книги из ГПНТБ / Литвин, А. Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями

этому возникающие в них температурные напряжения то­ же будут меньшими.

Следует отметить, что при нагревании солнечными лучами полиэтилена, стабилизированного сажей против светового старения, температура полимерного слоя полимержелезобетонных конструкций, подвергающихся в эксплуатации воздействию солнечной радиации, интен­ сивно повышается. При этом на полимерном слое иногда возникают местные вздутия, локализованные на участ­ ках между анкерными ребрами. Если принять, по дан­ ным К. К. Хейвуда [81], что максимальная температура поверхности черного полиэтилена достигает 55° С, то не­ трудно подсчитать, что за счет нагрева полиэтилена на участке между смежными анкерами от температуры фор­ мования 15° С до максимальной температуры удлинение полиэтилена должно составить только 0,35 мм, а это не представляет никакой опасности. Для других полимер­ ных материалов со значительно меньшими коэффициен­ тами термического расширения, чем у полиэтилена, та­ кие температурные деформации будут еще меньшими. Тем не менее, вздутия на полиэтилене иногда возникают, но они являются следствием не только температурных деформаций материала от нагрева солнечными лучами, ио и нарушения режима охлаждения профилированного рукава или листа еще в процессе их изготовления. Ребра профилированных рукавов или листов остывают медлен­ нее, чем гладкие их части на участках между ребрами и поэтому при температурной усадке ребер возникает мелкая волнистость, обусловленная выпучиванием уже остывших гладких участков материала, расположенных между ребрами. При правильном режиме изготовления профилированных полимерных рукавов или листов та­ кой волнистости не возникает и поэтому в большинстве полимержелезобетонных конструкций даже после их ин­ тенсивного нагрева солнечными лучами никаких вздутий не наблюдается.

ДОПУСТИМАЯ ШИРИНА РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИН

ВПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

ИВЛИЯНИЕ РАСКРЫТИЯ ТАКИХ ТРЕЩИН

НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЛИМЕРНОГО СЛОЯ

Как известно, в большинстве железобетонных кон­ струкций допустимо образование и раскрытие трещин до такой величины, при которой конструкции продолжают

63

отвечать своему назначению и гарантируется длитель­ ная сохранность применяемой стальной арматуры и ок­ ружающего ее бетона [1].

В СНиП П-В.1-62 приняты следующие предельные ве­ личины раскрытия трещин: для железобетонных конст­ рукций, находящихся под давлением жидкости и испы­ тывающих только растяжение, при отсутствии специаль­ ных защитных мероприятий, —0,1 мм; для конструкций, находящихся под давлением жидкости или сыпучей сре­ ды, испытывающих изгиб, внецентренное сжатие или впецентренное растяжение, причем часть сечения сжата — 0,2 мм, во всех остальных случаях — 0,3 мм.

Если па данной стадии разработки и исследования полимержелезобетонных конструкций пренебречь неко­ торым защитным действием односторонне прикреплен­ ного слоя полимерного материала, то для таких конст­ рукций, при отсутствии воздействия агрессивной среды, можно принять безопасную ширину раскрытия трещин, которая установлена в СНиП П-В. 1-62 для обычных же­ лезобетонных конструкций. В то же время требования СНиП П-В.1-62 в применении к полимержелезобетоиным конструкциям должны быть уточнены в тех случаях, когда к конструкциям предъявляется требование герме­ тичности, как, например, к напорным трубам, резервуа­ рам для хранения жидкостей, различным подвалам, тон­ нелям и тому подобным подземным сооружениям, эксп­ луатируемым в условиях наличия грунтовых вод. В же­ лезобетонных конструкциях такого назначения трещины вообще не допускаются, так как при их возникновении нарушается герметичность. Герметичность полимержеле­ зобетонных конструкций подобного назначения даже по­ сле образования в железобетоне трещин может быть обеспечена за счет практически непроницаемого слоя по­ лимерного материала. Поэтому в этом случае при рас­ чете полимержелезобетонных конструкций возможно, в отличие от расчета обычных железобетонных конструк­ ций, принимать не образование трещин в предельном со­ стоянии, а их раскрытие в нормируемых пределах, т. е. поступать так, как это делают при расчете всех других железобетонных конструкций, к которым требование гер­ метичности не предъявляется. В некоторых случаях это позволяет существенно уменьшить расход арматуры или упростить технологию производства за счет применения

64

обычных полимержелезобетонных конструкций вместо соответствующих преднапряженных.

При наличии агрессивных воздействий на железобе­ тонную часть полимержелезобетонных конструкций ее следует защищать либо теми же методами, какими за­ щищают обычные железобетонные конструкции, эксплуа­ тируемые в тех же условиях, либо полимерным материа­ лом и со стороны этих воздействий.

Для полимержелезобетонных конструкций, соприка­ сающихся железобетонной частью с агрессивными грун­ тами или грунтовыми водами, ширина раскрытия тре­ щин может быть принята по рекомендациям ТНИСГЭИ в зависимости от суммарного содержания ионов СГ и SO’| . При малом градиенте напора рекомендуется при­

нимать следующие величины безопасной ширины рас­ крытия трещин по условию обеспечения долговечности арматуры:

диффундирующей через слой полимерного материала, то этот вопрос можно не рассматривать, так как кон­ такта агрессивной среды с арматурой допускать нельзя. Для этого должны быть использованы эффективные ме­ тоды защиты.

Все известные способы соединения полимерного слоя с .железобетоном в полимержелезобетонных конструкци­ ях можно разделить на две группы, различающиеся ме­ жду собой тем, что по способам одной из них полимерный материал сцепляется непосредственно с железобетоном по всей площади их соприкосновения, а по спосо­ бам второй такое сцепление отсутствует, но имеется ме­ ханическое закрепление ребер с цилиндрическими утол­ щениями, расположенных с определенным шагом. Как нетрудно видеть, при наличии непосредственного сцеп­ ления полимерного слоя с железобетоном при раскры­ тии в последнем трещин полимерный слой в случае его малой растяжимости должен разорваться, и лишьвслу-

чае' применения эластичного материала в нём могут воз­ никнуть местные деформации п соответствующие значи­ тельные напряжения. Применительно к лакокрасочным покрытиям по бетону п железобетону необходимость ис­ пользования только эластичных пленочных покрытий была показана в работах [90, 91]. Установлено, что обычные лакокрасочные покрытия, широко применяю­ щиеся для покрытий по металлу, на бетоне разрывают­ ся при образовании в нем трещин шириной всего лишь 0,01—0,02 мм, а эластичные покрытия на основе полисульфидных и полихлоропреновых каучуков и хлорсульфированного полиэтилена толщиной 200—250 мкм вы­ держивают раскрытие трещим до 0,1—0,3 мм. Следует отметить, что в этих исследованиях истинное напряжен­ ное состояние полимерного материала в сечениях над трещинами не определялось ни при длительном действии нагрузок, ни при кратковременном, а фиксировалось лишь возникновение разрыва пленок при однократном

имногократном приложении нагрузок, вызывающих рас­ крытие и «дыхание» трещин. Однако и эластичные по­ крытия на основе перечисленных полимеров не выдер­ живали значительного числа циклов «дыхания» трещин

иразрывались после 250—300 циклов нагрузки-разгруз­ ки образцов [90].

При отсутствии непосредственного сцепления поли­ мерного слоя с железобетоном и наличии его анкеровки

спомощью ребер, расположенных с шагом I, деформа­ ция, возникающая при раскрытии трещины на ширину а,

вызовет заведомо меньшие напряжения, так как lj>a. В обоих случаях при условии мгновенного образования трещины в железобетоне и соответствующего этому уп­ ругого растяжения полимерного слоя напряжение в по­ следнем может быть определено на основании закона Гука, который в данном случае можно записать в сле­ дующем виде:

(Ю)

где стп — напряжение в полимерном материале в Па; Е п — модуль упругости полимерного материала в Па; а — ширина раскрытия тре­ щин в см; I — расстояние между точками закрепления в см (при

наличии адгезии равно ширине раскрытия трещины, а в случае ме­ ханического заанкеривания с помощью ребер — их шагу).

Анализ выражения (10) показывает, что при нали­ чии адгезии полимерного слоя к железобетону, когда

66

1=а, их надежная совместная работа при раскрытии трещин может быть обеспечена лишь при условии, когда расчетное сопротивление полимерного материала стп бу­ дет равно или больше его модуля упругости. Такое соот­ ношение между расчетным сопротивлением растяжению и модулем упругости при растяжении наблюдается лишь у ограниченного числа эластомеров. У большинства же полимерных материалов предельным состоянием конст­ рукции будет образование в них первой трещины. Соот­ ветственно этому железобетонную часть таких конструк­ ций следует выполнять с преднапряжением, которое исключает раскрытие трещин, или их расчет нужно, вести по образованию трещин в предельном состоянии.

При механическом заанкеривании ребер условие (10) может быть удовлетворено для всех полимерных мате-, риалов, из которых могут быть отформованы рукава или листы с анкерными ребрами нужного профиля. Мини­ мальный шаг ребер при этом можно определять из пре­ образованного выражения (10):

Е п а

(П)

где I — шаг ребер в см; Е п — модуль упругости полимерного матери­ ала при растяжении в Па (кгс/см2) ; а — нормируемая ширина раскрытия трещин в см; а п — расчетное сопротивление полимерного

материала при растяжении в Па (кгс/см2).

Так, например, для полиэтилена низкой плотности при расчетном сопротивлении растяжению оп=2,5 МПа, модуле упругости при растяжении £ п=150 МПа и ши­ рине раскрытия трещин 0,2 мм минимальное значение шага ребер должно быть:

Так как обычный шаг ребер в профилированных ру­ кавах и листах из полиэтилена низкой плотности прини­ мается равным 12,5 я и близок к 4 см, то при образо­ вании в полимержелезобетоиных конструкциях трещин

сшириной раскрытия 0,2 мм максимальное напряжение

вполимерном слое в сечении над трещиной составит:

150• 10° - 0,02 Па= 750 кПа (7,5 кгс/см2),

4

что в три с лишним раза меньше его расчетного сопро­ тивления растяжению.

.Следует иметь в виду, что на напряжения, возник­ шие в полимерном слое полимержелезобетонной конст­ рукции в момент раскрытия трещины в его железобетон­ ной части, могут налагаться другие напряжения, обус­ ловленные, например, давлением окружающей среды, а также температурными и другими воздействиями. При наличии давления окружающей среды, равного Р, и воз­ никновении в железобетонной части полимержелезобе­ тонной конструкции трещины шириной а дополнительное напряжение в полимерном материале определяют по формуле

Е и-— модуль упругости полимерного материала в Па (кгс/см2).

Выражение (12) для вычисления требующейся тол­ щины полимерного слоя преобразуется

(13)

Для определения максимального давления Р, кото­ рое выдержит слой полимерного материала над трещи­ ной или над зазором между двумя смежными полимержелезобетонными элементами, выражение (13) можно привести к более удобному виду:

(14)

Подсчет по формуле (14) применительно к исполь­

68

Полученный результат подтверждает возможность использования полимержелезобетоиных труб в трубопро­ водах высокого давления.

Расчет по формуле (14) применительно к случаю пе­ рекрытия полимерным слоем зазора между смежными полимержелезобетоиными стеновыми панелями при ши­ рине зазора 3 см и толщине накладки 0,2 см показыва­ ет, что давление, которое может привести к разрушению полиэтилена над зазором, будет равно:

Так как в обычных резервуарах высотой до 10 м, применяемых для наполнения водой или жидкостями, близкими к ней по плотности, давление, как правило, бывает меньшим, то полученный результат свидетельст­ вует, что в полимержелезобетоиных емкостях вполне возможна надежная заделка стыков между смежными ч панелями, независимая от качества их замоноличивания бетоном. Это экспериментально подтверждено исследо­ ваниями автора при наливе водой сборного полимержелезобетонного резервуара высотой 3,6 м, в котором за­ зоры между смежными панелями совсем не заделывались бетоном, а лишь перекрывались навариванием полиэти­ леновой полоски толщиной 1,5 мм.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОИНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ДИФФУЗИИ АГРЕССИВНЫХ СРЕД ЧЕРЕЗ СЛОЙ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА

Для обеспечения надежной эксплуатации полимержелезобетонных конструкций в условиях воздействия на них химически агрессивных веществ недостаточно огра­ ничиться только выбором полимерного материала, стой­ кого по отношению к данной агрессивной среде, так как возможна постепенная сквозная диффузия среды через слой вполне стойкого полимерного материала с последу­ ющим разрушением бетона в контактном слое. Анало­ гичные соображения об оценке долговечности футеровок из полимерного материала для защиты металлов приведены в работах [73, 74].

69

•Процесс разрушения комплексной конструкции из полимеров и железобетона, эксплуатируемой в условиях соприкосновения полимерного слоя с агрессивной сре­ дой, способной диффундировать через него, можно раз­ делить на два этапа. Вначале идет проникновение агрес­ сивной среды в толщу полимерного материала, а затем устанавливается сквозная диффузия с разрушением бе­ тона в контактном слое. На первом этапе на поверхно­ сти материала, контактирующего с агрессивной средой, концентрация агрессивной среды (С) остается постоян­ ной, а на расстоянии X от нее в направлении бетона она, в общем случае, переменная и лишь в начале процесса диффузии у границы бетона она равна нулю.

Диффузия агрессивного вещества вследствие разно­ сти концентраций описывается дифференциальным урав­ нением Фика для нестационарного потока:

В интегрированном виде при одностороннем процес­ се проникновения жидкости уравнение (15) примени­ тельно к количеству продиффундировавшей кислоты мо­ жет быть представлено в следующем виде:

где Q x — количество жидкости, продиффундировавшей в полимерный

материал за время т, равное привесу образца за это время; QMai<c — привес образца в равновесном состоянии.

Вполулогарифмических координатах график выра­ жения (16) представляет собой прямую линию. Этот график предложено использовать для ускоренного опре­ деления диффузионных характеристик полимерных ма­ териалов в различных средах [73].

Впреобразованной экспоненциальной зависимости (16), представленной в виде

—яШт

= 1 р 6=

70

чески приближается к единице с отклонением не превы­ шающим 1%. Поэтому для практических целей за конец процесса можно без существенной погрешности принять

я -Dt

5. (17)

6’-

Подставив в выражение (17) значение времени в годах и толщины слоя полимерного материала в мм, получим формулу, пригодную для оценку времени, необходимого

для проникновения диффундирующей среды через слой полимерного материала толщиной б:

0,16562

т = ------ »

D-10»

где т — время в годах; 6 — толщина полимерного слоя в мм; D —

коэффициент диффузии в см2/с.

Для пользования формулой (18) необходимо знать коэффициент диффузии данной агрессивной среды для конкретной ее концентрации при заданной температуре. Если он неизвестен, то его. необходимо определить одним из существующих ускоренных методов. Наиболее просто это можно сделать посредством периодического опреде­ ления привеса образцов полимерного материала приня­ той толщины, погруженных в данную агрессивную среду и выдерживаемых в ней при заданной температуре. На-

71