Факторы, определяющие разрушение бетона и стали, используемых в вертикальных стволах шахт

В этом подразделе рассмотрены наиболее важные факторы, которые могут приводить к разрушению бетонной и железобетонной крепи и армировки стволов шахт. Глубокое изучение и тщательное обследование состояния крепи и армировка стволов шахт с установлением причин и характеристик разрушений могут позволить разработать эффективные методы восстановления соответствующих конструкций. Настоящий анализ будет также полезен для предупреждения возможных разрушений в конструкциях, которые будут возводиться в будущем.

Материалов, которые были бы абсолютно стойки к агрессии и не подвержены физическим разрушениям, не существует. Хотя бетон не является в этом смысле исключением, он обладает большой долговечностью при так называемых нормальных условиях внешних воздействий. Бетон, изготовленный с применением встречающихся в природе цементов, отлично сохранялся в течение более 2000 лет. Тем не менее известно, что окружающая среда может быть агрессивна к бетону и другим материалам, применяемым в современном шахтном строительстве.

Под термином «агрессивная окружающая среда» подразумеваются условия, при которых работает сооружение и которые могут вызвать разрушение материалов и, как следствие, уменьшение срока службы сооружения. При этом ошибки, возникающие на стадии проектирования, перегрузки и разрушения от сдвижения пород не рассматриваются.

Долговечный бетон или железобетон должны быть практически непроницаемы. Это особенно важно, если окружающая среда является умеренно, сильно или очень агрессивной.



Сооружение считается долговечным, если оно сохраняет свою эксплуатационную способность в течение расчетного срока службы при минимальных эксплуатационных расходах. Современные шахты рассчитаны на 50—60-летний срок службы. Было бы неразумным ожидать от любого сооружения, что оно будет работать, как новое, в течение 60—100 лет без всякого ремонта. Однако бетон на портландцементе потенциально обладает практически неограниченным срокам службы, если он не подвергается химической агрессии окружающей среды или физическим повреждениям.

Глубокая карбонизация, химическая агрессия, трещинообразование и расслоение бетона в связи с низким качеством материалов или производства работ, а также коррозия арматуры свидетельствуют о снижении долговечности. В некоторых случаях отдельные части ствола могут подвергаться физическим воздействиям (расслаивание и шелушение бетона при повторных циклах замораживания и оттаивания и др.). Долговечность бетона тесно связана с непроницаемостью.



Мера непроницаемости, необходимая для бетонных и железобетонных конструкций, определяется степенью агрессивности воздействия окружающей среды.

Основное положение при анализе непроницаемости бетона заключается в учете того факта, что бетон обладает пористой структурой и в этом отношении принципиально отличается от металлов. Вследствие капиллярно-пористой структуры вода под давлением медленно просачивается сквозь материал. Скорость проницаемости воды через плотный бетон высокого качества весьма мала. Опыты на проницаемость проводить очень трудно, и лабораторные исследования связаны с небольшими давлениями — порядка 0,1—0,15 МПа.

Факторы, определяющие проницаемость бетона, очень сложны, и даже в настоящее время среди специалистов по технологии бетона существуют различные точки зрения об относительной значимости многих анализируемых факторов. Тем не менее большинство специалистов сходятся на том, что непроницаемость бетона зависит от таких факторов, как: качество цементов и заполнителей; качество и количество цементного теста, которое в свою очередь определяется количеством цемента в смеси, водоцементным отношением и степенью гидратации обмена; сцепление между цементным тестом и заполнителем; степень уплотнения бетона; наличие либо отсутствие трещин от начальных или вторичных напряжений; тщательность соблюдения режима выдерживания бетона и др.

Из указанных факторов водоцементное отношение оказывает, по-видимому, наибольшее влияние на проницаемость.

Необходимо разработать специальные требования по обеспечению максимальной непроницаемости бетона.



Карбонизация — это изменения, которые возникают в бетоне на портландцементе при действии на него углекислого газа, воздуха. Особенно сильное влияние испытывает гидроокись кальция Ca (ОН) 2 в присутствии влаги. Гидроокись кальция при поглощении углекислого газа превращается в карбонат кальция. Карбонат кальция плохо растворяется в воде и, образуясь, стремится герметически закрыть поры на поверхности бетона (имеется в виду плотный, водонепроницаемый бетон).

Обычно значение pH норовой воды в бетоне находится в пределах 10,5—11,5. Если вследствие карбонизации оно уменьшится до 9 и ниже, то возможна коррозия арматуры. Следовательно, толщина карбонизируемого слоя является важным фактором для защиты арматуры: чем глубже карбонизация, тем больше опасность коррозии стали. Глубину карбонизации можно определить, обрабатывая бетон фенолфталеином. О наличии цементных свойств при действии фенолфталеина свидетельствует появление розового цвета, тогда как бетон, подвергшийся карбонизации, сохраняет свою первоначальную окраску.

Высококачественный плотный бетон подвергается карбонизации очень медленно. Маловероятно, чтобы карбонизация наблюдалась на глубине более 5—10 мм даже после эксплуатации в течение 50 лет. С другой стороны, глубина карбонизации низкопрочного водонепроницаемого бетона может достичь 25 мм менее чем за 10 лет.

Опыт показывает, что бетонные изделия низкого качества особенно подвержены карбонизации.



Химическая агрессия бетона определяется одним из следующих агрессивных факторов:

1) веществами в шахтной воде;

2) химическими веществами в окружающей атмосфере;

3) веществами, образованными в прямом контакте с бетоном, при бактериологическом воздействии.



Влияние атмосферы ствола на его крепь зависит от вида и качества бетона и степени защищенности крепи. Влияние атмосферных воздействий можно определить как изменение характеристик материала, и особенно его внешней поврежденности под действием вентиляционной струи воздуха, запыленности его, капежа и влажности, загазованности и т. д.

Помимо карбонизации, которая объясняется присутствием в воздухе двуокиси углерода, существует много других факторов, вызывающих разрушения в результате атмосферных воздействий. Кроме указанных выше факторов, на состояние крепи может отрицательно влиять изменение температуры.

Разрушения и повреждения крепи можно разделить на следующие категории:

- недостаточность несущей способности в связи с ошибками при проектировании и строительстве, а также в результате механических или горно-геологических воздействий;

- снижение прочности из-за низкого качества бетона, недостаточной толщины защитного слоя или наличия хлоридов в бетоне;

- химическое воздействие на бетон и арматуру; механические повреждения крепи и армировки на отдельных участках, связанные с условиями эксплуатации;

- бетон крепи может разрушаться в результате эпизодического замораживания и оттаивания. Такое разрушение обусловлено прониканием влаги на поверхностные слои бетона и последующим понижением температуры ниже нуля. При замерзании поглощенная вода расширяется, вызывает отслоение поверхности бетона. Разработать соответствующие критерии для ремонта и восстановления бетонной, железобетонной крепи нелегко, но совершенно очевидно, что бетон и раствор для таких ремонтных работ должны содержать воздухововлекающую добавку;

- повреждения крепи связаны с текущей с большой скоростью по поверхности водой (пути просачивания воды: зияющие трещины, отверстия и др.). Эти повреждения могут быть вызваны кавитацией, истиранием водой, содержащей крупный песок, и ударом напорной струи.



Кавитация — это нарушение сплошности внутри жидкости, т. е. образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн).

Причины кавитации еще точно не установлены, несмотря на исследования, ведущиеся в ряде стран. Простое объяснение причин кавитации следующее: при течении с большой скоростью потока воды (долее 15 м/с) углубления и выступы на граничной поверхности могут вызвать образование кавитационных вихрей. Весьма вероятно, что это происходит в местах нарушения сплошности, направленных вниз по потоку. Следует отметить, что ни одна поверхность не бывает абсолютно гладкой, тем более поверхность крепи ствола шахты.

Если в местах неровностей на поверхности абсолютное давление приближается к давлению водяного пара, то там возникают и моментально исчезают мельчайшие пузырьки. При разрушении стенки пузырька образуются крошечные струйки воды, обладающие исключительно высокой скоростью. В результате разрушения пузырьков возникает сильная ударная волна — серия последовательных гидравлических ударов. Такое воздействие очень разрушительно не только для высокопрочного бетона, но даже для металла. Кавитации можно избежать, если исключить образование кавитационных вихрей и пузырьков.

Повреждения бетона вследствие кавитации можно довольно легко отличить от. обычного размыва: на поверхности, разрушенной кавитацией, имеются зазубрины, в то время как поверхность, поврежденная водой и крупным песком, довольно гладкая.

Бетон высокого качества очень устойчив к воздействию быстрых потоков воды, содержащей крупный песок. Произойдет ли существенное разрушение и какова будет его степень — вопросы, зависящие от ряда факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

1) качество бетона (его прочность при сжатии, содержание цемента, сопротивление износу мелкого и крупного заполнителя);

2) скорость потока воды;

3) содержание частиц крупного песка в потоке и их абразивные характеристики;

4) параметры потока (является ли он непрерывным или прерывистым, как изменяется количество песка через каждый час, день и т. д.).

Когда напорная струя воды, обладающая очень высокой скоростью, ударяет по поверхности бетона, она смывает цементное тесто, нарушая таким образом сцепление мелкого и крупного заполнителя.

В каждой конкретной ситуации проектировщик должен исходить из инженерной оценки, и в первую очередь решать вопрос о необходимости и рациональности особых мер защиты. Это относится также и к ремонтным работам. Разумеется, выбранный метод ремонта и применяемое оборудование будут зависеть от типа поврежденной конструкции, степени повреждения и времени эрозии.