автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Электропрогрев бетона, армированного стальными волокнами

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

С./1

Молодцов Максим Вилленинович

Электропрогрев бетона, армированного стальными волокнами

Специальность: 05.23.08 - "Технология и организация промышленного и гражданского строительства"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Головнев С. Г.

Челябинск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..............................................................................7

1.1 Анализ методов зимнего бетонирования......................................7

1.2 Свойства и область применения сталефибробетона..................17

1.3 Анализ методов определения технологических параметров электропрогрева............................................................................22

1.4 Цель и задачи исследования........................................................31

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛЕФИБРОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ......................................................33

2 Л Материалы и методика проведения исследований.....................33

2.2 Электрическое сопротивление сталефибробетона в процессе электропрогрева............................................................39

2.3 Исследование реактивной составляющей мощности при электропрогреве сталефибробетона............................................55

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛЕФИБРОБЕТОНА ПРИ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВЕ...............................62

3.1 Материалы и методика проведения исследований.....................62

3.2 Зависимость прочности сталефибробетона нормального хранения от технологических параметров..................................65

3.3 Влияние электропрогрева на прочность сталефибробетона......73

3.4 Определение методики контроля прочностных показателей сталефибробетона.........................................................................86

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫДЕРЖИВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА........92

4.1 Материалы и методика проведения исследований.....................92

4.2 Температурные режимы выдерживания.....................................93

4.3 Разработка методики расчета параметров остывания конструкций из сталефибробетона..............................................97

4.4 Температурные и прочностные поля......................................... 110

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОПРОГРЕВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА............................................................................116

5.1 Общие положения электропрогрева сталефибробетона..........116

5.2 Разработка методики расчёта электрических и температурных полей при электропрогреве сталефибробетона.......................................................................121

5.3 Опытно-промышленное внедрение результатов исследований..............................................................................131

5.4 Технико-экономические показатели.........................................137

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................................................................................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................187

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Решить современные проблемы по обеспечению эффективности строительства, сокращению трудозатрат и продолжительности процессов, экономии топливно-энергетических ресурсов, обеспечению безопасности и надёжности зданий и сооружений возможно на основе применения новых видов строительных материалов, передовых технологий, а также совершенствование уже существующих.

В технологии бетонных работ одним из наиболее продолжительных и энергоемких процессов является выдерживание бетона, особенно в зимний период. Увеличение оборачиваемости опалубки, сокращение продолжительности бетонных работ возможно за счет уменьшения времени достижения бетоном требуемой прочности путем применения широко известных методов тепловой обработки. Одним из наиболее эффективных и универсальных из них является электропрогрев. Расширить возможности метода и избежать основных недостатков электропрогрева позволит введение в бетонную смесь стальных волокон (фибр). Получаемый при этом материал, называемый ста-лефибробетоном, обладает повышенной, по сравнению с бетонами, не армированными фиброй, прочностью на растяжение, трещиностойкостью, морозостойкостью, выносливостью при динамических и ударных нагрузках и долговечностью.

Применение сталефибробетона ставит новые научные проблемы в технологии зимнего бетонирования, а, учитывая то обстоятельство, что значительная часть бетонных работ в регионах Урала и Сибири производится в зимний период, можно говорить об актуальности проведения исследований, направленных на разработку технологии производства работ по электропрогреву бетонов, армированных стальными волокнами.

В результате была сформулирована цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке технологии производства работ по электропро-

греву бетонов, армированных стальными волокнами и повышении на этой основе эффективности и качества строительства при обеспечении заданных физико-механических свойств сталефибробетона.

Научная новизна представлена:

- разработанной технологией электропрогрева бетона, армированного стальными волокнами;

- аналитическими зависимостями влияния технологических параметров на электрофизические характеристики сталефибробетона;

- зависимостями изменения реактивной составляющей мощности при электропрогреве сталефибробетона;

- зависимостями влияния температур на прочностные характеристики сталефибробетона;

- аналитическими выражениями, позволяющими контролировать и прогнозировать процессы остывания конструкций из сталефибробетона;

- алгоритмами и программами, позволяющими расчитывать технологические параметры электропрогрева сталефибробетона и контролировать физико-механические характеристики сталефибробетона.

Практическая значимость

Доказана целесообразность и возможность осуществления электропрогрева бетона, армированного стальной фиброй, используя существующее оборудование. Полученные данные о технологических свойствах разогретых сталефибробетонных смесей и электрофизических характеристиках стале-фибробетонов в процессе их твердения, разработанная методика расчета оборудования и параметров электропрогрева сталефибробетона, способы расчета технологических параметров выдерживания сталефибробетона позволили разработать с научно-обоснованных позиций технологию электро-

прогрева сталефибробетона, обеспечивающую сокращение сроков строительства, уменьшение энергозатрат, снижение себестоимости работ.

Внедрение результатов

Материалы исследований и разработанная технология электропрогрева сталефибробетона используются для проведения на предприятии ЗАО "ЗЖБИ-1" г. Челябинска работ по разработке технологии возведения новой серии сборно-монолитных каркасных зданий с монолитными стыками из сталефибробетона. Разработанная методика расчетов технологических параметров электропрогрева была применена при возведении монолитных железобетонных конструкций при строительстве Бизнес-Центра в г. Челябинске.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях в Южно-Уральском государственном: университете (Челябинском государственном: техническом университете) в 1995... 1998 гг. и на научно-техническом симпозиуме "Применение сталефибробетона в транспортном строительстве", проводимом корпорацией "Трансстрой" в Москве, в 1998г.

Достоверность экспериментальных данных, полученных аналитических выражений и зависимостей, разработанных расчетных алгоритмов и выводов подтверждается достаточным количеством проведённых экспериментов, использованием поверенного оборудования и стандартных методик, адекватным выбором математических моделей, применением современных методов математической обработки результатов исследований, сопоставлением полученных данных на ЭВМ с результатами экспериментов, выполненных в лабораторных и натуральных условиях на реальных конструкциях.

Публикации Основные положения представленной работы изложены в 8 печатных работах.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Анализ методов зимнего бетонирования

Современное строительство трудно представить без бетона и железобетона, которые и впредь следует рассматривать как основной строительный материал. Большие объёмы работ по реконструкции строительных объектов, возведение высотных зданий, сооружение заглубленных конструкций, повышение ответственности конструкций ставят перед исследователями задачу по усовершенствованию и разработке таких технологий, которые способствовали бы при снижении энергетических и трудовых затрат и сокращении продолжительности строительства, соответствию все возрастающим требованиям по обеспечению качества и надежности конструкций [35].

Одним из важных направлений совершенствования технологии выдерживания бетона, а именно сокращения продолжительности выдерживания и сроков распалубки, ускорения нагружен ия конструкций, является тепловая обработка [60,61,27]. Наибольшее распространение тепловая обработка получила в технологии производства бетонных работ в зимнее время.

Научные основы технологии зимнего бетонирования разработаны Ар-беньевым A.C., Ахвердовым И.Н., Головневым СТ., Даниловым H.H., Засе-дателевым И.Б., Зубковым В.И., Киреенко И.А., Красновским Б.М., Лукьяновым B.C., Мироновым С.А., Скрамтаевым Б.Г., а также рядом зарубежных ученых: Г. Гребером, Я. Гренхольмом, Л. Никененом, А. Солом и др. В настоящее время исследования, направленные на развитие методов зимнего бетонирования, продолжаются. Это обусловлено тем, что в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и некоторых других значительная часть бетонных работ выполняется в зимнее время и, хотя доля монолитного бетона при возведении и реконструкции зданий не увеличивается, однако возрастает использование бетона в ответственных зданиях и сооружениях, к которым

предъявляются повышенные требования по обеспечению качества работ, надежности и безопасности конструкций.

Современная практика строительства располагает большим комплексом методов зимнего бетонирования, позволяющим возводить конструкции любой массивности практически при любых отрицательных температурах. Выделение общих для ряда методов термообработки особенностей позволяет объединить их в группы, основными из которых являются методы "активной" и "пассивной" термообработки, применение добавок и комбинации этих методов [28,60,91].

Рассмотрим особенности основных методов, применяемых для производства бетонных работ при отрицательных температурах.

Введение в бетонную смесь некоторых химических веществ понижает эвтектическую точку воды, обеспечивая сохранение жидкой фазы в бетоне и его твердение при отрицательных температурах наружного воздуха. Поэтому обладающие такими свойствами химические вещества называют проти-воморозными добавками. [78,91]. Применение добавок значительно упрощает технологию зимнего бетонирования, однако бетоны с противоморозными добавками твердеют очень медленно. Например, при расчетной температуре твердения -10°С к 28-ми суткам бетон набирает только 45...50% проектной прочности.

Применению противоморозных добавок предшествует комплекс испытаний (на коррозионное воздействие, на образование высолов, влияние на скорость твердения и т.д.), направленных на выяснение воздействия добавки на данный конкретный материал. Бетоны с противоморозными добавками нельзя применять в конструкциях, подверженных динамическим воздействиям; в предварительно напряженных конструкциях; в частях конструкций, находящихся в непосредственной близости от источников тока высокого напряжения и др. Все эти обстоятельства ограничивают применение добавок.

Наиболее экономичными являются методы "пассивной" термообработки бетонов. К ним в первую очередь относится метод "термоса" - один из первых разработанных методов, предложенный в 1919 году профессором Киреенко И.А. [36,79,81,82]. Сущность данного метода состоит в том, что твердение бетонной смеси, уложенной в утепленную опалубку, происходит за счет тепловой энергии, внесенной в бетонную смесь при приготовлении и выделяемой цементом при его твердении. При этом тепловой энергии должно быть достаточно для набора требуемой прочности бетона за период его остывания до момента замерзания [49,60,78].

Из определения сущности метода вытекают как его преимущества, так и ограничения по применению. Прежде всего, бетонная смесь должна обладать как можно большим количеством тепла. Бетоны следует готовить на высокоэкзотермичных портландцементах, обладающих к тому же повышенными скоростями набора прочности. Необходимо обеспечить максимально возможно высокую температуру смеси при укладке, а также максимально сократить время транспортирования, перегрузки и укладки.

При применении метода "термоса" невозможно активно регулировать процессы остывания, поэтому следует строго соблюдать предусмотренные расчетом условия. Кроме того, применение метода ограничено областью массивных и средне массивных конструкций и небольшими значениями отрицательных температур наружного воздуха [59,60,78].

К наиболее распространенным методам зимнего бетонирования, применяемым на строительной площадке, относится группа методов активной термообработки: методы конвективного обогрева бетона и методы электротермообработки [28,91].

При конвективном способе обогрева тепловая энергия бетону передается с помощью нагретой (обычно движущейся) среды - теплого воздуха или пара. В этом случае бетон до приобретения им заданной прочности выдерживают в тепляках, представляющих собой временные ограждающие соору-

женил, охватывающие всю бетонируемую конструкцию или только ее часть [78,91]. Бетонирование конструкций в тепляках применяют редко, хотя в настоящее время существует большое количество различных перспективных конструкций тепляков.

Тепляки обогревают электрическими или паровыми калориферами, реже применяют огневоздушное калориферное отопление. В тепляках поддерживается температура 5... 10°С, в связи с чем твердение бетона замедляется, а продолжительность приобретения бетоном распалубочной прочности увеличивается.

Электротермообработка стала основным методом интенсификации твердения бетона при возведении монолитных конструкций зданий и сооружений в зимнее время. Не менее эффективной она оказалась и в летнее время, поскольку обеспечивает быстрое твердение бетона при незначительных затратах энергии [27,61,88].

Выбор наиболее рационального метода электротермообработки бетона диктуется не только особенностями прогреваемой конструкции, но и возможностями самого метода. Поэтому четкая классификация методов помогает грамотно выбрать такой из них, который будет для конкретных условий наиболее выгоден и с технической, и с экономической точек зрения.

В настоящее время разработаны и освоены на практике следующие методы: 1) электродный прогрев (собственно электропрогрев); 2) предварительный электроразогрев бетонных смесей; 3) обогрев различными электронагревательными устройствами (контактный, инфракрасного излучения) в том числе индукционный нагрев в электромагнитном поле.

Метод предварительного разогрева бетонной смеси перед укладкой его в конструкцию был предложен A.C. Арбеньевым в 1962 году [6]. Сущность метода заключается в форсированном разогреве бетонной смеси до заданной температуры, укладке разогретой смеси в опалубку и последующем ее выдерживании в ней в течение заданного времени, не допуская остывания кон-

струкции в целом ниже расчетной температуры. Разогрев бетонной смеси может осуществляться электрическим током, паром, продуктами сгорания газов или экзотермическим теплом химических реакций, вводимых в бетон компонентов, но наиболее широко применяется предварительный электроразогрев бетонной смеси. [7,10,26]

Место электроразогрева бетонной смеси обносится инвентарным ограждением, оборудуется силовым трансформатором, соответствующей мощности, и пультом управления, что влечет за собой дополнительные затраты на оборудование и эксплуатацию пульта, а также повышает требования по обеспечению электробезопасности на строительном участке.

Для разогрева смеси до столь высоких температур за короткий промежуток времени требуются большие установочные электрические мощности, что не всегда экономически оправдано, а иногда и просто невозможно обеспечить. Кроме того, методу предварительного разогрева присущи следующие недостатки:

а) возрастает вероятность потери подвижности бетонной смеси во время разогрева;

б) существует вероятность недобора бетоном периферии требуемой прочности, вследствие того, что часть тепла расходуется на нагрев холо�