Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием композиционных материалов

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием композиционных материалов"

005042541

На правах рукописи

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

1 о г.;

005042541

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 6АО «Метрогипротранс» (г.Москва);

кандидат технических наук ЩЕКУДОВ Евгений Владимирович, директора филиала «НИЦ «Тоннели и метрополитены» ОАО ЦНИИС

(г.Москва)

Ведущая организация: ООО «Геоизол» (г.Санкт-Петербург»)

Защита диссертации состоится мая 2012 г. в час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ)

119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

Автореферат разослан: « 23» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совет доктор технических

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 межого 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 антиобледени-тельных 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 обес-

1

печит 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 ламянатов 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 железобетонных 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, выноснмые 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

3

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 ГУЛ «Москоллектор», применялась при усилении конструкций тоннелей инженерных коммуникаций «Вело-заводский» 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 диссертационной работы доложены и получили одобрение на техническом совещании в ГУЛ «Москоллектор» (г. Москва, 2011 г.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2011 г.), на научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооруждений 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, сопровождающиеся 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

5

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 бьггь 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 строительных 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 Sei Tech Co», Китай

Тип фибры Углерод Углерод Углерод

Шаг сетки, мм (прод.хпопереч.) 10x10 8.5x17.5 12x22

Плотность фибры, г/см3 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/м2 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 паропрони-цаемость). Альтернативой может служить использование ремонтных материалов на цементной основе, структурно совместимой с бетоном основания, при

7

Таблица 2

Физико-механические характеристики низковязких полимерных составов для пропитки сеток

Образцы клея Вязкость, МПа*с Расход, г/м3 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

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

8

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 цринимается в качестве основного направления диссертационной работы.

Использование ремонтного материала на цементной основе предусматривает 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.

9

Сетка пр-во Китай без пропитки Сетка пр-во Китай с пропиткой

Сетка пр-во Германия без пропитки *--*-—* Сетка пр-во Германия с пропиткой Сетка пр-во Италия без пропитки «—« Сетка пр-во Италия с пропиткой

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 нагру-жения 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;

Ремонтный состав на цементной основе

Углеродная сетка

Праймерный сяой ремонтного состава

Бетонное основание

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 >100Н/мм2

- прочность на растяжение

- модуль упругости

- относительное удлинение при разрыве

- адгезия к бетону

- вязкость в свежеприготовленном состоянии ЮОМПа-с

• ремонтный материал на цементной основе со следующими характеристиками:

- прочность на сжатие

- прочность на растяжение

- модуль упругости

- адгезия к бетону

> 35 Н/мм2 2800 Н/мм2 8%

> 3 Н/мм2

> 40 Н/мм2 >6 Н/мм2 30000 Н/мм2

> 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).

зз

4%

■ £

>о

0.5

Толщина слоя, мм

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 Е.

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

12

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 ис-пы-та-ния Тип образца Величина пролета, м Тип загружения Максимальная нагрузка, тс Коэффициент усиления

в „ третях Распределенное

1. Без усиления 4.2 + - 60 -

2. Усиление 2 слоями сетки и-образного сечения 4.2 - 90 1.5

3. Усиление 1 слоем сетки и-образного сечения 4.2 - 82 1.36

4. Усиление 2 слоями сетки Ь-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.

3

«г

I

0

1

I |

0.3 0.5 0.9 1.2 1.5 1.S 2.1 2.4 Нагрузка, Тс

и г и Нагрузка, Тс

Усиление перемычек по U схеме в один Усиление перемычек по U схеме длиной

слой 1,55м

м я я Длина элемента усиления 0,8 м . . . ,,

* Усиление в два слоя » «■ « Длина элемента усиления 1,35 м _ _ _

J ' пап Усиление в один слои

a1 ° в Длина элемента усиления 1,55 м _____ „

" ' • • »■ Без усиления

» « » Без усиления

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 Vi L разрушение происходит по наклонному сечению в месте окончания элемента усиления. Поэтому при проектировании усиления изгибаемых железобетонных конструкций необходимо учитывать их фактическое армирование и в зависимости от степени усиления проверять необходимость усиления наклонных сечений.

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 многослойной 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.б 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 железобетонньгх 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 зависимость 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 несущая 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 модуль упругости Е^ предельная деформация растяжения Е{) определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности и коэффициента условия работы Се, учитывающего влияние окружающей среды.

Расчетная прочность на растяжение композиционных материалов с учетом коэффициентов надежности yf и условия работы СЕ определяется по выражению:

(1)

Yf

а расчетная деформация растяжения:

(2)

Расчетные значения модуля упругости при растяжении Eft принимаются равными их нормативным значениям:

(3)

S1

Значения коэффициента надежности у/ 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 = АТ = 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:

1. 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

2. 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

3. Установлено, что с целью исключения деформации проскальзывания 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.

4. 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.

5. Установлено влияние усиления продольных ребер жесткости на несущую способность плит перекрытия. Проведены испытания железобетонных 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.

6. 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 элемен-

тов усиления, необходимых для обеспечения резерва по несущей способности конструкций.

7. 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:

1. 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.

2. Гапонов В.В. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №12. - С.238-246,

3. 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.

4. Гапонов B.B., Никитин B.M. Узел балочной системы строительного объекта с кирпичной кладкой наружных и внутренних стен// Патент на полезную модель № 93852. - Б.И. №13 от 10.05.2010.

5. ШилинА.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. £0. .2012 г. Формат 60x90/16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № ¿"¿¿^

ОИУП Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гапонов, Виталий Владимирович, Москва

61 12-5/3368

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи

ГАПОНОВ Виталий Владимире]

Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая, строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Профессор, доктор технических наук ШИЛИН Андрей Александрович

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Анализ условий эксплуатации и эксплуатационной 9 надежности железобетонных конструкций коллекторных тоннелей.

1.1. Характеристика железобетонных конструкций 9 коллекторных тоннелей.

1.2. Основные виды износа железобетонных конструкций 13 коллекторных тоннелей.

1.3. Анализ методов усиления несущих железобетонных 19 конструкций подземных сооружений.

1.4. Выводы по главе 1. 27

Глава 2. Использование композиционных материалов для усиления 29 железобетонных конструкций.

2.1. Физико-механические свойства композиционных 29 материалов.

2.2. Усиление конструкций композиционными материалами на 38 основе углеродных волокон в полимерном связующем.

2.3. Усиление конструкций сетками из углеродных волокон в 42 связующем на минеральной основе.

2.4. Выводы по главе 2. 46

Глава 3. Исследование параметров технологии усиления 49 изгибаемых железобетонных конструкций коллекторных тоннелей сетками из углеродных волокон в связующем на минеральной основе.

3.1. Конструктивные схемы элементов усиления с 49 использованием углеродных сеток.

3.2. Исследование ремонтных смесей на минеральной основе, 51 используемых в качестве связующего при укладке углеродных сеток.

3.3. Исследование физико-механических свойств сеток из 61 углеродных волокон и влияния предварительной пропитки их низковязким полимерным составом.

3.4. Выводы по главе 3. 67

Глава 4. Экспериментальные исследования конструкций, усиленных 69 сетками из углеродных волокон в связующем на минеральной основе.

4.1. Испытания железобетонных балок. 69

4.2. Испытания плит перекрытий. 77

4.3. Выводы по главе 4. 91

Глава 5. Расчет усиления изгибаемых железобетонных конструкций 94 коллекторных тоннелей композиционных материалов.

5.1. Общие положения расчета. 94

5.2. Расчет усиления по предельным состояниям первой 98 группы.

5.3. Расчет усиления по предельным состояниям второй 115 группы.

5.4. Выводы по главе 5. 116

Глава 6. Разработка технологии усиления железобетонных 118 конструкций коллекторных тоннелей с использованием композиционных материалов.

6.1. Общие положения. 118

6.2. Принципиальные схемы внешнего армирования основных 119 типов железобетонных конструкций.

6.3. Технология производства работ. 122

6.4. Контроль качества. 136

6.5. Расчет экономической эффективности технологии 139 усиления железобетонных конструкций коллекторных тоннелей композиционными материалами.

6.6. Выводы по главе 6. 139 Заключение 141 Список использованной литературы 144 Приложения 157

Протокол испытаний №38 от «20» мая 2011 г. "Научно-исследовательский 158 институт транспортного строительства" (ОАО ЦНИИС) Испытательный центр строительных материалов и продукции в строительстве "ЦНИИС- ТЕСТ"

Протокол испытаний №47 от «12» июля 2011 г. "Научно-исследовательский 164 институт транспортного строительства" (ОАО ЦНИИС) Испытательный центр строительных материалов и продукции в строительстве "ЦНИИС- ТЕСТ"

Протокол испытаний №48 от «22» августа 2011 г. "Научно-исследовательский 169 институт транспортного строительства" (ОАО ЦНИИС) Испытательный центр строительных материалов и продукции в строительстве "ЦНИИС- ТЕСТ"

ВВЕДЕНИЕ

Для нормальной жизнедеятельности городов необходимо обеспечить надежную эксплуатацию подземных сооружений различного назначения, среди которых важнейшими функциональными объектами городской инфраструктуры являются коллекторные тоннели для инженерных коммуникаций.

В настоящее время только в Москве находится в эксплуатации более 500км теплофикационных проходных коллекторных тоннелей мелкого заложения из сборных железобетонных конструкций.

Анализ опыта эксплуатации тоннелей этого типа показывает, что свыше 90% тоннелей выходят из строя ранее проектных сроков, то есть не соответствуют проектному уровню долговечности. Железобетонные конструкции, и в первую очередь плиты перекрытия, подвергаются ускоренному износу, что обуславливает необходимость выполнения ремонтных работ. Отечественный опыт свидетельствует о том, что до 75% отремонтированных конструкций имеют отказы в течение первых пяти лет эксплуатации. Такое положение объясняется низким качеством выполнения работ, включая выбор ремонтных материалов, и отсутствием достоверной информации об изменении эксплуатационной надежности отремонтированных конструкций во времени. Долговечность отремонтированных конструкций имеет значительный разброс, обусловленный изменчивостью эксплуатационных условий по трассе сооружений. Отсутствие достоверных знаний о параметрах износа отремонтированных конструкций обуславливает директивное назначение времени проведения ремонтных мероприятий, что приводит к преждевременному ремонту одних конструкций и повышенному уровню рисков при эксплуатации других. В результате этого происходит значительное увеличение эксплуатационных затрат. Экономическая эффективность процесса эксплуатации сооружений может быть достигнута в

результате прогнозирования изменения надежности конструкций и правильного планирования времени проведения ремонтных работ.

Эксплуатация коллекторных тоннелей происходит в условиях агрессивной среды, что приводит к ускоренному коррозионному износу конструкций. Продукты коррозии металлической арматуры увеличиваются в объеме и образуют продольные трещины в бетоне с последующей интенсификацией процесса коррозии, разрушением защитного слоя и потерей несущей способности конструкции. В случае использования при ремонте металлической арматуры коррозионный процесс может через некоторое время возобновиться. Это время зависит от уровня агрессивности среды и может изменяться в широких пределах, а соответственно должны изменяться и межремонтные сроки. Воспрепятствовать такому положению можно путем использования не подверженных коррозии композиционных материалов на основе высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и др.) 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 снижение затрат и увеличение эксплуатационной надежности сооружений.

Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами реализуется путем внешнего армирования - присоединения к существующей конструкции с помощью полимерных клеев или связующего на минеральной основе.

Одни из первых экспериментальных исследований по использованию композиционных материалов для восстановления изгибаемых железобетонных конструкций были проведены в Германии в 1978 г. [70].

Композиционные материалы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционной стальной арматурой:

• высокой прочностью на растяжение и модулем упругости, сопоставимыми или даже превосходящими аналогичные показатели стали;

• плотностью в 3-5 раз меньшей, чем у стали, в результате масса усиливаемой конструкции увеличивается незначительно;

• не подвержены агрессивному воздействию внешней среды, в том числе коррозии;

• позволяют производить работы по ремонту и усилению строительных конструкций с минимальными перерывами в эксплуатации сооружения.

Однако доля композиционных материалов в общем объеме материалов, используемых для ремонта и усиления железобетонных конструкций, весьма незначительна, что объясняется отсутствием нормативной базы расчета усиления и недостаточной отработанностью технологии производства работ. В этом плане настоящая работа, направленная на совершенствование технологии и разработку методов расчета усиления строительных конструкций с использованием композиционных материалов, является безусловно актуальной.

Цель работы - обоснование и разработка технологии усиления железобетонных 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 и 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 подтверждается:

- 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. Обоснован выбор 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 и 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 приняты 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 диссертационной работы доложены и получили одобрение на техническом совещании в ГУП «Москоллектор» (г. Москва, 2011г.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2011 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в Зх печатных 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.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОЛЛЕКТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

1.1. Характеристика железобетонных конструкций коллекторных

тоннелей

Городской коллектор для инженерных коммуникаций представляет собой проходной подземный тоннель, предназначенный для совместной прокладки в нем тепловых сетей, водопроводов, силовых электрических кабелей, кабелей связи и др. [12,13]. Типовое сечение коллекторного тоннеля показано на рис. 1.1.

12001, }, >~8оо I 1 у гоо-гэо

Рис. 1.1. Сечение городского коллекторного тоннеля с размещением

инженерных коммуникаций: 1 - водопровод; 2 - теплопровод (подающий); 3 - теплопровод

(обратный);

4 - силовые кабели; 5 - кабели связи; 6 - кабели собственных нужд

Промышленностью выпускаются сборные железобетонные конструкции для линейной части тоннелей с внутренними габаритами ВхН от 1,5x1,9 до 4,2x3,2м. При их изготовлении используются тяжелые бетонные смеси классов В15 и В22,5 с маркой по водонепроницаемости W6. Для армирования используется арматура класса A-I, A-III и Вр-I. Заделку швов, монтажных и технологических отверстий выполняют цементным раствором марки М100 [25].

Строительство коллекторных тоннелей этого вида осуществляется открытым способом с глубиной заложения до 4 м. Минимальное значение высоты засыпки для коллекторов с теплопроводами принимается не менее 0,7 м.

Общая протяженность эксплуатируемых коллекторных тоннелей из сборных железобетонных конструкций в г. Москве составляет более 500 км. Все они находятся на балансе эксплуатирующей организации -государственного унитарного предприятия (ГУП) «Москоллектор».

Конструкция коллекторного тоннеля из крупных ребристых блоков, получившая наибольшее распространение в нашей стране, состоит из трех типовых железобетонных элементов - стенового блока, плиты перекрытия и плиты днища. Стеновой блок и плита перекрытия имеют ребра жесткости, обеспечивающие заданную несущую способность.

Коллектор монтируется на сплошной подготовке толщиной 15 см из бетона класса В-7,5. На гранях стеновых блоков и плит перекрытия предусмотрены пазы, а на боковых гранях плит перекрытия четверти, которые при монтаже коллектора заполняются цементным раствором М100. Образующиеся шпонки связывают смежные элементы и обеспечивают заделку швов.

В целях защиты коллектора от проникновения в него влаги из грунта плиты перекрытия покрываются оклеечной гидроизоляцией из 2-х слоев изола на горячем битуме по выравнивающему слою цементного раствора толщиной 20-50 мм.

Для предохранения гидроизоляции от механических повреждений при засыпке коллектора на нее укладывается защитный слой из цементного раствора М-50 толщиной 30 мм. Наружная поверхность стен покрывается

Рис. 1.2. Проектная противокоррозионная защита перекрытия тоннелей

инженерных коммуникаций

Железобетонные элементы армируются пространственными каркасами, фиксация которых в проектном положении обеспечивается опиранием вертикальных стержней каркаса на поддон формы.

Рабочие чертежи железобетонных изделий, технологические сечения и материалы по проектированию коллекторов разработаны институтом «Мосинжпроект» [12].

Нормативный срок службы железобетонных конструкций коллекторных тоннелей определен в 83,3 года. Данный период принят на основании норм амортизационных отчислений на полное восстановление основных фондов для пешеходных мостов и тоннелей в 1,2 % в год. Однако условия их эксплуатации не соответствуют условиям эксплуатации коллекторных тоннелей для инженерных коммуникаций. Относительная

влажность воздуха в сооружениях данного типа изменяется в границах 70100 %, а перепад температур на отдельных участках достигает 40 °С. Вследствие этого снижается надежность коллекторных тоннелей в процессе их эксплуатации.

Из анализа данны�