CC BY
20
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ
«наука. инновации. технологии», №1, 2013
удк 691.5 В. В. Шишкин [V. V. Shishkin],
С. В. Скориков [S. V. Skorikov], А. В. Акиншина [A.V. Akinshina]
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ДИСПЕРСНОАРМИРОВАННЫХ
ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ
ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Possibilities of fibre-reinforced cement composites using to restore the water supply pipeline
В статье предложен общий подход к проектированию состава фибробе-тонной смеси, используемой для нанесения ремонтного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода. Даны рекомендации о возможности использования при его восстановлении определенного типа фибровых волокон.
General approach to the design of the composition of the fibrous mixtures, of a kind used for the application of maintenance of the coating on the inner surface of the pipe, is given in the article. Recommendations are given on the opportunities to use a certain type of fiber when restoring.
Ключевые слова: фибробетон, трубопровод, покрытие, базальтовая фибра, микроармирование. Key words:
fibrous concrete, pipeline, coating, basalt fiber, fibrous reinforcement.
Трубопроводные системы — неотъемлемая часть инфраструктуры современных городов, а городские водопроводные сети являются не только наиболее функционально значимым элементом систем водоснабжения, но и, как показывает практика эксплуатации, наиболее уязвимым. Общая протяженность наружных и подземных трубопроводов водоснабжения в Российской Федерации составляет более 800 тыс. км. Большая часть сетей выполнена из металлических труб, многие из которых к настоящему моменту полностью выработали свой ресурс; физический износ трубопроводов в среднем по стране приближается к 70-80 % (1).
Одним из перспективных направлений развития приобретающих в последнее время все большую распространенность бестраншейных технологий санации разрушенных трубопроводов является разработка новых композитных материалов и технологий восстановления разрушенных металлических стенок труб. Традиционно подразделяя методы бестраншейного восстановления на две большие группы по характеру используемого ремонтного сырья: жестких ремонтных элементов либо жидких ремонтных смесей — следует отметить высокий потенциал последней группы, обусловленный рядом ха-
рактерных для нее технико-экономических преимуществ, включающих в том числе отсутствие этапа транспортировки готовых элементов и возможность использования в ходе работ местных строительных материалов (2).
Наиболее широко применяющимся жидким ремонтным составом для труб водоснабжения являются смеси на основе цементного вяжущего, остающиеся на сегодняшний день наиболее дешевыми из применяемых материалов. Они обеспечивают эффективную защиту металла трубы от коррозии (выполняя как активную, так и пассивную защитные функции), причем покрытие характеризуется низкой шероховатостью, обеспечивающей высокую пропускную способность восстановленной трубы. Незначительные дефекты покрытия устраняются за счет зарастания их карбонатными отложениями, которые, однако, не накапливаются в покрытой трубе. К недостаткам цементно-песчаных покрытий следует отнести их сравнительно большую (относительно полимерных материалов) толщину. Именно этот фактор выделяется как важнейший из факторов, ограничивающих использование цементных покрытий для восстановления трубопроводов (3).
Перспективным направлением снижения толщины слоя ремонтного покрытия при сохранении равных прочностных характеристик представляется использование микроармирующих компонентов. В некоторых работах ранее описывался характер улучшения свойств дисперсноармированного цементного покрытия; были предложены технологические решения, позволяющие осуществлять нанесение смесей, содержащих волокна, на внутреннюю поверхность труб (4-6). Однако до сих пор не было предпринято попыток сформулировать общие критерии, предъявляемые к используемому волокну и в конечном счете ремонтной смеси, в соотношении с характеристиками восстанавливаемой конструкции. Решение этой задачи и явилось целью настоящей работы.
Отметим, что определение характеристик конструкции, восстановление которой является конечной целью создания рецептуры фибробетонной смеси, сталкивается с рядом затруднений. Не существует достаточно полной классификации восстанавливаемых трубопроводов, позволяющей построить зависимости состава покрытия со значительной точностью; во многом это определяется сложностью создания подобной классификации, в том числе в силу часто различной степени износа трубы даже на участках восстанавливаемого трубопровода сравнительно малой протяженности. Приоритетные функции, выполняемые покрытием после нанесения на внутреннюю поверхность трубопровода, зависят от ряда факторов, прямо или косвенно определяющих его физическое состояние; характер указанных зависимостей в первом приближении может быть отражен следующими положениями:
1. Защитная функция покрытия приоритетна в том случае, когда остаточная толщина стенки трубопровода составляет не менее 85-90 %; такая ситуация возможна для металлических трубопроводов возрастом 1-2 года, проложен-
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ
Возможности использования дисперсноармированных цементных композитов.
ных без соответствующей внутренней антикоррозийной защиты. На сегодняшний день ее следует признать редкой, поскольку необходимость изоляционных покрытий, как внутренних, так и внешних, признана повсеместно. В то же время широкое распространение труб, выполненных из различных полимерных материалов, с каждым годом уменьшает объем вновь прокладываемых металлических трубопроводов.
2. Несущая функция покрытия приоритетна в том случае, когда остаточная толщина стенки трубопровода менее 60 %; такая ситуация характерна для стальных трубопроводов без защитных покрытий возрастом более 15 лет.
В промежуточных случаях совместно реализуются несущая и защитная функции покрытия. Такая ситуация возможна для трубопроводов возрастом от 5 до 10 лет с достаточным остаточным ресурсом прочности, имеющих незначительные структурные дефекты, остаточная толщина стенки которых составляет не менее 60 %.
Очевидно, что состав применяемой ремонтной смеси для каждого из рассматриваемых случаев и в общем случае для каждого уникального объекта может различаться как по количественным, так и по качественным характеристикам. В то же время задача проектирования ремонтного состава ставит нас перед необходимостью сужения спектра возможных вариантов дисперсного армирования цементно-песчаного покрытия труб.
Принимая рекомендуемый нормативными источниками (7, 8) состав цементной матрицы в качестве исходного, рассматриваемую ремонтную смесь можно охарактеризовать как подвижную смесь с нормой удобоукла-дываемости П2, класс по прочности не ниже В35 (по СТ СЭВ 1406). Показатель водоцементного отношения рассматриваемого состава (0,3...0,36) близок к нижнему порогу обеспечения доброкачественности мелкозернистого бетона (0,29). Дальнейшее рассмотрение не предполагает внесения каких-либо изменений в состав цементной матрицы и основано на общепринятом положении о том, что свойства фибробетона при заданном составе цементной матрицы определяются видом и качеством применяемых волокон и бетона, их количественным соотношением и во многом зависят от состояния контактов на границе раздела фаз.
На эффективность дисперсного армирования оказывает влияние множество взаимосвязанных факторов. К ним относятся такие факторы, как отношение модулей упругости материалов фибр и матрицы, количество фибр, химическая стойкость материала фибр по отношению к материалу матрицы, геометрические характеристики фибр (длина, диаметр, форма боковой поверхности), соотношение размеров армирующих волокон с размерами неоднородностей структуры матрицы (9). При определении вида используемой фибры следует исходить как из вида конструкции, так и из условий ее
эксплуатации, принятых технических и технологических решений, а также экономической целесообразности.
Окончательное решение вопроса о применении того или иного типа фибр в конкретном случае должно быть принято на основании анализа ряда характеристик различных типов волокон. Однако не все промышленно выпускаемые фибровые волокна могут удовлетворительно применяться при армировании цементных композитов. В дальнейшем рассмотрение многообразия фибровых волокон сужено в силу определенности используемого в покрывающей смеси цементного вяжущего. Наиболее полно поставленным условиям соответствуют такие волокна, как металлические (различные виды стальной фибры), минеральные (стеклянные циркониевые, базальтовые), синтетические (полипропиленовые). Рассмотрим каждый из перечисленных видов фибрового волокна в отдельности.
Стальная фибровая арматура применяется в монолитных железобетонных конструкциях и сборных конструкциях заводского изготовления. Несмотря на широкое многообразие имеющихся типоразмеров стальной фибры, в основном применяемые стальные волокна различной формы имеют 0 0,2-1,2 мм и длину от 5 до 12 см не могут, в силу различных факторов, удовлетворительно использоваться для создания тонкослойных покрытий (10). Так, экспериментально подтверждено, что диаметр используемого фибрового волокна определяет начальную ширину раскрытия трещин в композите: при использовании стальных фибр 0 0,3 мм трещины имеют характер местных разрывов, размер их не превышает 1...3 мкм; повышение диаметра волокон до 0 0,9 мм приводит в тех же условиях к увеличению начальной ширины трещины до 7...10 мкм.
Для стальной фибры возможно получение сверхтонких волокон, однако их обычно изготавливают путем волочения через алмазные фильтры, что, несмотря на высокую прочность и эффективность подобных волокон, обусловливает их чрезмерно высокую стоимость и сужает область их применения. Фибры малых диаметров, изготавливаемые методом резки стальной проволоки, также характеризуются дефицитностью и, как следствие, высокой стоимостью, что делает их применение, в большинстве случаев, экономически нецелесообразным. Кроме того, для фибр такого типа характерна сравнительно низкая степень насыщения бетонных матриц, что ограничивает дальнейшее улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств сталефибробетона.
Следует отметить также, что фибра в бетоне, как правило, достаточно хорошо защищена от коррозии плотным цементным камнем, однако в случае тонкого покрытия, постоянно подвергающегося воздействию агрессивной по отношению к стали среды транспортируемого в трубопроводе продукта, коррозионная стойкость стали может быть подвергнута сомнению.
Базальтовая фибра имеет высокий модуль упругости и хорошие показатели прочности на разрыв. В последние десятилетия разработаны новые технологические решения, позволяющие снизить стоимость изготовления
ТЕХНИчЕсКИЕ И ИНЖЕНЕрНыЕ НАУКИ
Возможности использования дисперсноармированных цементных композитов.
базальтовой фибры, ввиду чего в настоящее время она составляет достаточно серьезную конкуренцию стальным волокнам (11).
Главной отличительной чертой базальтофибробетона является его высокая прочность для всех видов напряженных состояний и способность переносить большие деформации в упругом состоянии (12). Конструкции из базальтобетона обладают более высокой прочностью и деформативностью, нежели аналогичные конструкции армоцемента с арматурой из стальных сеток, так как армирующее их базальтовое волокно не только превосходит стальные сетки по указанным параметрам, но и обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования цементного камня.
Следует отметить, что при твердении цементного камня поверхность тонкого базальтового волокна разрушается. Прочность волокна уменьшается, однако образующиеся раковины повышают прочность сцепления цементного камня и волокна, ввиду чего возрастает и прочность самого изделия. При использовании толстых волокон их прочность не изменяется.
Стеклянные циркониевые тонкие волокна диаметром 8-10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке, плотность же их в несколько раз меньше. Модуль упругости примерно втрое превышает модуль упругости матрицы. Однако производство тонких волокон и объединение их в комплексные нити требует дорогостоящего оборудования (13). Кроме того, при производстве стекла используется многокомпонентная шихта, что сказывается на стоимости фибр. Для равномерного распределения таких волокон в композиции требуются специальные методы (напыление, контактное формование) и оборудование, повышающие стоимость конструкции.
Полипропиленовые волокна характеризуются надежным сцеплением с бетонной матрицей, однако в то же время им свойственна повышенная де-формативность, поскольку модуль упругости таких волокон составляет не более 1/4 модуля упругости бетонной матрицы. В силу сказанного, такие волокна не могут использоваться в качестве эффективной несущей арматуры и применяются, как правило, при дополнительном (конструктивном) армировании, способствующем предотвращению повреждений и выколов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичному повышению ударной прочности, сопротивления истиранию и т. д. Вместе с тем в ходе многолетних исследований (14) было установлено, что изделия, армированные полипропиленовыми волокнами, характеризуются значительными деформациями даже при небольших нагрузках растяжения, что объясняется низкой адгезией полипропилена в цементной матрице. Кроме того, такие изделия с течением времени теряют свои прочностные свойства, имеют высокую истираемость поверхности.
Проведенный анализ позволяет рекомендовать для использования в качестве микроармирующего компонента покрывающего состава внутри-трубных поверхностей базальтовую фибру. Основные характеристики грубых базальтовых волокон показаны в таблице.
основные характеристики грубых базальтовых волокон
№ Свойства Значения
1 Теплофизические Диапазон рабочих температур, °С Температура плавления, °С Теплопроводность, К/кг 269~700 1 050 0,03~0,038
2 Физико-механические Диаметр волокон, мкм Плотность, кг/м3 Модуль упругости, кг/мм2 Предел прочности на разрыв, МПа 7~17 2 600~2 800 10 000~11 000 4 150~4 800
Предел прочности на разрыв при тепловом воздействии, % от исходного 20 °С 200 °С 400 °С 100 95 82
3 Химическая устойчивость Потеря массы после трехчасового кипячения в растворе, % HCl, 2Н NaOH, 2Н H2O 2,2 6,0 0,2
Вопросы проектирования состава фиброармированных бетонных смесей подробно рассмотрены в работах (15, 16). Однако предложенные в указанных работах методики проектирования состава фибробето-на не могут быть вполне корректно применены для расчета параметров армирования базальтофибробетона ввиду ряда причин:
— базальтовые волокна под действием агрессивной цементной среды реагируют с получением новообразований, образование которых усиливает соединение волокна с цементной матрицей. Вследствие этого механизм разрушения базальтофибробетонного композита отличается от традиционно рассматриваемого и предполагающего последовательное протекание стадий разрушения границ раздела «волокно — матрица» и вытягивания волокон из матрицы. Базальтофибробетон разрушается как единое тело без вырывания волокна из бетонной матрицы;
— традиционно используемый в качестве характеристики фибр параметр не может быть удовлетворительно применен при расчете ввиду изменения длины волокон в процессе изготовления бетонной смеси. Следствием изменения длины введенных базальтовых грубых волокон является непостоянство объемной концентрации волокон.
ТЕХНИчЕсКИЕ И ИНЖЕНЕрНыЕ НАУКИ
Возможности использования дисперсноармированных цементных композитов.
Необходимая корректировка расчетных методик может быть выполнена на основе экспериментального анализа средней длины и распределения длин введенного в смесь базальтового волокна. При этом следует учитывать существенное влияние характера технологического воздействия на указанные параметры волокон.
Таким образом, при сохранении рекомендуемых нормативными документами для изготовления внутренних покрытий трубопроводов водоснабжения вида вяжущего и состава цементной матрицы базальтовое волокно является наиболее перспективным микроармирующим компонентом покрытия. Ряд особенностей базальтового волокна, обусловливающих перспективность его использования, требуют в то же время переосмысления и совершенствования существующих методик проектирования состава фибробетонных смесей на основе экспериментальных данных, учитывающих специфические технологические условия формирования внутритруб-ных покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жилищное хозяйство и бытовое обслуживание населения в России. 2010: статистический сборник / Росстат. М., 2010. 326 с.
2. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). М.: ПрессБюро № 1, 2005. 304 с.
3. Давыденко О. В. Анализ практики восстановления трубопроводов путем формирования покрытий // Техника и технология: новые перспективы развития: материалы IV Международной научно-практической конференции. М., 2011. С. 39-41.
4. Патент 2451870 РФ. Способ покрытия трубопровода и устройство для его осуществления / В. В. Шишкин, О. В. Давыденко; заявл. 01.02.10; зарег. 27.05.12.
5. Акиншина А. В. Усовершенствованный метод восстановления трубопроводов с использованием фиброволокна // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009», г Новочеркасск, декабрь 2009 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. унт (НПИ). Новочеркасск: Лик, 2010.
6. Давыденко О. В. Применение фиброцементных композиций при восстановлении трубопроводов // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сборник докладов II Международной научной заочной конференции (Липецк, 2 октября 2010 г.) / под ред. А. В. Горбенко, С. В. Довженко. Липецк: Издательский центр «Де-факто», 2010. С. 251-253.
7. МГСН 6.01-03. Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микротоннелепроходческих комплексов и реконструкция трубопроводов с применением специального оборудования. Введ. 03.08.2004 // Вестник Мэра и Правительства Москвы. 2004. № 49.
8. Пособие по защите внутренней поверхности стальных труб от коррозии (к СНиП 2.04.02-84). М.: Центральный институт типового проектирования, 1985.
9. Баженов Ю. М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.
10. Моргун Л. В. Эффективность применения фибробетона в современном строительстве // Строительные материалы. 2002. № 23. С. 16-17.
11. Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна // Хiмiчна промисловють УкраТ-ни. 2003. № 1. С. 24-27.
12. Канаев С. Ф. Базальтофибробетон на грубых базальтовых волокнах. Обзор. М.: НПО «Композит», 1990.
13. Стеклофибробетон и конструкции из него. Серия «Строительные материалы». Вып. 5. ВНИИНТПИ, М., 1991.
14. Новицкий А. Г., Ефремов М. В. Аспекты применения базальтовой фибры для армирования бетонов // Будiвельнi матерiали, вироби та саытарна техыка. Вып. 36. 2010.
15. Пухаренко Ю. В., Ковалева А. Ю. Вопросы и решения в проектировании состава фибробетона / А1Ш^огт // Международное аналитическое обозрение: цемент, бетон, сухие строительные смеси. 2009. № 1 (8). С. 50-55.
16. Донг Ким Хань. Особенности технологии фибробетона для восстановления гидротехнических сооружений Вьетнама // Вестник гражданских инженеров. СПб., 2009. № 1(18). С. 56.
ОБ АВТОРАХ
Шишкин Виктор Васильевич, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», доктор технических наук, старший научный сотрудник межкафедральной Лаборатории комплексных исследований материалов, конструкций и механизмов Института строительства, транспорта и машиностроения.
Скориков Савва Викторович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат технических наук, доцент кафедры строительства Института строительства, транспорта и машиностроения.
Акиншина Алина Владимировна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», магистрант.
Shishkin Viktor Vasil'evich, North-Caucasian Federal University, Institute of Construction, transport and engineering, Laboratory of complex studies of materials, structures and mechanisms Senior Researcher, Doctor of technical sciences.
Skorikov Savva Viktorovich, North-Caucasian Federal University, Institute of Construction, transport and engineering, Department of Construction, candidate of technical sciences, associate professor.
Akinshina Alina Vladimirovna, North-Caucasian Federal University, Institute of Construction, transport and engineering, master.
