ENDURANCE OF CARCASS TYPE POLYMER COMPOSITE MATERIALS AT DEFORMATION JOINTS OF BRIDGE STRUCTURE’S ELEMENTS

Abstract


Numerous studies of road surfaces in the areas of deformation joints of bridges and overpasses have shown that the use of polymer composite materials can significantly reduce cracks and destruction. The cyclic durability of such materials prevents rutting in the zone of deformation seams, due to their damping properties. Effective building materials based on furfural acetone monomers (FAM) are used for the manufacture of tides that experience cyclic impacts of vehicle wheels. Therefore, tests were conducted on the endurance of FAM polymer concrete under the influence of cyclic application of load. Today cyclic and static durability of traditional FAM polymer concretes has been studied in detail. However, the carcass technology can improve the characteristics of polymer concrete, in particular, reduce shrinkage. These polymer concretes are produced in two stages. First, a carcass is created from the filler grains glued together, and then the voids are filled with a matrix composition. This article presents the results of endurance tests of polymer concrete made using carcass and traditional technologies, with the same set of raw materials. To determine the limit of endurance, we used the method of planning an experiment with the construction of an orthogonal-composite plan of the second order. The cycle asymmetry coefficient and loading level (as a percentage of the destruction load) were selected as variable factors affecting the cyclic durability. Lines of fatigue strength of traditional polymer concrete FAM and obtained by carcass manufacturing technology at different values of the cycle asymmetry coefficient are also constructed. The results of endurance tests under the influence of repeated application of load showed that the polymer composite material based on furfural acetone monomer, obtained by carcass technology, has an increased cyclic durability compared to traditional polymer concrete.

Full Text

Введение Объектом исследования являются каркасные полимербетоны. Целью - рассмотрение возможности применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) каркасной структуры в элементах конструкций деформационных швов мостовых сооружений. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: получить значения пределов усталостной прочности ПКМ на основе фурфуролацетонового мономера (ФАМ) при различных характеристиках асимметрии цикла приложения нагрузки, определить коэффициент выносливости. Основная часть Результаты технических обследований мостов и путепроводов на автомобильных дорогах Липецкой, Пензенской, Калужской, Рязанской областей, а также сооружений, работающих в городских условиях, показывают, что наиболее уязвимыми местами конструкций проезжей части являются деформационные швы и покрытия в их зонах. Наиболее характерными дефектами и повреждениями элементов конструкций деформационных швов согласно РДН 218.05.001-2010 «Оценка и прогнозирование состояния мостовых сооружений на автомобильных дорогах Краснодарского края» являются: - одиночные протечки; - протечки через повреждения заполнения; - протечки из-под гидроизоляции под сопряжением шва с одеждой; - разрушение водоотводных лотков; - трещина в покрытии и над ним; - разрушение покрытия в зоне шва; - разрушение заполнения, отрыв листов; - разрушение слоев одежд у шва; - расшатывание окаймления; - разрушение, отрыв и проваливание в зазор конструкций. На рис. 1-4 показаны дефекты и повреждения элементов конструкций деформационных швов на мостовых сооружениях. В табл. 1 приведена ведомость дефектов одного из объектов городской инфраструктуры - путепровода по ул. Бульварная в г. Пятигорске, отражающая вышеизложенное. Кроме вышеуказанных дефектов, большую роль в процессе разрушения покрытия в зоне деформационных швов играет образование колеи из-за перепадов отметок мостового полотна на стыке дорожной одежды и деформационных швов [1-4]. Для предотвращения колееобразования в зоне деформационных швов применяют следующие технические решения: - устройство переходных зон; - применение бетонных приливов (окаймлений) [5, 6]; - применение приливов, выполненных из ПКМ, обладающих демпфирующими свойствами, т.е. способностью гасить удары колес транспортных средств. В процессе эксплуатации вышеуказанные элементы испытывают воздействие многократного приложения нагрузки с количеством циклов более 1×106, поэтому целью настоящего исследования является изучение циклической долговечности ПКМ под действием многократно прилагаемых нагрузок. Рис. 1. Разрушение асфальтобетонного покрытия в зоне деформационного шва (путепровод в г. Невинномысске Ставропольского края) Fig. 1. Destruction of asphalt concrete surface in the zone of the deformation joint (overpass in Nevinnomyssk, Stavropol territory) Рис. 2. Трещины, разрушение покрытия в зоне деформационного шва (мост в г. Пензе) Fig. 2. Cracks, destruction of the coating in the zone of the deformation joint (bridge in Penza) Рис. 3. Разрушение покрытия, сеть трещин, нарушение герметичности, пролом в зоне деформационного шва (мост в г. Грязи, Липецкой области) Fig. 3. The destruction of the surface, a network of cracks, violation of tightness, a break in the zone of the deformation joint (the bridge in Gryazi, Lipetskaya oblast) Рис. 4. Трещины в покрытии у шва и над швом, протечки через поврежденное заполнение (мост через р. Ельчик в г. Елеце, Липецкой области) Fig. 4. Cracks in the coating at the joint and above the joint, leaks through the damaged filling (bridge by river Yelchik in Yelets, Lipetskaya oblast) Таблица 1 Ведомость дефектов Table 1 Defect list № п/п Положение дефекта: номера пролетов, опор, элемент; номер элемента; локализация; материал Тип и описание дефекта Параметры и их значения Категория дефекта в соответствии с ОДМ 218.4.001-2008 Примечания 1 2 3 4 5 6 1 Начало путепровода; мостовое полотно; деформационный шов; асфальтобетон Трещины в покрытии у шва, разрушение покрытия в зоне шва L = 8 м F = 2,5 м2 Б2, Р2 2 Номера опор: 6; мостовое полотно; деформационный шов; асфальтобетон Поперечные трещины с шириной раскрытия более 10 мм Δ = 8 мм F = 0,5 м2 Б2, Р1 3 Номера опор: 6; мостовое полотно; деформационный шов; сталь Разрушение заполнения; отрыв листов; повреждение узлов L = 15 м F = 15,0 м2 Б3, Р3 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 4 Номера опор: 11; мостовое полотно; деформационный шов; сталь Разрушение заполнения; отрыв листов; повреждение узлов L = 8 м F = 8,0 м2 Б3, Р2 5 Конец путепровода; мостовое полотно; деформационный шов; асфальтобетон Трещины в покрытии у шва и над ним L = 0,5 м F = 0,25 м2 Б2, Р1 Теоретической основой данной работы стало изучение результатов научных исследований в области ПКМ [7-10], на первом этапе работы исследованы вопросы выносливости и демпфирующих свойств полимербетонов ФАМ и ФАЭИС-30 [11, 12] и сделаны выводы о возможности применения вышеуказанных материалов в конструкциях переходных зон деформационных швов. Одним из перспективных направлений, способствующих дальнейшему совершенствованию строительных композитов, является получение материалов каркасной структуры. Технология их изготовления включает предварительное создание оптимальных смесей заполнителей и склеивание зерен друг с другом с последующим заполнением сообщающихся пустот полученного каркаса матрицей. Такая технология позволяет получать высоконаполненные каркасные композиты, облегчает технологию их приготовления и укладки [13-15]. Данная технология широко применяется при устройстве полов на промышленных предприятиях, работающих в условиях больших нагрузок и агрессивных сред. Технология укладки каркасного полимербетона осуществляется по следующей схеме: 1) подготовка поверхности основания и его грунтовка; 2) укладка, формование и отверждение каркасной части; 3) заполнение пустот каркаса связующим и его утверждение. Подготовка поверхности бетонного основания заключается в очистке металлическими щетками, обезжиривании и обеспыливании. Грунтовка поверхности проводится жидким полимерным составом на основе смолы ЭД-20 с пластификатором (дибутилфталат). На огрунтованную поверхность укладывается каркасная смесь, которая готовится из гранитного щебня и клея на фурфуролацетоновом мономере с повышенным содержанием бензосульфокислоты в бетономешалке принудительного действия. В бетономешалку с заполнителем подается клей каркаса, полученный в скоростном смесителе, и перемешивается в течение 2-3 мин до достижения равномерного обволакивания клеем зерен заполнителя. Готовая каркасная смесь укладывается полосами от 1 до 1,5 м на всю длину деформационного шва, разделенными маячными рейками. Смесь разравнивается правилом и уплотняется ручным катком. После отверждения каркаса в течение суток при нормальных температурно-влажностных условиях приступают к заполнению пустот каркаса полимерминеральным раствором на основе ФАМ. Полимерминеральный раствор готовится в смесителе скоростного действия по следующей технологии: 1. В перемешанные в течение 30 с наполнитель (маршалит - пылевидный кварц) и ФАМ добавляется расплав бензолсульфокислоты охлажденной до 35-40 °С. 2. Смесь перемешивается в течение 1 мин до получения массы, равномерно окрашенной в черный цвет. Перед нанесением растворной части проводится проверка поверхности каркаса и удаляются выступающие зерна щебня. Полимерминеральный раствор наносится наливом по всей площади помещения начиная от угла. Эксплуатация готового пола начинается через 5-6 сут [16]. Составы бетонов приведены в табл. 2. Таблица 2 Составы традиционного и каркасного полимербетонов Table 2 Compositions of traditional and carcass polymer concrete № п/п Компоненты Содержание, кг на 1 м3 традиционный полимербетон каркасный полимербетон 1 Фурфуролацетоновый мономер (ФАМ) 250,0 301,3 2 Щебень гранитный 1300,0 1600,0 3 Песок кварцевый 700,0 441,3 4 Андезитовая мука 250,0 406,7 5 Отвердитель БСК 50,0 71,3 Эксплуатационные нагрузки на изгибаемые и сжатые элементы различных транспортных сооружений представляют собой комбинации многократно повторных и постоянной нагрузок. Многократно приложенная часть нагрузки обычно имеет однозначное направление. Соотношение между ней и постоянной частью нагрузки может быть самым различным. Поэтому при испытаниях был принят режим асимметричного циклового загружения при различных коэффициентах асимметрии, так как именно в этом режиме работают шпалы в реальных условиях эксплуатации. Испытание на выносливость проводили на образцах в виде призм размерами 100´100´400 мм на испытательной машине ГРМ-2А с частотой приложения нагрузки 670 циклов в минуту и коэффициентом асимметрии цикла ρ = 0,1; 0,35; 0,6. Выносливость полимербетонных элементов (ГОСТ 24545-81. Бетоны. Методы испытаний на выносливость) на основе ФАМ, изготовленных по общепринятой технологии, изучалась достаточно подробно в работах П.Г. Левченко, А.Е. Меднова, Б.А. Бондарева и др. [17-20]. Так, в работе [21] получены значения коэффициентов выносливости полимербетонов ФАМ на андезите, представленные в табл. 3. Работы, посвященные изучению выносливости полимербетонов, изготовленных по каркасной технологии, до настоящего времени не проводились. Для исследования каркасного полимербетона применялся метод планирования эксперимента с построением ортогонального центрально-композиционного плана второго порядка; уровни варьирования факторов приведены в табл. 4. Результаты обработки данных, представленных в виде матрицы планирования эксперимента, приведены в табл. 5. Таблица 3 Результаты испытаний на выносливость полимербетона ФАМ Table 3 FAM polymer concrete endurance test results Коэффициент асимметрии Корреляционные уравнения Коэффициент выносливости 0,1 Υ = 79,83 - 8,89lnN 0,31 0,35 Υ = 66,23 - 5,63lnN 0,41 0,6 Υ = 68,09 - 5,70lnN 0,43 Таблица 4 Уровни варьирования факторов Table 4 Factor variation levels Факторы Уровни планирования -1 0 +1 Коэффициент асимметрии цикла 0,1 0,35 0,6 Уровни нагрузки, в долях от разрушающей 0,5 0,6 0,7 Таблица 5 Матрица планирования эксперимента Table 5 The experiment planning matrix Номер опыта X0 X1 X2 X1 X2 Υ 1 +1 -1 -1 +1 1/3 1/3 4,969 2 +1 +1 -1 -1 1/3 1/3 5,831 3 +1 -1 +1 -1 1/3 1/3 3,753 4 +1 +1 +1 +1 1/3 -2/3 3,979 5 +1 -1 0 0 1/3 -2/3 5,105 6 +1 +1 0 0 -2/3 1/3 4,694 7 +1 0 -1 0 -2/3 1/3 5,394 8 +1 0 +1 0 -2/3 1/3 3,820 9 +1 0 0 0 -2/3 -2/3 4,160 Матрица, представленная в табл. 5, соответствует математической модели объекта исследования (1) При этом коэффициенты регрессии составят: b1 = 0,279; b2 = -0,773; b12 = -0,159; b11 = 0,194; b22 = 0,608. Тогда (2) Для практических целей математическая модель может быть преобразована из кодированных значений переменных в абсолютные, тогда: (3) Модель (2), характеризующая предел выносливости полимербетона, обладает следующими особенностями: а) наиболее существенным фактором является уровень загружения х2; б) эффект фактора х2 отрицательный, следовательно, его увеличение вызывает снижение Y; в) фактор х1 по своей величине в 2,5 раза меньше х2; г) увеличение х2 ведет к росту Y; д) одновременное увеличение х1 и х2 уменьшает величину отклика системы, что ведет к снижению предела выносливости. В табл. 6 приведены результаты испытаний вышеуказанных ПКМ, выполненных по традиционной и каркасной технологиям, а на рис. 5, 6 - линии выносливости исследуемых материалов. Таблица 6 Результаты усталостных испытаний ПКМ, выполненных по традиционной и каркасной технологиям Table 6 Traditional and carcass technology’s PCM fatigue test results made using Наименование ПКМ Коэффициент асимметрии цикла Уравнение выносливости Коэффициент выносливости Традиционная технология 0,1 104,71 - 13,87 lnN 0,27Rb Каркасная технология 0,1 162,03 - 20,64lnN 0,37Rb Традиционная технология 0,35 98,75 - 12,35lnN 0,33Rb Каркасная технология 0,35 159,35 - 19,77lnN 0,35Rb Традиционная технология 0,6 87,17 - 9,87lnN 0,39Rb Каркасная технология 0,6 148,91 - 17,42lnN 0,45Rb Рис. 5. Линии усталостной прочности полимербетона ФАМ, изготовленного по традиционной технологии: 1 - при ρ = 0,6; 2 - ρ = 0,35; 3 - ρ = 0,1 Fig. 5. Lines of fatigue strength of polymer concrete FAM, manufactured using traditional technology by: 1 - ρ = 0,6; 2 - ρ = 0,35; 3 - ρ = 0,1 Рис. 6. Линии усталостной прочности полимербетона ФАМ, изготовленного по каркасной технологии: 1 - при ρ = 0,6; 2 - ρ = 0,35; 3 - ρ = 0,1 Fig. 6. Lines of fatigue strength of polymer concrete FAM, manufactured using carcass technology by: 1 - ρ = 0,6; 2 - ρ = 0,35; 3 - ρ = 0,1 Заключение Таким образом, методом усталостных испытаний получаем значения пределов усталостной прочности ПКМ на основе мономера ФАМ при различных характеристиках асимметрии цикла приложения нагрузки, из которых видно, что наиболее предпочтительным с точки зрения циклической долговечности является полимерный композиционный материал на основе фурфуролацетонового мономера, выполненного по каркасной технологии.

About the authors

B. A Bondarev

Lipetsk State Technical University

A. O Korneeva

Lipetsk State Technical University

O. O Korneev

Lipetsk State Technical University

A. G Saakyan

Lipetsk State Technical University

I. A Vostrikov

Lipetsk State Technical University

References

  1. Васильев А.И. Оценка технического состояния мостовых сооружений: учеб. пособие. - М.: КНОРУС, 2019. - 256 с.
  2. Все о мостах [Сайт]. - URL: http://www.bridgeart.ru (дата обращения: 14.05.2018).
  3. Овчинников И.Г., Овчинников И.И. Дорожная одежда на мостовых сооружениях: отечественный и зарубежный опыт // Науковедение. - 2014. - № 5 (24). - URL: http://naukovedenie.ru/ (дата обращения: 12.05.2019).
  4. Овчинников И.Г., Макаров В.И. Влияние деформационных швов на безопасность и комфортное движение // Дороги и мосты. - 2006. - № 2. - C. 26-29.
  5. Ефанов А.В., Овсянников С.В., Овчинников И.Г. Разрушение покрытия мостового полотна и деформационных швов: причины, проблемы и пути решения // Дороги и мосты. - 2007. - № 2. - C. 38-42.
  6. Ефанов А.В. Совершенствование проектирования деформационных швов автодорожных мостов с учетом особенностей эксплуатации: дис. … канд. техн. наук. - Волгоград, 2006. - 407 с.
  7. Gavrilov M.A. Impact Strength of Modified Epoxy Composites // PONTE International Journal of Sciences and Research. - 2017. - Vol. 73, no. 4. - P. 60-64.
  8. Gavrilov M.A. On Technological Properties of Modified Epoxy Composites // Materials of International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety ICCATS 2017. - 2017. - Р. 012009.
  9. Gavrilov M.A., Tarakanov O.V. Rheological Properties of Asbestos Waste Filler - Based Epoxy Composite Materials // Key Engineering Materials. - 2017. - Vol. 737. - P. 231-235.
  10. Комаров П.В., Лифинцев О.И., Бондарев А.Б. Сопротивляемость полимербетонных и стеклопластполимербетонных элементов конструкций длительным и циклическим нагрузкам // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2009. - № 1 (13). - С. 92-97.
  11. Бондарев Б.А., Борков П.В., Сапрыкин Р.Ю. Циклическая долговечность полимерных композиционных материалов в деформационных швах конструкций мостов и путепроводов // Долговечность и надежность строительных материалов и конструкций в эксплуатационной среде: сб. 1-й Междунар. науч.-техн. конф. - Балаково: Изд-во Нац. исслед. ядер. ун-т «МИФИ», 2017. - С. 37-42.
  12. Оценка износа конструкций деформационных швов и пути повышения их долговечности / Б.А. Бондарев, Т.М. Зайцева, А.Г. Саакян, Т.Р. Лезгиев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2019. - Т. 10, № 4. - С. 126-132. doi: 10.15593/2224-9826/2019.4.12
  13. Леснов В.В., Ерофеев В.Т. Исследование свойств каркасных композитов, армированных металлической фиброй различных видов // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Серия: Стр-во и архит. - 2014. - Вып. 35 (54). - С. 105-110.
  14. Физико-механические свойства каркасных полимербетонов на различных заполнителях / Дм.А. Губанов, А.А. Ерофеева, Д.А. Губанов, В.Т. Ерофеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2013. - № 1. - С. 192-198.
  15. Resistance in filamentous fungi filled by epoxy adhesive and matrix compositions used in carcass concrete / V.V. Lesnov, V.T. Erofeev, R.N. Salimov, V.F. Smirnov // Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. - 2015. - № 3 (27). - P. 65-72.
  16. Твердохлебов Д.А. Фурфуролацетоновые композиты каркасной структуры: дис. … канд. техн. наук. - Саранск, 2005. - 260 с.
  17. Korneeva A.O., Saprykin R.Y., Bondarev A.B. The influence of structure-forming factors on the properties of polymer composite material under static loading // Solid State Phenomena. - 2018. - Vol. 284 SSP. - P. 163-166.
  18. Исследование циклической долговечности полимерных композиционных материалов в зависимости от параметров структурообразования / П.В. Борков, А.Д. Корнеев, П.В. Комаров, А.Б. Бондарев // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 6. - С. 138-141.
  19. Корнеев А.Д., Мелешкин М.Ф., Борков П.В. Долговечность композиционных материалов на основе фурфуролацетонового мономера // Строительные материалы. - 2013. - № 15. - С. 64-65.
  20. Черноусов Р.Н. Малоцикловая усталость сталефиброшлакобетона // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - № 5. - С. 66-67.
  21. Бондарев Б.А. Шпалы из древесностекловолокнистых композиционных материалов для лесовозных железных дорог широкой и узкой колеи: автореф. дис. … д-ра техн. наук. - Воронеж, 1996. - 49 с.

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 9

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Bondarev B.A., Korneeva A.O., Korneev O.O., Saakyan A.G., Vostrikov I.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies