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

тического применения в ряде полимержелезобетонных конструкций обладает полнметилметакрплат, произво­ димый в несколько больших количествах, чем оба пре­ дыдущих полимерных материала. Экспериментальные работы показали, что образцы полиметилметакрилата после 15 лет пребывания в атмосферных условиях суще­ ственно ие изменили своих первоначальных свойств. На­ блюдаемое иногда появление на поверхности полиметил-• метакрилата мелкой сетки поверхностных трещин, так называемое «серебрение», несколько ухудшает физико­ механические свойства этого полимерного материала, однако в настоящее время его можно предотвратить, вы­ бирая правильный режим производства, применяя двух­ осную ориентацию и вводя небольшие количества плас­ тификаторов и стабилизаторов [58].

Стабилизированный полиформальдегид — также до­ статочно атмосферостойкпй материал. Исследования по­ казали, что под действием света, повышенной температу­ ры и влажности за 500 ч испытаний полиформальдегида в аппарате искусственной погоды изменения происходят лишь в поверхностном слое материала, при этом его прочностные свойства практически не изменяются.

Г л а в а III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ИЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ПОЛИМЕРОВ

ИЖЕЛЕЗОБЕТОНА

ВПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЯХ

Помимо вопросов обеспечения длительной службы полимерных материалов, обусловленных их старением, ползучестью и протекающими релаксационными процес­ сами, важное значение имеют также вопросы обеспече­ ния долговечности полимержелезобетонных конструкций, связанные с условиями совместной работы в них поли­ меров и железобетона:

а) оценка надежности соединения полимерного слоя с бетоном в полимержелезобетонных и полимерлегкобетонных конструкциях;

54

б) оценка термических напряжений, возникающих в полимержелезобетонных конструкциях за счет различий

взначениях коэффициентов термического расширения используемых в них материалов;

ввыявление допустимой ширины раскрытия трещин

вжелезобетонной части полимержелезобетонных конст­ рукций и оценка влияния раскрытия трещин на напря­ женное состояние полимерного слоя;

г) оценка долговечности полимержелезобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях диффузии аг­ рессивных сред через слой полимерного материала.

НАДЕЖНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО СЛОЯ

СБЕТОНОМ ПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

ИПОЛИМЕРЛЕГКОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В некоторых полимержелезобетонных конструкци­ ях слой полимерного материала может подвергаться зна­ чительным силовым воздействиям, отрывающим его от бетона, например в трубопроводах при образовании внутри них вакуума или при наличии гидростатического давления с их внешней стороны. Как известно, вакуум в напорных трубопроводах образуется в те моменты экс­ плуатации, когда по тем или иным причинам неожиданно останавливаются насосы, создающие давление в сети. В такие моменты на повышенных участках трубопрово­ да столб транспортируемой жидкости начинает опускать­ ся, создавая вакуум. Наличие на трубопроводе клапанов для впуска воздуха иногда не обеспечивает нужного быстройдействия, особенно па водоводах, эксплуатируемых в зимнее время. Величина вакуума при наличии таких клапанов может достигать 70 кПа (0,7 кгс/см2), а без них 0,1 МПа (1 кгс/см2). Так как напорные водоводы обычно прокладывают неглубоко, то напор от грунтовых вод, которые могут оказывать давление на полимерный слой с его внешней стороны, как правило, не превышает 30 кПа (0,3 кгс/см2, пли 3 м вод. ст.). В целом, без суще­ ственной погрешности, суммарное расчетное давление от совместного действия атмосферы и грунтовых вод на полимерный слой при образовании вакуума внутри тру­ бопровода можно принимать равным 0,1 МПа (1 кгс/см2) при наличии клапанов для впуска воздуха и 130 кПа (1,3 кгс/см2) при их отсутствии.

На рис. 16 приведена схема приложения сил и возни­

55

кающих деформаций при действии атмосферного давле­ ния и напора грунтовых вод на слой полимерного мате­ риала, заанкеренный в железобетонных стенках трубо­ провода с помощью ребер, заканчивающихся на внешнем крае цилиндрическими утолщениями. На этой схеме при­ нято, что полимерный слой зааикереи в бетоне в точках а и Ь, расположенных внутри трубы с радиусом R. Угол

Рис. 16. Схема приложения сил н деформации зааикеренного в бетоне полимерного слоя в мо­ мент образования вакуума внут­ ри полнмержелезобетопного

трубопровода

между радиусами, проведенными из центра О к двум смежным анкерам, обозначен через ф, а первоначальная длина полимерного слоя, прилегающего к поверхности трубы, обозначена через SH. В результате воздействия атмосферного давления и напора грунтовых вод, обу­ словленных образованием вакуума внутри трубопровода, полимерный слой между анкерами несколько растягива­ ется, отслаивается от бетона и занимает новое положе­ ние по окружности радиуса г. Длина участка полимер­ ного слоя между анкерами при этом увеличивается и становится равной SK, а угол между радиусами, прове­ денными из нового центра Оt к двум смежным анкерам, становится равным а. Полимерный материал характе­ ризуется модулем упругости Е и сопротивлением растя­ жению в пределах упругости ар, которое с учетом крат­ ковременного действия вакуума можно принять с коэф-

56

фнциентом запаса, равным i,5 по сравнению со значе­ нием его предела пропорциональности. Применительно к полиэтилену НП это сопротивление растяжению, с не­ которым запасом, можно принять равным 5 МПа (50 кгс/см2), так как предел пропорциональности этого вида полиэтилена при 20° С близок к 8,2 МПа

(82 кгс/см2) (см. табл. 5).

На основании схемы (см. рис. 16) и зависимости ме­ жду напряжением в стейке тонкостенного цилиндра и действующим на него внутренним давлением, а также геометрических соотношений выведена формула, ис­ пользуемая при расчете полимерного слоя и его анке­ ровки:

(3)

где ср — центральный угол между двумя смежными анкерами внутри трубы; сгр — расчетное сопротивление полимера растяжению при кратковременном действии нагрузки в Па; R — внутренний радиус трубы в см; е — толщина слоя полимера в см; Р — максимальное

суммарное давление атмосферы и грунтовых вод па слон полимера в Па.

здесь Е — модуль упругости полимера при растяжении в Па.

Из структуры формулы (3) видно, что произведение ФR, характеризующее длину дуги, по которой располо­ жен полимерный материал на участке между двумя смежными анкерами, не зависит от диаметра трубы, а поэтому вычисленное с помощью формулы (3) значе­ ние этого произведения можно принимать одинаковым для полимержелезобетонных труб всех диаметров при одинаковом виде полимерного материала и одинаковой толщине его слоя.

Для непосредственного вычисления числа анкеров п, равномерно располагаемых по окружности, удобней пользоваться формулой, основанной на формуле (3):

Ф

57

Для примера рассчитаем число анкерных ребер в полимержелезобетонной трубе с полимерным слоем из по­

Сортамент железобетонных труб имеет градацию по диаметрам труб с интервалом 100 мм, такая же града­ ция принята и для полимержелезобетонных труб. При этом в целях унификации шага ребер и оборудования для производства профилированных рукавов и листов из термопластов принято одинаковое число ребер на каж­ дые 100 мм диаметра формуемого рукава. По данным приведенного примера с округлением до ближайшего целого значения оно составит 8 шт. Так как для примера были использованы практические данные, то определен­ ное расчетом по формуле (4) количество ребер следует округлить до 48 шт.

Преобразовав формулу (4), можно получить форму­ лу для определения расчетом толщины слоя полимерно­ го материала при числе анкерующих ребер, кратном 8 шт. на каждые 100 мм диаметра рукава. Эта формула имеет вид:

Для примера по формуле (5) рассчитаем толщину слоя полиэтилена НП, приняв Р — 0,13 МПа; ор = = 5 МПа и е =0,0333. Тогда

58

(рис. 16), и толщину стенки продольного ребра профи­ лировано™ рукава определяют по формулам:

где Nn — усилие в 10 Ы (1 кгс); бр — толщина ребра в см.

Высота стенки продольного ребра h (глубина его ан­ керовки в бетоне) определяется из условия выкалыва­ ния бетона под действием усилия N а:

где h — глубина анкеровки до утолщения в см; R в — расчетное сопро­

тивление бетона срезу в Па.

Диаметр цилиндрического утолщения на внешнем крае ребра определяют по сопротивлению его срезу по двум плоскостям, отмеченным на рис. 16, и подсчитыва­

где D — диаметр цилиндрического утолщения в см; R " — расчетное

сопротивление полимерного материала срезу в Па.

Независимо от величины диаметра цилиндрического утолщения, определенного по формуле (8), его следует принимать по конструктивным соображениям не менее чем на 1,5—2 мм большим, чем толщина ребра 6р, во избежание выскальзывания ребра из анкерной щели.

Экспериментальную проверку надежности анкеровки слоя полиэтилена НП в бетоне проводили двумя метода­ ми: вырыванием с помощью разрывной машины ребра полимерного слоя, заанкеренного в бетоне, и созданием почти полного вакуума в камере, герметично установ­ ленной иа заанкеренном полимерном слое полимержелезобетонной плиты [37].

Испытания позволили установить, что анкеры, заде­ ланные в плотный бетон или в слой цементного раство­ ра толщиной 15 мм при его прочности иа сжатие 10МПа (100 кгс/см2) и более во всех без исключения случаях при предельных расчетных напряжениях не выдергива­ ются.

59

Испытания показали также, что анкеровка профили­ рованных листов в пористом керамзитобетоне явно недо­ статочна: анкеры выдергивались из керамзитобетона да­ же при незначительных усилиях. Поэтому при необходи­ мости изготовления полимерлегкобетонных конструкции с использованием пористого керамзитобетона необходи­ мо предусматривать устройство по всей поверхности его контакта с полимерным листом прослойки цементного раствора марки 100 толщиной 15—20 мм.

Помимо сопротивления отрыву зааикериваемые в бе­ тоне ребра полимерных облицовок оказывают также со­ противление скольжению этих облицовок относительно бетона под влиянием различных воздействий — механи­ ческих, усадочных, температурных и т. д. Многочислен­ ные эксперименты показали, что в подавляющем боль­ шинстве случаев это сопротивление настолько зна­ чительно, что никакого перемещения облицовок относительно бетона вообще не происходит. Так, напри­ мер, при испытаниях полимерлегкобетонных панелей на изгиб края облицовки совершенно не смещались относи­ тельно бетона даже тогда, когда в середине пролета на­ ступала текучесть полиэтилена, обусловленная изгибом панели до разрушения. Не наблюдалось также смеще­ ния краев полимерного слоя относительно бетона при термообработке полимерлегкобетонных панелей в про­ парочных камерах при температурах до 90° С, а также после их полного охлаждения и хранения на морозе при температурах до —30° С.

Однако через год было обнаружено, что на отдельных стеновых панелях размером в плане 6X1 >2 м обли­ цовка укоротилась и сместилась относительно обоих краев панели примерно па 2—8 мм. Это произошло ле­ том, когда панели хранились на воздухе и подвергались воздействию прямой солнечной радиации. Температура поверхности полимерного слоя из стабилизированного полиэтилена голубого или зеленого цвета в наиболее жаркое время достигала 50° С. Укорочение не прогрес­ сировало и смещение оставалось неизменным по сравне­ нию с зафиксированным в момент обнаружения. В кон­ тактном слое между полимерной облицовкой и керамзитобетоном имелась прослойка цементного раствора толщиной окол 15 мм. На большинстве панелей, хранив­ шихся в тех же условиях, никакого укорочения облицов­ ки не было,

60

Так как укорочение наблюдалось при температуре, превышавшей температуру формования, то оно явно не вызвано термическими напряжениями, а является след­ ствием усадки, обусловленной внутренними напряжения­ ми, возникшими за счет ориентации молекулярных цепей в процессе вытяжки материала еще при формовании листов. Возможно, что усадка дополнительно стимули­ ровалась фотоокислительными процессами под влияни­ ем воздействия прямой солнечной радиации в присутст­ вии кислорода воздуха.

Хотя у большинства формовавшихся панелей смеще­ ния полимерной облицовки относительно краев элемен­ та не наблюдалось, тем не менее такие смещения нужно считать возможными и принимать меры к тому, чтобы при формовании профилированных рукавов и листов из термопластов в них не возникало значительных внутреииих напряжений.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОЛИМЕРЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Температурные напряжения возникают в полимержелезобетонных конструкциях из-за разницы в коэффи­ циентах термического расширения полимера и бетона. Так как трение, обусловленное усадкой бетона, и неко­ торое искривление анкерных ребер, возникающее в про­ цессе бетонирования полимержелезобетонных элемен­ тов, препятствуют перемещениям полимерной облицовки относительно бетона, то в большинстве случаев дефор­ мации совместно работающих материалов равны. При этом температурные напряжения достигают максималь­ ных значений, п их следует учитывать при расчете.

Методика определения температурных напряжений, возникающих в полимерном материале облицовки поли­ мержелезобетонных конструкций, должна отличаться от общепринятой для других материалов лишь тем, что зна­ чения коэффициентов термического расширения нужно принимать для соответствующих температурных интер­ валов, отсчет температур производить от той, при кото­ рой полимерный материал имел номинальный размер, а значение модуля упругости при растяжении принимать зависимым от температуры и времени.

Исходя из условия равенства деформаций полимер-

61