СТЫК ЧУГУННОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ МЕТРОПОЛИТЕНА (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к устройствам соединения строительных конструкций и сооружений, а точнее касается стыка чугунной обделки тоннеля метрополитена, представляющего собой место соединения и замоноличивания элементов чугунной обделки тоннеля метрополитена.
В чугунной обделке тоннеля метрополитена стык является наиболее уязвимым звеном, поскольку в процессе эксплуатации он может потерять водонепроницаемость как из-за недостаточной стойкости в отношении агрессивного воздействия грунтовых вод, в том числе, содержащих соли разной степени концентрации, органические гуминовые кислоты, так и из-за постоянно возникающих в конструкции обделки метрополитена интенсивных вибрационных воздействий. Кроме того, в стыке не должны возникать блуждающие токи, то есть стык должен быть энергетически пассивным.
В настоящее время Метрострой при соединении элементов чугунной обделки тоннелей метрополитена образуют замоноличенный стык, который содержит расположенную между соединяемыми поверхностями элементов стыковочную полость, заполненную путем запрессовки свинцовыми стержнями. Заполненный свинцовыми стержнями стык кроме того содержит, так называемый, бус, то есть быстросхватывающуюся безусадочную смесь на базе специального цемента (Ведомственная строительная норма (Трансстрой) 130-92, Инструкция Главтоннельметрострой, 1985 г.).
При том, что технология указанного стыка весьма сложна, так как связана с применением ручного труда повышенной трудоемкости, качество и надежность такого сложного по конструкции стыка недолговечны - из-за постоянных вибраций, возникающих при эксплуатации метрополитена, происходит выкрашивание буса, а свинцовые стержни, не имеющие никакой адгезии к соединяемым чугунным поверхностям стыка, быстро расшатываются и не обеспечивают требуемую водонепроницаемость стыка, в результате чего происходит разрушение чугунной обделки и тоннеля в целом.
В основу заявляемой полезной модели положена задача создание стыка, конструкция которого позволяет обеспечить прочное соединение элементов чугунной обделки тоннеля метрополитена, в том числе в условиях постоянного агрессивного воздействия грунтовых вод, в том числе, содержащих соли разной степени концентрации, органические гуминовые кислоты, и воздействия постоянных вибраций, возникающих при эксплуатации метрополитена.
3
2
3
4
2
2
2
3
2
2
4
Эта задача достигается тем, что в стыке чугунной обделки тоннеля метрополитена, включающем расположенную между соединяемыми поверхностями элементов чугунной обделки стыковочную полость с цементсодержащим материалом, согласно заявляемой полезной модели, в качестве цементсодержащего материала в полости содержится плотноутрамбованная композиция, на основе портландцементного клинкера, добавки в виде гипсоглиноземного цемента и минерального наполнителя, а соединяемые поверхности элементов чугунной обделки содержат слой мастики на основе эластомера, выбранного из группы, содержащей полисульфидный полимер, полиуретановый полимер, и вулканизатора, имеющей прочность адгезии к металлу при прямом отрыве не менее 0,1 МПа. При этом, согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы в качестве композиции на основе цемента с расширением не более 0,5% стык содержал композицию, включающую 72-93 мас. частей портландцементного клинкера следующего минералогического состава (где А - алит): СS-50,0-65,0%; CS - 12,0-27,0%; СА - 3,1-7,01%; CAF - 11,4-21,05%; другие минералы - остальное до суммарных 100%, и следующего химического состава: SiO - 15,4-28,9%; АlOз - 4,1-9,3%; FеО - 3,9-7,01%; СаО - 59,1-78,95%; MgO - 0,35-2,1%; FeO - 0,06-0,65%, другие оксиды - остальное до суммарных 100%; 7-28 мас. частей добавки, содержащей не менее 27,0% CA, не менее 21,4% СА, не менее 11,0% SiO, не менее 12,0% СаО, не менее 1,3% MgO, не менее 0,07% FeO, 5,7-7,4 мас. частей CaSO и минеральный наполнитель с размером частиц от около 2,7 до около 3,1 мм.
Благодаря заявляемой полезной модели создан стык, конструкция которого позволяет обеспечить прочное соединение элементов чугунной обделки тоннеля метрополитена, в том числе в условиях постоянного агрессивного воздействия грунтовых вод, содержащих соли разной степени концентрации, и
при воздействии постоянных вибраций, возникающих при эксплуатации метрополитена.
3
2
3
4
2
2
3
2
3
2
2
4
Эта задача достигается также тем, что в стыке чугунной обделки тоннеля метрополитена, включающем расположенную между соединяемыми поверхностями элементов чугунной обделки стыковочную полость с цементсодержащим материалом, согласно заявляемой полезной модели, что в качестве цементсодержащего материала в полости содержится плотноутрамбованная композиция на основе портландцементного клинкера, добавки в виде гипсоглиноземного цемента и минерального наполнителя, при этом в полости содержится по меньшей мере один гернитовый шнур, а соединяемые поверхности элементов чугунной обделки и поверхность гернитового шнура содержат слой мастики на основе эластомера, выбранного из группы, содержащей полисульфидный полимер, полиуретановый полимер, и вулканизатора, имеющей прочность адгезии к металлу при прямом отрыве не менее 0,1 МПа. При этом, согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы в качестве композиции на основе цемента с расширением не более 0,5% стык содержал композицию, включающую 72-93 мас. частей портландцементного клинкера следующего минералогического состава (где А - алит): СS - 50,0-65,0%; CS - 12,0-27,0%; СА - 3,1-7,01%; CAF - 11,4-21,05%; другие минералы -остальное до суммарных 100%, и следующего химического состава: SiO - 15,4-28,9%; АlО- 4,1-9,3%; FеО - 3,9-7,01%; CaO - 59,1-78,95%; MgO - 0,35-2,1%; FeO - 0,06-0,65%, другие оксиды - остальное до суммарных 100%; 7-28 мас. частей добавки, содержащей не менее 27,0% CA, не менее 21,4% СА, не менее 11,0% SiO, не менее 12,0% CaO, не менее 1,3% MgO, не менее 0,07% FeO, 5,7-7,4 мас. частей CaSO и минеральный наполнитель с размером частиц от около 2,7 до около 3,1 мм.
Благодаря заявляемой полезной модели создан стык, конструкция которого обеспечивает своеобразные демфирующие свойства, которые гасят вибрационные воздействия на стык при эксплуатации метрополитена, что позволяет обеспечить еще более прочное соединение элементов чугунной обделки тоннеля метрополитена, в том числе в условиях постоянного агрессивного воздействия грунтовых вод, содержащих соли разной степени
концентрации, и при воздействии постоянных вибраций, возникающих при эксплуатации метрополитена.
Наиболее целесообразно, согласно заявляемой полезной модели, чтобы слой мастики составлял от 1, 0 до 1,5 мм.
Согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы в качестве минерального наполнителя композиция на основе цемента содержала песок или дробленный гранит.
Согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы композиция на основе цемента дополнительно содержала суперпластификатор С3-3 или СП 10-03 в количестве 0,1-0,5% от массы цемента и/или кремнийорганическую добавку типа силоксана натрия в количестве 0,05-0,5% от массы цемента.
Согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы в качестве вулканизатора мастика содержала реагент на основе бихромата натрия и дибутилфталата.
Согласно заявляемой полезной модели, полезно, чтобы в качестве вулканизатора мастика содержала реагент на основе двуокиси марганца и дибутилфталата.
Согласно заявляемой полезной модели, для достижения плотной утрамбованности композиции в полости стыка, целесообразно, чтобы композиция на основе цемента была введена в полость под давлением 6-8 атм.
Другие цели и преимущества заявляемой полезной модели станут ясны из последующего подробного описания стыка чугунной обделки тоннеля метрополитена и прилагаемых чертежей, на которых
Фиг.1 изображает стык чугунной обделки тоннеля метрополитена, согласно заявляемой полезной модели, поперечный разрез;
Фиг.2 изображает еще один стык чугунной обделки тоннеля метрополитена, согласно заявляемой полезной модели, поперечный разрез.
Стык, согласно заявляемой полезной модели, включает расположенную между соединяемыми поверхностями 1 и 2 (фиг.1) элементов 3 чугунной обделки метрополитена стыковочную полость 4, в которой соединяемые поверхности 1 и 2 элементов 3 чугунной обделки содержат слой 5 мастики на основе эластомера,
выбранного из группы, содержащей полисульфидный полимер, полиуретановый полимер, и вулканизатора, имеющей прочность адгезии к металлу при прямом отрыве не менее 0,1 Мпа, которую авторы настоящей заявки называют «Монофлекс Е».
Преимущественно в качестве вулканизатора мастика «Монофлекс Е» содержит реагент на основе бихромата натрия и дибутилфталата или в качестве вулканизатора мастика «Монофлекс Е» содержит реагент на основе двуокиси марганца и дибутилфталата. Возможно, чтобы качестве вулканизатора мастика «Монофлекс Е» содержала оксиды свинца, марганца.
Помимо указанных компонентов, мастика «Монофлекс Е» может содержать эпоксидную смолу, например, марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), неорганический пигмент - углерод технический П-803 (ГОСТ 7885-86Е) или сажу белую БС-120 (ГОСТ 18307-78), модификатор в виде, например, олигоэфиракрилата, кремнеорганического соединения ГЭКОС-М (ТУ 6-06-101-9-91), а также смолу каменноугольную (ГОСТ 492) или фенолформальдегидную (ГОСТ 18694-80).
Также мастика «Монофлекс Е» может содержать такой ускоритель вулканизации, как гуанид Ф или такие вулканизирующие вещества как бихроматы кальция, натрия или другого щелочного или щелочноземельного металла, отдельно или в сочетании с окислами свинца, марганца или других металлов переходной валентности. Такие ускорители могут содержаться в количестве от около 0,1 до 0,5, предпочтительно, от около 0,2 до 0,3 масс.%. Обычно вулканизация происходит при комнатной температуре без необходимости специального нагрева.
Для применения мастики «Монофлекс Е» в заявленных целях полисульфидный полимер модифицируют путем добавления кремнийорганической смолы, чтобы улучшить адгезионные свойства такого полимера. В структуру таких кремнийорганических смол входят функциональные группы, такие как винильная группа, эпоксидная группа, аминогруппа, тиоловая группа и т.д., способные вступать в реакцию с -SH-группами полисульфидного полимера. Такие смолы также вступают в реакцию с алкоксигруппами, гидролизуемыми в присутствии влаги или воды и образующими реакционно-
3
способные силанольные группы. Такие группы, в свою очередь, активно участвуют в формировании химических связей с диоксидом кремния наполнителя и подложкой, такой как чугун. Предпочтительной кремнийорганической смолой является смола со структурой HS-R-(OR'), в которой R - это алкильная группа с прямой или разветвленной цепью из 1-10 атомов углерода, а R' - реакционно-способная группа, такая как -NH-группа, винильная группа, эпоксидная группа, -SH-группа и т.п. Такие кремнийорганические смолы добавляют в количестве, достаточном для обеспечения совместимости между минеральными вяжущими компонентами и эластомером, таком как, предпочтительно, от около 0,05 до 2, более предпочтительно, от около 0,1 до 1 масс.%.
Преимущественно слой 5 мастики «Монофлекс Е» на соединяемых поверхностях 1 и 2 элементов 3 чугунной обделки тоннеля метрополитена составляет от 1,0 до 1,5 мм.
Согласно заявляемой полезной модели, стыковочная полость 4 заполнена плотноутрамбованным материалом 6, представляющим собой композицию на основе алюминатного или сульфоалюминатного или сульфоферритного цемента с малым коэффициентом усадки или расширения, которую авторы настоящей заявки называют «Монофлекс А».
Предпочтительно, в композиции «Монофлекс А» вышеназванный цемент имеет коэффициент расширения не более примерно 0,5%, более предпочтительно, менее примерно 0,3%, при этом композиция «Монофлекс А» на основе названного цемента в основном введена в полость 4 под давлением 6-8 атм, что и обеспечивает ее плотную утрамбованность.
3
2
3
4
2
2
3
2
3
Согласно заявляемой полезной модели, композиция «Монофлекс А» представляет собой рационально подобранную смесь портландцементного клинкера, добавки в виде гипсоглиноземного цемента и минерального наполнителя с размером частиц от около 2,7 до около 3,1 мм. В основном композиция «Монофлекс А» на основе цемента содержит 72-93 мас. частей портландцементного клинкера следующего минералогического состава (где A - алит): СS - 50,0-65,0%; CS - 12,0-27,0%; СА - 3,1-7,01%; CAF - 11,4-21,05%; другие минералы - остальное до суммарных 100%, и следующего химического состава: SiO - 15,4-28,9%; AlО - 4,1-9,3%; FeО - 3,9-7,01%; CaO - 59,1-78,95%;
2
2
4
MgO - 0,35-2,1%; FeO - 0,06-0,65%, другие оксиды - остальное до суммарных 100%; 7-28 мас. частей добавки, содержащей не менее 27,0% СА, не менее 21,4% СА, не менее 11,0% SiO, не менее 12,0% СаО, не менее 1,3% MgO, не менее 0,07% FeO, и 5,7-7,4 мас. частей CaSO, а также минеральный наполнитель с размером частиц от около 2,7 до около 3,1 мм.
В качестве минерального наполнителя композиция «Монофлекс А» преимущественно содержит песок или дробленный гранит. При желании могут использоваться другие наполнители, известные специалистам в данной области техники, такие как стекло, кремнезем, тальк, углеродная сажа и тому подобные наполнители по отдельности или в различных сочетаниях одного или нескольких таких материалов. Конкретные размеры частиц наполнителя и оптимальное количество определяется обычным опытным путем.
Возможно, чтобы композиция «Монофлекс А» дополнительно содержала суперпластификатор С3-3 или СП 10-03 в количестве 0,1-0,5% от массы цемента и/или кремнийорганическую добавку типа силоксана натрия в количестве 0,05-0,5% от массы цемента.
Заявляемая полезная модель предусматривает вариант выполнения, при котором в стыковочной полости 4 (Фиг.2) расположен по меньшей мере один резиновый гернитовый шнур 7, на поверхности которого имеется слой 8 вышеописанной мастики «Монофлекс Е» на основе эластомера, выбранного из группы, содержащей полисульфидный полимер, полиуретановый полимер, и вулканизатора, при этом слой мастики «Монофлекс Е» составляет от 1, 0 до 1,5 мм.
Расположенный в стыковочной полости 4 гернитовый шнур 7 в основном обжат путем его натяжения на 20% и имеет диаметр примерно 20 мм.
Наличие в стыковочной полости 4 гернитового шнура 7, имеющего высокую степень слипания с мастикой «Монофлекс Е» и обладающего необходимыми упругими свойствами, придает всей конструкции заявляемого стыка своеобразные демфирующие свойства, которые гасят вибрационные воздействия на стык при эксплуатации метрополитена.
Как композиция «Монофлекс А», так и мастика «Монофлекс Е» обладают высокой стойкостью в воде, минерализованных водах, в среде органических гуминовых кислот.
Технология создания заявляемого стыка намного проще и эффективнее по ее осуществлению.
В заявляемом стыке исключается образование блуждающих токов.
Благодаря заявляемой полезной модели стало возможно достигнуть монолитно-гибкое соединение поверхностей 1 и 2 элементов 3 чугунной обделки метрополитена, имеющее надежную водонепроницаемость и высокую механическую прочность, способное выдерживать без разрушения нагрузки, возникающие в условиях постоянного агрессивного воздействия грунтовых вод, содержащих соли разной степени концентрации, и при воздействии постоянных вибраций, возникающих при эксплуатации метрополитена.
2
3
2
3
Деформации, возникающие в чугунной обделке метрополитена, элементы которой соединены заявляемой конструкцией стыка, надежно компенсируются и поглощаются указанным выше слоем 2 мастики «Монофлекс Е». Такая надежность компенсации нагрузок обеспечивается высокими механическими характеристиками самого слоя мастики «Монофлекс Е», а также химическими связями на границах раздела двух сред: слой мастики «Монофлекс Е» - плотноутрамбованная композиция «Монофлекс А» на основе цемента с малым коэффициентом усадки или расширения. Образование в заявляемом стыке химических связей объясняется тем, что затвердение цемента и вулканизация эластомера, выбранного из группы, содержащей полисульфидный полимер, полиуретановый полимер, протекают практически одновременно за счет щелочной среды цементного камня и наличия в нем окислов СаО, AlО, FeО, вулканизирующих и упрочняющих слой мастики «Монофлекс Е».
2
2
2
2
2
3CaO.SiO+(n+2)НО→2CaO.SiO.2HO+Са(ОН)
2
2
2
2
2CaO.SiO+НO→2CaO.SiO.2HO
2
3
2
2
3
2
3СаО.AlО+6НO→3СаО.AlO.6НO
2
3
3
2
2
3
2
3
4CaO.AlO.FeO+НO→3CaO.AlО.6НO+Fe(ОН)
2
При гидратации минералов СА, СА образуются:
2
3
2
2
3
2
2CaO.AlO+8НO→2СаО.AlО.8HО
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2СаО.AlO+11НO→2СаО.AlO.8НO+АlO.3НO
2
3
2
2
3
2
СаО.AlО+10НO→СаО.AlO.10НO
Интенсификация вулканизации слоя мастики «Монофлекс Е» и его упрочнение дополнительно обеспечивается за счет жидкой фазы композиции «Монофлекс А» на основе цемента с малым коэффициентом расширения. Выделяющаяся при вулканизации мастики «Монофлекс Е» влага связывается материалом композиции «Монофлекс А» и не ослабляет заявляемый стык. Входящие в мастику «Монофлекс Е» добавки обеспечивают образование дополнительных связей на границе раздела указанных выше двух сред, оказывают ускоряющее воздействие на твердение композиции «Монофлекс А», при этом происходит стабильное расширение твердеющего материала и исключается появление усадочных напряжений и трещин.
Вследствие того, что возникновение указанных связей носит необратимый характер, заявляемый стык характеризуется незатухающим ростом адгезии по времени.
Заявляемый стык элементов чугунной обделки тоннеля метрополитена позволяет эффективно и надежно упрочнять или соединять также сборные железобетонные конструкции метрополитена, стыки колонно-прогонного комплекса метрополитена, при этом предел прочности при изгибе конструкции в месте стыка составляет 8,7 МПа, предел прочности при сжатии - 66,8 МПа, линейное расширение - 0,1%, в стыке наблюдают его водонепроницаемость при давлении превышающем 1,6 МПа.