Системный подход при оценке эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат наук Суладзе Максим Давидович

• Суладзе Максим Давидович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Суладзе Максим Давидович

Введение

Глава 1. Жесткие аэродромные покрытия - долговечность,

дефекты, особенности ремонта

1.1 О долговечности аэродромных покрытий

1.2 Характерные факторы разрушения аэродромных

23

конструкций

1.3 Обор систем классификации дефектов

1.4 О восстановительных работах на аэродромных покрытиях

1.5 Системный подход при оценке эксплуатационного состояния

49

аэродромных покрытий

Выводы по главе

Цели и задачи проведения диссертационного исследования

Глава 2. Причинно-следственные последовательности при оценке состояния покрытий

2.1 Разработка системы классификации дефектов

2.2 Дефекты жестких аэродромных покрытий

2.3 Экспериментальные данные мониторинга аэродромных покрытий

2.4 Анализ результатов мониторинга аэродромных конструкций

2.5 Причинно-следственный аппарат развития дефектов

2.6 О критериях значимости дефекта

Выводы по главе

Глава 3. Напряженно-деформированное состояние как критерий значимости дефекта

3. 1 Постановка задачи исследования

3.2 Общая характеристика метода исследования

3.3 Изменение напряженно-деформированного состояния конструкции с дефектами

3.3.1 Напряженно-деформированное состояние

конструкции при снижении толщины жесткого слоя и изменении деформативных характеристик основания

3.3.2 Деформированное состояние двухслойного жесткого покрытия при наличии зазора между слоями

3.3.3 Напряженное состояние двухслойного жесткого покрытия с трещиной в нижнем слое

3.3.4. Напряженное состояние двухслойного жесткого покрытия с зазором между слоями заполненным льдом

3.4 Группировка результатов исследования напряженно-деформированного состояния конструкций с дефектами

Выводы по главе

Глава 4. Учет напряженно-деформированного состояния конструкции при выборе технологии ее ремонта

4. 1 Постановка задачи исследования

4.2 Напряженно-деформированное состояние конструкции с ремонтной вставкой

4.2.1. Напряженное состояние конструкции с ремонтной вставкой

4.2.2. Деформированное состояние конструкции с

ремонтной вставкой

Выводы по главе

Глава 5. Рекомендации по применению результатов исследования

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системный подход при оценке эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов»

Актуальность темы исследования.

Жесткие аэродромные покрытия широко применяются с середины 20 века как в России, так и за рубежом (США, Канада, Мексика, Австралия, Европа) и в обозримом будущем представляются наиболее перспективным типом конструкций для строительства аэродромов. Распространенность таких конструкций обусловлена многими факторами, основными из которых являются значительная несущая способность покрытий (способность воспринимать сверх большие нагрузки от современных воздушных судов массой 500 тонн и более), а так же их долговечность (средний срок службы цементобетонных покрытий до 20 лет). Результаты обследований жестких покрытий аэродромов показывают, что в процессе эксплуатации они могут разрушаться раньше нормативного срока службы, о чем свидетельствует появление в их конструкции различных дефектов (трещины, сколы, просадки и т.д.), которые, как правило, снижают безопасность эксплуатации аэродрома. Технологии ликвидации разрушений искусственных слоев покрытия разработаны относительно хорошо и с каждым годом совершенствуются в части повышения качества ремонтных составов, увеличения производительности специализированных средств механизации и повышения общей эффективности выполнения ремонтных работ. Однако, как показывают результаты мониторинга состояния покрытий, несмотря на регулярность восстановительных работ, направленных на устранение дефектов, общее количество последних с течением времени увеличивается, что свидетельствует об актуальности исследования вопроса сохранения эксплуатационных качеств покрытий в процессе их эксплуатации. Прогрессирование развития разрушений, учитывая высокое качество восстановительных работ и ремонтных материалов, вероятно обусловлено тем, что зачастую устраняется следствие изменения общего технического состояния конструкции в виде конечного дефекта, а не его исходная причина.

Эффективная стратегия выполнения восстановительных работ способна обеспечить увеличение межремонтных сроков покрытия, а следовательно его долговечности. При этом ее основой должны быть результаты предварительного исследования фактического состояния конструкции.

Степень разработанности темы исследования.

Выполнение мониторинга и дополнительных натурных и лабораторных исследований обеспечивают достаточный объем сведений о текущем состоянии конструкции, однако на сегодняшний день в теории и практике отсутствует общий подход, позволяющий свести такую информацию в единую систему, максимально полно характеризующую эксплуатационно-техническое состояние покрытий. Несмотря на широкий практический опыт в указанной области, в настоящее время отсутствует решение ряда теоретических задач (таких как исследование влияния дефектов на общее техническое состояние жестких аэродромных покрытий, ранжирование дефектов, разработка теоретически обоснованной методики выбора варианта их устранения). При этом возможные причины разрушений верхнего слоя жестких покрытий разработаны достаточно детально, однако их комплексный анализ и систематизирование взаимных причинно-следственных связей не выполнялись. Без результатов таких исследований любые предложения по сохранению эксплуатационных качеств покрытия будут малоэффективными.

В этой связи очевидна необходимость обобщения уже существующей информационной базы и ее расширение путем выполнения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований, использования статистических данных по реальным объектам, а также разработки общего алгоритма оценки технического состояния конструкции. При этом необходимо отметить, что поддержание эксплуатационных характеристик аэродромных покрытий в течении заданного срока службы трудоемкая и многофакторная задача со сложной внутренней структурой, решение которой будет способствовать повышению долговечности покрытий в целом.

Целью диссертационной работы является применение системного подхода при оценке эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов, учитывающего многофакторность процесса разрушения таких конструкций.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- новая система классификации дефектов жестких аэродромных покрытий;

- блок-схемы структуры причинно-следственных связей формирования конечного дефекта покрытия и их классификация;

- результаты выбора критерия значимости дефектов и ранжирования последних по степени их влияния на конструкцию;

- результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) жестких конструкций со следующими дефектами: снижение толщины жесткого слоя, разуплотнение искусственного основания, зазор между слоями конструкции, трещина в нижнем жестком искусственном слое, ледяная прослойка между слоями конструкции;

- результаты теоретических исследований НДС жестких конструкций с ремонтными вставками переменных параметров (размера в плане и толщина);

- рекомендации по выбору оптимальных размеров ремонтных вставок;

- результаты экспериментальных данных мониторинга жестких конструкций аэродромов Российской Федерации;

- предложения по дополнению существующей нормативной базы в части закрепления в ней положения о регулярности выполнения мониторинга состояния аэродромных покрытий и определения ряда количественных показателей разрушения последних по натурным данным.

- алгоритм комплексного анализа технического состояния жестких покрытий, основанный на применении системного подхода обработки информационных данных

В рамках диссертационной работы было выполнено следующее:

- выполнен анализ существующих систем классификации дефектов жестких конструкций;

- выполнен анализ существующих методик оценки технического состояния жестких конструкций;

- разработана новая система классификации дефектов жестких аэродромных покрытий;

- обобщена существующая информация о причинах и характерных факторах появления дефектов;

- разработаны структурные типы причинно-следственных связей формирования различных видов дефектов и составлены их блок-схемы;

- обоснован выбор критерия значимости дефектов на состояние конструкции на основе решения ряда теоретических задач, подтверждающих объективность выбранного критерия, а именно:

- изучено воздействия трещин на напряженно-деформированное состояние покрытия;

- рассчитаны и проанализированы показатели напряженно-деформированного состояния (НДС) жесткого покрытия при его неполном контакте с основанием;

- рассчитаны и проанализированы показатели НДС покрытия при наличии зазора между слоями конструкции;

- рассчитаны и проанализированы показатели НДС покрытия с ледяной прослойкой между слоями конструкции;

- разработана система и блок-схема алгоритма ранжирования дефектов жестких аэродромных покрытий в зависимости от степени их влияния на конструкцию;

- выполнено теоретическое исследование НДС жесткого покрытия с ремонтной вставкой;

- теоретически обоснованы рекомендации по выбору оптимальных параметров вставок;

- выполнен анализ данных мониторинга реальных аэродромов России, по результатам которого предложены количественные и качественные показатели дефектов, необходимые для выполнения ранжирования последних;

- разработана блок-схема алгоритма ранжирования дефектов жестких покрытий аэродромов по степени их влияния на конструкцию;

- разработан алгоритм комплексного анализа технического состояния аэродромных покрытий;

- предложена методика применения системного подхода в оценке эксплуатационного состояния жестких аэродромных конструкций.

Научная новизна и достоверность полученных результатов заключается в следующем:

- сформирована новая система классификации жестких дефектов, способствующая комплексному анализу эксплуатацинно-технического состояния жестких покрытий;

- представлены данные мониторинга состояния жестких покрытий за последние 7 лет и их обобщенный анализ, содержащие достоверную информацию, полученную сотрудниками ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект» и лично автором.

- предложен аппарат причинно-следственных связей развития дефектов;

- теоретически доказана объективность напряженно-деформированного состояния конструкции как критерия значимости дефекта, путем рассмотрения ряда теоретических исследований НДС конструкции с различными дефектами;

- представлены результаты теоретических исследований НДС жестких покрытий с различными видами явных и скрытых дефектов последних;

- выполнено ранжирование дефектов аэродромных покрытий рассматриваемых в зависимости от изменения НДС последних;

- выполнено исследование совместной работы жестокого покрытия и ремонтного вкладыша;

- разработаны положения по выполнению мониторинга состояния жестких аэродромных покрытий, регламентирующие количественные и качественные показатели дефектов жестких аэродромных покрытий;

- предложен алгоритм комплексного анализа эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий.

Достоверность результатов подтверждается:

1) экспериментальными данными визуальных, лабораторных и инструментальных обследований аэродромных покрытий.

2) теоретическими исследованиями изменения НДС аэродромных покрытий способом компьютерного моделирования в программном расчетном комплексе ANSYS.

Значимость результатов диссертации для теории.

Результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, вносят значительный вклад в область фундаментальных знаний по эксплуатации жестких аэродромных покрытий.

Автором, путем теоретических исследований, впервые получен ряд зависимостей между показателями НДС конструкции под воздействием различных дефектов, а именно:

- зависимости напряжений и прогибов плиты от изменения толщины последней и разуплотнения основания;

- зависимости напряжений и прогибов в верхнем и нижнем слоях покрытия при наличии между ними зазора и зазора, заполненного льдом;

- зависимости напряжений двухслойного покрытия с трещиной в нижнем слое;

- зависимости напряжений и прогибов плиты от размера ремонтного вкладыша (вставки).

В ходе выполненных исследований сформирован ряд таблиц и графиков наглядно иллюстрирующих результаты теоретических расчетов. Такие данные являются значительным вкладом в развитие теоретической базы исследования НДС жестких конструкций; позволяют произвести оценку «опасности» того или

иного дефекта и определить его роль в причинно-следственной цепи разрушения конструкции в целом. Представленные результаты могут быть использованы при дальнейшем теоретическом исследовании покрытий с дефектами для расширения знаний в области анализа технического состояния последних.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования.

Практическая ценность результатов работы представляется в повышении эффективности оценки эксплуатационно-технического состояния (ЭТС) жестких аэродромных покрытий. Предложенные материалы по классификации дефектов и их причинно-следственным связям, алгоритму комплексного анализа могут быть использованы специалистами занимающимися обследованием аэродромных конструкций для оценки ЭТС аэродромов. Рекомендации по назначению параметров ремонтных вкладышей возможны к применению строительными организациями при выполнении восстановительных работ на покрытиях. Материал диссертационной работы может найти применение среди эксплуатантов в работе по актуализации информации по объекту и разработке финансового плана стратегии его содержания на длительный период времени. Предложенные положения о выполнении мониторинга состояния аэродромных покрытий, количественные и качественные показатели характерных дефектов, а также алгоритм комплексного анализа ЭТС аэродромных конструкций имеют конечной целью повышение долговечности жестких покрытий и рекомендуется к закреплению в нормативной документации для дальнейшей стандартизации всей процедуры обследования и мониторинга таких конструкций.

Реализация работы. Материалы диссертации были использованы ФГУПГПИ и НИИ ГА «Аэропроект» при разработке «Проекта единой методики оценки технического состояния искусственных аэродромных покрытий».

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач были выполнены теоретические и экспериментальные исследования. Методология исследований основана на

применении системного подхода, методов математического моделирования, статистической обработке экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доложены на 73, 74 научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ в 2015-2016 годах.

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ:

- Артемова Л.Ю., Федулов В.К., Суладзе М.Д. Исследование влияния ремонтных вставок на изменение напряженного состояния жестких искусственных покрытий дорог и аэродромов // Промышленное и гражданское строительство - №2. -2015 с. 59-62.

- Батрак Н.И., Федулов В.К., Суладзе М.Д. Напряженно-деформированное состояние жестких покрытий дорог и аэродромов с ледяной прослойкой // Аэропорты прогрессивные технологии - №2, 2012 с.28-30.

- Виноградов Б.А., Суладзе М.Д. Исследование водоотводящей способности лотковых систем водосточно-дренажных сетей аэродромов // Вестник Московского Автомобильно-Дорожного Государственного Технического Университета (МАДИ) - №3(42), 2015 с.65-69.

- Гребень В.Б., Суладзе М.Д., Федулов В.К. Мониторинг - основа надежной работы зданий и сооружений транспортного назначения // Дороги России №1, 2015 с 102-103.

- Ефимова Е.С., Федулов В.К., Суладзе М.Д. Изгиб двухслойной плиты с трещиной в нижнем слое // Наука и техника в дорожной отрасли -№1, 2014 с17-18.

- Суладзе М.Д. Исследование деформаций жестких покрытий дорог и аэродромов при наличии в их конструкции ремонтных вставок // Промышленное и гражданское строительство - №5. -2015 с. 60-64

- Суладзе М.Д., Федулов В.К. Влияние ремонтных вставок на напряженно-деформированное состояние жестких аэродромных покрытий // Дороги России XXI века, №6, с.82-84

- Федулов В.К., Суладзе М.Д. О классификации дефектов покрытий аэродромов жесткого типа // Вестник Московского Автомобильно-Дорожного Государственного Технического Университета (МАДИ) -№4(35), 2013 с.89-93.

- Федулов В.К., Суладзе М.Д. Разрушение жестких покрытий // автомобильные дороги №08 с.76-79.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 180 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц, 75 рисунков. Список литературы включает 112 наименований, из них 8 на иностранных языках.

Глава 1

Жесткие аэродромные покрытия - долговечность, дефекты, особенности

ремонта

1.1 О долговечности аэродромных покрытий

В настоящий момент общее состояние аэродромной сети в РФ находится в начале восстановления после кризисного периода 90-х годов XX столетия. Как известно, в СССР сеть насчитывала более 1300 аэродромов по всей стране, в то время как в настоящий момент менее 500. Следует отметить, что за последние 50 лет общемировое авиастроение продвинулось значительно дальше, нежели отечественное: появились новые широкофюзеляжные самолеты с низкорасположенными двигателями, размахи крыльев которых достигают 80 м и более, а максимальная взлетная масса 450 тонн и более, возросла общая интенсивность полетов в мире. Это обусловлено общемировым индустриальным прогрессом (современный уровень коммуникации производств, экономические, политические и социальные межгосударственные взаимосвязи, общий экономический рост), который требует наличия мощной мировой транспортной инфраструктуры. Гражданская авиация - это, в первую очередь, самый быстрый способ перемещения на максимальные расстояния, что в условиях современного рынка является неотъемлемым инструментом в различных областях деятельности человека. В настоящий момент потребность в перевозках как пассажирских, так и грузовых возрастает, а авиастроительная отрасль развивается движимая этой потребностью. На фоне общемирового подъема авиации отечественное самолетостроение за последние 25 лет не претерпело масштабного технического развития, сократило мощности и объемы производства. После кризисного периода конца XX века отмечались следующие тенденции в сфере транспортной авиации:

- повышение объемов международных грузовых и пассажирских перевозок;

- устаревание отечественного парка воздушных судов (ВС) эксплуатируемого авиаперевозчиками;

- невозможность эксплуатировать отечественные ВС для полетов в ряд европейский и западных стран в связи с несоответствием этих ВС требованиям стран, предъявляемым в части шумового и экологического воздействия на окружающую среду и безопасности выполнения полетов;

- снижение производства новых отечественных ВС.

Наличие представленных тенденций привело к массовой закупке российскими авиакомпаниями воздушных судов иностранного производства (в основном корпораций Boeing и Airbus) для соответствия запросам рынка и своего внутреннего развития. Поскольку развитие отечественного авиастроения до настоящего момента не может предоставить авиакомпаниям конкурентоспособные ВС отвечающие всем международным требованиям предъявляемым к ВС и обеспечивающие необходимый уровень безопасности и экономичности при приемлемой стоимости, большинство российских авиакомпаний использует зарубежные типы ВС для международных рейсов, а технически устаревшие, прошедшие полное или частичное восстановление отечественные ВС - только для перевозок внутри страны.

Появление новых типов ВС поставило вопрос о возможности их эксплуатации на российских аэродромах. Общепринятое понятие аэродром подразумевает конкретный участок земной или водной поверхности обеспечивающий взлет, посадку, движение и техническое обслуживание воздушных судов [40,77]. Аэродромные покрытия как конструктивная часть аэродрома имеют решающее значение для всего аэропортового комплекса, поскольку именно их характеристики влияют на возможность эксплуатации того или иного типа воздушного судна. Например, отсутствие на аэродроме системы автоматического захода на посадку не является конечным определяющим фактором возможности эксплуатации ВС, в то время как недостаточная несущая способность аэродромного покрытия или его неудовлетворительное

эксплуатационно-техническое состояние (ЭТС) являются критическими условиями невозможности эксплуатации ВС на аэродроме.

Аэродромная сеть в СССР создавалась в 50-70 годах XX века. Для устройства искусственных покрытий большого количества аэродромов применялись жесткие покрытия, несущая способность которых актуальна в настоящий момент и обеспечивает возможность эксплуатации современных зарубежных ВС.

Согласно нормативным документам вновь проектируемые и реконструируемые аэродромы [83,84] должны удовлетворять ряду требований, в том числе:

- обеспечение безопасности и регулярности выполнения взлетно-посадочных операций;

- обеспечение достаточной прочности и устойчивости аэродромных покрытий;

- соответствие нормам ровности, износоустойчивости, беспыльности и шероховатости поверхности покрытия.

В то же время, в нормативном документе определяющем возможность эксплуатации [63] уже существующих аэродромов установлено, что несущая способность покрытия должна быть достаточна для движения и стоянки ВС, а также регламентируется состояние покрытий (характеристики предельно допустимых разрушений поверхности покрытий).

Одним из наиболее значимых свойств любой конструкции вне зависимости от ее назначения является возможность сохранять свою работоспособность максимально продолжительное время - длительность этого временного интервала характеризует долговечность конструкции. Момент наступления невозможности ее дальнейшей эксплуатации есть предельное (критическое) состояние (рисунок 1).

Зачастую, на практике требуемая долговечность конструкции не обеспечивается, о чем свидетельствуют преждевременные разрушения или иные изменения конструкции. В таком случае, актуальным становится вопрос о

возможности дальнейшей эксплуатации конструкции, иными словами выбора таких мероприятий, которые позволят повысить ее долговечность.

9

to

Рисунок 1 - Долговечность конструкции to - время начала эксплуатации, tuit- момент наступления предельного

состояния

Увеличение долговечности конструкции - сложная задача состоящая из комплексного анализа следующих направлений: экономической целесообразности и эффективности дальнейшей эксплуатации конструкции, расчета затрат на повышение долговечности, сравнительного анализа с возможными вариантами ее замены, нового строительства, общей трудоемкости работ и косвенных затрат.

Большинство выполненных исследований и научных изысканий в области аэродромного строительства в той или иной степени направлены на повышение долговечности конструкций и выполнялись в двух смежных направлениях: увеличение долговечности вновь создаваемых и продление срока службы уже существующих покрытий.

К 90-м годам эксплуатационно-технический ресурс искусственных покрытий многих аэродромов приблизился к критическому моменту. Об этом свидетельствовало появление на них различных разрушений - дефектов. Строительство новых аэродромов в кризисные годы было невозможно из -за отсутствия финансирования, реконструкция (или капитальный ремонт) существующих исключалась в связи с невозможностью прекращать полеты и отсутствием близлежащих запасных аэродромов, способных принять на себя нагрузку по интенсивности трафика на время восстановительных работ.

В связи с этим актуальной задачей стала разработка стратегии поддержания технического состояния существующих аэродромов без прекращения их функционирования - путем выполнения ремонтных работ.

В настоящий момент такая задача является актуальной, поскольку российская аэродромная сеть не может обеспечить потребности быстро развивающегося рынка и его участников, представленных отечественными и международными корпорациями. Огромные территории и национальные природные богатства России представляют залоги ее будущего процветания. Однако очевидно, что отсутствие широко развитой транспортной инфраструктуры оказывает замедляющее действие на общенациональный рост экономики.

Государственная система устроена таким образом, что для получения не только федерального или регионального финансирования, но и для разрешения на новое строительство или реконструкцию регионального аэродрома за счет частных средств необходимо соответствующее заключение компетентных органов, которые требуют в первую очередь экономическое обоснование предлагаемого проекта, которое, в свою очередь, невозможно, без присутствия в секторе инвесторов, обеспечивающих его экономическое развитие. Сложная организация госрегулирования в РФ и ее непрозрачность представляет повышенные риски для инвесторов, и они не готовы вкладывать средства в регионы с условием на «завтрашний день».

Разработка эффективной стратегии восстановительных работ (и как следствие увеличение долговечности покрытий) позволит реализовывать потенциал уже существующих аэродромов. Включение таких мероприятий в план развития региона позволит при первоначально меньших затратах ( по сравнению с новым строительством) привлечь инвесторов, начать развитие производства, малого и среднего бизнеса и ,в дальнейшем, саккумулировать средства для строительства нового аэропорта способного удовлетворить долгосрочный прогноз развития региона.

Вопрос продления долговечности покрытий без прекращения полетов актуален и для крупных аэродромов, поскольку остановка функционирования некоторых элементов последних в связи с реконструкцией снижает общую пропускную способность аэродрома, а, следовательно, и общий объем авиаперевозок, что в свою очередь сказывается на прибыли аэропорта в целом. Так, в московском аэропорту Домодедово на начало 2015 года активно работают две взлетно-посадочные полосы (ВПП), техническое состояние одной из которых (ВПП-2) находится на границе с критическим и требует постоянного контроля. Анализ данных регулярных ежегодных мониторингов ее состояния позволил установить динамику его ухудшения. Поскольку закрытие ВПП-2 на реконструкцию невозможно в связи с высокой интенсивностью взлетно-посадочных операций (ВПО) в аэропорту, то круглогодично выполняются восстановительные работы по поддержанию работоспособного эксплуатационно-технического состояния покрытий ВПП-2. В настоящий момент ведется строительство В1111-3, и в соответствии с предложенной моделью восстановительных работ на ВПП-2 ее ресурса должно хватить до момента ввода в эксплуатацию вновь строящейся полосы.

Вопросу долговечности аэродромных покрытий посвящено множество научных исследовательских работ выполненных в отечественной практике. Направления научных изысканий в данной сфере многообразны, поскольку долговечность конструкции зависит от различных факторов, вернее сказать , факторов ее снижающих в процессе эксплуатации множество. Несмотря на то, что активный рост научных исследований с целью продления эксплуатационно-технического ресурса аэродромных покрытий отмечается в период с 2000-х годов до настоящего времени, следует обратить внимание, что изучение данного вопроса было начато еще задолго до кризисных годов советскими учеными, чьи разработки легли в основу всех современных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Суладзе Максим Давидович, 2016 год

Источник 4:

Сколы в швах • Появление распора в шве или трещине как из-за скопления несжимаемого материала так и из-за транспортных нагрузок • Усталость бетона ( по причине старения) в сочетании с транспортными нагрузками

Сколы в углах, облом угла( трещина проходит вертикально через всю толщу плиты) • Причины принять аналогичные трещинам

Группа дефектов: Повреждение герметиков

Источник 1:

Разрушение заполнителя швов • Старение герметизирующего материала • Плохая деформативность при отрицательных

температурах • Низкая термоустойчивость • Значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит

Источник 2:

Источник 3:

Источник 4:

Повреждение герметика в швах • Скопление несжимаемого материала в шве • Значительная фильтрация воды через шов

Группа дефектов: Шелушение

Источник 1:

Шелушение и выкрашивание • Нарушение технологии приготовления и укладки бетонных смесей • Низкое качество ухода за твердеющим бетоном • Использование противогололедных химических реагентов • Раннее замораживание бетона покрытия • Сочетание интенсивного приложения колесных нагрузок с частыми циклами попеременного замораживания - оттаивания

Источник 2:

Шелушение • Нарушение связности цементного камня и заполнителей • Применение некачественных материалов • Нарушение технологии бетонных работ • Многократное приложение нагрузки

• Температурное воздействие • Применение противогололедных химических реагентов

Источник 3:

Шелушение бетона • Недостаточная морозостойкость бетона из-за нарушения правил ухода за свежеуложенным бетоном, а так же из-за обильного увлажнения при отделке поверхности в период строителства • Воздействие отрицательной температуры на свежеуложенный бетон

Источник 4:

Шелушение, поверхностное растрескивание • Излишняя отделка бетона ( к пов.растреск., все остальное к шелушению) • Применение антигололедных реагентов • Ошибки при строительстве • Циклы замораживание-оттаивание • Плохое состояние минерального материала Реакция между щелочами, содержащимися в некоторых сортах цемента и минералами, которая приводит к набуханию, которое является причиной скалывания бетона

Группа дефектов: Уступы между плитами

Источник 1:

Вертикальные смещения плит (уступы, просадки) • Некачественное уплотнение подстилающего грунта или основания • Пучение грунта зимой • Вымывание материала основания из-под

покрытия

Источник 2:

Просадки и перекосы плит покрытий • Потеря несущей способности искусственного основания или подстилающего грунта при недостаточном уплотнении в процессе строительства • Неравномерная осадка подстилающего грунта и его вымывание из-под покрытия • Пучение грунта зимой

Источник 3:

Уступы между плитами • Дефекты (обычно просадка) основания возможно из-за неудовлетворительной работы дренажной системы

Источник 4:

Уступы • Пучение или консолидация основания

Группа дефектов: Коробление, взбугривание

Источник 1:

Коробление плит • Отсутствие свободы перемещения плит при температурных напряжениях • Некачественное выполнение стыковых соединений • Высокие годовые колебания температуры

Источник 2:

Коробление плит • Отсутствие свободы их перемещения при температурных напряжениях • Некачественное выполнение стыковых

соединений между плитами • Потеря продольной устойчивости

Источник 3:

Взбугривание покрытия в зимний период ( пучение) • Морозное пучение основания при промерзании

Взбугривание покрытия в летний период • Температурное перенапряжение в плитах из-за отсутствия или засорения швов расширения

Источник 4:

Вздыбливание( выпучивание) • Недостаток ширины швов и трещин при температурном расширении (из-за скопления несжимаемого материала) • Возможно на пересечении покрытия с коммуникациями и дренажем

Группа дефектов: Раковины

Источник 1:

Раковины • Применение неморозостойких крупных заполнителей • Некачественная отделка поверхности покрытия • Недоуплотнение бетонной смеси

Источник 2:

Раковины • Применение неморозостойких крупных заполнителей • Некачественная отделка поверхности покрытия • Недоуплотнение бетонной смеси

Источник 3:

Источник 4:

• Воздействие циклов замораживание-оттаивание

Раковины в сочетании с набуханием или выветриванием минерального материала

Группа дефектов: Выбоины

Источник 1:

• Недостаточное сопротивление покрытия

касательным усилиям от транспортных средств

• Непрочное сцепление цементного камня с

Выбоины заполнителем • Наличие грязного и неморозостойкого заполнителя в бетоне Низкое качество уплотнения отдельных участков покрытия

Источник 2:

• Развитие уже имеющихся выкрашиваний

Выбоины цементобетона под воздействием повторяющихся динамических колесных нагрузок

Источник 3:

Источник 4:

Группа дефектов: Остальное

Источник 1:

Износ ( истирание) Уменьшение толщины покрытия - причина -

недостаточная износостойкость покрытия

Проломы • Низкая прочность дорожной одежды в сравнении с требуемой по условиям движения

Просадки и вспучивание • Переувлажнение грунтов земляного полотна • Наличие пучинистых грунтов • Глубокое промерзание земляного полотна

Источник 2:

Источник 3:

Источник 4:

Заплатка небольшая

Заплатка большая

Фонтанирование • Осадка плиты под нагрузкой • Плохое состояние герметика • Ухудшение состояния основания

Представленные в таблице 2 виды дефектов и вероятные причины появления последних взяты из первоисточников в первоначальном виде. Однако некоторые из предлагаемых авторами определений, представляется возможным скорректировать. Так, например, дефект «разрушение кромок плит» согласно [26] имеет вероятную причину появления - температурное расширение бетона. Такая формулировка представляется неточной, поскольку увеличение объема бетонного тела при увеличении его температуры известная физическая особенность такого материала, которая не может являться причиной скола кромок плит. Ошибочный расчет расстояний между температурными швами, некачественная разделка шва при температурном расширении бетона приводят к разрушению сколов кромок

плит. Рассмотрим группу дефектов «шелушение». В источнике [109] в списке причин появления такого дефекта перечислены: «ошибка при строительстве», «циклы замораживание-оттаивание», «плохое состояние минерального материала». Такие формулировки не содержат конкретной информации и нуждаются в разъяснении, а именно указанием какие ошибки при строительстве могут привести к появлению шелушения на поверхности бетона, какое количество циклов замораживание-оттаивание может привести к дефекту, так же необходимо привести информацию раскрывающую значение термина «плохое состояние минерального материала».

Анализ данных таблиц 1,2 позволил сформировать следующие выводы:

1. Рассматриваемые системы классификаций значительно разнятся общим количеством выделяемых дефектов: от 4 до 15.

2. Дефекты, перечисленные в указанных классификациях, возможно объединить по группам соответствия:

- трещины;

- дефекты кромок плит;

- повреждение герметика;

- шелушение;

- уступы между плитами;

- коробление, взбугривание;

- раковины;

- выбоины;

- остальные.

3. Вероятные причины одних и тех же характерных повреждений конструкций в сравниваемых системах в значительном объеме имеют одинаковые наименования, однако, существует ряд весомых причин присутствующих в одной системе и отсутствующие в другой. Например, рассмотрим дефекты из группы «повреждение герметика» в некоторых из указанных источников. Так, в источнике [86] указан дефект «разрушение заполнителя швов» и приведен список

вероятных причин его появления, а именно: старение герметизирующего материала, плохая деформативность материала при отрицательных температурах, низкая термоустойчивость и значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит. В источнике [109] выделен дефект «повреждение герметика в швах», вероятными причинами которого являются: скопление несжимаемого материала в шве, значительная фильтрация воды через шов. Как видно в обоих источниках указаны различные причины появления дефекта, однако для проведения полного анализа конструкции на предмет «разрушение герметика в швах» необходимо учитывать все перечисленные причины.

На основании выводов представляется целесообразным произвести формирование новой классификационной системы повреждений искусственных покрытий, сочетающей в себе объединенные по группам дефекты, а так же причины, характеризующие их появления в наиболее полном объеме. Наличие такой системы является необходимым этапом для составления в дальнейшем причинно-следственных связей между дефектом и первопричиной, инициирующей его проявление в конструкции.

1.4. О восстановительных работах на искусственных покрытиях

Поддержание исправного технического состояния аэродромных покрытий и предотвращение их преждевременного разрушения является необходимым требованием для непрерывного функционирования аэропортового комплекса в целом и имеет первоочередное значение для обеспечения безопасности полетов (очевидна прямая связь между безопасностью полетов и качеством покрытий). Как отмечалось ранее, в процессе эксплуатации под воздействием различных факторов на аэродромных покрытиях появляются дефекты, которые необходимо устранять, чтобы конструкции аэродрома соответствовали эксплуатационно-техническим требованиям, иными словами необходимо выполнять ремонт этих конструкций.

Выполнение ремонтных работ включает в себя комплекс всех необходимых операций по устранению того или иного вида дефекта. В практике

эксплуатационного содержания аэродромов выделяют два типа ремонтных работ - текущий и капитальный.

Текущий ремонт подразумевает ремонт локальных дефектов аэродромных покрытий и является основной мерой для поддержания требуемого эксплуатационно-технического состояния конструкции. В зависимости от требуемой оперативности выполнения такой ремонт подразделяется на плановый и непредвиденный (срочный). Плановый ремонт выполняется согласно разработанной стратегии содержания аэродрома, в то время как непредвиденный выполняется в срочном порядке по мере поступления информации о проявлении дефекта [51].

Плановый ремонт в большинстве случаев выполняется организациями, специализирующимися на требуемых видах работ, срочный ремонт обычно проводится силами аэродромной службы. Такое разделение исполнителей закрепилось в связи с тем, что текущий ремонт выполняют в интервалах между полетами ВС, пир этом требуется выполнение работ в сжатые сроки, с обеспечением максимального качества работ. Аэродромная служба аэропорта, как правило, имеет ограниченное количество техники и квалифицированного персонала, что в свою очередь исключает возможность выполнения полного объема восстановительных работ по текущему ремонту. В то же время, для срочного устранения недопустимого дефекта (например, образовавшегося скола плиты размерами более допустимого) нецелесообразно привлекать специализированную организацию, исходя из требований оперативности, а, следовательно, безопасности полетов.

В большинстве крупных аэропортов (МАУ, Пулково, Кольцово и т.д.) аэродромная служба выполняет только срочный ямочный ремонт (рисунок 2), нацеленный на поддержание состояния искусственных покрытий в соответствии требованиям нормативных документов [63,79] , в то время как, плановые восстановительные работы выполняют специализированные подрядные организации согласно выбранной эксплуатационной стратегии.

Ч

Рисунок 2 - Ремонтная вставка выполненная силами аэродромной службы

Капитальный ремонт подразумевает масштабные работы по восстановлению эксплуатационных характеристик конструкций охватывающие не локальные дефекты, а площади всего покрытия элемента аэродрома или его части. Необходимость в нем возникает когда общее техническое состояние конструкций приближается или уже находится на критическом уровне и затраты на текущий ремонт в прогнозируемом будущем превышают таковые на полное восстановление.

При капитальном ремонте выполняют снятие верхнего слоя (слоев) покрытия, а так же восстановление и (или) упрочнение искусственного основания, укладку нового слоя поверх отремонтированного или деструктуризированного существующего слоя, перекладку коммуникаций, восстановление элементов системы ВДС и т.д. Как правило, при выполнении такого вида работ эксплуатация аэродрома или его элемента невозможна и прекращается на время ведения работ. Такой вид ремонта всегда выполняется подрядными организациями.

Вопрос продления долговечности аэродромных покрытий не связан прямой линейной зависимостью с выполнением текущего ремонта. Однако, в связи с описанной ситуацией в сфере аэродромного хозяйства РФ, а именно в условиях отсутствия финансирования на выполнение капитального ремонта, реконструкции или нового строительства, основным возможным вариантом поддержания ЭТС

аэродромных конструкций является выполнение восстановительных работ в рамках текущего ремонта.

Несмотря на разнообразие повреждений конструкций, возможно обобщить основные положения о проведении восстановительных работ и предложить их разделение на два основных этапа: подготовительный этап и непосредственно выполнение ремонта.

Подготовительный этап необходим при выполнении ремонта любого повреждения конструкции, и имеет основной целью подготовить поверхность искусственных покрытий для дальнейшего обеспечения необходимых прочностных, сцепных и иных показателей отремонтированного участка. Тип дефекта, его объем, а также технология устранения определяют метод или методы подготовительных работ, среди которых выделяют:

- механический (применение перфораторов, отбойных молотков, металлических щеток и т.д);

- термический (применение пропановых или иных горелок);

- химический (применение кислот);

- гидравлический (применение водоструйные установок высокого и сверхвысокого давления).

Одним из наиболее распространенных дефектов на искусственных покрытиях аэродромных конструкций являются сквозные и поверхностные трещины, сколы кромок верхнего слоя по швам или трещинам, а также шелушение поверхности [23]. Не реже встречаются разрушения герметика и поверхностные трещины, зачастую формированные сетчатой структурой.

Ремонт сквозной трещины заключается в консервации, для исключения проникновения в ее тело воды, реагентов и иных жидкостей, вызывающих дальнейшее прогрессирование дефекта. В таком случае вначале трещину "разделывают", распиливая ее пальчиковой фрезой или нарезчиком швов, продувают и высушивают тело трещины, закладывают его резиновой крошкой или уплотнительным шнуром, грунтуют поверхности паза и заливают его герметиком (рисунок 3).

Технологические операции по устранению трещин со сколами и сколов кромок плит имеют большое сходство, поскольку в данном случае необходимо выполнить ремонтную вставку. Первоначальным этапом ремонта является оконтуривание дефектного участка нарезчиком швов (рисунок 4) и удаление бетона по нарезанному контуру на глубину минимально большую разрушенного слоя на 10-20 мм. Далее подготовленный участок очищают, сушат, устанавливают в него гибкую опалубку и заливают ремонтным раствором, по завершении ухода за которым возможна также нарезка швов по контуру ремонтной вставки и по трещине.

Рисунок 3 - Заливка паза силиконовым герметиком CrafcoRoadSaver

Шелушение поверхности искусственного слоя в зависимости от степени его проявления устраняется принципиально двумя различными способами.

Если дефект обнаружен на начальной стадии (глубина до 10 мм), то поверхность выравнивают фрезерованием и покрывают специальными годрофобизирующими составами.

В случае большей глубины дефекта выполняют полное удаление разрушающегося бетона и устройство на выбранном участке ремонтной вставки.

Разрушение герметика в швах устраняют путем повторной герметизации шва. Стоит отметить, что в таком случае необходима полная очистка шва и только потом повторная герметизация.

Рисунок 4 - Оконтуренный дефектный участок

Для устранения поверхностных трещин применяют специальные пропитки и укрепляющие поверхностные составы. В данном случае эффективность ремонта зависит от стадии проявления дефекта.

Основной технологий устранения существенных геометрических изменений конструкции (вертикальные смещения кромок, уступы, просадки, горизонтальные смещения, корабление) является нарезка компенсационных швов (рисунок 5) и выравнивание геометрии путем заливки ремонтного состава под проблемный участок, тем самым выравнивая его.

Материалы для выполнения вышеописанных восстановительных работ можно разделить на ремонтные составы для восстановления целостности

бетонного слоя (конструкционные), герметики и материалы поверхностной обработки [26].

Рисунок 5 - Нарезка компенсационного шва

Они должны быть химически нейтральными к материалу исходной конструкции.

Главной задачей при выборе ремонтного состава является его максимальное совпадение с существующем покрытием для их совместной работы под нагрузкой эквивалентной исходной конструкции без дефектов.

В настоящее время российский рынок является привлекательной площадкой для расширения бизнеса, что привлекает большое количество зарубежных компаний, которые предлагают новые ремонтные материалы и технологии, с более высокими прочностными показателями и меньшей ценой. Следует отметить, что все материалы для ремонта аэродромных покрытий должны быть испытаны не только лабораторно, но и натурно, и большинство из них (за исключением составов поверхностной обработки) должны пройти обязательную сертификацию в ФАВТ перед применением на реальном объекте.

Конструкционным материалом может быть обычный цементобетон (ремонт больших площадей), ремонтные составы на основе минеральных вяжущих или полимерные составы. Любой выбранный состав должен соответствовать

требованиям по морозостойкости, сцепным свойствам нового и старого слоев, прочностным характеристикам , необходимой шероховатости.

На отечественном рынке широко распространены минеральные составы следующих производителей: "MasterEmaco" (S 466 (ЕМАСО S66), S 488 (EMACO S88C), S 540 FR (EMACO SFR) и другие), "РМ-Бетон" (РМ-26Ф, РМ-26С, РМ-26Ф-Б), "БАРС " . Среди полимерных растворов можно отметить Silikal R17 и "Конкретин".

Герметики делят на два вида - холодного и горячего применения. На выбор типа герметика влияет в первую очередь максимальная отрицательная температура эксплуатации, поскольку мастика должна сохранять свойство воспринимать деформации без разрывов.

В зависимости от климатических условий на аэродромах России часто применяются горячие герметики марок Бигума или Новомаст. Так в нормальных климатических условиях применяется мастика "Бигума ТЛ -82", а в суровых условиях северных районов "Бигума Арктик". Альтернативы мастикам Бегума являются герметики Новомаст (БП-Г25Т, БП-Г35Ш, БП-Г50Ш) и мастики фирмы Crafco (рисунок 6).

Рисунок 6 - Мастика битумно полимерная CRAFCO

Материалы поверхностной обработки применяют для укрепления поверхности бетона. На отечественном рынке представлен большой выбор различных пропиток, при этом постоянно ведется процесс внедрения новых

составов, их сертификация и апробация на аэродромах.

Одними из наиболее часто применяемых материалов являются Микродур (Германия) и РЛУ1Х (США).

Для выполнения различных операций в ходе восстановительных работ на аэродромных покрытиях , применяется различная специализированная техника. Так для нарезки швов, оконтуривания дефектных участков и разделки трещин применяют нарезчики швов и пальчиковые фрезы, для очистки поверхности бетона и камер трещин используют игольчатые пистолеты и щеточные машины, для разогрева и подачи в камеру шва герметиков и мастик применяют заливщики швов (рисунок 7) и тепловые копья.

Рисунок 7 - Заливщик швов

Следует отметить, что процесс выполнения восстановительных работ на искусственных покрытиях аэродромов на настоящий момент основан на детально разработанных технологической и инструментальной базах для обеспечения высокого качества конечных результатов: определены технологии устранения всех видов повреждений аэродромных покрытий, предложены, на основании научного и практического опыта, комплексы различные ремонтных составов и

материалов для применения во всех климатических условиях, разработаны и доступны высокопроизводительные средства механизации для выполнения технологических операций восстановительных работ. Безусловно, с каждым годом индустрия предлагает новые составы, еще более прочные и долговечные, новую технику еще более производительную и надежную, однако такие разработки определены больше маркетинговой политикой компаний производителей, поскольку качество непосредственно ремонтных работ выполняемых на текущий момент, обеспечивает долговечность и необходимые показатели для функционирования конструкции при изолированных условиях, а значит, что любой новый материал будет идентичен существующим в аналогичных условиях. Однако, с каждым годом дефекты и вновь отремонтированные разрушенные участки появляются на аэродромных покрытиях, а значит проблема такой динамики скрыта не только в качестве выполнения восстановительных работ и эксплуатационных особенностях. Возможно предположить наличие сложной взаимосвязи между появляющимися дефектами и реальными условиями функционирования конструкции, выходной точкой которой и является текущее состояние аэродромных покрытий.

1.5 Системный подход при оценке эксплуатационного состояния

аэродромных конструкций

Как отмечалось ранее, основным показателем существования и функционирования аэродромной конструкции является ее долговечность, повышение которой, в свою очередь, представляет из себя многофакторную задачу, в которую необходимо заложить множество дискретных элементов и построить между ними взаимосвязанную систему. Максимально точное соответствие такой системы реальным условиям эксплуатации конструкции обеспечит наивысшее значение долговечности последней. В настоящий момент применяемые в практике эксплуатации аэродромных конструкций подходы разнятся между собой и не имеют структурированной взаимосвязи. Так, например, нормативные документы, регламентирующие несоответствия

(дефекты) конструкции и регулярность ее обследования никак не связаны с существующими системами классификаций, которые, в свою очередь, в зависимости от источника разнятся, но при этом в каждой из них в различном объеме содержится актуальная информация о рассматриваемых конструкциях. Увеличение количества дефектов на вновь отремонтированных конструкциях, несмотря на выполнение восстановительных работ высокого качества с применением современной техники и материалов, также свидетельствует об упущении некоторых составляющих фактического состояния конструкции, которые и приводят к прогрессированию разрушений. В этой связи представляется целесообразным обобщение существующих подходов к оценке состояния аэродромных конструкций и формирование единой взаимосвязанной системы, характеризующей фактическое состояние покрытий с учетом многофакторности и нелинейности процесса разрушения последних.

Безусловно, каждая конструкция уникальна и требует индивидуальной оценки, но в основе такой оценки представляется целесообразным заложить общий подход к рассмотрению конструкции в виде системы, иными словами использовать системный подход.

Системный подход в общем понятии - это направление методологии специального научного познания, в основе которого лежит исследование объектов как систем и выявление общих для всей системы закономерностей ее функционирования и развития, которые оказывают определяющее влияние на деятельность входящих в нее элементов. Исследование системы предполагает выявление механизма функционирования и развития системы в целом, закономерностей ее жизнедеятельности. Под системой понимают состоящее из двух элементов или более множество, в котором поведение каждого элемента взаимосвязано с другими элементами и воздействует на поведение объекта исследования.

Положение в основу оценки эксплуатационно-технического состояния аэродромных конструкций системного подхода позволит максимально достоверно установить фактическое состояние таких конструкций, что в свою очередь

позволит определить необходимые мероприятия для увеличения срока эксплуатации последних.

При таком подходе состояние аэродромной конструкции представляется главным объектом системы, который исследуется с помощью известных внутренних элементов системы, таких как условия эксплуатации, характерные дефекты и их причины, исходные данные заложенные при проектировании и строительстве, нормативная и теоретическая базы и т.д. Все перечисленные элементы изучены детально, однако они рассматриваются отдельно, что не позволяет установить объективную общую картину фактического состояния конструкции, и что возможно только при интеграции всех этих элементов в единую систему.

Для оценки состояния аэродромных конструкций необходимо разработать алгоритм их оценки, в основе которого заложен системный подход к изучению конструкции, объединяющий входящие данные по последней и позволяющий установить механизмы взаимодействия этих данных между собой. Внутри системы следует определить иерархию элементов, условия их взаимного подчинения и последовательности, разграничить факторы допустимые и критические, выбрать критерий оценки состояния объекта исследования. В таком случае оценку конструкции можно считать объективной, на основе которой становится возможным определение стратегии выполнения мероприятий по увеличению долговечности покрытия.

Выводы по главе 1

1. Актуальность решения задачи продления долговечности аэродромных покрытий в условиях масштабного развития авиационного сообщения, как внутреннего, так и международного, и многократного увеличения интенсивности взлетно-посадочных операций на аэродромах РФ сомнений не вызывает.

2. Недостатки существующих систем классификации дефектов жестких аэродромных покрытий свидетельствуют о необходимости разработки новой системы классификации, которая будет учитывать не только явные повреждения конструкции, но и скрытые дефекты.

3. Системный подход является наиболее эффективным способом разработки алгоритма комплексного анализа эксплуатационно-технического состояния жестких аэродромных покрытий, который, в свою очередь, позволяет выбрать стратегию действий по увеличению долговечности последних.

Цели и задачи проведения диссертационного исследования

Целью диссертационной работы является применение системного подхода при оценке эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов, учитывающего многофакторность процесса разрушения таких конструкций.

В рамках диссертационного исследования выбраны следующие задачи к решению:

- актуализация и унификация данных по дефектам жестких аэродромных покрытий;

- разработка новой системы классификации дефектов жестких покрытий

- анализ данных мониторинга жестких покрытий аэродромов России

- анализ причин возникновения и прогрессирования дефектов, различных типов, а также возможной взаимосвязи между последними;

- исследование существующих методик оценки эксплуатационно-технического состояния аэродромных покрытий

- исследование напряженно-деформированного состояния жестких аэродромных с различными дефектами;

- исследование напряженно-деформированного состояния жестких аэродромных с ремонтными вставками;

- выполнение ранжирования дефектов по степени влияния на аэродромное покрытие;

- разработка рекомендаций по результатам диссертационной работы.

Глава 2

Причинно-следственные связи при оценке состояния покрытия

2.1. Разработка системы классификации дефектов

В главе 1 были рассмотрены различные системы классификаций дефектов искусственных покрытий аэродромов. Дефекты, рассмотренные в этих системах, описывают разрушения только искусственных покрытий аэродромных конструкций (то есть верхних жестких слоев), пригодных для визуального освидетельствования, однако, существует ряд дефектов других элементов конструкций аэродромных покрытий, таких как нижележащие слои и элементы ВДС (рисунок 8), которые, как правило, недоступны для непосредственного визуального освидетельствования (в дальнейшем «скрытые»).

Рисунок 8 - Аэродромное покрытие с дефектами

Очевидно, что наличие скрытых дефектов является причиной развития разрушений верхних искусственных слоев покрытия. Поэтому ошибочно рассматривать состояние верхних слоев искусственных покрытий без учета возможного наличия и влияния скрытых дефектов конструкции. Здесь же уместно добавить, что заключения о наличии скрытых дефектов выводятся на основе лабораторных исследований, а так же личного опыта специалистов обследующих покрытия.

Исходя из выше изложенного, представляется целесообразным произвести формирование новой классификационной системы повреждений жестких аэродромных покрытий, сочетающей в себе объединённые по группам дефекты, а так же взаимосвязь между ними. При этом в систему необходимо включить дефекты не только искусственных покрытий, но и конструкции в целом. Наличие такой системы является необходимым этапом для составления в дальнейшем цепочек причинно-следственных связей между конечным дефектом и начальным фактором, инициирующим его проявление в конструкции, что, в свою очередь, позволит выполнить комплексную оценку состояния аэродромного покрытия как конструкции в целом и выбрать наиболее эффективный метод выполнения восстановительных работ.

В результате анализа представленных в 1 главе систем классификации дефектов жестких аэродромных покрытий, рассмотрения ряда публикаций российских ученых и инженеров, а так же накопленного опыта по эксплуатации и обследованию аэродромных покрытий была разработана новая классификационная система дефектов жестких аэродромных покрытий, представленная в таблице 3.

Таблица 3 - Система классификации дефектов жестких аэродромных покрытий

Дефекты жестких аэродромных покрытий

Явные Скрытые

Группа 1 - трещины: - переувлажнение

- сквозные искусственного

- поверхностные (не сквозные) основания

Группа 2 - дефекты кромок плит: - просадки

- сколы плит искусственного

Группа 3 - повреждение герметика: основания

- разрушение заполнителя в швах - пучение искусственного

Группа 4 -нарушение целостности основания

структуры бетонного материала: - неработоспособность

- истирание, шелушение дренажной системы

Группа 5 - ямочные разрушения: - зазоры между плитами

- раковины (в двух и более слойных

- выбоины покрытий)

Группа 6 - нарушение геометрии - зазоры между плитой и

конструкции: искусственным

- вертикальные смещения кромок плит основанием

(уступы, просадки) - разрушение нижнего

- горизонтальные смещения плит слоя покрытия (для

- коробление, взбугривание двух и более слойных

Группа 7 - дефекты содержания: покрытий)

- ремонтные вставки на всю глубины плиты

- ремонтные вставки в плите (не на всю

толщу плиты)

- замененные плиты

Группа 8 - дефекты водоотведения:

- фонтанирование

- выход из строя доступных обследованию

элементов ВДС

2.2Дефекты жестких аэродромных покрытий

В данном разделе рассматриваются дефекты и факторы, являющиеся возможными причинами их появления. Ранее отмечено, что в системах классификации, причины схожие по признакам разрушения дефектов сформулированы по-разному.

Например, рассмотрим группу дефектов «Уступы между плитами».

Источник [86] определяет эту группу дефектом «Вертикальные смещения плит (уступы, просадки)» и дает следующие причины его появления:

- некачественное уплотнение подстилающего грунта или основания;

- пучение грунта зимой;

- вымывание материала основания из-под покрытия.

Источник [26] называет дефект в этой группе «просадки и перекосы плит покрытий» и указывает следующие причины его возникновения:

- потеря несущей способности искусственного основания или подстилающего грунта при недостаточном уплотнении в процессе строительства;

- неравномерная осадка подстилающего грунта и его вымывание из-под покрытия;

- пучение грунта зимой.

Формулировки причин в двух источниках различны, однако их физический смысл схож и в той и в другой системе. В то же время в классификации [69] дается одна причина дефекта «уступы между плитами» - дефекты (обычно просадка) основания возможны из-за неудовлетворительной работы дренажной системы. Такая формулировка в какой-то мере является обобщением всех причин приведенных в первой и второй классификациях рассмотренных выше и при этом указывает на возможный источник (первопричину) возникновения этих причин (состояние дренажной системы).

Отличия в формулировке причин дефектов возникают в связи с различными взглядами авторов на значимость той или иной причины, а так же их опыта. Однако для проведения в дальнейшем полноценного анализа состояния аэродромных покрытий необходимо произвести объединение всех возможных причин появления дефектов на основе имеющихся классификаций и опыте авторов их составлявших. Ниже представлен результат такого объединения, дано описание характерных особенностей а так же представлены иллюстрации рассматриваемых дефектов.

Группа 1 - трещины.

Известные системы классификации дефектов выделяют различные виды трещин (сквозные, волосяные, усадочные, раскрытые и нераскрытые и т.д.).

В этих системах классификации выделяют следующие возможные причины появления трещин:

- совместное действие эксплуатационной нагрузки и температурно-усадочных факторов;

- эксплуатация транспортными средствами, превышающими несущую способность покрытия;

- несвоевременная и некачественная нарезка деформационных швов;

- неправильная установка соединительных устройств в швах;

- наличие зазора между покрытием и основанием;

- недоуплотнение (разуплотнение) основания;

- поздняя нарезка швов во время строительства;

- воздействие знакопеременных температур окружающей среды (замораживание-оттаивание);

- воздействие нагрузки в сочетании с короблением плит от неравномерного распределения температуры по толщине покрытия;

- подбор состава бетонной смеси несоответствующего проектным требованиям;

- нарушение требуемой толщины защитного слоя бетона для арматурного каркаса конструкции;

- несоблюдение правил ухода за бетоном в начальный период твердения.

В новой системе классификации дефектов в группе трещины выделяют два вида трещин: сквозные и поверхностные (не сквозные). Трещины как сквозные так и поверхностные могут иметь различную форму (продольные, поперечные, диагональные, угловые, сетку трещин, Д-образные, радиальные), ширину раскрытия (до 0,3мм,0,3-0,5 мм, свыше 0,5 мм), глубину раскрытия (раскрытые, усадочные), причины появления (силовые, температурные, усадочные),

различное состояние кромок (со сколами, без сколов кромок), стадию герметизации (незагерметизированные, загерметизированные, с частичным или полным разрушением герметика, с частичным или полным выходом герметика из трещины).

Из последнего следует, что существует множество возможных проявлений этого дефекта. Однако для выполнения анализа состояния конструкции на момент обследования первоочередную роль имеет влияние дефекта (трещины) на расчетную схему элемента покрытия (плиты). Поэтому, исходя из этого условия, предлагается трещины разделить на два вида: сквозные и поверхностные. На рисунках 9-17 приведены примеры таких трещин.

Рисунок 9 - Сквозная продольная трещина раскрытием до 20 мм

Рисунок 10 - Поверхностная поперечная трещина с частичными сколами кромок и раскрытием от 5 до 20 мм.

Рисунок 11 - Поверхностная поперечная трещина раскрытием до 5 мм

• в!

Рисунок 12 - Поверхностная диагональная загерметизированная трещина с частичным разрушением герметика шириной раскрытия до 20 мм

Рисунок 13 - Поверхностные усадочные трещины не раскрытые

Рисунок 14 - Поверхностные нераскрытые трещины вдоль арматуры

№10/14 Л Vfl S!

Рисунок 15 Частично сквозная, частично поверхностная угловая трещина со

сколами кромок

Рисунок 16 - Поверхностные Д-образные трещины (волосяные) с раскрытием

от 0 до 5 мм.

Рисунок 17- Сквозные радиальные трещины со сколами кромок раскрытием

от 20 до 50 мм

Следует отметить, что вероятность перехода трещины от поверхностной к сквозной весьма велика. При этом, если одни трещины имеют высокую вероятность такого перехода в короткие временные интервалы, то другие трещины могут оставаться поверхностными на протяжении всего существования конструкции и перейти в сквозные только при экстремальных (форс-мажорных) условиях. На момент обследования необходимо зафиксировать максимальный объем информации о дефекте, чтобы при анализе спрогнозировать его возможное развитие.

Для примера рассмотрим рис.10 и 14 - на них показаны поверхностная поперечная трещина с частичными сколами кромок и раскрытием от 5 до 20мм и поверхностная продольная нераскрытая трещина по арматуре соответственно.

В начале необходимо установить время появления дефекта ( по возможности), его местоположение, зафиксировать его характеристики, установить характерные особенности конструкции в месте появления дефекта ( конструктивное решение, система ВДС). По опыту обследования и эксплуатации жестких покрытий можно утверждать с большой вероятностью, что трещина на рис.10 перейдет из поверхностной в сквозную. В то же время трещины на рис.14 (по арматуре) явление не частое. В зависимости от времени их проявления с момента постройки покрытия можно предположить, что причинами их образования является низкое качество бетонной смеси и уровень выполнения строительных работ (зачастую не выдержана толщина требуемого защитного слоя бетона или технология укладки арматуры).Зачастую такие трещины не имеют своего дальнейшего развития, однако для прогнозирования возможной вероятности их развития необходим комплексный анализ информации о дефекте и конструкции аэродромного покрытия. При этом следует учитывать, что при различном сочетании исходных факторов появления дефекта, его развитие может происходить с различной скоростью.

Подход деления трещин на поверхностные и сквозные не упрощает их классификацию, но выделяет главное различие между ними. Поверхностные трещины влияют только на НДС плиты, в то время как, сквозная трещина меняет

расчетную схему плиты, которая , как будет показано в дальнейшем, кардинально изменяется.

Группа 2 - дефекты кромок плит.

Дефекты кромок плит (сколы бетона в углах и по кромкам плит) являются одними из наиболее распространенных разрушений искусственных покрытий аэродромных конструкций (рисунки 18-20). Причинами этих дефектов могут являться:

• Недостаточная прочность бетона как следствие некачественного выполнения работ по укладке и уплотнению смеси

• Отсутствие швов расширения

• Некачественное выполнение работ по разделке швов

• Скопление несжимаемого материала в шве (засорение шва)

• Появление распора в шве или трещине под нагрузкой при засорении последних несжимаемым материалом, а так же, при «закрытии» шва на всю его ширину

• Движение транспорта во время строительства в период набора прочности бетона.

Рисунок 18 - Скол кромки плиты по трещине

t ^ j i&f ■

Рисунок 19 - Поверхностное разрушение кромок плит в свежеуложенном

бетонном покрытии

-J

Рисунок 20 - Сильное разрушение кромок плит

При рассмотрении дефектов кромок плит следует учитывать наличие ослабляющих факторов в области скола, которые свидетельствуют о различной природе развития разрушения. Так на рис. 18 изображен скол кромки плиты по угловой трещине, причиной возникновения могли послужить различные факторы, однако ключевым фактором появления скола безусловно является наличие трещины, ослабляющей тело бетона. Сколы по трещинам развиваются как правило в короткий период времени, чего нельзя сказать о трещинах их

вызывающих. Трещина может развиваться в плите дни или месяцы (в зависимости от множества факторов) и наблюдая за ее состоянием возможно делать прогноз ее развития, при этом скол по трещине в большинстве случаев появляется мгновенно (при разовом сочетании критических факторов).

На рисунке 19 представлено поверхностное разрушение кромок плит в абсолютно новом покрытии, без приложения эксплуатационных нагрузок. Стадия проявления разрушения невелика, причину его появления с большой вероятностью можно определить как невыполнение технологии укладки бетона и (или) некачественный уход за свежеуложенным материалом. В сравнении со сколом по трещине такой скол имеет совершенно другую природу появления, скорость его развития при отсутствии негативных факторов воздействия будет невелика. При первом приближении он не является жизненно опасным для конструкции в целом, однако следует представлять какое развитие во времени может получить такой дефект при отсутствии наблюдения за его развитием и соответствующим эксплуатационным уходом. На рисунке 20 представлена недопустимая фаза развития дефекта, которая свидетельствует о невыполнении требуемых эксплуатационных работ (наблюдение, очистка, ремонт дефекта). Следует отметить, что временной интервал для развития дефекта до стадии разрушения представленной на рисунке 20 может исчисляться годами, и если выполнять необходимые эксплуатационные мероприятия, то такое разрушение весомой угрозы для конструкции не представляет.

Группа 3 - повреждение герметика.

Причинами разрушения заполнителя в швах являются следующие факторы:

- старение герметизирующего материала;

- низкая деформативность материала при отрицательных температурах;

- низкая термоустойчивость (восприятие высоких температур);

- воздействие солнечной радиации;

- значительные вертикальные и горизонтальные смещения кромок плит.

На рисунках 21-24 показаны различные проявления разрушения заполнителя в швах между плитами искусственного покрытия.

Рисунок 21 - Выход герметика на поверхность при «закрытии» шва

Рисунок 23 - Выдавливание и выкрашивание герметика

Рисунок 24 - Выдавливание герметика через «Сработавший» шов

Группа 4 - Нарушение целостности структуры бетонного материала.

Рассматриваемая группа дефектов дифференцируется по стадиям нарушения целостности структуры бетонного материала, а именно - истирание, шелушение. Представляется нецелесообразным выделять эти две стадии в отдельные виды разрушений, поскольку они имеют схожие причины появления, а различия между ними обусловлено необходимостью описания степени разрушений такого рода.

Так истирание бетона - начальная стадия разрушения его структуры, представлена на рисунке 25. При отсутствии требуемого ухода за покрытием этот

дефект прогрессирует в шелушение (рисунки 26-27), который в свою очередь можно подразделить на поверхностное шелушение, глубокое шелушение, так же в зависимости от положения дефекта на плите можно выделить очаговое (рисунок 26) и сплошное (рисунок 27) шелушение.

Причинами таких разрушений являются:

- нарушение технологии приготовления и укладки бетонных смесей;

- низкое качество ухода за твердеющим бетоном;

- применение противогололедных химических реагентов;

- сочетание интенсивного приложения колесных нагрузок с частыми циклами попеременного замораживания оттаивания;

- применение некачественных материалов;

- воздействие высоких температур;

- многократное приложение нагрузки;

- недостаточная морозостойкость бетона;

- воздействие циклов замораживания -оттаивания в сочетании с набуханием или выветриванием минерального материала;

- воздействие отрицательной температуры на свежеуложенный бетон.

Рисунок 25 - Истирание бетона

Рисунок 26 - Сплошное шелушение бетона

Рисунок 27 - Глубокое очаговое шелушение бетона

Группа 5 - Ямочные разрушения.

Предлагается выделить в данную группу дефектов два вида разрушения -раковины (рисунок 28) и выбоины (рисунок 29). Оба дефекта проявляются в теле бетона углублениями (ямами - откуда и название группы дефектов) преимущественно круглой или овальной формы, редко превышающих 10-15 см в диаметре. Разделение эти двух дефектов необходимо в связи с различиями в физических характеристиках их появления. Так раковина это образование пустоты на месте каменного заполнителя в бетоне, в то время как выбоина это ямочное разрушение не только каменного заполнителя а цементобетона в целом.

Дефекты этой группы могут развиваться длительное время, при этом развитие выбоины очевидно, поскольку есть возможность снять ее характеристик^ размеры, глубину), в то время как раковина зачастую развивается изнутри ( наиболее весомое влияние на ее развитие оказывает вода попадающая в тело раковины, замерзающая в нем, а так же реагенты разрушающие бетон). Учитывая особенности развития этих двух дефектов, представляется целесообразным их разделить.

Причины появления раковин:

- применение неморозостойких крупных заполнителей;

- некачественная отделка поверхности покрытия;

- недоуплотнение бетонной смеси;

- воздействие циклов замораживания -оттаивания в сочетании с набуханием или выветриванием минерального материала.

Рисунок 28 - Раковина

Причины появления выбоин:

- недостаточное сопротивление покрытия сдвигающим усилиям от транспортных средств при их торможении;

- непрочное сцепление цементного камня с заполнителем;

- наличие грязного и неморозостойкого заполнителя в бетоне;

низкое качество уплотнения отдельных участков покрытия; развитие уже имеющихся выкрашиваний цементобетона под воздействием повторяющихся динамических нагрузок.

Рисунок 29 - Выбоина

Группа 6 - Нарушение геометрии конструкции.

Данная группа дефектов рассматривает изменение геометрии конструкции аэродромного покрытия в целом. Возможно выделить следующие виды таких изменений:

— вертикальные смещения кромок плит (уступы, просадки);

— горизонтальные смещения плит;

— коробление, взбугривание.

Вертикальные смещения кромок плит могут иметь следующие причины образования:

— некачественное уплотнение основания;

— пучение грунта зимой;

— вымывание материала основания из-под покрытия;

— потеря несущей способности искусственного основания или подстилающего грунта;

- неравномерная осадка подстилающего грунта вследствие его переувлажнения.

Следует отметить, что такое смещение плит явление распространенное, при этом зачастую величина смещения мала, и не представляет угрозы для конструкции в момент обследования, однако наличие такого дефекта свидетельствует о существовании ряда факторов негативно влияющих на конструкцию, (к примеру, осадка грунта или вымывание его из-под конструкции). Такие факторы необходимо учитывать для прогнозирования изменения состояния конструкции во времени, а рассматриваемый дефект является индикатором для выявления таких факторов.

Горизонтальные смещения плит (рисунки 30,31) свидетельствует о значительных отклонениях от технически-нормального состояния аэродромного покрытия. При этом само по себе для эксплуатации оно не представляет опасности, но является ключевым фактором развития множества дефектов и разрушения покрытия в дальнейшем. Для выяснения причин появления такого дефекта необходим тщательный анализ «жизни» конструкции на всех стадиях, технологические и конструктивные особенности покрытия. В последнее время такой дефект проявился на новых покрытиях аэродромов Южного Федерального Округа (Геленджик, Сочи).

Рисунок 30 - Горизонтальное смещение плит

Рисунок 31 - Горизонтальное смещение рядов плит

Коробление, взбугривание имеют следующие причины появления:

- отсутствие возможности перемещения плит под воздействием температурных напряжений;

- некачественное выполнение стыковых соединений;

- высокие суточные колебания температуры;

- потеря продольной устойчивости плит;

- морозное пучение основания при промерзании;

- температурное перенапряжение в плитах из-за отсутствия или засорения швов расширения (недостаток их ширины).

Следует отметить, что такие дефекты преимущественно распространяются не на один элемент покрытия (плиту), а на их ряд(ряды), провоцируют развитие большого количества дефектов других групп ( трещины, сколы, разрушение герметика).

Группа 7 - дефекты содержания.

В группу дефекты содержания, согласно предложенной классификации включены следующие дефекты:

- ремонтные вставки на всю глубину плиты;

- ремонтные вставки в плите (не на всю толщу плиты);

- замененные плиты.

Несмотря на то, что перечисленные дефекты, не представляют собой непосредственно разрушения искусственного покрытия, они влияют на состояние конструкции в целом. Так ремонтные вставки (рисунки 32,33) в покрытии - места повышенного риска возникновения или развития разрушений, они свидетельствуют о наличии в конструкции дефектов и отклонений от ее нормального технического состояния. Замененная плита (часть плиты) является «слабым» местом конструкции, как с технологической (сложность соблюдения всех конструктивных особенностей существующего покрытия при выполнении ремонтных работ), так и с физической (невозможно подобрать для установки в конструкцию элемент, соответствующий ей по всем прочностным характеристикам). Так же при выполнении ремонтных работ в ненадлежащих условиях, в конструкцию попадают влага, строительный мусор, что негативно влияет на ее дальнейшую работоспособность.

Группа 8 - дефекты водоотведения.

К дефектам водоотведения относятся фонтанирование, выход из строя доступных обследованию элементов ВДС (смотровые колодцы и дождеприемные колодцы, лотки в кромке покрытия и т.п.). Рассматриваемая группа дефектов не может оказать мгновенного критического воздействия на работоспособность конструкции, однако значительно влияет на ухудшение состояния конструкции

при длительном воздействии. Фонтанирование (рисунок 34) - это выход воды через швы и трещины на поверхность искусственного покрытия.

Рисунок 32 - Ремонтная вставка из асфальтобетона не на всю глубину плиты

Рисунок 33 - Ремонтная вставка из цементобетона на всю глубину плиты

Оно является индикатором ряда дефектов конструкции и ее отклонений от исправного технического состояния в целом. Вероятными причинами фонтанирования являются:

- нарушение герметичности швов;

- переувлажнение нижележащих слоев конструкции;

- изменение уровня грунтовых вод;

- наличие дефектов дренажной системы.

Выход из строя элементов ВДС (рисунок 35) свидетельствует о нарушении нормального режима водоотведения конструкции, что в свою очередь, требует подробной оценки для анализа рисков разрушения конструкции и их временных интервалов. Причинами появления таких дефектов может быть как нарушение эксплуатационных требований к конструкции, так и природно-климатические отклонения (нехарактерные для региона сильные ливни, ураганы, резкое потепление).

Рисунок 34 - Следы фонтанирования на искусственном покрытии

Рисунок 35 - Разрушение смотрового колодца

Скрытые дефекты.

Скрытые дефекты аэродромных конструкций являются начальными причинами развития дефектов искусственного покрытия этих конструкций. Диагностирование таких дефектов возможно с помощью инструментальных исследований, а причинами их появления являются факторы инициирующие весь процесс изменения состояния конструкции. Ниже представлены вероятные причины появления скрытых дефектов предлагаемых в таблице 3:

1) Переувлажнение искусственного основания:

- Обводнение грунтов под конструкцией покрытия;

- Нарушение работоспособности дренажной системы.

2) Просадки искусственного основания:

- Наличие пустот в подстилающем грунте;

- Переувлажнение подстилающего грунта;

- Вымывание грунта из-под конструкции.

3) Пучение искусственного основания:

- Промерзание подстилающего грунта и его пучение;

- Наличие свободной воды между слоями конструкции.

4) Неработоспособность дренажной системы:

- Отступление от норм содержания ВДС аэродрома;

- Нарушение работоспособности элементов ВДС;

- Снижение фильтрационной способности дрен;

- Силовое разрушение дрен под воздействием нагрузок;

- Просадки слоев конструкции.

5) Зазоры между плитами (в многослойных искусственных покрытиях):

- Просадка искусственного основания или подстилающего грунта;

- Температурные перемещения плит слоев конструкции.

6) Зазоры между плитой и искусственным основанием:

- Просадка искусственного основания или подстилающего грунта;

- Температурные перемещения плит слоев конструкции.

7) Разрушение нижнего слоя покрытия (для многослойных искусственных покрытий):

- Наличие просадок, зазоров, пустот под разрушающимся слоем;

- Засорение швов нижнего слоя покрытия.

При проведении комплексного анализа жестких аэродромных покрытий необходимо установить или, по возможности, исключить существования причин появления рассматриваемых дефектов перечисленных выше, что в дальнейшем позволит сформировать наиболее достоверное представление о состоянии аэродромного покрытия как конструкции в целом и позволит составить цепочки причинно-следственных связей возникновения дефектов.

2.3. Экспериментальные данные мониторинга аэродромных покрытий

Одним из первоочередных источников экспериментальных данных являются результаты мониторинга состояния жестких аэродромных покрытий, на основании анализа которых возможно установить тенденции фактическому прогрессированию и распространению характерных дефектов искусственных покрытия аэродромных конструкций. В этой связи рассмотрение результатов мониторинга представляется целесообразным к использованию в качестве экспериментальных данных к поставленному вопросу исследования, и добавляет вариационный ряд в точности ранжирования дефектов.

Информационная база сформирована по трем объектам (аэропортам), а именно: аэропорты Домодедово [41,42,58,59], Ульяновск [75,76], Улан-Удэ [43,68,60,61,62].

Основным элементом аэродрома к мониторингу выбрана взлетно-посадочная полоса, как неотъемлемая функциональная часть всего аэродрома, состояние которой определяет возможность функционирования объекта в целом. Временным интервалом сопоставления данных обследования конструкций выбран период в 4-5 лет, примерно равный 25% от срока службы покрытия и представляющийся наиболее оптимальным для усреднения и обработки данных по изменению технического состояния конструкции.

Аэропорт Домодедово.

Элемент аэродрома: Взлётно-посадочная полоса 2.

Год постройки: 1968.

Год усиления: 1981.

Описание объекта: Аэродромное покрытие ВПП-2 эксплуатируется с 1968 года. В этот период покрытие представляло собой слой струнобетона

толщиной 24 см на песчаном основании. В 1970 г. произведено удлинение ВПП-2 слоем железобетона толщиной 28-36 см на песчаном основании. Таким образом, в настоящее время срок службы верхнего слоя покрытия ВПП-2 составляет 30 лет. В продольном направлении элемента 8 рядов плит, в поперечном 532, средний размер плиты 7,1х7,1м. всего плит - 4256.

Конструктивное решение покрытия (основное):

- армобетон (толщина слоя 1=0,32м);

- струнобетон (толщина слоя 1=0,24м);

- песок (1=0,35м).