Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследования технологии бетона и бетонных работ при возведении плотин 14
1.1 Развитие представлений о влиянии технологии приготовления на качество бетона 14
1.2 Влияние технологии бетонных работ и условий эксплуатации на долговечность бетонных конструкций и сооружений 27
Глава 2 Основные положения математическо- статистической модели технологии приготовления бетона 39
2.1. Выделение и оценка влияния нетехнологических факторов 39
2.2 Классификация производственных факторов 59
2.3 Метод расчёта гранулометрического состава смеси зернистых материалов - заполнителей 61
2.3.1 Решение задачи улучшения стабильности грансостава зернистых материалов - заполнителей, подвергаемых классификации или смешиванию по n-независимым потокам (на примере с песком).. 78
2.4 Экспериментальная оценка влияния изменчивости гранулометрического состава заполнителей на основные свойства бетонной смеси и бетона 85
2.5 Влияние производственных факторов на изменчивость свойств заполнителей
2.5.1 Влияние производственных факторов на изменчивость гранулометрического состава заполнителей 90
2.5.2 Влияние производственных факторов на изменчивость влажности заполнителей 99
2.6 Представление о процессе дозирования составляющих бетона и его статистические характеристики 104
2.7Математико - статистическая модель влияния комплекса производственных факторов на основные свойства заводского бетона 111
Выводы 131
Глава 3 Формирование температурно- влажностных условий твердения бетона в процессе строительства и эксплуатации 139
3.1 Регулирование температуры бетонной смеси в процессе приготовления 141
3.1.1 Технологические мероприятия по использованию природных заполнителей 143
3.1.2 Расчёт и регулирование температуры бетонной смеси 149
3.1.3 Требования к компоновке бетонных хозяйств 153
3. 2 Развитие методов зимнего бетонирования 155
3.2.1 Метод расчёта параметров прогрева нагревательным изолированным проводом 163
3.2.2 Требования к качеству монтажа нагревательного провода 174
3.2.3 Основные положения технологических рекомендаций по обеспечению монолитности массивных конструкций с использованием управляемого периферийного прогрева
3.3 Изменение температуры и влажности бетона в период строительства 181
3.4 Температура бетона как результат взаимодействия системы
«среда - бетон» в процессе эксплуатации 184
Выводы 190
Глава 4 Состояние бетона длительно эксплуатируемых плотин 193
4.1 Обследование и натурные испытания бетона 195
4.1.1 Методические аспекты 195
4.1.2 Результаты испытаний 201
4.2 Исследование бетона образцов- кернов, полученных при контрольном бурении 205
4.2.1 Методические особенности 206
4.2.2 Анализ результатов испытаний 214
4.2.3 Исследования микроструктуры «старого» бетона 227
Выводы 233
Глава 5 Коррозия бетона плотин в местах сосредоточеной фильтрации 236
5.1 Представление о химизме воздействия воды на бетон 237
5.1.1 Коррозия I вида 237
5.1.2 Коррозия II вида 242
5.2. Анализ агрессивности воды Усть - Илимского, Братского и Иркутского водохранилищ 246
5.3 Постановка наблюдений и методика отбора проб и испытаний 252
5.3.1. Объекты исследований 252
5.3.2 Отбор проб и методика испытаний 255
5.4 Анализ результатов наблюдений за химическим составом фильтрата 257
Выводы 270
Глава 6 Влияние технологии бетона на долговечность плотин 272
6.1 Анализ временной динамики фильтрационных расходов и выноса компонентов цементного камня 272
6.2 Состояние бетона на контакте с фильтрующим потоком 281
6.3 Прогнозирование пористости бетона морозостойких зон. Критерий морозостойкости 288
6.4 Технология монолитного пенополистиролбетона 291
6.4.1 исследование и опыт применения пенополистиролбетона в строительстве 291
6.4.2 Исследование влияния структурообразующих факторов на свойства пенополистиролбетона 298
6.4.3 Построение структурной модели прочности пенополистиролбетона309
6.5. Результаты отработки технологии бетонирования монолитных конструкций 313
6.5.1 Назначение состава пенополистиролбетона 313
6.5.2 Способы укладки бетонной смеси 315
6.5.3 Бетонирование монолитных конструкций 317
6.5.4 Исследование деформативных свойств пенополистиролбетона... 318
6.6 Теплотехнический эквивалент тяжёлому бетону 320
Выводы 321
Заключение 324
Список использованных источников
- Влияние технологии бетонных работ и условий эксплуатации на долговечность бетонных конструкций и сооружений
- Решение задачи улучшения стабильности грансостава зернистых материалов - заполнителей, подвергаемых классификации или смешиванию по n-независимым потокам (на примере с песком)..
- Расчёт и регулирование температуры бетонной смеси
- Исследование бетона образцов- кернов, полученных при контрольном бурении
Введение к работе
Актуальность. Процесс освоения гидроэнергетических ресурсов северной климатической зоны, начавшийся в середине пятидесятых годов XX века, будет сопровождаться сооружением крупных комплексов, значительную, часть которых составят плотины и другие гидротехнические сооружения из монолитного бетона. В этом плане исследование особенностей строительства и анализ накопленного опыта эксплуатации представляют актуальную и современную проблему, решение которой послужит базой для развития представлений об эффективной технологии бетона и бетонных работ при возведении плотин в условиях Севера. Из-за особо суровых климатических и природных условий, в которых возводились плотины, потребовалось создание новой технологии бетона и бетонных работ при производстве работ в сжатые сроки с высоким качеством. Такая специфика диктует необходимость отдельного изучения всех аспектов технологии бетона в условиях Севера.
В этом отношении каскад Ангарских ГЭС, от Иркутской до строящейся Богу-чанской, представляет собой своеобразную крупномасштабную лабораторию строительства бетонных плотин, сооружённых на различном технологическом уровне, с переносом строительства во всё более Северные регионы. Строительство плотин Ангарского каскада, которые были выбраны в качестве основной базы исследований, отражало технические достижения своего времени с мощными всплесками творческой активности учёных, строителей и проектировщиков. Так, Братская и Усть-Илимская ГЭС сооружались в период резкого подъёма экономики, что нашло отражение как в подходах к решению проблем строительства, так и в объёме исследований и новых решений в технологии бетонных работ. Такое сочетание практики и теории достаточно уникально и несомненно должно быть использовано при проведении обобщающих исследований, отражающих особенности строительства и, что очень важно, достаточно длительный опыт эксплуатации, позволяющий взглянуть на технологию строительства во всей её полноте с точки зрения конечного результата — долговечности бетона и, как следствие, надежности и безопасности гидротехнических сооружений в реальных условиях их работы.
Целью диссертационной работы является разработка основных теоретических положений эффективной технологии бетона и бетонных работ в условиях Севера с использованием экспериментально- расчётного метода оценки влияния комплекса наиболее значимых производственных, эксплуатационных и др. факторов на качество гидротехнического бетона в сооружениях. Задачи исследований
-
Учитывая значительную протяжённость технологического процесса от заготовки заполнителей до укладки и твердения бетона в сооружениях, а также разнообразие возникающих в течение строительства сочетаний производственных, климатических и др. факторов, разработать наиболее полную математико-статистическую модель процесса с выделением значимых воздействий на качество бетона.
-
Проверить достоверность полученных количественных оценок влияния отдельных факторов и их технологических сочетаний.
-
Привести примеры решения технологических задач постановочного характера с целью прогноза эффективности рассматриваемой технологии с точки зрения качества бетона.
4. Решить задачу прогнозирования регулируемых параметров интенсивно протекающего процесса приготовления гидротехнического бетона. . ч , .5. Дать теоретическую и практическую оценку результатам наблюдений за состоянием бетона плотин в процессе эксплуатации с выделением мест концентрации разрушений и коррозии.
6. Обосновать специфику требований к гидротехническому бетону в условиях Севера, в частности необходимость назначения теплофизических характеристик бетона, и провести исследования специальной технологии пенополистиролцементных бетонов, отвечающих указанным требованиям.
. 7.Установить основные правила проектирования технологии бетона и бетонных работ при возведении плотин в условиях северной климатической зоны.
Методическую базу исследований составили методы статистического анализа случайных величин и временных процессов, основные положения теории вероятностей, принципы математического моделирования процессов и планирования экспериментов, методические подходы к изучению влияния технологии на выходные параметры продукции.
Достоверность научных положений обеспечивается сравнением расчётных и определённых экспериментальным путём параметров с использованием статистических критериев, сопоставлением с результатами других исследований, корректным применением методологии исследований.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Впервые' исследована вся последовательность технологии бетонных работ
на этапах от заготовки заполнителей до приготовления, укладки и твердения бетона
. в конструкциях и сооружениях.
2. Разработаны . основные теоретические положения математико-
статистической модели технологии монолитного массивного бетона, отражающей
влияние ключевых производственных факторов на стабильность состава и свойств
бетона, в рамках которой рассмотрены:
метод расчёта стабильности гранулометрического состава смеси заполнителей с учётом влияния технологических факторов: точности сортирования и дозирования отдельных фракций;
расчёт показателей колебания содержания составляющих бетона, обусловленных неточностью дозирования;
метод расчёта водосодсржания бетона, учитывающий особенности регулирования количества дозируемой воды;
определение прогнозируемой стабильности свойств бетонной смеси и бетона для конкретной технологической реализации.
-
Проведена классификация интенсивно протекающего процесса приготовления гидротехнического бетона как случайного с переходами с одного стационарного уровня на другой и предложен соответствующий подход к прогнозированию регулируемых параметров.
-
С целью обеспечения оптимального температурно-влажностного режима твердения бетона в зимнее время предложено использование нагревательного изолированного провода в качестве управляемого периферийного прогрева бетонных конструкций,
-
Обоснована целесообразность нормирования теплофизических характеристик бетона наружной зоны плотин.
6. Изучены технологические особенности приготовления и укладки пенополи-
стиролбетона в монолитных конструкциях. -
-
Установлена связь между состоянием бетона плотин и температурно-влажностными условиями среды, эксплутационными воздействиями и др. факторами и дана оценка эффективности использованных технологических решений с точки зрения долговечности бетона и надежности сооружений в условиях Севера.
-
Исследован химизм коррозионных процессов в местах сосредоточенной фильтрации в напорном фронте плотин.
Практическая и научная значимость. Проведенные исследования имеют научно - практическую направленность, которая нашла конкретное выражение в следующем:
-
Предложены и внедрены новые технологические решения, соответствующие специфике строительства в северной климатической зоне, в том числе: модернизированная зимняя сухая сортировка заполнителей; методы обеспечения стабильности зернового состава заполнителей, используемых для приготовления бетона; новая технологическая схема приготовления бетона, адаптированная к суровым климатическим условиям; активный управляемый периферийный электропрогрев при выдерживании бетона; технология .приготовления и укладки монолитного пенополи-стиропбетона; комплекс мероприятий по регулированию температуры бетонной смеси и бетона;
-
Проведён анализ влияния ключевых производственных факторов, присутствующих в различных технологических реализациях,'на примере технологий, использованных при строительстве бетонных плотин Ангарского каскада:
влияние точности сортирования на границах фракций, транспортных операций и точности дозирования отдельных фракций заполнителей на изменчивость зернового состава смеси заполнителей в бетоне;
неточности дозирования составляющих бетона на стабильность состава бетона;
технологические причины и последствия нестабильности влажности заполнителей;
эффективность регулирования количества дозируемой воды;
усредняющее влияние процесса перемешивания бетонной смеси;
предложены уточнённые критерии успешного использования зимней сортировки заполнителей;
разработаны и обоснованы рекомендации по регулированию температуры бетонной смеси в процессе её приготовления.
3. Расширенны возможности основного метода зимнего бетонирования - метода
термоса — в результате использования активного управляемого периферийного или
местного подогрева конструкций нагревательным изолированным проводом.что по
зволило гарантировать высокое качество бетона и дало возможность управлять тер
монапряжённым состоянием массивных конструкций.
4.Практические результаты исследования технологии пенополистиролцемент-ного бетона нашли своё отражение в следующем: -в возможности использования виброуплотнения;
- в регламентации процесса приготовления и транспорта;
- в получении общих зависимостей, позволяющих прогнозировать прочность и
плотность пенополистиролбетона.
5. Обследование состояния бетона плотин с различной продолжительностью
эксплуатации в условиях Севера позволили получить следующие оценки, имеющие
практическое значение:
создана база данных для анализа влияния технологии строительного периода на долговечность бетона плотин и, в результате, определены наиболее значимые технологические факторы;
эксплуатационные и природно-климатические воздействия сосредоточены непосредственно в контактном слое бетона наружных поверхностей низовых и напорных граней, зоны переменного уровня воды в верхнем н нижнем бьефе, фильтрующих трещин, водосливной поверхности и др.;
на долговечность бетона наружных зон плотин большое влияние оказывает темпе-ратурно-влажностный характер внешней среды, под влиянием которой могут протекать как конструктивные, так и деструктивные процессы в бетоне;
конструктивные процессы, сопровождаемые ростом прочности, характерны для подводного бетона и бетона низовых граней относительно "молодых" плотин;
наиболее ярко деструктивные процессы с характерными трещинами и разрушением на глубину до 30 см протекают в бетоне зоны переменного уровня воды в Н.Б., для которой характерно уникальное сочетание водонасыщения и глубокого замораживания;
с поверхности постоянно фильтрующих трещин выносятся водорастворимые соединения, что повышает пористость цементного камня на контакте с фильтратом и способствует развитию процесса коррозии.
6. По результатам обследований установлены отдельные участки плотин, нуж
дающиеся в ремонте.
Личный вклад автора состоит:
в разработке методологии оценки влияния технологии бетона и бетонных работ на эксплуатационную надежность бетонных плотин на основе обобщения результатов исследований;
в получении количественных оценок эффективности различных производственных факторов и их технологических сочетаний на формирование основных свойств массивного гидротехнического бетона в строительный период возведения плотин;
в предложении осуществлять электротермообработку бетона при зимнем бетонировании блоков плотин, с использованием управляемого прогрева нагревательным изолированным проводом любой требуемой продолжительности и интенсивности;
- в оценке состояния различных зон плотин, включая места сосредоточенной фильтрации, после длительной эксплуатации в условиях Севера;
в изучении особенностей коррозионных процессов, протекающих в местах сосредоточенной фильтрации по трещинам и другим дефектам в напорном фронте;
в исследовании технологии монолитного пенополистиролбетона;
во внедрении результатов многолетних исследований в практику возведения плотин в условиях Севера.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н. Трапезникову Л.П., д.т.н. Храпкову А.А., к.т.н. Гинзбург СМ., к.т.н. Дурчевой В.Н., к.т.н Ивановой Т.В, к.х.н. Синегибской АД., к.геол-мин.н. Глебову М.П. и др. сотрудникам ВНИИГ им. Б. Веденеева и Братского государственного университета .за ценные советы и сотрудничество в процессе выполнения диссертационной работы.
Внедрение результатов исследований. Наиболее существенные результаты от внедрения научных разработок в области технологии гидротехнического бетона и бетонных работ представляет следующий перечень:
-
Модернизированная зимняя сухая сортировка песчаногравийной смеси на строительстве Усть- Илимской и Богучанской ГЭС.
-
Технология приготовления гидротехнического бетона, основные положения которой были отработаны и реализованы на бетонном заводе Усть - Илимской ГЭС в условиях продолжительного зимнего периода с температурой воздуха де-404-45 С. Технологические особенности \ ...'::
возможность использования заполнителей летней (с промывкой) и зимней (сухой) сортировки;
контрольное грохочение песка;
контактная схема подогрева песка и гравия на закрытом силосном складе;
расширенное отделение химических добавок;
оригинальная система автоматического дозирования составляющих с регистрацией отдозированной массы.
3. Использование Усть -Илимского опыта при проектировании завода по вы
пуску гидротехнического бетона для Богучанской ГЭС.
-
Технология зимнего бетонирования с использованием активного управляемого периферийного подогрева на строительстве Усть -Илимской ГЭС, Харанорской ГРЭС (для монолитных фундаментов турбоагрегатов).
-
Система контроля качества, охватывающая технологический процесс от заготовки песчаногравийной смеси до выдерживания бетона, на строительстве Усть -Илимской, Богучанской и в порядке обмена опытом на строительстве Токтогуль-ской и Саяно-Шушенской ГЭС.
-
Основные положения технологии гидротехнического бетона при возведении Усть-Илимской, Богучанской ГЭС (совместно с НИС Гидропроекта) и обоснованное снижение удельного расхода цемента по мере повышения технологической дисциплины на строительной площадке.
-
Мониторинг состояния бетонных плотин по результатам периодических обследований и систематических многолетних наблюдений с выделением участков, нуждающихся в ремонте, на Братской и Усть - Илимской плотинах.
-
Результаты исследований были использованы при составлении ведомственных и общеотраслевых нормативных документов: ТУ Братскгэсстроя на гидротехнический цемент для Братской, Усть -Илимской и Богучанской ГЭС, ТУ Братскгэсстроя на зимние бетонные работы, Критерии балльной оценки качества бетонных работ, ТУ на намыв песчаногравийной смеси из Ангарских месторождений, ВСН 009-67, ВСН 31-83.
9. Результаты исследований используются в Братском государственном университете: в учебном процессе при чтении лекций, в дипломных работах и магистерских диссертациях.
Апробация работы. Содержание и результаты исследований докладывались на Международном симпозиуме по зимнему бетонированию (Москва, 1975); Международном симпозиуме по полимербетонам (Москва, 1992); Международном конгрессе "Challenges of Concrete Construction" Dundy, Scotland, 2002; на международных конференциях в г. Белгороде 1993; Томске 1995; Пензе 1998, 2001; Москве 1998, 1999; St- Malo, France, 2003; на II Всероссийской международной конферен-
ции по бетону и железобетону, г. Москва, 2005 г; на седьмых академических чтениях РААСН (Белгород 2001); на всесоюзных научно-технических совещаниях Красноярск 1976, Иркутск 1985; на координационных совещаниях по гидротехническому бетону 1968-1983 гг.; на расширенном заседании научно-технического совета ГОУ ВПО «БрГУ» от 30 мая 2006 г. На защиту выносятся:
основные положения математико — статистической модели технологического процесса приготовления бетона, включая термообработку компонентов в зимних условиях;
методология оценки влияния производственных факторов на свойства бетона в строительный период возведения плотин;
модернизация зимнего бетонирования по методу «термоса»;
методология оценки влияния эксплуатационных факторов на долговечность бетона Северных плотин, включая представления о коррозии бетона в местах сосредоточенной фильтрации;
метод расчёта состава смеси зернистых материалов - заполнителей с учётом изменчивости зернового состава и точности дозирования смешиваемых фракций;
количественные критерии эффективности отдельных производственных факторов;
основные положения технологии монолитного пенополистиролбетона.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе статей-15, докладов — 26, учебных пособий — 2, монографий — 1, патентов — 3. Публикации в рекомендуемых ВАК изданиях — 7.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (245 наименований), содержит 325 страниц текста, включая 84 рисунка, 81 таблицу, 27 страниц списка литературы.
Влияние технологии бетонных работ и условий эксплуатации на долговечность бетонных конструкций и сооружений
Наличие двух основных мест отбора проб или образцов (бетонный завод, готовая конструкция) определяет комплекс производственных факторов, оказывающих влияние на получаемые показатели качества бетона. В первом случае - это факторы, связанные с процессом приготовления бетонной смеси, во втором - накладывается дополнительное влияние процессов укладки и твердения бетона в конструкции.
Поскольку коэффициент вариации прочности был выбран в качестве основного критерия однородности и, соответственно, качества бетона, на крупных гидротехнических строительствах предпринимались различные меры по его снижению. Отмечено [5], что коэффициент вариации на одном строительстве, т.е. в примерно одинаковых условиях зависит от марки и возраста бетона, понижаясь с их увеличением. Такой же вывод может быть сделан из рассмотрения данных, приведённых в [34,196]. Следует отметить, что анализируемые периоды, в течение которых были определены величины коэффициентов вариации на разных строительствах, весьма произвольны, в то время как коэффициент вариации зависит от объёма выборки.
Проведённые в ряде работ проверки фактического распределения кубико-вой прочности образцов заводского бетона по соответствующим критериям . [66,69,178,179] показали, что наиболее достоверно плотность вероятности прочности описывается нормальным (гауссовским) законом.
Работы Кайсера Л.А., Совалова И.Г., Десова А.Е., Хаютина Ю.Г., Дорфа В.А. [ 81,174,67,211,70] в части оценки однородности прочности обычного бетона завершились разработкой ГОСТ 18105-72. Основным критерием изменчивости прочности тяжёлого бетона принят коэффициент вариации, однако его определение уже в достаточной степени формализовано и, увязано с понятием «партия продукции».
Важнейшей особенностью гидротехнического бетона является возможность длительного твердения в сооружении и высокие интенсивности бетонирования на строительстве крупных сооружений. Кроме того, дополнительные, кроме прочности, требования по морозостойкости и водопроницаемости могут стать определяющими для высокоморозостойких и особо плотных бетонов.
Подробные и всесторонние исследования влияния возраста на прочность, плотность, морозостойкость и др. показатели бетона при возведении плотин проводились Судаковым В.Б. [180]. В исследованиях было отмечено снижение коэффициента вариации прочности определённой марки бетона с возрастом [34].
Как уже отмечалось, результаты оценки однородности прочности заводского бетона использовались для сравнения уровня технологии приготовления бетона на различных строительных площадках. Необходимо отметить, что использование результатов испытания образцов, приготовленных из заводского бетона и твердевших в лаборатории, для характеристики уровня технологии приготовления бетона требует специального анализа с возможно более точным выделением влияния непосредственно строительной технологии. Кроме очевидной необходимости оценки ошибки в определении прочности, которая зависит от условий испытаний, необходимо также выделение факторов, выходящих за рамки рассматриваемой технологии, (в дальнейшем такого рода факторы будем называть нетехнологическими). К нетехнологическим факторам, например, относятся свойства цемента и добавок, получаемых строительством в виде готового продукта. Такой важный фактор, как возраст бетона также не имеет прямого отношения к технологии.
Непосредственное влияние производственных факторов на качество .бетона и его составляющих рассмотрено в работах Будештского Р.И., Вознесенского В.А., Горохова В.В., Гершановича Г.Л., Гаркуна Л.М., Гранковского И.Н., Зинченко Н.А., Левых Э.Б., Репьева Э.Н., Судакова В.Б., Семенёнка С.Н., Тил-леса Р.С., Толкачёва Л.А., Хаютина Ю.Г., Цулукидзе П.П. и др.
В исследованиях Горохова В.В. [56] рассмотрены причины нестабильности свойств и структуры заводских бетонных смесей и бетона. Для повышения однородности бетонных смесей, получаемых на бетонном заводе, автор указывает на необходимость узкой классификации и обезвоживания заполнителей, улучшения процесса дозирования и перемешивания. Рассмотрены причины самопроизвольной классификации (сегрегации) заполнителей, отмечается наличие внутризамеснои неоднородности прочности. Проведённые исследования влияния технологических факторов на свойства бетонной смеси в основном отражают качественную сторону проблемы без математического описания и количественных оценок.
Исследования Гершановича Г.Л. [45] по своей сути является продолжением изучения некоторых проблем однородности, поднятых Гороховым В.В.. Основные исследования автора посвящены одному из главных производственных факторов - нестабильности зернового состава заполнителей, полученных в результате переработки песчаногравийной смеси на гравиесортировочной фабрике. Для характеристики изменчивости зернового состава Гершанович Г.Л. предложил так называемые «обобщённые характеристики зернового состава», сущность которых заключалась в определении параметров распределения случайных величин «полных остатков» на каждом сите отдельно. Далее, рассматривая реализацию зернового состава в виде случайной функции (полные остатки - диаметр сит), автор не нашёл решения для определения области существования зерновых составов с заданной вероятностью, что необходимо для установления границ (крупной и мелкой). Поэтому автор использовал приближённый метод, который заключается в следующем. Строятся огибающие кривые зернового состава по соответствующим значениям величин полных остатков для всех диаметров сит с заданной доверительной вероятностью.
Решение задачи улучшения стабильности грансостава зернистых материалов - заполнителей, подвергаемых классификации или смешиванию по n-независимым потокам (на примере с песком)..
Статистический анализ временных рядов прочности заводского бетона показал, что в целом процесс изменения прочности относится к типу нестационарных с дрейфующей средней и дисперсией. Однако удалось выделить продолжительные периоды времени, в течение которых дрейфовала только сред- няя, а дисперсии оставались однородными (по критерию Бартлера [65]). Закон распределения процесса близок к нормальному (по критерию Пирсона [65]) при искусственном выравнивании среднемесячных значений.
С целью установления влияния основного структурообразующего компонента - цемента на изменение прочности заводского бетона была предложена и применена методика изготовления в лаборатории модельного бетона, которая заключалась в следующем.
На пробах цемента, отбираемых непосредственно из дозаторов бетонного завода, готовились образцы лабораторного бетона. Состав смеси лабораторного бетона соответствовал проектному (табл. 1.2), водоцементный фактор оставался постоянным и равным соответственно: для марки 150, W-2 - 0,75; для марки 200, W-8 - 0,57. Величина выбранного водоцементного фактора для каждой марки была определена опытным путём и соответствовала при принятых расходах цемента, подвижности 2 ч- 3 см по ОК, средней крупности песка и проектному составу смеси заполнителей. При этом предполагалось, что полученные величины водоцементного фактора будут близки к средним величинам В /Ц заводского бетона.
Для приготовления бетонной смеси в лаборатории использовались заполнители постоянного (близкого к среднему) гранулометрического состава. Подвижность получаемой при указанных условиях бетонной смеси оставалась в пределах ОК = 1-г-З см сразу после приготовления. Уплотнение, хранение, испытание и размер образцов оставались стабильными и одинаковыми как для заводского, так и для лабораторного бетона.
При принятых ограничениях (постоянные водоцементный фактор, гра-нуметрия заполнителей и др.) на прочность модельного-лабораторного бетона влияла переменная активность цемента, отбираемых на заводе проб. Временные ряды изменения прочности лабораторного бетона , так же как и заводскою бетона, представляют случайный нестационарный, нормально распределённый процесс. Аналогично заводскому бетону отмечается дрейф среднемесячных значений, но при более стабильной и значительно меньшей, чем для заводского бетона, вариации вокруг средних.
Сравнение величин среднемесячных значений прочности Усть - Илимского заводского и лабораторного бетона показывает (рис. 1.2), что между их изменениями имеется определённое соответствие, которое иногда нарушается в сторону относительного увеличения или снижения прочности заводского бетона. Так в марте и апреле 1974 г. снизилась относительно лабораторного прочность бетона Усть - Илимской ГЭС, особенно марки 200, В-8. Причиной снижения прочности заводского бетона в этот период явилось плохое качество крупных заполнителей в переходный период от зимы к лету, выражающееся в загрязнении песчаными и глинистыми частицами. В то же время, в феврале средняя прочность заводского бетона обеих марок относительно возросла, наиболее вероятной причиной чего могло быть попадание на заводе в результате перемешивания при закачке в расходные бункеры высокоактивного портландцемента. В приведённых примерах изменение качества материалов привело к нарушению установившегося соответствия между прочностями заводского и лабораторного бетона. Аналогично могут сказаться резкие изменения в технологии приготовления, (например, систематические недовесы цемента, выпуск пластичных смесей и т.п.). Для установившегося процесса приготовления бетона при стабильном качестве материалов следует ожидать наличия соответствия в изменении среднемесячной прочности заводского и лабораторного бетона, как это имело место в период с июля 1973 по январь 1974 для бетона 200, В-8 Усть - Илимской ГЭС.
Проделанный Даниленко Е.Л. спектральный анализ временного ряда изменения прочности [65], позволяющий разделить колебания на различные частотные составляющие, показал соответствие в периодах гармонических колебаний с периодом 6-8 месяцев прочности лабораторного и заводского бето нов. На этом основании было сделано предположение, что активность шлако-портландцемента подвержена гармоническим колебаниям, что, очевидно, связано с процессом его получения на цементном заводе.
Соотношение величин среднемесячной прочности заводского и лабораторного бетона может служить косвенным показателем соответствия проектного и фактического водоцементного отношения.
В определённые периоды выпуск жёстких бетонных смесей при хорошем качестве материалов может привести к снижению водоцементного отношения и, как следствие, к повышению среднемесячных прочностей заводского бетона против лабораторного, и, напротив, резкое снижение прочности заводского бетона относительно лабораторного может служить сигналом отклонений в технологии либо в качестве материалов. Необходимо отметить, что влияние процесса перемешивания бетона в заводском смесителе может привести к систематическим сдвигам прочности заводского бетона в сторону их увеличения.
Рассмотрение изменения прочности бетона на строительстве Токтогуль-ской ГЭС (рис. 1.3) в определённой мере подтверждает выводы, сделанные на основании анализа временных рядов прочности Усть - Илимского бетона. При постоянном расходе цемента имеет место периодический дрейф средних значений прочности. Не располагая испытаниями цемента по нашей методике, тем не менее можно предположить, что причиной дрейфа средней прочности явились соответствующие изменения активности пуццоланового цемента, применяемого на строительстве Токтогульской ГЭС.
Как уже отмечалось, статистический анализ внутримесячных изменений прочности заводского бетона Усть - Илимской и Токтогульской ГЭС показал наличие в течение продолжительного периода приготовления бетона однородных дисперсий прочности.
Расчёт и регулирование температуры бетонной смеси
Проблема заполнителей в технологии бетона является одной из ведущих потому, что технология добычи и обогащения природных заполнителей является принадлежностью общего технологического процесса приготовления бетона на строительной площадке, в связи с чем как выбор, так и поддержание технологии переработки заполнителей на надлежащем уровне представляет важную задачу.
В качестве основных характеристик заполнителей нами рассмотрены зерновой состав и влажность, что вполне приемлемо для природных тяжелых заполнителей из месторождений, минеральный состав которых относительно стабилен. Указанная особенность типична для речных и береговых месторождений песчаногравийных смесей на Ангаре, каменных карьеров и др. При рассмотрении качества заполнителей, особое внимание уделяется такому понятию как нестабильность или изменчивость изучаемых свойств. Без учета изменчивости свойств составляющих бетон материалов невозможно понять и оценить изменчивость свойств бетона и бетонной смеси, столь характерную для заводского бетона.
Зерновой состав и влажность заполнителей являются теми параметрами, которые в полной мере могут быть использованы в виде качественных характеристик.
Из известных предложений по выражению зернового состава нами принято в качестве основного выражение зернового состава в виде удельного содержания зерен смежных фракций, или, если воспользоваться терминологией ГОСТ, в виде частных остатков стандартных фракций: 0-0.14; 0.14-0.135; 0.135-0.63; 0.63-1.25 мм и далее по ГОСТ.
Такая характеристика зернового состава представляется наиболее отвечающей задачам исследования, т.к. отражает непосредственное содержание зерен определенного размера и может использоваться в расчетах состава смесей заполнителей в бетоне. Использование одномерных характеристик зернового состава (модуль крупности, средний диаметр и др.) нами ограничено теми случаями, когда при рассмотрении отдельных задач их применение существенно упрощает решение.
Нестабильность или изменчивость зернового состава заполнителя отмечалась в исследованиях по бетону достаточно давно. Так, например, нормирование в ГОСТ зоны допустимого зернового состава является признанием его изменчивости.
Нами была рассмотрена изменчивость величин «частных остатков», полученных по результатам испытания (рассева) проб заполнителей песчаногра-вийной смеси, песка, сортированного гравия и др. видов заполнителя.
Строго говоря, выражение изменчивости любой величины зависит от закона ее распределения. Обычно широко используемый нормальный закон рас пределения оказался приемлем для всех величин частных остатков кроме фракций, отражающих примеси зерен соседних классов (примеси гравия .в песке, примеси песка в гравии, крупного гравия в мелком и т.п.), где отмечается некоторое отклонение от нормального закона. Однако с достаточной для практики точностью можно воспользоваться нормальным законом распределения для всех величин частных остатков, что и было нами принято в качестве основного положения о характере изменчивости выбранных параметров зернового состава.
В этом случае, для выражения случайной величины необходимо и достаточно определение ее средней -Xi и среднеквадратичного отклонения - Si. Тогда в общем случае зерновой состав представляется n-мерной случай-. ной величиной m-компонентной системы (табл. 2.1).
В смеси заполнителей Ті/Si T2 /s2 Т3І$г "/Si An n Обозначения:ху - среднее содержание фракции і в классе заполнителя]; Sy - среднеквадратическое отклонение величины Х ; X, - среднее содержание фракции і в смеси заполнителей; S; - среднеквадратическое отклонение величины Хь JLXJ - доля класса заполнителей j в смеси заполнителей, определяв мая составом бетона. Расчет состава смеси заполнителей без учета точности дозирования классов заполнителя может быть представлен следующей достаточно очевидной системой уравнений: Xi xu-jij , (2.1) Sf-ZSl-Qi,) , (2.2) где обозначения соответствуют принятым в таблице 2.1.
Исследования характера процесса дозирования сыпучих материалов, к которым относятся заполнители и цемент, и наблюдения за точностью дозирования на бетонных заводах показывают, что в случае систематической настройки системы автоматического дозирования при наличии постоянного контроля за точностью дозирования распределение величин массы отдозированного материала соответствует нормальному закону. Тогда точность дозирования массы может быть выражена через M .j и Sa03.jm (табл. 2.2). Нормированная величина точности дозирования может быть получена путем деления отдозированной массы на норму, установленную по составу бетона, с получением соответствующих безразмерных величин Xgojj, iba03.j (табл. 2.2).
Нетрудно представить, что величина Хыа.) должна быть близка к 1 при правильной настройке дозирующего оборудования, a Sa03.jN отражает точность его работы.
Для разработки метода расчета состава смеси заполнителей необходим переход от понятия точности дозирования установленной нормы массы к точности дозирования содержания в смеси заполнителей.
Исследование бетона образцов- кернов, полученных при контрольном бурении
Изменчивость зернового состава песка на бетонном заводе характеризовалась средними величинами хп,Х2\,Хз\,Х4\, общими, внутризасемными и межзамесными среднеквадратическими отклонениями (приложение А). Аналогично, для дисперсий справедлива зависимость: D0 = D3aM + DM. зам.
Имея показатели внутризамесной неоднородности грансостава, можно оценить точность определения зернового состава песка одного замеса. Так, отбирая три пробы из замеса, получили внутризамесное среднеквадратическое отклонение величины модуля крупности составило SM= 0,07 и соответствующую дисперсию DM = 0,072 = 0,0049. Дисперсия средней величины модуля - D R _ 0,0049 ЛЛЛ1, при трех пробах из одного замеса составит D-=——г = 0,0016, а соответствующее среднеквадратическое отклонение S- = 0,04. При доверительной вероятности Р=0,80 точность определения модуля крупности составит: ±t-Sjj = ±2,0-0,04 = ±0,08.
Для того,чтобы повысить точность определения средней внутризамесной величины модуля крупности песка необходимо увеличить количество проб.
Сравнение общих, а также межсуточных и межзамесных дисперсий величин содержания отдельных фракций и величины модуля крупности (приложение Б) показывает, что несмотря на наличие отдельных мест сегрегации, складские и транспортные операции на Усть - Илимском бетонном хозяйстве в целом привели к улучшению стабильности зернового состава песка, попадающего непосредственно в бетономешалку (общие и межсуточные дисперсии перамет-ров зернового состава на сортировочном заводе в 2,5 - 3,5 раза больше, чем общие и межзамесные на бетонном заводе).
Улучшение стабильности зернового состава песка по пути движения от транспортёрной ленты гравиесортировочного завода до дозаторов бетонного завода можно объяснить воздействием следующих факторов:
1) Такие складские операции, как образование штабеля под ревесивными конвейерами на сортировочном заводе, носят осредняющий характер. Аналогичное осредняющее воздействие оказывает мощный погрузочный экскаватор , когда в высоком забое ковш как бы срезает слой песка по всей высоте штабеля.
2) Поддержание полубункерного склада бетонного завода в заполненном состоянии и выгрузка песка в разные места склада уменьшают сегрегацию частиц песка на складе до минимума, и кроме того, как отмечал ещё Горохов В.В. [56], при сработке через вибропитатели происходит полезное осреднение состава песка.
Показатели изменчивости грансостава песка летней сортировки мало отличаются от аналогичных - зимней сортировки. Однако, определённая разница имеется и объясняется главным образом использованием для летней сортировки более неоднородной песчаногравийной смеси из береговых участков карьера, в определённом мере влияет также настройка оборудования (главным образом спиральных классификаторов и грохотов) и опыт работ обслуживающего персонала. Необходимо отметить, что за счёт промывки песок летней сортировки крупнее, что видно по различию средних xl j, Хц, хзі, Х4\ .
Для оценки влияния изменчивости зернового состава песка на соответствующую изменчивость межзамесной водопотребности заводской бетонной смеси и прочности были определены верхние и нижние границы колебаний факторов хь х2, хз соответствующие ± 2,5 SM3aM.(Табл. 2.16).
При наложении области существования с доверительной вероятностью 95 % зернового состава песка на диаграммы «зерновой состав - водопотребность» и «зерновой состав - прочность» (рис. 2.9) получена наглядная картина влияния зернового состава песка на свойства бетона. Зимний песок приводит к общему снижению прочности, но разброс прочности меньше, чем на летнем песке. Использование летнего песка приводит к повышению прочности, но из - за большей изменчивости к несколько большим разбросам прочности. Таблица 2.16 - Границы колебаний факторов
Сезон сортировки Хз Х2 XI Модуль крупности, м Модуль крупности,м1 Хз А А Х2 А А Х\ АА М МХ Лето 1973 г. 24 Зі 17 35 41 29 41 5032 2,18 2,43 1,93 2,20 2,42 1,99 Зима 73/74 гг. 20 24 16 30 34 26 50 57,5 42,5 1,90 2,10 1,70 1,85 2,05 1,65 Хв — верхняя граница соотв. + 2,5 SjM-зам. Хн - нижняя граница соотв. - 2,5 SiM-зам.М - модуль крупности, соответствующий средним и крайним точкам области существования зернового состава песка, М1 - модуль крупности как одномерная характеристика зернового состава,М в =М х 2,0SM с доверительной вероятностью 95 %.н
Сравнение значений модуля крупности песка, определённого по крайним и средним точкам области существования зернового состава (наиболее крупный и мелкий состав песка), с соответствующими значениями величины модуля как одномерной характеристики зернового состава показала соответствие как крайних, так и средних значений (табл. 2.16).
Возможность такой замены многомерной случайной величины одномерной без ощутимых ошибок представляет практический интерес и в дальнейшем нами использована, так как значительно упрощает планирование и обработку результатов экспериментов при построении многофакторных моделей.
Проверка полученных результатов по общепринятым связям водопотреб-ности с модулем крупности песка [45, 56,204] показала, что характер связи, полученный в наших опытах, хорошо согласуется с данными других авторов (рис. 2.10).
По области колебания зернового состава песка были определены соответствующие крайним значениям зернового состава песка величины водоцемент-ного отношения и прочности (рис. 2.9, табл. 2.17).
