Вплив постійного струму на бетон обводнених конструкцій та споруд, розташованих поблизу електрифікованих залізничних колій - Автореферат

У звязку з цим тема дисертації, направлена на вирішення проблеми захисту від електрокорозії і забезпечення довговічності бетону обводнених бетонних і залізобетонних конструкцій будівель та споруд, що експлуатуються поблизу електрифікованих постійним струмом залізничних колій, є актуальною. Наукова гіпотеза: при проходженні поїздів електрифікованими постійним струмом залізничними коліями потенціал на рейках обумовлює розповсюдження електричного поля на розташовані поблизу колій обводнені конструкції та споруди і наведення на них відповідного пульсуючого однонаправленого електричного потенціалу. Завдання досліджень: - дослідити стан будівель і споруд поблизу електрифікованих постійним струмом залізничних колій, виявити залежність зносу будівель і споруд від електрифікації; виконати дослідження в умовах експлуатації і встановити закономірності розповсюдження електричного поля від рейкової колії в ґрунті, конструкціях будівель і споруд; визначити показники небезпеки електрокорозії бетону конструкцій; Обєкт досліджень - цементний камінь і бетон обводнених бетонних, залізобетонних і камяних конструкцій будівель і споруд, що експлуатуються поблизу електрифікованих постійним струмом залізничних колій.При видаленні електровоза або електропоїзда від конструкції потенціал зникає, тобто струм є не постійним, а пульсуючим однонаправленим. Струм, що протікає через конструкцію, визначається потенціалом на рейці і опором ділянки ланцюга «рейка - конструкція», при цьому основний внесок до нього вносять опори рейкових скріплень, шпал, баласту, ґрунту між рейкою і конструкцією, а також самої конструкції і бетону. У дисертації показано, що в дисперсних капілярно-пористих тілах з довгими капілярами, зокрема у бетоні, виявляється поляризація подвійних електричних шарів (ПЕШ) стінок капілярів, на протилежних кінцях капіляра виникають надмірні заряди протилежно заряджених іонів, а уздовж капіляра - електричне поле поляризації. За літературними даними виконано аналіз характеру руйнування обводнених бетонних, залізобетонних і камяних конструкцій від дії на них постійного електричного поля від потенціалів рейок; існуючих методик вимірювання потенціалів на конструкціях, методів їх захисту від блукаючих струмів і струмів витоку. Показано, що способи вимірювання, засновані на вимірюванні активного опору і струму, не відображають головний вид провідності струму в бетоні - перенесення ПРІ Са2 .Для дослідження впливу на обводнений бетон електричного поля з потенціалами, що змінюються за величиною і режимами вмикання і вимикання, близькими до реальних умов руху поїздів з електричною тягою, були розроблені і виготовлені спеціальні лабораторні установки (рис. Один із зразків піддавали дії пульсуючого однонаправленого електричного поля і проточної води, два інших витримували без електричної дії у проточній (зразок К1) і стоячій (К2) воді. 2, а наведено графік залежності сили струму I в зразках від часу при тривалій дії пульсуючого однонаправленого електричного поля при 40, 15 і 5 В. Підставляючи величини DII і ti для кожного циклу у вирази (4) і (5), отримали дані для графіків залежності винесених кількості заряду Q, Кл, і m Са(ОН)2 (% від його вихідної кількості) від часу дії електричного поля при 40, 15 і 5 В (рис. За виразами (4) і (5) і даними про струм на початку і в кінці кожного циклу отримали дані для графіків залежності маси m винесеного із зразків Са(ОН)2 від часу t безперервної дії на зразок пульсуючого однонаправленого електричного поля (рис.Виконані натурні дослідження показали, що синхронно з проходженням поїздів з електричною тягою постійного струму на рейках, поверхні ґрунту і конструкціях будівель і споруд, розташованих поблизу колії, виникає пульсуючий однонаправлений електричний потенціал. Його величина на конструкціях, а також ступінь їх пошкодження залежать від величини потенціалу на рейках, відстані до них, стану верхньої будови колії, ґрунту і покриття на ньому, наявності підвалів і заземлень. У результаті оригінальних експериментальних досліджень встановлено, що тривала (близько 3000 год) дія на бетон пульсуючого однонаправленого електричного поля викликає в ньому електричний струм, що змінюється у часі. Експериментально встановлено, що в результаті тривалої дії на бетон пульсуючого однонаправленого електричного поля відбувається розчинення портландиту Са(ОН)2 і його винесення з бетону. Особистий внесок: аналіз стану конструкцій та споруд, які піддаються електрокорозійному пошкодженню, визначення ступеня їх пошкодження, розробка еквівалентної електричної схеми протікання блукаючих струмів крізь конструкції та споруди, що руйнуються.

Основний зміст роботи

1. У результаті статистичного аналізу експлуатаційної документації встановлено, що знос будівель і споруд на електрифікованих постійним струмом ділянках залізниць значно вищий, ніж на електрифікованих змінним струмом або неелектрифікованих ділянках.

2. Виконані натурні дослідження показали, що синхронно з проходженням поїздів з електричною тягою постійного струму на рейках, поверхні ґрунту і конструкціях будівель і споруд, розташованих поблизу колії, виникає пульсуючий однонаправлений електричний потенціал. Його величина на конструкціях, а також ступінь їх пошкодження залежать від величини потенціалу на рейках, відстані до них, стану верхньої будови колії, ґрунту і покриття на ньому, наявності підвалів і заземлень. Потенціал на конструкціях досягає 1,7 В і більше, причому пошкодження в них частіше відмічаються при потенціалі, що перевищує 1 В.

3. Встановлено, що в результаті багаторічної експлуатації поверхня ґрунту біля залізничної колії поляризується - на узбіччі біля рейок відмічається позитивний потенціал величиною до 0,7 В, в основі насипу - негативний до -0,3 В. Поляризація обумовлена електроміграційним стіканням катіонів Ca2 , Mg2 , Na , К та ін. із дифузної частини подвійних електричних шарів частинок ґрунту і їх винесенням потоком води по водовідвідних спорудах.

4. Виконані дослідження електричного опору залізобетонних шпал із різними типами скріплень показали, що шпали з анкерними скріпленнями (КПП-5) характеризуються значно меншим опором, ніж з клемно-болтовими скріпленнями (КБ). Менший опір шпал призводить до їх прискореного руйнування, а також інтенсивнішого пошкодження конструкцій поблизу електрифікованої колії.

5. У результаті оригінальних експериментальних досліджень встановлено, що тривала (близько 3000 год) дія на бетон пульсуючого однонаправленого електричного поля викликає в ньому електричний струм, що змінюється у часі. Спочатку струм максимальний і залежить від напруги (досягає 100 МА/дм2 при 40 В), потім з кожним імпульсом зменшується і через близько 1500 год досягає значень менше 5 МА/дм2, близьких для різної напруги. При зникненні зовнішнього поля у бетоні залишається викликана поляризацією напруга близько 2,5 В, що також поступово зменшується. Зразки бетону традиційного складу з різними міцністю і В/Ц, що піддались дії такого поля і проточної води, характеризувалися істотною втратою міцності і маси, збільшенням пористості і безнапірної водопроникності. Втрата міцності і маси бетону оптимального складу (з оптимальними значеннями коефіцієнтів розсунення заповнювачів аопт, мопт і В/Цопт) не відмічались. Втрата міцності і маси всіма зразками, що знаходилися у воді без електричного поля, не відмічались.

6. Експериментально встановлено, що в результаті тривалої дії на бетон пульсуючого однонаправленого електричного поля відбувається розчинення портландиту Са(ОН)2 і його винесення з бетону. Кількість винесеного Са(ОН)2 за 90 діб дії поля при 40 В склало 52 % від його початкової кількості. Швидкість винесення Са(ОН)2 при 15 В приблизно у 2,5 разу, а при 5 В - у 7 разів менше, ніж при 40 В. Виведено теоретичне рівняння залежності кількості винесеного Са(ОН)2 (за величиною винесеного заряду) від напруги і тривалості дії, яке узгоджується з експериментальними даними. Винесення Са(ОН)2 обумовлює зниження міцності і маси, збільшення пористості і безнапірної водопроникності бетону, а також втрату ним захисних властивостей відносно арматури, її корозію й утворення тріщин у захисному шарі.

7. Надано опис механізму розчинення і винесення портландиту під дією пульсуючого однонаправленого електричного поля. Таке поле викликає одночасне розчинення одразу всіх блоків портландиту в цементному камені так, що загальна тривалість їх розчинення відповідає часу розчинення одного блока. При кожному імпульсі поля відбувається винесення потенціалвизначальних іонів Са2 у бік негативного полюса і далі з конструкції. Отримано рівняння стаціонарного потоку іонів Са2 , обумовленого рівнодіючою електроміграційної сили, що виштовхує їх з ребер блоків кристалів, і сили вязкісного тертя адсорбційного шару води на поверхні граней блоків, з якого отримані рівняння швидкості перенесення Са(ОН)2 і тривалість розчинення портландиту.

8. Фізико-хімічні дослідження (РН-метрія, рентгенофазовий аналіз, інфрачервона спектроскопія, світлова і скануюча електронна мікроскопія) бетонів різного складу, що піддались дії досліджуваного поля, підтвердили коректність поданого механізму електрокорозії бетону, а також електрокорозійну стійкість бетону оптимального складу.

9. Розроблені комплексні способи захисту від електрокорозії бетонних, залізобетонних і камяних конструкцій, у т.ч. за допомогою металоінєкційної сорочки з поляризованим заземленням; сталебетонної обойми, зануреної у дно водотоку на глибину, при якій щільність струму, що стікає крізь неї в ґрунт, набагато менша небезпечної величини 0,6 МА/дм2; залізобетонної сорочки з бетону оптимального складу. Комплексні способи захисту від електрокорозії впроваджені при капітальному ремонті споруд Південної залізниці. Результати досліджень використовуються у навчальному процесі УКРДАЗТУ при підготовці спеціалістів і магістрів будівельних спеціальностей.

10. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень склав 188 тис. грн. Він обумовлений виконанням капітального ремонту споруд у поєднанні із захистом від електрокорозії замість повної заміни пошкоджених конструкцій новими, а також збільшенням міжремонтних термінів.

Основні результати дисертації викладені в роботах

1. Механизм разрушения кирпичной кладки водопропускной трубы переменным блуждающим током или током утечки / А.Н. Плугин, А.А. Плугин, О.С. Герасименко, А.А. Дудин, Ал.А. Плугин // Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2007. Вип. 42. С. 112-119. Особистий внесок: вимірювання електричного потенціалу на рейках та металоінєкційній обоймі.

2. Теоретические предпосылки защиты бетонных, железобетонных и каменных конструкций от переменных токов утечки / А.А. Плугин, А.А. Дудин, Ал.А. Плугин, А.Н. Плугин // Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2008. Вип. 47. С. 179-184. Особистий внесок: розробка лабораторної установки для моделювання електричної дії та обводнення на бетон, вимірювання РН водного середовища, в якому знаходиться бетонний зразок.

3. Дослідження можливості виробництва залізобетонних шпал за безпропарювальною технологією / А.А. Плугін, А.М. Плугін, О.В. Романенко, В.О. Яковлєв, О.С. Борзяк, О.А. Плугін, О.А. Дудін // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2008. Вип. 91. С. 211-224. Особистий внесок: визначення оптимального складу бетону залізобетонних шпал та оптимального вмісту добавок електролітів для прискорення твердіння бетону без зниження його електричного опору (спільно з О.В. Романенком).

4. Исследование влияния токов утечки и блуждающих токов на здания и сооружения, расположенные возле электрифицированных железнодорожных путей / А.Н. Плугин, Ал.А. Плугин, А.А. Дудин, О.С. Борзяк, А.А. Плугин, Д.А. Плугин // Вісник НТУ «ХПІ». Харків, 2009. № 40. С. 88-104. Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень потенціалів на рейках, конструкціях та спорудах (спільно з О.А. Дудіним), проведення експериментальних досліджень електричних характеристик бетону в лабораторних умовах.

5. Плугин Ал.А. Связь аварийности конструкций с токами утечки на электрифицированных участках железных дорог / Ал.А. Плугин, Я.В. Гавриленко, Е.В. Дульцев // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2009. Вип. 103. С. 218-222. Особистий внесок: аналіз стану конструкцій та споруд, які піддаються електрокорозійному пошкодженню, визначення ступеня їх пошкодження, розробка еквівалентної електричної схеми протікання блукаючих струмів крізь конструкції та споруди, що руйнуються.

6. Блуждающие токи на конструкциях, зданиях и сооружениях, расположенных вблизи электрифицированных постоянным током участках железных дорог / А.Н. Плугин, А.А. Плугин, О.А. Калинин, Д.А. Плугин, Ал.А. Плугин, А.А. Дудин, О.С. Борзяк // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2009. Вип. 109. С. 131-143. Особистий внесок: аналіз даних анкетування відомств Укрзалізниці (спільно з А.М. Плугіним і А.А. Плугіним), проведення експериментальних досліджень електричних потенціалів на рейках, поверхні ґрунту, а також будівлях та спорудах (спільно з О.С. Борзяк та О.А. Дудіним), розробка схеми натікання блукаючих струмів на конструкції будівель та споруд поблизу електрифікованих ділянок колії.

7. Электрическое сопротивление железобетонных шпал с различными типами рельсовых скреплений / А.Н. Плугин, Ал.А. Плугин, А.А. Дудин, А.А. Плугин // Харків: УКРДАЗТ, 2009. Вип. 111. С. 245-261. Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень електричного опору залізобетонних шпал (спільно з О.А. Дудіним), аналіз даних про вплив різних факторів на опір.

8. Исследование влияния переменного электрического поля в бетоне на его электрокоррозию / А.Н. Плугин, А.А. Плугин, А.А. Дудин, Ал.А. Плугин, О.С. Борзяк, А.А. Конев// Вісник ОДАБА. Одеса, 2010. Вип. 43. С. 197-211. Особистий внесок: розробка лабораторної установки і методики вимірювань; виконання електрометричних вимірювань (спільно з О.А. Дудіним) та фізико-механічних випробувань (спільно з О.А. Дудіним і О.А. Конєвим).

9. Механизмы формирования структуры, прочности и долговечности стали и железобетона на основе электроповерхностного потенциала простых веществ / А.Н. Плугин, А.А. Плугин, Д.А. Плугин, Л.В. Трикоз, Ал.А. Плугин, А.А. Дудин // Науковий вісник ЛНАУ. Луганськ, 2010. Вип. 14. С. 250-271. Особистий внесок: розробка механізму розчинення заліза під дією латерального електроповерхневого відштовхування (спільно з А.М. Плугіним і А.А. Плугіним), розрахунки рівноважних розмірів блоків.

10. Плугин Ал.А. Исследование влияния величины напряжения пульсирующего однонаправленного постоянного электрического поля на электрокоррозию бетона / Ал.А. Плугин // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2010. Вип. 115. С. 56-67.

11. Плугин Ал.А. Исследование электрокоррозионной стойкости бетона оптимального состава / Ал.А. Плугин, О.А. Калинин // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2010. Вип. 115. С. 67-75. Особистий внесок: визначення складу бетону і розробка методики дослідження, проведення експериментальних досліджень і аналіз їх результатів.

12. Дослідження спільної дії вібрації і обводенення на будівлі та споруди станційних комплексів / В.В. Палій, А.А. Плугін, О.А. Плугін, О.А. Дудін // Зб. наук. праць. Харків: УКРДАЗТ, 2009. Вип. 109. С. 151-163. Особистий внесок: вимірювання характеристик вібраційних коливань конструкцій та споруд, які розташовані поблизу електрифікованих ділянок залізничної колії (спільно з О.А. Дудіним), оцінка ступеня пошкодження конструкцій від спільної дії електричного струму, обводнення та вібрації.

13. Research of influence of leakage currents and stray currents on railways on buildings and constructions / A.N.Plugin, A.A.Plugin, O.Plugin, O.Dudin, O.Borzyak // 17 Internationale Baustofftagung, 23-26 September 2009, Bundesrepublik Deutscland: Tagungsbericht. Weimar, 2009. Band 2. P. 1151-1156. Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень потенціалів на рейках, конструкціях та спорудах (спільно з О.А. Дудіним), проведення експериментальних досліджень електричних характеристик бетону в лабораторних умовах.

14. Пат. 87795 UA МПК С04В28/26 Е01С 21/00. Рідкоскляна композиція / А.А. Плугін, А.М. Плугін, О.С. Герасименко, Л.В. Трикоз, С.В. Мірошніченко, О.А.Калінін, Д.А.Плугін, О.А.Дудін, В.А.Лютий, О.А.Плугін; Заявник та патентовласник УКРДАЗТ. №а200811931; заявл. 07.10.2008; опубл. 10.08.2009, Бюл. №15. Особистий внесок: дослідження властивостей рідкоскляної композиції і формулювання вимог для її використання як гідроізоляційного та електроізоляційного екрана для обводнених конструкцій.

15. Пат. 88998 UA МПК Е04В1/66, Е04В1/62. Спосіб визначення електрокорозійної стійкості захисних покриттів / А.А. Плугін, А.М. Плугін, І.В. Потележнікова, О.В. Афанасьєв, Ю.М. Горбачова, С.В. Мірошніченко, Д.А. Плугін, О.А. Плугін, О.А. Дудін, О.С. Борзяк; Заявник та патентовласник УКРДАЗТ. №а200811897; заявл. 07.10.2008; опубл. 10.12.2009. Бюл. №23. Особистий внесок: перевірка і застосування способу визначення електрокорозійної стійкості захисних покриттів для оцінки якості і довговічності електрокорозійного захисту бетонних та залізобетонних конструкцій за допомогою металоінєкційної обойми з нанесеним на неї захисним покриттям.