Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром

27.06.2016

Железобетонные напорные трубы с металлическим цилиндром нашли широкое применение в строительстве трубопроводов и рассчитаны на внутреннее рабочее давление 1,0 и 1,5 МПа при глубине заложения до 3 м.
Трубы относятся к железобетонным изделиям третьей категории по трещиностойкости. Многолетний опыт их изготовления и эксплуатации показал, что их несущая способность в первую очередь зависит от величины сцепления защитных слоев с металлом цилиндра. Отслоение бетона приводит как к снижению несущей способности, так и к коррозии металла цилиндра и арматуры.
Известно, что несущая способность трехслойной конструкции определяется совместной работой отдельных слоев, а критерием ее прочности является нагрузка, при которой ширина раскрытия трещин не превышает 0,2 мм. При этом чем выше адгезия бетонных слоев к металлическому цилиндру, тем вероятнее образование в них; при расчетных нагрузках нескольких трещин меньшего раскрытия, чем одной трещины большего раскрытия, сопровождаемой сдвигом бетонных слоев по отношению к цилиндру. Поэтому основной задачей технологического процесса изготовления труб является обеспечение высокого сцепления слоев с металлическим цилиндром. Использование для внутреннего и наружного слоев песчаного бетона — более однородного материала, чем тяжелый бетон, позволило успешно решить задачу его надежного сцепления с металлом цилиндра.
Основной причиной снижения величины сцепления является поставка с завода-изготовителя стальной ленты в консервационной смазке.
В производственных условиях полностью удалить смазку не удалось, более того, тщательная очистка металла и обезжиривание поверхности, проведенное в лабораторных условиях, также не обеспечили требуемой величины сцепления.
Увеличение адгезии достигалось обмазкой внутренней и наружной поверхности металлического листа тонким слоем водной дисперсии полимера (ВДП) на основе синтетического стирольного каучука.
В технологии изготовления труб полимерцементная пленка, нанесенная на стальной цилиндр, должна затвердеть, чтобы при нанесении защитных слоев из песчаного бетона на вращающийся цилиндр пленка не сдвигалась, не сдиралась.
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром

Изучалось влияние величины сцепления ВДП на нормальный отрыв слоя в зависимости от следующих факторов: полимерцементное отношение; время твердения покрытия; способ нанесения покрытия на поверхность металла, смазанного маслом; температура разогрева металла перед нанесением покрытия. Проверялись два состава песчаного бетона (кг/м3): для внутреннего I (Ц=600; П=1420; В=170) и наружного II (Ц=670, П=1640, В=150) слоев. Жесткость полимерцементного раствора составляла 25 -30 сек, время до начата загустевания (жизнеспособность) — 2,5-3,0 ч. Результаты экспериментов приведены в табл. 6.29. Величина сцепления — в кг/см2.
На рис. 6.25 приведены зависимости (P) прочности склеивания металлической пластины с бетоном от П/Ц. Наибольшая прочность сцепления независимо от состояния металлической поверхности, способа хранения и состава песчаного бетона была получена на растворах П/Ц= 0,2.
В образцах водного твердения прочность сцепления оказалась на 30-40 % ниже, чем воздушного. На образцы, не очищенные от масла, условия хранения практически не повлияли.
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром

Для оценки роли клеящего раствора на несущую способность труб были изготовлены опытные образцы изделий диаметром 500 мм, длиной 10 м с покрытием металлического цилиндра с внутренней и наружной стороны поли-мерцементным раствором. Трубы разрезались на 5-метровые отрезки и испытывались в соответствии со стандартом на прочность и трещиностойкость.
Технические данные труб: толщина металлического цилиндра — 1,5 мм, внутреннего слоя бетона — 19-20 мм, наружного — 20-25 мм, арматура класса В-1, d = 6 мм, шаг — 25 мм, величина предварительного напряжения — 1250 кг/см2.
Внутренний слой бетона раскладывался ложковым питателем и уплотнялся центробежным способом на ременной центрифуге. Наружный слой наносился роторно-метательным устройством. Режим термообработки: выдержка — 4 ч, подъем температуры до 70 °C — 2 ч, изотермический прогрев — 6 ч, остывание — 2 ч.
Характеристики опытной партии труб, предназначенных для испытаний на прочность, приведены в табл. 6.30.
В процессе испытаний нагрузка на трубы увеличивалась поэтапно до появления трещин с раскрытием 0,2 мм и далее: до разрушения конструкции.
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром

В табл. 6.31 приведены результаты испытаний труб на трещиностойкость, а на рис. 6.26 показана динамика раскрытия трещин в опытных и контрольных (рядовых) трубах. Нагрузка, при которой происходит раскрытие трещин шириной 0,2 мм в опытных трубах, превышает нагрузку в рядовых в 2 и более раз, а динамика раскрытия трещин подтверждает высокую адгезию бетона с металлом и монолитность всей конструкции.
Предельное состояние труб по прочности определяется моментом отрыва наружного защитного слоя бетона от металлического цилиндра, сопровождающимся образованием пластических шарниров в сечениях труб с максимальными моментами. В местах максимальных моментов наблюдается также текучесть арматуры, раскрытие трещин превышает 1 мм.
Данные табл. 6.31 показывают, что при изготовлении слоев из песчаного бетона повышается прочность труб, цилиндр которых покрыт полимерцементным раствором, по сравнению с рядовыми трубами. Во всех этих трубах не наблюдалось отслоения защитного слоя, а разрушение произошло из-за текучести арматуры. В контрольных трубах отрыв защитного слоя имел место во всех образцах.
Для оценки «вклада» каждого из слоев в несущую способность были изготовлены две трубы без наружного защитного слоя бетона, их цилиндры были обмазаны полимерцементным раствором. Труба №31-185-1 — с внутренним слоем бетона толщиной 30 мм без арматуры. Труба №31-185-11 дополнительно включала навитую на цилиндр предварительно напряженную арматуру диаметром 6 мм.
После термообработки обе трубы были испытаны на трещиностойкость и прочность (табл. 6.32).
Деформативность напорных труб под нагрузкой не нормируется, однако она характеризует монолитность слоистой конструкции.
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром

Ha рис. 6.27 показаны деформации поперечного сечения под нагрузкой для стандартных труб и труб со слоями из песчаного бетона, цилиндр которых покрыт полимерцементным раствором.
Испытания образцов бетона наружного слоя, покрытого из пневмопистолета полимерцементным раствором, показали снижение его водопоглощения с 12 13 до 6-7%.
Полимерцементное покрытие препятствует высушиванию бетона при хранении и повышает степень гидратации цемента.
В табл. 6.33 приведены сравнительные показатели испытаний напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром.
Использование песчаного бетона в наружном и внутреннем слоях напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром обеспечивает экономию 9,2 руб. на погонный метр (в ценах 1982 г.) по сравнению с аналогичными трубами, где слои выполнены из бетона на мелком (5-10 мм) щебне.
Применение песчаного бетона для повышения несущей способности напорных железобетонных труб с металлическим цилиндром