Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные конструкции монолитных облицовок водопро водящих каналов и основные технологии их возведения 8
1.1. Состояние перспективы строительства облицовок каналов 8
1.2. Особенности устройства многослойных монолитных облицовок каналов с применением комплексного бетонирования 18
1.3. Анализ существующих технологий комплексного бетонирования 26
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 34
2.1. Определение времени водонасыщения среднего слоя трехслойной конструкции облицовки и факторов влияющих на него...35
2.2. Методика определения физико-механических свойств конструкции облицовки 39
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования комплексного бетонирования многослойных облицовок каналов 50
3.1. Теоретические и экспериментальные основы бетонирования многослойных облицовок каналов с применением сухих бетонных смесей 50
3.2. Факторы влияющие на водонасыщение сухой бетонной смеси 65
3.2.1. Влияние давления на водонасыщение сухой бетонной смеси 65
3.2.2. Зависимость времени водонасыщения сухой бетонной смеси от температуры 67
3.3. Кинетика послойного изменения прочности бетона в конструкции 72
В ыводы по главе 3 92
Глава 4. Эксплуатационная надежность бетона в конструкции облицовки канала при комплексном бетонировании 93
4.1. Водонепроницаемость бетона 94
4.2. Морозостойкость бетона 101
4.3. Коррозионная стойкость бетона 108
Выводы по главе 4 112
Глава 5. Исследование технологических параметров устройства многослойных облицовок каналов комплексного бетонирования 114
5.1. Конструктивные и технологические параметры экспериментальной установки для комплексного бетонирования 114
5.2. Влияние повторного вибрационного воздействия на формирование структуры конструкции
облицовки при комплексном бетонировании 129
5.3. Изучение технологических параметров различных способов комплексного бетонирования 132
Выводы по главе 5 136
Глава 6. Рекомендации и технико-экономические показатели технологии строительства многослойных облицовок каналов комплексным бетонированием 138
6.1. Технологические параметры процесса бетонирования монолитных конструкций облицовок каналов комплексным бетонированием 138
6.2. Технико-экономические показатели применения способа комплексного бетонирования
монолитных конструкций облицовок каналов , 143
6.3. Рекомендации по технологии комплексного
бетонирования монолитных облицовок каналов 145
Выводы по главе 6 152
Заключение. 154
Библиографический список использованной литературы 157
- Особенности устройства многослойных монолитных облицовок каналов с применением комплексного бетонирования
- Методика определения физико-механических свойств конструкции облицовки
- Факторы влияющие на водонасыщение сухой бетонной смеси
- Коррозионная стойкость бетона
Особенности устройства многослойных монолитных облицовок каналов с применением комплексного бетонирования
Как правило, монолитные бетонные облицовки возводятся по однослойной схеме. Мировой опыт строительства открытых каналов показал, что в результате длительной эксплуатации верхний слой их облицовок со временем теряет свои эксплуатационные качества. Это происходит в результате действия различных негативных факторов. Например, таких как климатические воздействия, имеющее наибольшее влияние на свежеуложенный бетон.
Как зимние условия, так и сухая жаркая погода усложняют процесс технологии монолитного бетонирования, вызывают нарушение формирующейся структуры уложенного бетона вследствие его раннего замораживания, сопровождающегося фазовым переходом воды затворения, интенсивного обезвоживания и его значительной пластической усадки. В бетоне при таком воздействии окружающей среды происходят и другие физические деструктивные процессы, которые приводят к раннему растрескиванию бетона, снижению его прочности, морозостойкости и резкой потере долговечности.
Помимо отмеченных процессов зимние условия и сухая жаркая погода способствуют формированию неравномерного температурно-влажностного поля в твердеющих еще малопрочных монолитных конструкциях, приводящему к возникновению их напряженно-деформированного состояния, и, в итоге, к трещинообразованию, снижающему несущую способность и долговечность конструкции. Они также приводят к значительному усложнению условий производства бетонных работ, повышению их стоимости, трудозатрат и ряду других неблагоприятных последствий.
Негативное воздействие также оказывает низкое качество материалов и процессов строительства. Итогом таких суммарных негативных воздействий является усиление фильтрации через облицовку.
18 Основная причина снижения прочности бетона и появления трещин недопустимого размера состоит в появлении пластической усадки, величина которой при интенсивной потере воды составляет 2-5 мм/м. Анализ опубликованных данных [1] показал, что если в бетонной одежде образуются даже редкие трещины недопустимых размеров, то ее противофильтрационные свойства практически теряются. Пластическая усадка протекает при сжатии цементного камня и при его взаимодействии с крупным и мелким заполнителем, который препятствует такому сжатию. Кроме того, возникает большая разность в перемещениях отдельных компонентов бетона относительно друг друга, а также отдельных частей облицовки. Все это вызывает образование трещин в бетоне, количество которых со временем увеличивается.
Время нахождения свежеуложенного бетона в зоне стабилизирующей емкости, где он полностью защищен от негативного воздействия внешней среды, составляет, как правило, только 15-20 минут при существующих габаритах и скоростях перемещения виброформы от 10 до 20 м/ч. За такой короткий период времени прочность, достигаемая бетоном, незначительна, а, следовательно, материал еще не способен полностью противостоять силовому воздействию окружающей среды по мере его выхода из зоны виброформы.
Исследования различных авторов показали, что дальнейший поиск эффективных способов выдерживания монолитного бетона, укладываемого в облицовки каналов, в том числе в непрерывном режиме и при различных по-годно-климатических условиях, связан с нахождением методов ускорения твердения свежеуложенного бетона до приобретения им соответствующих критических значений прочности относительно влагопотерь и замораживания, обеспечивающих получение бетона с высокими потенциально-возможными свойствами [39, 53].
Для снижения последствий действия неблагоприятных воздействий необходим специальный уход за бетоном. С.А. Мироновым, Е.Н. Малинским, и Л.А. Малининой [62, 64, 67] были введены понятия о начальном и последующем уходе за бетоном. Первичный уход за открытой, неопалубленной поверхностью конструкции или изделия, должен осуществляться сразу после укладки и уплотнения бетона и включает укрытие неопалубленной поверхности влагоемким, влагонепроницаемым материалом или установку влаго-носной сети внутри конструкции, которые предотвращают интенсивное развитие пластической усадки. Конец начального ухода определяется периодом, когда достигнутая прочность структуры материала способна воспринимать напряжения от пластической деформации и длится по данным Ю.М. Бутта [26] пока бетон не достигнет прочности на сжатие в пределах R«K=0,4...0,5 МПа. Последующий — обеспечивает сохранность внутреннего запаса влаги для полноты прохождения гидратации цемента и образования структуры требуемой прочности и плотности.
Вторая стадия ухода за бетоном является самой продолжительной. Её период определяется временем набора прочности - критической относительно влагопотерь, то есть такой, при которой прямое воздействие факторов сухого жаркого климата уже не отражается негативно на кинетике дальнейшего роста физико-механических характеристик материала [34, 37, 38].
Величина критической прочности относительно влагопотерь зависит в основном от водоцементного отношения, при изменении которого от 0,4 до 0,8 она составляет 50.. .70% прочности бетона на сжатие в возрасте 28 суток.
К традиционным способам ухода за бетоном относится простое укрытие поверхности влагозадерживающими материалами. К другим менее часто используемым методам можно отнести непрерывное тонкодисперсное распыление влаги по поверхности бетонных изделий [114] и конструкций или покрытие бетонной поверхности специальными плёнкообразующими составами [99, 107, 112, 114]. Это возможно если поверхность бетона не предназначена в дальнейшем для монолитного контакта со следующим слоем бетона или раствора, и в случае, когда это допустимо по санитарно-гигиеническим нормам. Во всех-выше перечисленных способах ухода за бетоном время набора прочности, критической относительно влагопотерь составляет 2...3 суток. Поэтому поиск возможностей снижения водоце-ментного отношения является одним из путей сокращения трудозатрат и продолжительности строительства бетонных монолитных сооружений.
Одно из направлений, решающих эту задачу, состоит в использовании при приготовлении бетонной смеси пластифицирующих добавок, позволяющих исключить тот избыток воды, который вводится, как правило, для обеспечения требуемой подвижности бетона к моменту его укладки в конструкцию. Оказалось, что при этом можно также обеспечить снижение расхода цемента более чем на 30 кг в расчёте на 1 м3 бетона [133].
Представляется интересным рассмотреть также вопрос о снижении водо-цементного отношения за счёт оттока избытка влаги в процессе твердения уже уложенного бетона, что возможно при послойной укладке в конструкцию сначала сухой, а затем затворённой смеси. Такой способ бетонирования разрабатывался для ведения строительных работ по возведению автомобильных дорог на мёрзлых и вечномёрзлых грунтах [133].
Для увеличения водонепроницаемости и сроков эксплуатации монолитных бетонных облицовок нами предлагается выполнять их при помощи комплексного бетонирования, под которым подразумевается совместное комбинированное использование обычных и сухих бетонных смесей с чередованием их по слоям.
Методика определения физико-механических свойств конструкции облицовки
Гидравлическая система показана на рис. 4.3 и состоит из расходного бака воды 15, водяного насоса 16, ресивера 18, запорных кранов 1, трубопроводов 17 и программного электроконтактного манометра 8.
Водонепроницаемость образцов оценивается максимальным давлением воды, при котором еще не наблюдается ее просачивание через конструкцию.
Определение морозостойкости проводилось по базовому методу в соответствии с ГОСТ 10060.1-95. В исследованиях использовались образцы-кубики с размерами 150x150x150 мм. В соответствие с ГОСТ для каждого исследования отбиралась группа основных и контрольных образцов.
Контрольные образцы бетона перед испытанием на прочность, а основные образцы перед замораживанием насыщались водой с температурой (18±2)С. Для насыщения образцы помещались в воду на 1/3 их высоты на 24 часа. Затем уровень воды повышали до 2/3 высоты образца и выдерживали в таком состоянии еще 24 часа. После чего образцы полностью погружали в воду на 48 часов таким образом, чтобы уровень воды был выше верхней грани не менее чем на 20 мм.
Определение прочности на сжатие проводилось при помощи 50-тонного гидравлического пресса (рис. 2.10). Испытания производились в соответствии с ГОСТ 10180-90. При испытании образцов-кубиков нагружение производилось непрерывно со скоростью 0,6-1,0 МПа/с до полного разрушения. Максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принималось за разрушающую нагрузку. Контрольные образцы испытывались на сжатие через 4 часа после извлечения из ванны. Основные образцы замораживались при температуре минус 20С, а оттаивали в ванне с водой при температуре (18±2)С и испытывались на сжатие через 4 часа после извлечения из ванны. Время замораживания и оттаивания составляло по 3,5 часа. В соответствии с ГОСТ 10060.1-95 через определенное количество циклов производились промежуточные испытания основных и контрольных образцов. Марку бетона по морозостойкости принимали путем сравнения средней прочности на сжатие контрольных и основных образцов.
Определение прочности на сжатие образцов при помощи 50-тонного гидравлического пресса Для исследования коррозионной стойкости бетона облицовок канала применена методика ускоренных испытаний, суть которой состояла в комплексном воздействии химически агрессивной среды и знакопеременных объемных деформаций при попеременном увлажнении и высушивании образцов [61]. В экспериментах были ужесточены условия испытаний таким образом, что бетонные образцы после высушивания не охлаждая, сразу опускали в агрессивный раствор или воду и этим самым бетон подвергали дополнительному воздействию перепада температуры, оказывающему деструктивное действие.
В качестве агрессивного реагента был использован водный раствор сульфата натрия Na2S04 плотностью 1143 кг/м (соответствует 15% концентрации). Выбор реагента обусловлен высокой интенсивностью коррозии, которую вызывает Na2S04.
В возрасте 24 суток четыре серии из трех образцов в каждой, при одноразовом и повторном уплотнении бетона, поместили в воду на 96 часов по методике описанной выше, при определении морозостойкости, а затем испытали на сжатие при помощи гидравлического пресса (рис. 2.10). Остальные образцы в возрасте 28 суток были подразделены на две серии, одну из которых в дальнейшем насыщали раствором Na2S04, а другую -водой в течение 8 часов. После насыщения образцы помещали в сушильный шкаф и выдерживали 16 часов при температуре 80...85С; после сушки следовало насыщение водой или раствором Na2SC 4 без предварительного остывания образцов. Температура раствора и воды составляла (18±2)С. Концентрацию раствора Na2S04 контролировали ежедневно измерением плотности жидкости при помощи стандартного ареометра. Визуальный контроль за состоянием поверхности образцов осуществляли ежедневно, изменение прочности бетона определяли через 30, 50, 70 и 90 циклов.
Факторы влияющие на водонасыщение сухой бетонной смеси
В первую очередь сравнивали водонепроницаемость однослойной (табл. 4.1 и 4.2) и трехслойной (табл. 4.3...4.10) конструкции. В результате оценки получили, что водонепроницаемость однослойной конструкции немногим менее водонепроницаемость трехслойной конструкции выполненной без повторного вибрационного воздействия. Это объясняется тем, что фильтрующая жидкость, поступающая из граничных слоев в первоначально сухой средний слой, образует в уплотненной сухой смеси направленную капиллярную пористость, представляющую собой тончайшую сетку пор и капилляров различных размеров. Мелкие поры и капилляры (микропоры) размером менее 10 5 см, практически непроницаемы для воды, но размером уже более 10"5 см доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности и осмотического эффекта. Этим и объясняется низкая водонепроницаемость трехслойной конструкции облицовки выполненной без повторного вибрационного воздействия.
Совершенно противоположная картина складывается при сравнении однослойных и трехслойных конструкций выполненных без повторного вибрационного воздействия с трехслойными конструкциями, выполненными с ним. Повторное вибрационное воздействие вызывает в структуре цементного камня и бетона качественные изменения, отражением которых является скачкообразное повышение водонепроницаемости бетона. Очевидно, что наряду с устранением пористости от фильтрации насыщающей жидкости, происходит процесс гомогенизации смеси по всему объему. Этот процесс сопровождается "выравниванием" свойств бетона, анизотропность которых во взаимно перпендикулярных направлениях наблюдается у бетона одноразового уплотнения.
На основании всего выше изложенного можно сделать следующие выводы: максимальная водонепроницаемость однослойной и трехслойной конструкции выполненной без повторного вибрационного воздействия соответствовала марке по водонепроницаемости W2, что не соответствует минимальным требованиям (W8) по водонепроницаемости предъявляемым к бетону облицовок оросительных каналов.
Водонепроницаемость трехслойной конструкции выполненной с применением повторного вибрационного воздействия изменялась в пределах от W10 до W12, в зависимости от составов и вариантов укладки бетонных смесей, что удовлетворяет и даже превосходит минимальные требования (W8) по водонепроницаемости, предъявляемые к бетону облицовок оросительных каналов.
Одним из основных показателей долговечности бетона является его морозостойкость. Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Согласно [5], основной причиной, вызывающей разрушение бетона в этих условиях, является давление на стенки пор и устья микротрещин, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме более чем на 9%. Расширению воды препятствует твердый скелет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрешению. Сначала начинают рушиться выступающие грани, затем поверхностные слои и постепенно разрушение распространяется в глубь бетона. Некоторое влияние будут оказывать и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом.
Для определения морозостойкости бетона применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Методика испытаний, в частности температура замораживания, условия водонасыщения и размеры образца, продолжительность цикла, оказывает заметное влияние на показатели морозостойкости бетона. С понижением температуры замерзания, а особенно при замораживании в воде или в растворах солей, бетон разрушается быстрее.
Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря его прочности снижается не более чем на 5%. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости, которая назначается в зависимости от условий эксплуатации. Так как бетон облицовок ороситель ных каналов работает как в подводной, так и надводной зоне, то к нему предъявляется следующее минимальное требование по морозостойкости -F150. Определение морозостойкости проводилось по базовому методу в соответствии с ГОСТ 10060.1-95 по методике описанной в пункте 2.3. Результаты испытания однослойных образцов представлены в табл. 4.11 и 4.12, результаты испытания трехслойных образцов представлены в табл. 4.13...4.20. Варианты составов смесей представлены в табл. 2.1, варианты укладки бетонных смесей представлены на рис. 2.1. Так как конструкция облицовок каналов работает в экстремальных условиях попеременного замораживания и оттаивания, как в подводной и надводной среде, к ней предъявляются соответствующие минимальные требования по морозостойкости. Этим минимальным требованиям соответствует марка по морозостойкости F150, по этому требуется проверить, насколько новая технология комплексного бетонирования соответствует этим требованиям.
Коррозионная стойкость бетона
На основании опыта, полученного поколениями ученых, можно утверждать, что фильтрация жидкости сквозь уплотненную сухую бетонную смесь оставит после себя в цементе развитую сеть каналов, ориентированных в направлении тока жидкости. Кроме того, фильтрующая, даже под небольшим давлением, жидкость омывает зерна заполнителей, ослабляя зону контакта последних с цементным камнем, что снижает прочность бетона.
Для устранения отмеченных деструктивных явлений предлагается применить повторное вибрационное воздействие на бетонную смесь после ее во-донасыщения. Проявляющийся при этом эффект тиксотропии способствует формированию плотной структуры цементного камня и бетона.
Так же следует отметить о необходимости дополнительного давления при повторном виброуплотнении. Он необходим для обеспечения взаимных контактов обводненных цементных частиц, так как вибрирование без пригруза способствует разуплотнению сложившейся ранее структуры бетона.
Повторное вибрирование способствует разжижению цементного геля и приводит к более равномерному распределению жидкости в объеме смеси; при этом часть поглощенной воды (3...5%) отжимается, что вызывает дополнительное уплотнение цементного геля. Кроме того, под воздействием вибрации происходит дезагрегация флокул цемента, которые образуются как при его хранении, так и при уплотнении сухой бетонной смеси. Высвобождающиеся при этом реакционноактивные поверхности твердой фазы интенсифицируют и углубляют процесс и углубляют процесс перераспределения жидкости, что способствует проявлению дополнительной контракции (уплотнению) системы цемент + вода. При низком начальном водосодержании бетонной смеси образуются тонкие сольватные оболочки вокруг частиц цемента, что в свою очередь предопределяет ускоренное перенасыщение жидкости продуктами гидролиза клинкерных материалов, интенсифицирует ионообмен, способствующий образованию кристалло-гидратных комплексов. С интенсификацией процесса гидратации, сопровождающегося дальнейшим перераспределением и связыванием жидкости, ионами и новообразованиями прослойки последней между кристаллогидратными комплексами становятся тоньше, а силы связи возрастают, обусловливая высокую интенсивность набора прочности бетоном. Помимо этого с ростом продолжительности уплотнения в процесс дезогрегации вступает большее количество цемента. В связи, с чем увеличивается прочность бетона.
С этой целью, при конструировании экспериментальной установки, было решено снабдить ее дополнительным вибрационным брусом, который, и будет выполнять повторное вибрационное воздействие.
При внимательном рассмотрении технологии бетонировании, описанной в п. 5.1, становится ясно, что повторное вибрационное воздействие на разные слои конструкции облицовки будет происходить по-разному.
Согласно технологии это будет происходить следующим образом. Сначала укладывается первый слой, который сразу уплотняется первым вибробрусом, затем укладывается второй слой и уплотняется вторым вибробрусом, при этом его вибрационное воздействие является повторным для первого слоя. Далее после первых двух слоев укладывается третий, уплотняемый своим вибробрусом, который оказывает повторное воздействие на второй, первоначально сухой, слой. Его влияние на первый нижний слой будет тем более эффективным, чем меньше толщины верхних слоев. И, наконец, свое воздействие оказывает четвертый вибробрус, который предназначен непосредственно для повторного вибрационного воздействия на трехслойную конструкцию облицовки.
Как уже отмечалось, эффективность вибрационного воздействия с увеличением толщины конструкции уменьшается и по этому особого влияния на формирование структуры нижнего слоя повторное вибрирование, вызываемое четвертым вибробрусом, не оказывает. Но это никаким образом не скажется на структуре все конструкции, т.к. нижний слой уже подвергался вторичной виброобработке. Но даже если бы он вторично не уплотнялся, это бы не оказало большого воздействия на те характеристики, которые необходимы для продолжительной эксплуатации (водонепроницаемость и морозостойкость), вследствие того, что наиболее важные с этой точки зрения слои конструкции (средний и верхний) ему подверглись.
