Строительство бетонно-композитных мостов

Введение

В мировой промышленности все более широко внедряются полимерные композиционные материалы (ПКМ), расширяются области и объемы их применения. Такие материалы позволяют изготавливать детали с гарантированным уровнем прочностных свойств при существенном снижении массы, придавать деталям необходимые физические и химические характеристики в зависимости от реальных условий эксплуатации, обеспечивать повышение надежности и долговечности машин по сравнению с традиционными конструкциями. Изделия из ПКМ весьма технологичны: для их изготовления требуется минимальный объем механической обработки, существенно меньшая, чем обычно, трудоемкость сборки, простые методы и средства коррозионной защиты и т. д. [1–4].

В настоящее время ПКМ – стекло-, угле- и органопластики – благодаря своим уникальным свойствам нашли применение в различных видах отраслевой промышленности. Существует большое количество методов получения изделий из ПКМ, одним из которых является инфузия плетеных заготовок [5, 6].

Инфузия – метод получения изделий из ПКМ методом пропитки под давлением. Подача связующего в форму происходит не за счет избыточного давления, а за счет атмосферного. Применение данной технологии позволяет сократить продолжительность формования на 20–30% по сравнению с RTM-технологией [7].

При пропитке с помощью инфузии плетеных заготовок возможно получение изделий с высокими прочностными характеристиками, что позволяет использовать их в авиационной, транспортной, военной и других отраслях промышленности.

Основными преимуществами такой технологии являются:

– экономичность – небольшие затраты на организацию производства, отсутствие сложного технологического оборудования, гораздо меньший расход связующего, чем при использовании контактного формования;

– экологичность – система закрытая, поэтому снижается выброс мономеров и других летучих веществ в воздушное пространство рабочей зоны;

– формирование сэндвич-структуры (из наполнителя и вспомогательных материалов) изделия производится до пропитки связующим, что дает возможность изменения состава наполнителя и более тщательной выкладки;

– в процессе инфузии воздух удаляется из изделия практически полностью с помощью вакуумного насоса, что хорошо сказывается на прочности изделия.

Производство конструкций сложного профиля с помощью стандартных технологий становится проблематичным из-за сложности раскроя препрегов и необходимости применения ручной выкладки в зонах сложных переходов. Одним из решений данной проблемы является использование плетеных преформ, которые характеризуются высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы.

Применение плетеных преформ имеет такие преимущества, как сокращение цикла производства сложных деталей, снижение стоимости за счет увеличения доли автоматизации процесса, возможность использования в серийном производстве. Технология позволяет за один цикл получать готовое изделие без применения каких-либо дополнительных операций [8]. Например, применение объемно-армирующих преформ, выполненных плетением, в производстве трубчатых конструкций позволяет заменить операцию намотки, что в свою очередь приведет к уменьшению трудоемкости производства (рис. 1).

Рисунок 1. Заготовка трубчатой конструкции, изготавливаемая методом плетения
фирмой General Electric Aircraft Engines (GEAE)

Область применения изделий на основе плетеных преформ уже достаточно широка, и все большее количество компаний применяют этот процесс и внедряют его в собственное производство. Наиболее традиционными и характерными областями применения изделий на основе плетеных преформ являются авиационная, военная и транспортная промышленности [9, 10].

Использование плетеных преформ позволяет создавать бетонно-композитные мосты, которые представляют собой быстровозводимые конструкции с заливкой бетона в несъемную опалубку на основе плетеных преформ, полученную на месте строительства, и обладают высокими эксплуатационными характеристиками [11].

Гибридно-композитная система строительства мостов обеспечивает долговечность и функциональные преимущества в сравнении с железобетонными и стальными конструкциями [12, 13].

Сравнение строительства и последующей эксплуатации мостов различной конструкции за жизненный цикл (20 лет) показано на рис. 2.

 Преимуществами такой технологии по сравнению с обычным строительством являются [14–16]:

– малые сроки строительства – весь цикл строительства составляет 6–12 дней;

– более низкая стоимость по сравнению с аналогичным железобетонным или металлическим мостом (экономия составляет 20–30%);

– минимальные эксплуатационные затраты, связанные с отсутствием металла и, как следствие, с отсутствием коррозии и необходимости в текущем ремонте;

– длительный срок эксплуатации моста – применяемые материалы обеспечивают более чем 100-летний срок службы без реконструкции;

– конструкция моста состоит из легких элементов, не требующих применения специальной техники при монтаже;

– более высокая коррозионная стойкость и экологическая безопасность сооружения.

Предлагаемая технология позволяет возводить автомобильные и железнодорожные мосты с различными характеристиками, отвечающие всем необходимым эксплуатационным требованиям.

Возведение конструкции моста включает в себя:

– легковесные надувные арочные трубы, усиленные стеклопластиком, которые возможно быстро устанавливать вручную или с применением легкой техники;

– гофрированные листы железа;

– армированный бетон для формирования фундамента мостовой конструкции.

Последовательность строительства бетонно-композитного арочного моста включает в себя следующие этапы (рис. 3):

– демонтаж существующего металлического моста;

– бурение грунта, подготовка и формирование основания;

– установка арок;

– заливка оснований бетоном;

– установка на арки композиционного покрытия (гофрированные листы);

– заполнение арок бетоном в течение 1 ч;

– заливка композиционного покрытия бетоном;

– установка композиционных торцевых стен;

– заполнение моста ранее вынутым грунтом;

– выравнивание и очистка участка, укладка дорожного покрытия.

Рисунок 3. Этапы строительства бетонно-композитного моста фирмой Advanced Infrastructure Technologies Inc.

Заключение

Таким образом, процесс строительства бетонно-композитного моста позволяет сократить сроки строительства, повысить коррозионную стойкость мостового сооружения к действию окружающей среды, что увеличивает срок его службы, а также минимизировать потребность в текущем ремонте и, как следствие, затраты на эксплуатацию, повысить экологическую безопасность сооружения.

Сооружение бетонно-композитного моста позволит сэкономить за весь жизненный цикл его эксплуатации ~1 млн рублей при замене железобетонного моста или ~17 млн рублей – при замене стального моста.