винтовые сваи ржавеют что делать
Коррозия винтовых свай. Как продлить срок службы свайно-винтового фундамента?
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
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:
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:
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:
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.
Защита свай от коррозии: найдены секреты
Защита свай от коррозии
В малоэтажном строительстве сегодня активно применяются свайные основы. Сооружаются они с помощью железобетонных или же металлических винтовых свай. В производстве первых применяют армокаркас и особо прочные марки бетона. Так обеспечивается защита свай от коррозии, влияния агрессивного характера. Несмотря на то, что каркас изготавливается из железной арматуры, он надежно защищен толстым бетонным слоем. Следовательно, о дополнительной защите данных изделий заботиться не стоит. Они прослужат десятилетиями, не требуя ремонта или замены.
Винтовые опоры
Для достижения максимальной долговечности винтовых, металлических изделий производители пользуются различными способами. Самым злейшим врагом такого стального проката считается коррозионный процесс. Это приводит к их постепенному разрушению. Вызван такой процесс влиянием влаги. Она содержится в грунте. Поэтому необходима дополнительная защита свай от коррозии. Она предотвращает вредное влияние влаги и увеличивает эксплуатационный срок стальных основ. Используются для этого различные антикоррозионные составы, которые наносятся на наружные стенки труб. Однако прежде чем говорить об этих смесях, необходимо разобраться в причинах коррозионных процессов.
Виды и защита свай от коррозии
Винтовые опоры всегда закручиваются в толщу земли. На поверхности остается лишь незначительная часть. Следовательно, больше половины опоры соприкасается с почвой. Изнутри такие столбы являются полыми, заполненными воздухом или же бетонной смесью. Любая почва в своем составе имеет определенный процент влаги. Температурные перепады и давления грунта вызывают скопление конденсата и изнутри. Таким образом происходит попадание влаги не только на внешнюю, но и внутреннюю структуру. Влага часто содержит различные химические вещества агрессивного характера. Они являются злейшими врагами металла.
Результатом влияния молекул влаги является окисление. Это приводит к необратимым разрушительным процессам. Постепенно нарушается кристаллическая решетка материала. Существует три вида эрозии:
Каждый из перечисленных типов эрозии имеет свою специфику. Зависит это от характера воздействия на материал.
Химическая эрозия
С участием различных веществ, содержащихся в почве, происходит разрушение внешних слоев. Именно они соприкасаются больше всех остальных частей с агрессивными компонентами. Кроме грунта процесс может быть вызван влиянием атмосферного воздуха. В результате происходит реакция, вызванная влагой. Поверхность окисляется, образуется ржавчина, которая постепенно разъедает металл.
Скорость окисления напрямую зависит от количества кислорода, содержащегося в земле. Кроме этого земельные участки классифицируются по уровню кислотности. Данный параметр обозначается символами рН. Если он высокий, эрозионные явления ускоряются. Низкое насыщение земли кислородом препятствует развитию окисления.
Электрохимическая эрозия
В грунтовой воде растворены различные вещества. Прежде всего это солевые и кислотные компоненты. Поэтому она становится отличным электропроводником. Сравнить такую влагу можно с аккумуляторным электролитом. В земной коре много блуждающих электротоков. Причинами их образования являются поврежденные электрокабеля, железнодорожное полотно, а также различные заземлители.
Погруженный в грунт металл не имеет достаточного сопротивления. Поэтому токи легко переходят в этот материал. Затем возвращаются в почву. Постоянное прохождение таких токов через стальные опоры приводит к их постепенному разрушению. В этих ситуациях спасти может лишь защита свай от коррозии.
Механическая деформация
Данный тип вызван механическими нагрузками. Это может быть земля или же воздух, с которыми соприкасается винтовой столб. Прежде всего, во время закручивания на изделие оказывается огромное давление почвы. Сильные скачки температуры имеют разрушающее влияние не только на поверхность изделия, но и на лопасти.
Качественная защита свай от коррозии позволит сократить влияние такого характера. Тем самым увеличивается эксплуатационный срок свайных основ. Они обретают достаточную стойкость к различным факторам агрессивного характера.
Способы защиты
Окружающая среда воздействует на железо очень сильно, вызывая постепенное разрушение материала. Такой процесс проходит постепенно. Сначала повреждаются поверхностные слои. Производители борются с этим увеличивая толщину металлопроката. Стальной прокат с толстыми стенками служит дольше. Они также утолщают лопасти. Однако толстостенные изделия отличаются большим весом. Как известно от данного параметра зависит стоимость материала. Следовательно, фундамент из утолщенных опор обойдется дороже.
Для этих целей нередко применяются легирующие добавки. Чаще всего это нержавеющая сталь. Она представляет собой сплав:
Все перечисленные металлы и вещества предотвращают окисление стали. Очевидно, наиболее качественными будут опоры, полностью сделанные из нержавейки. Однако такое основание обойдется собственникам в разы дороже. Аналогичного эффекта производители достигают путем использования особых марок стали. Это касается сплава ст20. Также нередко встречается марка ст30ХМА. Железные столбы из этих сплавов меньше подвержены эрозии и выдерживают реакцию любых компонентов. Этого нельзя сказать о рядовых стальных сплавах. В пример можно привести ст3.
Наибольшему разрушению подвержены приповерхностные слои металлических столбов. Следовательно, качественная защита свай от коррозии подразумевает их обязательное окрашивание. Также существует метод цинкования. Параллельно применяют метод бетонирования внутренней полости. Он позволяет предотвратить окислительные процессы внутри изделий. Бетонирование преграждает путь кислороду, вызывающему коррозионные процессы.
Оптимальная толщина
Защита свай от коррозии подразумевает увеличение толщины их стенок. Выбирается она с учетом кислотности/влажности почвы участка, на котором планируется закладка свайного основания. Если перечисленные параметры высокие, необходимо увеличить и толщину. Это касается не только стенок, но и лопастей. Следовательно, до закладки фундамента, необходимо выполнение геолого-геодезических изысканий на выбранном участке. Во время таких работ профильные инженеры детально изучают структуру грунта, добывают необходимые данные, анализируют их. Геологическая разведка считается обязательным этапом перед началом строительства.
Если добавить к имеющейся толщине миллиметр, эксплуатационный срок опорной трубы вырастет на десять-двадцать лет. Такие столбы можно вкручивать даже на участках, где отмечаются особо агрессивные среды. Хотя, такое увеличение толщины вызывает подорожание стоимости металлопроката до 30 процентов. Параллельно растут затраты на закладку основы будущего сооружения. Отдельно следует учесть сложности, возникающие при утолщении лопастей. Двух-, трех-миллиметровые лопасти режутся обычными инструментами. Однако резка сравнительно толстых листов выполняется на сложном оборудовании. Это могут быть специальные гильотинные ножницы или же иные станки. Утолщение стенок приводит к существенному росту массы. Данный показатель достигает 40 процентов. Это усложняет транспортировку и установку металлопроката. В конечном итоге стоимость закладки основы растет. Легковесные металлические опоры вкручиваются вручную. А для монтажа их тяжелых аналогов придется арендовать спецтехнику. А это дополнительные расходы, которые обязательно отразятся на общей стоимости фундамента.
Антикоррозионные покрытия
Лучшая защита свай от коррозии – это специальные покрытия. Чаще всего производители используют для таких целей обычные лакокрасочные материалы. Благодаря им обеспечивается качественная защита от эрозии и окисления. Идеально подходит антикоррозионное лакокрасочное покрытие на участках с низким процентом влажности. Лакокрасочный состав не подвержен воздействию воды. Никакие химические реакции не развиваются. Он обеспечивает и механическую безопасность столбов. Такое покрытие является нейтральным по отношению к блуждающим токам. Следовательно, бояться их воздействия не стоит. Сегодня используются двухслойные антикоррозионные покрытия. Первый из них является грунтовочным. Он выполняет функцию адгезионного слоя. Затем на него наносится основной слой. По-другому его называют покрывным. По способу нанесения различают несколько видов покрытий. Среди них необходимо выделить нанесение:
Нанесение лакокрасочных материалов кистью считается наиболее трудоемким процессом. Кроме этого данный способ профессионалы называют малоэффективным. Краскопульт существенно ускоряет работ. Он помогает в ровном распределении состава. Однако наиболее качественным считается электростатическое распыление. Благодаря ему мастера имеют возможность заполнения лакокрасочным составом даже мельчайшие поры металлической поверхности. Специальное оборудование для такого распыления не используется. Большие производственные предприятия применяют для этих задач специальные камеры. Окрашенные в таких боксах трубы отличаются высочайшим качеством окраски.
Значение имеет и тип лакокрасочного состава. Разрабатываются такие составы с учетом климатических условий, в которых будут использоваться винтовые сваи. Также производители учитывают агрессивные среды. Самыми распространенными считаются покрытия, базисом которых являются полиуретановые смолы. Отличаются такие составы высокими адгезионными свойствами. На них не действуют различные факторы. Отличаются покрытия и стойкостью перед сильными температурными перепадами.
Камерное окрашивание
Используемое большими производственными предприятиями камерное окрашивание имеет ряд преимуществ. При вкручивании изделий в землю они подвергаются большим истирающим нагрузкам. Под таким воздействием некачественное покрытие легко сходит с поверхности. Образуются очаги, на которых в дальнейшем развивается окисление. Ржавчина постепенно проедает трубы, вызывая разрушение всего помещения. Особое внимание при окраске следует уделять лопастях. Наиболее уязвимыми считаются места сварки. Если в этих участках лакокрасочный состав будет нанесен неравномерно и некачественно, произойдет быстрое развитие эрозии. Следовательно, лакокрасочная защита свай от коррозии должна быть достаточно прочной.
Оцинкованное покрытие
Данный вид также используется для предотвращения повреждения винтовых опор. Называется он горячим цинкованием. Тонкая цинковая пленка гораздо прочнее, чем лакокрасочные слои. Реакции цинковой пленке не грозят. Цинк считается достаточно стойким металлом, выдерживающим воздействие влаги. Этого нельзя сказать о сплавах железа. Хотя для нанесения такой пленки используется специальное оборудование. Отличается оно технологической сложностью. Кроме этого покрываемая площадь должна быть большой. Этим и обусловлена высокая стоимость оцинкованных винтовых труб. После оцинковки специалисты советуют нанести на поверхность специальную гидрофобную мастику. Особенное внимание следует уделить нижней части ствола. Именно она подвергается наибольшему воздействию агрессивных сред и различных веществ, содержащихся в почве.
Заливка бетоном
Лакокрасочные составы можно нанести и на внутренние стенки труб. Однако это требует полного погружения столба в заранее подготовленную ванну с краской. В обычных условиях это достаточно проблематично. Позволить данную манипуляцию могут только большие предприятия, имеющие соответствующее оборудование. Гораздо оптимальнее залить в полость бетонный раствор. Выполняется это после вкручивания винтового ствола. Заливка происходит перед надеванием оголовка. В приготовлении раствора используется обычная песчано-цементная смесь, разбавленная водой. Когда она затвердеет, предотвращается контакт полости с кислородом. Именно такой контакт является причиной окисления. Бетонирование увеличивает и несущую способность столбов.
Заключение
В производстве защита свай коррозии занимает особое место. Это обусловлено множеством факторов. Производители заботятся о качестве выпускаемой продукции, стараясь предложить потребителю долговечные, коррозиестойкие и доступные по стоимости изделия. Игнорирование проблемы приведет к существенному сокращению эксплуатационного срока железных опор. Особое внимание заказчики должны уделять вкручиванию стволов. Необходимо тщательно контролировать рабочих, чтобы не происходило повреждение металлопроката во время установки. Истирание антикоррозионного покрытия непременно приведет к образованию и разрастанию ржавчины. Кроме механического следует бояться и электрохимического воздействия. Также опасны различные химические вещества, содержащиеся в земле и растворенные в жидкости. Следовательно, необходимо заказывать только сертифицированный материал, который сопровождается соответствующей документацией.
Существуют правила нанесения антикоррозионных слоев, прописанные в соответствующем ГОСТе. Необходимо убедиться, что производитель придерживается этих правил. При покупке такого металлопроката особое внимание следует уделить сварным соединениям. Обработка таких соединений должна быть качественной.
Уязвимыми участками считаются наконечники стволов. Также опасны стыки лопастей. Учитывая вышеперечисленные нюансы, покупать подобные стройматериалы в кустарных цехах не стоит. Только профильное предприятие, работающее по общепринятым стандартам, может гарантировать высочайшее качество своей продукции и подтвердить это соответствующей документацией. Высококвалифицированные специалисты, работающие на таких предприятиях, помогут в выборе подходящего вида винтовых стволов и посоветуют подходящий способ монтажа. Это позволит собственникам избежать в дальнейшем проблем с эксплуатацией и дополнительных трат на ремонт фундамента. Разрушение структуры материала основания приведет к деформации помещения. В дальнейшем произойдет обрушение конструкции. Следовательно, каждый параметр, касательно качества или же защита свай от коррозии имеет огромное значение в строительстве любой сложности