Приложение А. Альбом технических решений по применению конструкционных композитных сеток и решеток вместо стальных для укрепления сводов тоннелей и подпорных стен методом торкретирования

Приложение А

Альбом технических решений по применению конструкционных композитных сеток и решеток вместо стальных для укрепления сводов тоннелей и подпорных стен методом торкретирования

Основные положения

1 Обоснование применения композитных сеток и решеток вместо стальных при торкретировании.

1.1 Монтируемая в бетонных сооружениях и конструкциях арматура может служить для увеличения их несущей способности или быть конструктивной для восприятия напряжений от усадки бетона [4].

1.2 В качестве противоусадочной арматуры в торкрет-бетоне, используют сетки из арматурной стали по ГОСТ 23279 или композитов. Сетка может полностью воспринимать усадочные напряжения в бетоне, ограничивая ширину раскрытия трещин независимо от причины возникновения. Мнение о том, что сцепление нового слоя бетона со старым можно усилить с помощью сетки из арматурной стали, укрепленной анкерами, необоснованно [5, 6]. Недостаточно сильное сцепление слоев приводит к образованию полостей, арматура при этом может предотвратить обрушение больших кусков.

1.3 Настоящий Альбом технических решений распространяется на применение сеток и решеток из неметаллической композитной арматуры по ГОСТ 31938, ГОСТ 32487, ГОСТ 32492 периодического или условно-гладкого профиля (рис. А.1) при торкретировании.

В зарубежных изданиях композитную арматуру можно встретить обозначенной аббревиатурой FRPВ (Fiber Reinforced Plastic Bar - полимерная арматура, упрочненная непрерывным волокном) [10].

1.4 В композитной арматуре применяемой для изготовления сеток и решеток, ровинг воспринимает основные напряжения, возникающие в бетонных слоях, и обеспечивает жесткость и прочность. Роль термореактивного связующего заключается в объединении ровинга в непрерывные армирующие элементы и обеспечении эффективной совместной работы.

1.5 Стеклопластик (базальтопластик) - композитнный материал, состоящий из стеклянного (базальтового) наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат стеклянные или базальтовые непрерывные волокна в виде нитей и жгутов (ровингов), связующим - эпоксидные, полиэфирные, феноло-формальдегидные, кремнийорганические смолы. Для композита характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства композитного материала определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают композиты, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие композиты подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклокомпозитов [16].

1.6 Композитную арматуру применяют в конструкциях специального назначения или находящихся в агрессивной среде [15, 16].

1.7 Композитные материалы характеризуются долговечностью, атмосферной и коррозийной стойкостью, малым удельным весом, снижением транспортных расходов и простотой монтажа.

1.8 Композитная арматура, сетки и решетки из нее обладают хорошей химической стойкостью. Испытания показали:

- в 10% растворе гидрооксида натрия устойчивость к воздействию химического раствора - хорошая;

- в 10% растворе серной кислоты устойчивость - хорошая;

- в морской воде стойкость к воздействию химического раствора - хорошая.

1.9 Обобщение, систематизация и анализ результатов проведенных в последнее время экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы о закономерностях сопротивления, напряженно-деформационном состоянии, характере разрушения, прочности, жесткости и трещиностойкости бетонных элементов, армированных решетками и сетками из композитной арматуры:

1.9.1 Параметры сцепления с бетоном поверхности композитной базальтопластиковой (базальтокомпозитной) и стеклопластиковой (стеклокомпозитной) арматуры, при прочих равных, условиях близки, что позволяет использовать для расчета анкеровки такой арматуры в бетоне общие зависимости, принятые для стальной арматуры.

1.9.2 Общий вид зависимостей "касательные напряжения - деформации сдвига" для композитной арматуры периодического профиля, соответствует аналогичным кривым для стальной арматуры традиционного периодического (серповидного) профиля. Полученные опытные значения касательных напряжений, для композитной арматуры использованной для армирования бетонных конструкций удовлетворяют требованиям [4].

1.9.3 Закономерности сопротивления бетонных элементов, армированных композитной арматурой, а именно характер трещинообразования, деформации и разрушения, соответствуют аналогичным закономерностям для элементов, армированных стальной арматурой.

1.9.4 Проведенные исследования свидетельствуют, что прогибы бетонных балок со стеклокомпозитным армированием существенно ниже (практически в 2 раза), чем балок со стальной арматурой на всем диапазоне нагружений.

1.9.5 Нагрузка, при которой образовались трещины в бетонных плитах изготовленных методом торкретирования армированных стеклокомпозитными сетками выше на 30%, чем соответствующая - для железобетонных образцов.

2 Особенности технологии применения конструкционных композитных сеток и решеток для укрепления сводов тоннелей и подпорных стен методом торкретирования.

2.1 Варианты монтажа композитных сеток.

2.1.1 Монтаж композитных сеток, например карт размером 2х6 м, масса карты 7,20,2 кг, диаметр стержней 4 мм, ячейка 100х100 мм производится таким образом, чтобы они максимально покрывали всю площадь армирования. В зависимости от конфигурации участка армирования сетки могут укладываться как по короткой, так и по длинной стороне (рис. А.2):

Рисунок А.2 - Варианты укладки сеток по торкретируемой поверхности: 1 - укладка сеток по короткой стороне карты; 2 - укладка сеток по длинной стороне карты; 3 - комбинированный тип укладки карт

2.1.2 При необходимости сетки могут быть обрезаны по линии укладки. Обрезка производиться ножницами по металлу или отрезным кругом.

2.1.3 Сетки укладываются в полунахлест. При этом внешние параллельные прутки от соседних сеток должны находились рядом и совместно обхватываться анкерами, устанавливаемыми по стыку.

2.1.4 Как вариант, каждая карта может крепится с помощью анкеров в 36 точках крепления (рис. А.3), а именно:

- в середине 12 точек крепления,

- по двум коротким краям 4+4=8 точек крепления,

- по двум длинным краям 8+8=16 точек крепления.

При этом необходимое количество анкеров рассчитанное на соответствующую карту зависит от места сетки в общем ковре армирования, и варьируется от 24 до 36 крепежных комплектов.

2.1.5 Отдельно уложенная сетка (рис. А.3) может крепится в 36 точках (максимальное количество), соответственно нормируется 36 комплектов для крепежа.

2.1.6 Сетки, расположенные в соответствующих позициях ковра армирования следует монтировать в одну или несколько линий (рис. А.4).

1 - в одну линию, с ориентацией по короткой стороне; 2 - по длинной стороне; 3 - в несколько линий, с ориентацией по короткой стороне; 4 - по длинной стороне.

2.1.7 Для крепления нескольких сеток, уложенных в один ковер, требуется меньшее количество анкеров (таблица А.1). Схема армирования - "ковер" может быть выполнена с ориентацией относительно нулевой отметки.

Таблица А.1 - Расчетное количество анкеров для разных типов сеток

Тип сетки	У	В	1К	1Д	2К	2Д	1К2Д	1Д2К
Внутренних точек крепления	12	12	12	12	12	12	12	12
Итого коротких анкеров:	12к	12к	12к	12к	12к	12к	12к	12к
Крепление по двум коротким сторонам	4+2	2+2	4+2	2+2	4+4	2+2	4+2	4+4
Крепление по двум длинным сторонам	8+4	4+4	4+4	8+4	4+4	8+8	8+8	8+4
Итого длинных анкеров:	14д	12д	14д	16д	16д	20д	22д	20д
Норма	12к+ 14д	12к+ 12д	12к+ 14д	12к+ 16д	12к+ 16д	12к+ 20д	12к+ 22д	12к+ 20д

2.2 Установка и закрепление композитных сеток.

2.2.1 Композитную сетку с ячейкой 100 мм устанавливают до начала торкретирования, сетку с меньшими ячейками - после нанесения первого слоя торкрета. При установке сетку следует закреплять не ближе 10 мм от поверхности основания.

2.2.2 Согласно [7] при укреплении поверхности неправильной формы в нанесенный первый слой торкрет-бетона погружают гнутые отрезки вязальной проволоки (рис А.5), затем наносится второй слой торкрет-бетона, после его схватывания проводят укладку и закрепление отрезками вязальной проволоки, арматурной сетки предусмотренной проектом, после чего она покрывается заданным слоем торкрет-бетона.

2.2.3 В случае, если торкретируемая поверхность не требует предварительного выравнивания композитные сетки могут закрепляться на ней с помощью пластмассовых дюбелей и металлических шурупов (рис. А.6).

Рисунок А.6 - Крепление сеток композитных:

1 - основание; 2 - пластмассовый дюбель; 3 - металлический шуруп; 4 - полимерный ограничитель высоты; 5 - сетка композитная: 6 - торкрет - бетон

2.3 Особенности технологии торкретирования по композитным сеткам.

2.3.1 Торкретируют поверхность конструкций и сооружений послойно, согласно методик и рекомендаций [5-8].

2.3.2 Особое внимание следует уделять тому, что сопло при работе следует непрерывно перемещать равномерно по спирали. При торкретировании по арматуре и сеткам сопло необходимо несколько наклонять, для того чтобы заполнить пустоты за арматурой (рис А.7).

Торкретирование проводят под небольшим углом с каждой стороны арматурного стержня.

2.3.3 При торкретировании по сетке следует обратить особое внимание и не допускать удерживание и скопление торкрет-бетона на лицевой части арматурных стержней сетки. Наращивание слоя торкрет-бетона по сетке должно происходить по стадиям указанным на рис. А.8.

Рисунок А.8 - Верные (а) и не верные (б) стадии формирования торкрет-бетонного слоя на поверхности с закрепленной композитной сеткой (на рисунке показано сечение композитного стержня): 1 - торкрет-бетон удерживается на задней части композитного стержня; 2 - задняя часть композитного стержня погружена в торкрет-бетонный слой; 3 - лицевая часть композитного стержня свободна от торкрет-бетонного слоя; 4 - правильное завершение процесса; 5 - нежелательное налипание торкрет-бетона на лицевой части стержня при низкой скорости потока; 6 - недопустимое налипание на стержнь; 7 - формирование за стержнем зоны с низким уплотнением; 8 - возникновение трещин в торкрет-бетоне при эксплуатации.

2.3.4 При производстве торкрет-бетонных работ нельзя допускать скопления "отскока" в отдельных местах. "Отскок" по мере его накапливания следует убирать. Особенно тщательно необходимо следить за скоплением и своевременной уборкой "отскока" при торкретировании по сетке. Захват "отскока" приводит к существенному снижению комплекса физико - механических свойств торкрет-бетонных слоев и оболочек. Как вариант, для удаления "отскока" с торкретируемой поверхности и композитных стержней армирующей сетки рекомендуется применять дополнительный обдув сжатым воздухом (рис. А.9).

2.3.5 При торкретировании по композитной сетке слой торкрета, как правило, должен покрыть композитную сетку на (20-25) мм. Необходимо следить за тем, чтобы торкрет не оплывал, что это может привести к образованию пустот между прутьями арматуры, обнаружить и устранить которые крайне трудно [4].

2.3.6 Свойства торкрет-бетонных слоев и оболочек во многом зависят от квалификации оператора выполняющего работу (рис. А.10).

2.4 Торкретирование угловых конструкций.

При торкретировании угловых конструкций факел торкрет-бетона следует направлять в центр угла по биссектрисе (рис. А.11 а). В противном случае (рис. А.11 б) на стыке двух плоскостей откладывается "отскок", что не обеспечивает заданные свойства торкрет-слоям и оболочкам.

2.5 Поверхности, фильтрующие воду, согласно [7] следует торкретировать после устранения течей, так как вследствие фильтрации торкрет может отслоиться от ремонтируемой поверхности (рис. А.12, А.13).

2.6 Для повышения эффективности соединения торкрет-бетонного покрытия с горной породой в тоннелях, согласно [7] следует использовать анкерные крепления, в сочетании с армирующими сетками (рис. А.14). Расстояние между анкерами и метод их установки (например, в шахматном порядке) определяется проектным решением. Анкеры рассчитывают по прочности по аналогии с требованиями строительных норм и правил на проектирование тоннелей, бетонных и железобетонных конструкций.

2.6.1 Отверстия под анкеры следует бурить на стадии подготовки поверхности. Анкеры подразделяют на две группы: закрепляемые в бетоне или породе в результате расклинивания (распора) и омоноличенные по всей длине быстросхватывающимися бетонными или полимерными составами.

2.6.2 Анкеры первой группы распорной конструкции, усилие сдвига которых возрастет по мере извлечения их из шпуров. Такие анкеры являются крепежными элементами нарастающего сопротивления. Анкеры второй группы - омоноличенные обладают высокой жесткостью: при возрастании нагрузки до предельной у них практически не наблюдается перемещений.

2.7 При создании конструктивных решений торкрет-бетонных покрытий следует предусматривать специальные технологические мероприятия, учитывающие особенности и качество поверхности основания, на которое наноситься покрытие.

2.7.1 При нанесении торкрет-бетона на бетонную поверхность следует обеспечить ее шероховатость, например, путем насечки, перед этим удалить при необходимости участки поверхности с пониженной прочностью, в том числе отслаивающиеся от массива конструкции, устранить имеющиеся на поверхности загрязнения, снижающие качество сцепления торкрет-бетонного покрытия с бетонным основанием по общепринятым методикам [5-8], укрепить композитные сетки (рис. А.15).

2.7.2 При нанесении торкрет-бетона на поверхность кладки из кирпича или натурального строительного камня следует тщательно удалить остатки строительного раствора из стыков между блоками и камнями с последующей их очисткой путем пескоструйной обработки затем, установить композитные сетки (рис. А.16).

2.7.3 При нанесении торкрет-бетонного покрытия на грунт следует принимать во внимание, что подобное покрытие способно связать только поверхностный слой грунта; перед созданием подобного покрытия с целью предотвращения оседания грунта рекомендуется сначала произвести его уплотнение.

2.8 Наращивание слоя торкрет-бетона с наружной лицевой стороны плиты подпорной стены (рис. А.17). Как вариант, ремонт лицевой стороны стены при незначительном увеличении нагрузки на поверхность грунта (на 30-40 %), при котором не нарушается устойчивость стены против сдвига.

2.9 При создании торкрет-бетонного покрытия, направленного на сплачивание, крепление и предотвращение перемещения горных пород в тоннелях, первоначально следует обеспечить поверхностное их упрочнение путем заполнения торкретом неровностей, щелей, раковин и затем облицовку всей поверхности торкрет-бетонным слоем, совмещенным с арматурной композитной сеткой.

2.10 Для проведения торкрет-бетонных работ в тоннелях рекомендуется использовать современные малогабаритные самоходные механизированные торкрет-манипуляторы моделей Spraycon, Titan, Aliva и др. обладающие высокой производительностью и простотой сервисного обслуживания (рис. А.18).

Малогабаритные установки спроектированы для работ в стесненных условиях и состоят из переднего шасси с кабиной, на котором располагаются гидравлическая система, дизельный и электрический двигатели, заднего шасси с насосной станцией и центрального соединения. В зависимости от условий работы установки позволяют использовать как дизельный, так и электрический двигатель. Установки комплектуются насосной станцией с защищенными гидравлическими цилиндрами с теоретической производительностью около 25 торкрет-бетона, радиусом действия стрелы в пределах 10 метров. Обслуживаются одним оператором.

3 Особенности проектирования конструкций с применением сеток из композитной арматуры.

3.1 Неметаллическая композитная арматура может применяться как в виде отдельных стержней, так и в виде плоских сеток и объемных коробов в условиях строительства автомобильных дорог согласно [8, 10, 16]. В случае невозможности получения от производителя готовых сеток и коробов они изготавливаются на месте применения.

3.2 Сетки и объемные коробы изготавливают с перевязкой мест пересечения стержней. Допускается перевязка мест пересечения стержней мягкой арматурной нержавеющей проволокой.

3.3 Толщина защитного слоя изделий с сетками из композитной арматуры назначается из условия обеспечения коррозионной стойкости бетона и рабочей арматуры. При проектировании комбинированных конструкций с сетками из неметаллической арматуры толщина защитного строя назначается не менее 20 мм.

3.4 При укладке сеток из композитной арматуры в форму проектная толщина защитного слоя обеспечивается установкой фиксаторов из цементно-песчаного раствора или из теплостойких и щелочестойких полимерных материалов, например, полиэтилена.

4 Транспортировка и хранение композитных сеток и решеток.

4.1 Сетки транспортируют всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте данного вида и техническими условиями погрузку и крепление грузов.

4.2 Загрузки и выгрузки должны выполняться ручным или механизированным способами с соблюдением правил ГОСТ 12.3.009.

4.3 При погрузке, транспортировке и разгрузке сеток должны выполняться мероприятия, обеспечивающие их сохранность от повреждения. Способы выполнения погрузочно-разгрузочных работ должны соответствовать правилам безопасности в строительстве.

4.4 Плоские сетки в пакетах необходимо транспортировать в горизонтальном положении.

4.5 При хранении и транспортировке каждый пакет должен опираться на деревянные прокладки толщиной не менее 30 мм. Прокладки под сетки должны укладываться на выровненную основу. При хранении сеток в штабелях прокладки между пакетами по высоте штабеля должны быть расположены по вертикали одна над другой.

4.6 Сетки должны хранится в крытом помещении при температуре от минус 40°С до плюс 60°С. Пакеты омоноличенные сеток следует хранить раздельно по маркам в штабелях высотой не более 2 м. Рулоны сеток складируют не более чем в три яруса. При складировании сеток между штабелями должен быть обеспечен проход шириной не менее 0,5 м.

4.7 Предприятие-изготовитель гарантирует соответствие сеток требованиям технических условий при соблюдении потребителем правил транспортировки, хранения и применения, установленных техническими условиями, рекомендациями, регламентами.

4.8 Гарантийный срок хранения сеток 12 месяцев с даты изготовления.

4.9 По истечении гарантийного срока хранения сетки могут быть использованы после предварительной проверки их свойств на соответствие требованиям технических условий изготовителя.

4.10 При соответствии свойств сеток требованиям нормативно технической документации их используют по назначению. В противном случае их следует утилизировать.

5 Расчетные характеристики арматуры.

5.1 Расчетные сопротивления арматуры для основных видов стержневой и проволочной арматуры для предельных состояний 1 и 2 групп в зависимости от вида и класса арматуры принимаются по таблицам по табл. 19, 20, 21, 22, 23 главы СНиП 52-01.

5.2 Расчетные сопротивления арматуры для предельных состояний 1 и 2 групп принимаются по таблице 3, 4, которые определены путем деления соответствующих нормативных сопротивлений на коэффициент безопасности по арматуре, принимаемый для предельных состояний:

первой группы - 1,5;

второй группы - 1.

Расчетное сопротивление арматуры в соответствующих случаях следует умножать на коэффициент условий работы арматуры по п. 2.28 главы СНиП 52-01.

5.3 Коэффициент s,учитывающий снижение модуля упругости арматуры при нагреве, должен приниматься по таблице 6 СНиП 52-01.

5.4 Коэффициент линейного температурного расширения арматуры следует принимать по таблице 6 СНиП 52-01.

В железобетонных элементах, имеющих трещины в растянутой зоне сечения, коэффициент температурного расширения арматуры в бетоне определяется по формуле:

где: - коэффициенты, принимаемые по таблице 6 СНиП 52-01 в зависимости от температуры нагрева бетона на уровне арматуры;

k - коэффициент, принимаемый по таблице 7 СНиП 52-01 в зависимости от процента армирования сечения продольной растянутой арматурой.

5.5 Расчеты подпорно-удерживающих вертикальных стенок с армированной застенной частью земляного полотна дорог и устоев мостов представлены в [17].