CC BY
43
УДК 624.6.012.2
И.А. Короткое1, А.В. Борщев1, Р.Ю. Караваев1, Ф.С. Власенко1 СТРОИТЕЛЬСТВО БЕТОННО-КОМПОЗИТНЫХ мостов
Л/Го возведении железобетонных и металлических мостов одними из главных недостатков являются низкая скорость и высокая стоимость строительства. Возможным вариантом решения данных проблем является применение композиционных материалов. В работе рассматривается возможность применения плетеных преформ при строительстве мостов и проводится сравнение скорости и стоимости строительства с железобетонными и металлическими мостами.
Ключевые слова: композиционные материалы, плетение, инфузия, строительство мостов.
One of the main disadvantages of ferroconcrete and metal bridges construction, are low speed and high cost. A possible way to solve these problems is a usage of composite materials. A possibility of application of braided preforms during a construction of bridges and comparison of the speed and cost of construction with ferroconcrete and metal bridges is considered in this article
Keywords: composite materials, weaving, infusion, bridge construction.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
В мировой промышленности все более широко внедряются полимерные композиционные материалы (ПКМ), расширяются области и объемы их применения. Такие материалы позволяют изготавливать детали с гарантированным уровнем прочностных свойств при существенном снижении массы, придавать деталям необходимые физические и химические характеристики в зависимости от реальных условий эксплуатации, обеспечивать повышение надежности и долговечности машин по сравнению с традиционными конструкциями. Изделия из ПКМ весьма технологичны: для их изготовления требуется минимальный объем механической обработки, существенно меньшая, чем обычно, трудоемкость сборки, простые методы и средства коррозионной защиты и т. д. [1-4].
В настоящее время ПКМ - стекло-, угле- и органопластики - благодаря своим уникальным свойствам нашли применение в различных видах отраслевой промышленности. Существует большое количество методов получения изделий из ПКМ, одним из которых является инфузия плетеных заготовок [5, 6].
Инфузия - метод получения изделий из ПКМ методом пропитки под давлением. Подача связующего в форму происходит не за счет избыточного давления, а за счет атмосферного. Применение данной технологии позволяет сократить продолжительность формования на 20-30% по сравнению с RTM-тexнoлoгиeй [7].
При пропитке с помощью инфузии плетеных заготовок возможно получение изделий с высокими прочностными характеристиками, что позволяет использовать их в авиационной, транспортной, военной и других отраслях промышленности.
Основными преимуществами такой технологии являются:
- экономичность - небольшие затраты на организацию производства, отсутствие сложного технологического оборудования, гораздо меньший расход связующего, чем при использовании контактного формования;
- экологичность - система закрытая, поэтому снижается выброс мономеров и других летучих веществ в воздушное пространство рабочей зоны;
- формирование сэндвич-структуры (из наполнителя и вспомогательных материалов) изделия производится до пропитки связующим, что дает возможность изменения состава наполнителя и более тщательной выкладки;
- в процессе инфузии воздух удаляется из изделия практически полностью с помощью вакуумного насоса, что хорошо сказывается на прочности изделия.
Производство конструкций сложного профиля с помощью стандартных технологий становится проблематичным из-за сложности раскроя препрегов и необходимости применения ручной выкладки в зонах сложных переходов. Одним из решений данной проблемы является использование плетеных преформ, которые характеризуются высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы.
Применение плетеных преформ имеет такие преимущества, как сокращение цикла производства сложных деталей, снижение стоимости за счет увеличения доли автоматизации процесса, возможность использования в серийном производстве. Технология позволяет за один цикл получать готовое изделие без применения каких-либо дополнительных операций [8]. Например, применение объемно-армирующих преформ, выполненных плетением, в производстве трубчатых конструкций позволяет заменить операцию намотки, что в свою очередь приведет к уменьшению трудоемкости производства (рис. 1).
Рис. 1. Заготовка трубчатой конструкции, изготавливаемая методом плетения фирмой General Electric Aircraft Engines (GEAE)
Область применения изделий на основе плетеных преформ уже достаточно широка, и все большее количество компаний применяют этот процесс и внедряют его в собственное производство. Наиболее традиционными и характерными областями применения изделий на основе плетеных преформ являются авиационная, военная и транспортная промышленности [9, 10].
Использование плетеных преформ позволяет создавать бетонно-композитные мосты, которые представляют собой быстровозводимые конструкции с заливкой бетона
в несъемную опалубку на основе плетеных преформ, полученную на месте строительства, и обладают высокими эксплуатационными характеристиками [11].
Гибридно-композитная система строительства мостов обеспечивает долговечность и функциональные преимущества в сравнении с железобетонными и стальными конструкциями [12, 13].
Сравнение строительства и последующей эксплуатации мостов различной конструкции за жизненный цикл (20 лет) показано на рис. 2.
100 -------
е 80-
композитная Вид мостовой конструкции
Рис. 2. Сравнение строительства и эксплуатации мостов различной конструкции ООО УК «Новый проект» по статьям расходов за 20 лет:
В - экономия средств; □ - эксплуатация; В - строительство; В - комплектация
Преимуществами такой технологии по сравнению с обычным строительством являются [14-16]:
- малые сроки строительства - весь цикл строительства составляет 6-12 дней;
- более низкая стоимость по сравнению с аналогичным железобетонным или металлическим мостом (экономия составляет 20-30%);
- минимальные эксплуатационные затраты, связанные с отсутствием металла и, как следствие, с отсутствием коррозии и необходимости в текущем ремонте;
- длительный срок эксплуатации моста - применяемые материалы обеспечивают более чем 100-летний срок службы без реконструкции;
- конструкция моста состоит из легких элементов, не требующих применения специальной техники при монтаже;
- более высокая коррозионная стойкость и экологическая безопасность сооружения.
Предлагаемая технология позволяет возводить автомобильные и железнодорожные мосты с различными характеристиками, отвечающие всем необходимым эксплуатационным требованиям.
Возведение конструкции моста включает в себя:
- легковесные надувные арочные трубы, усиленные стеклопластиком, которые возможно быстро устанавливать вручную или с применением легкой техники;
- гофрированные листы железа;
- армированный бетон для формирования фундамента мостовой конструкции.
Последовательность строительства бетонно-композитного арочного моста включает в себя следующие этапы (рис. 3):
- демонтаж существующего металлического моста;
- бурение грунта, подготовка и формирование основания;
- установка арок;
- заливка оснований бетоном;
- установка на аркн композиционного покрытия (гофрированные листы);
- заполнение арок бетоном в течение 1 ч;
- заливка композиционного покрытия бетоном;
- установка композиционных торцевых стен;
- заполнение моста ранее вынутым грунтом;
- выравнивание и очистка участка, укладка дорожного покрытия.
Рис. 3. Этапы строительства бетонно-комиозитного моста фирмой Advanced Infrastructure Technologies Inc.
Заключение
Таким образом, процесс строительства бетонно-композитного моста позволяет сократить сроки строительства, повысить коррозионную стойкость мостового сооружения к действию окружающей среды, что увеличивает срок его службы, а также минимизировать потребность в текущем ремонте и, как следствие, затраты на эксплуатацию, повысить экологическую безопасность сооружения.
Сооружение бетонно-композитного моста позволит сэкономить за весь жизненный цикл его эксплуатации ~1 млн рублей при замене железобетонного моста или ~17 млн рублей - при замене стального моста.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на пе-
риод до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Гуняев Г.М., Гофин М.Я. Углерод-углеродные композиционные материалы //Авиационные матери-
алы и технологии. 2013. №S1. С. 62-90.
3. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов
//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
4. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных
материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения //Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19-27.
5. Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него: пат. 2185964 Рос. Федерация; опубл. 19.01.2001.
6. Ерасов B.C., Макарычева А.И. Определение модуля упругости межфазной зоны в слоистом поли-
мерном композиционном материале //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 53-55.
7. Малинин H.H. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение. 1988.
272 с.
8. Эпоксидная композиция: пат. 2447104 Рос. Федерация; опубл. 05.10.2010.
9. Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P., Чурсова Л.В. Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 18-26.
10. Способ получения композиционного материала: пат. 2246379 Рос. Федерация; опубл. 25.02.2004.
11. Борщев A.B., Хрульков A.B., Халтурина Д.С. Изготовление низкопористого полимерного композиционного материала для применения в слабо- и средненагруженных конструкциях //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст. 03 (viam-works.ru).
12. Тростянская Е.Б. Пластики конструкционного назначения. М.: Химия. 1974. 303 с.
13. Белозеров Л.Г., Киреев В.А. Композитные оболочки при силовых и тепловых воздействиях. М.: Физматлит. 2003. 388 с.
14. Васильев В.В. Композиционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение. 1990. 512 с.
15. Немировский Ю.В., Резников Б.С. Прочность элементов конструкций из композитных материалов. Новосибирск: Наука. 1986. 166 с.
16. Григорьев М.М., Хрульков A.B., Гуревич Я.М., Панина H.H. Изготовление стеклопластиковых обшивок методом вакуумной инфузии с использованием эпоксиангидридного связующего и полупроницаемой мембраны //Труды ВИАМ. 2014. №2. Ст. 04 (viam-works.ru).
