Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и проблемы возведения морских нефтегазовых сооружений в условиях мелководного шельфа северного каспия 18
1.1 Обзор существующих типов морских нефтяных платформ и особенности их возведения в северных акваториях Каспийского моря 18
1.2 Анализ современных технологий строительства конструкций и корпусов морских сооружений из железобетона 24
1.3 Оценка возможности использования железобетона при изготовлении корпусов нефтяных платформ ледостойкого исполнения 28
1.4 Технология изготовления железобетонных корпусов морских ледостойких нефтегазовых сооружений при малых глубинах шельфа 32
1.5 Выводы 37
ГЛАВА 2. Экспериментальное и математическое моделирование процесса скоростной отливки железобетонных корпусов в морских условиях 39
2.1 Теплофизические свойства бетона и особенности его твердения при
тепловлажностной обработке методом ИК-нагрева 41
2.2 Методики расчета процессов теплопереноса в слоях твердеющего бетона 47
2.3 Математическое моделирование процесса непрерывной отливки бетонного корпуса 50
2.4 Результаты численных решений процесса ускоренного твердения бетонного корпуса и их анализ 56
2.5 Выводы 66
ГЛАВА 3. Исследования тепловых режимов ускоренного изготовления опорных блоков морских ледостойких платформ 68
3.1 Методика исследований тепловых режимов отливки бетонного корпуса и оборудование для проведения экспериментальных работ 68
3.2 Экспериментальные исследования технологии ускоренного изготовления бетонных блоков 75
3.3 Статистические показатели тепловых параметров процесса ускоренного изготовления бетонных корпусов 83
3.4 Методика проведения испытаний образцов, полученных при реализации программы тепловой обработки с использованием ИК-нагрева 87
3.5 Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований тепловых режимов изготовления железобетонных корпусов МНГС 93
3.6 Выводы 97
ГЛАВА 4. Методика расчета параметров непрерывной отливки и алгоритм оперативного управления процессом изготовления железобетонных корпусов морских нефтегазовых сооружений 99
4.1 Описание технологического решения скоростной непрерывной отливки элементов нефтяных платформ 99
4.2 Методика расчета параметров непрерывной отливки бетонной конструкции 103
4.3 Алгоритм оперативного управления технологическими режимами ускоренного изготовления железобетонных конструкций ледостойкого исполнения 114
4.4 Выводы 121
Заключение 122
Основные обозначения 125
Безразмерные величины 127
Индексы 127
Список литературы 128
- Анализ современных технологий строительства конструкций и корпусов морских сооружений из железобетона
- Математическое моделирование процесса непрерывной отливки бетонного корпуса
- Экспериментальные исследования технологии ускоренного изготовления бетонных блоков
- Методика расчета параметров непрерывной отливки бетонной конструкции
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших национальных приоритетов нашей страны является освоение углеводородных месторождений шельфа Каспийского моря. Связано это, прежде всего, с истощением месторождений Волго-Уральской и Западно-Сибирской нефтегазоносных баз. Особое значение в области нефтедобычи приобретает северная часть Каспия, обладающая значительными запасами нефти и газа, которые в сумме превышают 1 млрд 870 млн. т условного топлива. Эти обстоятельства определяют основную специализацию судостроительных предприятий, расположенных в прибрежных зонах Каспия и Волги, которая заключается в строительстве стационарных нефтегазовых платформ ледостойкого исполнения. В последние годы, основным материалом при возведении подобных сооружений является сталь. Однако мировой опыт строительства и эксплуатации нефтегазовых платформ показывает, что использование в морских ледостойких сооружениях бетона и железобетона позволяет увеличить долговечность элементов конструкций и обеспечить требуемую прочность и жесткость конструкции против действия ледовых нагрузок. Это особенно актуально для условий замерзающей части северного Каспия.
Одним из основных технологических процессов при строительстве ледостойких морских сооружений в условиях стационарных производственных баз, является отливка бетонных и железобетонных конструкций, которая должна вестись непрерывно и по ее окончанию готовые элементы из монолитного бетона раньше, чем через 28 суток после укладки перемещать нельзя. После окончания всех строительно-монтажных работ сооружение транспортируется к месту его возведения. Небольшие глубины шельфа северного Каспия, частое понижение уровня воды в морских судоходных каналах, а также значительные масса и осадка бетонных конструкций вызывают определенные трудности при транспортировке плавучих крупногабаритных сооружений из акваторий судостроительных заводов к местам их возведения. При этом наибольшие затраты приходятся на промерные и дноуглубительные работы, обеспечение требуемого уровня безопасности на всем маршруте буксировки сооружения.
Исходя из вышеуказанных проблем, возникает необходимость в создании и исследовании новой технологии изготовления бетонных оснований ледостойких сооружений в условиях моря (за пределами судостроительных предприятий) с учетом климатических и технологических особенностей на основе разработки тепловых режимов непрерывной скоростной отливки.
Данные проблемы освещались в трудах многих отечественных и зарубежных ученых, таких как: К.А. Абросимов, В.О. Алмазов, Ю.С. Волков, В.И. Вузовский, П.И. Волжанкин, П.И. Глужке, Т. Доусон, Н.М. Егоров, В.А. Мишутин, А.А. Мильто, А.М. Пасинский, И.Н. Сиверцев и др.
Таким образом, целью работы является разработка технологии непрерывной скоростной отливки бетонных и железобетонных конструкций
морских ледостойких платформ в условиях Каспийского моря с
использованием инфракрасного нагрева.
Объектом исследования является железобетонный корпус нефтяной платформы, ускоренное твердение которого осуществляется за счет источников инфракрасного нагрева.
Предметом исследования является процесс непрерывной скоростной отливки железобетонных конструкций нефтеплатформ в условиях моря.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
-
Определить существенные особенности и возможность изготовления железобетонных конструкций морских ледостойких сооружений в условиях мелководной северной части Каспийского моря.
-
Разработать и численно реализовать математическую модель процесса нестационарного теплообмена при непрерывной скоростной отливке бетонных и железобетонных корпусов с учетом климатических и технологических особенностей.
-
Получить теоретические и экспериментальные зависимости для расчета процессов теплообмена при ускоренном изготовлении железобетонных опорных конструкций с учётом климатических условий района строительства, сопоставить и проанализировать полученные результаты.
-
На основе полученных зависимостей разработать конструктивное решение, технологию и алгоритм, оптимизирующие непрерывный процесс скоростной отливки бетонных и железобетонных элементов ледостойких нефтяных платформ в условиях моря.
-
На основе анализа результатов комплекса проведенных экспериментальных исследований по интенсификации процессов тепловой обработки железобетонных корпусов предложить методику расчета для реализации разработанных тепловых режимов твердения.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и
экспериментальные методы исследования с применением программных средств
«MathLab» и офисных пакетов программ. Обработка результатов
экспериментов осуществлялась в безразмерном виде, с использованием теории подобия. Эксперименты проводились на полигоне Астраханского инженерно-строительного института.
Научная новизна работы:
- доказана возможность интенсификации процесса отливки бетонных и
железобетонных корпусов ледостойких платформ в условиях Каспийского моря
с использованием источников инфракрасного излучения;
- исследован процесс нестационарного теплообмена при ускоренном
твердении бетонного корпуса нефтяной платформы с учетом сложных
граничных условий и температурного поля, образовавшегося в процессе
предыдущей отливки;
- обобщены результаты исследований процессов теплообмена, получено
критериальное уравнение для расчета и оптимизации технологических режимов
отливки;
- на основе полученных результатов исследований разработан алгоритм для реализации автоматизированной системы непрерывного процесса ускоренного изготовления бетонных и железобетонных опорных элементов ледостойких нефтеплатформ и методики расчета конструктивных систем прогрева конструкций.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась
использованием фундаментальных законов теплофизики, методов решения
дифференциальных уравнений и численных методов анализа, целостным
подходом к решению проблемы, методологической обоснованностью и
непротиворечивостью исходных теоретических положений исследования,
разработкой адекватной предмету исследования методики опытно-
экспериментальной работы, экспериментальным подтверждением основных результатов исследования, научной обработкой полученных в ходе расчёта и эксперимента данных.
Практическая значимость работы.
Разработан новый метод скоростной отливки железобетонных
конструкций, который позволит качественно изменить технологию
строительства ледостойких платформ в условиях моря, обеспечить снижение нагрузки на судостроительные предприятия и риски при транспортировке готовых сооружений морского нефтегазового профиля.
Представлен алгоритм оперативного управления непрерывным процессом скоростной отливки бетонных и железобетонных конструкций в приобъектных условиях, на основе которого создана автоматизированная система, позволяющая реализовать разработанную технологию твердения при различных климатических параметрах.
Даны рекомендации по конструктивному обеспечению технологии,
приведены методики расчета систем прогрева опорных элементов
нефтеплатформ в опалубке с использованием инфракрасного излучения.
Практическое использование результатов работы в учебном
процессе: материалы диссертации используются в спецкурсах «Современные
проблемы теплоэнергетики, теплотехники и теплотехнологий» и «Принципы
эффективного управления технологическими процессами в теплотехнике и
теплотехнологии» для магистрантов направления «Теплотехника и
теплоэнергетика», профиля «Энергообеспечение предприятий» в Астраханском инженерно-строительном институте. Основные результаты и рекомендации внедрены и используются в проектно-конструкторской деятельности и при организации технологических процессов в Астраханском филиале ООО «Лукойл-ТТК», ООО ПКФ «Волгоспецмонтаж» и др.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты
исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с
профессором П.В. Яковлевым. При этом автору принадлежат: выбор
методологии теоретических и экспериментальных исследований; разработка
математических моделей; планирование, организация и проведение
экспериментов, обработка, анализ и обобщение полученных данных, обоснование выявленных зависимостей; непосредственное участие в подготовке и получении патента РФ на изобретение №2499665 RU.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях, проводимых в Астраханском инженерно-строительном институте (г. Астрахань, 2010-2014 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции «Исследования молодых ученых – вклад в инновационное развитие России» (г. Астрахань, АГУ, 2013 г.), на XVII Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2014 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа (г. Астрахань, АГТУ, 2015 г.).
Основные исследования выполнялись в рамках научно-
исследовательской работы – грант Фонда содействия развитию малых форм
предприятий в научно-технической сфере по программам «У.М.Н.И.К.» и
«СТАРТ-2011». Результаты исследований удостоены серебряной медали и
диплома II степени в номинации «Лучшая научно-техническая разработка года
- 2013» Петербургской технической ярмарки, почетного диплома Московского
международного Салона изобретений и инновационных технологий
«АРХИМЕД-2011» и диплома III степени Международной конференции «Строительство-формирование среды жизнедеятельности», МГСУ – 2014.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 в рецензируемых журналах и 1 патент Российской Федерации на изобретение. В работах, приведенных в списке литературы и опубликованных в соавторстве соискателю принадлежат: [1], [2], [6], [7] – 45%; [3], [4], [5] – 70%; [8], [11], [12], [13] – 65%; [9], [10] – 100%.
На защиту выносятся:
1) результаты численного и экспериментального исследований процесса
нестационарного теплообмена при непрерывной скоростной отливке
железобетонных корпусов морских ледостойких платформ;
2) критериальное уравнение для расчета технологических режимов
ускоренного твердения бетонных конструкций с учетом климатических и
технологических особенностей;
3) алгоритм, на основе которого создана автоматизированная система с
целью оптимизации процесса скоростного изготовления бетонных и
железобетонных элементов нефтяных платформ в условиях моря;
4) методика расчета параметров процесса ускоренного твердения
строительных железобетонных конструкций методом ИК-излучения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,
Анализ современных технологий строительства конструкций и корпусов морских сооружений из железобетона
Длительное время для изготовления морских сооружений использовалась сталь [11,38,48,63,75,163]. Данный материал придает корпусам судов необходимую прочность и легкость, однако высокая коррозионная активность, металлоемкость и значительные расходы при строительстве крупногабаритных морских конструкций выявили необходимость в поиске новых материалов, способных обеспечить те же показатели прочности и долговечности при меньших расходах. Одним из таких материалов является железобетон. Железобетон давно занимает прочное место при крупнопанельном и монолитном строительстве промышленных и гражданских объектов [22-24,47,74,122,127,130,131,158,159]. С начала 20 века железобетон стал применяться и в отечественном судостроении [11,35,36,41-43,100,103,135,145,157,168].
Благодаря высокой механической прочности и долговечности, конструкции из железобетона используются не только для строительства морских сооружений различного назначения, но и для ремонта стальных судов. Предварительно напряженные элементы способствуют снижению веса готового элемента корпуса и длительному отсутствию трещин в конструкции при ее эксплуатации. Стоимость строительства железобетонных судов значительно ниже постройки аналогичных судов из стали. К тому же, железобетонные корпуса в течении десятилетий эксплуатации не нуждаются в ремонте и могут продолжать свою службу [43]. По окончанию срока эксплуатации изделия из железобетона подвергаются переработке для дальнейшего использования в дорожном и гражданском строительстве.
Разработка новых составов для создания высокопрочных бетонов и использование низколегированной арматурной стали обеспечили возможность строительства нефтедобывающих платформ для морских шельфов. Наибольшее распространение железобетон получил при изготовлении опорных конструкций гравитационных платформ [14,26,28,166,169]. Еще одним преимуществом бетона является его достаточно простой состав и технология, а, соответственно, возможность его изготовления вне заводских условий. В практике гражданского домостроения известно большое количество примеров возведения различных объектов из бетона, получаемого непосредственно на строительной площадке [56, 66-71,122]. Подобный способ приобъектного изготовления, в совокупности с современными методами интенсификации процесса твердения получаемых изделий (солнечная энергия, инфракрасное излучение, тепловые пушки), позволяют получать конструкцию с прочностными характеристиками, не уступающими заводским, но с меньшими временными и финансовыми затратами. Значительные габариты и осадка нефтегазовых сооружений и небольшие глубины морского шельфа обуславливают необходимость в реализации такой технологии и в морских условиях, для изготовления железобетонных опорных блоков нефтяных платформ. А сложные климатические параметры района проектирования и удаленность углеводородных месторождений от береговых судостроительных баз, требуют проводить монтажные работы по обустройству платформ в кратчайшие сроки.
В настоящее время в судостроении, помимо традиционного железобетона, применяются бетоны в сочетании с другими видами материалов, например, серы, стекла или пластика. Серожелезобетон является относительно новым материалом в этой отрасли. Благодаря своим физико-химическим свойствам (антикоррозионная стойкость, деформативность) данный материал используется при монолитном строительстве различных типов судов, а также при ремонте эксплуатируемых железобетонных конструкций [120,121]. Однако необходимость поддержания высокой температуры серного раствора и жесткие требования к реализации технологического процесса ограничивают его применение в качестве материала для изготовления конструкций нефтегазовых сооружений непосредственно в морских условиях. Бетоны, армированные стеклянной фиброй (стеклобетон), по сравнению с обычным бетоном, обладает повышенным сопротивлением на растяжение и изгиб и в ряде Европейских стран достаточно широко используется в мостостроении, для создания элементов несъемной опалубки. В России этот материал стал изготавливаться относительно недавно и его применение ограничивается рамками гражданского строительства.
Использование неметаллической арматуры в бетоне (углепластика, стеклопластика), которая значительно легче и прочнее обычной, является еще одним перспективным направлением в зарубежном судостроении. Но ввиду высокой стоимости, такой вид армирования не используется на судостроительных предприятиях нашей страны. Таким образом, железобетон по-прежнему остается перспективным и относительно недорогим конструкционным материалом в области возведения морских сооружений. В современном судостроении применяются три метода изготовления железобетонных корпусов: сборный, сборно-монолитный и монолитный [155,156]. Большинство судов в нашей стране возводятся на стапелях с использованием сборного метода, в связи с его низкой трудоемкостью и возможностью автоматизации отдельных операций. Сам процесс изготовления железобетонных конструкций осуществляется поточно-агрегатным и стендовым способами. При стендовой технологии используют стационарные формы, в которые загружается бетонная смесь и подвергается вибропрессованию. Тепловая обработка бетонных изделий осуществляется с использованием пара низкого давления или электрических нагревателей.
Поточно-агрегатный способ подразумевает создание отдельных технологических постов, на которых осуществляется сразу несколько технологических операций, например, укладка арматуры и вибропрессование. Затем, в пропарочных камерах различных типов осуществляется процесс тепловлажностной обработки.
Все описанные способы реализуются только в заводских условиях, при этом затраты на тепловую обработку железобетона составляют более 50% от всего технологического процесса изготовления строительных конструкций. Анализ существующих способов твердения и методов их расчета [10,13,15,16,18,21,56,65], показал, что их реализация, в большинстве случаев, возможна лишь в наземных условиях строительства, и в настоящее время не разработана методика расчета процессов, протекающих при непрерывной, скоростной отливки бетонных конструкций в условиях моря с переменными климатическими параметрами. Внедрение новой технологии потребует дополнительных исследований с целью разработки технологических режимов отливки с использованием инфракрасного обогрева конструкций, с учетом таких показателей, как толщина отливаемого слоя бетона, плотность теплового потока и время прогрева.
Математическое моделирование процесса непрерывной отливки бетонного корпуса
Существующие современные методы решения ряда технических задач, связанных с проблемой бетонирования строительных конструкций достаточно эффективны и позволяют получить максимально достоверные результаты. Экспериментальный метод широко применяется в строительстве, однако в данном случае его использование ограничено значительными материальными и временными затратами. В диссертационной работе данный способ используется при небольших размерах бетонных блоков в условиях их приобъектного изготовления с использованием источников инфракрасного нагрева. При этом, состав используемой бетонной смеси максимально приближен к составу судостроительного бетона.
Использование математических пакетов комплекса MathLab позволило реализовать математическую модель, которая расширила диапазон исследуемых параметров технологии скоростной отливки железобетонных опорных конструкций. Аналитический метод, в связи со сложностью и громоздкостью математических решений и ряда ограничений на параметры твердеющего бетона не используется в данной работе. Таким образом, для реализации математической модели ускоренного твердения БИ был выбран численный метод, достоверность которого проверяется сопоставлением с результатами экспериментальных исследований на реальной модели. Последующая обработка результатов экспериментов осуществлялась в безразмерном виде, с использованием теории подобия.
Численные решения выполнялись с постановкой задачи для граничных условий первого (при бетонировании на слой бетона, имеющий температуру окружающей среды) и второго рода (при нагревании и остывании последующих слоев бетона). Начальные условия, определяющие распределение температуры в толще и на границах изделия в начальный момент времени определяются допустимым диапазоном их изменения исходя из требований качества и принимались в следующих диапазонах: исходная температура бетона: 28 С; максимальная температура нагрева: 80 С 90 С; граничными условиями учитывается температура окружающей среды и поле температур корпуса платформы, образовавшееся в результате предыдущей отливки; мощность нагрева: 400–800 Вт; толщина отливаемого слоя – 100, 150 и 200 мм; время ускоренного твердения – 6 и 12 ч.
В процессе проведения численного эксперимента получено изменение температурных полей по толщине отливаемого бетонного изделия при различных начальных и граничных условиях, плотности теплового потока, с учетом внутренних тепловыделений разогретой бетонной смеси, возникающие вследствие экзотермии цемента и параметров окружающей среды, при которых осуществляется процесс ускоренного твердения.
Сопоставление результатов численных экспериментов с данными лабораторных замеров показали удовлетворительную сходимость. Динамика изменения расчетных температурных полей в толще и на границе бетонного изделия совпадают с реальными значениями температуры при реализации процесса тепловой обработки бетонной конструкции с использованием установки инфракрасного нагрева. Отклонение расчетных данных и полученных экспериментальным путем при различных режимах ускоренного твердения не превышает 15%. Численное моделирование процесса ускоренного твердения осуществлялось при помощи программного комплекса MathLab.
На рисунках 2.6, 2.7, 2.8 и 2.9 показано изменение температурного поля в процессе тепловой обработке с использованием ИК-нагрева при различных начальных и граничных условиях. Так, рисунок 2.6. показывает распределение температурного поля при плотности теплового потока 800 Вт и температуре окружающей среды 0 С для бетонных слоев, каждый толщиной 100 мм. Длительность пропарки составляет 6 часов. Максимальная температура в верхнем слое составляет 108 С, что обусловлено значительной мощностью нагрева для такой толщины.
Анализ распределения температур по толщине изделия и их численные значения показывают незначительные температурные перепады в изделии, в процессе его твердения (рисунок 2.6-2.7). На стадии прогрева температура постепенно повышается, осуществляется процесс испарения влаги, прогрев нижних слоев бетона осуществляется за счет теплопроводности и внутренних тепловыделений бетонной смеси.
Картина изотермии температурных полей на рисунках 2.8 и 2.9 демонстрирует, что с увеличением толщины бетонируемой конструкции, при достаточно высокой температуре окружающей среды + 20 С, возрастает температура в ее толще (более темный цвет на рисунке 2.8 и 2.9), процесс теплоотдачи замедляется и в центре конструкции образуется зона с повышенной температурой. На этот процесс влияет также плотность теплового воздействия, чем она больше, тем интенсивней растет температура в глубине изделия, увеличивая градиент температур по толщине конструкции.
Экспериментальные исследования технологии ускоренного изготовления бетонных блоков
При ускоренном изготовлении железобетонных конструкций в приобъектных условиях необходимо решить вопросы, связанные с подбором оптимальных режимов процесса скоростной отливки, с использованием различной строительной техники. В связи с тем, что операция возведения опорных блоков в суровых климатических условиях моря требует значительных финансовых затрат, поиск и реализация более эффективных режимов твердения БИ и ЖБИ позволят снизить расходы на сырье и энергоресурсы и уменьшить продолжительность строительства, не оказывая негативного влияния на качество получаемых изделий. рассчитать оптимальные параметры непрерывной отливки бетона при изготовлении оснований нефтяных платформ в морских условиях. Выбор технологических режимов твердения железобетона будет зависеть от требований, предъявляемых к экономической стороне реализации процесса и показателям качества получаемого изделия. Важнейшими качественными характеристиками железобетона является его прочность и морозостойкость. В зависимости от конструктивных особенностей опорных блоков, теплофизических характеристик бетонной смеси, климатических и технологических особенностей строительства, требования к этим показателям могут различаться. Задачей оптимального процесса ускоренного изготовления морских строительных конструкций является получение бетона с высокими качественными характеристиками при минимальных затратах.
Прочность бетона в основном определяется составом бетонной смеси и режимом ее твердения. Оптимизация процесса ускоренного твердения заключается не только в выборе рационального типа ИК-излучателя, но и оптимального технологического режима для каждого отливаемого слоя бетона в определенном лимите времени. Для реализации оптимизационной модели технологии скоростной отливки введен показатель (критерий оптимизации), характеризующий технико-экономическую эффективность работ при возведении опорных конструкций: ZTpaHC - затраты на транспортировку оборудования и компонентов бетонной смеси; Тчел - трудозатраты. Для расчета технологических режимов процесса скоростной отливки железобетонных конструкций используется единый принцип, построенный на анализе массива, который создается при формировании исходных данных о технологии.
Для иллюстрации процесса поиска и выбора наиболее эффективной технологии скоростной непрерывной отливки железобетонных изделий представлена блок-схема алгоритма оптимизации данного процесса (рисунок 4.5), структура и содержание которого наиболее полно отражают набор и последовательность необходимых операций для оптимизации проекта строительства железобетонных опорных блоков в морских условиях.
В первом блоке данного алгоритма осуществляется сбор и формирование исходных данных о технологии ускоренного изготовления опорных элементов ледостойкого исполнения с учётом таких факторов, как климатические характеристики района расположения объекта строительства, период года и условия проведения работ (количество персонала, инженерное обеспечение, сроки и т.д.). Второй блок определяет конструктивный тип фундамента и материал изготовления опорной конструкции, с учетом особенностей работ, представленных в первом блоке. Подбирается оптимальный состав бетонной смеси, из которой будет производится отливка бетонной опоры и ее количества, необходимого для одного замеса. От правильной реализации данного этапа в значительной степени будет зависеть технико-экономические показатели проекта строительства. На этом же этапе осуществляется расчет волновых и ледовых нагрузок.
Третий блок отражает процесс транспортировки компонентов бетонной смеси и малой строительной техники приобъектного базирования (бетоносмесительной установки, вибраторов и т.д.) на место возведения морского объекта, ее необходимый состав и технологические характеристики (на основании ряда критериев, среди которых стоймостные характеристики и возможность транспортировки). Операция осуществляется с использованием специальных судов и подъёмно-транспортных механизмов, по окончанию производится складирование оборудования и компонентов на подготовленной для этой цели площадке.
Четвертый блок ставит задачу подготовки процесса ускоренного твердения и выбора нагревательных элементов, за счет которых будет осуществляться процесс твердения. Пятый блок производит расчет параметров твердения и обосновывает варианты эффективных режимов работы установки и выбор наиболее оптимального, который и позволит реализовать условия экономного расходования энергоресурсов при скоростной непрерывной отливки бетонных изделий, и при максимальной производительности добиться снижения трудозатрат и сокращения сроков возведения опорных конструкций ледостойких сооружений. И, наконец, шестой блок отражает испытание опорной конструкции и ее закрепление на морском дне с омоноличиванием забитых в дно моря свай с помощью цементного раствора.
Методика расчета параметров непрерывной отливки бетонной конструкции
Для реализации технологии рекомендуется использование скользящей опалубки, выполненной из стали толщиной 2 мм и утеплителем (минеральная вата). Выбор теплоизоляционного материала, осуществлялся исходя из его свойств относительной устойчивостью к высоким температурам (до 500 0С) и низким коэффициентом теплопроводности (0,04 Вт/мС), вследствие чего уменьшаются потери тепла при конвенции воздуха от изделия к ограждению. Установленные на съемной крышке твердотельные инфракрасные излучатели позволяют существенно сократить продолжительность твердения железобетонной конструкции, упростить конструктивное оформление, а также обеспечить возможность автоматизации технологического процесса. При инфракрасном обогреве отформованной бетонной конструкции, явления тепло- и массообмена развиваются как внутри изделия, так и в рабочем пространстве установки [54,77]. Так как конвективная составляющая твердотельных инфракрасных излучателей незначительна, основной перенос энергии осуществляется при лучистом теплообмене, в связи с этим, в ограждающую конструкцию включены три слоя фольги, их чередование в стене с другими материалами позволяет отразить поток лучистой энергии от внутренней стены камеры и тем самым сфокусировать его на изделии. Установка в воздушном пространстве переносного погружного термодатчика и датчика, устанавливаемого непосредственно в отформованное изделие, позволяют контролировать температуру воздушной среды и изделия, так как при изотермическом прогреве ее превышение может привести к увеличению в объеме затвердевшего бетона и, вследствие разницы коэффициентов линейного температурного расширения его компонентов, образованию микродефектов, нарушающих контакт между цементным камнем и наполнителем.
В качестве источников ИК-нагрева используются трубчатые электрические нагреватели, мощностью от 0,4 до 1,2 кВт, которые для создания направленного лучистого потока помещаются в сферические отражатели [167]. Схема расположения ИК-излучателей на съемной крышке представлена на рисунке 4.2. Скорость подъема температуры при верхнем расположении излучателей, с использованием скользящей опалубки не должна превышать 50 С/ч [136]. Учитывая значительный тепловой поток, вырабатываемый излучателями, с целью избежание потерь влаги слои бетонируемой конструкции необходимо укрывать прозрачной пленкой. Для дополнительного увлажнения бетона используется спринклерный трубопровод, установленный по периметру съемной крышки. Для выработки электроэнергии используется переносной генератор, в случае солнечной и ясной погоды возможно использование светопрозрачного покрытия для реализации процесса термообработки бетона с использованием солнечной энергии.
С целью уменьшения стоимости строительства бетонную смесь рекомендуется изготавливать на месте строительства и разгрузку смеси осуществлять непосредственно в опалубку бетонируемой конструкции. Виброуплотнение бетонной смеси производится с помощью глубинных вибраторов. В случае, если укладка бетонной смеси осуществляется при отрицательной температуре, предварительно напряженную арматуру необходимо нагреть до положительной температуры, используя инфракрасное излучение. Оптимальная толщина бетонного слоя для тепловой обработки варьируется в пределах от 100 до 500 мм. Температура бетонной смеси к началу твердения составляет 28-38 С. Для получения бетоном требуемой прочности необходим оптимальный температурный режим, зависящий от характеристик бетонной смеси, параметров окружающей среды и т.д. При ИК-обработке строительных конструкций выбран стандартный режим с предварительным выдерживанием бетонной смеси в течении трех часов, при этом максимальная температура изотермического прогрева не должна превышать 80-90 С, температура наружных слоев – 40 С. Минимально допустимая температура в процессе тепловой обработке бетона при отрицательных параметрах окружающей среды не должна опускаться ниже 5
Как показали исследования, ранее забетонированные слои
поддерживают положительную температуру и продолжают затвердевать за счет тепловыделений, вследствие экзотермии цемента и передачи тепла от верхних, более нагретых слоев. Возникающая в связи с использованием ИК-нагрева неравномерность температурных полей, позволит сгладить реализация процесса управления тепловым потоком, за счет правильно спроектированной системы автоматизации.
Использование данных рекомендаций обеспечит качественное выполнение технологии и получение опорных конструкций со всеми необходимыми характеристиками и готовыми к использованию в кратчайшие сроки.
Для формирования оптимального температурного режима твердеющего бетона требуется создание специальной системы прогрева бетонной конструкции с использованием инфракрасного излучения, с учетом необходимого для обогрева количество времени, затрат энергоресурсов и мощности энергетических устройств, входящих в состав системы. ИК-излучатели, в сравнении с другими источниками нагрева, достаточно просты в исполнении, относительно недороги и легки в монтаже, что обуславливает их повсеместное использование в технологиях сушки различных материалов.
Данный способ прогрева хорошо зарекомендовал себя при проведении работ по бетонированию в условиях отрицательных температур.
Особенность системы обогрева заключается в том, что основное воздействие тепловой энергии осуществляется сверху. Методика расчета параметров энергетической системы, с учетом возможности управления тепловым потоком режима твердения является практическим результатом настоящего исследования.
В качестве исходных данных необходимо принять тип излучателя и тепловую нагрузку системы прогрева, которая рассчитывается с учетом теплопотерь в окружающую среду через опалубку и съемную крышку, в зависимости от времени, в течении которого осуществляется процесс ускоренного твердения. Кроме того, для расчета необходимо принять конструкцию опалубки, параметры окружающей среды и начальные параметры бетона, а также требования к температурам прогрева.
Методика расчета базируется на изученных разработках в области создания оптимальных температурных режимов для твердеющих в искусственных условиях бетонных конструкций [79,80,84,92,98,101,119,123,124,158,161]. Для поддержания теплового баланса бетона необходимо компенсировать потери тепла через ограждающие конструкции в окружающую среду. От точности расчета теплопотерь во многих случаях может зависеть точность определения тепловой нагрузки нагревательной системы. Особенностью расчета теплообмена при затвердевании железобетонных морских конструкций является изменение плотности теплового потока, определяемый изменением температуры нагрева и скоростью перестройки температурного поля внутри бетонного изделия. Исходные данные, необходимые для выполнения расчета потерь тепла при тепловлажностной обработке бетонной конструкции представлены в таблице 4.1.