КОМПОЗИТНЫЙ БЛОК ТОННЕЛЬНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ ОБДЕЛКИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к композитному блоку сборной обделки преимущественно метротоннелей и может также найти применение при строительстве других подземных транспортных сооружений. Технический результат - повышение прочности, трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред, снижение материалоемкости и трудозатрат.
2
2
Известно из патента РФ №2363584, класс В32B 13/00, опубликован 10.08.2009, железобетонное изделие в виде композитного блока для наземных и подземных сооружений, содержащее твердый компонент, полученный из бетонной смеси, которая содержит цемент, щебень гранитный фракций 5-10 мм и 10-20 мм в соотношении 1:1,8÷2,35, песок кварцевый, наполнитель, суперпластификатор и воду, содержит суперпластификатор на основе поликарбоксилатного эфира - Глениум 51 или Глениум АСЕ 30, в качестве наполнителя - смесь молотого кварца с удельной поверхностью 800-2100 см/г и микрокремнезема с удельной поверхностью 18000-25000 см/г или модификатора бетона на основе микрокремнезема в соотношении 1:9-9:1 и воду, предварительно обработанную магнитным полем напряженностью 100-600 к·А/м, при следующем расходе компонентов на 1 м3 бетонной смеси, кг: цемент 290-500, указанный щебень 1000-1250, песок кварцевый 600-800, указанный наполнитель 15-125, указанная вода 120-180, указанный суперпластификатор 0,4-2,0 мас.% от цемента, причем указанное изделие получено путем размещения арматуры в форме, послойной укладки в нее бетонной смеси с последующей вибрацией с частотой 1500-10000 кол/мин и амплитудой 0,4-1,6 мм, при этом для первого слоя частота - 1500 кол/мин и амплитуда 1,6 мм, для следующих слоев постепенно увеличивают частоту и уменьшают амплитуду, и для последнего слоя частота - 10000 кол/мин и амплитуда 0,4 мм, последующей пропарки при 30-60°C до набора распалубочной прочности не менее 15 МПа.
Железобетонные изделия изготавливаются на заводе железобетонных конструкций. Для армирования используются предварительно напряженная арматура, арматурные каркасы из стали гладкого профиля класса AI и периодического профиля АIII, изготавливаемой по ГОСТ 5781-82 и периодического профиля класса А, изготавливаемой по СТО АСЧМ 7-93 ТУ 14-1-5393-2000.
К недостаткам известного из указанного выше патента железобетонного изделия (принятого в качестве ближайшего аналога) следует отнести: неукоснительное соблюдение толщины защитного слоя бетона, недолговечность изделия из-за возможного разрушения бетона продуктами коррозии стальной арматуры, негативное воздействие агрессивных сред, невысокая адгезия стальной арматуры с бетонной матрицей, более высокая (в 1,5-2 раза) линейная температурная деформация стальной арматуры по сравнению с бетоном, повышенная материалоемкость и высокий коэффициент армирования изделия.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание блока тоннельной кольцевой обделки из композиционных материалов с несущей способностью не меньше несущей способности железобетонного блока и обладающего повышенной трещиностойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, а также коррозионной стойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред при снижении материалоемкости и трудозатрат на создание блока. Это же является и техническим результатом, достигаемым заявленной полезной моделью.
Получение указанного технического результата обеспечивается двумя вариантами выполнения полезной модели, в первом из которых заявленный композитный блок тоннельной кольцевой обделки содержит твердый компонент, полученный из бетонной смеси и стержневые элементы армирования, при этом бетонная смесь дополнительно содержит армирующий наполнитель в виде базальтового волокна, представляющего собой короткомерные отрезки, равномерно распределенные по объему твердого компонента, причем элементы армирования представляют собой базальтокомпозитную арматуру, стержни которой ориентированы в твердом компоненте в (в плоскости кольца) и поперечном (из плоскости кольца) направлениях.
Во втором варианте выполнения полезной модели, получение указанного выше технического результата обеспечивается тем, что композитный блок тоннельной кольцевой обделки содержит твердый компонент, полученный из бетонной смеси и стержневые элементы армирования, при этом указанные элементы армирования представляют собой базальтокомпозитную арматуру, стержни которой ориентированы в твердом компоненте в (в плоскости кольца) и поперечном (из плоскости кольца) направлениях.
На фиг. 1, на виде «а» в качестве примера показан фрагмент композитного блока тоннельной кольцевой обделки, реализующий первый вариант его выполнения; На виде «в» - увеличенный фрагмент среза фибробетона.
Указанный блок содержит твердый компонент 1, полученный из бетонной смеси, элементы армирования 2 и 3, в виде базальтокомпозитной стержневой арматуры, армирующий наполнитель 4 (вид «в»), равномерно распределенный по объему твердого компонента, при этом элементы армирования 2, расположенные в плоскости кольца, выполнены изогнутыми, а элементы армирования 3, расположенные из плоскости кольца - прямолинейными, причем длина элементов 2 и 3 подбирается из условия соразмерности размерам композитного блока за вычетом защитного слоя бетона: 2183-2590 мм - для элементов армирования 2; 930 мм - для элементов армирования 3 (для обделки шириной кольца 1000 мм).
При формировании композитного блока тоннельной кольцевой обделки, как в первом варианте, так и во втором варианте выполнения полезной модели, в качестве элементов армирования, используется изготавливаемая по ГОСТ 31938-2012 базальтокомпозитная (неметаллическая) стержневая арматура меньшего диаметра (6-8 мм), чем стальная арматура (с диаметром 8-14 мм), используемая в ближайшем аналоге, но обладающая более высоким (в 2,5 раза) временным сопротивлением разрыву, имеющая более низкую (в 4 раза) массовую плотность, не подверженная коррозии и негативному воздействию агрессивных сред, имеющая линейную температурную деформацию, сопоставимую с линейной температурной деформацией бетона.
Для обеспечения более высоких прочностных характеристик, композитный блок тоннельной кольцевой обделки в одном из вариантов выполнения, помимо использования базальтокомпозитной стержневой арматуры, дополнительно снабжается армирующим наполнителем 4 (фиг. 1, вид «в») в виде базальтового волокна, представляющего собой короткомерные отрезки (фибру) с длиной от 3 до 15 мм и диаметром от 11 до 20 мкм, при этом их весовое соотношение составляет 1-4% от веса блока. Структура твердого компонента при этом становится близка к структуре бетона, армированного стальной сеткой.
Повышение прочностных характеристик в этом случае обусловлено тем, что армирующая базальтовая фибра обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования твердого компонента, а само базальтовое волокно при этом обладает более высокой, чем стальная сетка, прочностью. Кроме того, бетон, армированный базальтовой фиброй, может переносить большие упругие деформации, потому что базальтовое волокно при растяжении не подвергается пластической деформации, при этом, чем короче волокно, тем в большей степени проявляется данный эффект, причем по упругости указанное волкно превосходит сталь. Исследования, проведенные с помощью растрового электронного микроскопа, показали, что область контакта между фиброй и бетоном-матрицей характеризуется плотным соприкосновением поверхностей без образования трещин и зазоров.
При изготовлении композитного блока тоннельной кольцевой обделки может приниматься один из 2-х возможных вариантов сборки его каркаса:
- сборка каркаса из прямолинейной базальтокомпозитной арматуры, при этом упомянутую арматуру в плоскости кольца перед заливкой базальтофибробетона (бетона) заневоливают (изгибают) штатными крышками с замками формообразующих устройств с использованием специальных полиэтиленовых вкладышей;
- сборка каркаса из изогнутых в плоскости кольца и прямолинейной из плоскости кольца базальтокомпозитной арматуры.
В обоих вариантах вязку стержней (арматуры) каркаса выполняют стальной вязальной проволокой или синтетической нитью.
Сравнительная оценка показателей армирования блока тоннельной кольцевой обделки стальной (А600) и базальтокомпозитнойой арматурой (АБК), а также базальтовым волокном, приведена в табл.1.
Таблица 1.
Показатели армирования блоков тоннельной обделки шириной 1,0 м в зависимости от диаметра и класса арматуры
Класс бетона
В45
В45
В45
Вариант армирования блока
железобетон
бетон, армированный АБК
фибробетон, армированный АБК
Обозначение типа армирования
А600
АБК
АБК
Нормативный документ
ТУ 14-1-5596-2010
ГОСТ 31938-2012
ГОСТ 31938-2012
Диаметр и класс арматурного проката
⌀14
⌀8
⌀8
А600
АНБ
АНБ
Объем армирования, шт.
8
10
10
9
Коэффициент армирования, %
1,17
0,48
0,48
0,43
Коэффициент запаса по прочности
1,03
1,04
1,05
1,01
Расчетная ширина раскрытия трещин, мм
0,089
0,098
0,085
0,085
Композитные блоки тоннельных кольцевых обделок, армированные базальтокомпозитной арматурой, а также блоки с аналогичной структурой, и дополнительно снабженные армирующим наполнителем в виде базальтового волокна, в отличие от бетонных блоков, обладают существенно меньшим значением коэффициента армирования, обеспечивают более высокое значение коэффициента прочности и обладают повышенной трещиностойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, а также коррозионной стойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред при снижении материалоемкости и трудозатрат на создание блока.