Файл: Литвин, А. Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями.pdf

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

Лйчпе линейной зависимости в полулогарифмических ко ординатах между привесом и временем диффузии позво­ ляет определить положение прямой минимально по двум экспериментальным точкам, лежащим на ней (для по* вышения точности лучше пользоваться несколькими точ­ ками) [73].

Были проведены длительные исследования процесса диффузии нескольких агрессивных сред через слой поли­ этилена низкой плотности толщиной 1 мм. В этих экс­ периментах применялись специальные ячейки (рис. 18). Основу этих ячеек составляли заранее изготовленные из полиэтилена низкой плотности специальные стаканчики диаметром 40 мм и высотой 45 мм с толщиной стенки 1 мм, имевшие в верхней части монолитные ободки, по­ зволявшие их устанавливать на верхних краях обычных круглых стеклянных стаканов. В эти стеклянные ста­ каны наливали бпдистиллированную воду, в которую был добавлен очень чувствительный индикатор — бромкрезоловый пурпуровый, способный изменять свою окрас­ ку от совсем незначительных количеств кислоты. Стек­ лянные стаканы наполняли до нужного уровня водой с индикатором, погружали в них полиэтиленовые стакан­ чики с испытуемой агрессивной жидкостью, и накры­ вали крышками. Места, где борта полиэтиленовых ста­ канчиков опираются на стенки стеклянных стаканов, промазывали пластилином. В качестве агрессивных сред использовали, серную и азотную кислоты (5, 10 и 20%-ные). Эксперимент проводили при комнатной тем­ пературе, близкой к 20° С.

За 6 лет с начала эксперимента сквозная диффузия агрессивных сред через слой полиэтилена низкой плот­ ности толщиной 1 мм не возникла пн в одном случае. Эксперимент продолжается, но уже можно сделать вы­ вод о том, что формулы (15) — (18) при использовании в них коэффициентов диффузии, определенных ускорен­ ным методом, дают несколько меньшие значения для времени начала сквозного проникновения агрессивной среды через полиэтилен. Поэтому ими можно пользо­ ваться, лишь имея в виду, что расчетная долговечность будет меньше фактической.

Так как начало сквозной диффузии агрессивной сре­ ды через слой полимерного материала, закрепленного в бетоне полимержелезобетонных конструкций с по­ мощью ребер, заканчивающихся утолщениями на кон­

72

цах, не ведет к его отслоению от бетона, то с точки зре­ ния долговечности конструкции в целом такое крепление полимерного слоя представляется рациональным и име­ ет определенные преимущества по сравнению с закреп­ лением полимерного слоя без утапливаемых в бетоне анкерных ребер. В наибольшей степени разрушают бе­ тон диффундирующие через слой полимерного материа­ ла кислоты, которые вступают в химическую реакцию нейтрализации с гидратом окиси кальция, содержащим­ ся в отвердевшем цементном камне. Последний разру­ шается растворами солей значительно медленнее, чем кислотами, а поэтому расчет долговечности лучше вес­ ти па случай диффузии кислот, тем более что в некото­ рых случаях, как, например, при использовании полимержелезобетонных труб, не всегда можно заранее опре­ делить, где будут использованы эти трубы в будущем.

Приняв количество продиффундировавшей кислоты по экспериментальным данным (для полиэтилена, на­ пример, по данным работы [86]), по приближенной фор­ муле можно определить толщину слоя бетона, который будет разрушен за год в результате нейтрализации со­ держащегося в нем гидрата окиси кальция:

где Н — толщина слоя бетона, разрушаемого за год, в мм; С — кон­

центрация кислоты в массовых процентах; б — толщина слоя поли­ мерного материала в мм; К — коэффициент, принимаемый для поли­

этилена низкой плотности равным: 12 — для азотной кислоты; 16 — для соляной кислоты; 17 — для серной кислоты.

Зная толщину слоя бетона, разрушаемого за год, не­ трудно подсчитать период времени, за который разру­ шение дойдет до анкеров ребер. Поэтому с помощью формул (18) и (19) можно рассчитать необходимую тол­ щину слоя полимерного материала и высоту ребер, при которых полимержелезобетонная конструкция под воз­ действием агрессивных сред будет способна надежно эксплуатироваться в течение заданного срока [36]. По­ рядок таких расчетов рекомендуется принимать следую­ щий: сначала принимают толщину полимерного слоя равной 1,5 мм и высоту ребер до утолщений 7 мм, так как такие размеры являются наиболее удобными при производстве полимерных заготовок. Затем по формуле (18) находят период времени, который пройдет до нача­ ла сквозной диффузии, и с помощью (19) — период вре-

73

меп.и, в течение которого может разрушиться слой бето­ на до анкеров. Если суммарный срок, получившийся при этом, окажется большим, чем требующаяся долговеч­ ность, то можно принятые размеры оставить. Если же требующаяся долговечность при принятых размерах не обеспечивается, то сначала увеличивают толщину поли­ мерного материала между ребрами до допустимых пре­ делов, которые по технологическим соображениям не должны превышать 2,5 мм, а затем, если это окажется недостаточным, увеличивают высоту ребер но не больше чем до 12 мм. Больший размер ребер делать практиче­ ски затруднительно, а поэтому полученную расчетным путем долговечность при принятой максимальной тол­ щине слоя и высоте ребер следует принять предельной для данных условий.

Г л а в а IV. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ РУКАВОВ И ЛИСТОВ

При изготовлении всех наиболее перспективных ви­ дов полимержелезобетониых конструкций практически всегда возникает необходимость в предварительном из­ готовлении тех или иных заготовок из термопластичных полимерных материалов. Заготовки для полимержелезобетоиных труб представляют собой отрезки тонкостен­ ных профилированных рукавов, преимущественно бес­ шовных, снабженных с наружной стороны невысокими монолитными ребрами, заканчивающимися на внешнем крае цилиндрическими утолщениями (см. рис. 1).

Для полимержелезобетониых конструкций с незамк­ нутым профилем поперечного сечения обычно требуются заготовки в виде профилированных листов соответству­ ющего размера, с односторонним расположением таких ребер, как и у профилированных рукавов.

Как уже отмечалось, профилированные полимерные

74

Т а б л и ц а 7. Номинальные размеры и допуски бесшовных профилированных рукавов из полиэтилена низкой плотности и профилированных листов, получаемых при их продольной разрезке

цилиндрического утолщения 3,5±0,5 мм.

мующих органов машины, что возможно только при ее остановке.

Максимальный диаметр бесшовного профилирован­ ного рукава принят пока равным 1000 мм, так как с уве­ личением диаметра усложняются и удорожаются форму­ ющие органы экструзионной установки и поэтому рука­ ва большего диаметра проще сваривать из двух про­ дольно разрезанных рукавов меньшего диаметра.

При продольной разрезке профилированных полимер­ ных рукавов диаметром 1000 мм получают профилиро­ ванные полимерные листы шириной 3140 мм, которые без дополнительной сварки могут быть использованы для изготовления разнообразных полнмержелезобетонных панелей или плит со стандартной нормальной шири­ ной 3 м. В случае надобности такие листы могут быть разрезаны продольно на более узкие с помощью вы­ движных ножей на экструзионной установке или с по­ мощью ручного инструмента (рис. 22). Этот инструмент имеет ограничители, передвигающиеся по наружным краям ребер, и закрепленный между ними нож с при­ паянной к нему пластинкой, препятствующей его вы­ скальзыванию из разреза в процессе резки. Перемеща­ ют этот инструмент вдоль рукава или листа за наклон­ ную рукоятку в направлении «на себя», причем после

77