Содержание к диссертации
Введение
1 Общие сведения о промышленных полах 11
1.1 Основные виды полов в производственных помещениях 12
1.2 Свойства полов и эксплуатационные характеристики 19
1.3 Подбор рациональной конструкции и технология укладки бетонных полов 21
1.4 Повышение эффективности бетонов для промышленных полов 25
1.5 Фибробетоны для полов 32
1.6 Выводы 33
2 Методы исследований и применяемые материалы 35
2.1 Методы исследований 35
2.1.1. Исследование морфологических особенностей микроструктуры с помощью РЭМ 35
2.1.2. Определение водо- и цементопотребности заполнителей бетона 37
2.1.3. Изучение свойств бетонных смесей 39
2.1.4. Определение призменной прочности и модуля упругости и коэффициента Пуассона 41
2.2 Применяемые материалы 46
2.2.1. Заполнитель 46
2.2.2. Вяжущее 46
2.2.3. Вода 48
2.2.4. Стальная фибра 48
2.3 Вывод 51
3 Теоретические основы проектирования композиционных вяжущих для полов 53
3.1 Основные виды дефектов бетона и причины их образования
3.1.1 Технологическая классификация дефектов бетона 56
3.1.2 Разновидности дефектов пола промышленных зданий ... 60
3.1.3 Требования к бетонам для тяжелонагруженных полов... 63
3.2 Мелкозернистый бетон - наиболее рациональный бетон для проектирования и ремонта промышленных
полов 65
3.3. Расчет высокоплотной упаковки зерен мелкозернистого бетона, в том числе армированного стальной фиброй 68
3.3.1. Бимодальные упаковки и методика расчета высокоплотных зерновых составов 70
3.3.2. Методика расчета гранулометрического состава полидисперсной смеси с высокоплотной упаковкой в ней зерен 72
3.4 Факторы влияющие на процесс структурообразования высококачественного бетона 75
3.5 Выводы 83
4 Повышение эффективности бетонов для тяжелонагруженных полов 85
4.1 Исследование физико-механических свойств композиционных вяжущих 85
4.2 Повышение эффективности фибробетона за счет использования техногенного сырья 90
4.3 Мелкозернистый бетон с дисперсным армированием 94
4.3.1 Свойства армирующих волокон 94
4.3.2 Сталефибробетон 102
4.3.3 Сталефибробетон для промышленных полов 105
4.4 Выводы 110
5 Внедрение и технико-экономическое обоснование 112
5.1 Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований 112
5.2 Технико-экономическое обоснование результатов исследований... 114
5.3 Оценка эффективности внедрения 116
5.4 Технико-экономическое обоснование проекта 127
5.5 Выводы 132
Основные выводы 134
Библиографический список
- Повышение эффективности бетонов для промышленных полов
- Определение призменной прочности и модуля упругости и коэффициента Пуассона
- Разновидности дефектов пола промышленных зданий
- Мелкозернистый бетон с дисперсным армированием
Повышение эффективности бетонов для промышленных полов
Классификация промышленных полов по видам материалов.
Бетонные полы устраивают в цехах с повышенной влажностью, при попадании на пол минеральных масел и органических растворителей. Они обладают высокой прочностью против механических воздействий вследствие интенсивного движения транспорта, падения предметов и др. Их устраивают из бетонов классов В15 - В40. В большинстве случаев толщина бетонного покрытия является достаточной от 20 до 50 мм. Бетонные полы, как правило, устраивают из двух или трех слоев бетона (рис. 1.3, а) [6].
Для получения необходимых качественных характеристик и снижения трудозатрат при устройстве бетонных полов используют различные составы покрытий. Существует множество различных способов защиты бетонных полов, которые используются в обычном режиме и подвергаются износу при эксплуатации [7]. Так, для улучшения эстетических и гигиенических качеств устраивают мозаичное покрытие, для чего в бетон добавляют пигменты или крошку и песок мозаичного состава, содержащие мрамор, базальт, гранит и др. Поверхность такого пола, как правило, шлифуют. Для повышения прочностных качеств бетонных полов покрывочный слой устраивают из смеси цемента и металлических добавок. Смесь из цемента и металлического порошка или окалины втирают в незатвердевшую поверхность бетона с помощью механических заглаживающих устройств. В результате образуется пол с бронированной поверхностью, высокопрочный и стойкий к износу (рис. 1.3, б). Толщина упроченного верхнего слоя достаточна от 3 до 6 мм. Расход металла у таких полов в 5 раз меньше, чем у полов из металлических плит. Для устройства металлобетонных полов могут быть использованы стальные и чугунные стружки и опилки размером до 5 мм.
Для механизации устройства бетонных полов и снижения доли ручного труда используют различные способы бетонирования (виброуплотнение, вибровакуумирование и др.) и бетонные смеси с более высокими пластическими свойствами. Высокопластичные бетонные смеси, получаемые введением в бетон суперпластификаторов (различные полимерные добавки), требуют значительно меньших затрат ручного труда для распределения их по площади бетонирования. К числу существенных недостатков бетонных полов следует отнести: нестойкость против воздействия кислот и щелочей, пыльность и непривлекательный внешний вид.
Полы с покрытиями из бетонов на основе жидкого стекла {силикатные полы), кроме жаростойкости, обладают хорошей стойкостью против зоздействия серной, соляной, азотной, уксусной и других кислот, а также растворов солей кислотной реакции. Силикатные покрытия устраивают толщиной 30 - 50 мм. Для повышения прочности на кислотостойкое покрытие наносят слой лака, который защищает поверхность пола от разрыхления и вымывания жидкого стекла (рис. 1.3, в) [8-11].
Асфальтобетонные покрытия выполняют из смеси битума с минеральным порошком, песком, щебнем или гравием (рис. 1.3, г). Крупность щебня или гравия не должна превышать 20 мм. Асфальтобетонные покрытия полов толщиной 25 - 50 мм применяют в мокрых зонах здания без воздействия органических растворителей, горячей воды, с умеренным движением. Такие покрытия не допускают движение транспорта на гусеничном ходу, а также значительные удары. Асфальтобетонные покрытия устраивают по гравийным, щебеночным и бетонным подстилающим слоям.
В работе Руденского А.В. [12] рассмотрены основные способы повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, в том числе путем включения в состав конструкций трещинопрерывающих прослоек в виде армирующих геосеток или прослоек мембранного типа, а также путем повышения трещиностойкости самого асфальтобетона.
Гладкая бесшовная матовая поверхность относится к наливным полам. Толщина таких полов может варьироваться, что помогает при необходимости сгладить не слишком существенные дефекты основания, и позволяет избежать подготовительной обработки. У наливных полов хорошая устойчивость к истиранию, агрессивным средам, а так же влагостойкость. Данные полы применяются в помещениях, где механические нагрузки небольшие, а вот санитарно-гигиенические требованиями достаточно высоки. Наливные полы прекрасно подойдут для пищевых цехов, лабораторий и сборочных цехов электронной промышленности.
В зависимости от вида полимеров, входящих в состав напольных покрытий, выделяют несколько видов наливных полов: эпоксидные, полиуретановые, эпоксидно-уретановые, метилметакрилатные и др.[13-18].
Конструкция таких полов включает бетонный подстилающий слой (перекрытие), стяжку и покрытие из наливного или мастичного состава (рис. 1.3, д, е) [19,20].
Окрасочные полы не подходят для использования в помещениях, где высоки механические нагрузки. Они применяются там, где необходимо соблюдать гигиенические и санитарные нормы. А так же в помещениях, где важная роль отводится эстетическому комфорту: полимерное покрытие поверхностного слоя прекрасно подходит для декорирования полов [21].
В целом же эксплуатационные свойства пола определяет качество основания, на которое наносят покрытие. От его прочности, ровности и отсутствия трещин зависит срок службы окрасочных полов. Ведь толщина их поверхностного слоя не превышает 0,3 мм. Однако его свойства таковы, что поверхностный слой способен защитить бетонные полы, металлические или цементно-полимерные наливные полы от химического воздействия агрессивных сред (кислот, щелочей), влаги и пыления.
По результатам многочисленных работ [22, 23, 24, 25]. При создании полов упрочненных сухими смесями применяется одна из новейших технологий. Суть ее такова: на стадии бетонирования в верхний слой бетона добавляются сухие упрочнители (смесь твердых износостойких наполнителей, высокопрочного портландцемента, различных добавок и фракций — топпинг). Если существует необходимость декорирования помещения, в смесь добавляют цветные упрочнители, важными элементами которых являются синтетические или минеральные пигменты.
Определение призменной прочности и модуля упругости и коэффициента Пуассона
Начальное усилие обжатия образца, которое в последующем принимают за условный нуль, должно быть не более 2 % от ожидаемой разрушающей нагрузки.
Значение ожидаемой разрушающей нагрузки при испытании образцов устанавливают по данным о прочности бетона, принятой в технической документации, или по прочности на сжатие изготовленных из одного замеса образцов-кубов, определенной в соответствии с ГОСТ 10180 - 90. Ее значение при одинаковых сечениях кубов и призм следует принимать от 80 до 90 % от средней разрушающей нагрузки образцов-кубов.
При центрировании образцов необходимо, чтобы в начале испытания от условного нуля до нагрузки, равной (40 ± 5 %) Рр отклонения деформаций по каждой грани (образующей) не превышали 15% их среднего арифметического значения.
При несоблюдении этого требования при нагрузке, равной или большей (15 ± 5 %) Рр, следует разгрузить образец, сместить его относительно центральной оси разметки плиты пресса в сторону больших деформаций и вновь произвести его центрирование. Образец бракуют после пяти неудачных попыток его центрирования.
При определении призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона бетона нагружение образца до уровня нагрузки, равной (40 ± 5 %) Рр, следует производить ступенями, равными 10 % ожидаемой разрушающей нагрузки, сохраняя в пределах каждой ступени скорость нагружения (0,6 ± 0,2) МПа/с.
На каждой ступени следует производить выдержку нагрузки от 4 до 5 мин (при нагреве до 15 мин) и записывать отсчеты по приборам в начале и в конце выдержки ступени нагрузки.
При уровне нагрузки, равной (40 ± 5 %) Рр, снимают приборы с образца, если нет других требований, предусмотренных программой испытания. После снятия приборов дальнейшее нагружение образца следует производить непрерывно с постоянной скоростью в соответствии с требованием ГОСТ 10180 -90.
Призменную прочность Rnp вычисляют для каждого образца по формуле К«р = р (2.5) где Рр - разрушающая нагрузка, измеренная по шкале силоизмерителя чресса (машины); F - среднее значение площади поперечного сечения образца, определяемое по его линейным размерам по ГОСТ 10180 - 78. Модуль упругости Е вычисляют для каждого образца при уровне нагрузки, составляющей 30 % от разрушающей, по формуле: (2.6) где 0\ = P\IF - приращение напряжения от условного нуля до уровня внешней нагрузки, равной 30 % от разрушающей; Р\ — соответствующее приращение внешней нагрузки; Єіу - приращение упруго-мгновенной относительной продольной деформации образца, соответствующее уровню нагрузки Р\ = 0,ЗРр и замеренное в начале каждой ступени ее приложения, которое определяется по формуле 2.7.
В пределах ступени нагружения деформации определяют по линейной интерполяции. Коэффициент Пуассона бетона вычисляют для каждого образца при уровне нагрузки, составляющей 30 % разрушающей. / = -— (2.7) где є2у - приращение упруго-мгновенной относительной поперечной деформации образца, соответствующее уровню нагрузки Р\ = 0,З.Рр и замеренное в начале каждой ступени ее приложения, которое определяется по формулам 2.8, 2.9.
Значения Єіу и є2у определяют по формулам: \у = 1"2 (2-8) где Єї и є2 - приращение полных относительных продольных и поперечных деформаций образца, соответствующие уровню нагрузки Pi = 0,ЗРр и замеренные в конце ступени ее приложения; Y єІП и J є2п приращения относительных продольных и поперечных деформаци быстронатекающей ползучести, полученные при выдержках нагрузки на ступенях нагружения до уровня нагрузки Pi = Q,3Pp.
Приращения относительных продольных и поперечных деформации вычисляют как среднее арифметическое показаний приборов по четырем граням призмы или трем-четырем образующим цилиндра. Значения относительных деформации определяют по формулам: Sl=MJl1, (2.10) є2 = Л/2//2, (2.11) где Alj, Alj - абсолютные приращения продольной и поперечной деформации образца, вызванные соответствующим приращением напряжений; h, h - фиксированные базы измерения продольной и поперечной деформации образца. При использовании тензорезисторов и других аналогичных приборов, шкалы которых проградуированы в относительных единицах деформаций, величины Ej и е2 определяют непосредственно по шкалам измерительных приборов.
Разновидности дефектов пола промышленных зданий
Как правило, промышленные полы (бетонные полы, наливные полы и т. п.) используются там, где высока интенсивность людских и транспортных потоков, а так же степень химических и физических воздействий. В условиях, где работа связана с постоянной вибрацией от оборудования, либо сильным химическим воздействием агрессивных сред, или сильным механическим нагрузкам, применяются особые виды промышленных полов.
Для того чтобы обеспечить промышленным полам надлежащую функциональность и долговечность, необходимо правильно определить требования к этим покрытиям. И, лишь исходя из них, выбрать вид покрытия и необходимые материалы для его устройства.
Тип защитного покрытия и технологии его создания зависит от множества факторов: - долговечности полов (она может составлять от 1 ... 20 лет); - режима работы предприятия (сменное или круглосуточное). - степени механических нагрузок в случае, если по территории объекта передвигаются погрузчики, электрокары и автомобили, стоят тяжелые станки либо используются тяжелые предметы; - степени химических нагрузок (проливы кислот, масел и щелочей, повышенная влажность); - степени термических нагрузок, возникающих в результате резкой перемены температуры вблизи от высокотемпературных печей, воздействия разогретых жидкостей или предметов, неподалеку от внешних проёмов здания. Кроме того, при эксплуатации низкотемпературных промышленных складов-холодильников так же необходимо выбирать особые промышленные полы. Тем более, что существуют наливные полы, которые выдерживают температурные колебания от - 40С до + 1200С; - качества бетона для основы или бетонных полов, которое определяется маркой цемента в диапазонах Ml50 ... М400; - гигиеничности. Существуют легко очищающиеся покрытия, способные че впитывать загрязнения; - декоративности. Ряд промышленных полов имеет глянцевые, матовые и шероховатые эффекты поверхности, а так же разнообразие цветовых решений; - наличия гидроизоляции (рулонной, полимерной, проникающей); - наличия загрязнений (как внутри, так и снаружи бетонного основания); - влажности бетонного основания.
Основными качествами промышленных полов считается устойчивость ко всем типам химического и физического воздействия, их ровность и долговечность. Но все же, проектировщики полов должны учитывать климатические условия, интенсивность будущих нагрузок, а также свойства подстилающих грунтов. 3.2 Мелкозернистый бетон с использованием композиционного вяжущего - наиболее рациональный бетон для проектирования тяжелонагруженных промышленных полов
Промышленное строительство это область строительства, занимающаяся созданием основных фондов промышленности, включая выполнение комплекса строительных и монтажных работ, связанных с введением новых, расширением и модернизацией существующих промышленных предприятий.
Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом характера производственных воздействий на них, а также требований, выполнение которых обеспечит эксплуатационную надежность и долговечность пола. Одними из основных материалов для проектирования и ремонта полов промышленных зданий являются различные виды бетона и раствора[107 -110].
В ряде случаев необходимо восстановление или упрочнение действующих бетонных и железобетонных конструкций. Эта задача может успешно решаться при изменении технологии пропитки бетона.
При ремонте важное значение имеет сцепление старого и нового бетона. Для улучшения сцепления необходимо применять особую обработку поверхностных слоев старого бетона и применение нового бетона с повышенными адгезионными свойствами.
Для обеспечения хорошего сцепления необходимо применять безусадочные и расширяющиеся бетоны. Поскольку при применении специальных добавок деформации бетона без нагрузок будут зависеть от дозировки добавки, состава бетона и условий твердения необходимо применять специальные методики прогнозирования свойств бетона с управляемыми деформациями для обеспечения оптимального результата.
Мелкозернистый бетон с дисперсным армированием
Не все волокна отвечают требованиям, которые предъявляются к арматуре бетонов. Здесь, прежде всего необходимо учитывать такие показатели, как прочность, деформативность, химическая стойкость армир ющего материала, его адгезия к бетону, коэффициент линейного расширения и т. д. Важное значение имеют также вопросы стоимости армирующих материалов и объемы их производства, которые в ряде случаев играют решающую роль. Например, известны идеальные волокна в виде нитевидных монокристаллов (так называемые "усы"), характеризующиеся чрезвычайно высокими прочностью на разрыв и модулем упругости, большой устойчивостью к различным средам. Однако производство этих волокон даже в промышленно развитых странах пока ограничено. В то же время такие распространенные и освоенные промышленностью многих стран волокна, как капрон, нейлон и др., не могут быть эффективно использованы в качестве несущей арматуры, главным образом из-за более низких (по сравнению с бетоном) значений модуля деформации.
В настоящее время используются в основном три вида армирующих волокнистых материалов: волокна (фибры) в виде коротких отрезков тонкой стальной проволоки, стеклянные волокна и волокна на основе полипропилена. Эти материалы различаются по своим свойствам, поэтому к решению вопросов их применения в качестве арматуры необходимо подходить дифференцированно. Наиболее эффективной в конструкционном отношении является стальная фибровая арматура, модуль упругости которой примерно в 6 раз превышает модуль упругости бетона. Элементарные стеклянные волокна диаметром 8 ... 10 мкм по прочности соответствуют высокоуглеродистой холоднотянутой проволоке (1800 ... 2500 МПа), а по плотности в 3,5 раза легче. Модуль упругости стекловолокнистых материалов ниже, чем стали, но примерно втрое превышает модуль упругости бетона и в среднем в 6 раз больше модуля упругости гипсового камня. Это предопределяет реальные возможности применения стеклянных волокон в качестве эффективного армирующего материала.
Синтетические волокна на основе полипропилена характеризуются повышенной деформативностью. Модуль упругости таких волокон составляет не более 1/4 модуля упругости обычных бетонов. Поэтому волокна из полипропилена вряд ли могут выполнять роль эффективной несущей арматуры для бетонов. Их применение даст возможность решить вопросы, связанные прежде всего с дополнительным (конструктивным) армированием: для предотвращения повреждений и выколов в бетоне при транспортировании и монтаже изделий, частичного повышения ударной прочности, сопротивления истиранию и т.д. [156 - 162].
Таким образом, как и при традиционном армировании эффективность работы волокон в конструкциях в значительной мере должна определяться степенью их деформативности. Поэтому предложено разделять волокна на два типа [163]: низкомодульные (нейлоновые, полиэтиленовые, полипропиленовые) с характерным для них большим относительным удлинением при разрыве и высокомодульные (стальные, стеклянные, базальтовые, углеродные). В первом случае при армировании следует ожидать в основном повышение ударной вязкости бетона, во втором — может быть достигнуто также увеличение прочности бетона при растяжении, жесткости и сопротивления динамическим воздействиям.
По мнению многих специалистов, возможности применения в качестве армирующего материала такого распространенного и хорошо известного природного заполнителя, каким являются волокна асбеста, в значительной мере ограничены из-за относительно малой длины этих волокон и трудностей их распушки. Необходимо учитывать также ограниченность природных запасов высококачественных асбестов, что повышает интерес специалистов к работам по изысканию новых видов эффективных армирующих материалов (табл. 4.7) [164].
Исследования показали [165], что для улучшения качества бетонных изделий могут быть эффективно использованы углеродные волокна. Они не подвергаются коррозии в гидратирующемся цементе, заметно повышают прочность цементного камня на растяжение и модуль его упругости. Однако стоимость углеродных волокон значительно превышает стоимость стальных и стеклянных волокон, поэтому использование их в качестве арматуры требует специального обоснования. Наибольший практический интерес представляет рассмотрение свойств стальных и минеральных (стеклянных, базальтовых) волокон, а также некоторых видов волокон органического происхождения.
Стальные волокна. Металлические волокна-фибры применяемые в качестве арматуры, изготавливаются различными способами: резкой на отрезки заданной длины тонкой стальной проволоки, рубкой тонкого стального листа, фрезерованием специальных металлических заготовок-слябов, формованием (экструдированием) из расплава. Фибры могут иметь различную конфигурацию поперечного сечения: круглую, прямоугольную или треугольную, трапециевидную.
Наибольшее применение для армирования бетонов получают нарезанные из проволоки фибры диаметром 0,3... 1,6 мм и длиной от 30 до 160 мм. Обычно используется стальная низкоуглеродистая проволока общего назначения ГОСТ 3282 - 74 (с изм.). Для повышения прочности сцепления с бетоном фибры из проволоки могут иметь периодический профиль, отгибы на концах или волнистое очертание. Получают применение также плоские стальные фибры сечением 0,15 ... 0,4 на 0,25 ... 0,9 мм из металлической фольги, лент, листов, пластин или сплющенной круглой проволоки.
Объемы промышленного производства тонкой стальной проволоки составляют сравнительно незначительную часть (примерно 2,5 ... 3,0 %) общего объема производства арматурной стали. Поэтому достаточно актуальными являются вопросы расширения производства стальной проволоки необходимых параметров для получения фибровой арматуры, что, в свою очередь, может привести к соответствующему сокращению расхода традиционных сортаментов арматурной стали.
Фибры из стального листа (холоднокатаная сталь марок Ст08КП, СтЮ, 20, 30 и 40) толщиной 0,5 ... 1 мм, длиной 20 ... 60мм имеют торцы, повернутые относительно друг друга, при этом продольная ось фибр искривлена по пологой винтовой линии. На продольных гранях фибр наносят периодический профиль для повышения сцепления с бетоном. Их прочность на растяжение 380 - 650МПа. Производство подобных фибр освоено в Челябинске, Магнитогорске, Москве.