Бетонные и железобетонные трубы – современное состояние и перспективы производства

На фоне появления новых и повышения функциональных возможностей ранее использовавшихся для изготовления труб материалов, трубы из железобетона испытывают жесткую конкуренцию со стороны других видов труб.

Так, например, для кана­лизационных систем, в соответствии с тре­бованиями СНиП 2 04 03-85 «Канализация.Наружные сети и сооружения» при устрой­стве самотечных канализационных трубопроводов помимо безнапорных железобе­тонных и бетонных труб можно применять керамические, чугунные, асбестоцементные и пластмассо­вые, а при устройстве напорных канализационных трубопро­водов — наряду с напорными железобетонными, асбестоцементные, чугунные, сталь­ные и пластмассовые. В силу не только объективных, но и в из­вестной степени субъективных причин не во всех возможных областях применения железо­бетонные трубы занимают оди­наково уверенные позиции. Но в целом ряде приложений у них практически нет альтернативы (например, когда требуется бы­страя замена поврежденного участка канализационной се­ти диаметром от 500 мм и вы­ше). В отличие от полимерных труб, не успевших в полной мере пройти испытание временем, их успеш­ный продолжительный опыт эксплуатации в инженерных коммуникациях убедительно доказал, что железобетон продолжает оста­ваться одним из наиболее предпочтитель­ных материалов для производства широко­го сегмента труб.

Применение

Развитие инфраструктуры подземных коммуникаций во всех странах происходит примерно по одинаковой схеме с использо­ванием металлических (стальных и чугун­ных), полимерных, железобетонных, кера­мических и асбестоцементных труб. Раз­ница лишь в проценте использования того или иного вида при устройстве различных видов трубопроводных систем.

Так, в Западной Европе в канализации пла­стик используется в основном для труб диа­метром до 250 мм при прокладке придомо­вых сетей. Для магистральных трубопроводов, с диаметром труб от 300 до 600 мм, ис­пользуются керамика и железобетон, и чем диаметр трубы больше, тем выше доля же­лезобетона. Причина очевидна — нагрузки, которые испытывают магистральные трубо­проводы, пластик выдерживает хуже железобетона. Выполненный из полимерных ма­териалов трубопровод может прогибаться под весом грунта или при его вспучивании. А если учесть, что одним из способов очист­ки труб от отложений является прокачка тру­бопроводов под повышенным давлением, нередко приводящая к деформации пласти­ковых труб и потере выполненными из них трубопроводами герметичности, но никак не влияющая на форму железобетонных труб, преимущества последних становятся еще бо­лее очевидными. В России железобетонные трубы имеют две основные области приме­нения: напорные водопроводные и водоводные системы и промышленно-бытовая, бытовая, ливневая безнапорная канализация, а также трубопроводные системы инженер­ных коммуникаций.

Технологии производства

Лидерами в производстве железобетон­ных труб, как впрочем, и оборудования для их изготовления, являются фирмы За­падной Европы и США. Сегодня существу­ет несколько прогрессивных технологий: высокочастотное виброформование с подпрессовкой бетона, центрифугирование с дополнительной вибрацией, радиальное прессование и др.

Преимущества первого метода: быстрое и однородное уплотнение; высокая прочность труб; короткий цикл в силу быстрого протекания процесса уплотнения и момен­тальной распалубки; возможность созда­ния полностью автоматизированного производства. В отличие от виброуплотнения в радильно-прессовом методе для уплотнения используется вращающийся в радиаль­ном направлении прессовый инструмент, выполняющий сразу несколько функций: распределение бетона, прессование, за­тирку стенок внутреннего диаметра тру­бы. В обычных машинах для изготовления труб все элементы роликовой головки вра­щаются в одном направлении. В реверсив­ных — роликовая головка и фасонная гла­дилка вращаются в разных направлениях, устраняя напряжения, возникающие в сы­рых трубах. Радильно-прессовый метод от­личается высокой производительностью и позволяет изготавливать самые тонко­стенные трубы.

При центрифугировании распределе­ние и уплотнение бетонной смеси осуществляется за счет центробежных и ди­намических сил. Для достижения лучшего качества внутренней поверхности труб и обеспечения необходимого уплотне­ния одновременно с центрифугирова­нием применяются вибрирование и ви­бропрессование.

Примером такой комбинации процес­сов вибрации, центрифугирования, фор­мования и сглаживания поверхности бе­тона являются машины немецкой фирмы Zublin. Подготовленная для трубы форма устанавливается на рабочий стол и пово­рачивается под прессующей головкой. Го­ловка опускается в форму. С помощью конвейерной ленты из бункера пода­ется бетон. Уплотнение раструба производится с помощью вибраторов. Основная труба изготов­ляется с помощью прес­сующей головки. Точная длина трубы достигает­ся благодаря уплотне­нию бетона под прессом. Форма с сырой бетонной трубой удаляется с рабо­чей позиции и одновре­менно под прессующую головку устанавливает­ся форма для новой тру­бы. В европейских стра­нах — Германии, Дании, Австрии — преимуще­ственное развитие по­лучило высокочастотное виброформование. Метод радиального прессова­ния широко использует­ся в США и Италии. В нашей стране техноло­гия радиального прессо­вания не прижилась в си­лу отрицательного опыта производства в 80-х годах на отечественном оборудовании. Исторически сложилось, что за­водское производство железобетонных труб в России развивалось в двух направ­лениях — центрифугирование (доля цен­трифугированных труб в общем объеме выпуска достигала 70%, тогда как, напри­мер, в Японии — не более 40%) и вибро­формования. К началу 90-х годов XX сто­летия СССР был в числе лидеров по про­изводству бетонных и железобетонных труб — 1,8 млн. м³ в год. Заводы оснащались как отечественным, так и импортным оборудованием. Но, по­скольку в силу объективных причин, на­чиная уже с конца 80-х годов, обновление станочного парка фактически прекрати­лось, к настоящему времени производ­ственные мощности по выпуску желе­зобетонных труб на большинстве пред­приятий морально устарели. Технология изготовления и качество труб перестали отвечать современным требованиям. Од­нако в последние годы наметилась тен­денция к техническому перевооружению предприятий-производителей железо­бетонных изделий (и труб в том числе). На смену устаревшему приходит совре­менное оборудование, в котором в полной мере реализованы научно-технические достижения (особенно в части автомати­зации производства, что способствовало повышению качества продукции, сниже­нию трудозатрат, улучшению условий тру­да). Сегодня это оборудование зарубеж­ного производства, поскольку разработ­ки отечественного в те же 90-е годы были приостановлены, а ведущие зарубежные производители, сделав шаг вперед, до­стигли значительного прогресса.

Напорные железобетонные трубы

Напорные железобетонные трубы для транспортировки жидкости под давлением используются при устройстве сетей во­доснабжения и канализации. Сегодня до­ля железобетонных и бетонных труб в се­тях водоснабжения крупнейших россий­ских городов Москвы и Санкт-Петербурга невелика — всего несколько процентов. Боль­шей частью используются полимерные, стальные с внутренней полимерной об­лицовкой и чугунные трубы диаметром 100-500 мм с глубиной заложения ниже точки промерзания грунта.

Но помимо городских сетей существу­ют магистральные напорные водоводные системы, служащие для транспортиров­ки больших объемов воды для питьевого и промышленного водоснабжения как от­дельных городов, так и целых территорий с многомиллионным населением. Для их строительства, наряду со стальными труба­ми с внутренней цементно-песчаной обли­цовкой диаметром 1000-1400 мм, используют трубы железобетонные: как сравнитель­но небольшого диаметра (от 500 до 1100 мм), так и диаметром от 2000 до 5500 мм.

Безнапорные железобетонные трубы

Безнапорные раструбные и фальцевые трубы с круглым отверстием, изготовляе­мые из тяжелого бетона, служат для про­кладки подземных трубопроводов, транс­портирующих самотеком (неполным се­чением — до 0,95 внутреннего диаметра трубы) бытовые жидкости, атмосферные сточные воды, подземные воды и произ­водственные жидкости, не агрессивные к железобетону и уплотняющим резино­вым кольцам. Кроме того, из железобетона изготавливают водопропускные трубы, укладываемые под насы­пями железных и автомобильных дорог и служащие для отвода талых вод и прео­доления небольших водных преград. Диа­метр водопропускных труб и их прочность должны определяться в каждом конкретном случае специальным проектом, указываю­щим глубину заложения под насыпью, ха­рактер и величину нагрузки и водопропуска в зависимости от почвенно-климатических условий. В любом случае водопропуск дол­жен быть по высоте меньше диаметра тру­бы, а труба не должна работать в напорном режиме и при химическом воздействии вод на бетон. В настоящее время не менее 65-70% безнапорных железобетонных труб, производимых в России, изготавливается на старом отечественном оборудовании: центрифугах ременного и роликового ти­па, а также по технологии вибрационного воздействия на бетон через формооснастку. На центрифугах изготавливают наибо­лее востребованные для устройства без­напорной канализации, отвода ливневых вод и водопропуска трубы диаметром 400-1000 мм и длиной 5 м. Вибропрес­сованные трубы выпускаются преимуще­ственно диаметром 1000-1600 мм и дли­ной 5 м, а также диаметром 2000 — 350СгТш и длиной от 2 до 3,5 м.

Сравнительно небольшая длина (2,5-3,0 м) труб упрощает не только производствен­ный процесс, но и укладку трубопроводов. равномерной укладки и уплотнения бето­на используют современные технологиче­ские приемы и их сочетания. Это наклады­вает определенные требования на формую­щее оборудование и мощность двигателей. Крутящие валы, оснастка, формы тщатель­но центрируются, изготовляются из высо­кокачественных сталей, необычно высокая степень допусков обеспечивает точность стыковки формооснастки. Идет постоянное усовершенствование оборудования, авто­матизация технологических операций, бла­годаря чему фирмы добиваются высокого качества выпускаемой продукции.

Агрессивность жидкостей и коррозионная стойкость бетона

Основная область применения железо­бетонных труб— трубопроводы ливневой, промышленно-бытовой и бытовой канали­зации, вода которых не является агрессив­ной по отношению к бетону.

Агрессивность вод определяется СНиП 2.03.11 — 85 «Защита строительных конструк­ций от коррозии», разделяющим их на не­агрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные.

Если вода агрессивна к бетону, то соглас­но ГОСТ 6482-88 «Трубы железобетонные безнапорные» проектом должны предусма­триваться меры защиты. Но на практике это­го зачастую не происходит. В неагрессив­ных и слабоагрессивных средах применя­ют трубы, к бетону которых не предъявля­ют особых, выходящих за рамки условий стандарта, требований. Но если в неагрес­сивных средах срок службы бетона состав­ляет 50 лет и выше, то в слабоагрессивных он снижается до 20 — 30. В среднеагрессивных средах срок службы еще ниже, в свя­зи с чем следует использовать методы вто­ричной антикоррозийной защиты, т. к. при эксплуатации происходит газовая коррозия бетона в своде трубы. В сильноагрессивных средах не должны применяться трубы без сильной антикоррозийной вторичной за­щиты. В противном случае вследствие ин­тенсивной газовой коррозии бетон разру­шается в течение 5-7 лет или даже быстрее с образованием наростов и нередко сквоз­ных дыр в своде трубы. (Приведенные дан­ные — результат исследований, проведен­ных в НИИЖБ).

Весьма важно, чтобы проектировщи­ки при выборе материалов для канализа­ционных трубопроводов точно учитывали агрессивность транспортируемой сре­ды. Для жизнеобеспечения объ­ектов строящегося жилищного комплекса требовалось интенсивное развитие инже­нерной инфраструктуры — водопроводной, канализационной, ливневой сетей. Имело место массовое применение труб различ­ного диаметра из различных материалов. Проектировщики «Водоканалов» в сложив­шихся условиях начали использовать в во­допроводных сетях металлические трубы без внутренней изоляции (технологии изо­ляционных покрытий, как и полимерных труб диаметром от 300 мм и выше, тогда еще не было). В напорных водоводах дав­лением 0,5-0,8 МПа и канализационных се­тях в значительных объемах применялись напорные железобетонные трубы, начало выпуска которых как раз совпало с этим пе­риодом. В ливневых и канализационных си­стемах для транспорта жидкостей различ­ной агрессивности использовались безна­порные железобетонные трубы.

Срок службы стальных труб в напорных водоводах исчисляется 15-20 годами, они быстро зарастают коррозионными отло­жениями, резко снижается их пропускная способность. Из-за использования некаче­ственных напорных и безнапорных железо­бетонных труб, неверного выбора правил их эксплуатации (не учитывалась реальная напорность труб, т. е. давление, которое они могут выдержать), нарушения требо­ваний нормативов по прочности, приме­нения напорных труб не по их прямому назначению, быстрее, чем этого следова­ло ожидать, стали разрушаться железобе­тонные трубопроводы. Преимуществен­но по причине разрыва преднапряженной спиральной арматуры и газовой коррозии. О резком снижении надежности трубопро­водов стали свидетельствовать участивши­еся аварии водоводных и канализационных систем. По официальным данным примерно 60% трубопроводов уже подвержены кор­розии, а 10% находятся в предаварийном состоянии и требуют ремонта.

Таким образом, не объективные качества железобетонных труб, а ошибки при проектировании и эксплуатации выполненных из них трубопроводов стали причиной формирования у части руководства российских «Водоканалов» не самого позитивного отношения к ж/б (особенно в этом смысле не повезло напорным) трубам. И чтобы переменить его, потребуется время.

Прочность труб

Эксплуатационная надежность труб, уложенных в землю, во многом определяет­ся их прочностными и деформативными характеристиками, регламентируемыми ГОСТ 6482-88.

Необходимая прочность труб зависит от глубины заложения, в ГОСТе указаны контрольные нагрузки:

• по прочности, когда труба потеряла не­сущую способность и не может эксплуатироваться;

• по трещиностойкости, когда в трубе (в лотке или шелыге) в условиях нагружения образовалась трещина шириной не более 0,2 мм, и труба может эксплуатироваться в реальных условиях.

Что касается деформативности, то же­лезобетонная труба — конструкция жест­кая, и эксплуатационные внешние нагруз­ки практически не оказывают влияния на ее деформацию.

Для гарантии надежной работы железо­бетонных трубопроводов большое значе­ние имеет тщательность укладки в траншее стыкового соединения. Стыкование отечественных труб осуществляется зачеканкой герметиком или пенькой с заделкой цементно-песчаным раствором, срок служ­бы которых определяется сроком эксплуа­тации самого трубопровода. Являясь слож­ной технологической операцией, стык зачеканкой требует высокого качества работ, зато обеспечивает непроницаемость тру­бопроводной системы на весь период экс­плуатации. Хотя более простым и надежным является находящее все большее примене­ние уплотнение стыковых соединений с по­мощью резиновых уплотнительных колец, имеющий исторические корни стык зачеканкой применяется до сих пор.

Надежность стыка в неустойчивых или пластичных грунтах определяется каче­ством прокладки самого трубопровода, а конкретно комплексом мер, предупре­ждающих грунтовую просадку при его экс­плуатации. Любые другие причины выхода стыка из строя — следствие некачествен­ной работы строителей или форс-мажорные обстоятельства.

Проблемы зарастания

Проблема зарастания на самом деле сто­ит не так остро. Железобетонные трубы в канализационных и водоотводных сетях в силу своей инертности, достаточно высо­кой прочности, а также благодаря скорости потока, протекающего в них, хорошо противостоят зарастанию и отложению осад­ков, независимо от диаметра, за исключе­нием случаев коррозии бетона, когда обра­зование наростов и выщелачивание бето­на с уменьшением толщины стенки делают трубу непригодной к использованию. Такие трубы подлежат замене.

Шероховатость внутренней поверхности безнапорных труб практически не влияет на скорость потока протекающей в ней жидкости. При транспортировке вод в напорных железобетонных трубах это обстоятельство важно, однако принципиального значения не имеет, поскольку внутренняя поверхность та­ких труб характеризуется шероховатостью, не столь значимой для снижения скорости и объема транспортируемого потока. Кроме того, в России напорных труб нет.

Микротоннелирование

Стремительный рост населения в крупных городах мира и смещение подземных коммуникаций на все более глубокие горизон­ты из-за стесненной городской застройки и насыщения предповерхностных уровней сооружениями инженерной инфраструкту­ры придают большую значимость бестран­шейным методам прокладки и реконструк­ции коммунальных сетей водоснабжения и водоотведения. В этой связи особую роль приобретают методы бестраншейных тех­нологий, которым, на наш взгляд, должно отводиться приоритетное значение, по­скольку, помимо прокладки новых трубо­проводных систем, они используются для восстановления, замены и ремонта выхо­дящих из строя трубопроводов.

Многообразие существующих бестран­шейных методов восстановления инже­нерных коммуникаций требует оптималь­ного подхода к выбору технологий и обо­рудования для их практического исполь­зования.

Вот только несколько примеров бестран­шейных технологий прокладки и восста­новления трубопроводов.

Плужный метод — метод бестраншей­ного запахивания прокладки труб с безмуфтовыми соединениями при помощи специального плуга; наиболее приемлем для прокладки кабелей и трубопроводов диаметром до 300 мм при глубине зало­жения до 1,8 м.

Виброударный метод забивки стальных труб осуществляется при помощи маши­ны, работающей от сжатого воздуха, для за­бивки труб диаметром до 4000 мм на дли­ну до 80м.

Все шире применяется санация старых трубопроводов. Сущность метода состо­ит в том, что сначала специальным меха­низмом проводится операция прочист­ки внутренней поверхности подлежащего обновлению трубопровода, а затем в него втягивается полиэтиленовая тру­ба сплющенной 11-образной формы. Под давлением пара она приобретает круглую форму, плотно прилегая к внутренней по­верхности трубопровода без образования кольцевого зазора. Диапазон диаметров санируемых таким образом трубопрово­дов составляет 100-800 мм с протяжен­ностью до 600 м.

Метод горизонтально-направленного бурения (ГНБ) используется для прокладки труб диаметром от 400 до 4500 мм, при раз­личной длине трубопровода. Общие преи­мущества бестраншейных методов:

• снижение объема земляных работ;

• повышение уровня механизации;

• сохранение поверхностного рельефа в условиях плотной городской застройки;

• улучшение экологических условий стро­ительства и др.

Из всего многообразия существующих бестраншейных методов прокладки трубопроводов наиболее актуальным для желе­зобетонных труб является микротоннелирование. Оно основано на горизонтальном выбуривании тоннеля, в который домкра­тами проталкиваются трубы, образующие прочную железобетонную обделку определенной длины. При прокладке трубо­проводов этим способом, который в по­следние годы нашел применение во мно­гих странах мира, в т. ч. и у нас в России, используются безнапорные трубы с утол­щенной стенкой.

Микротоннелирование применяется для прокладки подземных микротоннелей диаметром от 250 до 4500 мм. Длина тонне­ля определяется расстоянием между дву­мя котлованами — стартовым и прием­ным. Передовая система управления ком­плексами удовлетворяет самым высоким требованиям точности проходки, обеспе­чиваемой компьютерной системой управ­ления с применением лазерного ведения щита проходческого комплекса. Техноло­гия микротоннелирования позволяет про­кладывать трубопроводы в любых классах грунтов — от неустойчивых суглинков и во­доносных песков до скальных пород. Про­ходческие комплексы выполняются по мо­дульному принципу, что позволяет быстро перебазировать их с одного объекта на дру­гой, максимально сокращая сроки монтажа оборудования.

Конструкция труб для микротоннелиро­вания изменена по геометрии и прочности бетона (класс В40). Они имеют металличе­скую раструбную обечайку по диаметру, равному цилиндрической части трубы, уве­личена толщина стенки, втулка оформлена под резиновое кольцо. Такая труба скольз­ит в тоннеле при продольном ее продавли-вании, когда к торцам прикладывается зна­чительная сила.

Поскольку физическая картина верти­кального давления на трубы при бестран шейной прокладке иная, чем при открытом способе, в настоящее время разрабатывает­ся новая методика определения вертикаль­ного горного давления на трубы, в основу которой положена теория русского учено­го проф. М. М. Протодьяконова по расчету горных нагрузок грунта на туннели и своды больших поперечных сечений.

По материалам статьи «Бетонные и железобетонные трубы – современное состояние и перспективы производства», Журнал «Бетон и железобетон», №1,2008

Сайт: http://www.cstroy.ru/kindwork/izdat/beton/

Автор: В.С. Широков (к.т.н., старший научный сотрудник)