CC BY
77
Применение композитных полимерных материалов в строительных конструкциях и мостах в Сибири
A.Ф. БЕРНАЦКИЙ, зав. кафедрой Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета, д.т.н.
В.С. КАЗАРНОВСКИЙ, зав. кафедрой Сибирского государственного университета путей сообщения, действительный член РАТ, д.т.н. М.Г. ПЕТРОВ, руководитель испытательной лаборатории ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», к.т.н.
B.П. УСТИНОВ, эксперт Федерального центра сертификации Госстроя РФ, действительный член РАТ, профессор, д.т.н. Б.В. УСТИНОВ, зам. руководителя испытательного центра строительных материалов, изделий и конструкций «Стройэксперт»
Сибирского государственного университета путей сообщения
В последние десятилетия повысилось внимание к композитным полимерным материалам (КПМ), основой которых являются стекло-, ба-зальто-, арамидо-, угле- и графитопластиковые волокна. Это обусловлено многочисленными положительными свойствами КПМ, включая возможность активно управлять характеристиками этих материалов.
Сошлемся на опыт Бийского завода стеклопластиков (БЗС). Выпускаемая им основная номенклатура стержней диаметром 5,5 и 7,5 мм имеет условные средние пределы прочности Пср, достигающие величин 1800 и 1650 МПа соответственно. (Для сравнения: стальная высокопрочная проволока класса В-11 диаметром 5,0 мм имеет Пср = 1670
Мпа). Для конкретных изделий СПА БЗС, которые устанавливаются в трехслойных стеновых панелях в качестве гибких связей и имеют анкерные утолщения на концах, условная прочность при тех же диаметрах арматуры и при температуре 20 °С составляет по результатам испытаний: П5р= 1390 МПа и ПЦ = 1275 МПа. При осевом растяжении стеклопластика (СПА) представля-
ет собой практически идеально упругий стержень с линейной зависимостью о = / (г) вплоть до о > 0,95 Пср. При этом модули упругости оказываются равными Е5,ср= 51...53 ГПа и Е7ср= 50...52 ГПа, а относительные деформации при разрушении 3,5 и 3 % соответственно.
В Сибири и на Дальнем Востоке наиболее низкие суточные температуры наблюдаются в районах Якутска, Верхоянска и Оймякона (до -70 °С). Однако для строительных конструкций и мостов за расчетную минимальную температуру принимают среднюю температуру наружного воздуха наиболее холодной пятидневки в районе строительства (обычно до -60 °С). При такой температуре условный предел прочности материала СПА БЗС диаметром 5,5 и 7,5 мм выше на 60%, чем при +20 °С. Это способствует увеличению надежности конструкции при применении в северных районах нашей страны.
Исследования показали, что СПА БЗС имеет температуру перехода связующего из стеклообразного в вязкотекучее состояние в интервале +70 - +100 °С — в зависимости от уровня напряжений и от их распределения по сечению стержней. В стеновых панелях СПА не подвергается непосредственному воздействию прямых солнечных лучей. Эквивалентная по условиям старения для полимерных материалов среднегодовая температура с учетом солнечной радиации — порядка +40 °С, а максимальная температура поверхности стены здания в июле не превышает +60 °С. При этом условный предел прочности СПА понижается до 5% по сравнению с его значением при +20 °С.
В связи с этим исследовались главным образом физико-механические
характеристики СПА в диапазоне температуры от -60 до +60 °С. При эксплуатации зданий и сооружений в этих условиях процесс изменения температуры и влажности не приводит к необратимым изменениям прочностных свойств СПА, определяемых обычно в качестве базовых при +20 °С.
В СПА БЗС в качестве армирующего элемента используется алюмобороси-ликатное волокно (марки Е) с диаметрами нитей 10-17 мкм, а в последнее время также базальтовое волокно с нитями 13 мкм. В обоих случаях связующее изготавливается на основе эпок-сидно-диановой смолы ЭД-20 или ЭД-22 (марки ЭДИ). Однонаправленно армированный стеклопластик или ба-зальтопластик (БПА) имеет плотность около 2000 кг/м3, то есть почти в 4 раза меньше, чем у стали. Малый удельный вес стекло- и базальтопластиков делает целесообразным их применение прежде всего в элементах конструкций подвижного транспорта — самолетов, судов, поездов, автомобилей. Особую актуальность этот вопрос обретает в российских условиях — при существующих больших объемах перевозок и особенно — в связи с освоением обширных северных территорий.
В Сибирском регионе уже накоплен практический опыт в этом направлении. Относительно широкое применение получили стеклопластиковые нити диаметром 2 и 2,6 мм производства БЗС длиной до 50 км (без стыков). Они используются как центральные силовые элементы в оптоволоконных кабелях. БЗС провел большие исследования по оценке возможности применения стек-лопластиковых насосных штанг (СНШ) диаметром 16-32 мм, предназначенных для добычи нефти глубинными насосами. При этом учитывалось совместное воздействие длительных циклических нагрузок, агрессивной жидкостной среды и повышенной температуры в нефтяных скважинах. Замена стальных штанг на более легкие (примерно в 3 раза) СНШ позволяет существенно увеличить глубину бурения при снижении эксплуатационных расходов на 40-50 %.
Заслуживает внимания и богатый опыт ЗАО «АМК-ВИГАС» (г. Мегион Ханты-Мансийского автономного округа), накопленный в области проектирования, строительства и широкого использования стекло- и базальтопластиковых труб «Армпласт» для нефтяной отрасли (серийное производство ведется с 2001 г.). Всего в Западно-Сибирском регионе построено более 1000 км трубопроводов, причем более половины — из стек-
ловолокнистых материалов. Фирма поставляет на рынок двух- и трехслойные трубы диаметром от 100 до 500 мм на рабочее давление от 1,6 до 20 МПа для транспортировки нефти и агрессивных вод. Ею разработано более 10 видов стыков для соединения труб. За счет меньшего веса по сравнению со стальными трубами и отсутствия сварных соединений существенно сокращаются расходы на транспортировку, монтаж и обслуживание трубопроводов. Большой интерес для специалистов представляют научные исследования и практика применения стекло— и базальтопластиковых труб в районах Крайнего Севера. Например — в Якутии, которая отличается очень холодным и резко континентальным климатом, характеризуемым:
• абсолютной температурой воздуха до -70 °C;
• перепадами температуры за сезон до 100 °C;
• суточными перепадами температуры до 40 °C при переходе через нуль до 55 дней в году;
• интенсивным ультрафиолетовым облучением в весенне-летнее время года;
• среднегодовой относительной влажностью воздуха около 70%;
• коротким, но жарким летом.
Заслуживают внимания обширные
эксперименты, выполненные под руководством специалистов институтов Якутского филиала Сибирского отделения РАН (д.т.н. В.Н. Булманиса, И.С. Филатова, А.С. Стручкова, профессора И.Н. Черского и др.) по изучению воздействия влаги, низких и переменных температур на свойства композитных материалов. Проведены исследования хладостойкости, надежности и долговечности этих материалов и изготовленных из них труб. Из опубликованных за последние 20 лет результатов этих исследований можно видеть, что для трубопроводных систем более пригодными являются стеклопластики при оптимальном угле намотки ±45°, с преимущественным использованием при низких температурах эпоксидных связующих. В этих условиях процесс естественного старения материала идет с очень малой скоростью. Но композиты — это материалы сравнительно пористые и содержащие дефекты (особенно — на границе раздела фаз), что в значительной мере определяет уровень надежности работы трубопроводов. Пористость способствует влагопоглощению, которое ухудшает механические свойства ком-
позитов, однако необратимые изменения незначительны.
Для оценки возможности применения конструкции необходимо знать величину снижения ее несущей способности в зоне поражения в результате температурно-силовых воздействий в той или иной среде. Исходя из окончательных выводов исследований, признается возможность ухудшения прочностных свойств материалов после 15 лет эксплуатации (циклическое замораживание влагонасыщенных образцов до -60 °С) по крайней мере, на 30%. Конечно, исследования должны быть продолжены, прежде всего — в области прогнозирования долговечности стек-лопластиковых труб.
Особый интерес представляет современное состояние первых трех отечественных автодорожных пролетных строений, армированных стержнями СПА диаметром 6 мм и построенных на Дальнем Востоке на основе исследований д.т.н. В.И. Кулиша (Хабаровск). На основе визуальных осмотров все три пролетных строения находятся в удовлетворительном состоянии: без заметных провисаний балок, без проскальзывания пучков из СПА и без видимых трещин в балках.
В процессе создания конструкций наименьшего веса в 2004 году специалистами СГУПС (Новосибирск) был разработан проект серии пролетных строений длиной от 6 до 18 м под автомобильную нагрузку А-11 и НГ-60 с габаритом 4,5 + 2x0,75 м. Такие конструкции создаются из клееной древесины (в том числе — в сочетании с преднапря-женной СПА или БПА) и предназначены прежде всего для сооружения сборно-разборных инвентарных мостов в условиях Крайнего Севера и горных районов Алтая, для притрассовых дорог на период их строительства, в качестве мобильных запасов элементов мостов военного назначения, гражданской обороны, на случай чрезвычайных событий и т.д.
С 1998 года основной продукцией БЗС стал выпуск гибких связей из СПА диаметром 5,5 и 7,5 мм для трехслойных стеновых панелей с эффективным утеплителем. Это было вызвано новыми требованиями СНиП 11-3-79* по существенной экономии энергозатрат на отопление жилых и производственных зданий (до 3,5 раза). Для этих целей наиболее эффективными оказались гибкие связи из СПА, которые не являются «мостиками холода», так как имеют очень низкие значения коэффициента теплопроводности равные 0,40...0,48 Вт/(м-К). Это на
два порядка меньше, чем у стальной арматуры. Трехслойные железобетонные стеновые панели и трехслойные кирпичные наружные стены с гибкими связями из СПА и БПА находят применение в строительстве отапливаемых зданий и сооружений, в числе которых 5- и 9-этажные жилые дома в Бийске, Барнауле, Новосибирске, Чите, Санкт-Петербурге и других городах России.
С 1999 года все теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении выполняются с участием специалистов СГУПС [1-3]. Уже в первой редакции Технического свидетельства Госстроя России 2001 г. указывалось, что Технические условия БЗС на СПА должны быть согласованы с ФЦС Госстроя России и со СГУПС. С экспертами СГУПС согласовывались также все программы, методики испытаний и результаты исследований БЗС или его соисполнителей. В дальнейших работах, проводимых силами БЗС, СГУПС и Сиб-НИА, особое внимание уделялось вопросам надежности и прогнозирования долговечности такого нового материала, как СПА, а позднее — БПА [4-8]. Координировались планы исследований и совместно обсуждались их результаты.
На основе достижений отечественной школы физиков Санкт-Петербургского физико-технического института им. А.Ф. Иоффе было выбрано общее научное направление работ, базирующееся на кинетической концепции прочности твердых тел и тер-мофлуктуационном механизме разрушения (накопления повреждений). Основные итоги исследований в области долговечности СПА с этих позиций отражены в работах [6, 9, 10]. В статье [9] обобщены и систематизированы многочисленные экспериментальные данные, полученные ранее БЗС и в других лабораториях. В последние годы научно-исследовательская лаборатория БЗС успешно проводит комплексные исследования свойств СПА. В 2006 году сотрудник БЗС А.Н. Луговой защитил диссертацию, посвященную обоснованию и внедрению метода продольного изгиба как нового метода испытаний СПА. Обобщающая статья коллектива сотрудников БЗС [11] содержит результаты исследования длительной прочности СПА методом продольного изгиба. Однако итоговые статьи [9] и [11] основаны на разных подходах к оценке результатов испытаний. Пока еще не подведены окончательные итоги обсуждения примененных методов, и дискуссия продолжается [10].
Благодаря своим хорошим диэлектрическим свойствам, стекло- и базаль-топластики эффективны в качестве электроизоляторов. БЗС организовал серийный выпуск СПА для подвесных и натяжных полимерных электрических изоляторов (ПЭИ) диаметром от 10 до 46 мм с анкеровкой их концов. Такие изоляторы используются в объектах электроэнергетики, для контактных сетей городского и железнодорожного транспорта. В энергетической отрасли СПА и БПА применяются в качестве центрифугированных конструкций из электроизоляционного бетона для воздушных линий напряжением 110-500 кВ, безызоляторных траверс для ЛЭП напряжением 10-110 кВ, вибрированных стоек подстанций напряжением 0,45-35 кВ [12].
Замена стальной арматуры на СПА или БПА может быть эффективной для элементов транспортных сооружений, подвергаемых опасности электрохимической коррозии. Это прежде всего:
• бетонные шпалы, лежни, сплошные бетонные основания железнодорожных и трамвайных путей;
• центрифугированные опоры контактной сети железных дорог;
• железобетонные пролетные строения и опоры в путепроводах через электрифицированные дороги.
Такая замена может оказаться полезной при восстановлении разрушенных (в том числе и от электрохимической коррозии) элементов эксплуатируемых сооружений. СПА и БПА имеют примерно в 4 раза меньшие значения модуля упругости, чем у стальной арматуры, поэтому рассматриваемые конструкции (по причине трещиностойкости бетона) следует проектировать преднапряженными. Вопросы эффективного применения СПА и БПА в строительстве освещены также в статьях [13, 14]. В последние годы за рубежом резко увеличился объем применения новых прогрессивных конструкций, изготовленных с участием композитных полимерных материалов. Из КПМ уже возводят мосты и здания, используют их при реконструкции и усилении существующих сооружений. Весьма содержательный материал по этому вопросу изложен в журнале [15]. Отметим лишь, что ведущее положение в мире здесь занимают Великобритания, Швейцария, Дания, США, Япония и Канада.
Для нашей страны с ее суровым климатом особый интерес представляет
Канада, в которой более высокие затраты, связанные с применением КПМ, компенсируются производителями и правительством. С 1995 года в Канаде под эгидой федерального правительства функционирует центр Intellegent Sensing for Innovative Structures (ISIS), объединяющий 13 университетов, 25 ведущих проектантов и 276 исследователей и взаимодействующий с 92 организациями (объем финансирования в 2006 году — 12,8 млн. долларов). Некоторые канадские фирмы уже несколько лет строят в северных районах России из своих материалов и по своим технологиям жилье и другие объекты социального назначения.
Сибирское отделение РАН и СГУПС уже давно проводят прогнозирование рационального развития сети железных и автомобильных дорог на территории Сибири и Дальнего Востока. При этом большое внимание уделяется развитию районов Крайнего Севера, для которых требуются специальные технологии строительства и материалы. За период с 1999 года в Сибирском регионе сложился неформальный коллектив специалистов, работающий в области освоения КПМ и участвующий в совместных обсуждениях намеченных программ, методик и результатов испытаний. Однако потенциал такого коллектива оказывается крайне слабо востребованным.
Печальной особенностью нашей страны является отсутствие общегосударственных программ научных исследований по новым, наиболее перспективным направлениям. Не имеется такой программы и в области транспортного строительства. По нашему мнению, целесообразно создать Сибирский научно-инженерный центр по надежности и долговечности конструкций с композиционными материалами: в регионе наличествуют производственная база, экспериментальное оборудование и высококвалифицированные кадры, что позволяет выполнять надежное научное сопровождение всех работ. В программу этого Центра может быть включена разработка специального технического регламента по применению и мониторингу КПМ в строительстве. В ней должны быть предусмотрены создание региональных строительных норм или правил (которые бы учитывали природные, транспортные, экономические и социальные условия, характерные для территорий, относящихся к «Сибирскому соглашению»), а также решение вопросов
опытного проектирования упомянутых ранее объектов транспорта. Но основная проблема — наладить систему эффективного финансирования. Решить ее представляется возможным на региональном уровне одновременно с намечающимися государственными проектами.
Литература
1. Подтверждение пригодности для применения в строительстве (в качестве гибких связей в трехслойных железобетонных стеновых панелях и стенах) стеклопластиковой арматуры ТУ 2296-001-20994511, изготавливаемой Бийским заводом стеклопластиков. Разработка рекомендаций по применению. Итоговый отчет в 3-х кн. / Сост. В.П. Устинов, В.С. Казарновский. — Новосибирск — Бийск, 1999. — Кн. 1 — 115 с.; Кн. 2 — 197 с., Кн. 3 — 102 с.
2. Устинов В.П. Рекомендации по применению стеклопластиковой арматуры (СПА) в качестве гибких связей трехслойных стеновых панелей. — Новосибирск: Изд. СГУПС, 1999. — 41 с.
3. Обеспечение надежности объектов транспорта при проектировании, строительстве и эксплуатации. Сборник научных трудов / Под общей ред. д.т.н. проф. В.П. Устинова. — Новосибирск: Изд. СГУПС, 1999 — 188 с.
4. Устинов В.П. Как обеспечить надежность строительных конструкций и сооружений //
Проектирование и строительство в Сибири. — 2001. — № 3. — С. 5- 7.
5. Устинов Б.В. Методика расчетов трехслойных стеновых панелей с гибкими связями из стеклопластиковой арматуры (СПА) на статические нагрузки и долговечность // Труды молодых ученых. Ч. 1. — Санкт-Петербург: Изд. СПГАСУ, 2001. — С. 27-31.
6. Прогнозирование долговечности СПА в составе трехслойных стеновых панелей / Устинов В.П., Петров М.Г., Савин В.Ф., Устинов Б.В. // Вестник СГУПС. — 2002. — Вып. 4. — С. 115-123.
7. Устинов В.П. Основные проблемы решения задач качества, надежности и долговечности в условиях Сибири // Проблемы качества в строительстве. Материалы IV Всероссийской конференции 1-3 июля 2003 г. — Новосибирск: Изд. СГУПС, 2003. — С. 47-51.
8. Обеспечение надежности гибких связей из стеклопластиковой арматуры / Ладыгин Ю.И., Луговой А.Н., Савин В.Ф., Устинов В.П. // Там же. — С. 99-105.
9. Петров М.Г. Анализ прочности и долговечности однонаправленного стеклопластика с позиций кинетической концепции разрушения // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2003. — Т. 9. — № 3. — С. 376 -397.
10. Петров М.Г. Прогнозирование долговечности однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе // Численные ме-
тоды решения задач теории упругости и пластичности. Труды 19-й Всероссийской конференции. — Новосибирск: Параллель, 2005. — С. 212-217.
11. Прогнозирование длительной прочности стеклопластиковой арматуры / Блазнов А.Н., Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2003. — Т. 9, № 4. — С. 579-592.
12.БернацкийА.Ф., ЧунчинВ.А. Перспективы применения электроизоляционного бетона, армированного стеклопластиком // Электрические станции. — 1989. — № 8. — С. 93-95.
13. Ладыгин Ю.И., Луговой А.Н., Савин В.Ф. Проблемы применения стеклопластиковых стержней в различных отраслях народного хозяйства // Проблемы качества в строительстве. Материалы IV Всероссийской конференции 1-3 июля 2003 г. — Новосибирск: Изд. СГУПС, 2003. — С. 90-96.
14. Устинов В.П. Область эффективного применения стеклопластиковой и базальтоплас-тиковой арматуры в строительстве // Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта. Сборник научных трудов. — Новосибирск: Изд. СГУПС, 2005. — С. 50-56.
15. Опыт использования композитных полимерных материалов в мостостроении / Под ред. Ю.М. Митрофанова // Мостостроение мира. — 2000. — № 2. — С. 3-48.
