Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ГАПОНОВ Виталий Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УСИЛЕНИЯ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ подземных сооружений
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИционных МАТЕРИАЛОВ
Специальность: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет на кафедре Строительство подземных сооружений и шахт
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор ШИЛИН Андрей Александрович, профессор кафедры Строительство подземных сооружений и шахт в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор ДОРМАН Игорь Яковлевич,
вице-президента по научной работе ОАО Метрогипротранс (г.Москва);
кандидат технических наук ЩЕКУДОВ Евгений Владимирович,
директора филиала НИ - Тоннели и метрополитены ОАО ЦНИИС (г.Москва)
Ведущая организация: ООО Геоизол (г.Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится л 23 мая 2012 г. в 15.00 час.
на заседании диссертационного совета Д-212.128.05
при Московском государственном горном университете по адресу:
119991, Москва, Ленинский проспект, 6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ)
Автореферат разослан: л 23 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук
В.В.МЕЛЬНИК
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. К подземным сооружениям, имеющим жизненно важное значение для инфраструктуры современных крупных городов, относятся коллекторные тоннели инженерных коммуникаций. Протяженность таких тоннелей только в Москве превышает 500 км.
Основную их часть составляют тоннели мелкого заложения из сборных железобетонных конструкций. Как правило, они имеют прямоугольное сечение и расположены под городскими дорогами. Проектный срок эксплуатации таких тоннелей превышает 50 лет, однако возрастающие динамические нагрузки городской среды и все более интенсивное воздействие негативных экологических и антропогенных факторов, в частности, использования антиобледенительных реагентов, являются во многом причиной активизации коррозионных процессов в конструкциях тоннелей, что в свою очередь предопределяет ускоренный износ и потерю несущей способности железобетонных конструкций, и в первую очередь, плит перекрытия. Это приводит к накоплению уровня аварийного фонда тоннелей инженерных коммуникаций, который в Москве составляет до 20%. В других городах России эта величина еще больше и доходит до 30%.
Задача обеспечения эксплуатационной надежности железобетонных конструкций и продления срока их эксплуатации требует проведения работ по ремонту и усилению этих конструкций.
Традиционные способы усиления, предусматривающие ремонт, замену стальной арматуры или использование металлоконструкций, к сожалению, не всегда дают необходимый эффект в долгосрочной перспективе, поскольку коррозионные процессы неизбежно возобновляются. Применение новых технологий с использованием не подверженных коррозии современных композиционных материалов на основе легких и высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и т.п.) может в значительной степени решить эту серьезную и актуальную проблему. При этом износ конструкций будет в значительно меньшей мере зависеть от агрессивности окружающей среды, и межремонтные сроки могут быть назначены с большей достоверностью. Это обеспечит существенное сокращение затрат и повышение эксплуатационной надежности сооружений.
Расширение спектра применения этих материалов требует обоснованных расчетов и отработанных технологий, особенно в подземном строительстве, где к безопасности сооружений предъявляются особые требования. Это тем более важно, что применение композитов в тоннелях инженерных коммуникаций с использованием принятых в настоящее время полимерных материалов имеет определенные недостатки. Это связано с возможностью отрыва ламинатов или холстов в результате кристаллизации солей на контакте бетона и полимерного материала. Возникает необходимость обоснования и разработки новых технологических решений с использованием составов на цементной основе.
Вместе с тем не только в отечественной, но и в зарубежной специальной научной литературе явно недостаточно исследований и научных публикаций, посвященных этой проблеме. На сегодняшний день в мире отсутствует нормативная база по усилению конструкций сетками на основе углеродных волокон. В России нормативы по усилению конструкций композитными материалами находятся в стадии разработки.
В связи с этим обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием композиционных материалов являются актуальной научной задачей.
Цель работы - обоснование и разработка технологии усиления железо-бетонных конструкций подземных сооружений с использованием новых композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе, позволяющих улучшать условия эксплуатации сооружений, увеличивать межремонтные сроки и, соответственно, снизить стоимость эксплуатации.
Идея работы - использование новых композиционных материалов, обеспечивающих долговечность конструкций подземных сооружений при их усилении за счет повышения коррозионной стойкости элементов усиления.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлена закономерность влияния вязкости эпоксидного состава для пропитки на прочность углеродных сеток с целью исключения деформаций проскальзывания волокон в жгуте, состоящая в том, что прочность на разрыв пропитанных жгутов обратно пропорциональна вязкости эпоксидного состава.
2. Воздухопроницаемость элемента усиления изменяется обратно пропорционально площади углеродной сетки в элементе усиления, при этом рядность (количество слоев) углеродной сетки в элементе усиления не влияет на воздухопроницаемость системы.
3. Установлена прямо пропорциональная зависимость коэффициента усиления конструкций от геометрических параметров элемента усиления: с увеличением длины и площади сечения элемента усиления несущая способность конструкции увеличивается.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
- данными, полученными на базе правильно спланированных экспериментальных прессовых испытаний усиленных конструкций на сертифицированном оборудовании в ЦНИИС;
- удовлетворительной сходимостью расчетных характеристик усиления конструкций с данными, полученными в ходе экспериментальных и практических работ;
- опытом успешного практического применения разработанной технологии при усилении конструкций тоннелей инженерных коммуникаций.
Научная новизна работы заключается в обосновании параметров усиления конструкций тоннелей инженерных коммуникаций, учитывающих специфические особенности этих тоннелей и условия их эксплуатации, а также выбора конкретных материалов, обеспечивающих заданный уровень несущей способности усиливаемых элементов и одновременно являющихся ремонтными и защитными составами.
Научное значение работы заключается в изучении совместной работы элемента усиления на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе с бетонным основанием и расширении представления о применении композиционных материалов для усиления железобетонных конструкций подземных сооружений.
Практическое значение работы заключается в обосновании технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений, в том числе неремонтопригодных, с использованием композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе, позволяющей улучшать условия эксплуатации сооружений, увеличивать межремонтные сроки и соответственно снизить стоимость эксплуатации, что практически отражено в разработке Дополнение № 1 к регламенту по ремонту, усилению и реконструкции сборных железобетонных обделок коллекторных тоннелей инженерных коммуникаций, утвержденному Правительством г. Москвы в 2009 г.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Предложенная в работе технология ремонта и усиления несущих железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами на основе высокопрочных углеродных волокон принята к использованию в ГУП Москоллектор, применялась при усилении конструкций тоннелей инженерных коммуникаций Велозаводский и Котельнический, подземных помещений Московской государственной консерватории им.П.И.Чайковского, перегонного тоннеля метрополитена в г. Нижний Новгород, станции метро Бауманская в г. Москве.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион-ной работы доложены и получили одобрение на техническом совещании в ГУП Москоллектор (г. Москва, 2011 г.), на Международном научном симпозиуме Неделя горняка (г. Москва, 2011 г.), на научных семинарах кафедры Строительство подземных сооружений и шахт (2008-2011 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в пяти научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, включает список литературы из 129 наименований, 13 таблиц и 43 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Дается анализ условий эксплуатации и эксплуатационной надежности железобетонных конструкций коллекторных тоннелей инженерных коммуникаций. Рассматривается наиболее распространенный тип коллекторов - прямоугольного сечения из сборных железобетонных блоков. В качестве объекта исследований выбраны железобетонные конструкции перекрытий коллекторов как наиболее подверженные коррозионному износу конструктивные элементы обделок, от состояния которых зависит функционирование подземного сооружения.
Основные коррозионные процессы в плитах перекрытия, сопровож-дающиеся трещинообразованием и отслоением защитного слоя бетона, происходят в продольных ребрах жесткости, в то время как кессонная часть плит подвержена агрессивному воздействию среды в значительно меньшей мере.
Большинство из существующих методов усиления железобетонных конструкций чрезвычайно сложно использовать при ремонте конструкций тоннелей инженерных коммуникаций. Это связано в первую очередь с невозможностью разгрузки конструкций, их вскрытия, а также ограниченностью площади поперечного сечения тоннеля. Поэтому делается вывод о том, что применительно к указанным условиям эксплуатации в качестве материала усиления целесообразно использовать композиционные материалы на основе высокопрочных волокон.
Применяемые в строительстве композиционные материалы изготавливаются собственно из высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и др.), омоноличенных в связующем составе (матрице) на полимерной основе или ремонтном материале на цементной основе. Физико-механические свойства таких материалов определяются типом и количеством применяемых волокон, их ориентацией и распределением в поперечном сечении ленты. Роль связующего состава сводится к перераспределению действующих напряжений между волокнами.
Наиболее предпочтительны для усиления железобетонных конструкций композиционные материалы на основе углеродных волокон. Они обладают исключительными физико-механическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и близким к стали модулем упругости), а также стойкостью к различным агрессивным средам.
Модуль упругости композиционных материалов имеет важное значение при усилении строительных конструкций, особенно при использовании композиционных усиливающих элементов без предварительного напряжения. Только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в существующей арматуре.
Несмотря на достаточно высокую стоимость композитов, использование их для усиления строительных конструкций во многих случаях оказывается экономически целесообразным, т.к. реконструкцию можно выполнять без вывода сооружения из эксплуатации, при этом значительно сокращается трудоемкость производства. Сравнение композиционных материалов различных фирм показывает, что для каждой системы эквивалентные уровни напряжений могут быть обеспечены путем изменения ширины или количества уложенных слоев. Преимущество полос большой ширины при фиксированном усилении заключается в увеличении площади сцепления и соответствующем снижении контактных напряжений. Физико-механические характеристики некоторых типов сеток из углеродных волокон представлены в табл. 1.
Успех применения композиционных материалов для усиления строи-тельных конструкций зависит в значительной мере от качества подготовки основания под наклейку ламинатов и холстов. Это связано с выбором материалов и технологий для ремонта разрушенной поверхности железобетона, обеспечивающих высокую адгезию ремонтного слоя к подложке.
Важнейшей проблемой внешнего армирования с приклеиванием композиционных усиливающих элементов на поверхность строительных конструкций является обеспечение их совместной работы. Необходимо предотвратить отрыв и проскальзывание усиливающих элементов вдоль поверхности растянутой зоны и их отрыв по концевым участкам.
Таблица 1
Физико-механические характеристики некоторых типов сеток
из углеродных волокон
Производитель | Компания Ruredil, Италия | Компания CGL Group, Германия | Компания Carbon Fiber Sci Tech Co, Китай |
Тип фибры | Углерод | Углерод | Углерод |
Шаг сетки, мм (прод.попереч.) | 1010 | 8.517.5 | 1222 |
Плотность фибры, г/см | 1,78 | 1,8 | 1,8 |
Прочность фибры на растяжение, МПа | 4800 | 3800 | 3800 |
Модуль упругости фибры, МПа | 240 | 230 | 230 |
Относительное удлинение при разрыве | 1,8 | 1,6 | 1,6 |
Поверхностная плотность, г/м | 168 | 600 | 600 |
Расчетная толщина в продольном направлении, мм | 0,047 | 0,22 | 0,18 |
Прочность на растяжение на 1см ширины, МПа | >160 | >210 | >230 |
Эффективность усиления композиционными материалами во многом зависит от прочности адгезива, его сцепления с бетоном. Отслаивание углепластиковых полос от бетона из-за недостаточной прочности адгезива, а также разрушение от сдвига по непрочному поверхностному слою бетона могут снизить эффективность усиления. Физико-механические характеристики низковязких полимерных составов для пропитки сеток представлены в табл. 2.
Использование композиционных материалов в полимерном связующем составе имеет некоторые ограничения, обусловленные физико-механическими свойствами термореактивных смол (низкое сопротивление температурным воздействиям, сложность использования во влажной среде, низкая паропроницаемость). Альтернативой может служить использование ремонтных материалов на цементной основе, структурно совместимой с бетоном
Таблица 2
Физико-механические характеристики низковязких полимерных составов для пропитки сеток
Образцы клея | Вязкость, МПа*с | Расход, г/м | Прочностные характеристики, МПа | ||
Сжатие | Растяжение | Удлинение, % | |||
№1 | 100 | 220 | 90 | 38 | 3 |
№2 | 200 | 250 | 90 | 35 | 3.5 |
№3 | 300 | 380 | 84 | 27 | 4.7 |
№4 | 400 | 450 | 82 | 25 | 5.9 |
основания, при этом противопожарные характеристики системы повышаются до уровня исходной конструкции, появляется возможность использовать ее во влажной среде, обеспечивается паропроницаемость конструкции. Физико-механические характеристики ремонтных материалов на цементной основе представлены в табл. 3.
Таблица 3
Физико-механические характеристики ремонтных материалов
на цементной основе
Составы | Прочность ремонтного материала, МПа | Прочность материала основы, МПа | |||
Сжатие | Растяжение | Адгезия к бетону | Сжатие | Растяжение | |
№1 | 42 | 6.2 | 2.7 | 32 | 4.5 |
№2 | 45 | 6.8 | 3.6 | 32 | 4.5 |
№3 | 28 | 3.0 | 2.1 | 32 | 4.5 |
№4 | 22 | 2.8 | 1.8 | 32 | 4.45 |
№5 | 38 | 5.0 | 3.0 | 32 | 4.5 |
№6 | 40 | 6.0 | 3.2 | 32 | 4.5 |
Промышленное внедрение технологии сдерживается из-за отсутствия достаточно отработанной и теоретически обоснованной технологии, особенно в случае установки элементов усиления на потолочной поверхности конструкции.
На основании выполненного анализа обоснование технологии усиления плит перекрытия коллекторных тоннелей с использованием углеродных сеток в ремонтном материале на цементной основе принимается в качестве основного направления диссертационной работы.
Использование ремонтного материала на цементной основе предусмат-ривает нанесение раствора на основание с последующим втапливанием в него углеродной сетки. Такая технология может быть реализована на горизонтальных плоскостях и частично на вертикальных. Использование данной технологии на потолочных поверхностях весьма затруднительно, т.к. втапливание сетки должно осуществляться в свежеуложенный ремонтный материал, а при этом велика вероятность нарушения сцепления с основанием и обрушения ремонтного материала. Если же дать возможность нанесенному раствору выстояться некоторое время с целью обеспечения необходимого сцепления с потолочной поверхностью, то станет невозможным втапливание углеродной сетки.
Специфика выполнения работ по ремонту и усилению плит перекрытий в стесненных условиях коллекторных тоннелей без возможности вскрытия конструкций снаружи предполагает совмещение этих операций с установкой элементов усиления (углеродных сеток) на заключительном этапе ремонта конструкций. При этом ремонтный материал на цементной основе используется и в качестве состава для восстановления сечения конструкций. Однако было установлено, что традиционные ремонтные составы на цементной основе не обеспечивают качественной пропитки жгутов углеродной сетки, в результате чего в процессе деформации конструкций возможны деформации проскальзывания волокон и, как следствие, снижение несущей способности конструкций. С целью предотвращения указанного явления была разработана технология, предусматривающая предварительную обработку углеродной сетки в низковязком эпоксидном составе перед укладкой ее в ремонтный материал на цементной основе. Зависимость влияния пропитки низковязким эпоксидным составом на прочность углеродной сетки представлена на рис. 1.
Рис. 1. График зависимости влияния пропитки низковязким эпоксидным составом на прочность углеродной сетки
Таким образом, представилась возможность совместить преимущества двух технологий с использованием связующих материалов на полимерной и цементной основе, объединить ремонт и усиление конструкций в единый технологический процесс.
В результате выполнения экспериментальных работ были разработаны и подобраны:
- элемент усиления изгибаемых железобетонных конструкций, включающий один или несколько слоев сетки из высокопрочных волокон. С целью исключения деформаций проскальзывания волокон в жгутах в процессе нагружения сетка перед установкой в конструкцию подвергается обработке в низко-вязком эпоксидном составе, после чего под давлением осуществляется набрызг ремонтного материала на цементной основе. Ремонтный материал покрывает сетку и после затвердевания обеспечивает сцепление с поверхностью конструкции. Схема элемента усиления конструкций с использованием углеродных сеток в ремонтном материале на цементной основе представлена на рис. 2;
Рис. 2. Схема элемента усиления конструкций с использованием углеродных сеток в ремонтном материале на цементной основе
- низковязкий эпоксидный состав для пропитки сеток из углеродных волокон с целью исключения деформаций проскальзывания волокон. Физические свойства полимера после отвердевания:
- прочность на сжатие > 100 Н/мм2
- прочность на растяжение > 35 Н/мм2
- модуль упругости 2800 Н/мм2
- относительное удлинение при разрыве 8%
- адгезия к бетону > 3 Н/мм2
- вязкость в свежеприготовленном состоянии 100 МПа⋅с
- ремонтный материал на цементной основе со следующими характеристиками:
- прочность на сжатие > 40 Н/мм2
- прочность на растяжение > 6 Н/мм2
- модуль упругости 30000 Н/мм2
- адгезия к бетону > 3 Н/мм2
При изменении толщины нанесения ремонтного материала на цементной основе значения параметра адгезионной прочности состава матрицы к бетонному основанию изменялись незначительно (рис. 3).
Рис. 3. Влияние толщины слоя ремонтного материала на адгезию к бетонному основанию
Паропроницаемость ремонтных материалов оценивалась по ГОСТ 12730.5-84 с помощью прибора АГАМА-2Р и прибором Торрент по SN 505252/1 Annex E.
Исследование влияния сеток из углеродного волокна, пропитанных низковязким эпоксидным составом, на изменение паронепроницаемости элемента усиления бетон - ремонтный состав - углеродная сетка-ремонтный состав по аналогичным методикам показало, что проницаемость изменяется в незначительных пределах. По всем измерениям эти значения не выходили за предел 28%.
Это незначительное уменьшение паропроницаемости позволяет утверждать, что нанесенный ремонтный состав с расположенной внутри его сеткой из углеродного материала, пропитанной низковязким эпоксидным составом, не оказывает влияния на паропроницаемость системы. Зависимость воздухопроницаемости элемента усиления от площади углеродной сетки в элементе усиления представлена на рис.4. Рядность (количество слоев) углеродной сетки в элементе усиления также не влияет на воздухопроницаемость системы.
Рис. 4. График зависимости воздухопроницаемости элемента усиления от площади углеродной сетки в элементе усиления
В работе исследованы физико-механические свойства ремонтных составов на цементной основе, определено влияние эффективности обработки углеродных волокон низковязкими эпоксидными составами. На основании результатов испытаний был разработан элемент усиления на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе. Определено влияние толщины слоя ремонтного материала на адгезию элемента усиления к бетонному основанию и площади углеродной сетки в элементе усиления на паропроницаемость элемента усиления. Выбраны материалы, которые использовались для усиления полноразмерных конструкций.
Внешнее армирование конструкций выполнялось из углеродной сетки с поверхностной плотностью в продольном (рабочем) направлении 400 г/м2.
Исследования проведены на конструкциях двух серий:
- железобетонных балках (перемычках), имитирующих работу продольных ребер жесткости в плитах перекрытия;
- натурных плитах перекрытия марки ДП-15-1т пролетом 5,4 м, на которых уточнялись полученные в первой серии результаты испытаний. Результаты испытаний на изгиб плит ДП-15-1т представлены в табл.4. Зависимость несущей способности балки от длины усиливающего элемента и количества слоев усиления представлена на рис. 5.
Таблица 4
Результаты испытаний на изгиб плит ДП-15-1т
Номер испы-тания | Тип образца | Вели-чина пролета, м | Тип загружения | Макси-мальная нагрузка, тс | Коэффи-циент усиления | |
В тре-тях | Распре-делен-ное | |||||
1. | Без усиления | 4.2 | + | - | 60 | - |
2. | Усиление 2 слоями сетки U-образного сечения | 4.2 | + | - | 90 | 1.5 |
3. | Усиление 1 слоем сетки U-образного сечения | 4.2 | + | - | 82 | 1.36 |
4. | Усиление 2 слоями сетки L-образного сечения | 4.2 | + | - | 76 | 1.26 |
В результате проведенных испытаний установлено:
1. Подтверждена эффективность усиления изгибаемых железобетонных конструкций углеродными сетками в ремонтном материале на цементной основе. Коэффициент усиления балок изменялся в диапазоне от 1,5 до 6, в зависимости от конструктивного исполнения и размеров сечения элемента усиления, а также коэффициента армирования исходной конструкции.
Усиление перемычек по U схеме в один слой | Усиление перемычек по U схеме длиной 1,55м | ||
| |||
Рис. 5. Графики зависимости несущей способности балки от длины усиливающего элемента и количества слоев усиления
2. При усилении не имеющих поперечного армирования изгибаемых элементов короткими накладками порядка L разрушение происходит по наклонному сечению в месте окончания элемента усиления. Поэтому при проектировании усиления изгибаемых железобетонных конструкций
3. С целью предотвращения деформации при проскальзывании волокон в продольных жгутах сетки и повышения эффективности усиления углеродная сетка перед ее укладкой в связующий состав на цементной основе должна подвергаться предварительной обработке (пропитке) в низковязком эпоксидном составе.
4. Прочность усиленных конструкций можно повысить, если заводить углепластиковую арматуру за опоры в статически определимых балках или в зону нулевого момента в неразрезных балках. С этой же целью могут быть использованы различные средства для дополнительного закрепления элементов внешнего армирования, например установка хомутов из углеродной ткани в опорных зонах.
5. Углеродная сетка по длине установки должна выходить за пределы усиляемой зоны не менее чем на 150-200 мм (зона анкеровки). При много-слойной конструкции элемента усиления каждый последующий слой должен быть короче предыдущего на длину анкеровки. Такое решение позволяет снизить концентрацию нормальных и касательных напряжений в концевых зонах.
6. Нарушение сцепления композитной арматуры с бетоном основания или отделение защитного слоя бетона являются типичными механизмами преждевременного разрушения усиленных конструкций.
7. Нарушение сцепления по п.6 связано с раскрытием главной наклонной трещины и относительным сдвигом ее краев, при котором возникают растягивающие напряжения, превышающие предел прочности связующего состава на разрыв. Жгуты в этом случае в целом остаются неповрежденными, но сам композит отделяется от основания. Этот вид разрушения связан с недостаточной прочностью усиленной балки на действие поперечной силы из-за малой площади поперечной арматуры или отсутствия на усиленной конструкции хомутов из композита.
8. Если прочность элемента на поперечную силу оказывается достаточной и образующиеся трещины не раскрываются слишком широко, то разрушение происходит из-за отделения защитного слоя бетона. В этом случае слабым звеном является бетон основания, прочность сцепления которого с арматурой пропорциональна прочности бетона на сдвиг.
9. В процессе установки элементов внешнего армирования существует опасность возникновения дефектов, связанных как с технологией, так и с применяемыми материалами. Например, при набрызге ремонтного материала возможно образование пустот на границе композит-бетон. В таких случаях нарушение сцепления будет начинаться на участке с дефектами, и распространяться вдоль композита, приводя к отслаиванию его от конструкции.
10. Конструкции перекрытия тоннелей инженерных коммуникаций, усиленных углеродной сеткой, обработанной в низковязком эпоксидном составе перед укладкой в ремонтный материал на цементной основе, разрушаются с постепенным увеличением нагрузки. Деформации проскальзывания волокон в прядях в процессе разрушения конструкций не отмечено. Такой тип разрушения свидетельствует о более высоком уровне безопасности обделки тоннелей с армированием углеродной сеткой.
При проектировании усиления железобетонных конструкций с использованием внешнего армирования из композиционных материалов используется метод расчета по предельным состояниям.
Расчет конструкций, усиленных композиционными материалами, по первой группе предельных состояний производится во всех случаях. Расчет по второй группе предельных состояния производится только в тех случаях, когда расчетная нагрузка после усиления увеличивается.
Расчет системы усиления на основе использования композиционных материалов требует рассмотрения нескольких видов разрушения и предельных состояний усиленного элемента. Поэтому вначале рекомендуется ориентировочно назначить площадь сечения композиционного материала выбранного типа и затем изменять ее в зависимости от результатов проверок соответствующих предельных состояний. Определение усилий в элементах конструкций производится с учетом данных, полученных при обследовании, предшествующем усилению.
Характеристики бетона и арматуры при отсутствии в них повреждений принимаются в соответствии со СНиП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. При наличии результатов обследования усиляемых конструкций назначение характеристик бетона и арматуры производят с учетом требований СП-13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
При растяжении композиционные материалы имеют линейную зависи-мость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения. Свойства таких композиционных материалов определяются в основном типом, ориентацией и количеством армирующих волокон. Механические свойства всех систем композиционных материалов независимо от их вида должны определяться по результатам испытаний образцов с оценкой объемного содержания волокон в соответствии с ГОСТ 25.601-80 Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей.
Система усиления на основе композиционных материалов должна проектироваться на восприятие растягивающих усилий с учетом совместной деформации внешней арматуры и бетона конструкции.
В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутом - стержневой арматурой и внешней арматурой из композиционных материалов.
Расчет внутренних усилий в конструкции производится на основе гипотезы плоских сечений. В расчетах усиления принимается отсутствие взаимных смещений между стальной арматурой и бетоном, а также между приклеенной внешней арматурой и бетоном основания.
При проектировании усиления конструкций следует учитывать, что не-сущая способность неусиленной конструкции должна быть достаточной для восприятия постоянной и ограниченной временной нагрузки в случае повреждения системы усиления вследствие пожара, вандализма или других причин.
Расчетные характеристики композиционных материалов (прочность на растяжение Rf, модуль упругости Ef, предельная деформация растяжения εf) определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности γf и коэффициента условия работы СЕ, учитывающего влияние окружающей среды.
Расчетная прочность на растяжение композиционных материалов с учетом коэффициентов надежности γf и условия работы СЕ определяется по выражению:
, ( 1 )
а расчетная деформация растяжения:
( 2 )
Расчетные значения модуля упругости при растяжении Еft принимаются равными их нормативным значениям:
. ( 3 )
Значения коэффициента надежности γf принимаются равными:
- при расчете по предельным состояниям первой группы - 1,1;
- при расчете по предельным состояниям второй группы - 1,0.
Изложены требования к технологии выполнения работ по усилению железобетонных конструкций тоннелей инженерных коммуникаций с использованием композиционных материалов.
Приведены принципиальные схемы внешнего армирования основных типов железобетонных конструкций - колонн, балок, плит перекрытия.
Изложены рекомендации по подготовке поверхности конструкций, заготовке арматурных элементов (холстов, ламинатов, сеток из углеродных волокон), приготовлению адгезионных полимерных составов и растворов на минеральной основе, приклеиванию элементов внешнего армирования, нанесению защитных покрытий и контролю качества производства работ.
Рассмотрены конструктивные особенности внешнего армирования из композиционных материалов. Максимальное количество слоев композита ограничивается только расчетной силой сцепления с поверхностью основания.
Элемент внешнего армирования должен выходить за пределы расчетной площади усиления не менее чем на 150 мм, образуя зону анкеровки.
При многослойной конструкции элемента внешнего армирования последний выполняется в виде рессоры, чем обеспечивается постепенное включение отдельных слоев в работу.
В балочных конструкциях для восприятия поперечной силы в приопорной зоне могут быть установлены вертикальные либо наклонные хомуты. Хомуты наклеиваются поверх продольного элемента усиления, чтобы обеспечить его лучшую анкеровку.
Приведено несколько конструктивных решений армирования приопорной зоны.
Контроль качества при проведении работ по усилению конструкций тоннелей инженерных коммуникаций композиционными материалами предусматривает выполнение входного контроля материалов, пооперационного и приемочного контроля работ.
Физико-механические свойства холстов и сеток из углеродных волокон оцениваются по свойствам однонаправленного композита в соответствии с ГОСТ 25.601-80 Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей.
Экономическая эффективность разработанной технологии ремонта и усиления перекрытий коллекторов выражается через увеличение межремонтных сроков относительно базовых:
Э = ΔТ = Тс - Тб . (4)
В качестве базового срока проведения ремонта принят период времени, необходимый для достижения плитой перекрытия третьей категории технического состояния (ограниченно-работоспособного) после выполнения ремонта по традиционной технологии.
По данным обследований конструкций перекрытий коллекторов, эксплуатирующихся в агрессивной среде, этот срок составляет 14 лет. Прогнозируемый расчетный срок перехода плит перекрытий в третью категорию технического состояния в случае использования при ремонте углеродных сеток в ремонтном материале на цементной основе составит 20 лет.
Увеличение межремонтных сроков от применения разработанных технологий составит 6 лет.
Увеличение межремонтных сроков на этот период позволит сократить на 42 % затраты на ремонт перекрытий коллекторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием новых композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале (составе) на цементной основе, позволяющей улучшать условия эксплуатации сооружений, более точно прогнозировать техническое состояние конструктивных элементов и увеличивать межремонтные сроки, снизить стоимость эксплуатации.
Основные научные и практические результаты работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:
- Исследованы физико-механические свойства различных видов сеток из углеродных волокон. Исследовано влияние предварительной пропитки сетки из углеродных волокон низковязким полимерным составом перед укладкой ее в ремонтный материал на цементной основе. Предложен низковязкий эпоксидный состав для пропитки сеток из углеродных волокон, с целью исключения деформации проскальзывания волокон, со следующими физическими свойствами после отверждения:
- прочность на сжатие > 100 Н/мм2
- прочность на растяжение > 35 Н/мм2
- модуль упругости 2800 Н/мм2
- относительное удлинение при разрыве 8%
- адгезия к бетону > 3 Н/мм2
- вязкость в свежеприготовленном состоянии 100 МПа⋅с
- Предложен ремонтный материал на цементной основе, структурно совместимый с бетоном основания со следующими физическими свойствами:
- прочность на сжатие > 40 Н/мм2
- прочность на растяжение > 6 Н/мм2
- модуль упругости 30000 Н/мм2
- адгезия к бетону > 3 Н/мм2
- Установлено, что с целью исключения деформации проскальзы-вания волокон в жгутах в процессе нагружения углеродную сетку перед установкой в конструкцию, необходимо обработать в низковязком эпоксидном составе, после чего под давлением выполнить набрызг ремонтного материала на цементной основе, который покрывает сетку, и после затвердевания обеспечивает сцепление с поверхностью конструкции.
- Предложенная технология усиления с использованием сеток из углеродных волокон и уложенных в ремонтный материал на цементной основе обеспечивает противопожарные требования до уровня параметров исходной конструкции, дает возможность укладки ремонтного состава на влажное основание, обеспечивает паропроницаемость конструкции.
- Установлено влияние усиления продольных ребер жесткости на несущую способность плит перекрытия. Проведены испытания железобетон-ных перемычек и полноразмерных плит перекрытий марки ДП-15-1т, усиленных углеродной сеткой в ремонтном составе на цементной основе. Конструкции с усилением от опоры до опоры углеродной сеткой, подвергнутой обработке в низковязком эпоксидном составе перед ее укладкой в ремонтный материал на цементной основе, разрушаются с постепенным увеличением деформации. Деформаций проскальзывания волокон в прядях в процессе разрушения конструкции не отмечено. Такой тип разрушения свидетельствует о более высоком уровне безопасности обделки тоннелей, что может быть особенно важным при проведении ремонтно-восстановительных работ.
- Произведен расчет усиления железобетонных конструкций с использованием композиционных материалов и существующих нормативных документов для расчета усиления конструкций СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения и СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. На основе аналитических зависимостей установлены сечения элементов усиления, необходимых для обеспечения резерва по несущей способности конструкций.
- Апробирована технология усиления железобетонных конструкций сетками из углеродных волокон в ремонтном материале на цементной основе. Результаты, полученные в ходе данного исследования, применялись в практике усиления железобетонных конструкций тоннелей инженерных коммуникаций Москвы (коллекторы Котельнический, Велозаводский и др.), а также конструкций сводов подземной части Московской консерватории им. П.И.Чайковского.
Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах автора:
- Гапонов В.В. Экспериментальные исследования усиления плит перекрытия коллекторных тоннелей сетками из углеродных волокон в матрице на минеральной основе// Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - №11. - С. 69-71.
- Гапонов В.В. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №12. - С.238-246.
- Гапонов В.В., Никитин В.М., Картузов Д.В. Repair and Rehabilitation Works in the Moscow State Conservatory// Advanced Materials Research Vols.133-134, Switzerland, 2010, pp.1161-1164.
- Гапонов В.В., Никитин В.М. Узел балочной системы строительного объекта с кирпичной кладкой наружных и внутренних стен// Патент на полезную модель № 93852. - Б.И. №13 от 10.05.2010.
- Шилин А.А., Гапонов В.В. Аксельрод Е.З., Заломов С.С. Способ ремонта прессованной бетонной обделки метрополитена // Патент на изобретение №2433270. - Б.И.№31 от 10.11.2011 г.
Подписано в печать. ___.___.2012 г. Формат 60х90/16
Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №
ОИУП Московского государственного горного университета
Москва, Ленинский проспект, 6.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле