20.01.2003 18:18
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Опыт использования композиционных материалов
для ремонтно-реконструкционных работ мостовых конструкций в Канаде
Многолетняя практика эксплуатации железобетонных зданий и сооружений во всем мире показала, что расходы на ремонт и реконструкцию современных объектов из железобетона за последние два десятилетия весьма возросли. Это в частности объясняется значительным усложнением условий эксплуатации сооружений за счет постоянного возрастания рабочих нагрузок на железобетонные конструкции, с одной стороны, и загрязнения окружающей среды - с другой. Этим отрицательным факторам особенно подвергаются мостовые конструкции. Существенное увеличение грузоподъемности автомобильного транспорта, общего объема транспортировки, интенсивного применения антиобледенителей различного типа, а также агрессивность естественных природных условий (таких, к примеру, как многократный переход температуры в течение суток через нулевую отметку) привели, в лучшем случае, к сокращению сроков межремонтной эксплуатации мостовых конструкций, а в худшем - к моральному износу и выведению отдельных мостов из категории высокой грузоподъемности.
Для Канады и США является типичным, что около 60 % мостов были построены в течение двадцатилетия между 1960 и 1980 годами и только 20 % существующих мостов было построено в течение последних 20 лет.
В марте 1998 г. Американская Ассоциация Инженеров-строителей (ASCE) опубликовала доклад о техническом состоянии зданий и сооружений. В заключение доклада было отмечено, что на ремонт и реконструкцию инфраструктуры США необходимо 1,3 триллиона долларов. Среди 575 тысяч высокоскоростных мостов Соединенных Штатов 230 тысяч были охарактеризованы как: а) значительно разрушенные или не удовлетворяющие существующим нормам и б) морально устаревшие, требующие полной замены или серьезной реконструкции.
Увеличение грузоподъемности транспорта в течение последних 40 лет привело к тому, что многие мосты работают под нагрузкой, превышающей проектную на 40%. Кроме того плиты покрытий мостов в свое время изготавливались без специальной антикоррозионной защиты и с недостаточной для настоящего времени толщиной защитного слоя бетона. 65% мостов федерального назначения США изготовлены из железобетона и преднапряженного железобетона. Среди них 13720 мостов (7.7%) оценены как требующие незамедлительной реконструкции или требующие ограничения грузоподъемности проходящего транспорта;
а 23650 (13,2%) мостов из-за геометрии плит покрытия, ширины проезжей части и проектной грузоподъемности транспорта признаны морально устаревшими.
В Канаде по опубликованным данным Министерства Финансов Онтарио только для поддерживания ситуации в не ухудшающемся состоянии в течение следующих 5 лет необходимо 40 биллионов долларов. Около 40% мостов Канады построены более 30 лет назад, и все они имеют коррозионные поражения, в основном, обусловленные неблагоприятными климатическими воздействиями и экстенсивным применением солей-антиобледенителей.
Как федеральные, так и принадлежащие отдельным компаниям мосты подвергаются систематическому обследованию коррозионного состояния конструкций. Оценка повреждений, выбор способа ремонта, предварительная подготовка поверхности, состав бетонной смеси для ремонта, и последовательность технологических операций стандартизированы и приведены в специальном Руководстве по ремонту мостовых бетонных конструкций ACI546.1R-80. Руководством предусматривается использование бетонов, модифицированных синтетическими латексами, и полимербетонов. В качестве полимерной составляющей бетона в основном рекомендуется использование эпоксидных и метилметакрилатных систем. Однако дополнительно дается ссылка на перечень из трехсот наименований специальных композиций для ремонта железобетонных конструкций, при этом стоимость этих композиций не является главным критерием при выборе материалов для ремонта. Настоящая статья отражает перспективные способы ремонта железобетонных конструкций мостовых сооружений.
Углеродный фиброполимер как перспективный композиционный материал
В большинстве принятых к рассмотрению случаев повреждений мостовых сооружений разрушения железобетона представляют собой разнообразные трещины шириной раскрытия в отдельных местах до 2 мм и более, локальные выбоины бетона, зоны постоянной фильтрации воды в осенне-весенний период времени, ржавые потеки на железобетонной поверхности, обнажения корродирующей арматурной стали. Эксплуатация таких сооружений требует постоянного наблюдения за состоянием конструкций и своевременного ремонта.
Канадская практика ремонта мостовых железобетонных конструкций включает применение эффективных традиционных материалов, таких, к примеру, как высокопрочный бетон на основе пуццолановых добавок с прочностью около 90 МПа. Наряду с традиционными способами ремонта в последние годы заметно увеличивается применение в качестве ремонтных перспективных композиционных материалов, представляющих собой различные фиброполимеры на базе стеклянной, углеродной и арамидной фибры, в качестве матрицы для которых используется эпоксидная смола. Высокие прочностные и антикоррозионные свойства этих материалов при весьма малой массе, позволяют восстанавливать поврежденные стальные и железобетонные конструкции различных сооружений, доводя их прочностные и деформативные характеристики в некоторых случаях до уровня их проектных значений или значительно улучшая их, по сравнению с исходным состоянием. Положительным свойством этих материалов также является и их электромагнитная нейтральность, что особенно актуально при ремонте мостовых конструкций, подвергнутых блуждающим электрическим токам. Актуальность применения фиброполимеров многократно возрастает при использовании их для ремонта сооружений, где увеличение размеров поперечного сечения конструкций в результате упрочняющих мероприятий весьма нежелательно или просто недопустимо. Использование этих материалов практически не изменяет размеров поперечного сечения конструкций, причиной этого является высокое значение отношения их прочности к массе.
С начала 90-х годов в США, Канаде, Японии проводилось изучение возможности использования фиброполимерных композитов взамен стальных пластин, применяемых для наружного упрочнения гибких железобетонных элементов. Изучение долговечности отремонтированных двумя способами (с использованием стальных пластин и фиброуглеродного полимерного композита) балок, экспонированных в атмосферных условиях без инициирования коррозионных процессов антиобледенительными солями, показало, что, во-первых, стальные пластины не имели достаточного сцепления с бетоном из-за продуктов коррозии, образовавшихся в отдельных зонах поверхности между сталью и адгезивом; во-вторых, стальные пластины достаточно тяжелы и поэтому крепление их слишком трудоемко и к тому же требует установки дорогих лесов; в третьих, длина металлических пластин для ремонта достаточно протяженна, что усложняет проведение ремонтных работ из-за большой массы стали, при этом сварка мелкоразмерных стальных элементов недопустима из-за опасности разрушения адгезива; в четвертых, стальные протяженные элементы весьма чувствительны к прогибам ремонтируемых конструкций и в процессе эксплуатации отслаиваются от бетона в результате прогиба железобетонной конструкции. Таким образом, несмотря на относительно высокую стоимость фиброуглеродного полимера, сравнение стоимости ремонтных работ с его использованием и использованием стальных пластин показало, что в целом применение фиброуглеродного полимера для ремонта железобетонных конструкций взамен стальных пластин снижает общую стоимость ремонта на 20-30 %.
Наиболее широкое применение фиброполимерные материалы пока нашли при ремонте и укреплении гибких железобетонных элементов. Ремонт преднапряженных железобетонных балок моста в штате Алберта (Канада) в 1996 году с использованием углеродных фиброполимерных полос позволил сэкономить около 30 тысяч долларов (30% от общей стоимости ремонта) по сравнению с укреплением стальными бандажами. Как показали испытания, проведенные в Университете Торонто фиброполимеры могут эффективно использоваться как в виде моно и полинаправленных пластин, закрепляемых в растянутой зоне железобетонных конструкций, так и в виде обертывающих "простыней" шириной 250 мм из углеродного фиброполимера толщиной 0,167 мм. Прочность при растяжении углеродного фиброполимера составляет 3400 МПа, а относительное удлинение 1,4%.
Использование фиброполимерных листов для ремонта железобетонных конструкций в отличие от обертывания фиброполимерными "простынями" является относительно знакомой задачей, поскольку фактически представляет * собой часть достаточно широко применяемого способа укрепления конструкций посредством приклеивания металлических пластин, известного еще с 1964 года в то время как непрерывное обертывание железобетонных элементов является новым способом ремонта.
Изучением долговечности отремонтированных конструкций, определением оптимальной области применения композиционного материала занимается ряд университетов Канады.
В Торонтском Университете, к примеру, на протяжении последних восьми лет проводятся исследования влияния фиброполимерных материалов на прочностные, деформативные, коррозионные свойства отремонтированных железобетонных конструкций, определяются эффективные области применения материала, отрабатывается технология проведения ремонтных работ с использованием указанных композитов. Получены интересные результаты свидетельствующие о том, что наружное усиление балок углеродным фиброполимерным материалом увеличило их несущую способность на 10-35 %, снизило прогиб на 10-32 %, при этом важное значение имела схема расположения укрепляющих полос материала. Установлено, что определенная схема расположения приклеиваемых "простыней" позволяет экономить материал без снижения несущей способности ремонтируемой конструкции. В проведенном эксперименте сравнивалась эффективность двух способов ремонта железобетонных балок: посредством закрепления о двух продольно расположенных слоев углеродного фиброполимера в растянутой зоне пролета и водного аналогично расположенного продольного слоя, но закрепленного в перпендикулярном направлении дополнительными U-образными полосами изучаемого композита. Процесс закрепления углеродного фиброполимера на поверхности бетона включал в себя подготовку бетонной поверхности (очистку от отслоившихся частиц бетона, грязи и пыли с использованием пескоструйного аппарата до обнажения отдельных частиц мелкого заполнителя, грунтовку), нанесение эпоксидного состава определенной консистенции и толщины слоя, приклеивание полимерной "простыни" и нанесение покрывающего слоя эпоксидного состава. Арматурная сталь балок подвергалась коррозии, ускоряемой электрохимическим способом. В результате коррозионных повреждений арматурной стали с потерей массы около 10 % (определяемой как функции прошедшего через арматуру электрического тока в соответствии с законом Ома) несущая способность балки в изучаемом случае снизилась на 17%, а деформативность - на 42% по сравнению с контрольным образцом.
Наблюдения за механизмом разрушения отремонтированных балок показали что, отслоение полимерной пленки от бетона конструкции происходит гораздо раньше, чем исчерпывается предел прочности углеродного фиброполимера и, в зависимости от схемы крепления полос на конструкции растяжение фиброполимерной пленки достигает всего лишь 43 -70 % от разрывного. Трещинообразование в защитном слое бетона, находящемся между корректирующей арматурой и приклеенным фиброполимером, обуславливает как нарушение его сцепления с арматурой, так и отслоение высокопрочного углеродного покрытия от бетона. Задача, поставленная в исследовании, заключалась в разработке такой схемы расположения укрепляющих слоев, которая позволила бы стабилизировать распространение трещин между бетоном и углеродным фиброполимером, обжать имеющиеся трещины в бетоне, затормозить образование новых трещин в бетоне.
Предложенная схема расположения фиброполимерных слоев с одним продольно расположенным и девятью U-образны-ми полосами позволила увеличить несущую способность балки с коррозионными повреждениями (до 10% по массе) арматуры на 34%, а деформативнось на 56%, по сравнению с традиционной схемой расположения слоев в виде двух продольно расположенных полос.
Таким образом, в настоящее время использование углеродного фиброкомпозита для восстановления и/или усиления мостовых инструкций является весьма перспективным и быстро развивающимся направлением ремонта как в Канаде, так и во всем мире, о чем свидетельствует всевозрастающий спрос на композит. Так в Японии в 1996 году для ремонта железобетонных конструкций было использовано 725 тонн углеродного фиброполимера, регион только Юговосточной Азии ежегодно потребляет этого материала на общую сумму около 120 миллионов американских долларов, а в США только для ремонта паркингов было использовано 18500 м2 указанного композита.
Ускоренное продвижение углеродного фиброполимера по рынкам сбыта Северной Америки обусловлено не только высокими техническими свойствами материала, но и экстренной необходимостью повышения сейсмостойкости отдельных мостов Канады и Соединенных Штатов, спроектированных тридцать лет назад с неадекватными настоящим условиям требованиями по сейсмостойкости. Землетрясения в Лос-Анджелесе в 1994 году силой толчка 6,7 и в Кобе (Япония) в 1995 году силой 6,9 балла т шкале Рихтера убедительно продемонстрировали необходимость усиления ответственных сооружений.
Россия и Канада имеют сходные климатические условия, при этом в обеих странах представлено многообразие климатических зон от влажного теплого климата до резкоконтинентального с низкой среднегодовой температурой, а также зона вечной мерзлоты. В той связи весьма актуальной возможность проведения некоторых совместных исследований в области применения новых высокоэффективных материалов для ремонта и восстановления мостовых конструкций. Соглашение, подписанное в июне 2000 года Госстроем Госстандартом МВД РФ, с российской стороны u Canada Mortgage and Housing Corporation (CMHC), National Research Council (NRC) и Underwriter's Laboratories of Canada (ULC), с канадской стороны, может явиться важным вкладом в этом направлении.
*Дж. Боначчи (университет Торонто),
Л.И. Елшина (НИИЖБ),
Ю.С. Волков (НИИЖБ, РНТО строителей)
Строительный эксперт ╩
Технологии ╩
Материалы ╩
No. 16
13.09.2002
"Простыня" для моста
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.