Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обобщение и анализ результатов исследований и разработок в области предварительного разогрева бетонных смесей 10
1.1. Обзор методов зимнего бетонирования и способов ускорения твердения бетона 10
1.2. Суть, особенности и этапы развития предварительного разогрева бетонных смесей 15
1.3. Сопоставительный анализ параметров технологии бетонирования монолитных конструкций разогретыми смесями и существующей технологии 28
1.4. Обоснование рабочей гипотезы, цели и задач исследований новой технологии предварительного разогрева бесцементных смесей 35
Глава II. Исследование свойств бесцементных смесей 46
2.1. Требуемые технологические параметры смесей при раздельной технологии их приготовления и разогрева 46
2.2. Обоснование способов обеспечения требуемых параметров раздельно приготавливаемых и разогреваемых бетонных смесей 52
2.3. Исследование технологических свойств раздельно приготовленных и разогретых бетонных смесей 61
2.4. Определение расчетного удельного электрического сопротивления бесцементных смесей 80
Выводы по главе II 86
Глава III. Экспериментальные исследования прочности бетона из раздельно приготовленных и разогретых смесей 88
3.1. Методика исследований 88
3.2. Исследование влияния добавок в раздельно приготовленных смесях на прочность бетона 89
3.3. Исследование влияния режимов разогрева смеси на прочность бетона 94
Выводы по главе III 106
Глава IV. Обоснования и разработки рациональных технологических решений и параметров бетонирования с раздельным приготовлением и разогревом смесей 108
4.1. Обоснование технологических решений производства работ с раздельным приготовлением и разогревом бетонных смесей 108
4.2. Методика расчета параметров и основ конструирования оборудования для разогрева бесцементных смесей 125
4.3. Апробация новой технологии в производственных условиях 132
4.4. Обоснование основных положений технологического регламента бетонирования монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей 133
4.5. Ожидаемая технико-экономическая эффективность применения технологии бетонирования монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей 137
Выводы по главе IV 148
Выводы по работе 150
Список литературы 153
Приложения
Приложение 1. Акт производственного испытания установки для термовибро-обработки бетонных смесей по проекту ТГК - 01.
Приложение 2. Назначение и технические характеристики преобразователя ПТ-80-230.
Приложение 3. Акт производственной апробации разработанной технологии.
Приложение 4. Технологический регламент. Бетонирование монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей.
Приложение 5. Условные обозначения.
- Сопоставительный анализ параметров технологии бетонирования монолитных конструкций разогретыми смесями и существующей технологии
- Обоснование способов обеспечения требуемых параметров раздельно приготавливаемых и разогреваемых бетонных смесей
- Исследование влияния режимов разогрева смеси на прочность бетона
- Обоснование основных положений технологического регламента бетонирования монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей
Введение к работе
Актуальность работы. Социально-экономические преобразования, происходящие в нашей стране в течение последних 15 лет, не обошли стороной и строительную отрасль. В частности, коренным образом изменилось соотношение между монолитным и сборным бетоном. Если раньше объемы монолитного и сборного железобетона были примерно равными, то в настоящее время преобладающим является строительство здании и сооружений из монолитного железобетона. Значительная часть территории России расположена в зонах с суровыми климатическими условиями. Например, в Северо-западном регио не, в том числе в Санкт-Петербурге, из 12 месяцев в году в течение 7 месяцев необходимо применять методы зимнего бетонирования.
Отечественными и зарубежными учеными разработано большое разнообразие методов зимнего бетонирования: бетонирование в тепляках, метод термоса, различные разновидности злеткропрогрева бетона, выдерживание бетона в тер-моакгивной опалубке, прогрев бетона стальной изолированной проволокой, предварительный разогрев бетонной смеси. По критериям энерго- и трудозатрат, темпам набора прочности бетона и его качества наиболее эффективным из указанных методов зимнего бетонирования является предварительный разогрев бетонной смеси и его разновидности.
Предварительный разогрев обеспечивает: ускоренный набор прочности (40-50% через 8 часов и 70-100% через сутки); минимум энергозатрат (« 50 кВт-ч/м3) улучшение качества бетона по прочности, морозостойкости, сцеплению с арматурой. Несмотря на указанные достоинства предварительный разогрев не находит должного применения при возведении монолитных конструкций.
Одной из причин, сдерживающих распространение предварительного разогрева, является недостаточная обеспеченность строительных объектов электроэнергией. Поэтому поиск путей применения разогретых смесей для возведения монолитных конструкций без существенного увеличения установленной электрической мощности на строительной площадке является актуальной задачей.
Цель работы заключается в научном обосновании технологических решений, обеспечивающих возможность применения предварительно разогретых смесей для возведения монолитных конструкций без существенного увеличения электрической мощности на строительной площадке.
=;:* а. *-
о g- о
iSU о
О Q.
Для достижения указанной цели была принята следующая рабочая гипотеза. Основное количество тепла вносится в бетонную смесь на заводе-постав' шике товарного бетона. Для исключения опасности быстрого схватывания цемента от действия высоких температур бетонная смесь на заводе приготавливается без цемента. Для обеспечения необходимой связности и электропроводности смеси при приготовлении смеси в нее вводятся соответствующие добавки. Разогретая бесцементная смесь доставляется на строительную площадку, на которой в зоне действия монтажного крана имеется упрощенный бетоносмесительный узел (без складов крупного заполнителя и песка). В бетонную смесь вводится проектное количество цемента (или активизированного цементного теста). Из смесителя.
упрощенного бетоносмесительного узла активизированная (в том числе разогретая) смесь подается в бункера, которые монтажным краном подаются в зону бетонирования.
В соответствии с рабочей гипотезой для достижения указанной выше цели необходимо было решить следующие задачи:
выполнить обзор методов зимнего бетонирования, обосновать перспективность использования разиіреіьіх смесей, выявть причины, сдерживающие распространение метода предварительного разогрева;
обо сновать применение добавок, обеспечивающих возможность раздельного приготовления и разогрева бетонных смесей, исследовать их влияние на свойства бесцементных бетонных смесей;
исследовать основные свойства бетона из раздельно приготовленных и разогретых смесей;
разработать технологию раздельного приготовления и разогрева бетонных смесей и соответствующую технологическую документацию. Результаты исследований и разработок проверить в производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в установлении возможности и целесообразности раздельного приготовления и разогрева бетонных смесей, в выявлении зависимостей, характеризующих процесс разогрева бесцементных смесей и кинетики нарастания прочности бетона из раздельно приготовленных и разогретых смесей.
Научная новизна состоит в следующих научных результатах:
установлено, что предварительный разогрев бетонных смесей является одним из наиболее эффективных методов зимнего бетонирования. Одной из главных причин, сдерживающих его распространение, является недостаточная обеспеченность строительных площадок электроэнергией. Одним из путей преодоления противоречия между высокой эффективностью предварительного электроразогрева и невозможностью его широкого распространения может быть технология раздельного приготовления и разогрева бетонных смесей;
экспериментально доказано, что условиям, обеспечивающим требуемую электропроводность бесцементных смесей, их связность, атак же недефицитность и доступность по цене, удовлетворяют следующие добавки: микрокремнезем, ЦМИД, гексалит, нитрит натрия. Исследовано влияние различного сочетания указанных добавок на удельное электрическое сопротивление бетонных смесей и их удобоукладываемость;
установлено, что бетон из раздельно приготовленных и разогретых смесей интенсивно набирает прочность в ранние сроки (до 60-80% от RM через 24 часа), при последующем твердении прочность бетона превышает марочную на 20-40%. Выявлено, что различные факторы воздействия на бетонную смесь (температура и время разогрева) по-разному влияют на набор прочности в разные сроки твердения бетона. Выведены уравнения регрессии зависимости прочности в суточном и месячном возрастах от температуры разогрева бетонной смеси, частоты тока и времени его воздействия на бетонную смесь.
По теме диссертации, в соавторстве получено три патента на устройства (патенты № 2210659, № 2132917, № 2229975), оформлена одна заявка на способ бетонирования монолитных конструкций.
На защиту выносятся:
новая технология раздельного приготовления, разогрева, транспортирования и укладки в дело бетонных смесей;
результаты исследований по влиянию добавок на свойства бесцементных смесей и режима разогрева;
уравнение водного баланса, учитывающее водосодержание бетонных смесей на каждом этапе их приготовления и разогрева;
математическая зависимость расчетного удельного сопротивления от величины начального удельного сопротивления и температуры разогрева бетонных смесей;
результаты исследований прочности бетона из раздельно приготовленных и разогретых смесей;
математические зависимости прочности бетона в суточном и месячном возрастах от температуры разогрева, частоты электрического тока и времени его пропускания через бетонную смесь.
Практическое значение и реализация работы состоят в следующем:
разработана новая технология, позволяющая применять разогретые смеси при бетонировании монолитных конструкций без существенного увеличения электрической мощности на строительной площадке;
усовершенствована методика расчета и конструирования оборудования для раздельного приготовления и электроразогрева бетонных смесей;
обоснованы основные положения теплового баланса на всех этапах приготовления, разогрева, транспортировки, укладки и выдерживания бетона;
разработан технологический регламент бетонирования монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей;
применение новой технологии позволяет: в два раза сократить сроки набора распалубочной прочности бетона; улучшить качество бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость); в 1,5-2 раза сократить расход электроэнергии на термообработку бетона; повысить надежность и технологичность процесса бетонирования монолитных конструкций; снизить удельную стоимость учитываемых прямых затрат в размере 261,2 руб./м3.
Достоверность результатов исследований подтверждается современны-
. ми методами исследований и обработки их результатов; сходимостью получен-
ных результатов и экспериментальных данных; проверкой основных положений
Г новой технологии в производственных условиях.
Для обработки данных и оформления материала использовалось современное программной обеспечение: Microsoft Word, Microsoft Excel, AutoCad 2004. Апробация и публикация работы.
Основные результаты исследований доложены на: 55, 56, 59-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и док-
торантров (СПбГАСУ); 61, 62-ой научных конференциях профессоров, преподавателей и научных работников (СПбГАСУ); международной научно-практической конференции «Реконструкция - Санкт-Петербург - 2003» (СПбГАСУ, 2002); постоянно действующим межвузовском научно-практическом семинаре «Современные направления технологии строительного производства» (ВИТУ, 2004).
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 работах аьшул. но Теме диссертаций получено -і патента гОссййсксй ч/сдерации ^в соавторстве). Общий объем публикации составляет 1,5 печатных листа.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 166 стр., состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 137 наименований, 5 приложений, 37 таблиц, 23 рисунка. Общий объем диссертации составляет 191 стр.
Сопоставительный анализ параметров технологии бетонирования монолитных конструкций разогретыми смесями и существующей технологии
Можно предположить, что одна из причин, препятствующих распространению разогретых смесей, заключается в несоответствии параметров технологии бетонирования монолитных конструкций с применением предварительного разогрева параметрам существующих технологий. Для подтверждения этого предположения выполним сопоставительный анализ параметров технологии выдерживания бетона с использованием стальной изолированной греющей проволоки, как наиболее распространенной из существующих методов зимнего бетонирования (см. 1.1), с параметрами предварительного разогрева. При этом рассматривать будем только те технологические параметры, которые в той или иной степени влияют на выбор способа зимнего бетонирования.
Параметры существующей технологии зимнего бетонирования.
Интенсивность бетонирования (поток бетонирования) характеризуется количеством бетона, укладываемого в смену (в час), м3/см (м3/час). Автором обследовано 12 строительных объектов, возводимых в Санкт-Петербурге. В основном это жилые дома и здания коммерческого назначения. Поток бетониро-вания на 7 из них составил от 20 до 60 м /см; на 2-х объектах 15-20 м /см, и на трех 60-80 м /см. Следует отметить, что на большинстве объектов, особенно с большим потоком бетонирования, бетон принимался не каждый день, а по мере выполнения опалубочных и арматурных работ.
Время выдерживания бетона в опалубке определяется временем достижения распалубочной прочности, в качестве которой примем 70% от проектной прочности. Такую прочность должен иметь бетон перекрытий к моменту распалубки [115]. При автоматизированном режиме разогрева конструкций стальной изолированной проволокой 70% проектной прочности может быть достигнуто примерно через двое суток (44 часа) при температуре изотермического выдерживания 50С [109]. В реальных производственных условиях управление режимом выдерживания бетона осуществляется вручную дежурным электриком. На обследованных объектах (см. выше) бетон в опалубке перекрытий в зимнее время выдерживается двое-трое суток. При удалении опалубки через двое суток бетон не набирает 70% прочности, поэтому строители во избежание недопустимых прогибов перекрытий, величина которых не должна быть более 1/400 пролета, устанавливают временные опоры, что в принципе является нарушением технологии. С учетом изложенного и на основании данных [115] примем время выдерживания бетона в опалубке перекрытий равным 60 часам (2,5 суток).
Распалубочная прочность бетона стен должна быть не менее «критической». Для бетона конструкций массового применения М-300, М-350 (классы В22,5, В25) «критическая» прочность должна быть не менее 40% от проектной [115]. При температуре выдерживания бетона 50С эта прочность может быть достигнута через сутки [111].
Требуемая электрическая мощность на объекте (кВА) - важнейший технологический параметр. Величина установленной мощности и ее распределение между потребителями электроэнергии в значительной мере влияет на технологические параметры, такие как интенсивность бетонирования , время выдерживания бетона в опалубке и др. На обследованных автором объектах (см. выше) установленная электрическая мощность находилась в пределах от 90-100 кВА до 400-600 кВА. Основными потребителями электрической мощности являются грузоподъемные краны (в основном башенные грузоподъемностью 10 т), трансформаторные станции для прогрева бетона. 10-20% мощности расходуется на освещение площадки и рабочих мест, на отопление бытовых помещений, на работу сварочных аппаратов и других потребителей энергии. Важно отметить такое обстоятельство, что основные потребители электрической энергии используют ее в разное время суток: башенные краны работают в основном в первую смену, а прогрев бетона осуществляется во вторую и третью смены.
Расход электроэнергии при прогреве бетона стальной изолированной проволокой в реальных условиях находится в пределах от 50-60 кВт-час/м3 до 90-100 кВт-час/м . Расчет, выполненный автором по методике, приведенной в [110], показал, что при толщине конструкций 160 мм, температуре наружного воздуха -10С, скорости ветра до 10 м/с для достижения бетоном 70% прочности расход электроэнергии составляет 88 кВт-час/м3. Меньший расход электроэнергии (нижняя граница расхода электроэнергии по реальным данным - 50-60 кВт-час/м ) объясняет недобор прочности бетона и недопустимо большой прогиб перекрытий, встречающийся на практике (см. выше).
Дополнительные затраты, связанные с зимним бетонированием, складывается из трудозатрат на установку и коммутацию греющих проводов и трудозатрат дежурного электрика. По данным проекта производства работ, разработанному ЗАО «Ростро» (Санкт-Петербург), удельные трудозатраты по этим статьям составляют 0,45 ч-дн/м .
Дополнительный расход материалов, связанных с зимним бетонированием. Основным расходным материалом в эталонном варианте является сталь-. ная изолированная греющая проволока. Ее удельный расход зависит от диаметра греющей жилы. На строительных объектах Санкт-Петербурга наибольшее распространение получила стальная изолированная греющая проволока диаметром 2,5-3,0 мм. Меньший диаметр менее эффективен по экономическим соображениям, проволока диаметром более 3,0 мм вызывает затруднения при укладке из-за большой жесткости. Реальный удельный расход стальной изолиро 31 ванной греющей проволоки на обследуемых объектах находился в пределах 35-40 погонных метров на 1 м3 прогреваемого бетона. По результатам расчета для указанных выше условий удельный расход греющей проволоки составил 39 п.м./м . Надо отметить, что эта проволока безвозвратно теряется в бетоне. Параметры технологии бетонирования с использованием термовиброобработанных смесей. Интенсивность бетонирования примем такой же, как в эталонном варианте, т.е. 20-60 м в смену. Этой интенсивности соответствует производи-тельность установки ТВОБС, равная 3-10 м в час. Опыт, накопленный автором в создании и внедрении установок ТВОБС позволяет утверждать, что технические и эксплуатационные параметры этих установок в состоянии обеспечить такую и даже большую интенсивность бетонирования.
Время выдерживания бетона в опалубке, необходимое для достижения 70% прочности бетона составляет 24 часа [57] (см. так же приложение 1). Время достижения критической прочности (40% от проектной) составляет 8 часов. Эти темпы набора прочности бетона обеспечиваются при следующих условиях. Температура разогрева бетонной смеси должна быть не менее 70-75С. Бетонная смесь после укладки и вибрационного уплотнения должна быть сразу же укрыта пленкой и утеплена. Скорость остывания бетона из разогретых смесей должна быть не более 1,5-2С в час.
Требуемая электрическая мощность на объекте складывается из мощности, необходимой для традиционных потребителей электроэнергии, как в эталонном варианте (грузоподъемные краны, электросварочное оборудования, освещение и другие), и дополнительной мощности, необходимой для работы установки ТВОБС и для компенсации теплопотерь в окружающую среду, обусловленных большим модулем поверхности несущих конструкций монолитных зданий (Мп 13м"1).
Для обеспечения скорости остывания бетона не более 1,5-2,0С в час, необходимой для получения 70% прочности бетона в суточном возрасте, воспользуемся результатами исследований, приведенных в работе [94]. Для компенсации теплопотерь в окружающую среду при выдерживании тонкостенных конструкций используются термоактивные гибкие покрытия ТАГП, греющим элементом которых является полимерный провод [82]. При толщине перекрытий 160 мм и первоначальной температуре разогрева бетонной смеси 70С выдерживание бетона под ТАГП даже при -20С позволяет получить 70% прочности бетона через 24 часа. При этом удельная мощность ТАГП составляет 0,1 кВт/м2 [94].
Примем, что с использованием ТАГП будет выдерживаться бетон только перекрытый. Для набора критической прочности бетона в стенах (40% от проектной) достаточно только термовиброобработки смесей и их укладки в утепленную опалубку.
Обоснование способов обеспечения требуемых параметров раздельно приготавливаемых и разогреваемых бетонных смесей
В соответствие с рабочей гипотезой требуемые удобоукладываемость и электропроводность бесцементных смесей могут быть обеспечены добавками.
Требования к добавкам. При выборе добавок, позволяющих реализовать раздельную технологию приготовления и разогрева бетонных смесей, автор учитывал следующие соображения.
Добавки не должны:
при прочих равных условиях ухудшать физико-механические свойства бетона, и по возможности, улучшать его прочность, плотность, морозостойкость;
вызывать коррозию арматуры, если разогретые смеси применяются для изготовления железобетонных конструкций;
увеличивать усадочные деформации, ползучесть бетона;
уменьшать глубину гидратации цемента;
влиять на темпы набора прочности бетона, обеспечиваемые действием повышенных температур;
быть дефицитными. Желательно, чтобы они прошли проверку в производственных условиях и положительно зарекомендовали себя при массовом применении;
ухудшать условия производства работ, например, из-за необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению безопасности и безвредности их применения.
Добавки должны:
быть совместимы с действием повышенных температур, т.е. не изменять своих свойств при нагревании;
обеспечивать требуемые электропроводность и водоудерживающую способность бесцементных бетонных смесей при минимальном их расход; по возможности оказывать комплексное воздействие на бесцементную смесь, т.е. одна и та же добавка, вводимая, например, для водоудержа-ния, должна повышать и электропроводность смеси;
быть экологически безопасными как в процессе производства работ, так и при эксплуатации зданий, возведенных из бетона с их применением.
При выборе добавок следует ориентироваться на отечественные добавки, которые, как правило, дешевле импортных.
Анализ литературных источников [12,17,35,127], ознакомление с производственным опытом заводов-поставщиков товарного бетона позволили выявить перечень добавок, удовлетворяющих большинству указанных условий.
Композиция «ЦМИД-4» по ТУ-5775-001-00129716-98 (в дальнейшем -«добавки ЦМИД») - разработка ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Добавка ЦМИД представляет собой многокомпонентный дисперсный порошок на основе портландцемента. «ЦМИД-4» - композиция для приготовления бетонов с высокими требованиями по прочности (до 100 МПа), в том числе в раннем возрасте 1-3 суток, по морозостойкости (F 600 и более) и водонепроницаемости (до W 600). Добавка ЦМИД повышает адгезию цементного камня к металлу, предотвращает его коррозию, увеличивает адгезию «нового» бетона со «старым», уменьшает усадку бетона при твердении.
Микрокремнезем (в дальнейшем - «добавка МК») - попутный продукт производства ферросплавов, улавливаемый в виде конденсированного аэрозоля фильтрами сухой очистки печных газов. Производит, например, Новокузнецкий металлургический комбинат. Уникальные свойства микрокремнезема обусловлены высокой удельной поверхностью его пористых субмикрочастиц с размером от 0,01 до 1 мкм. Удельная поверхность добавки МК на один-полтора математического порядка выше удельной поверхности портландцемента. Содержание аморфного кремнезема доходит до 90%. Добавка МК обладает большой поверхностной энергией и особенно активна в первые часы гидратации цемента. Она взаимодействует с Са(ОН)2, образуя гидроси 54 ликаты клинкерных минералов C3S и СзА. Добавка МК существенно уменьшает пористость цементной матрицы бетона, сдвигая ее в область микропор с одноранговым размером. Бетон с добавкой МК приобретает улучшенные де-формативно-механические характеристики, повышенную водо- и газонепроницаемость, коррозионную стойкость и морозостойкость [16].
Комплексный модификатор ГЕКСАНИТ по ТУ 2149-026-0206-9622-2004 (в дальнейшем — «добавка Гексанит»), разработан в Казанской Архитектурно-строительной академии, выпускается фирмой УНИЛИТ (г. Казань). Гексалит - комплексная химическая добавка, предназначенная для повышения ранней прочности цементных бетонов при температуре не ниже +23С и влажности 90-100%. Добавка Гексалит обладает пластифицирующим действием на бетонную смесь, способствует повышению прочности бетона на 20-40%, повышению его морозостойкости и водонепроницаемости. Добавка обеспечивает снижение водопотребности бетонной смеси на 20-25% при сохранении заданной подвижности.
Поташ - (углекислый калий - К2СОз) и нитрит натрия (NaNC ) -наиболее распространенные и давно применяемые противоморозные добавки. При затворении водой способствуют повышению электропроводности бетонной смеси. Нитрит натрия является ингибитором, т.е. защищает арматуру от коррозии, а так же способствует повышению прочности бетона на 10-20% [111].
Малоцементные бетонные смеси. Как уже отмечалось в 2.1, на начальное удельное электрическое сопротивление большее влияние оказывает не количество цемента, а его минералогический состав. Принимая во внимание, что двукратное уменьшение цемента повышает удельное электрическое сопротивление всего лишь в 1,3 раза, автором было решено проверить влияние малого количества цемента (5-20%) на реологические свойства и электропроводность бетонных смесей. При этом автор отдавал себе отчет в том, что вяжущие свойства этих 15-20% цемента могут быть в какой-то мере утрачены. С другой стороны стоимость 1 кг добавок, которые рассмотрены выше, в большинстве случаев превышает стоимость 1 кг цемента. Поэтому наряду с применением добавок на первой стадии раздельной технологии приготовления и разогрева бетонных смесей было решено исследовать малоцементные бетонные смеси (МЦБС).
Важнейшим фактором, влияющим на обеспечение требуемых технологических параметров бетонных смесей в технологии их раздельного приготовления и разогрева, является количество воды в бетонной смеси.
Вода и цемент являются активными составляющими, оказывающими наиболее существенное влияние на технологические свойства бетонных смесей и на физико-механические свойства затвердевшего бетона. Известен так называемый закон водоцементного отношения, в соответствии с которым чем меньше водоцементное отношение, тем выше плотность и прочность бетона. Известно так же, что на количество воды в бетонной смеси влияют технологические факторы, в частности, необходимость обеспечения требуемой удо-боукладываемости бетонной смеси. Так, по данным Ю.М. Баженова для полной гидратации цемента требуется примерно 20% воды от веса цемента, т.е. В/Ц=0,2. Однако по технологическим соображениям на практике воды в бетонную смесь вводят в 2-3 раза больше, т.е. применяют смеси с В/Ц, равным 0,4-0,6 [12].
В настоящее время научно обоснована и отработана методика расчета состава бетонной смеси, в основу которой положены исходные данные по активности применяемого цемента и задаваемая прочность бетона. Применительно к традиционной технологии получения обычного тяжелого бетона количество воды в бетонной смеси определяют с учетом В/Ц, ориентированного на получение проектной прочности бетона [11].
В нашем случае при определении количества воды в бетонной смеси наряду с этим основополагающим методическим положением необходимо учитывать следующие особенности технологии раздельного приготовления и разогрева смеси. При отсутствии в смеси цемента (или его малом количестве) и наличии в ней добавок, объем которых на математический порядок меньше объема цемента, на первом этапе технологии возрастает роль воды в обеспечении требуемых свойств смеси. Воды должно быть достаточно для обеспечения подвижности и электропроводности смеси, но не следует допускать избыток воды, который может привести к расслоению смеси.
Бесцементная (или малоцементная) смесь разогревается до высоких температур (70-80С). Это приводит, с одной стороны, к испарению свободной воды, а с другой стороны вызывает ее интенсивное связывание с компонентами смеси.
С учетом изложенного представляется возможным в общем виде составить следующее уравнение водного баланса, учитывающее особенности и этапы раздельной технологии приготовления и разогрева бетонной смеси.
Исследование влияния режимов разогрева смеси на прочность бетона
Исследования и разработки в области предварительного разогрева ориентированы на использование электрического тока переменной частоты (f = 50 Гц) напряжением 380/220 В. Электрический ток с такими параметрами пропускают через бетонную смесь и разогревают до требуемой температуры. В ряде работ высказывается предположение о положительном влиянии электрического поля на глубину гидратации цемента и интенсивность нарастания прочности бетона в ранние сроки [40]. Например, в работе [57] приведены экспериментальные данные по прочности бетона при различных способах внесения тепла (табл. 3.3.).
Б. А. Крылов в работе [75] пишет следующее. "Внешнее низкочастотное электрическое поле, накладываемое на бетон в ранний период его твердения, не оказывая влияния на характер новообразований, вызывает ряд явлений, которые могут наложить отпечаток на формирование структуры цементного камня в бетоне." [76 стр. 26, 27.]. При этом предполагалось, что переменное электрическое поле оказывает колебательное воздействие на частицы цемента и их флокулы, и это положительно влияет на процесс структу-рообразования цементного камня. Развивая эту мысль Б. А. Крылова, можно предположить, что, если увеличить частоту электрического тока на один -два математических порядка, то можно привести в соответствие параметры электрического поля и размеры частиц продуктов гидратации цемента и этим самым повысить активирующую роль процесса электроразогрева.
Для проверки этого предположения были проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния режимов разогрева (температуры и времени) и частоты электрического тока на прочность бетона. Исследования проводились в лаборатории ЗАО "Завод ЖБКиД" на смеси бетона М - 250 (с добавками MK10%+NaNO2l%) состав которой представлен в табл. 3.4.
Для регулирования параметров электрического тока использовался преобразователь ПТ-80-230, разработанный в ПГУПСе (ЛИИЖТе) канд. технических наук, доцентами К. А. Архиповым, Ю. С. Боголюбовым. Этот преобразователь позволяет трехфазный переменный электрический ток частотой 50 Гц превращать в однофазные прямоугольные двухполярные импульсы с регулируемой частотой в диапазоне от 500 до 10000 Гц. Принципиальная схема преобразователя ПТ-80-230 представлена на рис. 3.3., его общий вид на рис, 3.4., а выборка из паспортных данных (назначение, принцип действия и технические характеристики) приведены в приложении 2.
Применительно к предварительному разогреву основным технологическим фактором является температура разогрева смеси, которая оказывает существенное влияние на темпы набора прочности бетона и ее величину. Поэтому этот фактор включен в матрицу планирования эксперимента. За нулевой уровень принято 65С из следующих соображений. Смеси, разогретые до 60-70С, обеспечивают суточный прирост прочности бетона 65-70 % от проектного значения, что вполне приемлемо даже для конструкций, работающих на изгиб [115]. Нижний уровень 50С обусловлен тем, что при меньшей температуре эффект от предварительного разогрева существенно снижается [70]. Верхний предел температуры разогрева (80С) принят по условиям техники безопасности.
Диапазон варьирования основного исследуемого фактора - частоты тока принят в пределах 500-5000 Гц. За нижний предел частоты тока принято 500 Гц - нижний диапазон технических возможностей ПТ-80-230. Это соот 99 ветствует увеличению частоты промышленного тока в 10 раз. Верхний предел частоты увеличен по отношению к нижнему на один математический порядок, что соответствует задаче эксперимента и возможностям преобразователя ПТ-80-230.
Третьим варьируемым фактором является время разогрева смеси. Диапазон времени разогрева принят в пределах от 2 до 6 минут. При разогреве бетонной смеси в форме с размерами 200 х 200 х 200 мм. Этого времени достаточно для достижения температуры в диапазоне от 50 до 80С.
Следует отметить, что все три варьируемые фактора являются независимыми друг от друга. Частота тока (Xi) устанавливается датчиком преобразователя на нужное значение. Время разогрева обеспечивается ограничением величины активного тока с помощью установочного тока. Наличие в преобразователе ПТ-80-230 функции ограничения активного тока путем изменения величины установочного тока позволяет факторам Хг (время разогрева) и Хз (температура разогрева) быть невзаимовлияющими. В других случаях время разогрева может регулироваться величиной напряжения в электрической сети.
Факторы и уровни варьирования параметров проводимого эксперимента приведены в таблице 3.5. На основании данных табл. 3.5. и в соответствии с методикой, приведенной в работе [1], составлена матрица планирования (строки 1-8 табл. 3.6), в которой в качестве функции отклика представлены экспериментальные данные прочности бетона в суточном (Уі) и в месячном возрасте (Уг).
В строках №9 и 10 табл. 3.6 приведены данные по прочности бетона в суточном и месячном возрасте, полученного из смесей, подвергнутых «чистому» разогреву (частота тока 50 Гц) при температуре разогрева, соответственно, 80 и 50С. В графе №11 представлены данные по прочности бетона нормального твердения.
Воспроизводимость опытов проверяем по критерию Кохрена для этого рассчитываем оценки дисперсии для каждой серии опытов по формуле 3.1.
Проверим значимость коэффициентов регрессии. Для этого выполним оценку однородных дисперсий (формула 3.12), оценку дисперсии среднего значения (формула 3.13) и оценку дисперсии в определении коэффициентов регрессии (формула 3.14) и проверим значимость коэффициентов с помощью критерия Стьюдента (условие 3.15).
Обоснование основных положений технологического регламента бетонирования монолитных конструкций с раздельным приготовлением и разогревом смесей
В регламенте раскрыты организационно-технологическая последовательность и содержание работ по раздельному приготовлению, разогреву бетонных смесей и их укладке в дело. Структура работ соответствует перечню операций, представленных на рис. 4.1.
Требования к исходным материалам для приготовления бетонных смесей базируются на соответствующих ГОСТах и технических условиях, ссылки на которые приведены в регламенте. Требования к технологическим свойствам бетонных смесей на отдельных этапах их приготовления и разогрева основываются на результатах исследований, изложенных во второй главе диссертации.
Представленные в регламенте параметры технологических операций по раздельному приготовлению, разогреву, укладке смесей и выдерживанию бетона, с одной стороны, направлены на обеспечение требований СНиП 3.03.01-87 [115], а с другой стороны - отражают специфику разработанной технологии.
Принципиальные решения по нестандартному технологическому оборудованию, разработанные автором, и соответствующие требования к нему могут служить основой для разработки технических заданий на проектирование этого оборудования (упрощенный мобильный бетоносмесительный узел, пост электроразогрева, бункер для разогрева и перевозки бесцементных смесей).
В содержательную часть регламента включены так же требования к исполнителям, участвующим в реализации новой технологии, и требования техники безопасности, которые приведены в соответствии с действующими нормативными документами.
Требования и рекомендации технологического регламента должны быть учтены и отражены в проектах организации строительства и в проектах производства работ. Основная конкретизация этих требований с учетом конкретных условий строительства должна найти отражение в технологических картах на бетонирование монолитных конструкций раздельно приготовлен 135 ными и разогретыми смесями, а так же при разработке строительных генеральных планов.
В частности, в состав технологических карт должны быть включены пооперационные графики:
загрузки разогретой бесцементной смеси в бункер-накопитель УМБСУ;
введения в разогретую бетонную смесь цемента, ее подачи и укладки в дело.
Эти графики отражают взаимоувязку процессов транспортирования разогретых бесцементных смесей на объект, доведения их состава и свойств до требуемых (проектных) параметров и процесса бетонирования конструкций. Формы и содержание указанных графиков приведены в технологическом регламенте (приложение 4).
При обосновании параметров отдельных технологических операций, связанных с раздельным приготовлением, разогревом и укладкой бетонных смесей в дело, использованы рекомендации соответствующей справочной и научно-технической литературы. Например, время перемешивания смесей принято с учетом рекомендация [123], а время приготовления и активации цементно-водной суспензии - по данным [42]. Часть параметров получена расчетным путем, например, время разгрузки бункеров с разогретой бесцементной смеси, их подачи на УМБСУ и возврата на автотранспортное средство принято с учетом технических параметров крана КБ-504 (скорость подъема, опускания и перемещения груза) по данным [83]. При этом автор исходил из следующих принятых условий: высота подъема (опускания) груза 15 м, расстояние перемещения в плане 15 м. Учтено так же время на выполнение операций по строповке, установке и расстановке бункеров.
При разработке технологических карт в составе проекта производства работ на конкретный объект эти исходные данные должны быть уточнены.
Из коструктивно-технологических решений, заложенных в новую технологию, на которую разработан технологический регламент, наиболее значимыми являются следующие.
На приемной площадке приобъектного бетоносмесительного узла предусмотрено две передаточные тележки, каждая их которых передвигается по своему пути, перемещая бункера для разгрузки разогретой бесцементной смеси в бункер-накопитель, а порожние бункера - на приемную площадку. Такое решение позволяет свести к минимуму простой крана при выполнении этих операций. Кран будет простаивать только во время строповки - рас-строповки бункеров, т.е. будет работать практически непрерывно.
Из этих же соображений предусмотрено размещение двух бункеров объемом 1м3 на передаточной тележке, на которой они подаются под выгрузочную течку бетоносмесителя УМБСУ. При этом из одного бункера бетонная смесь подается краном к месту укладки, а второй бункер подают под загрузку.
Наличие бункера-накопителя на УМБСУ позволяет выполнить независимо друг от друга операции БЦБС и по введению в нее цемента и подаче готовой бетонной смеси к месту укладки. При наличии на объекте одного крана эти операции можно выполнить последовательно. Это весьма существенное обстоятельство, позволяющее наиболее целесообразно организовать взаимоувязку процессов разгрузки разогретых бесцементных смесей, введения в них цемента, подачи и укладки в дело. При этом обеспечивается минимум простоя грузоподъемного крана.
При наличии двух кранов, в зоне действия которых расположен УМБСУ, или при оснащении УМБСУ своим грузоподъемным устройством, операции по приемке разогретой бесцементной бетонной смеси и по введению в нее цемента, и подаче и укладке в дело могут быть совмещены во времени.
Технологический регламент прошел согласование в ряде производственных организаций, которые в настоящее время прорабатывают вопрос практического использования технологии с раздельным приготовлением и разогревом смесей для возведения монолитных конструкции.Титульный лист регламента с согласованиями и сам регламент приведен в приложении 4.
