Восстановление мостов вдвое быстрее и дешевле их замены

Джинджер Гардинер
22.08.2022 93

Вместо того, чтобы сносить и заново отстраивать мосты, компания SUREbridge удваивает прочность и долговечность существующих конструкций с помощью настила из армированного волокном полимера, получая умное и экологичное решение.

Доказательство экономии времени и средств в Харденберге. Первая конструкция компании SUREbridge была установлена в октябре 2021 года на автомобильном мосту в Харденберге, Нидерланды. Настил из композиционных материалов от компании FiberCore Europe установили на существующее бетонное пролетное строение, удвоив грузоподъемность всего за шесть недель. Все изображения предоставлены InfraCore, FiberCore Europe

Большинству бетонных мостов и виадуков в Европе, которых насчитывается около миллиона, уже более 50 лет, то есть срок их службы истек. Многие из них подвержены повреждениям из-за воздействия противообледенительных солей, которые вызывают коррозию стальной арматуры и крошение бетона. Многие мосты также не рассчитаны на такое оживленное автотранспортное движение и нагрузки, которым они теперь подвергаются.

По оценкам, как минимум 10% всех бетонных конструкций в Европе необходимо восстановить или заменить до 2030 году, чтобы избежать таких опасных ситуаций, как обрушение моста Моранди в Генуе, Италия, который был подвержен коррозии бетона, но не был вовремя восстановлен. «Мост как машина», — заявляет Луиджи Гамбаротта, профессор строительной механики в Университет Генуи, в своей статье, опубликованной в The Guardian в 2019 году. «Его нельзя перегружать, а чтобы все работало, необходимо менять сломанные детали».

Согласно данным отчета по инфраструктуре в части мостов за 2021 год, из 617 000 мостов в США 42% старше 50 лет, а 46 154 (7,5%) имеют повреждения конструкции. Темпы решения проблем с 231 000 мостами, которые нуждаются в ремонте, с каждым годом снижаются на 0,1%. На настоящий момент ремонт всех этих мостов займет более 50 лет; однако процесс их разрушения опережает сроки ремонта или замены. По оценкам Федерального управления шоссейных дорог США, невыполнение ремонта мостов обойдется в 125 миллиардов долларов. Время уходит, а финансирования недостаточно.

Как отмечается в разделе, посвященном инновациям, в отчете по мостам США, композиционные материалы могут стать решением проблемы и обеспечить повышенную прочность, надежность и долговечность. Министерства транспорта по всей Европе отмечают то же. В 2014 году SUREbridge (Устойчивое восстановление существующих мостов) стал одним из десяти проектов, финансируемых Европейской комиссией, Министерством транспорта США и другими партнерами по программе Infravation (Инновации в инфраструктуре). Проект SUREbridge (октябрь 2015 – март 2018) проводился под руководством Rijkswaterstaat (Голландского агентства по инфраструктуре) при участии Технического университета Чалмерса (Гетеборг, Швеция), компании FiberCore Europe (Роттердам, Нидерланды) и AICE Consulting совместно с Пизанским университетом (Пиза, Италия). Было разработано и продемонстрировано решение, в рамках которого композиционный настил из армированного волокном полимера от компании InfraCore (Роттердам, Нидерланды) накладывался поверх уже существующего бетонного пролетного строения. При необходимости можно добавить предварительно прессованные композиционные материалы из углеродного волокна под существующее пролетное строение для дополнительной поддержки, используя проверенные методы упрочнения с помощью углепластика.

Результаты испытаний по проекту SUREbridge показали, что исходную грузоподъемность моста можно увеличить вдвое, что позволит расширить пролет и разместить на нем пешеходные или велосипедные дорожки. Метод был проверен в ходе исследования 2017 года на 60-метровом автомобильном мосту через реку Эльса в Сан-Маниато, Италия. Сейчас завершен и первый опытный проект на автомобильном мосту в городке Харденберг, Нидерланды. «В результате этого первого опыта мы поняли, что можем обновить мост за половину времени и затрат по сравнению со сносом старого моста и возведением нового», — говорит Марейн Велткамп, главный инженер компании FiberCore Europe

Устойчивое проектирование на примере моста в Харденберге

Мостом через реку Радевийкербек в Харденберге, построенным в 1960 году, в основном, пользуются только местные жители. Движение транспорта, включая тяжелую сельскохозяйственную технику, увеличивается, а мост на это не рассчитан. Из-за низкого качества бетонной конструкции, поврежденной под воздействием противообледенительных солей, единственное, что можно было сделать с мостом — снести, а на его месте построить новый, или обратиться к проекту SUREbridge.

Муниципалитет Харденберга выбрал последнее и привлек команду специалистов компании FiberCore Europe и крупного подрядчика, специализирующегося на инфраструктуре Strukton Civiel (Утрехт), а также регионального подрядчика Van Heteren (Хенгело) и конструкторскую фирму Nepocon (Хенгело). Эта команда курировала углубленные исследования перед строительством и последующий процесс оптимизации и уточнения проекта. Затем был выполнен ремонт и подготовка к установке настила из полимера, армированного волокном. Была изготовлена цельная панель из композиционного материала размером 4,8 x 19,6 метров и зафиксирована на уже существующем пролетном строении с помощью бетонного раствора, подаваемого насосом. Поскольку старое ограждение моста убрали, панель нового настила позволила расширить его на 50 см с каждой стороны. Когда проектирование было закончено, процесс восстановления SUREbridge занял шесть недель.

Предварительные исследования и подготовка к строительству

По словам Велткампа, при проведении любых работ по ремонту или замене необходим этап предварительных исследований и проектирования. «Этот процесс может занять несколько недель и выполняется муниципалитетом или дорожным управлением». Сюда входит изучение исходной конструкции моста, инспекция сооружений и фундамента, а также проведение испытаний проникающей способности хлорида, чтобы определить, как глубоко противообледенительные соли могут проникать в бетонные конструкции. «На основе этих данных мы устанавливаем параметры SUREbridge, например, толщину настила из полимера, армированного волокном», — добавляет он. «Чем больше мы знаем про мост, тем точнее мы можем разработать проект модернизации SUREbridge, а не просто сделать его тяжелым, толстым и излишне консервативным, что к тому же и дорого. Мы также хотим избежать неожиданностей, которые могут увеличить стоимость и затраченное время».

Старая поврежденная инфраструктура. Построенный в 1960 году моста в Харденберге, Нидерланды, не был рассчитан на такие нагрузки и на такой поток машин, которому подвергается в наши дни. Вместо того, чтобы разрушить поврежденные бетонные конструкции, их укрепили настилом из композиционных материалов, заранее изготовленным по технологии SUREbridge.

Проектные расчеты для нового настила SUREbridge выполняются с помощью моделей САПР и программных инструментов, разработанных и испытанных в рамках проекта Infravation В программу вводятся свойства существующего моста, а также нового настила из композиционного материала, и она выдает конструкционные характеристики обновленного моста. Сюда может входить сочетание упрочнения углепластиком в нижней части бетонного пролетного строения. «Однако зачастую это не нужно, поскольку настил из композиционного материала сверху сам по себе обеспечивает достаточное упрочнение», — говорит Велткамп. Он добавляет, что модели САПР и вычислительные инструменты SUREbridge прошли проверку на испытаниях, где размер, условия, материалы и оборудование соответствовали действующим промышленным нормам. «Результаты также показали, что на получаемые характеристики не влияют ошибки исполнения, то есть конструкции SUREbridge очень надежные», — отмечает Велткамп.

По завершении предварительного этапа, строительство SUREbridge в Харденбергу можно было начинать. Первым шагом было удаление имеющегося асфальта, бортиков и ограждений, затем проводился мелкий ремонт бетонного пролетного строения и/или бетонных опор по необходимости.

«Объем ремонтных работ зависит от состояния конструкции моста», — говорит Велкамп. «Как правило, есть явные места, которыми нужно заняться до того, как приступать к укладке настила. В таких мостах бетон в основном заливают на месте, а когда строительство проходит на открытом воздухе, качество не всегда стабильное. Дожди, отличия в бетонных смесях, недостаточная вибрация, чтобы избавиться от пузырьков воздуха при заливке — все это может привести к появлению участков, более подверженных повреждениям. Соль также может проникнуть в бетон, и начнется коррозия арматуры, а бетон будет крошиться. Все, что плохо держится, необходимо удалить».

Что касается моста в Херденберге, весь процесс занял два дня. Последним этапом подготовки было придание поверхности бетона шероховатости при помощи молотка. «Это обеспечит лучшее сцепление с бетонным раствором, который зальют между поверхностью и новым настилом», — говорит Велткамп.

Изготовление и размещение настила из полимера, армированного волокном

В 2017 году журнал CW посвятил статью компании FiberCore Europe, где говорилось, что настилы для мостов из полимера, армированного волокном, проектируют, ориентируясь на прочность, а не жесткость конструкции. Получаемые настилы по прочности соответствуют стали при одной пятой ее веса. Они на 20-50% дешевле, и их гораздо проще перевозить и устанавливать. Мультиаксиальное стеклополотно для нижней обшивки помещается в форму, затем идут балки из полиуретановой пены, обернутые в стекловолокно, а затем еще один слой стеклополотна для верхней обшивки. Эта сухая выкладка подвергается вакуумному формованию и пропитывается смолой. Для моста в Харденберге компания FiberCore использовала полиэфирную смолу от фирмы Polynt (Сканцорошате, Бергамо, Италия) и полотна от Kush Synthetics (Ахмедабад, Гуджарат, Индия), которые продаются в Энсхеде, Нидерланды, и Атланте, Джорджия, США.

После пропитки смолой и отверждения при комнатной температуре, панель из полимера, армированного волокном, становится единой сборной конструкцией. Технология InfraCore Inside позволяет получить уникальную конструкцию, устойчивую к расслаиванию, наподобие таких материалов, как панцири броненосцев и змеиная чешуя. При испытании полномасштабной конструкции моста, дыры, проделанные специально для имитации повреждений, не увеличивались и не множились после 30 миллионов циклов при нагрузке до 13,5 мегатонн, приложенной в виде автомобильных шин при движении транспорта.

Готовый настил перевезли в Харденберг, но для SUREbridge требовался еще один этап. «Если просто положить настил на бетонное пролетное строение, не будет промежуточного пространства для обеспечения сцепления», — говорит Велткам. «Нужен зазор в несколько сантиметров, куда можно закачать бетонный раствор, который будет соединять бетонный пролет и композиционную панель. Чтобы создать это пространство, мы помещаем настил на ряд болтов, которые можно ввинчивать и вывинчивать таким образом, что настил относительно легко можно выравнивать по необходимости. К примеру, вам может понадобиться, чтобы настил располагался строго горизонтально или под наклоном».

Быстрая установка. Кран опускает заранее изготовленную панель из полимера, армированного волокном, на существующее бетонное пролетное строение. Установка, включая подготовку бетона, заливку бетонного раствора для сцепления с настилом, окончательную обработку дорожного покрытия и установку ограждений, заняла всего шесть недель.

Сцепление двух частей

Когда настил установлен и выровнен с помощью болтов, закачивается бетонный раствор. Но и здесь необходимо учитывать определенные факторы. «Мост длинный и широкий, а раствор очень густой. Вместо того, чтобы заливать раствор по всей площади, мы начинаем вводить его с одного конца, а затем, когда видим, что он продвинулся примерно на 1,5 метра, мы переходим к следующей точке закачки. Таким образом, каждый раз заполняется участка поверхности около 2 метров. Мы используем несколько точек ввода раствора по всему пролету. Это похоже на процесс пропитки композиционных материалов смолой, когда по всей длине создаются точки для ввода смолы».

Еще один важный аспект технологии SUREbridge заключается в том, что обе поверхности, соприкасающиеся с бетонным раствором, должны быть шероховатыми. Следует обеспечить не только шероховатость поверхности существующего бетонного пролетного строения, но и нанести на нижнюю сторону композитной панели эпоксидный слой, внутри которого находится решетка. «Как правило, поверхность панели из армированного волокном полимера достаточно гладкая, — говорит Велткамп. — Она недостаточно шероховатая, чтобы обеспечить сцепление с бетонным раствором. Необходимо провести подготовку поверхности, чтобы обеспечить как химическое, так и механическое соединение, создавая сдвигоустойчивое сцепление».

По словам Велткампа, на нижней поверхности настила можно использовать любую эпоксидную смолу, одобренную для этих целей местными властями. «Эпоксидная смола, которую применяем мы, производится местным поставщиком, но многие компании по всему миру получили лицензию на использование технологии InfraCore и SUREbridge, и они также используют эпоксидные смолы, представленные на местном рынке».

Потенциальное повышения экологической безопасности

«Первое и, пожалуй, самое главное, заключается в том, что при использовании SUREbridge вам не нужно разрушать мост, то есть вы, практически используете его повторно», — говорит Велткамп. «Такое увеличение срока службы позволяет сократить выбросы CO2 примерно на 50% по сравнению с возведением нового моста, а также сократить период, когда мост не используется». Обновление моста при помощи технологии SUREbridge занимает всего 4-6 недель. «Чем быстрее выполняется восстановление, тем меньше объездов предстоит совершать», — отмечает он, что также сокращает выбросы CO2 и затраты на время пребывания в пути

«Большая часть этих 4-6 недель связана с использованием бетонного раствора, — объясняет Велткамп. — Чтобы он затвердел и достиг окончательной прочности, требуется 28 дней. При обычной перестройке бетонного моста, один раз бетон заливают на колонны внизу, и второй раз — на пролетное строение наверху. Это два раза по 28 дней, то есть 8 недель. У нас большая часть из шести недель уходит на то, чтобы раствор затвердел и достиг окончательной прочности. Однако через неделю раствор уже достигает 50% прочности, поэтому уже можно выполнять обработку въезда и съезда и, возможно, установку ограждений. Поэтому, если подготовка требуется небольшая и вы начнете итоговые работы еще до того, как бетон достиг окончательной прочности, цикл можно урезать примерно до 50% от времени строительства нового моста».

По сравнению с нанесением на существующий мост нового бетона, технология SUREbridge предлагает установку коррозионностойкой панели из полимера, армированного волокном, гораздо более легкой, поэтому дополнительного усиления опор пролетного строения не требуется. Полимер, армированный волокном, также предотвращает дальнейшее проникновение противообледенительных солей в низлежащее пролетное строение. Более того, настилы SUREbridge изготавливают заранее, поэтому их качество легче контролировать. Снос не требуется, а быстрая установка позволяет существенно сократить передвижения транспорта и выбросы.

Благодаря успеху проекта в Харденберге возрос интерес к компании FiberCore Europe. «На нас обрушились запросы на проведение технико-экономических изысканий для разных мостов», — говорит Велткамп. «Инженеры просят нас рассказать об этом подходе и методах проведения расчетов».

Лицензиат из США, компания Orenco Composites (Розенбург, штат Орегон, США) также отмечает возросший интерес. «Есть множество старых бетонных мостов со сниженной грузоподъемностью, иногда до одной полосы», — говорит Энди Бридж, директор по развитию бизнеса в компании Orenco. «SUREbridge предлагает недорогое и быстрое решение по восстановлению определенного типа мостов и даже увеличению их грузоподъемности. Мы ведем переговоры с акционерами в США по выбору демонстрационных проектов».

Завершен ремонт SUREbridge в Харденберге, Нидерланды. Фото: FiberCore Europe, InfraCore

В Нидерландах компания Strukton Civiel, партнер компании FiberCore Europe по проекту в Харденбергу, позиционирует SUREbridge как основное умное решение в своем ассортименте. «Они видят большой потенциал в участии в проектах по восстановлению на ранних стадиях и используют датчики и анализ данных, чтобы определить, когда проблемы с мостами дадут о себе знать», — отмечает Велткамп. Технология SUREbridge стала ключевым аспектом стратегии компании Strukton Civiel «Инфраструктура будущего», что, по его словам, «подразумевает использование новейшей технологии для обновления того, что мы имеем. Такое решение безопасно для окружающей среды, а значит, это наилучший вариант».

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Камера сгорания ракетного двигателя из нескольких композиционных материалов
Камера сгорания ракетного двигателя из нескольких композиционных материалов
Компания Black Engine использует новую микропористую огневую стенку камеры из композиционных материалов с керамической матрицей…
Джинджер Гардинер
05.10.2022
77
Натуральные волокна в основе электрических фургонов для доставки посылок
Натуральные волокна в основе электрических фургонов для доставки посылок
Новый проект транспортного средства для доставки посылок предполагает использование препрегов из натурального волокна для обеспечения…
Элизабет Х. Лоу
16.06.2021
162
Новая углепластиковая однонаправленная лента
Новая углепластиковая однонаправленная лента
Жгут из 50 тысяч углеродных волокон, пропитанный полипропиленом, имеет толщину 50 мкм, обеспечивает потенциальное снижение…
01.09.2022
74
Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Рубленое углеродное волокно, полиамид и инновации меняют представление о грузовых платформах современных пикапов. CarbonPro, первая…
Пегги Малнати
31.08.2021
154
Аппретирование волокна, плющение жгута и улучшение инкапсуляции
Аппретирование волокна, плющение жгута и улучшение инкапсуляции
Аппретирование волокна часто упускается из виду производителями композиционных материалов, но это крайне важный этап для…
Джефф Слоан
29.06.2021
292
Знакомство с заводом RUAG Space, Декейтер, штат Алабама, США
Знакомство с заводом RUAG Space, Декейтер, штат Алабама, США
Производство композиционных материалов с помощью безавтоклавных технологий устаревает с появлением изготовленных в США деталей для…
Скотт Фрэнсис
16.02.2021
407
Совместная работа по определению использования углепластика в автомобильной промышленности
Совместная работа по определению использования углепластика в автомобильной промышленности
Ford и Magna начинают массовое производство передних подрамников шасси, изготовленных из рубленого волокна и листового…
Джинджер Гардинер
31.08.2020
452
Коррозионностойкие трубопроводы из композиционных материалов
Коррозионностойкие трубопроводы из композиционных материалов
30-летний опыт использования коррозионностойких композиционных материалов, армированных стекловолокном, в трубопроводах на нидерландском заводе по производству…
Аманда Джейкоб
05.10.2020
162
Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Крупнейший в мире поставщик аэрокосмической промышленности воспользовался возможностью разработать собственные спецификации для препрега из углеродного…
Джефф Слоан
29.06.2021
249