Введение к работе
Актуальность темы. В связи со сложившимися обстоятельствами при эксплуатации производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электростанций и др.) в условиях вечной мерзлоты весьма актуальной является задача совершенствования технологии омоноличивания элементов зданий. Недостаточная монолитность сборных конструкций в зданиях, ослабление стыков и швов при сдвиговых деформациях вызывают значительное снижение их прочности, устойчивости, термической сопротивляемости, долговечности. При этом, как показывает опыт, омоно-личивание сборных конструкций путем заливки стыков и швов растворами и бетонами на обычном портландцементе (ПЦ) не отвечает предъявляемым требованиям из-за усадочных явлений.
С другой стороны, в условиях вечной мерзлоты при строительстве и эксплуатации зданий на отсыпках со временем образуются макропустоты на границе «монолитное покрытие (бетон, железобетон, асфальтобетон и др.) - грунт». Установлено, что образование макропустот в основном связано с нарушением тепловлажностного режима и гидрогеологических условий в местах примыкания к конструкциям зданий мерзлого грунта, а также с внешним воздействием, например, за счет механических колебаний при работе мощных дизельных электростанций, технологического оборудования, машин и т.д., что ведет к разрушению монолитного покрытия.
Анализ возможности использования портландцемента М400 с расширяющей добавкой (РД) из местного сырья - молотой слюды ОАО «Якутслюда» (разработчик - ЯкутПНИИ строительства) показал их эффективность применения при залечивании микротрещин в бетонных конструкциях. Однако для омоноличивания макропустот достаточно большого объема под покрытиями цокольной части зданий и дорог, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, использование ПЦ с РД оказалось неэффективным из-за низких температур подстилающего грунтового основания и невозможности применения тепловлажност-ной обработки.
Поэтому для омоноличивания макропустот в грунтовых основаниях зданий, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с целью укрепления грунтов и восстановления эксплуата-
\
ционных свойств монолитного покрытия предлагается использовать реакционноспособные композиции повышенной активности на основе минерального сырья и полимерных смол. Для аргументированного обоснования параметров технологии омо-ноличивания с использованием указанных материалов необходимо разработать метод прогнозирования динамики температурного поля и границы протаивания вечномерзлого грунтового основания под зданиями с повышенным тепловыделением.
Работа выполнялась в рамках Тематического плана НИР ЯГУ на 2005-2006 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (per. № 01.11.06) и Республиканской научно-технической программы «Проблемы строительного комплекса на Севере».
Целью работы является разработка технологии омоноли-чивания макропустот в грунтовых основаниях производственных зданий с повышенным тепловыделением в условиях низких температур вечной мерзлоты с применением реакционноспо-собных композиций повышенной активности на основе минерального сырья и полимерных смол.
Задачи исследований:
-
изучить влияние климатических и гидрогеологических условий образования макропустот в грунтовых основаниях монолитных покрытий полов для производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электростанций и др.) в районах вечной мерзлоты;
-
изучить динамику границы промерзания и распределение температуры в толще криогенной зоны в зависимости от глубины под основанием зданий с учетом теплового воздействия зданий на основе современных методов физического и математического моделирования;
-
изучить динамику температурного и прочностного полей в реакционноспособных композиционных материалах в реальных условиях для установления их пригодности в производстве строительных работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях зданий на основе современных методов физического и математического моделирования;
-
обеспечить необходимую степень заполняемое макропустот от состава исходной реакционноспособной композиции и технологических параметров производства работ;
-
обосновать технологические параметры производства строительных работ по омоноличиванию макропустот в конструкциях «монолитный бетон-грунт», составы и реакционную способность композиций на основе полимерных смол и минерального сырья, физико-механические свойства полученных материалов;
-
провести опытно-практическую реализацию и оценить технико-экономические показатели результатов работы.
Научная новизна работы:
обоснована технология производства строительных работ в условиях вечной мерзлоты при восстановлении несущей и теплоизолирующей способности грунтовых оснований монолитных покрытий полов для производственных зданий с повышенным тепловыделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электростанций и др.) с применением реакционноспо-собных композиций, содержащих в своем составе полимерные смолы (карбамидные, полиуретановые) и минеральные материалы (песок, отходы переработки мрамора), повышенной активности с учетом динамики температурного поля и границы протаивания вечномерзлого грунтового основания;
обоснованы и реализованы физическая и математическая модели динамики температурного поля в грунтовом основании зданий с учетом их теплового воздействия, что позволяет установить динамику границы протаивания и распределение температур в толще криогенной зоны в зависимости от ее глубины и времени года;
обоснованы и реализованы физическая и математическая модели динамики температурного и прочностного полей в реакционноспособных композиционных материалах после омо-ноличивания макропустот, позволяющие выбирать оптимальные технологии и материалы для производства строительных работ;
изучены физико-механические свойства реакционно-способных материалов в зависимости от состава исходной композиции и технологических параметров производства строительных работ;
предложена эффективная технологическая схема производства работ и их параметры в зависимости от состава ис-
пользуемых реакционноспособных композиций, характера и объема образовавшихся макропустот, теплофизических условий подстилающего грунта и вечной мерзлоты района строительства.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов с аргументацией достоверности всех элементов математических моделей в совокупности с современными средствами вычислительной математики для изучения динамики температурного поля в грунтовом основании и в композиционных материалах - заполнителях с учетом теплового воздействия зданий в условиях вечной мерзлоты, достаточным объемом экспериментальных исследований и сходимостью их результатов с данными расчетов.
Объектом исследования является технология производства работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях производственных зданий с повышенным тепловыделением, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с использованием местного минерального сырья и полимерных смол повышенной активности.
Практическая значимость полученных результатов:
впервые разработаны технологические параметры производства работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях производственных зданий с повышенным тепловыделением в условиях вечной мерзлоты с применением композиционного пенополиуретана (КППУ);
реализация результатов исследований при реконструкции здания ДЭС пос. Депутатский (Якутия).
Автор защищает:
- технологию производства строительных работ в усло
виях вечной мерзлоты при восстановлении несущей и теплоизо
лирующей способности грунтовых оснований монолитных по
крытий полов производственных зданий с повышенным тепло
выделением (ТЭЦ, квартальных котельных, дизельных электро
станций и др.) с применением пенополиуретановых композиций
с повышенной реакционной способностью;
результаты математического моделирования, позволяющие установить динамику границы промерзания и распределения температур в толще криогенной зоны в зависимости от ее глубины с использованием усовершенствованных программы и алгоритма решения двухмерной задачи Стефана в условиях вечной мерзлоты с учетом теплового воздействия сооружения;
результаты математического моделирования, позволяющие установить пригодность того или иного реакционно-способного материала в производстве строительных работ по омоноличиванию макропустот в грунтовых основаниях зданий, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с использованием усовершенствованных программы и алгоритма решения трехмерного дифференциального уравнения теплопроводности с учетом нестационарности начальных и граничных условий;
результаты исследований физико-механических свойств реакционноспособных материалов в зависимости от состава исходной композиции и технологических параметров производства строительных работ;
технологию производства строительных работ и их параметры в зависимости от состава используемых реакционно-способных композиций, характера и объема образовавшихся макропустот, теплофизических условий подстилающего грунта и вечной мерзлоты, района строительства;
результаты практической реализации и оценку их технико-экономических показателей.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены: на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройин-дустрии» (Белгород, 2003 г.), на Международной научно-практической Интернет-конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (Белгород, 2005 г.), на Международном семинаре АТАМ «Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2006 г.), на 62-й научно-технической конференции ППС НГАСУ (Сибстрин» (Новосибирск, 2005 г.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 6 научных статьях, в том числе в журнале с внешним рецензированием «Изв. Вузов. Строительство» (2004 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Она содержит 137 страниц основного (компьютерного) текста, включая 24 таблицы, 49 рисунков, 91 литературных источников и 2 приложения.
