Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций

Доценко Н.А.; Чернильник А.А.; Щербань Е.М.; Стельмах С.А.; Онищук М.И.; Шелковский П.Е.

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2019, №3, Том 11 / 2019, No 3, Vol 11 https://esj.todav/issue-3 -2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/54SAVN319.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:

Доценко Н.А., Чернильник А.А., Щербань Е.М., Стельмах С.А., Онищук М.И., Шелковский П.Е. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций // Вестник Евразийской науки, 2019 №3, https://esj.today/PDF/54SAVN319.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Dotsenko N.A., Chernil'nik A.A., Shcherban' E.M., Stel'makh S.A., Onishchuk M.I., Shelkovskiy P.E. (2019). Analysis of operational factors affecting the durability of centrifuged concrete products and structures. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(11). Available at: https://esj.today/PDF/54SAVN319.pdf (in Russian)

УДК 691 ГРНТИ 67.09.33

Доценко Наталья Александровна

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Студент

E-mail: [email protected]

Чернильник Андрей Александрович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Щербань Евгений Михайлович

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук E-mail: [email protected]

Стельмах Сергей Анатольевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия Доцент кафедры «Инженерной геологии, оснований и фундаментов»

Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]

Онищук Максим Игоревич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Шелковский Павел Евгеньевич

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия

Магистрант E-mail: [email protected]

Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных

изделий и конструкций

Аннотация. Опыт применения центрифугированных изделий и конструкций показывает их высокую эффективность, технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с вибрированными. Однако имеются данные различных литературных источников, свидетельствующие о часто встречающихся случаях снижения долговечности и стойкости всех номенклатурных видов такой строительной продукции.

Температурные воздействия окружающей среды приводят к появлению температурных напряжений как в бетоне - по толщине стенки и ее длине, так и в арматуре каркаса. Воздействия солнечной радиации, холодных ветров и осадков также вызывают изменение температуры опоры, что приводит к появлению напряжений в поверхностных слоях бетона по длине окружности поперечного сечения. На опору большое влияние оказывают колебания температуры грунта, где установлена опора.

Проведен анализ литературы. Подробно рассмотрены и проанализированы эксплуатационные факторы, влияющие на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций.

Анализ научной литературы позволяет считать, что в процессе службы опор в центрифугированных стойках, контактирующих с агрессивной средой, всегда существуют условия для развития коррозии. В период эксплуатации стойки испытывают: статические нагрузки от веса цепи, предварительного натяжения арматуры; динамические нагрузки от ветра; колебания от температуры окружающей среды; агрессивные воздействия на материал опор водной и газовой сред.

Все перечисленные факторы оказывают негативное влияние на опору. Длительное воздействие и их неблагоприятное сочетание приводит к снижению несущей способности и долговечности опор.

Таким образом, вопрос исследования факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций и повышении их эксплуатационных характеристик является актуальным.

Вклад авторов.

Доценко Наталья Александровна - автор осуществил написание статьи.

Чернильник Андрей Александрович - автор одобрил окончательную версию статьи перед ее подачей на публикацию.

Щербань Евгений Михайлович - автор осуществил написание статьи.

Стельмах Сергей Анатольевич - автор собрал, проанализировал и интерпретировал материал для статьи.

Онищук Максим Игоревич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Шелковский Павел Евгеньевич - автор оказывал участие при оформлении статьи.

Ключевые слова: долговечность; железобетонные изделия; железобетонные конструкции; центрифугирование; морозостойкость; неоднородность бетона; вариатропия

Опыт применения центрифугированных изделий и конструкций показывает их высокую эффективность, технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с вибрированными [1-4]. Однако имеются данные различных литературных источников, свидетельствующие о часто встречающихся случаях снижения долговечности и стойкости всех номенклатурных видов такой строительной продукции, в частности центрифугированных стоек опор контактной сети и ЛЭП, в которых после их установки и некоторого срока

эксплуатации в условиях сурового климата возникали трещины, не предусмотренные при расчетах конструкций [5-8].

Характеризует, в частности, долговечность таких строительных конструкций как железобетонные стойки опор ЛЭП и контактной сети, морозостойкость бетона - один из основных показателей. Особый научный интерес вызывает показатель морозостойкости бетона и изделий и конструкций из него, полученных методом центрифугирования.

Таким образом, вопрос исследования факторов, влияющих на долговечность центрифугированных железобетонных изделий и конструкций и повышении их эксплуатационных характеристик является актуальным [9-12].

Следует выделить две основные группы таких факторов - рецептурно-технологические и эксплуатационные.

Центрифугированный бетон нашел широкое применение при изготовлении стоек опор высоковольтных линий электропередачи, контактной сети, труб, свай и других изделий с замкнутым контуром в сечении. Опыт эксплуатации опор для линий электропередачи показал достаточную эффективность стоек в сооружении, благодаря их высокому качеству и прочности центрифугированного бетона [13-16].

Плановые обследования состояния опор и оценка долговечности линии выполнялись ЦНИИ МПС (Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований железнодорожного транспорта МПС России), Северо-Западным отделением института «Энергосетьпроект» и Отраслевой лабораторией Ростовского инженерно-строительного института. В процессе обследования обнаружены случаи снижения уровня качества стоек вследствие уменьшения стойкости бетона. Проведенные натурные наблюдения позволили определить удельный вес опор, замененных по различным причинам, классифицировать основные виды внешних воздействий, приводящих к снижению стойкости опор [6].

На долговечность центрифугированных конструкций оказывают влияние особенности, связанные со спецификой формования, то есть рецептурно-технологические факторы [17-20].

Рассмотрим более подробно эксплуатационные факторы.

Большой фактический материал собран при обследованиях эксплуатирующих центрифугированных железобетонных опор линий электропередачи, контактной сети, проведенных институтами «Энергосетьпроект», «Оргэнергострой», ЦНИИС (Центральный научно-исследовательский институт связи), а также свай-оболочек, выполненных ЦНИИС, Балтгидроморстроем, МИСИ (Московский инженерно-строительный институт), Одесским институтом инженеров морского флота и другими.

Повреждения центрифугированного бетона стоек наблюдались при эксплуатации опор в районах с высокоминерализованными грунтовыми водами. Наиболее интенсивные разрушения зарегистрированы в ряде районов Средней Азии. В Туркмении и Таджикистане случаи отказа отмечены через несколько лет с начала эксплуатации.

В частности, большой интерес представляют данные натурных обследований центрифугированных железобетонных стоек линии электропередачи, эксплуатирующихся в условиях сухого жаркого климата и сильноагрессивной окружающей среды в Западной Туркмении, проведенных Северо-Западным отделением института «Энергосетьпроект». Климат района характеризуется резкой континентальностью и засушливостью. Абсолютные амплитуды колебания температуры воздуха достигают 65 °С, суточные изменения - до 30 °С. Абсолютный максимум температуры на поверхности почвы везде превышает 70 °С. Грунты сильно засолены, вместе с тем здесь значительны запасы подземных вод, лежащих на

небольших глубинах. Грунтовые воды минерализованы до рассолов. Общее количество опор с дефектами, требующее ремонта или замены, составляет 41 %. Распределение трещин по высоте стоек неравномерное.

Температурные воздействия окружающей среды приводят к появлению температурных напряжений как в бетоне - по толщине стенки и ее длине, так и в арматуре каркаса.

Воздействия солнечной радиации, холодных ветров и осадков также вызывают изменение температуры опоры, что приводит к появлению напряжений в поверхностных слоях бетона по длине окружности поперечного сечения.

На опору большое влияние оказывают колебания температуры грунта, где установлена

опора.

В «Классификации дефектов консольных железобетонных опор и фундаментов металлических опор контактной сети» указывается, что в основном разрушение стоек опор происходит главным образом в результате электрокоррозии, атмосферных воздействий и грунтовой коррозии. Статистические данные показывают, что основной причиной замены опор является повреждение фундаментных частей вследствие грунтовой коррозии.

Северо-Западным отделением института «Энергосетьпроект» отмечены случаи коррозии комлевой части стоек опор в ряде районов Белоруссии. Причиной их явилось наличие в грунтовых болотных водах гуминовых кислот, обладающих агрессивным действием по отношению к цементному камню.

Характерным для грунтовой коррозии является разрушение бетона части стойки на расстоянии приблизительно в 0,5 м над уровнем земли. В стойке опоры, частично заглубленной в грунт, происходит миграция грунтовых вод в сторону испаряющей поверхности и накопление солей в поверхностном слое. При определенной концентрации их в бетоне возникают значительные напряжения, приводящие к разрушению материала.

Одним из факторов, влияющих на интенсивность коррозионных процессов, является влагорастворопроводность бетона, определяемая его структурой [6].

Анализ многочисленных экспериментально-теоретических исследований подтверждает сложность и неоднозначность влияния низких температур на водонасыщенный железобетон. Физическая неоднородность бетона, а также бетона и стали, обусловили возникновение температурно-наряженного состояния, которое при определенных условиях способно интенсифицировать процесс снижения сопротивляемости материалов силовым воздействиям.

Причиной интенсивного коррозионного разрушения центрифугированного бетона в заменяемых стойках является сочетание сложного напряженного состояния центрифугированного бетона с агрессивным воздействием. В процессе службы опор в стойках формируются нестационарные температурные и влажностные поля, приводящие к напряженно-деформированному состоянию бетона, изменяемому во времени.

Формирование нестационарных полей в центрифугированном бетоне происходит под воздействием: солнечной радиации, температуры воздуха, направления и скорости ветра, осадков, микрорельефа, времени [5].

При значительных перепадах влажности среды бетон в полости стойки также будет характеризоваться различным водосодержанием: максимальное - в комле и минимальное - в верхней части. Неравномерная влажность бетона по длине опоры явится причиной влагопереноса.

Попеременное высыхание и увлажнение бетонной поверхности опор приводит к неравномерным деформациям. Значения этих напряжений зависят от перепада влажности подземной и наземной частей опоры.

Агрессивность окружающей среды сказывается в различной степени и зависит от материалов, из которых изготовлена стойка опоры, ее антикоррозионного покрытия и других мероприятий.

Когда жидкая агрессивная среда контактирует с железобетонными опорами, ускоряется процесс коррозии арматуры. Задолго до полного разрушения бетона происходит существенное снижение его защитных свойств по отношению к арматуре.

При длительном воздействии электрокоррозии на арматуру вследствие выноса металла уменьшается диаметр и, как следствие, прочность стальной проволоки, а несущая способность стойки опоры значительно снижается.

Коррозия резко усиливается при наличии в атмосфере кислотных газов, способных при растворении в воде образовывать кислоты, а также хлористых солей.

Воздействие ветра на опоры и оборудование, смонтированное на них, увеличивает изгибающий момент. В случае же совместного воздействия ветра и гололеда изгибающий момент может превысить нормативное значение, и возникнет опасность падения опоры. Чем больше на опоре закреплено проводов, и чем выше они расположены, тем сильнее сказывается воздействие ветра, увеличивающего горизонтальную нагрузку на опору.

Анализ представленного выше материала позволяет считать, что в процессе службы опор в центрифугированных стойках, контактирующих с агрессивной средой, всегда существуют условия для развития коррозии. При этом коррозионное разрушение интенсифицируется при напряженно-деформированном состоянии материала в стойках опор, обусловленном особенностями конструкции опоры и наличием в изделии внутренней полости.

Повышение стойкости центрифугированных стоек может быть достигнуто за счет увеличения средней плотности внутренних зон бетона [6].

Итак, в период эксплуатации стойки испытывают: статические нагрузки от веса цепи, предварительного натяжения арматуры; динамические нагрузки от ветра; колебания от температуры окружающей среды; агрессивные воздействия на материал опор водной и газовой сред.

Все перечисленные факторы оказывают негативное влияние на опору. Длительное воздействие и их неблагоприятное сочетание приводит к снижению несущей способности и долговечности опор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонович С.Н., Зикеев Л.Н. Долговечность центрифугированных железобетонных стоек. Обзорная информация. М.: Информэнерго, 1991. 64 с.

2. Гончаров А.А., Лосев Л.Н. О причинах повреждений свай-оболочек в зоне переменного уровня воды и опыте работ по обеспечению их долговечности. Долговечность и опыт применения железобетонных свай-оболочек в морских ГТС. Тез. докл. научн. семинара. М., 1975. С. 24-28.

3. Курносов А.И. Исследование целостности свайных фундаментов опор и разработка способов их защиты от разрушения в условиях Крайнего Севера: Отчет о НИР (заключит.). Л.: СЗО «Энергосетьпроект», 1976. 72 с.

4. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1960. 536 с.

5. Подольский В.И. Железобетонные опоры контактной сети. Конструкции, эксплуатация, диагностика. Труды ВНИИЖТ. М.: Интекст, 2007. 152 с.

6. Желтухина Л.И. Повышение коррозионной стойкости центрифугированного бетона: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 198 с.

7. Запрудский А.А. Совершенствование методик оценки несущей способности железобетонных опор контактной сети магистральных электрических железных дорог: дисс. ... канд. техн. наук: 05.22.07. Омск, 2011. 130 с.

8. Ахвердов И.Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы. М.: Стройиздат, 1967. 164 с.

9. Ахвердов И.Н. Вопросы теории центробежного формования и уплотнения бетонной смеси. - Республиканское научно-техническое совещание: Технология формования железобетонных изделий, 1979. С. 3-12.

10. Романенко Е.Ю. Высокопрочные бетоны с минеральными пористыми и волокнистыми добавками для изготовления длинномерных центрифугированных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1989. 179 с.

11. Петров В.П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1983. 175 с.

12. Раджан Сувал Свойства центрифугированного бетона и совершенствование проектирования центрифугированных железобетонных стоек опор ЛЭП: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ростов-на-Дону, 1997. 267 с.

13. Стельмах С.А., Щербань Е.М., Сердюков К.В., Пестриков М.М., Яновская А.В. Влияние некоторых характеристик применяемого крупного заполнителя на свойства тяжелого бетона, предназначенного для изготовления центрифугированных изделий и конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №10. С. 15-20.

14. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор видов волокон для дисперсного армирования изделий из центрифугированного бетона // Науковедение, 2017, №4 URL: naukovedenie.ru/PDF/71TVN417.pdf.

15. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Выбор состава центрифугированного бетона на тяжелых заполнителях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №10. С. 52-57.

16. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М. Исследование различных типов центрифуг и режимов уплотнения бетонных смесей для изготовления образцов кольцевого сечения // Вестник СевКавГТИ. 2017. №3 (30). С. 134-137.

17. Маилян Л.Р., Стельмах С.А., Холодняк М.Г., Щербань Е.М., Халюшев А.К. Влияние технологии производства на структурообразование и свойства бетона виброцентрифугированных колонн // Строительство и архитектура. 2017. Том 5. Выпуск 4 (17). С. 224-228.

18. Холодняк М.Г., Стельмах С.А., Маилян Л.Р., Щербань Е.М., Нажуев М.П. Изучение характера механизма дрейфа компонентов бетонной смеси при производстве центрифугированных колонн вариатропной структуры на примере физической модели движения заполнителей // Строительство и архитектура. 2017. Том 5. Выпуск 4 (17). С. 229-233.

19. Pooya Alaee, Bing Li. High-strength concrete exterior beam-column joints with high-yield strength steel reinforcements // Engineering Structures. 2017. Vol. 145. pp. 305321.

20. Mohamed K. Ismail, Assem A.A. Hassan. An experimental study on flexural behaviour of large-scale concrete beams incorporating crumb rubber and steel fibres. 2017. Vol. 145. pp. 97-108.

Dotsenko Natal'ya Aleksandrovna