Введение к работе
Актуальность работы. К подземным сооружениям, имеющим жизненно важное значение для инфраструктуры современных крупных городов, относятся коллекторные тоннели инженерных коммуникаций. Протяженность таких тоннелей только в Москве превышает 500 км.
Основную их часть составляют тоннели мелкого заложения из сборных железобетонных конструкций. Как правило, они имеют прямоугольное сечение и расположены под городскими дорогами. Проектный срок эксплуатации таких тоннелей превышает 50 лет, однако возрастающие динамические нагрузки городской среды и все более интенсивное воздействие негативных экологических и антропогенных факторов, в частности, использования антиобледенительных реагентов, являются во многом причиной активизации коррозионных процессов в конструкциях тоннелей, что в свою очередь предопределяет ускоренный износ и потерю несущей способности железобетонных конструкций, и в первую очередь, плит перекрытия. Это приводит к накоплению уровня аварийного фонда тоннелей инженерных коммуникаций, который в Москве составляет до 20%. В других городах России эта величина еще больше и доходит до 30%.
Задача обеспечения эксплуатационной надежности железобетонных конструкций и продления срока их эксплуатации требует проведения работ по ремонту и усилению этих конструкций.
Традиционные способы усиления, предусматривающие ремонт, замену стальной арматуры или использование металлоконструкций, к сожалению, не всегда дают необходимый эффект в долгосрочной перспективе, поскольку коррозионные процессы неизбежно возобновляются. Применение новых технологий с использованием не подверженных коррозии современных композиционных материалов на основе легких и высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и т.п.) может в значительной степени решить эту серьезную и актуальную проблему. При этом износ конструкций будет в значительно меньшей мере зависеть от агрессивности окружающей среды, и межремонтные сроки могут быть назначены с большей достоверностью. Это обеспечит существенное сокращение затрат и повышение эксплуатационной надежности сооружений.
Расширение спектра применения этих материалов требует обоснованных расчетов и отработанных технологий, особенно в подземном строительстве, где к безопасности сооружений предъявляются особые требования. Это тем более важно, что применение композитов в тоннелях инженерных коммуникаций с использованием принятых в настоящее время полимерных материалов имеет определенные недостатки. Это связано с возможностью отрыва ламинатов или холстов в результате кристаллизации солей на контакте бетона и полимерного материала. Возникает необходимость обоснования и разработки новых технологических решений с использованием составов на цементной основе.
Вместе с тем не только в отечественной, но и в зарубежной специальной научной литературе явно недостаточно исследований и научных публикаций, посвященных этой проблеме. На сегодняшний день в мире отсутствует нормативная база по усилению конструкций сетками на основе углеродных волокон. В России нормативы по усилению конструкций композитными материалами находятся в стадии разработки.
В связи с этим обоснование и разработка технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием композиционных материалов являются актуальной научной задачей.
Цель работы - обоснование и разработка технологии усиления железо-бетонных конструкций подземных сооружений с использованием новых композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе, позволяющих улучшать условия эксплуатации сооружений, увеличивать межремонтные сроки и, соответственно, снизить стоимость эксплуатации.
Идея работы - использование новых композиционных материалов, обеспечивающих долговечность конструкций подземных сооружений при их усилении за счет повышения коррозионной стойкости элементов усиления.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлена закономерность влияния вязкости эпоксидного состава для пропитки на прочность углеродных сеток с целью исключения деформаций проскальзывания волокон в жгуте, состоящая в том, что прочность на разрыв пропитанных жгутов обратно пропорциональна вязкости эпоксидного состава.
2. Воздухопроницаемость элемента усиления изменяется обратно пропорционально площади углеродной сетки в элементе усиления, при этом рядность (количество слоев) углеродной сетки в элементе усиления не влияет на воздухопроницаемость системы.
3. Установлена прямо пропорциональная зависимость коэффициента усиления конструкций от геометрических параметров элемента усиления: с увеличением длины и площади сечения элемента усиления несущая способность конструкции увеличивается.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
- данными, полученными на базе правильно спланированных экспериментальных прессовых испытаний усиленных конструкций на сертифицированном оборудовании в ЦНИИС;
- удовлетворительной сходимостью расчетных характеристик усиления конструкций с данными, полученными в ходе экспериментальных и практических работ;
- опытом успешного практического применения разработанной технологии при усилении конструкций тоннелей инженерных коммуникаций.
Научная новизна работы заключается в обосновании параметров усиления конструкций тоннелей инженерных коммуникаций, учитывающих специфические особенности этих тоннелей и условия их эксплуатации, а также выбора конкретных материалов, обеспечивающих заданный уровень несущей способности усиливаемых элементов и одновременно являющихся ремонтными и защитными составами.
Научное значение работы заключается в изучении совместной работы элемента усиления на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе с бетонным основанием и расширении представления о применении композиционных материалов для усиления железобетонных конструкций подземных сооружений.
Практическое значение работы заключается в обосновании технологии усиления железобетонных конструкций подземных сооружений, в том числе неремонтопригодных, с использованием композиционных материалов на основе углеродных сеток, обработанных низковязким эпоксидным составом, в ремонтном материале на цементной основе, позволяющей улучшать условия эксплуатации сооружений, увеличивать межремонтные сроки и соответственно снизить стоимость эксплуатации, что практически отражено в разработке «Дополнение № 1 к регламенту по ремонту, усилению и реконструкции сборных железобетонных обделок коллекторных тоннелей инженерных коммуникаций», утвержденному Правительством г. Москвы в 2009 г.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Предложенная в работе технология ремонта и усиления несущих железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами на основе высокопрочных углеродных волокон принята к использованию в ГУП «Москоллектор», применялась при усилении конструкций тоннелей инженерных коммуникаций «Велозаводский» и «Котельнический», подземных помещений Московской государственной консерватории им.П.И.Чайковского, перегонного тоннеля метрополитена в г. Нижний Новгород, станции метро «Бауманская» в г. Москве.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион-ной работы доложены и получили одобрение на техническом совещании в ГУП «Москоллектор» (г. Москва, 2011 г.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2011 г.), на научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» (2008-2011 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в пяти научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, включает список литературы из 129 наименований, 13 таблиц и 43 рисунка.
