CC BY
51
УДК 628.8:697.94
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЦЕЛЯХ УСИЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ
В.А. Репринцев
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры инженерной защиты населения и территорий
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: v.reprintsevQamchs.ru
И.В. Треушков
кандидат технических наук начальник кафедры инженерной защиты населения и территорий
Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: i.treushkovQamchs.ru
И.М. Царьков
заместитель начальника кафедры радиационной и химической защиты Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: i.tsar'kovQamchs.ru
Аннотация. В статье определены проблемные вопросы современного состояния защитных свойств защитных сооружений гражданской обороны, проведено исследование современных высокотехнологичных материалов на основе литьевых и тиксотропных активных веществ (модификаторов свойств грунтов) в целях усиления защитных свойств защитных сооружений гражданской обороны.
Ключевые слова: гражданская оборона, гражданские объекты двойного назначения, циркуляционные зоны, вентиляционные установки, инфраструктура.
Цитирование: Репринцев В.А., Царьков И.М., Треушков И.В. Применение высокотехнологичных материалов в целях усиления защитных свойств защитных сооружений гражданской обороны // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 2 (41). С. 69-77.
В соответствии с Основами государственной политики Российской Федерации в области гражданской обороны на период до 2030 года одним из приоритетных направлений является совершенствование методов и способов защиты населения от опасностей, возникающих при военных конфликтах и чрезвычайных ситуациях [1]. Для реализации данного направления должны проводиться научные исследования в области разработки и внедрения новых методов и технологий защиты населения.
Для решения этих задач в соответствии с планом научной работы Академии гражданской защиты МЧС России на 2018 год [2] силами кафедры (инженерной защиты населения и территорий) и кафедры (радиационной и химической защиты) выполнялась научно-исследовательская
работа (далее - НИР) на тему: «Исследование возможностей модификаторов свойств грунтов и разработка способов их применения для восстановления и наращивания защитных свойств защитных сооружений» [3]. Основу данной статьи составляют материалы полученные в ходе выполнения НИР.
Анализ современного состояния защитных сооружений гражданской обороны (далее - ЗС ГО) показывает, что их большая часть была построена во второй половине XX века и со временем, в силу объективных и субъективных причин, произошли такие изменения их защитных свойств, которые не позволяют частично, а в ряде случаев и полностью, выполнить задачу защиты населения от поражающих факторов современных средств поражения и чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера. В последнее
время наблюдается тенденция ухудшения технического состояния имеющегося в стране фонда ЗС ГО. Результаты проведенных инвентаризаций (2014 г., 2018 г.) показали, что капитального ремонта требуют около половины убежищ и треть ПРУ. Готовность для приема укрываемых определяется защитными свойствами ЗС ГО. Данные свойства напрямую зависят от состояния ограждающих конструкций, для которых характерны следующие дефекты: коррозия бетона и арматуры; расслоение кладки; появление трещин, выбоин, отколов, грибка, сухой гнили; просадка полов и др.
Необходимо отметить, что, как правило, восстановлением и усилением защитных свойств ЗС ГО занимаются специализированные организации, на основе применения отработанных технологий.
В настоящее время вопросы содержания ЗС ГО регламентируются правилами их эксплуатации (приказ МЧС России от 15.12.2002 г. №583) [4]. Однако ни в этом, ни в других документах не устанавливается перечень рекомендуемых материалов для ремонта, в том числе ограждающих конструкций, что в конечном итоге отражается на качестве ремонтных работ.
Кроме того, в период нарастания угрозы агрессии и в военное время предусматривается для защиты населения строительство быстро-возводимых ЗС ГО, приспособление подвальных, цокольных и первых этажей существующих зданий и сооружений различного назначения, а также подземных пространств городов [5]. Для решения перечисленных задач становится актуальным вопрос о разработке новых материалов, предназначенных для эффективного восстановления (наращивания) нормативных защитных свойств ЗС ГО.
В рамках НИР были исследованы различные материалы разных производителей. Исходными данными для выбора материалов явились открытые сведения в российских и зарубежных источниках информации о разработках современных материалов, результаты патентного поиска в этой области.
По результатам проведенного анализа установлено, что в настоящее время имеются материалы, которые нашли широкое применение в разных областях, обладающие
экономическими преимуществами перед существующими материалами и более эффективные для усиления и восстановления защитных свойств ЗС ГО в интересах инженерной защиты населения. К ним могут быть отнесены литьевые и тиксотропные смеси, а также модификаторы свойств грунтов.
Литьевые смеси изготавливаются из расплавленного, размягченного материала. Тиксотропные смеси способны обратимо разжижаться при достаточно интенсивных механических воздействиях (перемешивании, встряхивании) и отвердевать (терять текучесть) в состоянии покоя. Данные смеси могут быть использованы для решения следующих задач: восстановление бетона, усиление бетонных конструкций (балок, ферм, плит перекрытий и др.), сохранение пассивного состояния арматуры. В результате анализа характеристик материалов, представленных разными производителями, выявлено, что в наибольшей степени для решения этих задач подходят такие марки смесей как Етасо, Маре1, РЕМСТРИМ® и др [3].
Рассмотренные физико-химические свойства литьевых и тиксотропных материалов, представляющих собой высокопрочные быст-розатвердевающие сухие смеси, позволяют сделать вывод о целесообразности применения:
тиксотропных смесей - для ремонта без опалубки, восстановления вертикальных и потолочных конструкций (плит, балок, колонн, ригелей, ферм и др.);
литьевых смесей - для проведения ремонта с опалубкой, восстановления горизонтальных конструкций (сжатие > 80 МПа, изгиб > 12 МПа).
Применение данных материалов позволяет обеспечить безусадочность, быстрый набор прочности бетона (24 часа), водонепроницаемость, прочность восстановленных конструкций, превышающую в 4-8 раз прочность сооружений, изготовленных из стандартного бетона. Благодаря перечисленным свойствам, указанные выше смеси находят широкое применение в дорожном, гидротехническом и гражданском строительстве, при устройстве земляных амбаров, аэродромов.
Другим направлением исследования явля-
лось проведение анализа возможности использования модификаторов свойств грунтов, позволяющих стабилизировать и укрепить грунт за счет вяжущего вещества. Добавление модификатора в малых количествах в состав материала вызывает изменение структуры и свойств грунта. Одним из путей улучшения свойств грунтов является использование технологии укрепления (стабилизации) грунтов, каменных материалов и асфальтового грану-лята за счет предварительного фрезерования и смешения - ресайклинга.
Преимущества модификаторов заключаются в следующем:
в качестве основы применяется местный грунт;
относительно малые расходы модификатора и вяжущего вещества (цемента), а также других органических и минеральных добавок;
простота технологии применения, высокие прочностные характеристики покрытий.
Кроме того, за счет создания прочных кристаллизационных и коагуляционных связей в укрепленном грунте при применении модификаторов образуются целостностные, монолитные полотна, которые в отличие от бетонных и асфальтобетонных не требуют создания температурных швов расширения.
Перечисленные свойства материалов свидетельствуют о возможности применения модификаторов для восстановления и усиления защитных свойств ЗС ГО (в том числе быст-ровозводимых).
Основными защитными свойствами, которыми должны обладать сооружения для укрытия людей являются герметичность, надежная гидроизоляция и способность защитить укрываемых:
от избыточного давления во фронте ударной волны;
от летящих осколков и обломков строительных конструкций;
от радиационного воздействия. Поэтому основное внимание при испытаниях образцов модификаторов свойств грунтов с вяжущим веществом (цементом) было направлено на подтверждение возможности увеличения прочностных и других характеристик грунта, применяемого, в том числе, для обвалования ЗС ГО.
Для сравнительного анализа исследуемых модификаторов свойств грунта были установлены критерии и проведены сравнения характеристик грунтов, усиленных модификаторами. В качестве критериев приняты:
области применения - типы грунтов (их смесей), с которыми предусмотрено взаимодействие модификаторов свойств грунтов (таблица 1);
заявленные прочностные характеристики - пределы прочности на сжатие, пределы прочности на изгиб, модули деформации (таблица 2);
заявленный расход - нормы расхода модификатора, катализатора и воды (таблица 3).
Использование модификаторов свойств грунтов имеет ряд преимуществ перед обычными технологиями: использование местных грунтов в качестве основы, относительно малые расходы модификатора и вяжущего (цемента), простота технологии холодного ресай-клинга, высокие прочностные характеристики.
Для подтверждения характеристик грунта с добавлением модификаторов и цемента проведены испытания для оценки [3]: прочностных свойств; огнестойкости; ослабления проникающей радиации.
Таблица 1 - Типы грунтов (их смесей), с которыми предусмотрено взаимодействие
модификаторов свойств грунтов
Марка модификаторов Типы грунтов
ANT (двухкомпонентный: жидкий стабилизатор +вяжущее) естественные,осад очные, несцементированные, крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, песчано-гравийные, песчано-щебеночные, песчано-гравийно-щебеночные смеси и пески
NanoSTAB природныедисперсные: супесчаные, песчаные, крупнообломочные; техногенные (в том числе асфальтогранулят); суглинки и глины с числом пластичности не более 22
NovoCrete природныедисперсные: супесчаные, песчаные, крупнообломочные; техногенные (в том числе асфальтогранулят); суглинки и глины с числом пластичности не более 22
Дорзин щебень различных фракций,песок, суглинок, супесь, глины с ограничениями по числу пластичности не более 22
Чимстон любые грунты с числом пластичности до 17
LBS гравий, галька, песок, супесь, глина, суглинок
АКРОПОЛ-ГСМ все виды грунтов, включая тяжелые глины
Таблица 2 - Заявленные прочностные характеристики грунтов, усиленных модификаторами
Предел прочности Предел прочности Модуль
Марка на сжатие, МПа, на растяжение при упругости,
модификатора при 20°С, изгибе, МПа, МПа, при 20°С,
не менее не менее не менее
ANT 1,5-4 0,7-1,2 400-800
NanoOSTAB - 1,2-5,2 200-650
NovoCrete - 1,0-5,0 300-550
Дорзин 1,0-7,5 0,25-1,5 180-1000
Чимстон 1-10 0,2-2,0 -
LBS - - 180
АКРОПОЛ-ГСМ 28,1 4,9 1000
Таблица 3 - Нормы расхода модификатора, катализаторов и воды при устройстве покрытий из
грунтов, усиленных модификаторами
Марка Норма расхода Нормы расхода Нормы расхода
модификатора модификатора, % катализаторов, % воды, %
ANT 0,0075 1-5 до 10
NanoOSTAB 0,4-0,7 1-5 до 15
NovoCrete 0,1-0,5 цемент, в зависимости от условий: 1-7 до 15
Дорзин 0,003 4 до 13
Чимстон 0,007 1-7 до 13
LBS 0,01-0,03 - до 25
АКРОПОЛ-ГСМ 0,002-0,0025 до 7 до 12
Результаты испытаний показали следующее:
из исследуемого перечня грунтов или их смесей только с модификатором АКРОПОЛ-ГСМ (производитель НПО «Стрим») могут взаимодействовать все типы грунтов;
максимальные прочностные характеристики соответствуют грунтам, усиленным модификатором АКРОПОЛ-ГСМ;
минимальные нормы расхода соответствуют модификатору АКРОПОЛ-ГСМ.
Учитывая преимущества свойств модификатора АКРОПОЛ-ГСМ, дальнейшие испытания проводились с пробами грунта с добавлением указанного модификатора и вяжущим веществом (цементом). Данные испытания проводились в лабораториях Московского автомобильно-дорожного технического университета «МАДИ», кафедры (пожарной
В ходе экспериментальных исследований были проведены испытания грунта, усиленного модификаторами, для определения проходимости с применением плотномера ДорНИИ.
безопасности) и кафедры (радиационной и химической защиты) Академии гражданской защиты МЧС России.
Экспериментальный материал представлял собой образцы проб-вырубки из специально подготовленного покрытия (участок дороги протяженностью 312 м с шириной проезжей части 6 м и толщиной дорожного покрытия 25 - 30 см). На оборудование участка дороги с типом грунта - переувлажненная глина (плывун) израсходовано 50 т цемента марки М-400 и 1,6 т модификатора АКРОПОЛ-ГСМ. Отборы проб укрепленного грунта производились по истечении нормативного времени набора прочностных свойств (28 суток).
Результаты испытания прочностных свойств грунта, укрепленного модификатором и вяжущим (цементом), приведены в таблице 4.
Классификация грунтов по числу ударов плотномера ДорНИИ приведена в таблице 5.
Категория грунта I II III IV
Число ударов 1-4 5-8 9-16 17-35
Таблица 4 - Характеристики грунта, укрепленного модификатором свойств и вяжущим
(цементом)
№ п/п Показатель Значение
цемент без модификатора АКРОПОЛ-ГСМ цемент с модификатором АКРОПОЛ-ГСМ
1. Прочность при сжатии в насыщенном водой состоянии, МПа 4,5 6,1
2. Прочность при изгибе в насыщенном водой состоянии, МПа 1,7 2,1
3. Прочность при сжатии без насыщения водой, МПа 7,0 8,3
4. Прочность при изгибе без насыщения водой, МПа 2,1 2,5
5. Средняя плотность, кг/мЗ 1931 1990
6. Водопоглощение, % 15,7 12,6
7. Истираемость, г/см2 1,32 1,13
Таблица 5 - Классификация грунтов по ударнику ДорНИИ
Результаты испытаний хюказали, что число ударов плотномера ДорНИИ но грунту гиревохх) ударника, усиленному модификатором и вяжущим цементом достигало 50-60. В местном грунте число ударов составляло 10 12. Это позволяет утверждать, что существенно возрастает плотность грунта и коэффициент рыхления, грунты I, II категории становятся грунтами V и выше катех'ории, что позволяет сделать вывод о существенном повышении защитных свойств ЗС ГО в случае применения модификатора.
Для исследования пробы грунта, усилен-нохх) модификатором, на огнестойкость были применены методы деривативной термографии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Изменение массы хрунта показано в виде ДТГ-кривой (1) на графике (рисунок 1). Значения кривой показывают процентное изменение массы исследуемшх) вещества в зависимости от температуры. С правой стороны для ДСК-кривой (2) отмечен небольшой эн-дотерми чеекий эффект.
Рисунок 1 Термограмма исследуемшх) вещества (хрунта, усиленншх) модификатором)
Результаты испытаний огнестойкости хрунта, показали, что образец хрунта, усиленный модификатором, устойчив к воздей-
°
дальнейшем повышении температуры происходит изменение массы на 1,72 % (вещество разлагается в небольших пределах). Изменение массы (но Маршу) происходит в результате эндотермической реакции до температуры °
практически не происходит. Это дает основание утверждать, что применение такохх) рода материалов будет актуальным для усиления защитных свойств ЗС ГО в условиях массовых пожаров.
Испытания хю ослаблению проникающей радиации заключались в проведении измерений мощности хюшхзирующехх) излучения монолитных образцов хрунта, усилснно-хх) модификатором и вяжущим веществом
(цементом), имеющих различную толщину в диапазоне от 0 ем до 12 ем с шагом измерения 1,0 ем при десятикратном повторении од-но!'о и то!'о же опыта. На основании расчетных
данных построен график зависимостей мощностей амбиентной эквивалентной дозы ионизирующих) излучения от толщины исследуемых материалов (рисунок 2).
Рисунок 2 График зависимостей мощностей амбиентной эквивалентной дозы ионизирующих)
излучения от толщины исследуемых материалов
Из приведенншх) графика следует, что при измерении мощности амбиентной эквивалентной дозы ионизирующих) излучения грунт, усиленный модификатором и вяжущим (цементом) задерживает проникающую радиацию в большей степени, чем местный грунт.
На основе изложенншх) материала можно сделать следующие выводы:
1. Литьевые и тикеотропные смеси активных веществ, используемые в качестве ремонт-но!Х) материала, значительно повышают прочность конструкций из бетона и позволяют сократить временные показатели и затраты для восстановления и усиления защитных свойств ЗС ГО, в том числе быетровозводимых.
2. Показатели прочностных характеристик грунта, уеиленншх) модификатором, такие как модуль уиругости, прочность при изгибе, прочность на сжатие имеют достаточно
высокие значения, подтвержденные испытаниями.
3. Использование грунта, уеиленншх) модификатором, позволит увеличить прочность поверхностей обвалования ЗС ГО (возрастают плотность и коэффициент рыхления, поэтому грунты I, II кате1Х)рии приобретают характеристики грунтов V и выше кате1Х)рии).
4. Данные, полученные в ходе испытаний, свидетельствуют об увеличении стойкости ие-еледуемшх) материала к воздействию атмосферных осадков, влаго- и морозоустойчивости.
5. Грунты, укрепленные модификаторами и вяжущими веществами, имеют большую стойкость к высоким температурам и мшут найти свое применение в решении задач но усилению защитных свойств ЗС для населения в условиях массовых пожаров.
6. Ослабление проникающей радиации гамма и фотонного излучения грунтом, усиленным модификатором и вяжущим веществом, на 25 - 35 % больше, чем у местного грунта, что позволит снизить расход грунта для обсыпки и обвалования ЗС ГО.
7. По завершению второго этапа НИР предусматривается разработка Методических
рекомендаций организациям, эксплуатирующим ЗС ГО, по применению литьевых и тик-сотропных смесей активных веществ (модификаторов свойств грунтов) для восстановления и усиления защитных свойств защитных сооружений гражданской обороны (в том числе быстровозводимых).
Литература
1. Основы государственной политики Российской Федерации в области гражданской обороны на период до 2030 года. Утверждены Указом Президента Российской Федерации от 20.12.2016 г. № 696.
2. План научной работы Академии гражданской защиты МЧС России на 2018 год. Утвержден приказом Академии от 31.01.2018 г. № 39.
3. Отчет о научно-исследовательской работе (промежуточный). «Исследование возможностей модификаторов свойств грунтов и разработка способов их применения для восстановления и наращивания защитных свойств защитных сооружений гражданской обороны (в том числе быстровозводимых)». Химки. - 2018. - 89 с.
4. «Правила эксплуатации защитных сооружений гражданской обороны». Утверждены Приказом МЧС России от 15.12.2002 г. № 583.
5. СП 165.1325800.2014 «Инженерно-технические мероприятия по гражданской обороне. Актуализированная редакция СНиП 2.01.51-90».
THE USE OF HIGH-TECH MATERIALS TO ENHANCE THE PROTECTIVE PROPERTIES OF PROTECTIVE CONSTRUCTIONS OF CIVIL DEFENSE
Vladimir REPRINTSEV
PhD, assistant professor
Assistant professor of the department engineering protection of the population and territories Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk
E-mail: v.reprintsev®amchs.ru Igor TSARKOV
Deputy chief of department of radiation
and chemical protection
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail:
Igor TREUSHKOV
Head of the department engineering protection
of the population and territories
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail:
Abstract. The results of the study of modern high-tech materials based on casting and thixotropic active substances (modifiers of soil properties) in order to improve the protective properties of civil defense structures are presented.
Keywords: soil, protective properties, protective structures gorjanski defense modifier of the properties of the soil, experience, penetrating radiation, coating experiment.
Citation: Reprintsev V.A., Tsarkov I.M., Treushkov I.V. The use of high-tech materials to enhance the protective properties of protective constructions of civil defense // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. No. 2 (41). pp. 69-77.
References
1. Basics of the state policy of the Russian Federation in the field of civil defense for the period up to 2030. Approved by the Decree of the President of the Russian Federation dated December 20, 2016 №696.
2. Plan of scientific work of the Academy of Civil Protection of EMERCOM of Russia for 2018. Approved by order of the Head of the Academy of January 31, 2018 №39.
3. Research Report (Intermediate). "Investigation of the possibilities of modifying the properties of soils and the development of methods for their use for restoring and enhancing the protective properties of civil defense defenses (including prefabricated ones)." Khimki. 2018. 89 p.
4. "Rules of operation of civil defense protective structures". Approved by the Order of the Ministry of Emergency Situations of Russia of December 15, 2002. №583.
5. SP 165.1325800.2014 "Civil defense engineering measures. Updated edition SNiP 2.01.51-90 ".
