Эксплуатация мостов
Д.Р.Веселовский, НПК "ПОЛИДОН", г.Донецк
Н.В.Савицкий, д.т.н., профессор, проректор ПГАСА, г.Днепропетровск
Р.А.Веселовский, д.х.н., профессор, зав.отделом ИХВС НАНУ, г.Киев
И.В.Пеший, НПЦ "Спецполимерстрой", г.Москва
В настоящее время в Украине более 50% мостов находятся в аварийном или предаварийном состоянии. В то же время стоимость восстановления мостов традиционными способами очень велика, поэтому определение новых путей ремонта бетонных и металлических мостовых конструкций представляет собой очень важную проблему. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является максимальное использование полимерных материалов. Специфические условия эксплуатации мостовых переходов резко усложняют задачу создания полимерных материалов для их восстановления. Действительно, мостовые конструкции находятся как на воздухе, так и под водой и в зоне переменного смачивания, они подвергаются всем видам нагрузок, включая знакопеременные, вибрационные, ударные, изгибающие. Работы по восстановлению подводных конструкций, например опор или подводных переходов трубопроводов часто приходится выполнять в условиях отсутствия видимости и сильного течения.
Восстановление металлических опор.
Металлические опоры мостов и портовых сооружений часто выполняются из свай, забиваемых в грунт. Антикоррозионная защита свай в СССР выполнялась, в основном, нанесением на их поверхность слоя бетона. После карбонизации этого бетона, он, естественно, перестает выполнять защитные функции, начинается коррозия металла, которая приводит к разрушению защитного слоя бетона. Наиболее сильно процесс коррозии металла протекает в зоне переменного смачивания свай.
Более 20 лет назад мы предложили способ восстановления несущей способности свай, судов, трубопроводов, нефтяных резервуаров путем дублирования их стеклотканью, пропитанной композицией "СПРУТ" [1-4] Композиция "СПРУТ" обладала способностью прочно приклеиваться к металлу как на воздухе, так и под водой, тщательная подготовка поверхности металла перед склеиванием не требовалась, в том числе допускалось наличие на поверхности нефтепродуктов. Лицензия на эти материалы была продана фирме "КЕМИРА", Финляндия, и МАКФЕРСОН ПОЛИМЕРС, Англия, и с тех пор это направление успешно развивается в западных странах.
В последнее время нами была создана принципиально новая композиция, которая выпускается под маркой "СПРУТ-А". В отличие от 4-х компонентной композиции "СПРУТ", композиция "СПРУТ-А" выпускается в одно- (фотоотверждаемая композиция) или двухкомпонентном варианте, время отвердения регулируется от одной минуты до нескольких суток, адгезионная прочность более высокая, которая не уменьшается с течением времени, эта композиция склеивает по водой не только металл, но и бетон.
Основной проблемой при дублировании металлической поверхности армированными полимерами являются усадочные внутренние напряжения, которые, при значительной толщине покрытия могут достигать значений, превышающих адгезионную прочность. Особенно больших значений внутренние напряжения достигают при нанесении покрытия на вогнутую поверхность, где к тангенциальным напряжениям добавляются нормальные. Композиция "СПРУТ-А" состоит из смеси двух олигомеров, один из которых образует высоко-,а другой - низкомодульный полимер, в которую введены два реакционноспособных поверхностно-активных вещества. Низкомодульный олигомер отвердевает с меньшей скоростью, чем высокомодульный, т.е. после отвердения высокомодульного олигомера низкомодульный выполняет роль пластификатора в полимере, увеличивающего скорость релаксации внутренних напряжений. Кроме того, одно из поверхностно-активных веществ является замедлителем процесса отвердения композиции, т.е. на границе раздела металл - полимер скорость релаксации внутренних напряжений значительно выше, чем в объеме [5], что исключает вероятность образования на этой границе значительных внутренних напряжений. Следует отметить, что при дублировании круглых свай за счет усадки полимера, покрытие обжимает сваю и нормальные усадочные внутренние напряжения являются фактором, увеличивающим адгезионную прочность полимер - металл [6].
Совместная работоспособность системы металл - армированное покрытие возможно лишь при условии близких модулей упругости металла и армированного пластика. Модуль упругости стеклопластика приблизительно в 10 раз ниже модуля упругости металла, поэтому в реальных объектах не исключена ситуация, когда металл уже разрушился, а нагружения покрытия еще не наблюдается. В связи с этим, для армирования покрытий мы использовали базальтовое волокно, модуль упругости которого значительно выше, чем у стеклянного волокна, а в последнее время еще более высокомодульное и прочное - угольное, после значительно снижения его стоимости. Толщина армированного покрытия рассчитывается исходя из требуемого увеличения несущей способности сваи. Одновременно с укреплением сваи происходит ее надежная антикоррозионная защита.
Перед нанесением покрытия свая очищается от обрастателей и пластовой коррозии струей воды высокого давления или металлическими щетками. Покрытие наносится на сваю с помощью установки, спирально перемещающейся по свае. На установке закреплены кассеты с лентой из армирующего материала, пропитанного композицией. Встречаются случаи, особенно в портах, когда рядом со старыми, потерявшими несущую способность сваями, вбиваются новые и установка для нанесения покрытия не может быть использована. В этих случаях по диаметру сваи изготавливаются полуобечайки из армированного пластика, которые наклеиваются на сваю и обжимаются.
Восстановление бетонных опор.
Восстановление надводной части опоры может производиться пропиткой ее медленнотвердеющей, не содержащей растворитель композицией "СПРУТ-5п". Для пропитки бурятся шпуры малого диаметра, которые через инъектор соединяются с емкостью, содержащей композицию. После насыщения композицией бетона восстанавливается геометрия опоры. Восстановление геометрии производится торкрет-бетоном, в который введена добавка Ультра-Си. Эта добавка увеличивает прочность бетона, увеличивает адгезию торкрет-бетона к старому бетону, исключает разделение бетонного раствора на фракции, исключает оплывание торкрет-бетона при нанесении его на вертикальные поверхности, что позволяет производить бетонирование без использования опалубки даже при нанесении сравнительно толстых слоев торкрет-бетона.
В случае, если торкрет-бетон должен обладать очень высокой прочностью и для регулирования скорости его отвердения, в бетонный раствор вводят 0,1 - 30 % композиции "СПРУТ-6п". Время отвердения бетонного раствора введением этой композиции может быть уменьшено до нескольких секунд, а прочность увеличена с 200 до 800 кг/кв.см, одновременно очень сильно возрастает прочность бетона к удару и абразивному износу. Торкретирование бетонным раствором с добавкой композиции "СПРУТ-6п" может производиться под водой.
При упрочнении подводной части или в зоне переменного смачивания опоры, в тело опоры под давлением 150 - 200 кг/кв.см нагнетают композицию "СПРУТ-А1и". Давление нагнетания определяется состоянием бетона, чем менее деградированный бетон, тем больше давление. Нагнетание производят установкой, снабженной двумя плунжерными насосами, смесителем и манометром. Смешение компонентов композиции производится непосредственно перед подачей ее в шпур. Время отвердения композиции - 10 - 15 минут. При выходе композиции за пределы опоры, нагнетание прекращается на время, чтобы изливающаяся композиция успела заполимеризоваться в устье свища. Для нагнетания бурят сетку шпуров, снабженных пакерами, нагнетание в один шпур прекращается, как только композиция начинает изливаться из соседнего шпура, тогда нагнетание продолжается в этот шпур.
Наиболее надежный способ упрочнения опоры заключается в предварительном нанесении на опору армированного покрытия с последующей инъекцией композиции в тело опоры. В этом случае можно значительно увеличить время отвердения композиции или даже использовать однокомпонентный состав, что значительно упростит процесс инъектирования.
Упрочнение балок, ригелей, плит перекрытия.
Для упрочнения железобетонных элементов мостовых конструкций, например, плит перекрытия, мировая практика в настоящее время предусматривает дублирование их угольными пластиками на основе эпоксидных смол. Такой подход нельзя считать продуктивным в связи с его высокой стоимостью. Кроме того, наличие границы раздела бетон - пластик является слабой зоной системы. Учитывая малую прочность бетона при растяжении, усадочные внутренние напряжения могут привести к разрушению поверхностного слоя бетона на границе с пластиком. Значительно более эффективным методом восстановления работоспособности железобетонных мостовых конструкций является пропитка их мономером - "СПРУТ-5т". такая пропитка позволяет не только восстановить, но и значительно повысить их прочность и другие физические и механические свойства бетона. Пропитка является и наиболее дешевым способом "лечения" бетона. Так, при пористости бетона 5%, для того, чтобы пропитать его на глубину 1 см, достаточно в 20 раз меньше полимера, чем для покрытия такой же толщины.
Герметизация швов на мостовом полотне.
Неплотные швы на мостовом полотне являются основной причиной деградации бетонных мостовых конструкций. Асфальтобетон, который обычно используют для герметизации полотна, очень быстро теряет свойства герметизирующего материала.
При создании надежного герметизирующего материала следует учитывать особенности ремонта и эксплуатации дорожного полотна.
1. Ремонт может производиться в любую погоду в любое время года. В связи с этим герметик должен отвердеть с заданной скоростью как летом, так и зимой, как в сухую погоду, так и во время дождя, при низких температурах вязкость герметика не должна сильно возрастать.
2. Швы на полотне могут сильно различаться по ширине, поэтому вязкость герметика должна регулироваться в широких пределах: от вязкости глицерина до вязкости пластилина.
3. В процессе эксплуатации моста ширина швов постоянно меняется, поэтому герметик должен иметь большое удлинение при растяжении, при герметизации как бетонных, так и стальных конструкций, его адгезионная прочность должна быть высокой, не уступающей когезионной прочности.
4. При герметизации широких швов необходима такая прочность герметика, чтобы он мог выдержать давление колес транспорта.
5. Для предотвращения проникновения воды непосредственно через бетонное полотно моста следует предусмотреть возможность его герметизации.
Созданный нами герметик "СПРУТ-6г" удовлетворяет перечисленным требованиям. Это двухкомпонентная система, модуль упругости герметика регулируется изменением количества добавляемого второго компонента. Практически, свойства получаемого герметика можно регулировать от свойств использованной жевательной резинки до свойств жесткой резины.После смешения компонентов образуется подвижная жидкость, с помощью которой можно герметизировать трещины в бетоне или узкие щели. Добавлением наполнителя можно увеличить вязкость композиции до любого требуемого уровня. Через 30 - 60 минут герметик отвердевает, скорость отвердения можно увеличить дополнительным введением катализатора.
Герметизация бетонного полотна моста может быть осуществлена пропиткой его композицией "СПРУТ-А5". Одновременно с герметизацией происходит увеличение прочности бетона, особенно при знакопеременных, вибрационных и ударных нагрузках, увеличивается его устойчивость к действию солей и других химикатов.
Использование разработанных герметиков позволит отказаться от асфальтобетонного покрытия полотна, увеличит срок службы мостовых переходов.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Забела К.А., Веселовский Р.А. Ремонт подводных трубопроводов с помощью клеев, , "Недра", Москва, с.64
2. Веселовский Р.А. и др., патенты США №3,959,210, 1976, США № 4,057,535, 1977, Франции №2 266 734 , 1979, Англии №1489163, 1977, Англии №1452409, 1974, ФРГ №DT 2414343 А1, 1975.
3. Манец И.Г., Веселовский Р.А. Композиционные полимерные материалы в горном деле, "Недра", Москва, 1988, сс.235.
4. Veselovsky R., Savitsky N., Veselovsky D., The new approach to the impregnation of structures. Труды конф. "Инновационные технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта", Алушта, 2004.
5. Veselovsky R., Kestelman V., Adhesion of Polymers, McGraw Hill, New York, 2003, pp.500.
6. Веселовский Р.А. Регулирование адгезионной прочности полимеров, Киев, "Наукова Думка", 1988, сс.176.
