Диссертация (Влияние базальтопластиковой футеровки на геоэкологическую устойчивость прилегающего подземного пространства канализационных коллекторов), страница 6

Этоприводит к проникновению в почву сточных вод и продуктов коррозии конструкций канализационных коллекторов.Можно предположить, что использование базальтопластиковой футеровкижелезобетонных конструкций канализационных коллекторов окажет позитивноевлияние на геоэкологическую устойчивость прилегающего подземного пространства канализационного коллектора.35ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВАБАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВОЙ ФУТЕРОВКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИЛЕГАЮЩЕГО ПОДЗЕМНОГОПРОСТРАНСТВА КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ2.1 Выбор экологически безопасных компонентов для изготовлениябазальтопластиковой футеровкиБазальтопластиковая футеровка представляет собой специальную многослойную обделку, состоящую из термореактивных смол, рубленых базальтовыхволокон, ткани из базальтовых волокон и армирующих элементов для сцепленияфутеровки с бетоном, предназначенную для обеспечения защиты внутренних поверхностей железобетонных блоков от возможных механических, термических,физических и химических повреждений [91, 93, 98].

Элементы базальтопластиковой футеровки изготавливаются в заводских условиях на пресс-форме, затем последовательно укладываются слои волокон и ткани из базальтовых волокон ипропитываются термореактивным связующим. После формования изделия поступают в термокамеру, где происходит его отверждение (полимеризация связующего). Отформованные элементы базальтопластиковой футеровки укладываются вформы для производства железобетонных блоков для канализационных коллекторов с последующей установкой арматурного каркаса, укладкой бетонной смеси итепловлажностоной обработкой.В настоящее время существует возможность конструировать состав иструктуру базальтопластиковых изделий, отвечающих заданным условиям эксплуатации, выбирать исходные компоненты, формировать границу раздела фаз«матрица-наполнитель», рассчитывать и прогнозировать эксплуатационные свойства конструкций [46].362.1.1 Подбор армирующих волоконОсновным несущим элементом в полимерных композиционных материалах,обеспечивающим жесткость и прочность, является армирующее волокно.

Для армирования коррозионностойких изделий обычно используется стеклоровинг истеклохолст из стеклянных нитей, а также металлические волокна. Однако данныематериалы не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым в канализационных коллекторах к данным материалам.Комплексные исследования характеристик базальтовых волокон и материалов на их основе позволили выявить следующие основные преимущества посравнению с стеклянными и металлическими волокнами.Высокая прочность базальтовых волокон на разрыв, превышающая соответствующий показатель металлических волокон в 2-2,5 раза, стеклянных волокон(из Е-стекла) - в 1,4-1,5 раза. В таблице 2.1 приведены данные о прочности на разрыв непрерывного базальтового волокна в сравнении со стеклянным и металлическим волокнами, в таблице 2.2 - прочность на разрыв ровингов марки RB 10 из базальтового непрерывного волокна в сравнении со стеклянным и металлическимровингами.В отличие от производства базальтовых волокон при производство Е-стекласуществует ряд экологических проблем: повышенные пылевыделения и летучестькомпонентов стекла; высокие рабочие температуры в печи, повышенный расходгазообразного топлива и повышенные выбросы оксидов углерода и азота.Таблица 2.1 -Прочность на разрыв базальтового волокна в сравнении со стеклянным и металлическим волокнамиДиаметр элементарного волокна,мкм568911208214205949782Базальтовое волокноПрочность элементарного волокна на разрыв, кгс/мм2215210Металлическое волокноПрочность элементарного волокна на разрыв, кгс/мм21009537продолжение таблицы 2.1Стеклянное волокноПрочность элементарного волокна на разрыв, кгс/мм2151145142147139Таблица 2.2 - Прочность на разрыв ровингов марки RB из базальтового волокна всравнении со стеклянным и металлическим ровингамиДиаметр элементарного волокна, мкмЧисло ТЕКСРазрывная нагрузка, НРовинг марки RB из базальтового волокна101200700Металлический ровинг10-200Стеклянный ровинг10600400Базальтовые волокна обладают высокой коррозионной и химической стойкостью к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей.

Данные о химической стойкости базальтового волокна в различных средах представлены в таблице 2.3.Таблица 2.3 - Химическая стойкость базальтового волокна в различных средахТип образца из непрерывногобазальтового волокнаМасса образцов после выдерживания в различных средах,% от исходной массы0,5 Н раствор 2 Н раствор2 Н растворВодаNaOHNaOHНС1Образец № 199,6398,392,876,9Образец № 299,7098,990,749,9Образец № 399,6094,683,338,8Как следует из таблицы 2.3, базальтовые волокна отличаются очень высокой стойкостью к растворам щелочей. Это свойство открывает широкие перспективы применения базальтовых волокон в конструкциях, эксплуатируемых в условиях воздействия влаги, растворов солей, щелочных и других химических сред.Таким образом, возможна замена базальтопластиками металлических конструкций, которые под воздействием химически активных сред подвержены коррозии.38При этом соотношение качества, эксплуатационных характеристик и ценыбазальтовых волокон самое высокое по сравнению со стеклянными и углеродными волокнами.

Стеклянное волокно не обладает такими характеристиками, как базальтовое волокно, а стоимость углеродного волокна во много раз выше.Проведенные исследования показали, что волокна из базальта, при этих жеусловиях, не теряют своих прочностных характеристик [65]. Это позволяет говорить о стабилизации свойств композитов, изготовленных на основе базальтовыхармирующих материалов.Изготовление футеровок железобетонных блоков из базальтопластика позволит повысить коррозионную стойкость материала футеровки к воздействиюкислой и щелочной среды сточных вод.Для изготовления полимерной футеровки высокоточных железобетонныхблоков в качестве армирующих материалов выбраны:- рассыпающийся стеклоровинг из базальтового волокна;- ткани из базальтовых волокон.2.1.2 Подбор связующегоВ основу поиска связующего был положен выбор типа смоляной части инеобходимых отвердителей и других модифицирующих компонентов, обеспечивающих требуемые химические, физико-механические свойства и технологические показатели переработки связующего, в первую очередь его экологическаябезопасность, прочностные свойства и стойкость в агрессивных средах.Рассматривались: эпоксидиановые, бисфенольные полиэфирные смолы,эпоксивинилэфирные и др.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.4.39Таблица 2.4 - Физико-механические свойства связующихТип смолыСвойстваотвержденногосвязующегоПлотность, г/смСодержание стирола, %На основеэпоксиднойсмолыНа основеполиэфирнойсмолыНа основевинил эфирной смолыМетод испытаний1,21,031,04 – 1,12ISO 2884-5340ASTM D 3278продолжение таблицы 2.4Твердость по Барколу454135ASTM D 2583Относительное удлинение при разрыве, %4,52,53,5ASTM D 638Теплостойкость, 0С1109095ISO 75-1/ 2-1993Предел прочности, МПа- при растяжении- при изгибе8010075925595ISO 527-1/2-1993ISO 178 -1993ASTM D 790250023302300ГОСТ 9550-81Модуль упругости прирастяжении, МПаУчитывая высокую коррозионную стойкость (стойкостью к действию воды,минеральных масел, неорганических кислот, органических растворителей), а также меньшую стоимость, для изготовления полимерной футеровки высокоточныхжелезобетонных блоков выбрано связующее «УНИПЭК» [45] на основе полиэфирных смол, выпускаемое ООО «ЭкоТеплоХим» и ОАО «НПО «Стеклопластик».В таблице 2.5 представлены результаты испытаний «УНИПЭК» после экспозиции в химически активных средах, превышающих химическую активностьсреды внутри канализационного коллектора.

Исходная прочность при растяжении– 70 МПа.40Таблица 2.5 - Результаты испытаний «УНИПЭК» после экспозиции в химическихсредахСреда,температураПоказатели10%-ный раствор 60%-ный растворH2 SO4H2 SO4Т = 500СТ = 800СВремяВремяэкспозицииэкспозиции3ч3чН3РО4(54% Р2О5)Т = 950СВремяэкспозиции3чОстаточная прочность, МПа65,2460,5568,39Потеря прочности, %6,813,52,3Из данных таблицы 2.5 следует, что связующее «УНИПЭК» имеет высокуюкоррозионную стойкость в химически активных средах.Вода и водные растворы неорганических солей выступают в роли химически агрессивных сред по отношению к полимерной футеровке высокоточных железобетонных блоков. При изучении химической стойкости композиционных материалов и защитных свойств футеровки на их основе определяют массу агрессивной жидкости, проникающей в связующее по привесу [26].

Для расчета долговечности полимерной футеровки на основе связующего «УНИПЭК» в качествекритерия оценки использован показатель водопоглощения за различный периодвоздействия воды. В соответствии с ГОСТ 12020 [37] за долговечность футеровкипринимается период времени, за который прогнозируемое водопоглощение связующего достигнет 5%. График, построенный по данным проведенных испытаний(рисунок 2.1) показывает, что прогнозируемый срок службы полимерной футеровки с учетом 5-ти процентного запаса функциональности составляет 42 года.41Рисунок 2.1 – Зависимость водопоглощения связующего «УНИПЭК»,используемого для получения футеровки от времени эксплуатации2.2 Разработка конструкции базальтопластиковой футеровки2.2.1 Определение процентного соотношения армирующего материалаи связующего из условий трещиностойкостиТрещиностойкость является одним из важнейших показателей надежностиполимерной футеровки, т.к.

образование трещин приводит к значительно болеебыстрому разрушению конструкций канализационных коллекторов а, следовательно, к аварийной разгерметизации. Таким образом, определение процентногосоотношения армирующего материала и связующего было определено из условийтрещиностойкости при воздействии эксплуатационных нагрузок [70, 76-78].Количественная оценка стадий процессов разрушения композиционных материалов должна проходить с учетом комплекса эксплуатационных факторов [94].Коэффициент интенсивности напряжений является главной характеристикойкомпозитов [101].

Оценку напряженно-деформированного состояния в зоненаиболее опасного места композитного материала можно провести при помощикоэффициента интенсивности напряжений, это даёт возможность оценить его несущую способность. Учитывая коэффициент интенсивности напряжений можноустановить взаимосвязь эксплуатационных факторов (нагрузка, температура, и42т.п.) и его трещиностойкость [66, 67].В основу определения критического коэффициента интенсивности напряжений (KQ) для случая обобщенного плоского напряженного состояния, определяемого в момент страгивания трещины-надреза, была положена методика, изложенная в работе [68, 69].