Кавитационная эрозия

В гидротехнических сооружениях наблюдаются повреждения от кавитации. Наиболее часто такие повреждения появляются на поверхности водосливов и гасителей энергии потока, в донных галереях, а также на других водосбросных сооружениях, где вследствие большой скорости воды, превышающей 12 м/с, и шероховатой поверхности бетона создаются благоприятные условия для протекания этого процесса.

На водосбросах гидротехнических сооружений всегда имеются различные неровности бетонной поверхности: уступы, выступы, выбоины, остатки затвердевшего раствора, резкое изменение угла наклона. Все это ведет к местному отрыву потока от обтекаемой поверхности и способствует развитию «отрывной» кавитации. Возникновение этого, как правило, сопровождается разрушением конструкции водосброса за неровностью бетонной поверхности. Наиболее характерным для «отрывного» вида кавитации является возникновение больших групп кавитационных пузырьков в центральной зоне вихрей.

Разрушение бетона при кавитации в зоне. Пузырьки воздуха образуются в тех местах, где возникает локальное падение давления до значения, «заставляющего» воздух, растворенный в воде, выделяться и переходить в пар при температуре, доминирующей в водном потоке. Падение давления, обусловленное наличием на поверхности бетона по пути движения воды каких-либо неровностей или препятствий, происходит очень быстро.

Механизм кавитационного разрушения бетона заключается в том, что при ударе пузырьков пара о твердый субстрат возникает сверхвысокое давление, действующее на бесконечно малую площадь поверхности в течение очень короткого времени. Череда таких высокоударных нагрузок способна разрушить материал практически любой твердости. Многочисленные исследования кавитационного воздействия проводились для металлических конструкций. По воздействию на бетон данных существенно меньше. Однако известно, что уже вскоре после начала кавитационного воздействия бетонная поверхность покрывается крошечными язвами. Возможным объяснением этого процесса является то, что слой материала вблизи поверхности бетона крайне уязвим, так как структура материала ослаблена из-за седиментации и постоянных ударных нагрузок. Наличие микротрещин на поверхности бетона, а также по контакту цементного камня и крупного заполнителя усиливает кавитационное разрушение.