ЗАПОЛНИТЕЛИ АСФАЛЬТОВЫХ ШПОНОК И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ШВОВ

В процессе эксплуатации гидротехнических сооружений область расположения внутреннего вертикального асфальтового уплотнения чаще всего имеет положительную или близкую к нулю температуру. Это создает условия, при которых в эксплуатации сохраняется высокая пластичность и текучесть асфальтовой мастики, заполняющей полость шпонки. В этом случае, при установившемся состоянии, асфальтовая мастика ведет себя как высоковязкая жидкость, передающая давление по закону гидростатики. При расширении шва давление мастики падает, при сужении - увеличивается. Во всех случаях при температурных деформациях шва распространение давления мастики по высоте шпонки обусловливается скоростью деформации полости шпонки и скоростью движения мастики в ней. Помимо температурных условий, пластичность и текучесть асфальтовых материалов зависит, главным образом, от их состава и марки применяемого битума, а также от площади поперечного сечения и формы полости шпонки.

В отечественной практике гидротехнического строительства для заполнения шпонок рекомендуются термопластичные асфальтовые мастики.

Асфальтовый материал заполнения шпонок должен обладать необходимыми упруго-вязкими свойствами, способностью воспринимать многократные знакопеременные нагрузки и температурные изменения без нарушения монолитности и иметь прочное сцепление с бетонной поверхностью полости шпонки. Пользуясь одним только битумом, не удается получить смеси, обладающей указанными свойствами.

Термопластичность асфальтового заполнения шпонок требует надежной их защиты от резких перемен температур, поскольку рекомендованная асфальтовая мастика при повышенных температурах может вытекать через неплотности ограждения, как это случилось, например, на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина, Боткинской и Каховской ГЭС, а с другой стороны, при пониженной температуре асфальтовая мастика теряет свою пластичность, что приводит к ее растрескиванию при расхождении шва или к избыточному давлению в полости шпонки при его схождении. Поэтому наружные (поверхностные) вертикальные асфальтовые шпонки не следует заполнять обычным составом асфальтовых мастик.

Термопластичная асфальтовая мастика при промерзании шпонки теряет подвижность, не подтекает с должным расходом, и в ней возникают растягивающие напряжения, которые в итоге приводят к растрескиванию ее. В настоящее время большой интерес представляет применение полимерных материалов в качестве пластифицирующих и структурирующих добавок, которые придают асфальтовым мастикам эластомерные свойства, снижая их текучесть при повышенных температурах и повышая растяжимость при пониженных температурах, одновременно снижая температуру хрупкости материала.

Результаты исследований новых битумно—полимерных герметизирующих материалов, выполняемых во ВНИМГ с 1964 г., открывают новые перспективы для применения поверхностных асфальтовых шпонок в условиях резко континентального климата /2 5/. Для приготовления битумно-полимерных герметиков наиболее эффективными добавками пластификаторов оказались: каучуковый латекс СКД-1, растворы каучуков (торговый резиновый клей 4508) и КОРС (кубовые остатки ректификация стирола), если они сплавлены с битумом в горячем состоянии растворитель или вода из них выпарены. Такие добавки придают асфальтовой мастике повышенные гидроизоляционные свойства, например, трешиноустойчивость на морозе, а также являются более эффек -тивными, чем традиционные добавки резиновой крошки, применяемые при получении битумно-резиновой мастики. В последние годы разработаны герметики с использованием этилеипропиленовых каучуков СКЭП и СКЭПТ (ВСН 134-70) и термоэластопластов. Эти материалы, наряду с повышенной деформативной способностью, обладают и повышенным сцеплением с бетонными поверхностями.

По своим структурно-механическим свойствам битумно-полимерные герметики характеризуются термопластичностью и аномальностью вязкости, не свойственными обычным асфальтовым материалам с коагуляционной структурой, однако каучуковые добавки оснащают ее дополнительной конденсационной структурной сеткой, повышающей упругую и высокоэластическую составляющие общей деформации.

Далее, рассматривая условия деформирования битумно-полимерных герметиков в шпонках уплотнения швов железобетонных облицовок и экранов, необходимую ширину шпонки определяем из условий предельных растягивающих напряжений в герметике при расхождении шва и по зависимости.

В зарубежных странах для заполнения шпонок применяются битумно—резиновые сплавы, изготовленные на битуме с малой вязкостью, приближающиеся по своим свойствам к битумам марок БН-И и БН-Т или их смеси. Зта мастика легко размягчается от температуры руки, не требует разогрева даже при температуре наружного воздуха до -35°С. Так, например, этими мастиками финские фирмы "Иматран Войма" уплотняли деформационные швы облицовочных плит подводящих и отводящих каналов Верхне-Туломской, Янискоски и других ГЭС.

В качестве материала заполнителя асфальтовых шпонок могут быть предложены пластифицированные битумы промышленного изготовления, с добавкой каучуковидных материалов (резиновый порошок, полиизобутилен, синтетический каучук и др.), повышающих вязкость. Такой состав материала заполнителя повышает деформативную способность обычных нефтяных битумов при отрицательной температуре и уменьшает текучесть пластифицированного битума из шпонки. Применение подобных заполнителей дает возможность отказаться от разогрева мастики.

В США опыт эксплуатации деформационных швов дорожных покрытий, расположенных и розных климатических, условиях, показал достаточно хорошую стойкость указанных видов заполнителей. Следует отметить, что несмотря па большие неравномерные осадки секций сухого дока завода имени Г. Димитрова в г. Варна (Болгария), уплотнения швов производились асфальтовыми шпонками, заполненными мастикой па основе бптумпо-резинового сплава. Применение бптумно-полнмерных сплавов позволило при раскрытии деформационных швов до 12 см обеспечить водонепроницаемость их благодаря большой деформатнвной способности мастики даже при отрицательной температуре.

В Советском Союзе имеется некоторый опыт применения бнтумно-реэиновых заполнителей. В 30-х годах институт коммунального хозяйства в Ленинграде проводил опыты по устройству асфальто-бстонных покрытий с резиновым наполнителем. В 1030-1941 гг. ВНПКГ им. Б. Е. Веденеева исследовал асфальтовые мастики с резиновым наполнителем для ремонта шпонок шлюзов канала им. Москвы. Полученные результаты были положительные.

При строительстве Кременчугского гидроузла по рекомендации автора для заполнения асфальтовых шпонок здания ГЭС сечением 100x80 см, вместо горячей асфальтовой мастики, предусмотренной проектом, применялась асфальтовая мастика резино-битумного сплава.

Асфальтовая мастика, предложенная нами, была исследована в строительной лаборатории Кременчугского гидроузла. В ней изучались составы сплавов, содержащие от 5 до 20% по весу резиновой крошки.

Исследованиями установлено, что при добавке к битуму малых количеств резины (до 5%) наблюдается ускоренное старение смеси, что объясняется том, что при малых добавках резина, набухая, отбирает у битума масло. До повышения теплоизоляционных свойств, эластичности и температуроустойчивости в смесь следует вводить повышенное количество резиновой крошки.

Установлено, что добавка резиновой крошки резко повышает температуру размягчения мастики. Следует отметить также положительное влияние резиновой крошки на прочность сцепления мастики с бетонной поверхностью. Испытания прочности сцепления проводились при температурах от +10 до -20°С. Было установлено, что прочность сцепления уменьшается с понижением температуры. Причем при отрицательных температурах прочность сцепления снижается значительнее. Однако и при температурах -20°С мастика все еще обладает достаточным сцеплением.

Дополнительно исследовалось влияние огрунтовки бетонной поверхности на сцепление с асфальтовой мастикой. Прочность сцепления в этом случае оказалась на 35-50% выше, чем у неогрунтованной. Таким образом сцепление с бетоном указанных мастик при положительной температуре было ниже 4 кгс/см, а при 0° и -5°С практически отсутствовало. Исследованиями также установлено, что введение в мастику резиновой крошки повышает ее прочность на разрыв.

Теплопроводность мастик, содержащих резиновую крошку, значительно ниже, чем мастик без этой добавки. Таким образом, исследованиями подтверждено, что введение в состав горячих асфальтовых мастик резиновой крошки и пластификатора (масла) значительно повышает их эластичность и термопластичность.

Кроме теплопроводности, проводились определения других физико-механических свойств исследуемых сплавов битума и резиновой крошки. Водоустойчивость сплавов уценивалась водопоглощением, набуханием и коэффициентом водоустойчивости. Испытания проводились в течение 14 месяцев. Коэффициент водоустойчивости определялся путем испытаний на системе цилиндрических образцов высотой и диаметром 70 мм. Отмечено, что при испытаниях водопоглощения и набухания изменения в весе и объеме наблюдались лишь в первые два месяца, а затем эти показатели стабилизировались.

Температура хрупкости сплавов определялась по Фраасу (ГОСТ 11507-58) и экспресс-методом по изменению ударной вязкости от температуры. Оба способа дали практически одинаковые результаты.

Результаты проведенных исследований показывают, что сплав нефтяного битума марки БН-Ш с резиновой крошкой имеет повышенные физико-химические свойства по сравнению с чистыми битумами и асфальтовыми мастиками (составов № 1 и 2), приготовленными с использованием обычных минеральных наполнителей. Высокие показатели сцепления с бетоном и высокая температура хрупкости позволяют рекомендовать битумно-резиновые сплавы для заполнения полости шпонок. Исследования подтвердили также необходимость строгого соблюдения технологии приготовления битумно-резиновых сплавов.

Для обеспечения полного сплавления резиновой крошки и получения однородного состава следует очистить материалы от посторонних включений путем процеживания через мелкую сетку, хорошо выпарить и сплавление с резиновой крошкой производить при нерперывном перемешивании в течение 1,0-1,5 ч.

Для опыта, предложенного нами, битумно-резиновой мастикой были поярусно (4 м) заполнены четыре асфальтовые шпонки, расположенные по две стороны верхнего и нижнего бьефов.

В период с 1959 по 1972 г. проводились систематические наблюдения за этими опытными шпонками, из наблюдений в смотровых шахтах установлено, что фильтрация воды через шпонки и утечка мастики не имели места. Также отмечается, что асфальтовая мастика в шпонках, хорошо нагретая и обезвоженная перед затоплением котлована, плотно заполняет полость шпонки и при этом сохраняет устойчивость против выдавливания гидростатическим давлением. Колебания уровня мастики в шпонке находятся в зависимости от температуры бетона массива сооружения. Необходимо отметить, что опыт эксплуатации шпонок с заполнением битумно-резиновой мастикой показал монолитность и эластичность таких мастик.

А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975