Текстармированные конструкции: свойства, особенности, область применения

Н. В. Лобаев, И. Г. Овчинников, Е. Ю. Окунева, И. И. Овчинников

Аннотация

Рассматривается проблема изменения парадигмы способов монтажа сооружений и зданий промышленного, гражданского, транспортного, гидротехнического, сельскохозяйственного назначения и сборки корпусов транспортных средств: автомобилей, железнодорожных вагонов, судов речного и морского классов, дирижаблей, самолётов, космических кораблей, искусственных спутников и инопланетных стаций. Анализ применимости современных материалов в строительстве свидетельствует, что наиболее широко применяются железобетон и металл. Однако технологии их применения обладают рядом недостатков, являющихся причиной дороговизны сооружений и зданий, и, как следствие, дефицита социально-экономической инфраструктуры. Для устранения причин дороговизны инфраструктуры предлагается использовать новую технологию TextStone по производству текстармированных конструкций. Согласно этой технологии вместо привычных арматурных каркасов из металла или композита, металлической или деревянной опалубки предлагается использовать оставляемую текстильную опалубку, выполняющую функции и опалубки конструкции и армирующего материала. Для заполнения армирующей текстопалубки может использоваться и бетон и пластмасса и другие материалы, застывающие с течением времени и обеспечивающие сохранность заданной формы. Обсуждаются пути применения текстармированных конструкций в транспортном строительстве. В частности рассматривается устройство экспериментального участка автомобильной дороги с использованием текстармированной конструкции на подвижном грунте. Приводятся результаты испытания участка текстармированной автомобильной дороги, выполненной «Малым инновационным предприятием «МАДИ – Дорожные технологии». Рассматривается применение текстопалубки при строительстве искусственных сооружений, в частности текстармированного моста-трубы, монтируемого с применением оставляемой текстопалубки арочной и прямоугольной формы.

Введение

Для удовлетворения возрастающих потребностей и увеличивающегося по численности населения Земли необходимы новые скоростные автомобильные и железнодорожные пути сообщения, с необходимой сопутствующей инфраструктурой, соответствующей требованиям XXI века.

Проблема дороговизны социально-экономической инфраструктуры заключается в том, что отраслевая наука не разработала решений, обеспечивающих прорывное снижение себестоимости и понижение мировых цен на сооружения и здания, а безуспешно пытается совершенствовать технологии, материалы, конструкции и способы монтажа, уже давно исчерпавшие потенциалы модернизации.

Обращает на себя внимание тот факт, что за счёт внедрения прорывных изобретений и технологий непрерывно повышается качество и, одновременно, снижаются цены на компьютеры и мобильную связь, текстильные и швейные изделия, в то же время стоимость сооружений и зданий только повышаются.

До 2013 года отсутствовали приемлемые по стоимости технологии, конструкции и материалы для строительства автомобильных и железных дорог по подвижным грунтам (плывуну, болоту, тундре, зыбучему песку и т.п.). Из-за отсутствия окупаемых конструкций дорог по подвижным грунтам было практически невозможно привлечь инвестиции в обустройство труднодоступных районов Земли, что позволило бы мировому сообществу организовать рациональное природопользование, включая огромные территории Сибири и Дальнего Востока.

В настоящее время самыми используемыми материалами в производстве конструкций являются железобетон и металл, которые содержат известные комплексы технических и технологических несовершенств, являющиеся причиной дороговизны и дефицита социально– экономической инфраструктуры на планете [1-5].

Попытки снижения себестоимости объектов инфраструктуры, за счёт монтажа более лёгких, но недостаточно прочных сооружений и зданий, которые разрушаются под воздействием пожаров, ураганов, землетрясений, цунами и наводнений, оборачивается человеческими трагедиями, техногенными катастрофами и финансовыми убытками.

Строительная отрасль, из-за своей технологической отсталости, имеет низкую инвестиционную привлекательность, потому что финансовые институты не рискуют вкладывать деньги в дорогостоящие инфраструктурные проекты с длительными сроками окупаемости и высоким уровнем финансовых рисков.

Дороговизна и, как следствие, дефицит социально-экономической инфраструктуры являются основными причинами не эффективного использования денег, природных ресурсов, человеческого капитала и рецессии, которые сдерживают динамичное развитие мировой экономики, – ежегодный прирост ВВП составляет всего лишь, 2 %, что не позволяет повысить качество жизни населения и создать условия для гармоничного развития личности.

По причине несовершенства существующих изобретений, технологий, конструкций и материалов хорошее образование, собственное предприятие, комфортный дом, автомобиль, яхта или самолёт, из-за их дороговизны, низкой производительности труда и заработной платы, недоступны для большинства населения Земли, и в этом основная причина бедности и социальной несправедливости.

По причине несовершенства известных технологий и материалов строительная отрасль не в состоянии справляться с возрастающей потребностью в транспортных путях сообщения и ростом объёмов мировой торговли:

• на пределе работает Суэцкий канал;

• средняя скорость движения товарного состава по Восточносибирской железнодорожной магистрали России, из-за перегрузки, снизилась до 9 км в час;

• системные автомобильные пробки на дорогах являются закономерным явлением;

• высокая себестоимость дорог увеличивает и цену зданий и прочих объектов социально-экономической инфраструктуры;

• дороговизна и дефицит дорог являются одним из основных препятствий, которое сдерживает динамичное развитие мировой экономики.

Мосты монтируются в основном из металла, железобетона, дерева, технология изготовления их конструкций и способы монтажа довольно материалоёмкие и трудоёмкие, что является причиной их дороговизны и нарастающего дефицита сухопутных транспортных путей сообщения.

На мировом рынке 30% сооружений и зданий строятся по известным технологиям из камня, кирпича, бетона, дерева, металла, пластмассы и известных композитных материалов.

Здания жилищно-гражданского назначения (жильё, гостиницы и т.д.) монтируется из кирпича или с применением каркаса, к которому крепятся профлист, гипсокартон или древесно-стружечной плита, утеплитель и отделочные материалы (минимальная цена – $1200 за 1 м2).

Основные изобретения в области строительства, технологические и рыночные тренды по изготовлению конструкций и материалов

Как уже указывалось, объекты социально-экономической инфраструктуры возводятся в основном с применением железобетонных, стальных, бетонных, каменных, армокаменных и деревянных конструкций.

В последнее время получили развитие комбинированные конструкции сочетающие железобетон, алюминиевые сплавы, пластмассу, асбоцемент, стекло, композитные и прочие материалы.

Первые каменные сооружения, сложенные из необработанного камня, относятся к каменному веку. Позже для монтажа конструкций стали применять тесаный камень, кирпич-сырец и обожженный кирпич.

Конструкция дорог, содержащая песчано-щебеночную смесь, уложенную в траншею (корыто), была разработана во времена Римской империи, примерно за 2 тыс. лет до нашей эры, и не претерпела существенных изменений и в XXI веке.

Основанными материалами в конструкции автомобильных дорог являются: грунт, песок, камень, цементобетонная или асфальтобетонная смесь, которые могут заменяться брусчаткой или элементами мощения из бетона. Для того, чтобы проложить 1 км автомобильной дороги федерального значения, в среднем приходиться вынуть и отвезти, а затем привезти, уложить и уплотнить не менее 20000 м3 грунта, который весит 40000 тонн. Несущую способность и долговечность дорог можно повысить за счёт применения геотекстильных материалов и сеток, устройства железобетонных оснований, что, однако, не снижает, а повышает их себестоимость. Как правило, при проектировании автомобильных и железных дорог, строители обходят территории с подвижными грунтами, что увеличивает протяженность и стоимость дорог. В случае вынужденной прокладки дорог по подвижным грунтам отраслевая наука предлагает организовывать дорогостоящее водоотведение, монтировать эстакады, стягивать железобетонные плиты трасами или применять стыкуемые между собой щиты из стеклопластика.

Предлагаемые изобретения и технические решения хотя и улучшают эксплуатационные характеристики, но не снижают стоимости путей сообщения. Высокая себестоимость дорог также обусловлена необходимостью строительства большого количества дорогостоящих мостов и транспортных развязок, возводимых по трудоёмким и материалоёмким технологиям с применением уже упоминавшихся известных материалов.

Стоимость эксплуатации существующих дорог, изготовленных из традиционных материалов и по традиционным же технологиям весьма высока, и в регионах России традиционно не хватает средств на их содержание и ремонт, в силу чего недоремонт постоянно возрастает. Содержание дорог в зимнее время оказывается весьма дорогим мероприятием, в котором участвует большое количество специальной техники, но, все – равно, в регионах России зимой наблюдаются перебои в движении на дорогах.

Здания, мосты и дороги из дерева являются одним из самых древних изобретений человека, которые широко применяется в строительных технологиях и в XXI веке. Для строительства домов и крепостных стен использовались рубленные деревянные конструкции (срубы). В настоящее время многослойные деревянные конструкции используются в качестве балок в зданиях и сооружениях. Проблемой деревянных конструкций является потеря теплоизоляционных свойств в условиях высокой влажности, гниение, возгораемость, высокая стоимость.

Индустрия по производству конструкций строительного, транспортного, энергетического, машиностроительного, текстильного, сельскохозяйственного назначения из металла оказала революционное технологическое значение в ускорении развития нашей цивилизации. С применением конструкций из металла были построены перекрытия зданий, мосты, первые небоскребы. Металлические конструкции кораблей и самолётов пришли на смену деревянным, позволили увеличить их габаритные размеры и повысить грузоподъёмность. Металл является основным материалом, из которого производятся конструктивные элементы автомобильного и железнодорожного транспорта. Проблемой металлических конструкций является отсутствие паропроницаемости, высокая теплопроводность и звукопроницаемость, коррозия, низкая степень огнестойкости и дороговизна.

Железобетон и способы монтажа железобетонных конструкций, с применением съёмной и скользящей опалубок, являются самой используемой цивилизацией группой изобретений в XX и начале XXI века. Железобетонные конструкции строительного назначения потеснили металлические. На мировом рынке капитального строительства социально-экономической инфраструктуры до 70% сооружений и зданий монтируется из железобетона.

Краткая история изобретения конструкций из железобетона:

• в 1848 году Жан Луи Ламбо, адвокат по профессии, первым соорудил лодку из железобетона. Показанная в 1855 году на Парижской выставке лодка Ламбо произвела настоящую сенсацию. Новый материал Ламбо назвал ферроцементом;

• в 1849 году парижский садовник Жозеф Монье изготовил кадку для садовых растений, обмазав проволочный каркас цементным раствором. Именно сочетание таких двух материалов стало называться железобетоном;

• в 1854 году штукатур из Ньюкасла Вильям Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 2 футов друг от друга и заливаемых бетоном;

• в 1855 году Франсуа Куанье получил патент на метод армирования железобетона, предложив перекрестное размещение арматуры с опиранием перекрытия на все четыре стены;

• в 1864 году Ф. Куанье во Франции построил первую церковь из железобетона;

• в 1873 году Ж. Монье получил патент на железобетонный мост;

• в 1878 году Ж. Монье был выдан патент на железобетонные балки и шпалы, а в 1880 году – объединенный патент на все заявленные им ранее конструкции. Тогда же он сделал заявки на свои изобретения в Германии и России;

• в 1879 году немецкий инженер Вайс, имевший свою строительную фирму, заинтересовался железобетоном и купил у Монье патентное право на применение его системы в Германии;

• в 1880 году Ж. Монье в России был получен патент на железобетон, а сам способ строительства из железобетона долгие годы назывался «Системой Монье»;

• в 1881 году Н.А. Белелюбский провел успешные испытания конструкций из железобетона;

• первое в России здание из монолитного железобетона было смонтировано на территории Владимирской губернии, ныне Ивановская область, в поселке Каменка.

• в течение XX века, за счёт ввода в эксплуатацию сотен тысяч заводов по производству цемента, арматуры и железобетонных конструкций, в структуре строительной отрасли была создана глобальная индустрия по производству и монтажу конструкций из железобетона.

В ХХ веке архитектор Ле Корбюзье начал широко применять в своих проектах сборный железобетон, а Оскар Нимейер выстроил из железобетона новую столицу страны – Бразилиа. С применением сборного железобетона проложен транспортный тоннель под Ла-Маншем, общей протяженностью 150 километров, который соединил Англию и Францию кратчайшим путем.

Сооружения и здания из железобетона обладают высокой прочностью и жизнестойкостью. Когда в августе 2000 года в Останкино случился пожар, лопнуло 145 из 149 стальных стягивающих тросов, но Останкинская телебашня, спроектированная инженером Николаем Никитиным, устояла.

Способы монтажа железобетонных сооружений и зданий, как и сам строительный материал, железобетон, имеют известный комплекс технологических и физико-механических несовершенств, являющийся причиной высокой себестоимости объектов социально-экономической инфраструктуры. Сооружения и здания из железобетона имеют большой вес, требуют устройства дорогостоящих фундаментов, проведения кровельных, гидроизоляционных, теплоизоляционных, шумоизоляционных, напольных и отделочных работ. Для того, чтобы смонтировать железобетонное здание требуется дорогостоящая грузоподъёмная техника и высококвалифицированный персонал, бетон довольно долго набирает проектную прочность, что и является причиной долгостроя и дороговизны социально– экономической инфраструктуры. В последнее время появились новые разновидности бетона – фибробетон, высокопрочный бетон, сверхвысокопрочный бетон, но применение этих материалов не избавляет от дороговизны социально-экономической инфраструктуры.

Для увеличения несущей способности мостовых пролетов применяют предварительно напряженную арматуру, но эта дорогостоящая технология, как правило, применяется в способах изготовления только ответственных и крупногабаритных конструкций.

К пластмассам относятся многочисленные искусственные материалы, объединенные по общему признаку, – в их основе лежит синтетический полимер, называемый связующим, смолой или просто полимером.

В состав пластмасс кроме полимера входят также наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и др. Довольно широко применяются древесные пластики (древесно– стружечная плита и др.), текстильные пластики (текстолит, карбон и др.) и углеводородные полимерные пластики (поливинилхлорид, полипропилен и др.). В древесных пластиках наполнителем служат продукты переработки натуральной древесины (опилки, щепа и пр.), в фиброармированных пластиках наполнителем служат базальтовые, кремнеземные, углеродные минеральные текстильные материалы и др.). Смола (связующее) защищает наполнитель от влияния внешней среды и способствует равномерному распределению усилий в композите.

В XXI веке фиброармированные пластики всё шире используются в способах монтажа пластмассовых (композитных) корпусов автомобилей, железнодорожных вагонов, кораблей, самолётов, космических кораблей и станций, и, таким образом, обеспечивается снижение их веса и, следовательно, улучшение эксплуатационных характеристик.

Применение композитных пластмассовых конструкций позволило увеличить объёмы производства сооружений, зданий, корпусов транспортных средств за счёт дополнительного ресурсного обеспечения, но не снизить их себестоимость и мировые цены на объекты социально-экономической инфраструктуры. Кроме того, долговечность композитных конструкций пока еще невелика.

Пневматические конструкции – это конструкции, представляющие собой оболочки из воздухонепроницаемых текстильных материалов или плёнок, которые работают в сочетании с воздухом, находящимся внутри под избыточным давлением. Пневматические конструкции разделяются на два типа: пневмокаркасные и воздухоопорные. Пневмокаркасные конструкции монтируются с применением несъёмной пневмоопалубки с избыточным давлением воздуха в её воздухонепроницаемой оболочке. Ширина пролётов пневмокаркасных сооружений может достигать 15 м. Основным достоинством пневмокаркасных конструкций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве сооружения.

Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении разницей давления воздуха в разделяемых оболочкой пространствах. Примером воздухоопорной конструкции является гондола дирижабля.

Недостатком пневматических конструкций является их низкая степень огнестойкости и жизнестойкости, поэтому они относятся к сооружениям временного типа.

Пневматические конструкции не обладают достаточной прочностью на сжатие и растяжение, имеют низкую степень огнестойкости и жизнестойкости, могут монтироваться только в одноуровневом варианте и эксплуатироваться как сооружения только временного типа. Необходимость непрерывной подкачки сжатого воздуха из воздуходувки в пневмоопалубку, является причиной высоких эксплуатационных издержек пневматических сооружений. Достоинством пневматических конструкций является их низкая себестоимость и цена на мировом рынке, а к недостаткам – низкая прочность и жизнестойкость, высокие эксплуатационные расходы.

Анализ применяемых технических решений и их недостатков

Отсутствие прорывных изобретений и технологий по производству прочных и лёгких корпусов транспортных средств с низкой себестоимостью, сдерживает развитие мировой транспортной отрасли и является причиной дороговизны автомобилей, пассажирских железнодорожных вагонов, кораблей, самолётов. В транспортной отрасли промышленности в полной стоимости автотранспорта, железнодорожных вагонов, кораблей, самолётов, которые изготавливаются по существующим технологиям из известных материалов, себестоимость корпуса транспортного средства составляет от 40 до 75%. Процесс изготовления несущего корпуса транспортного средства является наиболее трудоёмкой и дорогостоящей операцией в технологии изготовления автомобилей, железнодорожных вагонов, кораблей, дирижаблей, самолётов и других транспортных средств.

Основными конструкционными материалами, которые применяются для изготовления корпусов транспортных являются металлы: сталь, алюминий, титан, различные сплавы. Наиболее широко применяется технология изготовления из металла отдельных элементов (шпангоуты, стрингера, нервюры и прочие) каркаса (фюзеляж, крылья и прочие), который, затем, обшивается оболочкой (обечайкой) из листового металла, создавая цельнометаллический корпус транспортного средства. С целью защиты стали от коррозии применяется оцинкование и лакокрасочные покрытия. Необходимые теплоизоляционные и шумоизоляционные свойства корпусов транспортных средств обеспечиваются применением теплоизоляционных и шумоизоляционных материалов. Декоративные качества корпусам транспортных средств придаются за счёт применения отделочных материалов: краски, лака, металла, дерева, пластмассы, кожи и другие.

Совершенствование технологии по производству конструкций транспортного назначения осуществляется за счёт применения дорогостоящих автоматизированной линий по сборке цельнометаллических корпусов. С целью снижения веса корпусов транспортных средств автомобилей, кораблей, самолётов и других, для их изготовления используют карбон и стеклоткани.

Карбон изготавливается с применением текстильных технологий, нити содержат углеродные волокна, полотна текстильного материала связываются эпоксидной смолой. Стеклоткани изготавливаются с применением текстильных технологий из базальтовых и кремниевых минералов. В технологии производства стеклопластиковых корпусов транспортных средств применяется дорогостоящая разборная форма, как правило, изготавливаемая из дерева, на которой закрепляются сшитые текстильные материалы, склеиваемые эпоксидными смолами. После затвердевания стеклопластикового корпуса разборные элементы деревянной формы вынимаются через монтажные проёмы. Замена металла на стеклоткань или карбон не снижает себестоимости корпусов транспортных средств, а только улучшает их эксплуатационные характеристики за счёт снижения веса, повышения трещиностойкости, антикоррозионной стойкости и улучшения термоизоляционных характеристик.

В последнее время промышленностью все шире используется комбинированная технология изготовления монолитных корпусов транспортных средств сочетающая металлические и пластиковые конструктивные элементы, внутренняя полость которых заполняется вспенивающимися вяжущими пластмассами (пенополиуретан и другие). Снижение веса и себестоимости малоразмерных корпусов кораблей (надувных лодок) обеспечивается применением пневматической опалубки (пневмоопалубки) заполненной сжатым воздухом, которая изготавливается из текстильных материалов с гидроизоляционным покрытием.

Все известные технологии, конструкции, опалубки и материалы, по причине технического несовершенства, не обеспечили снижение стоимости объектов социально-экономической инфраструктуры.

Текстармированные конструкции и материалы

В период 2006-2013 годы в России под руководством Н.В. Лобаева [15,16 ] была разработана группа изобретений под общим названием: «Применение несъёмной текстильной опалубки (текстопалубки) в способах проектирования и монтажа уникальных текстармированных сооружений, зданий, корпусов транспортных средств, космических кораблей, искусственных спутников и инопланетных станций из различных марок текстармированного композитного материала».

Разработанная группа изобретений обеспечивает появление нового типа конструкций, а именно, текстармированных конструкций из различных марок текстармированного композитного материала. Текстармированные конструкции не содержат того комплекса технических и технологических несовершенств, который присутствует у каменных, армокаменных, бетонных, железобетонных, деревянных, металлических, пластмассовых конструкций.

Тексткамень, текстдерево, текстбетон, текстметалл, текстжелезобетон, текстпластмасса в XXI веке должны прийти на смену известным материалам, исчерпавшим потенциал модернизации.

Прототипом текстопалубки, предназначенной для заполнения растворами вяжущих веществ (бетоном, пластмассами и пр.) или инертными материалами (камень, песок и пр.), в процессе монтажа текстармированных строительных конструкций капитального типа из текстбетона, текстпластмасс и тексткамня, является пневмоопалубка, которая заполняется сжатым воздухом в процессе монтажа пневмоконструкционных сооружений временного типа.

Изобретение текстопалубки позволило разработать инновационную технологию TextStone, позволяющую в 3 раза повысить эффективность инвестиций в капитальное строительство социально-экономической инфраструктуры нового поколения с применением текстармированных сооружений и зданий.

Инновационная технология TextStone обеспечивает значительное снижение себестоимости, повышение качества, сокращение сроков монтажа, минимизацию эксплуатационных расходов объектов социально-экономической инфраструктуры, смонтированных с применением текстармированных конструкций.

Применение высокопроизводительного текстильного и швейного оборудования в технологии производства оболочки текстопалубки и новаторские способы монтажа уникальных сооружений и зданий позволят повысить производительность труда и заработную плату, индекс доходности и инвестиционную привлекательность инновационной индустрии, которая будет специализироваться на производстве текстармированных конструкций.

Текстопалубка может быть применена в способах монтажа уникальных конструкций дорог, мостов, зданий и других объектов социально-экономической инфраструктуры, что позволит строительным фирмам отказаться от морально устаревших технологий монтажа конструкций и материалов. Текстармированным сооружениям и зданиям не страшны пожары, землетрясения, наводнения, ураганный ветер, снеговые нагрузки, морозы и суточные перепады температуры, что обеспечит повышение уровня безопасности проживания людей и снизит стоимость страховки недвижимости. Рассматриваемая группа изобретений подтверждает мнение отраслевых специалистов, что совершенствование строительных конструкций и материалов пойдёт по пути совершенствования несъёмной опалубки, необходимо только отнести сюда и конструкции транспортного назначения.

Следует отметить, что применение текстиля для армирования бетонных и железобетонных конструкций, особенно за рубежом, достаточно распространено [17-26]. Причем текстиль используется как для армирования, так и для усиления железобетонных конструкций, включая плиты, оболочки в форме гиперболического параболоида, а также мостовые конструкции [26].

Применение текстопалубки в транспортном строительстве

Текстопалубка транспортного назначения обладает универсальными свойствами и может применяться для монтажа текстармированных автомобильных дорог, взлётно-посадочных полос, при устройстве площадей, парков и прочих.

Текстопалубка содержит оболочку из несъёмного опалубочного текстильного материала и арматуру с фитингами, которые могут изготавливаться из металла и пластмассы.

Текстопалубка содержит механизмы для прочной состыковки с другими текстопалубками и создания комбинированного предварительного напряжения, что позволяет монтировать конструкции с любыми габаритными размерами, достигать преимущественных технико-экономических характеристик строительных конструкций из текстбетона и текстпластмассы, по сравнению с аналогами из дерева, камня, бетона, железобетона, металлов и пластмасс.

В ходе внедрения группы изобретений в 2014 году на подвижном грунте был смонтирован опытно-экспериментальный участок уникальной автомобильной дороги, содержащей текстармированный каркас из текстопалубки.

Испытания уникальной текстармированной автомобильной дороги проводило «Малое инновационное предприятие «МАДИ – Дорожные технологии» (генеральный директор Васильев Ю.Э.).

На рис. 1 приведена фотография текстармированного каркаса автомобильной дороги из текстопалубки и членов рабочих групп ООО «НПЭП «Альтернатива Клима-Т» и ООО «Малое инновационное предприятие «МАДИ – Дорожные технологии» во время проведения испытаний.

Рис. 1. Текстармированный каркас автомобильной дороги из текстопалубки

На рис. 2 приведена фотография процесса испытаний каркаса текстармированной дороги, смонтированного из двух оставляемых текстопалубок, и создания в нем растягивающих, сжимающих и изгибающих усилий, путём поднимания его угловой части на высоту 2 метра ковшовым погрузчиком.

Рис. 2. Испытание каркаса текстармированной дороги

После проведения испытаний, результаты выполненных с помощью лазерного нивелира контрольных замеров отметок узловых конструкционных элементов оставляемой текстопалубки подтвердили, что все конструкционные элементы несущего каркаса текстармированной дороги не получили деформационных повреждений.

На рис. 3 приведена фотография, иллюстрирующая проведение работ по отсыпке гравийно-песчаной смеси по текстармированному каркасу автомобильной дороги с применением ковшового погрузчика.

Рис. 3. Отсыпка гравийно-песчаной смеси по текстармированному каркасу автомобильной дороги

Рис. 4 иллюстрирует проведение статических испытаний опытного экспериментального участка каркаса текстармированной дороги засыпного типа с применением самосвалов MAN и КАМАЗ общим весом 64 тонны.

Рис. 4. Статические испытания опытного экспериментального участка каркаса текстармированной дороги засыпного типа

Текстопалубка может найти широкое применение при строительстве искусственных сооружений. На рис. 5 показан эскиз уникального текстармированного моста-трубы, монтируемого с применением оставляемой текстопалубки арочной и прямоугольной формы.

Рис. 5. Эскиз текстармированного моста-трубы

Каркас арочной опоры моста-трубы монтируется с применением двухуровневой оставляемой текстопалубки арочной формы, которая опирается на дно русла реки. Пролёт текстармированного моста-трубы монтируется с применением двухуровневой оставляемой текстопалубки прямоугольной формы. По текстармированному пролёту моста-трубы с применением оставляемой текстопалубки монтируется проезжая часть.

Текстармированные арочные конструкции могут применяться и при строительстве подземных транспортных тоннелей, а также водопропускных и канализационных труб.

Применение текстопалубки в гражданском строительстве

На рис. 6 показано выполнение операции по переводу смонтированной из комплекта оставляемой текстопалубки развертки опытно-экспериментального уникального текстармированного здания в вертикальное положение, а на рис.7 показан самонесущий каркас опытно-экспериментального образца модульной блок-секции текстармированного здания после выполнения операции устройства проёмов для монтажа оконных и дверных блоков в оболочках оставляемой текстопалубки.

Рис. 6. Развертка опытно-экспериментального текстармированного здания

Рис. 7. Самонесущий каркас образца модульной блок-секции текстармированного здания

Рис. 8 иллюстрирует способ монтажа макета текстармированного каркаса трёхуровневого здания жилого назначения монтируемого по регламентам инновационной технологии TextStone, с применением комплекта оставляемой текстопалубки.

Рис. 8. Макет текстармированного каркаса трёхуровневого здания жилого назначения

Предварительные расчеты показывают, что трудоёмкость строительно-монтажных работ по возведению серийного текстармированного коттеджа общей площадью 360 м² с учётом стоимости всего комплекса автономных энергосберегающих системами жизнеобеспечения, составляет 280 человеко часов, а цена продаж 10-12 тысяч рублей за 1 м².

На рис. 9 показана текстопалубка круглой формы, которая может найти широкое применение при монтаже текстармированных сооружений, зданий, корпусов транспортных средств из различных марок текстармированного композитного материала

Рис. 9. Текстопалубка круглой формы

Применение текстопалубки при создании корпусов транспортных средств

На рис. 10 приведен эскиз пассажирского дирижабля с уникальной монолитной текстармированной гондолой, проектируемой, изготавливаемой, монтируемый и испытываемой в ходе выполнения НИиОКР по внедрению группы изобретений в области строительства, транспорта и космоса.

Рис. 10. Эскиз пассажирского дирижабля с монолитной текстармированной гондолой

Известные конструкции гондол дирижаблей содержат оболочку из воздухонепроницаемого текстильного материала и каркас. Хлипкая конструкция гондолы дирижабля не позволяет развивать высокую скорость и имеет низкую степень жизнестойкости, и, следовательно, не обеспечивает достаточную безопасность пассажиров. По причине технического несовершенства существующих конструкций, до изобретения текстармированной конструкции, дирижабли не могли составить конкуренции самолётам на рынке воздушных перевозок.

Для изготовления монолитной текстармированной гондолы дирижабля из текстпластмассы применяется оставляемая текстопалубка с разнонаправленными рукавами, имеющая форму огурца. Крылья и рули дирижабля изготавливаются из оставляемой текстопалубки трапециевидной формы. Несъёмный опалубочный текстильный материал содержит воздухонепроницаемую плёнку и углеродные нити, а ребра жесткости, арматура, фитинги и тросы изготавливаются из углепластика обладающего высокой удельной прочностью.

В ходе монтажа фитинги и тросы обеспечивают создание комбинированного предварительного напряжения в текстармированном каркасе гондолы дирижабля. Смонтированный из комплекта оставляемой текстопалубки текстармированный каркас дирижабля заполняется раствором затвердевающего аэрогеля по шлангам с форсунками и полым ребрам жесткости с арматурой. В процессе твердения аэрогеля формируется монолитная текстармированная гондола дирижабля с комбинированным преднапряжением, обладающая высокой прочностью и жизнестойкостью, в сочетании с лёгкостью и относительно невысокой стоимостью. В XXI веке дирижабли с монолитной текстармированной гондолой могут составить успешную конкуренцию самолётам и обеспечат снижение цен на воздушные пассажирские и грузовые перевозки.

На рис. 11 приведен эскиз многопалубного, крупногабаритного межпланетного космического корабля с монолитным текстармированным корпусом, который проектируется в ходе выполнения НИиОКР по внедрению группы изобретений в области строительства, транспорта и космоса.

Рис. 11. Эскиз многопалубного, крупногабаритного межпланетного космического корабля с монолитным текстармированным корпусом

Для изготовления текстармированных монолитных корпусов крупногабаритных межпланетных космических кораблей применяется многослойная конструкция несъёмного опалубочного текстильного материала, содержащая сложнопереплетённые базальтовые нити, которые обеспечивают защиту от космического излучения и холода, не разрушается под воздействием резкого перепада температуры.

Промышленный, финансовый и интеллектуальный потенциал мирового сообщества в ходе наращивания мощностей инновационной индустрии по производству текстармированных сооружений, зданий и корпусов транспортных средств позволит приступить с 2025 года к реализации глобального инновационного проекта «ТекстКамень» направленного на организацию производства крупногабаритных монолитных текстармированных корпусов многоразовых космических кораблей, искусственных спутников и инопланетных станций.

Крупногабаритные текстармированные корпуса обеспечат создание технической возможности оснащения космических кораблей автономными системами жизнеобеспечения по производству кислорода, за счёт фотосинтеза зеленых растений, растительного и животного белка, жиров и углеводов, биологической очистки воды, что позволит осуществлять длительные космические экспедиции, которые дадут начало эпохе обустройства Солнечной системы.

Изготовление несъёмных опалубочных текстильных материалов

Оболочка текстопалубки изготавливается из несъёмных опалубочных текстильных материалов (НОТМ). На рис. 12 приведена схема многослойной мультиаксиальной конструкции несъёмного опалубочного текстильного материала для оболочки текстопалубки.

Рис. 12. Схема многослойной мультиаксиальной конструкции несъёмного опалубочного текстильного материала для оболочки текстопалубки

Конструкция НОТМ определяется техническими требованиями предъявляемым к текстармированным строительным конструкциям. Крупногабаритные оболочки текстопалубок изготавливаются из отдельных полотен НОТМ методами сшивания, склеивания или сваривания в зависимости от физико-механических свойств.

На рис. 13 показано высокопроизводительное текстильное оборудование, которое может быть применено для изготовления несъёмных опалубочных текстильных материалов (НОТМ) из которых сшиваются или свариваются оболочки текстопалубок.

Рис. 13. Текстильное оборудование для изготовления несъёмных опалубочных текстильных материалов

Правильный выбор оборудования является одним из важнейших требований соблюдения регламентов инновационной строительной технологии TextStone. Применение высокопроизводительных химических, текстильных и швейных технологий и оборудования для изготовления оболочек текстопалубок обеспечит снижение себестоимости, рост производительности труда в уникальной индустрии, которая будет специализироваться на изготовлении и монтаже текстармированных сооружений. Производительность современных основовязальных текстильных машин составляет 300 п.м. в час многослойных мультиаксиальных несъёмных опалубочных текстильных материалов (НОТМ) с шириной до 3,5 м. Многослойные мультиаксиальные несъёмные опалубочные текстильные материалы (НОТМ) с многофункциональными свойствами, из которых изготавливаются оболочки текстопалубок, выполняющие функции армирующей оболочки текстбетона, обладают очевидными технико-экономическими преимуществами в сравнении с традиционными строительными материалами.

Арматуру текстопалубок следует изготавливать из жестких, упругих и долговечных материалов. Конструкция текстопалубки обладает универсальностью, позволяющей устанавливать в закрытые или открытые пазы оболочки разнообразные стандартные и нестандартные изделия из металлов или неметаллов, прямолинейной или изогнутой формы.

Арматура текстопалубок включает ребра жесткости, которые устанавливаются в пазы оболочки, и дополнительную арматуру с фитингами, которая устанавливается в монтажные отверстия пазов оболочки с ребрами жесткости.

Способ установки ребер жесткости в мягкую текстильную оболочку текстопалубки и дополнительной арматуры в монтажные отверстия обладает простотой и надёжностью, не требует применения электросварки и высокой квалификации от персонала. При использовании пустотелой арматуры в ней следует высверливать форсунки, подключать шланги и использовать в качестве трубопроводной системы для закачки и равномерного распределения раствора вяжущего вещества по объёму текстопалубки.

На рис. 14 показано оборудование по изготовлению базальтопластиковых, стеклопластиковых и углепластиковых ребер жесткости и арматуры оставляемой текстопалубки.

Рис. 14. Оборудование по изготовлению базальтопластиковых, стеклопластиковых и углепластиковых ребер жесткости и арматуры оставляемой текстопалубки

На рис. 15 показано оборудование по производству крупногабаритных ребер жесткости оставляемой текстопалубки, применяемых в способе монтажа широкопролётных и высотных текстармированных конструкций.

Рис. 15. Оборудование по производству крупногабаритных ребер жесткости оставляемой текстопалубки

Выводы

1. Показано, что широко применяемые для изготовления инженерных сооружений материалы, такие как металл, бетон, железобетон начинают исчерпывать свой ресурс и в силу ряда присущих им недостатков являются причиной дороговизны сооружений из них.

2. Для снижения дороговизны сооружений предлагается использовать новую технологию TextStone по производству текстармированных конструкций, согласно которой вместо арматурных каркасов из металла или композита, металлической или деревянной опалубки предлагается использовать оставляемую текстильную опалубку, выполняющую функции конструкции и армирующего материала.

Литература

1. Новые материалы. Коллектив авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. М. МИСИС. 2002. 736 с.

2. Зацаринный В.П., Акопов А.И. Атланты держат небо. М. Знание. 1979. 176 с.

3. Оксанович Л.В. Невидимый конфликт. М. Стройиздат. 1981. 191 с.

4. Гордон Д. Конструкции, или почему не ломаются вещи. М. Мир. 1980.

5. Лопатто А.Э. Пролеты, материалы, конструкции. М. Стройиздат.1982.195 с.

6. Вахненко П.Ф. Каменные и армокаменные конструкции. К. Будивэльник. 1990. 184 с.

7. Ветрюк И.М. Конструкции из дерева и пластмасс. Минск. Вышэйшая школа. 1968. 248 с.

8. Беленя Е.И., Стрелецкий Н.Н., Ведеников Г.С. и др. Металлические конструкции. Спецкурс: Учебное пособие для вузов/Под ред. Е. И. Беленя.3-е изд.М.: Стройиздат,1991.687 с.

9. Металлические конструкции. Под ред. Н.П. Мельникова. М. Стройиздат. 1980. 776 с.

10. Гибшман М.Е., Попов В.И. Проектирование транспортных сооружений. Учебник для вузов. М. Транспорт. 1988. 447 с.

11. Лопатто А. Артур Фердинандович Лолейт. К истории отечественного железобетона. М.: Стройиздат, 1969. 104 с.

12. Фоломеев А.А. Оценка эффективности бетона и железобетона по энергозатратам//Бетон и железобетон. 1982.№1.

13. Железобетонные конструкции. Основы теории, расчета и конструирования//Учебное пособие. Под ред. Проф. Т.М. Пецольда и проф. В.В. Тура. Брест, БГТУ. 2003. 380 с.

14. Отто Ф., Тростель P., Пневматические строительные конструкции, пер. с нем., М., 1967.

15. Пат. 2323308 Российская Федерация. Несъемная строительная опалубка/патентообладатели Лобаев Е.Н., Пеплина О.Г., Лобаев Н.В., Ибрагимов А.Н., Шахматов В.М., Зимин Н.А., Сивоконь В.А. Заявл. 24.07.2006; зарегистр. 27.04.2008.

16. Пат. 2380497 Российская Федерация. Несъемная строительная опалубка/Лобаев Н.В., Шахматов В.М., Колобов В.В.; патентообладатель Лобаев Николай Владимирович. Заявл. 11.08.2008; зарегистр. 27.01.2010.

17. Curbach, M. and Jesse, F., “High-Performance Textile-Reinforced Concrete”, Structural Engineering International, IABSE, V. 4, 1999, pp. 289-291.

18. Brameshuber, W., Brockmann, J. and Roessler, G., “Textile Reinforced Concrete for Formwork Elements – Investigations of Structural Behaviour”, FRPRCS-5 Fiber Reinforced Plastics for Reinforced Concrete Structures, C. J. Burgoyne, ed., Thomas Telford, London, 2001, V. 2, pp. 1019-1026.

19. Offermann, P.; Köckritz, U.; Abdkader, A.; Engler, Th. and Waldmann, M., “Load– Adapted Textile Structures for Concrete Reinforcement,” Textile Reinforced Structures. Proceedings of the 2nd Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS2), Dresden, Germany, 2003, ed. Curbach, M., Technische Universität Dresden, pp. 15-28

20. F. Steinigen, B. Möller, W. Graf and A. Hoffmann. RC structures with textile reinforcement and strengthening. In: N. Bicanic, R. de Borst, H. Mang and G. Meschke (eds.).Computational Modeling of Concrete Structures. Proceedings of the Euro-C Conference 2003.St. Johann im Pongau, A.A. Balkema, Lisse, pp. 759-768.

21. Bruckner A., Ortlepp R. and Curbach M. (2006): Textile reinforced concrete for strengthening in bending and shear. Materials and Structures, Vol. 39 (8), pp. 741-748.

22. Hegger J., Zell M. and Horstmann M. Textile Reinforced Concrete–Realization in applications. In: proceedings: International fib Symposium Tailor Made Concrete Structures: New Solutions For Our Society, 2008, рр.357-362.

23. De Bolster, E., Cuypers, H., Van ltterbeeck, P., Wastiels, J. and De Wilde, W.P. “Use of hypar-shell structures with textile reinforced cement matrix composites in lightweight constructions”, Composites Science and Technology, 2009, Vol. 69, No. 9, pp. 1341–1347.

24. Hegger J. and Voss S. Investigations on the bearing behaviour and application potential of textile reinforced concrete. Engineering Structures, 2008. Vol. 30 (7), pp. 2050-2056.

25. Orlowsky J. and Raupach M. Textile reinforced concrete-from research to application. Cement Wapno Beton, 2011. Vol. 16 (6), pp. 323-331.

26. Hegger J., Goralski C. and Kulas C. A pedestrian bridge made of textile reinforced concrete. Schlanke Fußgängerbrücke aus Textilbeton, 2011. Vol. 106 (2), pp. 64-71.

27. Holler S., Butenweg C., Noh S. Y., et al. Computational model of textile-reinforced concrete structures. Computers & Structures, 2004.Vol. 82 (23-26), pp. 1971-1979.

28. Möller B., Graf W., Hoffmann A., et al.: Numerical simulation of RC structures with textile reinforcement. Computers & Structures,2005. Vol. 83 (19–20), pp. 1659– 1688.

29. Hegger J., Will N., Bruckermann O., et al. Load–bearing behaviour and simulation of textile reinforced concrete. Materials and Structures, 2006. Vol. 39 (8), pp. 765-776.

30. Lepenies I. G., Richter M. and Zastrau B. W. A Multi-Scale Analysis of Textile Reinforced Concrete Structures. PAMM, 2008.Vol. 8 (1), pp. 10553-10554.

31. Tysmans, T., Adriaenssens, S., Cuypers, H. and Wastiels, J. “Structural analysis of small span textile reinforced concrete shells with double curvature”, Composites Science and Technology, 2009,Vol. 69, No. 11–12, pp. 1790–1796.

32. Yin S., Xu S. and Li H. Improved mechanical properties of textile reinforced concrete thin plate. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 2013. Vol. 28 (1), pp. 92-98.