Резервуар для жидкости, снабженный армирующим и герметизирующим покрытием, и способ его изготовления

 

Изобретение относится к технике выполнения или ремонта резервуаров для жидкости, в частности резервуаров водонапорных башен. Способ обработки стенки резервуара для жидкости включает механическую и/или химическую подготовку, нанесение на внутреннюю поверхность стенки резервуара грунтовки и многослойного покрытия. Многослойное покрытие представляет собой полимеризующуюся смолу, в которую введены усиливающие волокна и утолщающие волокна. Усиливающие волокна имеют модуль упругости, более чем вдвое превышающий модуль упругости утолщающих волокон. Предложенная система герметизации конструкции позволяет добиться существенной экономии и более высокой безопасности для занятого на объекте персонала. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике выполнения или ремонта резервуаров для жидкостей. Оно может быть применено, хотя и не только к ним, к резервуарам водонапорных башен.

Для обеспечения герметичности резервуаров для жидкости стали все чаще пользоваться специальными покрытиями, наносимыми на внутреннюю поверхность стенки резервуара. Действительно, редко удается получить достаточную герметичность только лишь благодаря материалу этой стенки, в качестве которого обычно используют бетон. С другой стороны, заделываемые в бетон арматурные стержни подвержены коррозии и уменьшению площади сечения, что приводит к необходимости ремонта.

В качестве герметизирующих покрытий чаще всего используют тонкие покрытия типа лакокрасочных, акриловых или виниловых либо на основе эпоксидной смолы, а также битумные материалы, растворы на основе цемента и сборные листы или панели из алюминия, битума или пластических материалов (см. работу Г. Матью и Ж. Сари "Свойства и долговечность уплотнений водонапорных башен, резервуаров, чанов и бассейнов" в журнале Travaux за июль - август 1991 г., стр. 14 - 25). Известно также использование слоистых покрытий на основе смолы и стекловолокна (так называемая технология Мах Perles).

Для усиления конструкции резервуаров, в частности, в ходе ремонтных операций, необходимость в которых вызвана уменьшением полезной площади сечения арматурных стержней, применяют различные способы, распространенные в гражданском строительстве. Чаще всего используют усилительное кольцевое крепление вокруг резервуара, выполняемое либо с предварительным напряжением, либо без такового. Такое крепление может быть выполнено с помощью композитного материала, например ткани из склеенных углеродных волокон, типа описанного в заявке на европейский патент 0799951. Кольцевое крепление воспринимает часть гидростатического давления, передаваемого через стенку резервуара, помогая ей тем самым выдерживать действие этого давления. Если это крепление было подвергнуто предварительному напряжению, то такое восприятие усилия обусловлено разгрузкой бетона от сжимающих напряжений.

Осуществляемый на существующих сооружениях ремонт обычно включает в себя работы по приданию герметичности и усилению конструкции. При использовании современных технологий это сводится, как правило, к выполнению двух раздельных операций, одна из которых производится внутри резервуара, а другая, особо дорогостоящая и опасная, - снаружи от него. Подобные же соображения имеют силу и в отношении изготовления новых резервуаров.

Целью настоящего изобретения является облегчение выполнения указанных работ, а следовательно, и повышение их экономичности.

Для достижения этой цели предложен способ обработки стенки резервуара, в соответствии с которым на внутреннюю поверхность стенки резервуара наносят многослойное покрытие, представляющее собой полимеризующуюся смолу, в которую заделаны, во-первых, усиливающие волокна, обеспечивающие поглощение, по меньшей мере, части гидростатических усилий, оказываемых жидкостью на резервуар, без их передачи на стенку, и, во-вторых, утолщающие волокна, придающие многослойному покрытию толщину, достаточную для получения необходимой жидкостенепроницаемости резервуара, и имеющие значительно меньший модуль упругости, чем у усиливающих волокон.

В этих условиях одно и то же покрытие выполняет одновременно задачи герметизации и усиления конструкции. Уплотнительная перегородка может полностью или частично воспринимать напор, обусловленный существованием в резервуаре жидкостного столба. При этом снижаются нагрузки на стенку, а возможное снижение механической прочности конструкции компенсируется уменьшением усилий, которым она подвергается.

В таких системах используют предпочтительно полимеризующуюся смолу, которая способствует адгезии покрытия к стенке резервуара. Такая адгезия позволяет в случае случайного нарушения целостности покрытия предотвратить формирование между стенкой и покрытием жидкостной пленки, которой может оказаться достаточно для передачи на стенку гидростатического давления. В отличие от традиционных методов усиления способ наклеивания покрытий согласно изобретению не ставит целью передачу усилий между конструкцией и усиливающим элементом.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления процесс нанесения многослойного покрытия включает этапы нанесения первого слоя, состоящего из первой смолы и, по меньшей мере, части утолщающих волокон, и после этого нанесения второго слоя, состоящего из второй смолы и усиливающих волокон. Вторая смола может быть выбрана менее мягкой, чем первая, благодаря чему покрытие будет легче приспосабливаться к возможным перемещениям в резервуаре, и в то же время сохранится высокая стойкость покрытия к действию гидростатических давлений.

Целесообразно использовать в составе многослойного покрытия смолу, полимеризующуюся при комнатной температуре, что облегчает работу с ней в реальных условиях. В этом случае процесс нанесения многослойного покрытия или одного из составляющих его слоев может включать следующие этапы: - нанесение смолы на внутреннюю поверхность стенки резервуара; - укладка утолщающих и усиливающих волокон в виде сухих тканей, которые погружают в смолу; - выдержка смолы до полимеризации.

Для увеличения толщины покрытия предпочтительно используют относительно дешевые волокна, которые могут иметь довольно незначительные модуль упругости и/или прочность на разрыв, например стекловолокно или полиэфирные волокна.

Для усиливающих волокон берут материалы с более высокими прочностью на разрыв (как правило, более 1500 МПа) и модулем упругости (обычно в пределах от 200 до 400 ГПа). Для этих целей чаще всего применяют углеродные волокна.

Для учета колебаний гидростатического давления в зависимости от высоты жидкости в резервуаре целесообразно предусмотреть возможность изменения плотности усиливающих волокон в многослойном покрытии вдоль стенки резервуара с получением большей концентрации этих волокон у его днища.

В состав многослойного покрытия могут входить, по меньшей мере, одна смешанная ткань, включающая усиливающие и утолщающие волокна, а также располагаемый между этой смешанной тканью и стенкой резервуара, по меньшей мере, один слой утолщающих волокон.

Другая сторона настоящего изобретения касается резервуара для жидкости, имеющего стенку, на внутреннюю поверхность которой нанесено многослойное покрытие, образованное полимеризующейся смолой, в которую заделаны, во-первых, усиливающие волокна, обеспечивающие поглощение, по меньшей мере, части гидростатических усилий, оказываемых жидкостью на резервуар, без их передачи на стенку, и, во-вторых, утолщающие волокна, придающие многослойному покрытию толщину, достаточную для получения необходимой жидкостенепроницаемости резервуара, и имеющие значительно меньший модуль упругости, чем у усиливающих волокон.

Остальные особенности и преимущества настоящего изобретения явствуют из нижеследующего описания примеров выполнения, не имеющих ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором фиг. 1 представляет собой схематическое изображение сечения резервуара водонапорной башни, подвергнутого обработке согласно изобретению; на фиг. 2 показан вид в разрезе водонапорной башни, резервуар которой может быть подвергнут обработке согласно изобретению.

Показанный на фиг. 1 резервуар 1 водонапорной башни имеет стенку, выполненную, например, из железобетона. На внутреннюю поверхность этой стенки 2 нанесено многослойное покрытие 3.

Указанное многослойное покрытие 3 укладывают либо во время изготовления резервуара 1, либо в ходе ремонтных работ следующим образом: - сначала выполняют механическую и/или химическую подготовку внутренней поверхности бетонной стенки 2 (очистку, пескоструйную обработку, обезжиривание и пр.); - наносят на эту поверхность тонкую пленку смолы в жидком состоянии; - укладывают на эту смолистую пленку, находящуюся по-прежнему в жидком состоянии, ткани из сухих волокон; - промазывают эти ткани клеем для обеспечения их проникновения в смолу и их полной пропитки;
- осуществляют полимеризацию смолы.

Можно использовать смолу на эпоксидной основе. Это должна быть смола термореактивного типа, рассчитанная на полимеризацию при комнатной температуре. Для этих целей можно применить, например, двухкомпонентную эпоксидную смолу типа упомянутой в заявке на европейский патент 0799951. В случае использования резервуара для хранения питьевой воды 4 смола должна иметь физико-химические свойства, рассчитанные на контакт с такой водой.

В смолу, входящую в состав многослойного покрытия 3, заделаны волокна двух типов.

Если необходимо обеспечить частичное или полное восприятие усилий, оказываемых жидкостным столбом 4, в состав многослойного покрытия будут включены усиливающие волокна с модулем упругости в пределах от 200 до 400 ГПа и прочностью на разрыв более 1500 МПа. Это могут быть, в частности, углеродные волокна с прочностью на разрыв порядка 3000 МПа.

Для учета градиента гидростатического давления в жидкости предусматривается, что концентрация в покрытии 3 углеродных волокон будет более высокой у днища резервуара 1, нежели в его верхней части.

В каждом конкретном сооружении необходимое количество усиливающих волокон будет определяться исходя из расчетов механических характеристик конструкций, выполняемых до начала работ. Прочность многослойного покрытия на разрыв составляет, как правило, около 1500 МПа.

Если бы многослойное покрытие 3 содержало только усиливающие волокна из углерода или подобного материала, то его стоимость была бы недопустимо высокой, если учитывать цену тканей из этих материалов. Для придания покрытию толщины, необходимой с точки зрения обеспечения герметичности, предусмотрено включение в состав смолы утолщающих волокон, имеющих меньшие значения прочности и модуля упругости, но существенно более дешевых. Как правило, модуль упругости усиливающих волокон может более чем вдвое превышать соответствующее значение для утолщающих волокон.

В качестве утолщающих можно, в частности, использовать стекловолокна с модулем упругости 60 - 80 ГПа (стекловолокно более чем в тридцать раз дешевле, чем углеродное волокно).

Стекловолокна и углеродные волокна могут входить в состав одной и той же смешанной ткани, при этом углеродные волокна будут надлежащим образом ориентированы в направлении действия усилия для обеспечения работы на растяжение, т.е. по окружности резервуара. Для увеличения конечной толщины многослойного покрытия и улучшения герметичности можно проложить между бетоном и смешанной тканью одну или несколько дополнительных тканей или матов из стекловолокна.

Такие маты из стекловолокна можно уложить в качестве первого слоя с использованием относительно мягкой смолы, с тем чтобы обеспечить должное реагирование на движения стенки 2, обусловленные, например, наличием трещин. Затем укладывают второй слой из углеродных волокон или смешанной ткани с использованием второй смолы с более высоким модулем упругости, чем у первой, что позволяет получить требуемую прочность.

Численные значения параметров устройства согласно изобретению можно проиллюстрировать на примере резервуара водонапорной башни емкостью 600 м³, показанного на фиг. 2. Эта башня высотой H порядка 30 м снабжена резервуаром 1 в целом цилиндрической формы с диаметром D, равным примерно 10 м, в котором предусмотрен центральный ствол 5. Предполагается, что резервуар 1, помещенный в верхней части здания, предназначен для заливки воды на высоту, меняющуюся в пределах от h₁ 8 м до h₂ 10 м. Кроме того, предполагается, что железобетон, из которого выполнены стенки резервуара, характеризуется дефицитом арматуры порядка 20%.

В рассматриваемом примере площадь подлежащей обработке поверхности на внутренней стороне стенки резервуара равна 441 м². Вначале эту поверхность подвергают травлению и соответствующей подготовке, после чего на нее наносят грунтовку для фиксации герметизирующего элемента жесткости. Четыре первых метра вертикальной стенки от днища резервуара усиливают с помощью ткани, содержащей 500 г/м² углеродных волокон, что составляет площадь поверхности 125 ². Остальную часть поверхности покрывают тканью, содержащей 350 г/м² углеродных волокон (6 м по вертикали в верхней части стенки резервуара, т.е. 188 м²; днище, т.е. 77 м²; ствол, т.е. 51 м²). В каждой из тканей углеродные волокна расположены в направлении утка и сотканы с использованием стекловолоконной основы (плотность 150 г/м²). К ткани добавлен стекловолоконный мат, имеющий плотность 450 г/м², при этом сцепление всей структуры обеспечивается с помощью специального связующего порошка плотностью 40 г/м². Таким образом, общая масса используемых тканей равна 456 кг. Общая масса смол может составлять 803 кг, в том числе 150 кг на фиксирующую грунтовку, 250 кг на слой смолы, предназначенный для ткани с содержанием углеродных волокон 500 г/м² и 553 кг на слой смолы, предназначенный для ткани с содержанием углеродных волокон 350 г/м².

По сравнению с традиционной технологией ремонта, когда используют, с одной стороны, внутреннее многослойное покрытие на основе стекловолокна и эпоксидной смолы и, с другой стороны, наружную кольцевую обвязку цилиндрического резервуара, предложенная система герметизации конструкции позволяет добиться существенной экономии благодаря устранению необходимости в наружных работах на большой высоте. Правда, объемы материалов, используемых внутри резервуара, оказываются несколько больше, и соответственно возрастает их стоимость, но зато этот недостаток с лихвой перекрывается значительной экономией рабочей силы и более высокой безопасностью для занятого на объекте персонала.

Кроме того, при использовании этой технологии удается оставлять без изменения внешний вид здания в случае ремонта.

Формула изобретения

1. Способ обработки стенки резервуара для жидкости, включающий механическую и/или химическую подготовку, нанесение на внутреннюю поверхность стенки резервуара грунтовки и многослойного покрытия, представляющего собой полимеризующуюся смолу, в которую введены усиливающие волокна и утолщающие волокна, отличающийся тем, что в качестве полимеризующейся смолы используют первую смолу и вторую смолу, а процесс нанесения покрытия включает этапы нанесения первого слоя из первой смолы и, по меньшей мере, части утолщающих волокон, с последующим нанесением второго слоя, состоящего из второй смолы и усиливающих волокон, причем усиливающие волокна имеют модуль упругости, более чем вдвое превышающий модуль упругости утолщающих волокон.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве утолщающих волокон используют стеклянные или полиэфирные волокна, а в качестве усиливающих волокон используют углеродные волокна, имеющие модуль упругости в пределах от 200 до 400 ГПа и прочность на разрыв более 1500 МПа, причем утолщающие и/или усиливающие волокна выполнены в виде сухих тканей, в которых углеродные волокна ориентированы в направлении действия усилия на растяжение.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторая смола является менее мягкой, чем первая.

4. Резервуар для жидкости, преимущественно из бетона, на внутреннюю стенку которого нанесена грунтовка и многослойное покрытие, образованное полимеризующей смолой, в которую введены усиливающие волокна и утолщающие волокна, отличающийся тем, что полимеризующаяся смола представляет собой первую смолу и вторую смолу, а многослойное покрытие имеет, по меньшей мере, два слоя, причем первый слой покрытия содержит первую смолу и, по меньшей мере, часть утолщающих волокон в составе смешанной ткани, а второй слой состоит из второй смолы и усиливающих волокон, причем усиливающие волокна имеют модуль упругости, более чем вдвое превышающий модуль упругости утолщающих волокон.

5. Резервуар для жидкости по п.4, отличающийся тем, что в многослойном покрытии концентрация углеродных волокон более высокая у днища, чем в верхней его части.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2