автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология совершенствования эксплуатационных свойств конструкций из бетона и железобетона методом ократирования

Министерство общего и профессионального образования РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ(МГСУ)

ЦЮРИХ ЮРИЙ ГЕРМАНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

МЕТОДОМ ОКРАТИРОВАНИЯ

0.5.23.08.Технология и организация промышленного и гражданского строительства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученной степени кандидата технических наук.

Научный руководитель профессор, доктор технических наук

Абелев М.Ю.

Научный консультант кандидат технических наук

Гершман С.Г. г.Москва 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................4

Глава 1. Физико- химические основы технологии ократирования бетона и технологии получения и компримирования кремнефтористого газа... 10 1.1 .Основы и эффективность ократирования бетона, его цели и задачи. 10

1.2.Свойства кремнефтористого газа (КФГ), требования к нему и

основные методы его получения.....................................................Л......16

1.2.1 .Получение КФГ из кремнефтористого натрия...........................17

1.2.2. По лучение КФГ из кремнефтористого аммония........................19

1.2.3. Получение КФГ путем разложения кремнефтористоводородной кислоты (Н281Р6)..................................................................................20

1.2.4.Установка получения и компромирования КФГ для выполнения эксперементальных работ по ократированию бетона........................21

Глава 2. Экспериметальные исследования по ократированию бетона.

Отечественный и зарубежный опыт .........................................................24

2.1 .Установка для исследований по ократированию бетона на малых лабораторных образцах.........................................................................25

2.2. Влияние влажности бетона на результаты ократирования.............28

2.3.Влияние ократирования бетона на предел прочности при сжатии. 32

2.4.Влияние ократирования бетона на его предел прочности на растяжение при изгибе.............................................................................54

2.5.Влияние ократирования на водонепроницаемость бетона..............61

2.6.Эксперементальные исследования по влиянию ократированния бетона на его долговечность...................................................................65

2.6.1. Морозостойкость ократированного бетона..............................69

2.6.2. Коррозионная стойкость бетона.................................................72

2.7. Зарубежные исследования по ократированию бетона...................77

Глава 3. Опыты по ократированию и испытанию фрагментов бетонных и

железобетонных заводского производства ..............................................87

3.1 .Установка для ократирования образцов и фрагментов бетонных и

железобетонных изделий.........................................................................87

3.2.Опыты с фрагментами железобетонных свай..................................89

3.3.Опыты с фрагментами напорной железобетонной трубы...............94

3.4,Ократирование и испытание на изгиб вибропрессованной

цементно-песчаной черепицы.........................................................¥.... 101

3.5.Особенности ократирования цементно-песчаной черепицы........103

Глава 4. Технология ократирования изделий из бетона и железобетона

на опытно-промышленной установке.....................................................110

4.1.Принципы формирования технологических линий по ократированию .........................................................................................................110

4.2.Технология получения и компримирования кремнефтористого газа . .................................................................................................................112

4.3. Основные характеристики и расчетные показатели отделения получения и компримирования КФГ опытно-промышленной установки для ократирования изделий из бетона и железобетона...............................121

4.4. Отделение ократирования изделий из бетона и железобетона. ... 124

4.5.Технологический регламент на ократирование бетонных (железобетонных) изделий....................................................................138

4.6. Технология ократирования элементов железобетонных свай (рис.17)................................................................................................155

4.7. Технология сушки изделий при ократировании...........................165

4.8. Требования по безопасности и промышленной санитарии и охрана окружающей среды при ократировании..................................................168

Глава 5. Экономическая эффективность ократирования изделий из бетона и железобетона.............................................................................173

5.1 .Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения

ократированных железобетонных свай вместо свай из стальных труб

на обустройстве месторождений газа полуострова Ямал..................175

Выводы по диссертации............................................................................182

Список литературы...................................................................................184

Введение

При эксплуатации в экстремальных условиях физико-механические свойства бетона и его долговечность, приобретают особое значение. К таким бетонам предъявляются весьма высокие требования по показателям прочности при сжатии и на растяжение при изгибе, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стошюсти в агрессивных средах. Наиболее сложным и вместе с тем часто встречающимся в экстремальных условиях является случай,когда необходимо одновременно обеспечить высокие показатели перечисленных выше свойств бетона, или части этих свойств.

Анализ результатов обследования железобетонных конструкций, эксплуатируемых в ряде северных районов Сибири, в частности, в Забайкалье[42] показал, что для этих районов железобетонные конструкции должны быть не просто высокоморозостойкими, но и высокоморозосолестойкими. Кроме этого, эти конструкции подвергаются постоянному воздействию значительных сжимающих, растягивающих и изгибающих усилий. В связи с изложенным, бетон указанных конструкций должен иметь высокие показатели по всему комплексу физико-механических свойств и долговечности.

Достижение такого эффекта за счет использования традиционных методов повышения физико-механических свойств бетона представляется проблематичным.

В настоящей диссертационной работе рассматривается метод совершенствования физико-механических свойств и долговечности бетона,вследствии применения которого достигается радикальное повышение всех его свойств. Упомянутый метод назван «Ократирование

бетона» по названию Голандской фирмы «Окрит-фабрик», которая предложила и успешно осуществила этот метод для повышения коррозионной и морозной стойкости бетона архитектурных изделий, деталей памятников и т.д.

Суть метода состоит в том, что затвердевшие бетонные или железобетонные изделия подвергаются обработке кремнефтористым газом в автоклаве под повышенным давлением. Газ, проникая вглубь бетона, вступает в реакцию с продуктами гидратации цемента в бетоне, главным образом с гидратом окиси кальция (Са(ОН)г), образуя прочный, водонепроницаемый, устойчивый в кислотных и других агрессивных средах, а также высокоморозостойкий плавиковый шпат (СаБг). Одновременно выделяющийся при этом плотный кремнегель в виде гидрата окиси кремния 81(0Н)4К0льматирует поры бетона, существенно повышая его водонепроницаемость.

В бывшем СССР первыми исследованиями по ократированию бетона в 1956 г. занимались академик Вольфнович С.И. (научный руководитель НИИ удобрений) и к.т.н. Габриелова М.Т. (с.н.с. этого же института). Ими выполнено несколько серий отчетов по ократированию бетонных образцов 7x7x7 см при давлении кремнефтористого газа в пределах 4 - 6 атм. Эти опыты дали положительные результаты, было достигнуто повышение предела прочности бетона при сжатии в 1,5 -2,4 раза. Авторы исследований называли выполненные ими отчеты предварительными и считали необходимым расширить границы исследований по влиянию ократирования на все физико-механические свойства и долговечность бетона.

Существенный вклад в изучение метода ократирования бетона (в 60-е годы) вложил профессор Мощанский Н.А.(НИИЖБ). Кроме исследований по влиянию ократирования на прочность бетона им было начато изучение влияния ократирования бетона на его коррозионную

стойкость в агрессивных средах. Полученные в этих исследованиях результаты показали, что изучение метода ократирования бетона,как средства радикального совершенствования его физико-механических свойств и долговечности, необходимо продолжить и решить вопрос его промышленного применения.

С 1989 года аналитическими и лабораторными исследованиями в области ократирования бетона,с целью создания предпосылок для практического внедрения этого метода в производство, занимается ЦМИПКС при МГСУ.

В настоящей диссертационной работе изложены и проанализированы результаты значительного объема

экспериментальных исследований по ократированию бетона (в том числе исследований, выполненных с автором диссертации, а также исследований, выполненных зарубежными учеными и специалистами-практиками).

В указанных исследованиях рассматривается в основном влияние ократирования на пределы прочности бетона при сжатии и изгибе, на водонепроницаемость, морозостойкость, на коррозионную стойкость в различных агрессивных средах. Определены наиболее целесообразные границы практического применения метода ократирования бетона в строительстве и экономическая эффективность от применения этого метода.

Поскольку одним из основных компонентов процесса ократирования бетона является кремнефтористый газ (81р4), который промышленностью не выпускается, в диссертационной работе приводится детальный анализ возможных способов его получения и выбор на этой основе наиболее целесообразных технологий для практического использования. С учетом вопросов экологии и безопасности производства.

Целью диссертации является разработка, на основе выполнения детальных исследований, промышленной технологии ократирования изделий из бетона и железобетона, в том числе технологии получения и компримирования кремнефтористого газа.

Тема диссертации актуальна для производства конструкций из бетона и железобетона, применяемых в строительстве в районах с экстремальными условиями их эксплуатации, а также в строительстве предприятий химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, сельскохозяйственных помещений содержания скота, аэродромов, дорог, морских сооружений, сборных емкостей для хранения нефти, и нефтепродуктов, агрессивных жидкостей и т.п.

По результатам многочисленных исследований выполнен проект опытно-промышленной установки для ократирования изделий из бетона и железобетона, содержащий решения как по технологии собственно ократирования изделий, так и по технологии получения и компримирования кремнефтористого газа.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

• Результаты исследований по влиянию ократирования на основные физико-механические свойства и долговечность бетона.

• Вскрытые в работе закономерности во взаимосвязях параметров процесса ократирования и степени повышения физико-механических свойств и долговечности бетона.

• Результаты разработок по промышленной технологии ократирования изделий из бетона и железобетона,по получению и компримированию кремнефтористого газа,с учетом санитарных требований и безопасности производства.

• Опытно-конструкторские разработки по оборудованию для ократирования изделий из бетона и железобетона, включая конструкцию автоклава для ократирования.

• Проектные разработки по опытно-промышленному цеху для ократирования изделий из бетона и железобетона.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• Впервые выполнен большой объем комплексных экспериментальных исследований по изучению влияния ократирования на основные физико-механические свойства и долговечность бетона,в том числе на водонепроницаемость,морозостойкость и коррозионную стойкость бетона. „

• Вскрыты закономерности влияния параметров процесса ократирования на свойства ократированного бетона.

• Разработаны промышленные технологии ократирования изделий из бетона и железобетона,а также получения и компримирования кремнефтористого газа.

Одной из главных причин,сдерживающих промышленное внедрение метода ократирования конструкций из бетона и железобетона, явилось отсутствие надежных, коррозионно стойких при относительно низкой стоимости автоклавов больших диаметров(от 1000 мм и более).

Группой российских ученых разработана конструкция особого автоклава для ократирования промышленных изделий из бетона и железобетона(патент на изобретение № 2063392, зарегистрированный в Госреестре изобретений 10.07.96г.), стоимость которого в 15-20 раз ниже серийно-выпускаемых, коррозионно неустойчивых. Это обстоятельство существенно меняет ситуацию и обеспечит ускорение процесса внедрения метода ократирования.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

• На основе результатов исследований разработаны промышленные технологии собственно ократирования, а также получения и компримирования кремнефтористого газа.

• Разработана проектная документация(на стадии «проект») на строительство опытно-промышленной установки для ократирования изделий из бетона и железобетона, -Процесс ократирования и его влияние на свойства бетона прошел проверку на таких промышленных изделиях,как напорная железобетонная труба и цементно-песчаная черепица.

• Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения метода ократирования ,рассчитанная на примере замены свай из стальных труб на ократированные железобетонные в обустройстве месторождений газа на полуострове Ямал,определилась в сумме Пмлн.днм рублей на 10 ООО штук свай.

Глава 1. Физико- химические основы технологии ократирования бетона и технологии получения и компримирования крем нефтористо го газа

1.1.Основы и эффективность ократирования бетона, его цели и задачи.

В процессе твердения бетона в условиях нормального давления,как

№

при обычной температуре (естественное твердение), так и при повышенной температуре(тепловлажностная обработка), происходят химические реакции,основной среди который является реакция взаимодействия между алитом цемета (ЗСаОБЮг) и водой, протекающая по уравнению:

ЗСа08Ю2+ЗН20=2Са08Ю2х2Н20+Са(0Н)2

Образовавшийся двухкальциевый гидросиликат является главным компонентом в структуре бетона, определяющим по окончании процесса твердения его основные свойства. Вместе с тем,гидрат окиси кальция,играя роль ингибитора стальной арматуры в железобетоне,пронизывает своими кристаллами сечение бетона и ухудшает его прочностные свойства и долговечность. Гидрат окиси кальция способен вымываться из цементного камня,образуя пустоты в структуре бетона, он активно взаимодействует с растворами солей и кислот даже малых концентраций, образуя растворимые в воде соединения или нерастворимые аморфные соединения, что приводит к разрушению структуры бетона.

Между тем, бетон, как материал для изготовления разнообразных строительных конструкций и деталей, должен обладать заданной прочностью и долговечностью. Для изготовления изделий из бетонов невысоких марок (М200-М400) при обычных требованиях по

морозостойкости и коррозионной стойкости в агрессивных средах технология производства в достаточной степени отработана. Однако изготовление конструкций из бетонов высоких марок(М500-М600 и более), осложненное повышенными требованиями к бетону по морозо и коррозионной стойкости не укладывается в рамки традиционной технологии. Возникает необходимость в применении цементов высоких марок, фракционированных крупных заполнителей из высокопрочных каменных пород, применении специальных противоморозрых и противлокоррозионных добавок,достижении в результате уплотнения высокой плотности бетона, строгом соблюдении назначенного водоцементного отношения, применении добавок пластификаторов или суперпластификаторов и т.п.

Приведенные особенности производства изделий и конструкций из бетона,эксплуатируемых в экстремальных условиях, хотя и дают некоторый эффект, далеко не всегда обеспечивают предусмотренную нормативными документами продолжительность срока службы без видимых разрушений зданий и сооружений, возведенных из упомянутых конструкций.

Ниже, опираясь на данные литературных источников и результаты ряда исследований, приводится анализ причин, преждевременного снижения в процессе эксплуатации прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости конструкций из бетона и железобетона:

Проф. Ларионова З.М. с группой авторов[56], исследуя прочность цементного камня в 28-ми дневном возрасте по характеру сколов, установила, что скол, как правило, происходит по плоскостям спайности кристаллов гидрата окиси кальция Са(ОН)г. В связи с этим известный английский ученый Коупленд на VI международном конгрессе по химии цемента отметил,что «...на более поздних стадиях Са(ОН)2,присутствуя в цементном камне,отрицательно влияет на рост его прочности».

Профессор Кинд В.А.[41], исследуя происходящие в бетоне при его эксплуатации коррозионные процессы и особеннос