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

Statistics

Views

Abstract - 739

PDF (Russian) - 327

Refbacks

• There are currently no refbacks.