродируют верхние пояса продольных балок (ферм) в местах опирания мостовых брусьев с ездой поверху. В пролетных строениях с ездой понизу интенсивно корродируют элементы ниже уровня мостового полотна.

Универсальных металлов, стойких в любых средах, не имеется. Все они требуют защиты.

Способы защиты стальных конструкций мостов делят на две группы. Первая – на стадии изготовления, вторая – защитные мероприятия в процессе эксплуатации.

На первой стадии применяют специальные мостовые низколегированные стали (см. п. 18.5.6.7), имеющие повышенную стойкость. Цементация, азотирование, диффузионная металлизация стали позволяет применять ее на открытом воздухе без защитных покрытий.

На второй стадии стальные конструкции защищают лакокрасочным и металлизационно-лакокрасочным покрытиями. Они наносятся согласно Технологическим правилам окраски железнодорожных мостов. Учитывая значимость этого способа, остановимся на нем более подробно.

При разрушении лакокрасочных покрытий на их поверхности могут возникать трещины, сетки, сыпь, пузыри, произойти отслаивание, появиться коррозия.

Долговечность покрытия зависит от прочности его сцепления с металлом, которое в свою очередь зависит от качества подготовки поверхности. Следует удалить поврежденную старую краску, ржавчину, масляные пятна, пыль. Это делает пневмо- или электрощетками. В труднодоступных местах ржавчину и старую краску счищают дробеструйным способом или ручным инструментом. Прочно сцепляющуюся с металлом краску не удаляют.

Для удаления старой краски может применяться смывка СД. Ее наносят на поверхность кистью и выдерживают от 20 до 60 мин. Покрытие размягчается, набухает и вспучивается. После чего его счищают шпателем или металлической щеткой. Удаляется рыхлая и пластовая ржавчина.

При толщине ржавчины до 150 мкм как исключение по не полностью очищенной (ржавой) поверхности наносят грунтовку-преобразователь ржавчины ВА-0112 или ВА-01 ГИСИ, которая вступает в химическую реакцию с ржавчиной и преобразует ее в стойкие не растворимые в воде соли.

После высыхания поверхности, обработанной преобразователем ржавчины, сразу же наносят лакокрасочные покрытия.

Мосты красят масляными и полимерными лакокрасочными материалами толщиной не менее 100–120 мкм.

Покрытие из масляных красок состоит из двух покрывных слоев. Покрытие из полимерных материалов состоит из двух слоев грунтовки и двух-трех слоев покрывных слоев эмали.

Лучшее время окраски – летняя сухая безветренная погода, на жаркая часть дня. Нельзя красить по влажной поверхности в дождь, при тумане, а также при температуре не ниже 5 ^оС.

Защитные покрытия из лакокрасочных материалов при самых неблагоприятных условиях эксплуатации должны служить не менее 8-10 лет.

Рекомендуется применять лакокрасочные покрытия, приведенные в таблице 18.9.

Устойчивой защитой является металлизиционно-лакокрасочное покрытие. На поверхность конструкций наносят слой цинка или алюминия, создающих электрохимическую (протекторную) защиту металла, а по ней наносятся лакокрасочные слои.

Поверхность стальных конструкций мостов очищается «стальным песком» и сразу же осуществляется металлизация. Разрыв в сухую погоду не должен превышать 3 часов, в сырую – 0,5 часа.

Покрытия наносят при помощи электродуговых и газопламенных аппаратов в несколько слоев в зависимости от целевой эксплуатации. Цинк – от 0,08 до 0,2 мм, алюминий – 0,12 мм. И сразу же после металлизации поверхность окрашивают.

Таблица 18.9 – Лакокрасочные покрытия для защиты металлических мостов

Рекомендуемые сочетания грунтовок, эмали и красок		Ориентировочный срок службы покрытия, годы (не ниже балла 4 по ГОСТ 6992–68)		Характеристика покрытия	Для какого климата рекомендуется	Окрашиваемые элементы моста
Покрывной лакокрасочный материал, его цвет	Грунтовка
Элоксидная грунтшпаклевка ЭП-00-10 красно-коричневая Эпоксидная биметаллическая ЭП-057А серебристая Эмали перхло-рвиниловые: ХВ-125, сере-бристая ХВ-113, серая	Элоксидная грунтшпаклевка ЭП-00-10 или протекторная ЭП-057 Эпоксидная биметаллическая ЭП-057А или протекто-рная ЭП-057 Протекторная ЭП-057	Не менее 10 То же То же		Покрытие высокой атмосферостойкости, стойкое в условиях промышленной атмосферы, повышенной влажности и низких температур Покрытие повышен-ной атмосферостой-кости, стойкое в усло-виях промышленной и морской атмосферы Покрытие повышенной атмосферостойкости, стойкое в ус-ловиях повышенной влажности, морской атмосферы и низких температур	Для холодного и уме-ренного То же То же	Элементы проезжей части, в том числе верхние пояса продольных ферм (балок) Элементы связей и проезжей части, в том числе верхние пояса продольных балок (ферм) Элементы главных ферм и связей
Эмали пер-хлорвиниловые: ХВ-125, серебристая; ХВ-124, ХВ-113 или сополимеровинилхлоридная ХС-119, серые Эмали перхлорвиниловые: ХВ-125, серебристая; ХВ-124, ХВ-113 или сополимеровинилхлоридная ХС-119, серые	Сополимерви-нилхлоридные: ХВ-059, ХС-010 и перхлорвиниловая ХВ-050 Фенолоформальдегидная ФЛ-03 К	Не более 10 Не более 8	Покрытия атмосферостойкие, стойкие в условиях повышенной влажности, морской атмосферы и низких температур Покрытия атмосферостойкие		То же Для умерен- ного и холодного		Элементы главных ферм и связей “ То же