Композиты и мосты
статья

Композиты в дорожном строительстве

Об увеличении спектра применения композитных материалов сейчас говорят на самых разных уровнях. Наиболее емкий рынок потребления композитов - это строительство вообще и дорожное в частности. Но пока присутствие инновационных материалов в этом сегменте оставляет желать лучшего.

Эксперт обозначил причины слабого использования композитов в дорожной отрасли. Это отсутствие нормативных документов, определяющих требования к свойствам, методам, испытаниям и методикам расчета, отсутствие спроса со стороны заказчиков (Росавтодор, ГК "Автодор"), которое вызвано тем, что зачастую подделку невозможно отличить от качественного изделия. То есть потребитель может купить на строительном рынке композитную арматуру, на которую есть сертификат, но сама арматура при этом окажется кустарщиной и через полгода растворится в бетоне. И наконец, отсутствие механизма, позволяющего использовать в проектах конструкций инновационные изделия, на которые еще не разработаны нормативные документы, со стороны Главгосэкспертизы.

Внедрение инновационных решений пока упирается в бюрократические стены, что абсолютно не стимулирует проектировщиков и подрядчиков на использование новых, экономически целесообразных, долговечных материалов и строительных технологий.

В дорожном строительстве сейчас находят применение композитные перильные ограждения, лестницы, пролетные строения пешеходных мостов.

На автодорогах М-1 "Беларусь" и М-4 "Дон" установлены надземные пешеходные переходы с пролетными строениями из композитных материалов, для монтажа которых потребовалось менее часа. Еще один спектр применения - водопропускные трубы. На их стенах, в отличие от железобетонных и гофрированных, не откладывается грязь. Экономия при монтаже таких труб достигает 40%. По зарубежному опыту можно судить, что срок службы композитных труб - около 50 лет при перепадах температур от минус 60 до плюс 70 градусов. По крайней мере, в Швейцарии водоотвод длиной 3 км, уложенный еще в 1961 году, находится в идеальном состоянии. В США композитные водопропускные трубы используют аж с 1944 года - и те до сих пор служат!

Прекрасно проявила себя и технология армирования асфальтобетона, примененная в России на нескольких участках. При капитальном ремонте дороги М-7 около Ижевска в 2016 году на участке длиной 114 метров под слой асфальтобетона была уложена стеклопластиковая арматурная сетка. В отличие от соседних участков, до сих пор там не появилось ни колейности, ни трещин дорожной одежды. А участок улицы в Перми, уложенный по такой же технологии, не требует ремонта уже больше 7 лет при норме 5 лет.

ГОСТ 31938-2011 устанавливает предельную температуру эксплуатации композитной арматуры +60 градусов. Асфальт же укладывают при температуре минимум +120, да еще и сразу прокатывают тяжелым виброкатком. В то же время в России есть целый набор уже применяющихся инновационных способов борьбы с колейностью - добавки в битум, делающие покрытие более прочным, дисперсное армирование (волокно и крошка), геосетки и прочее. Кроме того, нет норм, по которым проектировщик может рассчитать количество композитной арматуры в дорожном покрытии.

На участке дороги под Ижевском сетка из арматурных стержней имеет ячейку заметно больше площади отпечатка колеса машины. Это как раз и говорит о том, что просто асфальта, без арматуры, было бы достаточно, иначе дорожное покрытие деформировалось бы между стержнями арматурной сетки и ее "рисунок" проступил на поверхности.

Впрочем, умалять достоинства композитной арматуры не стоит. Композитная арматура не ржавеет, как металлическая, и при этом имеет в разы большую прочность и сопоставимую при массовом производстве стоимость. Недостаток - высокая деформативность: бетонные балки с ее применением, запроектированные как если бы это был обычный железобетон, потрескаются и провиснут под нагрузкой. А нормативная база для мостовых конструкций с композитной арматурой отсутствует, как и массив опытно-экспериментальных данных, позволяющих сформировать ее в полном объеме.

Сейчас около 30% объема мирового производства композитов, а это свыше 4 млн тонн, используется в строительстве, из них в дорожной отрасли - 2,5 млн тонн. В России же эти показатели пока не впечатляют. Но есть надежда, что в ближайшее время ситуация изменится.

Традиционные материалы - камень, железобетон и металл - постепенно заменяют другими, более долговечными и надежными - полимерами и композитами.

Наиболее широко при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте и ремонте объектов дорожного хозяйства в мировой практике применяются:

• цельнокомпозитные пролетные строения мостовых сооружений;
• пролетные строения мостовых сооружений из полимерных композитных профильных изделий, изготовленных по технологии пултрузии;
• элементы надземных частей опор арочного типа для мостовых сооружений из полимерных композитов;
• настилы дорожного полотна и тротуаров пешеходной части из полимерных композитов для железобетонных и стальных пролетных строений мостовых сооружений;
• цельнокомпозитные лестничные марши и лестничные сходы мостовых сооружений;
• лестничные марши и лестничные сходы мостовых сооружений из полимерных композитных профильных изделий, изготовленных по технологии пултрузии;
• ограждающие конструкции и перила мостовых сооружений из полимерных композитов;
• мобильные дорожные покрытия из полимерных композитов для обустройства временных дорог и проездов;
• композитные модификаторы асфальтобетонных смесей;
• системы внешнего армирования из полимерных композитов для ремонта и реконструкции искусственных сооружений;
• ремонтные системы на основе термореактивных материалов для ремонта металлических конструктивных элементов искусственных сооружений;
• полимерная композитная арматура (взамен металлической арматуры);
• ливневые очистные сооружения из полимерных композитов для обустройства автомобильных дорог;
• шумоизолирующие экраны из полимерных композитов;
• шумопоглощающие экраны из полимерных композитов;
• павильоны остановок общественного транспорта из полимерных композитов;
• опоры освещения из полимерных композитов;
• опоры из полимерных композитов для дорожных знаков, светофоров, дорожных указателей и других дорожных конструкций, требующих опор;
• полимерные композитные водопропускные трубы;
• лотки из полимерных композитов для устройства водоотводящих и дренажных систем;
• дорожные люки из полимерных композитов;
• дорожные сетки из полимерной композитной арматуры для армирования бетона и цементобетона;
• фибра из полимерного волокна для армирования цементных, бетонных, пеногазобетонных и асфальтобетонных смесей;
• композитные модификаторы асфальтобетонных смесей;
• люки с обоймами, решетки ливнеприемников с обоймами композитные, устанавливающиеся совместно с композитным армированием прилегающего участка дорожного полотна;
• бетонные элементы дорожного обустройства (поребрики, разделители и т.д.) с композитным армированием вместо стального армирования;
• георешетки из композитной арматуры;
• анкера композитные в швах сжатия и расширения, в продольных деформационных швах при ремонте и строительстве цементобетонных автомобильных дорог;
• композитные трапы для мостовых сооружений и пешеходных переходов;
• элементы дорожного обустройства, выполненные из конструкционных композитных оболочек и внутреннего армирования (в том числе собираемые на месте установки) с последующим заполнением бетоном;
• мостовые несущие конструкции – стандартизированные гибридные балки с применением конструкционных композитных материалов (HCB) на стандартные длины 9, 12, 18 и 24 метра;
• опорные мостовые конструкции применением конструкционных композитных оболочек в качестве внешнего армирования;
• сборные композитные панели с замковым сочленением – несъемная опалубка как элемент конструкции внешнего армирования мостовых сооружений;
• микросвайное композитное армирование с инжекционным нагнетанием цементного раствора через полость композитного пустотелого анкера;
• конструкционные композитные анкера и сетки для устройства тоннельного свода по современным технологиям горной проходки
• микросвайное поле из композитной арматуры, георешеток и профилей для укрепления основания и слоев автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты;
• километровые столбики-знаки композитные с низким энергопоглощением;
• опоры для рекламных щитов и порталы с применением конструкционных композитных материалов;
• ограждения пешеходные композитные для ограничения доступа на проезжую часть;
• отбойники дорожные металлокомпозитные с высокой абсорбцией энергией импульса при наезде с низкими эксплуатационными затратами;
• безопасный пешеходный переход с применением конструкционных композитных материалов для неосвещенных участков дорог с применением подвесных осветительных панелей, расположенных над пешеходным переходом освещающих пешехода от датчиков движения.

Этот перечень, не является конечным и ежегодно пополняется новыми техническими и технологическими решениями.

Композитные мосты — начало пути

Эксплуатация композитных мостов на порядок дешевле железобетонных

В Европе с каждым годом увеличивается количество мостов, которые строятся с применением конструкций из композитных материалов. Так, в Голландии, на данный момент сооружено уже более 40 таких мостов. В США имеется уже более 300 мостов, в конструкцию которых включены различные композитные элементы.

Если обратиться к статистике, то в России порядка 20% путепроводов, эстакад и мостовых сооружений находятся в неудовлетворительном состоянии. Срок их службы, заявленный как пятьдесят лет, сокращается из-за воздействия химических реагентов, перепадов температур и высокой интенсивности эксплуатации.

Первый в России композитный мост был спроектирован в октябре 2003 года совместно с зарубежными фирмами по заказу Министерства путей сообщения РФ и установлен в микрорайоне Чертаново на юго-востоке г. Москвы. Он спроектирован по разрезной, трехпролетной схеме (пролёты длиной 13 х 15 х 13м). Пролётные строения выполнены в виде фермы с открытым верхним поясом и установлены через железнодорожные пути, расположенные в выемке земляного полотна. Ширина моста —3 м, вес —19 тонн. Сооружение моста было завершено в ноябре 2004 года. Время монтажа каждого пролета заняло около 4 часов. Состав профилей: пояса —U 200x60x10 (Fiberline), стойки и раскосы — квадратные трубы 100x100мм и 100x60мм, толщина 8 мм, настильный профиль — ортотропная плита толщиной 40 мм, балки пола —U 200x60x10. Соединения композитных элементов во всех мостах осуществлялись накладками и крепежом из нержавеющей стали.

Пешеходный мост в Косино стал вторым, он расположен за пределами г. Москвы на восточном направлении. Проект моста на платформе с цельнокомпозиционными пролетными строениями разработан в 2004 году. Мост выполнен по разрезной трехпролетной схеме (два пролёта по 17 м) с двумя сходами шириной 4 м и одним сходом шириной 5 м. Ширина пролетных строений 5 м. Пролетное строение — ферменная балка высотою 1,6 м с проходом сверху.

При выборе конструктивной схемы пролетных строений рассматривались варианты систем балочной, вантовой и решетчатой фермы. Выбор системы определился на основе традиционных критериев с учетом физико-механических характеристик композитных профилей. При проектировании были выполнены расчеты с применением плоских и пространственных расчетных схем: на прочность (элементов и соединений), устойчивость, колебания и живучесть при повреждении отдельных элементов главных ферм, включая верхний пояс. Проект пролетных строений выпущен в соответствии с временными техническими условиями НИИ Мостов, утвержденными Департаментом пути и сооружений МПС РФ.

Параллельно с разработкой проекта НИИ Мостов были выполнены испытания фрагментов пролетных строений, а после сборки пролетных строений — также натурныестатические и динамические испытания наиболее длинного пролёта. Монтаж трех пролетных строений выполнен с двух стоянок краном грузоподъемностью 90 т за время 4,5 часа.

Мосты есть, а нормативы?

По словам главного специалиста профильного института Александра Бейвеля, первые в России пешеходные мосты из стеклопластиковых материалов были запроектированы на основе существующих нормативных документов для стальных, железобетонных и деревянных мостов:
  — Стандарт для проектирования мостовых конструкций СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы.
— СНиП 3.06.07-86Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний.
— МГСМ 5.02-99Система нормативных документов в строительстве. Московские городские строительные нормы. Проектирование городских мостовых сооружений.
— ТУ на стеклопластики «АпАТэК».

Для применения в мостовых конструкциях стеклопластиков были проведены работы по получению в 2004 году сертификатов Госстроя России соответствия на материалы СППС (№ ТС-07-0833-03) и собственно на типовые элементы мостовых конструкций из СППС (№ ТС-07-0873-04). В 2005г. для проектирования мобильного моста со сходами из композитных материалов на основании предыдущего опыта конструирования и расчётов Центральным научно-исследовательским институтом строительства (ОАО ЦНИИС, г. Москва), были разработаны Временные технические условия (ВТУ) “Конструкция пешеходных мостов из композиционных материалов" № 5772-001-01388383-2005. ВТУ являлись основным нормативным документом в Москве и Московской области для создания мостов и переходов из композитных материалов. На основе этих ВТУ по заказу правительства г. Москвы был спроектирован мобильный мост и последующие объекты в 2005—2007гг.

Затем Министерством регионального развития РФ были приняты СП35.13330.2011 «Мосты и трубы». Актуализированная редакция СНиП2.05.03-84 и СП46.13330.2012 «Мосты и трубы». Актуализированная редакция СНиП3.06.04-91, но это общие правила.

К сожалению, на сегодняшний день не существует единого национального стандарта. Хорошо, что совсем недавно появился стандарт «Межрегионального объединения дорожников «СОЮЗДОРСТРОЙ» «Автомобильные дороги Сооружение пешеходных мостов из полимерных композитных материалов».

Легко строить, легко мыть

Однако вернемся к мостам: только в 2008 году в Гессене был смонтирован первый в Европе мост из композитных материалов длиной 27 метров и шириной 5 метров. В России, как мы уже говорили, первый мост был построен в 2004 году. Испанцы также оценили преимущества углепластиковых мостов. Первый мост был построен в Мадриде в 2011 году через реку Манзанарес. Его длина 44 метра и ширина 3,5 метра. Установка конструкции заняла 120 минут, на ее сооружение ушло 12 тонн углепластика. Следующий мост уже длиной 200 метров был сооружен в городе Куэнко. В нашей же стране за период с 2004 года по настоящее время построено порядка40 пешеходных мостов с применением композитных материалов.

Необходимо отметить, что композитные мосты находят широкое применение не только в столичном регионе и олимпийском Сочи. Так, с осени прошлого года начато их строительство в Татарстане и Красноярском крае.

Композитные мосты обладают следующими преимуществами:
— не гнутся и не деформируются под воздействием высоких температур;
— не требуют ухода, окраски, моются с помощью воды;
— не подвергаются коррозии;
— обладают высокой огнестойкостью;
— за счет небольшого удельного веса материала композитные конструкции оказывают меньшее давление на опоры и снижают их капитальную стоимость;
— монтаж прост, установка большинства типовых конструкций занимает несколько часов;
— обладают высокой акустической прочностью и устойчивостью к землетрясениям;
— возможность поставки в виде отдельно собранных, легко транспортируемых, заменяемых и наращиваемых модульных конструкций;
— легковесность и возможность использования ручной сборки в труднодоступных для техники местах.

Несмотря на то, что стоимость строительства стеклопластикового моста оказывается на 10% выше стального моста, стоимость эксплуатации первого существенно ниже (практически в 10 раз).