Дешевле, легче, прочнее…

На прошедшей на днях в Москве IV Международной научно-практической конференции «Российские и зарубежные технологии проектирования и строительства мостовых сооружений» было представлено много новинок. Но, пожалуй, не случайно выступление директора по развитию инвестиционных проектов UMATEX (композитного дивизиона Госкорпорации «Росатом») Евгения Михалдыкина прозвучало самым последним среди докладов, посвященных современным материалам для мостостроения. Оно стало, как говорится, вишенкой на торте, потому что применение полимерно-композитных материалов в объектах строительства и реконструкции мостов весьма заманчиво. Это связано, прежде всего, с особенностями строения углеродного волокна. Оно состоит из тончайших нитей атомов углерода, объединенных в микроскопические кристаллы диаметром 3-15 микрон. Выравненность этих кристаллов параллельно друг другу и придает углеволокну высокую прочность, которая так ценится строителями. Кроме того, такое волокно отличается высокой адгезией со связующей поверхностью. Эти свойства широко используются для производства композитов, компонентами которых являются полимерная матрица и армирующие наполнители. Изделия из углекомпозитов для строительства не уступают по прочности стальным и бетонным аналогам, но при этом они во много раз легче их, что активно используется в зарубежном мостостроении. Например, для строительства моста в швейцарских Альпах вертолет перенес две углекомпозитные детали по 900 кг каждая, которые были соединены между собой болтами. Благодаря высокой удельной прочности и сопротивлению на разрыв уже четыре десятка лет волокна углерода применяют для упрочнения мостов. Так, в 1982 году углеродные ленты использовались при усилении железобетонного моста на юге Германии.

Силища-то какая!

Не менее подробно Евгений Михалдыкин рассказал участникам конференции и об опыте внедрения углекомпозитов в России. Прежде всего, речь идет о системе внешнего армирования на основе углекомпозита. Система армирующей углеродной ткани (лент), углепластиковых ламелей и эпоксидного состава, а также ремонтного состава и огнезащиты, предназначена для увеличения несущей способности и ремонта конструкций, построенных из бетона, железобетона, камня и дерева. Она используется для уменьшения сечения и собственной массы несущих конструкций, исправления ошибок проектирования и строительства, усиления зданий и сооружений при реконструкции, восстановления опор ЛЭП и мостов, мостовых балок и т.д. Система состоит из двух компонентов — армирующего слоя и матрицы связующего. Большинство ее составляющих элементов, а именно однонаправленные ткани, сетки для армирования, ламели и анкерные жгуты, выполнены на основе углеволокна. Усиленные таким образом элементы конструкций получают дополнительно 65% прочности на изгиб и 120% прочности на сжатие. Основные преимущества системы состоят в сокращении трудовых затрат до 60%, возможности выполнения работ без остановки производства или движения транспорта, минимальных требованиях к пространству для выполнения работ, отсутствии сварочных работ и минимальной ее толщине — до 5 мм.

Об эффективности использования системы можно судить по восстановлению несущей способности балок моста через МКАД (51-й съезд) на автодороге «Очаково — Заречье» после аварии с грузовиком. Благодаря ее применению первоначальные параметры несущей и пропускной способности моста были восстановлены без остановки на реконструкцию за три дня. Существенная экономия на замене мостовых опор была достигнута и при увеличении несущей способности моста на проекте второго опытного участка Ачимовских отложений Уренгойского НГКМ.

Пошли понтоны

Другое перспективное направление — строительство модульных полимерных понтонов. Модульная конструкция дает возможность собирать из однотипных базовых блоков различные варианты конфигурации, используя один и тот же комплект понтонов для решения широкого круга задач. Компоновка сооружения в виде отдельных закрытых элементов плавучести обеспечивает абсолютную непотопляемость, а схема монтажа позволяет возводить сооружения без применения тяжелой техники, в том числе непосредственно на воде. Таким образом можно возводить плашкоуты, острова, плавучие причальные стенки, сухие доки, вертолетные площадки и другие устройства на воде.

Полимерные модульные понтоны многоразового использования предназначены для строительства временных переправ и понтонных систем, волноломов, причальных станций и насосных станций на воде, расширения береговой линии, устройства сервисных и бурильных площадок на воде. Такие понтоны представляют собой конструкции и сооружения из модульных полимерных сегментов на основе полиэтилена низкого давления, соединенных между собой монтажными штифтами, и связанного с ним жесткого основания из стальных, композитных или полимерных материалов. Модули, из которых собираются понтоны, при весе 7 кг и объеме 0,1 кубометра выдерживают нагрузку 135 кПа (13,7 тонны). Состоящие из них понтоны имеют срок службы более 50 лет, выдерживают нагрузки при волнении до 5 баллов и ветре до 40 м/с и вес, в 14,5 раза превышающий их собственный, не требуют спецтехники для монтажа, эксплуатируются от -60 до +70 градусов Цельсия, стойки к УФ-излучению, не ржавеют и держат открытый огонь.

Модульные понтонные системы позволяют решить проблему переправ и транспортировки техники в условиях заболоченности и в труднодоступных местах. При этом наплавной мост может иметь неограниченные размеры, собираться в несколько слоев, что кратно увеличивает его плавучесть, а система якорения позволяет его надежно зафиксировать.

Недавний пример использования полимерных понтонов — завершившиеся к началу сентября работы по сооружению моста из полимерных модульных понтонов UMATEX через реку Емца в Архангельской области. Прежний понтонный мост, связывавший автодороги Емецк — Сельцо и Зарека — Рипалово, 40 лет обеспечивал транспортное сообщение с поселком Пешемское, деревнями Мякурье, Усть-Мехреньга и Рипалово, в которых живет более двухсот жителей, не считая полутора тысяч дачников. После разрыва креплений этого моста от Емецка до Сельца были отбуксированы две половины нового полимерного наплавного моста. Мост рассчитан на проезд транспорта с нагрузкой до 10 тонн на ось, имеет ограждения для пешеходов по правому и левому борту, а вдоль проезжей части — колесоотбойный брус.

Проще простого

Чтобы дополнить представленные в докладе Евгения Михалдыкина примеры применения углекомпозитов в российском мостостроении, я попросил его рассказать о самом большом мосте из углеволокна и перспективах строительства таких мостов в России. Спикер ответил, что чисто углепластиковых мостов, по его сведениям, не существует, можно лишь говорить о трубобетонных конструкциях с углепластиковой оболочкой. В качестве примера он привел автомобильный мост, построенный «Росатомом» в 2017 году в поселке Языково Ульяновской области. Этот грунтозасыпной мост арочного типа имеет длину 15 метров и рассчитан на нагрузку Н14 (102,8 тонны). Арочные элементы моста выполнены из углепластика с бетонным сердечником, который заливался через специальные отверстия после завершения монтажа арок.

Углепластиковые трубы с бетонным сердечником в качестве несущих конструкций мостовых сооружений прежде в России не применялись. Оказалось, что смонтировать их гораздо проще, чем традиционные балочные мосты, — все 19 композитных труб были смонтированы вручную, без кранового оборудования, за один день. А всего на строительство углепластикового моста понадобилось два месяца против трех месяцев, за которые был бы построен мост из железобетона. Кроме того, благодаря применению углепластика на конструкции моста было затрачено 22 млн рублей, тогда как традиционный мост обошелся бы более чем в 30 млн рублей.

Все это говорит о том, что возможности углепластика в мостостроении не исчерпываются одним лишь внешним армированием, и у этого материала в нашей стране есть большие перспективы. Поиск новых сегментов его применения продолжается.

Справочно:

Сырьем для получения углеволокна являются синтетические полиакрилонитрильные волокна, которые называют ПАН-прекурсорами (от латинского praecursor — предшественник).