Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов зимнего бетонирования и способов ускорения твердения бетона 8
1.1. Классификация методов зимнего бетонирования и ускорения твердения бетона 8
1.2. Тепловая обработка бетона в заводских условиях 15
1.3. Тепловая обработка бетона в построечных условиях 22
1.4. Предварительный разогрев бетонной смеси 24
ГЛАВА 2. Энерго-ресурсосбережение на основе использования технологии термовиброобработки бетонной смеси (ТВОБС) 38
2.1. Физико-химические и технологические основы ТВОБС 38
2.2. Кинетика нарастания прочности бетона из ТВОБС 41
2.3. Энергетическая эффективность ТВОБС 44
2.4. Эффективность термовиброобработки бетонных смесей 46
ГЛАВА 3. Совершенствование методики комплексной опенки методов ускорения твердения бетона и зимнего бетонирования 56
3.1. Существующие методы оценки эффективности методов ускорения твердения бетона и зимнего бетонирования 56
3.2. Многокритериальная модель в системе эффективности различных строительных технологий 62
3.3. Методика расчета показателей для оценки эффективности методов бетонирования 66
3.4. Методика оценки эффективности технологических процессов по системе дифференциальных критериев на основе стохастической квалиметрии 70
3.5. Экспертная оценка методов ускорения твердения бетона и зимнего бетонирования 77
ГЛАВА 4. Оценка организационно-технологических решений бетонирования конструкций с использованием ТВОБС 97
4.1. Организационно-технологические схемы бетонирования сборных и монолитных конструкций с использованием термовиброобработанных смесей 97
4.2. Исследование затрат кранового времени при различных организационно-технологических схемах бетонирования конструкций... 103
4.3. Исследование влияния кинетики нарастания прочности бетона на оборачиваемость опалубки 105
4.4. Комплексная оценка эффективности ТВОБС 109
Выводы по четвертой главе 112
Основные выводы 113
- Тепловая обработка бетона в заводских условиях
- Эффективность термовиброобработки бетонных смесей
- Многокритериальная модель в системе эффективности различных строительных технологий
- Организационно-технологические схемы бетонирования сборных и монолитных конструкций с использованием термовиброобработанных смесей
Тепловая обработка бетона в заводских условиях
При возведении современных зданий различного назначения сборный железобетон и бетон являются доминирующими конструктивными материалами и таковыми останутся на перспективу. В обеспечении ускоренного темпа набора
В настоящее время в различных установках с использованием водяного пара низкого давления осуществляется более 80% тепловой обработки сборного железобетона.
Пропаривание сегодня производят в тоннельных и ямных устройствах -камерах, кассетах, под колпаком и при повышенных давлениях в автоклавах.
На заводах сборного железобетона в настоящее время эксплуатируется большое количество ямных камер, коэффициент полезного действия (КПД) которых не превышает 10-15 % [71]. Применяемая повсеместно в отечественных условиях поточно-агрегатная технология имеет серьезные недостатки: она не
всегда обеспечивает должное качество изделий; требует установки и применения кранового оборудования; вибрационное оборудование при этом, как правило, несовершенно и часто выходит из строя.
В отечественных условиях используется сегодня также конвейерная схема производства сборного производства с повышенным качеством, заводской готовностью железобетонных конструкций (ЖБК), техническим уровнем производства, увеличивающая удельный вес технологических операций, выполняемых механизированным путем и уменьшающая трудоемкость изготовления изделий. Несмотря на несколько большую при этом фондоемкость производства по сравнению с поточно-агрегатной технологией, трудоемкость и себестоимость изделий, производимых по этой технологии, ниже по сравнению с ямными камерами.
Изготовление железобетонных конструкций в стендовых кассетных установках выгодно на заводах малой мощности, когда использование дорогих конвейерных линий не оправдано. Кассетное производство железобетонных изделий требует повышенного расхода цемента и очень металлоемко. Недостатками этой технологии являются неровная поверхность бетона из-за пузырьков воздуха, невозможность изготовления предварительно-напряженных изделий, зависимость цикла изготовления от числа рабочих отсеков в кассете.
Применяемый повсеместно в заводских условиях способ термообработки паром в стационарных бетоносмесителях не удовлетворяет требованиям современного производства сборного железобетона ввиду низкого термического КПД котельных установок (до 15%), значительных эксплуатационных расходов на содержание технического персонала, высокой доли фондоемкости за счет значительных капитальных затрат на котельные установки и коммуникации, негигиеничных условий труда в цехах (влажность до 80%), загрязнения окружающей среды отходами от сгорания топлива [71].
В последние годы в технологии бетонных работ получают распространение различные способы термообработки железобетонных изделий с применением электрической энергии. В заводской практике используются электропрогрев пропуском тока непосредственно через бетон изделия, электрообогрев, индукционный прогрев, а также прогрев с использованием солнечной энергии, предварительный разогрев паром или электротоком бетонной смеси перед укладкой ее в формы. Осваиваются также кассетно-конвейерные линии с использованием предварительного разогрева бетонной смеси. Эти линии менее металлоемки, требуют меньших производственных площадей, позволяют на 30% сократить трудо-и энергозатраты [71]. Существующие технологические схемы производства бетонных и железобетонных конструкций совершенствуют, внедряя современные способы укладки и уплотнения бетонной смеси, создавая новые конструкции форм, применяя различные модификации безопалубочного формования, сокращая продолжительность термообработки. Важное значение в отечественной строительной практике имеют пути снижения расхода тепловой энергии в производстве сборного железобетона. Связано это с большими объемами его выпуска. Сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов и экономное использование производительных ресурсов, в т.ч. материальных, являются важ-ІЛОІІУІҐХ rijjisv/jivMciFvi i в совершенствовании технологии производства железобетон-ных конструкций. Как показывают расчеты, материалы и энергия составляют до 70% от цены готовых железобетонных конструкций [78]. Проведенные нами исследования приводят к выводу о том, что экономия материальных и энергетических ресурсов на заводах железобетонных изделий (ЖБИ) может быть достигнута за счет: - систематического совершенствования железобетонных конструкций; - повышения качества исходных материалов; - улучшения технологии изготовления конструкций; - использования эффективных материалов; - сокращения отходов и потерь материалов; - внедрения ресурсосберегающей и энергосберегающей технологии. Основной объем бетона, подвергаемого в отечественных условиях термо обработке, приходится сегодня на промышленность сборного бетона и железо бетона, которая является довольно энергоемкой и относится к одной из крупных потребителей энергии. До 40% используемого топлива расходуется непроизво дительно из-за относительного неудовлетворительного состояния теплоисполь зуемого оборудования, несовершенства его конструкции и нерациональных ре жимов тепловлажностной обработки бетона. Затраты на тепловую энергию при изготовлении сборного железобетона в настоящее время составляют 10-15 % от общей стоимости продукции и имеют тенденцию постоянного увеличения в связи с ростом цен на энергоносители. Применяемые заводами ЖБИ методы ускорения твердения бетонных элементов являются очень энергоемкими и непосредственно влияют на большую себестоимость. Много тепла теряется при прогреве ЖБК, к повышенному расходу тепла приводит большая теплоемкость тепловых установок и форм, слабо обновляется парк форм, невелик объем перерабатываемых промышленных отходов, которые могут быть успешно использованы в производстве бетонных смесей. Высока доля ручного труда при изготовлении ряда конструкций, трудоемкость производства также остается высокой.
Эффективность термовиброобработки бетонных смесей
Предварительный электроразогрев относится к высокоэкономичным методам термообработки бетона: по расходу электроэнергии он является наиболее энергосберегающим методом и его применение позволяет существенно сократить потребность электроэнергии при применении метода в производстве.
При приготовлении бетонной смеси в зимнее время ее составляющие не нужно подогревать до высокой температуры и готовую смесь достаточно выпускать с бетонного завода с температурой 10-15 С вместо 25-35С. Температура смеси должна быть такой, чтобы она не замерзла к моменту начала электроразогрева. При этом не происходит быстрого схватывания (загустевания) бетонной смеси при ее транспортировке, и, следовательно, удлиняются сроки ее использования. При низких положительных температурах происходит более интенсивное растворение извести, что способствует углубленной гидратации минералов цементного клинкера.
ТВОБС является одним из перспективных направлений энергоресурсосбережения. Расход энергоресурсов для получения распалубочной, отпускной или проектной прочности бетона намного снижается. Удельный расход электро-энергии при ТВОБС не превышает 50 кВт-ч/м , что в 1,5-2,5 раза меньше по сравнению с электротермообработкой и в 5-10 раз по сравнению с пропаривани-ем [42] Кратковременность прогрева замкнутого объема определяет минимум потерь тепла, которые в процессе укладки смеси компенсируются экзотермиеи цемента.
Энергетическая эффективность методов зимнего бетонирования имеет немаловажное значение. Она характеризует термический КПД, определяемый на основе детального учета общего количества поступающего и усваиваемого бетоном тепла с учетом потерь во время термообработки батона до момента получения требуемой прочности бетона. Термический КПД технологий с применением предварительно разогретых паром или электроэнергией смесей, предполагающих введение тепловой энергии непосредственно в толщу бетона, достигает 0,9 [37].
Электроразогрев смеси (ЭРС) осуществляется обычно в устройствах цикличного действия. Приоритетного распространения в технологии строительного производства так и не получил, несмотря на высокий КПД. Применяется в небольших объемах при бетонировании в зимних условиях массивных монолитных конструкций, в заводских условиях практически не применяется. Это объясняется тем, что при ЭРС теряется большое количество тепла из разогреваемой смеси на аккумуляцию тепла бункером и формами (опалубками), особенно в массивных изделиях и конструкциях. А понижение температуры смеси после укладки удлиняет сроки набора прочности. Т.к. рост прочности бетона обусловлен прежде всего тепловым фактором, влияющим в основном в первые 8-12 часов [6], то теплопотери при твердении бетона учитываются на протяжении именно этого периода, следовательно, КПД падает до 0,5-0,7.
Поэтому для правильной оценки энергетической эффективности методов термообработки бетона, основанных на предварительном разогреве смеси, наряду с потерями до места разогрева, в процессе разогрева и при укладке смеси в опалубку или форму необходимо учитывать также потери в процессе твердения бетона с учетом экзотермии цемента до момента набора им необходимой прочности.
Рассматривая анализ экспериментальных данных, полученных в ходе производственных испытаний установок по непрерывному виброэлектроразог-реву бетонной смеси (ВЭРБС) и термовиброобработке бетонной смеси [35], можно увидеть, что по сравнению с щшшчным электроразогревом производительность термообработки повышается на 15-25% за счет ликвидации перерывов в разогреве (10%) и теплопотерь на аккумуляцию при разогреве смесей (5-15%). Следовательно, при сохранении той же производительности в бетон будет внесено на 15-25% больше тепла в начальной стадии его твердения, что и ускорит набор им прочности в этот период. При цикличной работе термический КПД установок по ВЭРБС и ТВОБС составляет 0,8-0,9, при непрерывной работе он возрастает до 0,9-0,95, а при надежной теплоизоляции корпуса устройства может достигать и 0,95-0,99.
После укладки разогретой смеси в форму или опалубку термический КПД снижается в зависимости от удельной металлоемкости формы или опалубки и модуля поверхности изделий при цикличном режиме работы до 0,7-0,8, при непрерывном - до 0,8-0,85, а при надежном утеплении корпуса - до 0,85-0,9. Так как экзотермия почти полностью компенсирует теплопотери за первые 8-12 часов твердения бетона, а также до 60-80% теплопотерь, происшедших при разогреве и укладке разогретой смеси, то итоговый термический КПД будет достигать 0,5-0,9.
Анализ составляющих теплопотерь при непрерывном виброэлектроразог-реве бетонной смеси и термовиброобработке бетонной смеси [35] показал, что основные теплопотери происходят в процессе разогрева и укладки разогретого бетона и приходятся на аккумуляцию тепла корпусом устройства и формой (опалубкой), а также на конвекцию и лучеиспускание уложенного бетона при его твердении. Предпочтительней применять малотеплоемкие формы со сниженным удельным расходом металла на 1м3 бетона, а укладку смеси вести в формы со сниженным коэффициентом лучеиспускания с последующим быстрым укрытием поверхности бетона влагонепроницаемыми материалом.
Многокритериальная модель в системе эффективности различных строительных технологий
Приведенным затратам присущи следующие недостатки: нормативный коэффициент эффективности, который не имеет обоснования как по содержанию, так и по величине, не предусматривается в качестве исходной характеристики; в капиталовложениях не учитываются трудовые ресурсы. Постоянная норма дисконта Е устанавливается путем анализа фактических данных о капиталовложениях и их эффективности по всему народному хозяйству и не учитывает отраслевые особенности формирования фонда компенсации единовременных затрат.
При плановой экономике в методиках предлагались дискретные системы показателей, ни одна из них не использовала интегральные показатели. Попытки использовать показатель приведенных затрат в качестве интегрального не привели к желаемому результату, так как этот показатель может служить инструментом при выборе вариантов плановых и проектных решений, но он недостаточен для объективного определения технико-экономического уровня проектных решений.
Анализ исследований различных авторов по оценке эффективности методов бетонирования в зимних условиях позволяет автору диссертации заключить, что вопросам экономики зимнего бетонирования уделялось достаточно много внимания, однако до настоящего времени многие задачи так и не нашли своего решения. Во многих предложенных методиках оценки экономической эффективности зимнего бетонирования не учитывается целый ряд факторов.
Первой наиболее обстоятельной работой в этой области была работа И.Г. Галкина [22], который отмечал, что бетонные и железобетонные работы являются крупнейшими по объему из зимних работ, вследствие чего требуют наибольших дополнительных затрат. К последним автор относил затраты рабочей силы, материалов, оборудования и специальных устройств. Общие затраты рассмотрены, как две группы затрат: на возведение зданий и дополнительные расходы по подготовке строительного хозяйства к работе в зимних условиях. Ко второй группе отнесены затраты на подогрев материалов до заданной температуры, а также те, которые связаны с осуществлением данного способа выдерживания бетона.
Основными показателями эффективности И.Г. Галкин считал продолжительность выдерживания бетона до заданной прочности, затраты материальных ресурсов, трудоемкость и удорожание работ по сравнению со стоимостью в летних условиях.
Такой подход не учитывает изменений, произошедших в технологии зимнего бетонирования, не учитываются также и изменения в нормативной базе. Предложенный подход не представляет возможным детально проанализировать, а следовательно, и сравнить все виды затрат по различным вариантам бетонирования в зимнее время.
СТ. Головнев к затратам, связанным с зимними удорожаниями, в работе [28] относит: себестоимость; стоимость материалов; трудоемкость и продолжительность работ. Им разработана система комплексного технико-экономического анализа удорожания производства бетонных работ при переменных факторах, влияющих на себестоимость и трудоемкость, анализ включает экономическую и технологическую целесообразность, рекомендовалось учитывать при этом и социальные факторы (облегчение условий труда, обеспечение его безопасности и т.д.). Методика универсальна и позволяет учитывать многие факторы и конкретные условия зимнего бетонирования.
В.П. Лысов наряду с приведенными затратами использует при оценке такие частные показатели, как трудовые, материальные, энергетические и финансовые затраты, продолжительность бетонирования и продолжительность возведения конструкций [63].
Ряд авторов (А.С. Арбеньев, Я.Р. Бессер, В.Д. Топчий и др.) считают основными показателями приведенные затраты и стоимость работ. В.А. Жилкина, проанализировав конструктивные решения монолитных конструкций и существующие методы выбора рационального способа зимнего бетонирования, предложила в качестве критерия эффективности минимальный размер процента зимних удорожаний, рассчитывая его по разности расчетного размера процента зимних удорожаний и нормативного. Полученные ею корреляционные зависимости для основных методов зимнего бетонирования позволяют получить процент зимних удорожаний четырех наиболее характерных групп конструкций (фундаменты, перекрытия, стены и колонны) с учетом модуля поверхности, температуры наружного воздуха, назначения конструкций и способов их возведения [108].
Это исследование вносит определенный вклад в решение современной проблемы выбора метода зимнего бетонирования из ряда рассматриваемых, однако в методических подходах В.А. Жилкиной не затрагиваются технологические параметры и факторы влияния на конечные результаты.
И.Г. Совалов основным критерием технико-экономического обоснования считает увеличение стоимости одного кубометра бетона в процентах от прямых затрат при летних условиях, т.е. без учета накладных расходов, а дополнительными - удельную трудоемкость, энергозатраты и влияние методов на сроки возведение монолитных конструкций, без методических рекомендаций о взаимоувязке (соизмерении) этих показателей.
Дж. Худ и Д. Хоуд-Кайзер рассмотрели варианты электротермообработки и представили технологические схемы и расчеты дополнительного расхода энергии для разогрева бетонной смеси, а также данные по полученным технико-экономическим показателям [21].
Организационно-технологические схемы бетонирования сборных и монолитных конструкций с использованием термовиброобработанных смесей
Для обеспечения непрерывного режима работы должны выполняться два условия: холодная смесь должна подаваться на пост формования самоходными тележками, перемещающимися по бетоновозным эстакадам, и объем загрузочного бункера установки должен быть больше объема емкости, в которой подается холодная смесь, в 1,2-5-2,2 раза.
Если стационарная система подачи смеси от бетоносмесительного узла в формовочное отделение или на полигон отсутствует, то используют внутризаводской автотранспорт. Подача смеси в загрузочный бункер может осуществляться по схеме "кран-бадья", единственным недостатком является возможная перегрузка бетонной смеси. При использовании эстакады, обеспечивающей превышение уровня расположения автотранспортного средства над загрузочным бункером, можно избежать промежуточных операций. Схемы бетонирования и подачи смеси вписываются в производство без коренной реконструкции.
Опыт применения установок для термовиброобработки бетонной смеси показал, что они особенно эффективны во время ведения работ в зимних условиях при бетонировании среднемассивных конструкций на стройплощадках и полигонах, доля применения которых (конструтсций) составляет 70 % объема всего выпускаемого бетона. В зимнее время технология применяется для предотвращения влияния отрицательных температур на твердеющий бетон. При стесненных сроках строительства, когда необходим высокий темп возведения сооружений, метод применяется и летом. На заводе метод позволяет повысить оборачиваемость форм, что ведет к увеличению продукции. Сборные конструкции могут изготавливаться на приобъектном полигоне, в зоне действия крана, причем себестоимость изделий ниже заводской стоимости.
Научный и практический интерес представляет обоснование оптимального соотношения и рациональных областей применения сборного и монолитного железобетона с учетом изменяющихся экономических условий рынка и с позиций технико-экономической эффективности и перспективности новой технологии (п. № 2.4, № 3.5).
В последние годы в России наметилась тенденция к увеличению применения монолитного и сборно-монолитного бетона и железобетона в промышленном и жилищно-гражданском строительстве с использованием унифицированной инвентарной опалубки, многократно применяемой и изготовленной из легких материалов и специальных профилей; с использованием высокопроизводительной технологии и комплексной механизации приготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси. Строительство жилых и общественных зданий с использованием монолитного и сборно-монолитного бетона подтвердило возможность повышения качества архитектурных решений массовой застройки при относительно меньших приведенных затратах и снижении расхода металла, цемента [86] и энергоресурсов по сравнению с другими видами индустриального строительства. Основным недостатком монолитного и сборно-монолитного домостроения являются высокие трудозатраты на стройплощадке. Минимизации трудозатрат необходимо добиваться путем надлежащей организации производства и выбора комплекса оптимальных значений технологических параметров монолитного и сборно-монолитного домостроения.
Сборно-монолитный вариант домостроения с использованием технологии термовиброобработки бетонных смесей позволяет минимизировать сроки возведения при строительстве высотных и многоэтажных жилых зданий, в том числе линейно протяженных, а также комплексов таких зданий. В этом случае изготовление сборных элементов может быть организовано на приобъектном полигоне, расположенном в зоне действия монтажного крана. Бетонирование монолитных конструкций на рабочем горизонте и изготовление сборных конструкций осуществляется с использованием установки ТВОБС. Этот вариант дает значительный экономический эффект по совокупным затратам всех видов ресурсов. Ускоренный набор прочности бетона из термовиброобработанных смесей плюс большая повторяемость конструктивных элементов (кратность до тысячи раз) дают возможным применения одной и той же установки ТВОБС для возведения монолитных и для изготовления сборных в 1-ую и 2-ую смену cootветственно; а элементы приобъектного полигона выполнять инвентарными, при этом исключается транспортирование конструкций и становится реальным изготовление и монтаж негабаритных изделий, размерами исходя из грузоподъемности крана. Исключается спецтранспорт для их доставки, перевозящий, по сути, воздух (1-2 изделия), и стропальщик. По данным Владпромстройпроекта, сооружение полигона по производству ЖБИ почти в 6-7 раз дешевле, чем строительство завода той же производительности [3].
Все это свидетельствует о возможности и целесообразности использования элементов заводской технологии в построечных условиях. При этом появляется возможность преимущественного применения сборных элементов, независимо от места их изготовления (на заводе или на приобъектном полигоне), органически сочетать с достоинствами монолитного бетона.
Опыт работы зарубежных фирм по строительству городков для военнослужащих, например в Белоруссии, свидетельствует о целесообразности возведения в зоне действия крана сборно-разборного временного производственного отапливаемого здания, в котором размещены арматурный и формовочный участки. Такое решение в сочетании с наличием мобильного бетоносмесительного узла, находящегося на балансе подрядной организации и обслуживающего комплекс возводимых объектов, позволит повысить оперативность и независимость материально-технического обеспечения по основным позициям сборно-монолитного и монолитного домостроения.
