Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ деформационно-прочностных свойств бетона в монолитном домостроении и методов их улучшения 7
1.1 .Высотное домостроение как принцип освоения городской территории при точечной застройке 7
1.2. Особенности требований к прочности и трещиностойкости железобетонных конструкций при возведении монолитных высотных зданий 11
1.3. Анализ существующих методов активации бетонной смеси как способов повышения качества бетона 13
1.4. Цели и задачи предстоящих исследований 17
Выводы по главе 1 18
Глава 2. Физико-химическая и энергетическая основы повышения прочности бетона при центробежной активации бетонной смеси 20
2.1. Физико-химическая сторона процесса центробежной активации бетонной смеси 20
2.2. Энергетическая основа центробежной активации бетонной смеси и ее компонентов 30
2.3. Теоретический анализ внешнего энергетического воздействия 35
2.3.1. Общие сведения об энергии внешнего воздействия 35
2.3.2. Определение коэффициента эффективности воздействия 37
2.3.3. Определение энергии внешнего воздействия на смесь 39
2.4. Экспериментальная проверка теории влияния энергии внешнего воздействия на формирование структурной прочности цементного камня 45
Выводы по главе 2 60
Глава 3. Комплексные экспериментальные исследования деформационно-прочностных свойств молодых бетонов из активированных бетонных смесей 62
3.1. Методика, оборудование и материалы для экспериментальных исследований 62
3.2. Экспериментальные исследования прочностных свойств бетонов из обычной и активированной бетонной смеси 68
3.3. Экспериментальные исследования деформационных свойств бетонов из обычной и активированной бетонной смеси: 79
3.4. Исследование влияния- активации бетонной смеси на деформацию изгибаемой железобетонной балки 88
Выводы по главе 3 88
Глава 4. Аналитические исследования влияния активации на увеличение деформационно-прочностных свойств молодых бетонов 95
4.1. Аналитические зависимости нарастания во времени прочности бетонов из обычной и активированной бетонной смеси 95
4.2. Аналитические исследования увеличения модуля упругости твердеющих бетонов из обычной и активированной бетонной смеси 117
4.3. Теоретические исследования деформаций изгибаемых железобетонных балок из активированной бетонной смеси на ранних сроках ее твердения 122
Выводы по главе 4 136
Глава 5. Практические рекомендации по применению результатов исследований деформационно-прочностньгх свойств молодого бетона 139
5.1. Оборудование для активации бетонной смеси 139
5.2. Рекомендации по определению сроков безопасной распалубки несущих железобетонных конструкций из активированного бетона 146
5.3. Экономический эффект от использования фактора ускорения твердения активированного бетона в монолитном домостроении 148
Выводы по главе 5 154
Общие выводы 155
Список литературы 157
Приложения 169
- Анализ существующих методов активации бетонной смеси как способов повышения качества бетона
- Экспериментальные исследования прочностных свойств бетонов из обычной и активированной бетонной смеси
- Аналитические зависимости нарастания во времени прочности бетонов из обычной и активированной бетонной смеси
- Экономический эффект от использования фактора ускорения твердения активированного бетона в монолитном домостроении
Введение к работе
Актуальность темы. В современном строительстве в связи с возрастающим дефицитом застраиваемых территорий в мегаполисах значительное распространение получило монолитное высотное домостроение. Существующая практика передачи монтажных нагрузок и нагрузок на бетонные конструкции в.процессе строительства в ранние сроки твердения бетона связана с необходимостью сокращения сроков возведения здания, являющегося одним из факторов ускорения инвестиционной окупаемости вкладываемых средств.
Среди основных задач современного монолитного строительства, наряду с обеспечением качества, является повышение скорости производства сокращение его до темпов монтажа/демонтажа опалубки. Поэтому разработка и внедрение технологических и расчетно-конструктивных методов, направленных на сокращение сроков строительства и способствующих ускорению окупаемости инвестиций, имеет актуальное значение.
Одним из способов сокращения сроков и повышения качества монолитного строительства является активация бетонной смеси, которая приводит к ускорению набора требуемых физико-механических свойств бетона и возможности более ранней распалубки монолитных железобетонных конструкций. Бетон относится к материалам, свойства которого зависят как от состава, технологии приготовления, фазовых структурных превращений в процессе твердения, так и внешних воздействий. Поэтому исследование процессов и установление законов деформирования и разрушения активированного бетона на ранних стадиях твердения с последующим прогнозированием изменения во времени его прочности и деформаций является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка расчетно-экспериментальных методов расчета прочности и деформировапности активированных бетонов на ранней стадии их твердения как основы для
дальнейшего внедрения в строительство технологий активации бетонных смесей и их компонентов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Исследования по изучению влияния энергии внешнего воздействия на формирование структуры и прочности цементного камня; определение опытных значений прочности и модуля упругости бетона, а также перемещений изгибаемых железобетонных балок в зависимости от времени твердения бетонов различных классов, приготовленных из обычной и активированной бетонной смеси.
Исследования влияния активации бетонной смеси и ее компонентов на улучшение деформационно-прочностных свойств молодых бетонов с разработкой зависимостей нарастания во времени прочности и увеличения модуля упругости обычных и активированных бетонов.
Разработка метода расчета деформаций с учетом трещинообразования изгибаемых железобетонных балок из активированной бетонной смеси на ранних сроках ее твердения.
4. Разработка методики определения сроков безопасной распалубки
несущих железобетонных конструкций из активированного бетона на основе
полученных зависимостей увеличения прочности и модуля упругости
активированного бетона.
Достоверность полученных результатов основана на тщательном метрологическом исследовании примененного при экспериментах испытательного оборудования и средств измерений, обработке экспериментальных данных с применением методов математической статистики и фундаментальных законов механики деформируемого твердого тела и подтверждается близкой сходимостью опытных данных с предлагаемыми решениями.
Научная новизна настоящей работы состоит
установлены закономерности влияния активации как на физико-химический процесс гидратации и кристаллизации бетонной смеси, так и на прочность и деформированность активированных бетонов разных классов на ранних стадиях твердения;
разработана физико-математическая модель влияния активации на формирование структуры бетонного камня и его прочности с учетом реальных физических констант: на бетонную смесь при помощи коэффициента эффективности и коэффициента активации для бетонного камня;
разработана методика расчета модуля упругости активированного бетона в зависимости от прочности.
Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке расчетно-экспериментальных методов, позволяющих определять время распалубки, безопасное с точки зрения обеспечения несущей способности, деформаций и трещиностойкости монолитных железобетонных конструкций на ранней стадии их твердения; экономической эффективности строительства за счет ускорения окупаемости инвестиций при сокращении сроков возведения зданий и сооружений с применением инновационных технологий активации бетонных смесей и их компонентов.
Реализация работы. Результаты исследований приняты в практику рядом заинтересованных организаций, что подтверждено двумя актами внедрения с предприятий: 1 ООО «Комстрой», г. Сочи , 2 ОАО «Мосоргстрой», Москва.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных конференциях и семинарах: 1. Научно-практической конференции «Московские вузы - строительному комплексу Москвы для обеспечения устойчивого развития города. 15 лет создания системы управления Московским инвестиционно-строительным комплексом», МГСУ, 2003 г. 2. Второй международной (VII традиционной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов
«Строительство - формирование среды жизнедеятельности», МГСУ, 2004 год; 3. ХІІ-ом Международном семинаре « Технологические проблемы прочности» в Подольском институте МГОУ, 2005г. 4. Четвертой международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону, 2006г. 5. XVII-ом Международном семинаре «Технологические проблемы прочности", г. Подольск, 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работы, включая три статьи в журналах, входящих в перечень издательств, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложения и содержит 178 страниц, включающих 152 страниц основного текста, 40 рисунков, 47 таблиц, 152 наименования использованной литературы и 9 страниц приложений.
Анализ существующих методов активации бетонной смеси как способов повышения качества бетона
Под активацией вообще понимается процесс воздействия на создаваемую или разрушаемую систему механическими, физическими, химическими или совокупностью названных методов воздействия, которые изменяют структуру и свойства системы. Как и любой процесс, активация может быть обратимой и необратимой.
В нашей стране и за рубежом известны многие способы активации бетонной смеси [1, 2, 7, 8, 10, 12, 117, 28, 29, 30, 35, 41, 42, 44. 63, 76, 79, 87, 93, 134, 136]. Среди следует отметить такие как сухой и мокрый домол цемента [93, 106] виброактивацию [136], виброперемешивание [105]; гидравлическую [76], гидроакустическую [44], механическую [87] и механохимическую [134], турбулентную [30] и ряд других способов [7, 8, 10, 12, 28, 35, 41, 63, 64, 90, 102], приводящих к повышению прочности и других физико-технических свойств бетонов и растворов.
В области совершенствования технологии производства бетона, повышения его качества и эффективного использования цемента за счет его активации большой вклад внесли отечественные ученые, такие как Ребиндер ПД, Баженов Ю.М., Горчаков Г.И., Горяйнов К.Э., Гусев Б, В., Десов А.Е., Комар А.Г., Мещанский НА., Рояк СМ., Рыбьев И. А., Саталкин А .В., Скрамтаев Б. Г., Совалов И. Г., Урьев Н.Б., Хаютин Ю.Г., Штаерман Ю.Я., Юсуфов И.М. и многие другие.
Например, при обработке цементного теста и раствора аппаратом -гидратором при скоростях от 500 до 4500 об/мин прочность активированного раствора по сравнению с обычным увеличивается в 3-4 раза для одного и того же состава и возраста бетона. К этой группе аппаратов относится также диспергатор и различные конструкции смесителей.
Широкое применение в строительной практике находит виброактивация [ 35, 41 и др.], а также ультразвуковая активация [7 и др.]. Исследования в этой области проводились И.Н. Ахвердовым. Он показал, что при этом способе активации создаются благоприятные условия для образования кристаллогидратных комплексов вокруг активированных частиц, что подтверждается рядом других работ.
Использованием при приготовлении бетонной смеси активации цемента и добавок в значительной степени ликвидируются многие недостатки обычной технологии [47, 62, 94, 95, 102,118] .
Одним из способов активации и увеличения прочности бетона является сухой домол цемента [83]. При этом увеличивается удельная поверхность на 1000-2000 см7г, прочность в суточном возрасте увеличивается в 1,5-2 раза, а в 28-ом суточном возрасте на 10-60 %.
Более эффективным способом активации является вибродомол цемента [35, 41], при котором его активность, повышается на 55-75 % в раннем возрасте и на 15-30 % в возрасте 28 суток.
Как показали исследования, высокочастотная обработка разрушает вторичные коагуляционные структуры в цементном тесте, снижает его вязкость и способствует более равномерному распределению воды по всему объему. Интенсивное диспергирование цементных частиц за счет вибрации приводит к более полной и быстрой гидратации цемента и в итоге повышает прочность цементного камня и бетона. При этом прочность бетонных образцов с активированным раствором после пропаривавания оказалась выше прочности бетона обычного приготовления в 1,47 раза в возрасте 7 суток и в 1,69 раза в возрасте 28 суток.
Одним из эффективных методов активации цемента является виброперемешивание бетонных смесей [105], так как активация цемента и перемешивание компонентов бетонной смеси совмещаются.
Существуют также различные способы мокрой активации цемента [28] в специальных активаторах-смесителях. При этом конструкции активаторов предлагаются самые различные.
Известен смеситель-гидратор, состоящий из вертикального цилиндра, внутри которого размещен вертикальный вал с насаженными на него лопастями со скошенными рабочими гранями. При этом при оптимальной скорости вращения вала и времени обработки смеси, устанавливаемой экспериментальным путем, прочность активированного раствора в 3-х дневном возрасте увеличивается в 3-3,5 раза по сравнению с контрольными образцами. Однако в более поздние сроки твердения наблюдается значительное снижение этого эффекта.
Довольно интересны высокоскоростные-смесители турбулентного типа [29], которые имеют горизонтальную ось вращения с четырьмя лопастями. Скорость вращения изменяется от 250 до 4000» об/мин. В зависимости от величины В/Ц время обработки смеси изменяется в пределах 15-20 с. Чем ниже величина В/Ц, тем больше времени требуется дляобработки смеси.
Совмещение турбулентной активации с виброобработкой происходит в активаторе ЦНИИОМТП, который позволяет эффективно обрабатывать смеси с низкам В/Ц. При таком способе приготовления прочность активированных образцов, состава? 1:1,78 в возрасте 28 суток, превышает на 21% прочность контрольных образцов обычного приготовления.
Исследования по ультразвуковой активации цемента отражены в работе [8], в которой отмечается, что ультразвуковые колебания в отличие от виброобработки приводят не только к дефлокуляции цементных частиц, но и к диспергированию зерен цемента в результате возникающих явлений кавитации. Эти исследования показали, что в цементном тесте и растворах под влиянием ультразвукового воздействия удельная поверхность цемента при времени активации до 5 мин возрастает на 500-700 см2/г, а прочность цементного камня увеличивается в 1,5-2 раза, прочность же бетона увеличиваетсяна 20%.
В настоящее время известны также работы, где виброактивация совмещается с воздействием электрического и электромагнитного полей. Термоакустическая активация [8], производится путем комплексного воздействия акустического поля частотой порядка 10 кГц и повышенной температуры. Цемент и вода, перемешанные в тестомешалке, в течение 3-4, мин подвергается воздействию акустических колебаний. Далее активированное цементное тесто в бетоносмесителе перемешивается с заполнителями и перед укладкой разогревается. После изотерического прогрева в течение пяти часов прочность бетона повышается в 1,7 раза по сравнению с неактивированным. Данный способ позволяет до 5 часов сократить продолжительность тепловой обработки.
В последнее время в различных областях техники и технологии довольно широко используются роторно-пульсационные аппараты с целью: активации цементного теста; интенсификации процессов в химико-формацевтической технологии, протекающих в гетерогенных средах с жидкой сплошной фазой; в химико-фотографической; пищевой и других областях промышленности.
Известны различные конструктивные схемы РПА, а также РПА конструкции КТБ Мосоргстройматериалы и некоторые другие. При работе этих аппаратов наблюдается эффективная турбулизация и пульсация потока, которые возникают при периодическом изменении проходного сечения потока, а также интенсивное механическое воздействие на частицы дисперсной пазы, что приводит к их быстрому диспергированию [17].
Положительное влияние вибрационно-импульсного измельчения на повышение активности диспергированного цемента по сравнению с необработанным отмечено в работе [35], в которой отмечается, при этом увеличение предела прочности при сжатии на 14%, при изгибе на 10% и повышение степени гидратации на 6%.
При приготовлении в РПА трудносмешиваемых с водой добавок к бетону была уменьшена водопотребность бетонной смеси на 8-17 %, повышен предел прочности бетона при сжатии на 26-38 %, а модуль упругости на 4-13 %.
Проведенный анализ методов активации цементных и бетонных смесей показывает, что все они в той или иной степени положительно сказываются на повышении прочности и деформационной жесткости бетона. И отличие их состоит в различной энергоемкости и технологической сложности использования в строительной практике. В связи с этим поиск наиболее простых в применении и эффективных по результатам методов активации бетонов не теряет своей актуальности и по настоящее время.
Немаловажным является вопрос теоретического обоснования повышения деформационно-прочностных показателей активированного бетона с точки зрения механики твердого деформируемого тела. Наряду с достаточно хорошо развитой химико-коагуляционной теорией процесса активации бетонной смеси, недостаточно исследована энергетическая сторона вопроса, которая представляет определенный интерес с точки зрения накопления прочности в материале, испытывающем фазовые структурные превращения при внешних воздействиях.
Экспериментальные исследования прочностных свойств бетонов из обычной и активированной бетонной смеси
В задачу исследований входило сравнение прочности бетона, приготовленного соответственно из активированной и неактивированной бетонной смеси при твердении его от 2 до 36 суток. В качестве отсчетов принимались возрастные параметры твердения бетона в 2, 3, 4, 5, 7, 10, 20, 28 и 36 суток. Более частое испытание образцов в начале твердения бетона связано с заданной темой исследований.
Испытания проводились на образцах-близнецах из замеса одного состава. В качестве образцов для испытаний принимались бетонные кубики размерами 100x100x100 мм. Таким образом, исследовалась кубиковая прочность бетона в разные сроки его твердения с учетом и без учета активации бетонной смеси. Для комплексного изучения влияния активации на прочностные характеристики твердеющего бетона аналогичные испытания проводились для составов бетонов разных классов.
В табл. 3.1 приведены данные испытаний бетонных кубиков, приготовленных из неактивированной бетонной смеси состава, рассчитанного для бетона класса В25.
Данные испытаний образцов-близнецов, приготовленных после активации бетонной смеси, приведены в табл. 3.2.
Наиболее интенсивно прочность активированного бетона нарастает в первые 3 — 7 суток твердения, а далее интенсивность набора прочности снижается.
Из табл. 3.3 видно, что в первые 3 -е суток прочность активированного бетона на 60 - 50 % выше прочности бетона, приготовленного из неактивированной бетонной смеси. Далее интенсивность снижается и при возрасте бетона 28 — 36 суток всего на 19 — 14 % выше прочности бетона из неактивированной бетонной смеси.
Для качественного и количественного изучения полученных зависимостей были проведены прочностные испытания бетонов других классов.
В табл. 3.4 приведены данные испытаний кубиковой прочности бетона класса ВЗО из неактивированной бетонной смеси, а в табл. 3.5 - аналогичные данные для бетона того же класса, но приготовленного из активированной бетонной смеси.
Испытания, проведенные с бетоном класса ВЗО, подтверждают предыдущую общую картину превышения прочности активированного бетона по сравнению с бетоном, приготовленным из неактивированной бетонной смеси. На графике рис. 3.2 наглядно видно, что наиболее интенсивный прирост прочности активированного бетона приходится на начальный период его твердения.
Бетон - "искусственный" камень, структура которого непрерывно изменяется. В нем все еще происходят реакции. Они протекают медленно, но играют еще очень большую роль. Как известно, на бетон влияют и внешние условия, в которых он находится при эксплуатации сооружения, и физико-механические воздействия. С возрастом он упрочняется и как бы набирает силу.
В то же время, как показывают проведенные ранее и настоящие исследования, в зависимости от состава и внешнего энергетического воздействия бетон обладает рядом как бы "прирожденных свойств". Эти свойства отражаются, в частности, на увеличении прочности молодого бетона, приготовленного из активированной бетонной смеси по сравнению с обычным бетоном. Другие свойства развиваются в процессе его созревания. Все это придает бетону сходство с живым организмом, который непрерывно развивается. В этом и заключается его отличие от природных камней.
В свете изложенного определенный представляет интерес сравнение интенсивностей нарастания прочности активированного бетона в зависимости от его класса.
В табл. 3.6 приведены опытные данные изменения во времени t прироста прочности ARaKm активированного бетона класса ВЗО в % по отношению к неактивированному. Как видно из приведенных данных, интенсивность нарастания во времени прочности активированного бетона класса ВЗО несколько ниже, чем бетона класса В25. Отличия близких двух классов не столь заметные, чтобы судить об имеющейся либо отсутствующей тенденции, в связи с чем весьма интересны сравнения с более отдаленными классами бетонов.
В табл. 3.7 и 3.8 приведены данные определения кубиковой прочности бетона класса В40 соответственно из неактивированной и активированной бетонных смесей. По этим данным построен график сравнения нарастания во времени прочности активированного и неактивированного бетона класса В40 (рис. 3.3).
В табл. 3.9 приведены данные изменения во времени t прироста прочности ARaKm активированного бетона класса В40 в % по отношению к неактивированному.
Судя по приведенным данным (табл. 3.9), интенсивность нарастания прочности активированного бетона по сравнению с неактивированным уменьшается при повышении класса бетона, подтверждая предыдущую картину. Аналогичные результаты, как в количественном, так и в качественном отношениях, были получены при испытании кубиковой прочности бетона классаВ45 (табл. 3.10, 3.11, 3.12 ирис. 3.4).
В табл. 3.9 приведены данные изменения во времени t прироста прочности АЯакт активированного бетона класса В40 в % по отношению к неактивированному.
Судя по приведенным данным (табл. 3.9), интенсивность нарастания прочности активированного бетона по сравнению с неактивированным уменьшается при повышении класса бетона, подтверждая предыдущую картину. Аналогичные результаты, как в количественном, так и в качественном отношениях, были получены при испытании кубиковой прочности бетона класса В45 (табл. 3.10, 3.11,3.12и рис. 3.4).
Характерное уменьшение влияния активации на возрастание во времени прочности бетона с повышением его класса наглядно представлено графиках рис. 3.5-3.8.
На рис. 3.8 представлены графики, показывающие нелинейный характер уменьшения влияния активации бетонной смеси на набор прочности бетонов с повышением их класса в % по отношению к активированному бетону В25
Хотя абсолютные значения относительного по сравнению с обычным бетоном повышения прочности активированных бетонов разных классов отличаются между собой незначительно, выявленная зависимость между степенью влияния активации и классом бетона позволяет глубже изучить роль энергетической составляющей на повышение прочности бетонов.
Следует отметить, что полученные зависимости нарастания прочности активированных и неактивированных бетонов в общем имеют ярко выраженный экспоненциальный характер. Отличия между активированным и неактивированным бетонами заключаются только в степени этих зависимостей, что требует дальнейших аналитических исследований.
Аналитические зависимости нарастания во времени прочности бетонов из обычной и активированной бетонной смеси
Бетон представляет собой тело со сложной структурой [21, 127]. Его деформационно-прочностные свойства определяются главным образом физико-химическими параметрами цементного камня, образующегося в процессе гидратации цемента с водой. Первоначальная дисперсная фаза цемента постепенно растворяется в воде, образуя?раствор, перенасыщенный по отношению к кристаллогидратным новообразованиям.
Основной процесс гидратации; как- показывают исследования, начинается на границах зерен цементного клинкера. Образующиеся на поверхности зерна гелевые структуры, состоящие, из субмикрокристаллов и пор между ними, представляют собой, достаточно плотные массы с минимальной пористостью, равной 28% [91]. Размеры пор гелевых структур имеют порядок 20 А. Кроме того, в этой массе образуются капиллярные пустоты.
В процессе кристаллизации, происходящей вне зерен цемента, создаются различные формы новообразований, которые взаимно переплетаются и прорастают. Элементы новообразований обнаруживаются при электронно-микроскопическом анализе новообразований цементного камня. С понижением насыщенности раствора рост новообразований продолжается, но при этом процесс сопровождается лишь обрастанием кристаллического каркаса [98].
Структура цементного камня может изменяться при введении специальных пластифицирующих, воздухововлекающих и газообразующих добавок, а также в результате активации цементного раствора. Все они влияют на процесс формирования кристаллогидратных образований. Это проявляется в изменении характеристик пористости, взаимном объемном размещении пор и капилляров, в цементном камне, а, следовательно, и в деформационно-прочностных свойствах бетона.
Исходное количество воды, принятое для затворения цементного теста, в процессе гидратации частично вступает в химическую связь с компонентами цемента. Остальная часть воды находится в различных термодинамических состояниях в порах и капиллярах цементного камня. Внешнее воздействие на раствор в виде центробежной активации ускоряют названные процессы, что отражается на сроках твердения и набора бетоном прочности.
Вода, находящаяся в химически связанном виде в кристаллогидратах, влияет на деформации кристаллических структур, в которые она входит. Безусловно, большое влияние оказывает на деформации цементного камня адсорбированная под воздействием центробежной активации вода и вода капилляров, препятствуя быстрому протеканию- деформаций после приложения нагрузки и взаимной деформации ультрамикрокристаллов в тонких слоях под действием нагрузки.
Указанные особенности формирования цементного камня для активированного раствора влияют на- прочностные и деформативные свойства бетона. Процессы гидратации цементного камня» продолжаются достаточно длительное время после приготовления, бетонной смеси, что в свою очередь изменяет прочностные и деформативные свойства бетона во времени.
Однако далеко не все закономерности этих явлений в настоящее время могут быть исследованы. Кроме того, любая структура цементного камня, как бы она ни была тщательно изучена в начальном- состоянии до нагружения, изменяется в процессе приложения нагрузки. Поэтому закономерности изменения прочности и деформирования, по большому счету, должны изучаться с учетом изменения структуры бетона под нагрузкой.
В зависимости от количества адсорбированной и свободной воды в структуре цементного камня могут существовать различные связи частиц в кристаллизационных дисперсных структурах. Как отмечал П. А. Ребиндер [98], между частицами могут быть коагуляционные связи с водными прослойками в месте контакта, или точечные после высушивания, или фазовые при срастании кристаллов в месте контакта. Естественно, что особенность деформирования под нагрузкой кристаллических частичек, имеющих различные виды контактов, будет различной.
Структура цементного камня видоизменяется в зонах контакта с частицами песка в цементно-песчаном растворе и с частицами крупного заполнителя в бетоне. Свойства зоны контакта цементного камня и заполнителя в значительной степени влияют на прочность, долговечность и физико-механические свойства бетона. Следует отметить некоторые особенности, характеризующие свойства контактных зон цементного камня в бетоне в период его твердения, изучавшихся в работах Т. Ю. Любимовой [77].
Структурообразование цементного камня происходит по-разному в объеме и на границе с заполнителем. У портландцементов, а также некоторых других цементов, прочность пограничного слоя отличается от прочности (по измерениям микротвердости) цементного камня в остальном объеме. При этом наблюдаются три периода процесса структурообразования. На первом этапе развития гидратации, быстро нарастает прочность. Значительно большая прочность в контактном; слое наблюдается в течение примерно первых 30—40 суток. Затем- обнаруживается спад прочности контактного слоя бетона в возрасте 50—60 суток и, наконец; наступает третий период, когда снова возрастает абсолютная и относительная микротвердость контактных слоев.
На первом этапе твердения у всех заполнителей прочность.на границе зерна всегда выше. Предполагается, что заполнитель играет роль подложки, на которой зародыши развиваются с большими скоростями, чем в объеме.
Некоторые исследователи развивают теоретические представления о разрушении структуры бетона под действием внешней нагрузки [20, 21, 22, 38, и др.]. Однако учесть влияние всех компонентов структуры цементного камня, какими являются кристаллические образования с наличием пор, капилляров и воздушных включений в бетон, воды в различных ее состояниях только теоретически, достаточно сложно. Поэтому изучение закономерностей изменения прочности и деформаций бетона от нагрузки и других воздействий имеет важное научное и практическое значение.
Известны работы, в которых предлагается оценивать прочность бетона с учетом физико-химических параметров структуры цементного камня. Принимается, что прочность бетона определяется приведенной прочностью кристаллического сростка, которая в свою очередь связана с пористостью гидратных образований [82]. При построении формулы прочности, основанной на учете разности объемных весов гидратных новообразований, учитывается количество химически связанной воды.
При оценке прочности по концентрации новообразований (метод разработан в Харьковском Промстройниипроекте М. И. Стрельниковым, Я. И. Табачишиным и М. В. Полетиком) концентрацию новообразований вычисляют с учетом количества химически связанной воды, объема пор, минералогического состава цемента и В/Ц бетонной смеси. Авторы показали, что прочность цементного камня из различных цементов, затворенных разным количеством воды, является линейной функцией количества связанной воды.
Связь между пористостью цементного камня и характеристиками прочности и деформативных свойств бетона исследовалась также в работах С. В. Шестоперова [71-2]. При дальнейшем проведении исследований в указанном направлении необходимо учитывать, что ни в одной из формул для оценки прочности затвердевшего бетонаше отражен,процесс разрушения. Между тем показано [20, 21]!, что разрушение бетона как материала начинается с микроразрушений которые затем развиваются. и приводят к потере несущей способности конструкции.
Было бы желательно прочностные характеристики определять из уравнения деформаций материала под нагрузкой. Однако пока не удается найти-удовлетворительного решения этой задачи. Например, Е. Рейниус [22] предлагает рассматривать материал как сложную статически неопределимую пространственную решетчатую систему, в которой под действием нагрузки постепенно разрушаются связи между узлами решетки. В этом случае получены аналитические зависимости между деформациями и возникающими напряжениями, которые совпадают с наблюдаемыми экспериментально. Модель Е. Рейниуса принципиально правильно отражает процесс, который происходит в материале, но сильно упрощает его.
Прочностные свойства бетонов изменяются с течением времени в результате процесса их твердения, на ход которого огромное влияние оказывает окружающая бетон среда (или так называемые «условия хранения» бетона). В обычных условиях естественного твердения бетоны на обычном портландцементе интенсивно набирают прочность первые 28 дней, а бетоны на пуццолановом цементе и шлакопортландцементе — в течение 90 дней. Дальнейшее нарастание прочности таких бетонов идет уже не так интенсивно, но при наличии достаточной температуры и влажности оно может продолжаться ряд лет.
Экономический эффект от использования фактора ускорения твердения активированного бетона в монолитном домостроении
На современном этапе развития экономики в нашей стране, как и во всех развитых государствах, капитальное строительство ведется за счет инвестиций заемных средств или собственника капитала.
Как известно, любого собственника капитала интересует вопрос сокращения периода времени между вложением капитала и началом получения эффекта, следовательно, интересует вопрос оптимизации лага капитальных вложений.
В экономической практике принят следующий состав лагов и их классификация [4, 5]:
- лаг проектирования (период времени, необходимый для превращения авансированных средств на проектно-изыскательские работы в начало работ по строительству основных фондов и производственных мощностей);
- лаг строительства (период времени, необходимый для превращения авансируемых капитальных вложений в основные фонды и производственные мощности);
- лаг освоения (период времени для достижения предусмотренного проектом уровня отдачи от введенных Bf действия основных фондов и производственных мощностей);
- лаг сбыта (период времени необходимый для выхода продукта на рынок);
- общий лаг (сумма вышеперечисленных лагов, с учетом совмещения некоторых лагов).
Существуют различные способы, оптимизации общего лага. Один из них подразумевает сокращение сроков любого отдельно взятого этапа реализации инвестиционного проекта как, например, сокращение срока проектирования, строительства или сбыта продукции различными возможными способами и приемами. Возможно и одновременное сокращение нескольких этапов реализации проекта. Другим вариантом может быть совмещение некоторых этапов реализации, которое в основном осуществляется методом сетевого планирования.
Излишняя продолжительность инвестиционного процесса, как правило, вызывает его удорожание, ибо часть инвестиционных расходов прямо связана со временем его реализации. И, наоборот, сокращение сроков реализации инвестиционного проекта путем соразмерного увеличения затрат, вызванных данным сокращением, образуют дополнительный положительный эффект.
Сокращение сроков реализации инвестиционных проектов, а, следовательно, и времени отвлечения капитальных вложений — важнейший фактор повышения эффективности инвестиционных проектов.
В ходе планирования периода строительства и разработки проектов организации строительства используют нормативные сроки возведения объектов. И если объект или комплекс объектов построены в срок — это означает, что степень концентрации ресурсов, интенсивность работ и их совмещение соответствовали норме.
Но, теоретически существует и другой предел продолжительности строительства, как за счет максимального расширения фронта работ и концентрации ресурсов, обеспечивающих наибольшую интенсивность производства работ и их совмещение, так и за счет применения инновационных технологий, в том числе активации бетонных смесей. Как показали предыдущие расчеты, за счет активации, почти в два раза, происходит ускорение набора прочности бетона.
Принципиальной формулой, по которой учитывается эффект от ускорения или замедления срока реализации инвестиционного проекта, является выражение: Эвр =К ЕН AT. (5.5)
Здесь:
Эвр - эффект от ускорения реализации инвестиционного проекта;
К- объем капиталовложений;
Е — расчетная норма доходности на капитал, вкладываемый в реализацию инвестиционного проекта;
AT- время сокращения реализации инвестиционного проекта.
Как видно из формулы (5.5), основным параметром, влияющим на величину эффекта, является сокращение времени на реализацию инвестиционных проектов. Как правило, наиболее продолжительным периодом в процессе создания новых предприятиях, жилых и общественных зданий является период строительства. Поэтому сокращение сроков строительства играет одну из важнейших ролей в ускорении окупаемости инвестиций.
Одним из методов учета экономического эффекта за счет сокращения срока строительства на основе оптимального срока возведения объектов, учитывающего оптимальную интенсивность и соотношение дополнительных затрат, обуславливающих данное сокращение, является разработка И.Г. Галкина, Г.Я. Богун и М.М. Диаманта [4, 5].
Для этих целей они предлагают определять оптимальную продолжительность строительства на основе экономического эффекта от сокращения сроков строительства путем суммирования экономии от снижения накладных расходов, экономии на использовании производственных фондов строительно-монтажных организаций, экономии за счет снижения уровня капитальных вложений и экономии за счет более раннего ввода в эксплуатацию производственных фондов. В итоге, из данной суммарной экономии вычитаются дополнительные затраты, обусловливающие сокращение сроков строительства по сравнению с нормативным сроком.
Вполне очевидно, что полный учет роли ускорения строительства сооружения за счет внедрения инновационных технологий- в расчетах эффективности инвестиций является вполне самостоятельной экономической задачей, решение которой не входит в программу настоящих исследований.
Поэтому эффект от сокращения сроков строительства за счет инновационных технологий активации бетонных смесей нами был определен по основному показателю, имеющему важнейшее значение для инвестора - сокращению сроков выплаты заемных средств.
Рассмотрим на примере строительства коммерческого жилья расчет экономической эффективности при использовании заемных средств (кредитов) от сокращения сроков строительства за счет применения инновационных технологий активации бетонных смесей.
Здание высотное в 40 этажей. Коммерческая стоимость 1 м2 жилья в среднем - 4,0 тыс. долларов. Общая стоимость строительства - 400 миллионов долларов. Проектное время строительства Т = 2 года. Время реализации квартир в соответствии с бизнес — проектом T l год. Время использования кредита 1\р=3 года. Среднее значение процентной ставки коммерческого банка [152] - 15% годовых.
