Ключевая тенденция – инновации

Одной из ключевых тенденций развития промышленности и строительства является все более расширяющееся использование инновационных материалов и технологий.

К таким прогрессивным материалам относятся алюминиевые сплавы и композиты, которые благодаря своим неординарным функциональным качествам все активнее применяются при возведении мостовых сооружений на территории России.

Из «крылатого» металла

По мнению многих отечественных и зарубежных экспертов, алюминий получил негласное звание «материала 21-го века». Такие преимущества конструкций из этого материала, как незначительная удельная масса, высокая коррозионная стойкость, технологичность изготовления и легкость монтажа обеспечили «крылатому» металлу активное применение в последние десятилетия в области мирового мостостроения. В нашей стране до последнего времени строительство мостов из алюминиевых сплавов сдерживалось отсутствием нормативной документации применительно к данному виду строительства.

Тем не менее с 2017 года в России удалось построить целый ряд пешеходных мостов из алюминиевых сплавов: два – в Нижегородской области, два – в Красноярске, два – в Москве и один – в Туле, созданный в рамках нацпроекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги». Собственно, ускоренное развитие алюминиевого мостостроения в нашей стране стало возможным с утверждением в 2019 году Минстроем России свода правил СП 443.1325800.2019 «Мосты с конструкциями из алюминиевых сплавов. Правила проектирования», разработанных Московским государственным строительным университетом (НИУ МГСУ), который обладает уникальной экспериментальной базой и сформировал коллектив с привлечением высококвалифицированных специалистов НИУ МГСУ, МАДИ и ЦНИИС с многолетним опытом научных исследований и разработки нормативной документации в области строительства.

Сам СП 443 освобождает проектировщиков от необходимости проходить дополнительную и достаточно затратную процедуру согласования проекта в рамках утверждения специальных технических условий (СТУ), что заметно удешевляет проектирование и снижает сроки строительства. В настоящее время СП 443 распространяется только на проектирование пешеходных мостов из алюминиевых сплавов, поскольку в России практически отсутствует опыт проектирования и строительства автодорожных мостов, за исключением в целом неудачно построенного в 1963 году в СССР и вскоре разобранного автомобильного моста в городе Руза Московской области.

Для расширения сферы применения СП 443 на автодорожные мосты АО РУСАЛ ТД при содействии Алюминиевой ассоциации заказал у НИУ МГСУ комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), имеющий основной целью исследование специфики применения алюминиевых сплавов в автодорожных мостах с последующим использованием полученной для разработки версии СП 443 в редакции для автодорожных мостов. Ключевым моментом в данном комплексе НИОКР стало проектирование и создание из перспективного для мостостроения алюминиевого сплава EN AW-6082 T6 ортотропной плиты – одного из основных конструктивных элементов пролетного строения автодорожного моста, непосредственно воспринимающего нагрузку от движущегося автотранспорта.

Для этой цели специалисты НИУ МГСУ спроектировали компоненты, формирующие указанную ортотропную плиту. Работу сформированной из девяти элементов плиты размером два на четыре метра на действие нагрузок от автотранспорта специалисты подробно смоделировали методом конечных элементов (МКЭ). На Красноярском металлургическом заводе (КраМЗ) из данного сплава современным технологическим методом экструзии изготовили компоненты ортотропных плит, из которых затем также с применением инновационной технологии – сварки трением с перемешиванием (СТП) – на заводе «Сеспель» выпустили опытную партию ортотропных плит. В течение 2020 года в испытательном центре НИУ МГСУ изготовленные ортотропные плиты с различными типами дорожного покрытия (без покрытия, асфальтобетон, синтетическая смола на эпоксидной основе) подвергли масштабным испытаниям на статическое и динамическое (усталостное) воздействие нагрузок, имитирующих проезд автотранспорта.

Проведенные испытания ортотропных плит из алюминиевого сплава EN AW-6082 Т6 при общей небольшой массе отдельной плиты около одной тонны показали высокую сопротивляемость этого изделия на действие статической нагрузки – 85 тонн без образования пластических деформаций и циклической нагрузки – 17 тонн после 2х106 циклов без образования усталостных трещин как в самих плитах, так и в стыке между ними. Плиты с асфальтобетонным покрытием также подвергли огневым испытаниям в лаборатории огнестойкости НИУ МГСУ, результаты которых выявили высокую степень сопротивляемости огневому воздействию – около одного часа без потери несущей способности.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали высокие прочностные, деформативные и усталостные характеристики ортотропных плит и соединительных узлов между ними, что подтверждает возможность использования данных конструкций в пролетных строениях как новых автодорожных мостов из алюминиевых сплавов, так и при реконструкции эксплуатируемых железобетонных мостов с повышением их несущей способности без дополнительных усилений за счет простого снижения массы плит. Помимо проведенных работ по проектированию, созданию и испытаниям ортотропных плит, в составе НИОКР с привлечением специалистов и испытательной базы Института легких материалов и технологий (ИЛМиТ) РУСАЛа провели комплекс исследований.

Речь идет об определении физикомеханических свойств (прочности, деформативности, выносливости, ударной вязкости, коррозионной стойкости) алюминиевого сплава EN AW-6082 T6 и выполненных на его основе конструктивных узлов; определении свойств сварных соединений из сплава EN AW-6082 T6 с использованием традиционной аргонодуговой сварки (АДС) и инновационной сварки трением с перемешиванием (СТП); натурных динамических испытаниях существующих пешеходных мостов в Москве, Красноярске, Туле для определения декремента колебаний – основного параметра для расчета прочности конструкций при динамических воздействиях.

Результаты испытаний активно использовались при разработке специальных технических условий (СТУ) на проектирование первого в России автодорожного моста из алюминиевых сплавов EN AW-6082 Т6, 1565 чМ через реку Линда в Нижегородской области. По мнению ведущих специалистов НИУ МГСУ, автомобильные мосты, выполненные из алюминиевых сплавов, являются знаковым примером развития современных строительных технологий, конструкция имеет малую массу, фактически в два с лишним раза легче, чем стальная, поэтому может быть полностью и с высоким качеством изготовлена в промышленных условиях. Дальнейшая сборка и монтаж занимают всего несколько часов, что приводит к экономии времени и финансовых средств. Главное, что в дальнейшем такой мост практически не требует дополнительных затрат во время эксплуатации.

По убеждению ведущих экспертов ЦНИИС, алюминиевые сплавы являются перспективным материалом. Низкая масса и коррозионная стойкость делают алюминий востребованным для сооружения мостов. В 2019–2020 годах сотрудники лабораторий ЦНИИС и МАДИ обследовали все эксплуатируемые пешеходные мосты из алюминиевых сплавов на территории России. Проблем с надежностью и безопасностью данных объектов обнаружить не удалось.

В настоящее время НИУ МГСУ разработал и опубликовал в сети Интернет для широкого общественного обсуждения Изменение №1 к СП 443.1325800.2019 в редакции для автодорожных и пешеходных мостов. Упомянутый документ совместно с результатами проведенных НИОКР передали в Министерство строительства России для проведения экспертизы и утверждения.

Композиты укрепляют позиции

В последние десятилетия все больше и больше применяется композитных изделий в дорожном строительстве, и это совершенно естественно. Большой срок эксплуатации, отсутствие коррозии, легкость монтажа, прочность – это лишь некоторые преимущества данного материала. Проектирование и монтаж композитных перил, так же как и водоотводных лотков, уже стали нормой. Если раньше многие строительные организации воспринимали инновационный материал в штыки, то в настоящее время, оценивая не только технические преимущества, но и экономические, применяют повсеместно. Ни для кого не секрет, что необходимо не только строить новые участки дорог и мостовые сооружения, но и ремонтировать и обновлять уже эксплуатирующиеся.

По данным Ассоциации «РАДОР», на территории нашей страны в аварийном состоянии находятся 1132 моста регионального и межмуниципального значения, а также 364 местного значения. По оценкам специалистов ООО Нанотехнологический центр композитов» (ООО «НЦК»), применение, например, системы внешнего армирования CarbonWrap (СВА) для восстановления колонн и пролетных конструкций моста или путепровода позволяет почти вдвое (до 50%) сократить время на ремонт и при этом максимально снизить неудобства для участников дорожного движения. Сотрудничество с профильными научными организациями позволяет внедрять композитные изделия во все сферы жизнедеятельности.

Например, при непосредственном участии ООО «НЦК» Министерство строительства России утвердило и выпустило Свод правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами». До появления этого документа применение композитов для усиления железобетона в России фактически не имело нормативной базы. По результатам сравнения эффективности использования композитных материалов при ремонте железобетонных конструкций можно сделать вполне определенные выводы. Применение системы внешнего армирования на основе полимерных композитных материалов является наиболее предпочтительным по сравнению с другими методами, поскольку при этом не происходит дополнительного нагружения и нарушения существующих конструкций, при производстве работ не требуются специальные механизмы для подъема элементов усиления и, помимо всего, система обладает эстетичным внешним видом.

Затраты при усилении конструкций системой внешнего армирования во всех случаях ниже стоимости усиления традиционными методами. Экономическая эффективность применения системы внешнего армирования по сравнению с уже известными методами составляет в среднем: для колонн – 32,7%; для балок и ригелей – 190%; для сборных плит перекрытия – 102%; для монолитных плит перекрытия – 395%. Трудоемкость усиления конструкций с помощью СВА во всех случаях ниже трудоемкости усиления традиционными методами. Эффективность применения СВА (по трудоемкости) по сравнению с использующимися методами составляет в среднем: для колонн – 200%; для балок и ригелей – 400%; для сборных плит перекрытия – 75%; для монолитных плит перекрытия – 600%.

Применение системы внешнего армирования позволяет в значительной степени снизить массу конструкции усиления по сравнению с традиционными методами в зависимости от типа конструкции, что в свою очередь дополнительно ведет к снижению транспортных расходов. В нашей стране разработали и выпускают для дорожного строительства и ремонта систему внешнего армирования, включающую углеродные ленты, ламели, сетки, специальные эпоксидные и ремонтные составы, композитные перильные ограждения и водоотводные лотки, защитные футляры для газовых труб.

В разработке находятся композитные защитные экраны, подводное усиление опор, перила для пандусных сходов. Каждый из этих продуктов востребован дорожным хозяйством и активно применяется не только на территории России, но и в СНГ, Индии, Турции, Японии и даже в странах Латинской Америки. При проектировании и изготовлении подобных изделий всегда учитываются факторы внешней среды эксплуатации и потребности заказчика. Так, при производстве перильных ограждений используются высококачественные УФ-стойкие пигменты, а для усиления и ремонта мостов и путепроводов отечественные специалисты разработали и выпускают специальные углепластиковые ламели с очень высокими характеристиками по прочности.

Повышение технологичности в первую очередь подразумевает модернизацию производства. Например, один из недавних крупных и важных проектов – поставка композитных перильных ограждений и водоотводных лотков на ЦКАД вокруг Москвы. Всего для этой цели изготовили более 30 км перильных ограждений и 15 км лотков. Естественно, без работ по автоматизации производства реализация такого значительного по объему заказа в сжатые сроки была бы невозможна. На сегодняшний момент в нашей стране полностью автоматизировали производство подвесных водоотводных лотков. При этом цикл выпуска одного подобного изделия не превышает 10 минут.

Валерий Васильев

КОНТАКТЫ
+7 495 748-36-84

107023, Москва, ул. Электрозаводская, 24, офис 403

info@iz-dorogi.ru

Учредитель: АО «Издательство Дороги»

Журнал «Автомобильные дороги»
издаётся при поддержке Министерства транспорта РФ и Федерального
дорожного агентства.