Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы в обеспечении эксплуатационных свойств специальных сооружений 21
1.1 Сооружения специального строительства 21
1.2 Системы герметизации специальных сооружений 29
1.3 Стыки в ограждающих конструкциях специальных сооружений, как объекты герметизации 32
1.4 Факторы, влияющие на газопроницаемость бетона в стыках и местах контакта с металлом закладных деталей 36
1.5 Анализ свойств и технологий сталефибробетона, как пер
спективного композиционного материала для защитных и ог
раждающих конструкций сооружений 39
1.6 Существующие проблемы герметизации дефектных мест в ограждающих конструкциях и способы их решения 63
1.7 Обоснование цели работы и направлений исследований 69
2 Теоретическое обоснование процессов образования трещин в бетоне стыков с гранями сборных изделий и металлическими конструкциями 75
2.1 Объемные деформации усадки бетона при его твердении 75
2.2 Процесс трещинообразования в бетоне стыков между сборными конструкциями 83
2.3 Процесс трещинообразования в бетоне на контакте с металлом закладных деталей 90
2.4 Оценка газопроницаемости материалов и элементов ограждающих конструкций специальных сооружений 96
2.5 Выводы 100
Научная концепция о роли дискретной арматуры в улучшении структуры и прочностных свойств сталефибробетона 101
3.1 Классификация дисперсно-армированных строительных композиционных материалов и место в ней сталефибробетона 101
3.2 Роль армирующего компонента в структурообразовании сталефибробетона 105
3.3 Контактная зона взаимодействия системы «бетон-стальное волокно», межфибровые расстояния и рациональная степень дисперсного армирования бетонной матрицы сталефибробетона 129
3.4 Оптимальные геометрические размеры (геометрический фактор) стальных волокон для дисперсного армирования бетонной матрицы 135
3.5 Прочностные характеристики сталефибробетона, как критерии оценки дисперсного армирования бетонной матрицы 140
3.6 Выводы 157
Результаты экспериментальных исследований параметров структурообразующих и технологических факторов, влияющих на свойства стале фибробетона 159
4.1 Оценка влияния характеристик заполнителя на структуру бетонной матрицы и прочностные свойства сталефибробетона 159
4.2 Влияние геометрических размеров стальных волокон на межфибровые расстояния и степень дисперсного армирования 162
4.3 Принципы и критерии оценки сцепления стальных волокон с бетонной матрицей 168
4.4 Реологическая модель процесса ввода мелкозернистой бетонной смеси в фиброкаркас 173
4.5 Активация мелкозернистой бетонной смеси для ввода в фибро- 178
каркас методами литья и вибролитья
4.6 Оценка удобоукладываемости мелкозернистой бетонной смеси в фиброкаркасах 181
4.7 Влияние пластифицирующих добавок на свойства бетонных смесей, используемых при изготовлении сталефибробетона 188
4.8 Выводы 193
Технология изготовления сталефибробетона и конструкций защитных сооружений из него способами раздельной укладки компонентов 195
5.1 Исходные материалы и требования к ним 195
5.2 Методика проектирования и расчета параметров фиброкаркаса и состава мелкозернистого бетона, как матрицы сталефибробетона 203
5.3 Предлагаемые разновидности технологии изготовления сталефибробетона и конструкций из него с раздельной укладкой компонентов 212
5.4 Выводы 232
Оценка влияния параметров структурообразующих компонентов на прочностные, деформативные и другие свойства сталефибробетона 234
6.1 Методики экспериментальных исследований свойств сталефибробетона 234
6.2 Результаты исследований планируемого полного трехфактор-ного эксперимента по оценке основных свойств сталефибробетона 243
6.3 Определение степени влияния на прочностные свойства сталефибробетона геометрических размеров стальных волокон 255
6.4 Прочностные и деформативные свойства высокоармированно-го сталефибробетона (цу = 5%), изготовленного по технологии раздельной укладки компонентов, при статическом и динамическом нагружениях 259
6.5 Усадка сталефибробетона 278
6.6 Воздухопроницаемость сталефибробетона в местах контакта с другими материалами в ограждающих конструкциях сооружений 282
6.7 Воздухопроницаемость сталефибробетона при изгибе конструкции 287
6.8 Выводы 290
Физические закономерности процесса задежи
7 Трещин в бетоне магнитными герметизирующими композициями 292
7.1 Физическая сущность процесса уплотнения дефектных мест магнитными герметизирующими композициями 292
7.2 Оксидно-бариевые магниты и системы из них, как источники локального магнитного поля на плоских поверхностях закладных деталей 297
7.3 Расчет магнитной цепи постоянного магнита 305
7.4 Особенности расчета параметров магнитного поля и втягивающей силы в магнитной системе с электромагнитом 309
7.5 Основные принципы проектирования магнитных систем из пластинчатых оксидно-бариевых магнитов 312
7.6 Выводы 314
8 Магнитные герметизирующие композициии и технология уплотнения дефектных мест 315
8.1 Требования к магнитным герметизирующим композициям 315
8.2 Составы магнитных герметизирующих композиций 317
8.3 Параметры магнитного поля в неплотностях мест контакта бетона с металлическими закладными деталями 319
8.4 Результаты экспериментальных исследований процесса нагнетания в дефектные места магнитных герметизирующих композиций 330
8.5 Технология герметизации неплотностей в ограждающих конструкциях магнитными герметизирующими композициями под воздействием локального магнитного поля 334
8.6 Выводы 338
Полигонные испытания и технико-экономическая эффективность применения сталефибробетона 339
9.1 Результаты испытаний сталефибробетонных плит на действие макетов кумулятивного заряда и прострел моделью снаряда 340
9.2 Оценка газопроницаемости стыков между сборными конструкциями до и после воздействия ударной взрывной волны 349
9.3 Оценка технической и экономической эффективностей использования сталефибробетона в защитных конструкциях противовзрывных кабин 358
9.4 Техническая и экономическая эффективности применения сталефибробетона для заделки стыков между сборными конструкциями в специальных сооружениях 365
9.5 Выводы 372
Общие выводы 374
Библиографический список
- Сооружения специального строительства
- Процесс трещинообразования в бетоне на контакте с металлом закладных деталей
- Роль армирующего компонента в структурообразовании сталефибробетона
- Оценка влияния характеристик заполнителя на структуру бетонной матрицы и прочностные свойства сталефибробетона
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время важные промышленные объекты экономики должны соответствовать установленным требованиям по устойчивости их функционирования не только в обычном режиме, но и в условиях чрезвычайных ситуаций военного и мирного времени, как при воздействии различных средств поражения, так и при возникновении аварий техногенного характера.
Значительную роль в решении проблемы устойчивого функционирования промышленных объектов в чрезвычайных ситуациях военного и мирного времени играют защитные сооружения гражданской обороны: убежища, пункты управления, укрытия резервных источников электроэнергии и другие. Они позволяют в случае воздействия разнообразных поражающих факторов снизить, а в отдельных случаях и полностью исключить людские потери, сохранить находящиеся в сооружениях технические и инженерные системы.
Аналогичную функцию по защите личного состава Вооруженных Сил, техники и вооружения выполняют специальные фортификационные сооружения: командные пункты, приемно-передающие радиоцентры, пусковые ракетные и космические комплексы, укрытия.
В процессе эксплуатации к ограждающим строительным конструкциям специальных сооружений предъявляется ряд требований:
они должны быть прочными и устойчивыми, т.е. их материал должен обладать соответствующим сопротивлением знакопеременным динамическим нагрузкам (в том числе и взрывным);
материал внутренних поверхностей не должен быть источником вторичных поражающих факторов от взрывных нагрузок при откольных явлениях;
материал ограждающих конструкций должен обладать достаточным сопротивлением газопроницанию, как средством защиты от затекания во
внутрь сооружения вредной наружной газовой среды с продуктами распада радиоактивных элементов и вредных химических веществ при воздействии средств поражения, а также при технических авариях и катастрофах природного характера.
Нарастающие темпы создания и производства новых видов ракетно-ядерного, химического и бактериологического оружия, а также постоянный рост числа аварий техногенного характера, требуют дальнейшего развития теории и практики обеспечения «живучести» сооружений специального строительства.
До сих пор основным материалом для возведения ограждающих строительных конструкций специальных сооружений является бетон. Однако, наряду с неоспоримыми достоинствами, такими, как простота изготовления, незначительная стоимость, высокая прочность на сжатие, он имеет много недостатков: хрупкость, низкую прочность при растяжении и изгибе, значительные усадочные деформации, большую газопроницаемость.
При существующих современных фугасных средствах поражения с кумулятивными предзарядами, а также при воздействии на сооружение высокоскоростных ракет и бомб, создание непроницаемого защитного контура герметизации в ограждающих конструкциях из железобетона является проблематичной задачей, так как в мелкозернистом бетоне, применяемом для заполнения полостей стыков между сборными изделиями, а также в бетоне на контактах с металлом в местах пропуска через стены и покрытие металлических деталей входных устройств и инженерных коммуникаций при воздействии температурных, осадочных и усадочных деформаций, возникают значительные дефектные образования в виде трещин и пустот (из-за его низкой прочности на растяжение), через которые во внутреннее пространство сооружения затекает вредная наружная газовая среда.
Успехи в области строительного материаловедения за последние годы позволили создать ряд новых композиционных материалов, уровень свойств которых несравненно выше уровня свойств традиционных бетонов. К таким
материалам в первую очередь относится мелкозернистый бетон с дисперсной арматурой из отрезков стальной проволоки диаметром 0,3 ... 1,0 мм. Данный материал в строительной науке получил название сталефибробетон.
Интерес к сталефибробетону возник в связи с тем, что он обладает высокой трещиностойкостью, существенной прочностью на растяжение и изгиб, значительной сопротивляемостью воздействию динамических нагрузок (в том числе взрывных), большой стойкостью к действию высоких и низких температур, малой усадкой в процессе твердения. Авторы многочисленных работ утверждают, что традиционное дисперсное армирование мелкозернистого бетона короткими стальными волокнами (стальной фиброй) до 2,5% по объёму повышает его прочность на сжатие и растяжение в 1,2 ... 1,3 и 2,5 ... 3,0 раза, соответственно, а трещиностойкость в 4 раза.
Ещё более высокие прочностные свойства имеет сталефибробетон, изготовленный по технологии с раздельной укладкой компонентов. Так, например, по результатам проведенных исследований прочность на растяжение у сталефибробетонных образцов, изготовленных указанным способом, по сравнению с контрольными неармированными образцами оказалась выше в 6 и более раз, а трещиностойкость в 8 раз.
Особо следует отметить высокое сопротивление указанного материала газопроницанию. Исследованиями установлено, что по сравнению с контрольным неармированным бетонным составом сопротивление газопроницанию сталефибробетона выше в 2,6 ... 3 раза.
Учитывая, что по сравнению с бетоном дисперсно-упрочненные материалы обладают более высокими прочностными характеристиками и малой газопроницаемостью, возникла научная идея о возможности их использования в качестве малопроницаемых конструкций на наружном и внутреннем контурах защиты и герметизации специальных сооружений. При этом ставилась задача по оценке пригодности сталефибробетона традиционного и нетрадиционного способов изготовления для заделки стыков между сборными конструкциями,
обрамления металлических закладных деталей входов и вводов коммуникаций, а также возможности уплотнения дефектных образований в бетоне на контакте с металлическими конструкциями магнитными герметизирующими композициями под воздействием внешнего локального магнитного поля, так как применяемые до сих пор материалы и методы заделки стыков не обеспечивают требуемой степени защиты и герметичности специальных сооружений.
Ещё одной нерешённой проблемой в области строительства специальных сооружений в настоящее время являются откольные явления с внутренних поверхностей ограждающих конструкций, которые возникают от воздействия на них обычных и других средств поражения. Указанную задачу можно решить путём возведения ограждающих железобетонных конструкций специальных сооружений с элементами несъёмной опалубки из сталефибробетона. Несъёмная фибробетонная опалубка для стен и покрытия сооружения способна предотвратить откольные явления, которые в условиях воздействия становятся вторичными поражающими факторами, обеспечить снижение степени стержневого армирования и уменьшить газопроницаемость ограждающих конструкций.
Актуальность решения указанных выше проблем объясняется не только перечисленными ранее причинами, но и увеличением объема работ по строительству новых и реконструкции существующих специальных защитных сооружений, в которых, требуемая в современных условиях степень герметичности, может быть обеспечена только в случае замены в стыках и стыковых соединениях недостаточно прочного бетона на новые более стойкие к взрывным нагрузкам и менее проницаемые композиционные материалы и герметизирующие составы.
В соответствии с вышесказанным, целью работы являлось решение научных и практических проблем по созданию стойких к динамическим нагрузкам и газопроницанию дисперсно-упрочненных композиционных
материалов для конструкций сооружений специального строительства на цементной основе с армирующими компонентами из отрезков стальных волокон и зернистого ферромагнитного наполнителя.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1 Произвести анализ причин образования дефектных мест в
ограждающих конструкциях специальных сооружений. Сделать оценку
прочностных свойств и газопроницаемости материалов традиционных
ограждающих конструкций, используемых для создания наружных и
внутренних контуров защиты и герметизации специальных сооружений.
Определить основные закономерности формирования структуры высокопрочных, малопроницаемых композиционных материалов с арматурой из отрезков стальных волокон и матрицей из мелкозернистого бетона, для изготовления из них стойких к динамическим нагрузкам и газопроницанию ограждающих конструкций специальных сооружений на внешнем и внутреннем контурах защиты и герметизации.
Развить теорию и разработать методику расчета оптимальных параметров дисперсного армирования мелкозернистого бетона из отрезков стальных волокон для проектирования состава сталефибробетона, как материала ограждающих конструкций специальных сооружений, с заранее заданными прочностными свойствами.
4 Разработать новую технологию изготовления, стойкого к дина
мическим нагрузкам и газопроницанию высокопрочного сталефибробетона
для изготовления из него элементов ограждающих конструкций
специальных сооружений на внешнем и внутреннем контурах защиты и
герметизации. По разработанной технологии организовать опытное
производство сталефибробетонных конструкций и изделий.
5 Выполнить лабораторные исследования образцов, стендовые и полигонные испытания натурных экспериментальных конструкций из
сталефибробетона для определения зависимости прочностных, деформативных свойств и газопроницаемости дисперсно-упрочненных композиционных материалов от структурообразующих и технологических факторов при воздействии статических и динамических нагрузок.
. 6 Произвести оценку традиционных методов герметизации дефектных мест в бетоне ограждающих конструкций специальных сооружений на контактных поверхностях «металл-бетон».
Разработать технологию уплотнения трещин в бетоне на контакте с металлическими конструкциями магнитными герметизирующими композициями (МГК) на цементной основе с дисперсным армирующим компонентом из зернистого ферромагнитного наполнителя под воздействием внешнего локального магнитного поля. Исследовать способы создания эффективных магнитных систем. Определить оптимальные составы МГК, параметры технологических процессов уплотнения дефектных образований МГК.
Произвести оценку технической и экономической эффективностей применения стойкого к динамическим нагрузкам и газопроницанию сталефибробетона в качестве материала отдельных защитных элементов ограждающих конструкций специальных сооружений.
Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы» в Липецком государственном техническом университете. Часть экспериментальных исследований проводилась в Научно-Исследовательском Центре 26 Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны РФ в процессе выполнения НИР «Водослив», «Магнетизм», «Планета», «Фибра», «Тренога», «Дверь» и др. В работе над диссертацией автор опирался на научные труды отечественных и зарубежных ученых, таких как И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, О.Я. Берга, И.В. Волкова, В.П. Вылегжанина, А.А. Гвоздева, В.А. Заварова, В.Т. Ерофеева, П.Г. Комохова, О.В. Коротышевского, К.М. Королева, Б.А. Крылова, Л.Г. Курбатова, Г.Е. Лагутиной, И.А. Лобанова, И.М. Литвинова, Н.И. Макридина, Л.А. Малининой, К.В. Михайлова, В.П. Некрасова, Б.Е.
Огородникова, В.И. Павленко, Перцева В.Т., Ю.Б. Потапова, Ф.Н. Рабиновича, Ш.М. Рахимбаева, В.П. Романова, Г.С. Родова, В.П. Рыбасова, Б.Г. Скрамтаева, Соколовой Ю.А., Г.Н. Ставрова, B.C. Стерина, И.К. Суровой, В.П. Трамбовецкого, Т.К. Хайдукова, В.И. Харчевникова, Е.М. Чернышева, Шмитько Е.И., а также У. Брауна, Ф. Виттмана, А. Гриффитса, Э.В.А. Келли, Дж. Купера, А. Лосье, Ф. Макклинтона, Дж. Ромуальди, А. Скарендаля, Дж. Ханнанта, Л.Е. Хакмана, Г.С. Холистера, Дж. Эджингтона и др.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 На основе разработанной модели напряженного состояния структурных систем «стальное волокно-бетон», с учетом принятых допущений о кубической упаковке стальных волокон фиброкаркаса в бетонной матрице при их равномерном распределении и надежным сцеплении с ней:
- развиты существующие представления о закономерностях формиро
вания микро- и макроструктуры сталефибробетона, как гетерогенного тела
на стадии двух процессов: конструктивного, обусловленного гидратацией
цемента и деструктивного, характеризуемого возникновением при усадке в
стальных волокнах и прилегающих к ним слоях бетона внутренних напряже
ний, в результате чего волокна и бетон в матрице образуют преднапряжен-
ный фибробетонный каркас, обеспечивающий повышение прочности матери
ала и снижение его газопроницаемости.
- дополнена теория проектирования состава сталефибробетона с
заранее заданными свойствами и создана методика расчета оптимальных
параметров дисперсного армирования мелкозернистого бетона, учитыва
ющая предельные размеры межфибровых расстояний и ячеек фиброкаркаса;
критические значения геометрического фактора стальных волокон;
рациональные степени дисперсного армирования и оптимальные значения диа
метра волокон, в зависимости от технологии изготовления, прочности бетона и
стальных волокон;
определены границы и параметры преднапряженных контактных зон систем «стальное волокно-бетон», которые следует считать самостоятельными структурообразующими элементами, так как в них организуется связь между упрочняющими волокнами и бетоном, от которой в значительной мере зависят прочностные характеристики и газопроницаемость стале-фибробетона, а также другие физико-механические свойства материала;
сформулированы принципы, создана методика оценки параметров сцепления стальных волокон с бетонной матрицей по зависимостям условных касательных напряжений от взаимного смещения при работе разрушения и определены коэффициенты эффективности для каждого вида фибр по площади эпюр работы выдергивания стального волокна из бетонной матрицы с учетом технологии изготовления волокна и состояния поверхности.
2 В результате принятой гипотезы о возможности создания жесткого пространственного фиброкаркаса из стальных волокон, укладываемых в форму, с организацией ввода мелкозернистой бетонной смеси в фиброкаркасы разработаны две разновидности технологии изготовления сталефибробетона и конструкций из него способом раздельной укладки компонентов:
первая (а.с. СССР № 294055) - путем заполнения нижней части фиброкаркаса бетонной смесью с погружением в нее верхней части фиброкаркаса специальным штампом-пригрузом, в результате чего увеличивается объемная доля дисперсного армирования бетонной матрицы, повышается прочность материала, снижается его газопроницаемость;
вторая (патент РФ № 1728432) - путем обеспечения вибрацией всплытия жесткого фиброкаркаса в мелкозернистой бетонной смеси для образования на внутренних поверхностях конструкций дополнительного слоя дисперсной арматуры в виде густовыступающих из бетона концов стальных волокон, в результате чего обеспечивается их надежное сцепление с материалом заполнения и возникает возможность изготовления железобетонных ограждающих кон-
струкций специальных сооружений в несъемной фибробетонной опалубке с защитной противооткольной зоной.
На основе разработанной реологической модели мелкозернистой бетонной смеси, вводимой в фиброкаркасы по предложенным разновидностям технологии изготовления сталефибробетона способом раздельной укладки компонентов: выведена формула для определения напряжений сдвига мелкозернистой бетонной смеси при ее вводе в ячейки фиброкаркаса с различной степенью дисперсного армирования, численные значения которых находятся в прямой пропорциональной зависимости от степени дисперсного армирования, геометрического фактора стальных волокон и площади поперечного сечения потока смеси; получены теоретические расчетные и экспериментальные данные значений реологических и технологических свойств мелкозернистой бетонной смеси для ввода в ячейки фиброкаркаса с различной степенью дисперсного армирования; определены оптимальные режимы обработки мелкозернистой бетонной смеси в подготовительный период и в процессе ее ввода в фиброкаркасы.
Установлены зависимости основных прочностных, деформативных свойств и газопроницаемости высокоармированного сталефибробетона при воздействии статических и динамических нагрузок от структурообразующих и технологических факторов. Определены коэффициенты: динамического упрочнения сталефибробетона на сжатие и изгиб и коэффициенты газопроницаемости материала на контактных поверхностях с бетоном сборных изделий и металлическими конструкциями.
Предложен способ оценки трещиностойкости композиционных и других материалов по нагрузке начала трещинообразования, определяемой минимальным значением времени прохождения через материал ультразвукового сигнала на стыке фаз уплотнения и разрушения при ступенчатом нагружении образца в процессе растяжения при изгибе.
6 С учетом математической модели реологических процессов, объясняющей характер образования неплотностей в бетоне стыков на контактных поверхностях с другими материалами и поверхностями ограждающих конструкций в процессе воздействия на него растягивающих напряжений от деформаций усадки разработана технология герметизации уплотнения дефектных образований в бетоне на контакте с металлическими конструкциями магнитными герметизирующими композициями с тонкодисперсным ферромагнитным заполнителем под воздействием локального магнитного поля. При этом: определены принципы создания и расчета эффективных магнитных систем из оксидно-бариевых магнитов и электромагнитных устройств (традиционных и по а.с. СССР № 250580); выяснен механизм процесса намагничивания магнитных герметизирующих композиций (МГК) и металлов, используемых в качестве магнитопроводов-полюсников, позволивший установить оптимальные характеристики внешнего локального магнитного поля; определены оптимальные составы МГК и рациональные параметры процесса их нагнетания в дефектные образования.
Практическая значимость работы заключается в использовании научных результатов диссертации в решении прикладных задач, связанных с разработкой нормативной, проектной и технической документации для организации промышленного изготовления и внедрения в условиях строительного производства стойких к динамическим нагрузкам и газопроницанию композиционных материалов на цементной основе, дисперсно-упрочненных отрезками стальных волокон и зернистыми ферромагнитными наполнителями, а также конструкций из них с целью обеспечения требуемых защитных свойств сооружений специального строительства.
Реализация результатов диссертационной работы осуществлена в следующем виде.
1 В разработке:
- рекомендаций по заделке высокопрочным и малопроницаемым
сталефибробетоном стыков между сборными конструкциями специальных
сооружений (ведомственный нормативный документ ВСН 166-91 МО РФ);
- рекомендаций по герметизации дефектных образований в бетоне на контакте с металлическими конструкциями входных устройств и вводов инженерных коммуникаций в специальных сооружениях магнитными герметизирующими композициями под воздействием внешнего локального магнитного поля (ведомственный нормативный документ ВСН 166-91 МО РФ);
рекомендаций по использованию сталефибробетона при устройстве оснований под кровли воинских зданий и специальных сооружений (ведомственный нормативный документ ВСН 165-91 МО РФ);
рекомендаций по технологии изготовления сталефибробетонных конструкций защитных кабин от действия аварийных взрывов для предприятий снаряжающей промышленности (отчет по НИР шифр 4877 - ФД);
- проектов одно- и двухэтажных сооружений с конструкциями несъемной
опалубки из сталефибробетона по патенту РФ № 1728432: рабочие чертежи
шифры Э-0013 ЖД 1 и Э- 0013 ЖД 2 (заказчик ТУ КС МО РФ, исполнитель -
центральный проектный институт МО).
В организации опытного производства экспериментальных конструкций из высокопрочного сталефибробетона и возведении из них натурных фрагментов защитных сооружений на испытательных площадках НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ.
В использовании разработанной технологии герметизации дефектных образований в бетоне на контакте с металлическими изделиями магнитными герметизирующими композициями в ограждающих конструкциях на отдельных эксплуатируемых специальных сооружениях МО РФ.
5 Во внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс подготовки специалистов строительного профиля по курсу «Безопасность
жизнедеятельности» в Липецком государственном техническом университе
те.
\ Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации-
онной работы подтверждены:
корректностью постановки теоретических задач, принятых допущений, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований;
удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и
экспериментальных исследований;
4 - организацией опытного производства высокопрочных, малопроницаемых
сталефибробетонных конструкций по технологиям раздельной укладки компонентов (а.с. СССР № 294055 и патенту РФ № 1728432 ) в НИЦ 26 ЦНИИ МОРФ;
успешным использованием в реальных процессах герметизации ограждающих конструкций специальных сооружений МО РФ разработанных магнитных композиции и технологии уплотнения дефектных мест под воздействием внешнего магнитного поля с использованием устройств по а.с. СССР №250580, 1204737,1312179;
включением основных результатов работы в ведомственные нормативные документы (в Инструкции МО РФ: ВСН 165-91, ВСН 166-91);
успешными испытаниями конструкций из высокоармированного сталефибробетона на проницаемость и воздействие взрывных нагрузок на стендах и полигонах НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
разновидности технологии изготовления стойкого к динамическим нагрузкам и газопроницанию сталефибробетона и конструкций из него с раздельной укладкой компонентов по а.с. СССР № 294055 и патенту РФ № 1728432.
дополненная теория структурообразования сталефибробетона и разработанная методика расчета оптимальных параметров дисперсного армирования мелкозернистого бетона для проектирования состава сталефибробетона с за-
ранее заданными свойствами;
методика оценки параметров сцепления стальных волокон с бетонной матрицей по зависимостям условных касательных напряжений от взаимного смещения при работе разрушения, в процессе вытягивания из бетонной матрицы дискретных стальных волокон с учетом их геометрических размеров и состояния поверхностей, а также прочностных характеристик структурообразующих компонентов;
реологическая модель процесса ввода мелкозернистой бетонной смеси в фиброкаркас при изготовлении сталефибробетона по технологии с раздельной укладкой компонентов, объясняющая механизм ввода и, позволяющая оценивать напряжения сдвига бетонной смеси в момент ее тиксотропного разжижения при заполнении ячеек фиброкаркаса;
математический аппарат для оценки влияния параметров дисперсного армирования на прочностные характеристики сталефибробетона;
- результаты исследований влияния видов, количества, геометрии и
дисперсности армирующих компонентов, а также технологических свойств бе
тонной смеси на прочность, газопроницаемость и другие физико-механические
характеристики сталефибробетона, изготовленного по технологии с раздельной
укладкой компонентов, с объемной долей дисперсной арматуры в матрице в
диапазоне 1,5 ... 5% (с пригрузом до 9 %) из волокон с геометрическим факто
ром (отношением длины к диаметру) 90 ... 360;
эффективные тонкостенные конструкции несъемной опалубки из высокопрочного сталефибробетона по патенту РФ № 1728432;
технология герметизации дефектных образований в бетоне на контакте с металлом в ограждающих конструкциях сооружений магнитными герметизирующими композициями (МГК) под воздействием внешнего локального магнитного поля; оптимальные составы МГК;
принципы и методы конструирования высокопрочных и малопроницаемых волокнистых и дисперсно-упрочненных композиционных
материалов для ограждающих конструкций специальных сооружений с оценкой технико-экономической эффективности некоторых защитных и ограждающих конструкций.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на X научно-технической конференции в Ленинградском высшем военном инженерном строительном училище им. генерала армии А.Н. Комаровского (в ВИТУ), на VIII ленинградской конференции по бетону и железобетону, на семинарах в Санкт-Петербургском институте повышения квалификации работников Министерства энергетики, на совещаниях в техническом управлении капитального строительства МО, в научно-техническом комитете при Заместителе Министра обороны по строительству и расквартированию войск, на научно-технических конференциях в 26 ЦНИИ МО РФ, Липецком государственном техническом университете, Тульском государственном университете, на заседании кафедры строительного материаловедения Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 38 печатных работах, в том числе: в монографии, учебном пособии, методическом указании к лабораторной работе, двух ведомственных нормативных документах, 5 изобретениях, 19 статьях и 9 тезисах докладов на конференциях
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, заключения, 9 разделов, содержащих 404 страниц машинописного текста, включая 126 иллюстраций, 88 таблиц, список использованных источников литературы из 225 наименований. Кроме того, в диссертацию включено приложение на 10 страницах.
Сооружения специального строительства
Сооружения специального строительства - это сооружения гражданской обороны (ГО) и других ведомств, предназначенные для защиты укрываемого персонала, технологического оборудования жизнеобеспечения сооружений, средств связи и резервных источников энергоснабжения в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС) от обычных средств воздействия, оружия массового поражения, опасных и вредных поражающих факторов аварий и катастроф природного и Защита укрываемого персонала в условиях ЧС - сложный процесс. Однако, несмотря на разнообразие и специфичность ЧС, в каждом конкретном случае, как правило, используют три наиболее эффективных способа защиты: - комплекс заблаговременных мероприятий, направленных на полное исключение или частичное снижение опасности ЧС; - эвакуация населения из мест ЧС в безопасные районы; - строительство новых защитных сооружений и обеспечение функций постоянной готовности к защите техногенного характера [1 ... 6].
существующих сооружений [1 ... 5].
В зависимости от категорийности городов, промышленных и других объектов специальные сооружения по функциональному признаку предназначены: - для укрытия работающей смены производственного и управленческого персонала важных промышленных, энергетических объектов и пунктов связи; - населения в местах его большого скопления; - лиц административного аппарата управления страной, регионами и командования крупными войсковыми формированиями. В зависимости от расположения относительно земной поверхности и способа возведения, специальные сооружения подразделяются на наземные обсыпные, котлованные, шахтные и подземные (рисунок 1.1).
По конструктивному решению ограждающих строительных конструкций защитные сооружения бывают сборными, сборно-монолитными и монолитными. Наземные обсыпные и котлованные сооружения возводятся по любому варианту. Шахтные сооружения бывают монолитными или сборными из железобетонных блоков и чугунных тюбингов.
Подземные специальные сооружения могут быть построены как с монолитной, так и со сборной железобетонной обделкой. Сооружения в крепких скальных породах часто возводятся без устройства обделки. Все обсыпные и котлованные сооружения обеспечиваются входными патернами и аварийными шлюзами.
В принципе, защитные сооружения для работающего персонала промышленных объектов подразделяются на два основных типа: -убежища; - противорадиационные укрытия.
Убежища - сооружения, обеспечивающие защиту укрываемых в них людей от всех поражающих факторов ядерного взрыва, а также от специально применяемых отравляющих и бактериальных средств.
Характерным конструктивным признаком убежищ является наличие защитных ограждающих строительных конструкций, системы герметизации и фильтровентиляционных устройств, с помощью которых создаются условия для непрерывного пребывания в них людей в течении конкретного расчетного срока защиты.
В зависимости от категорий города и объекта, а также класса защиты ограждающие строительные конструкции сооружений должны выдерживать следующие значения избыточного давления на фронте ударной взрывной волны (Арф): в убежищах 1 класса - более 500 кПа; 2 класса - 300...500 кПа; 3 класса - 200 ... 300 кПа; 4 класса- 100...200 кПа; 5 класса- 50... 100 кПа [1].
К убежищам предъявляют ряд основных требований: - они должны располагаться вблизи объекта (в пределах радиуса R = 400...500 м); - в ограждающих конструкциях убежищ предусматривается основной вход и аварийный выход (на случай возможных завалов); - убежища должны возводиться вне зон возможных затоплений, разлива нефтепродуктов, мест расположения взрывоопасных и вредных химических объектов; -ограждающие конструкции убежищ, как и других защитных сооружений должны быть прочными и непроницаемыми для вредных газов и радиоактивных веществ [7 ...10].
Процесс трещинообразования в бетоне на контакте с металлом закладных деталей
Трещины в бетоне на контакте с металлом закладных деталей входов и вводов инженерных коммуникации в защитные сооружения появляются в том случае, когда величина растягивающих напряжений от деформаций усадки превысит величину сцепления бетона с металлом или прочность бетона на растяжение. Данное условие запишем следующим образом b Rqst (2.20) ab Rbt, (2.21) где Rqst - предел прочности бетона на сцепление с металлом, Па; Rbt - предел прочности бетона на растяжение.
Величину сцепления бетона с металлом и предел прочности бетона на растяжение можно определить по известным формулам теории бетона и железобетона.
Величину растягивающих напряжений от усадки в бетоне на контакте с металлом закладных деталей можно найти аналогично определению растягивающих напряжений в бетоне вокруг стержневой арматуры [130]. Для решения поставленной задачи необходимо принять несколько допущений:
1 Деформации усадки бетона распределяются равномерно по длине призмы, а сцепление закладной детали с бетоном достаточно, чтобы полностью исключить возможность скольжения закладной детали в бетоне.
2 Между закладной деталью и бетоном отсутствует внутреннее трение и взаимодействие между ними распространяется в поперечном направлении без уменьшения своей величины по крайней мере до пределов поперечного сечения призмы. При таком допущении весь бетон, окружающий закладную деталь, будет иметь одинаковую деформацию растяжения БЬ =B-SSP где sb -деформация растяжения бетона.
3 Бетон при растяжении подчиняется закону Гука с постоянным модулем упругости бетона Еь.
Но так как внешние воздействия на конструкцию отсутствуют, то из условия равновесия сил на бетон будут действовать растягивающие усилия Nb, равные по величине Nst. Сила Nb, приложенная с эксцентриситетом по отношению к бетонной части сечения, вызовет в ней сложную деформацию растяжения и изгиба. При этом Mb = Nb c, где с - расстояние между центром тяжести закладной детали и бетона конструкции.
Вычислим деформацию растяжения бетона на уровне закладной детали, пользуясь формулой Навье для суммирования напряжений от силы Nb и момента Мь [130]
Рассмотрим конкретный пример возникновения трещин в бетоне с проч-ностью на сжатие 19,6 МПа (200 кгс/мм ) на контакте с металлом закладной детали для случаев: когда д= 0,02% (в качестве закладной детали используется стальная труба диаметром 44 мм) и, д= 0,56% (в качестве закладной детали использована труба диаметром 530 мм). Размеры стеновой ограждающей конструкции 3 х 2 м.
По приведенным выше зависимостям вычислим значения пределов прочности бетона на растяжение, сцепление с металлом и результирующие растягивающие напряжения от объемных деформаций усадки бетона в процессе его твердения.
Для вычисления ширины раскрытия трещин на контакте металл-бетон воспользуемся известной зависимостью (2.20). Результаты, вычисленные для принятого конкретного случая приведены в таблице 2.4 и на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 - Зависимости усадочных напряжений от прочности бетона на растяжение и сцепление с металлом конструкций вводов коммуникаций Анализ приведенных данных дает право сделать следующие выводы:
1 Под воздействием усадочных деформаций наступает такой момент, когда величина результирующих растягивающих напряжений в бетоне становится больше прочности бетона на растяжение или сцепление с металлом и в зоне контакта появляются трещины (в нашем примере на десятые сутки, см. рисунок 2.5).
2 Результирующие растягивающие напряжения с ростом диаметра закладной детали увеличиваются. Таким образом, для снижения величины растягивающих напряжений в бетоне до значений меньших пределов его прочности на растяжение или сцепление и устранения причин возникновения трещин на контакте диаметр закладной детали должен быть минимальным.
3 В результате усадки бетона на контакте с металлическими конструк циями возникают глубокие трещины (с шириной раскрытия в нашем конкрет ном случае от 0,07 до 0,38 мм), которые повышают воздухопроницаемость бе тона .
Роль армирующего компонента в структурообразовании сталефибробетона
Композиции с трехосным (объемным) расположением компонентов -это такие материалы, в которых невозможно выделить одно или два преимущественных направления. Такая схема армирования может быть реализована с помощью нуль-мерных (0:0:0) или одномерных компонентов (1:1:1). Трехосная схема армирования короткими волокнами возможна, когда объемное содержание армирующего компонента в бетонной матрице составляет 3 ... 5 %, а с пригрузом до 9% и более.
Для комбинированных композиционных материалов, армированных одновременно компонентами различной геометрии, возможны следующие сочетания: 0+1;0 + 2;1+2и0+1+2 (см. таблица 3.2).
Совершенно очевидно, что в приведенной классификации сталефибробетон характеризуется следующими признаками: - армирующий компонент - одномерный (1), его расположение -трехосное (1 : 1 : 1) ил и двухосное (1 : 1 : 0); вид компонента -волокна, стружки или их сочетание; уровни дисперсного армирования: одноуровневое или двухуровневое; матрица из цементного камня, мелкозернистого бетона или полимербетона; технологии изготовления: совместное перемешивание компонентов с дальнейшим виброформованием; раздельная укладка компонентов в форму: волокон с образованием фиброкаркаса, затем мелкозернистой бетонной смеси, которая вводится в фиброкаркас и форму способами литья, вибролитья, вибролитья с пригрузом или нагнетания; торкретирование и роликовое формование; область применения: дорожные и аэродромные плиты; ограждающие и защитные конструкции специальных сооружений; конструкции несъемных опалубок стен, перекрытий, перегородок; трубы для инженерных коммуникаций; кольца смотровых колодцев; стыки между сборными конструкциями; сваи и оголовки свай; фундаменты под технологическое оборудование, облицовочные изделия и др.
В специальной литературе сталефибробетоном называют композиционный материал, состоящий из цементной или бетонной матрицы с равномерным или заданным распределением в ее объеме пространственно ориентированных или хаотично расположенных дискретных стальных волокон [46].
В общем случае сталефибробетон - это композиционный материал в виде микро- и макроскопических гетерогенных систем, состоящий из различных по своим свойствам фаз, структурных компонентов и элементов, разграниченных характерными поверхностями раздела (таблица 3.3).
В строительной практике наиболее распространенными технологиями изготовления сталефибробетона являются способы: совместного перемешивания и раздельной укладки компонентов. Учитывая высокие требования по прочности и проницаемости, предъявляемые к конструкциям сооружений специаль ного строительства, проведенный нами анализ показал возможность применения сталефибробетона, изготавливаемого лишь по технологии с раздельной укладкой (таблицы 3.4).
Процесс изготовления и структурообразования сталефибробетона но технологии с раздельной укладкой компонентов имеет следующее характерное направление: определение количественного соотношения исходных материалов с необходимыми свойствами; приготовление бетонной смеси; укладка дискретных стальных волокон в форму с организацией фиброкаркаса; ввод бетонной смеси в фиброкаркас и форму с образованием сталефибробетонной смеси; структурообразование в сталефибробетонной смеси в процессе гидратации цемента; схватывание бетонной смеси в ячейках фиброкаркаса; твердение и структурообразование сталефибробетона в процессе объемных усадочных деформаций бетона вокруг дискретных стальных волокон фиброкаркаса; определение соответствия прочностных, деформативных и других физико-механических свойств материала нормативным; выбор области применения.
Изготовления сталефибробетона и конструкций из него способом раздельной укладки компонентов производится с учетом технологических факторов воздействия на бетонную смесь и другие структурообразующие компоненты, улучшающих структуру материала (таблица 3.5).
Макридин Н.И. и его ученики справедливо утверждают о том, что эксплуатационные свойства и долговечность бетонов, в том числе и армированных дискретной арматурой, зависят от интенсивности и завершенности в них процессов гидратации цемента и структурообразования в процессе твердения. Они предлагают динамику структурообразования бетонов оценивать показателями двух взаимно конкурирующих процессов: конструктивного и деструктивного. Конструктивные процессы обусловлены гидратацией цемента и формированием конденсационно-кристаллизационной структуры, а деструктивные - возникновением собственных внутренних напряжений в бетоне в результате объемных деформаций усадки и протекания процессов перекристаллизации [176].
Оценка влияния характеристик заполнителя на структуру бетонной матрицы и прочностные свойства сталефибробетона
1 Жесткий пространственный фиброкаркас, улучшающий структуру А/ сталефибробетона, формируется в процессе укладки в форму стальных волокон с геометрическим фактором lld= 75 ... 400.
2 Рациональные размеры ячеек, определяемые межфибровыми расстояниями, организуются применением стальных волокон диаметром 0,3 ... 0,7 мм в зависимости от их геометрического фактора, прочностных характеристик бетона и фибры. Предварительными испытаниями установлено, что минимально допустимые значения межфибровых расстояний у волокон указанного диаметра, должны быть в пределах 3 ... 5 мм.
3 Кроме бетонной матрицы и фиброкаркаса из стальных волокон, третьим структурообразующим компонентом сталефибробетона нужно считать контактную зону, в виде уплотненного в процессе усадки вокруг каждого стального волокна слоя преднапряженного мелкозернистого бе ) - тона, в котором формируется связь системы «стальное волокно-бетон», обеспечивающая все прочностные и другие эксплуатационные свойства композиционного материала. Размер контактной зоны зависит от межфибровых расстояний и значений параметров внутренних напряжений в стальных волокнах и бетоне, определяемых степенью усадки материала. Расчетные значения диаметра контактных зон для сталефибробетона с /X объемной долей армирования 2 ... 5 %, по полученным нами зависимо стям, могут быть в пределах 1,5 ... 6,9 мм в случае применения стальных волокон диаметром 0,3 ... 0,7 мм.
4 Оптимальные значения степени дисперсного армирования (объем ной доли фибровой арматуры в бетонной матрице) определяются геомет рическим фактором lid стальных волокон, их прочностью и прочностью бетонной матрицы, а также технологией укладки волокон, и в процессе проектирования состава сталефибробетона должны приниматься с учетом М функционального назначения конструкции (2 ... 5 % при изготовлении без пригруза и 5 ... 9 % с пригрузом).
Исследования многочисленных авторов показали, что при изготовлении мелкозернистой бетонной смеси для сталефибробетона применяются мелкие пески с модулем крупности 1,2 ... 1,8 [9, И, 24, 44, 52, 53, 63 и др.]. Учитывая специфику технологии изготовления сталефибробетона способом раздельной укладки компонентов, при которой бетонная смесь водится в мелкие ячейки фиброкаркаса (с межфибровым расстоянием 3 ... 5 мм), важно было определить оптимальную область геометрических размеров заполнителя.
Для оценки влияния размеров зерен заполнителя в бетонной матрице на прочностные и другие свойства сталефибробетона были изготовлены образцы с размерами 100 х 100 х400 мм. В качестве заполнителя использовался мелкий речной песок, основные характеристики которого приведены в таблице 4.1.
В качестве вяжущего был принят портландцемент марки 400 и 600.
Составы исходных компонентов приведены в таблице 4.2. На рисунке 4.1 и в таблице 4.2 показаны результаты исследований влияния крупности заполните ля на прочностные свойства и газопроницаемость материала. Обозначения 1к, 2к, Зк и 4 к, принятые в таблице 4.1, показывают массовое процентное содер жание в смеси крупных зерен песка фракции 1,25 и 2,5 мм. Мелкозернистые бе тонные смеси с заполнителем разной крупности для исследуемых материалов изготавливались при различных водоцементных отношениях, обеспечивающих Ч одинаковую удобоукладываемость.
