автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Формование армоцементных изделий локально-ориентированным высокочастотным вибрированием

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЧИЧ Юсуф Нурбиевич

ФОРМОВАНИЕ АРМОЦЕМЕНТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ЛОКАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫМ " ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ВИБРИРОВАНИЕМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

заслуженный деятель науки и техники УССР, доктор технических наук, профессор ШМИГАЛЬСКИЙ В.Н. кандидат технических наук, доцент БОЖКОВ В.И.

Краснодар - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ . . . . 10

1.1. Армоцемент в транспортных сооружениях ..................10

1.2. Армоцементные конструкции в автодорожных мостах .... 11

1.2.1. Пролетные строения с применением армоцемента .... 11

1.2.2. Опыт изготовления мостовых балок .............14

1.3. Способы изготовления армоцементных конструкций .... 18

1.3.1. Еезвибрационные способы ..............................18

1.3.2. Вибролитье.....................24

1.3.3. Способ последующего гнутья.............26

1.3.4. Стационарное виброштампование ......... ... 29

1.3.5. Способ вибропрофилирования ..........................32

1.3.6. Скользящее виброштампование ..........................38

1.3.7. Пакетный метод...................41

1.4. Формование мостовых балок с применением армоцемента . . 42

1.5. Экспериментальное обоснование способа формования ... 50

1.5.1. Описание лабораторной установки ......................50

1.5.2. Описание поискового эксперимента и оценка его результатов.....................54

1.6. Цель и задачи исследований.................60

Глава 2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОСНОВНЫЕ

СВОЙСТВА АРМОЦЕМЕНТА ..................................62

2.1. Методика исследований.................62

2.2. Характеристика применяемых материалов и оборудования. . 63

2.3. Влияние технологических параметров на жесткость смеси . 67

2.4. Зависимость прочности и плотности бетона от состава

смеси и времени уплотнения..............73

2.4.1. Постановка экспериментов..............73

2.4.2. Обработка полученных результатов .......... 75

2.4.3. Анализ экспериментальных данных......... . . 78

2.5. Влияние частоты вибрирования на прочность и плотность бетона........................ 82

2.5.1. Постановка опытов и полученные зависимости . . . . .82

2.5.2. Анализ результатов ................. 84

2.6. Зависимость "скорость ультразвука-прочность бетона" . . 85

2.7. Выводы........................89

Глава 3. ВЫБОР РЕЖИМОВ ФОРМОВАНИЯ АРМОЦЕМЕНТНЫХ ИЗДЕЛИЙ .... 91

3.1. Выбор параметров формовочной установки ........ 91

3.2. Измерительная аппаратура, применяемые материалы и технологическое оборудование ............. 91

3.3. Методика проведения эксперементов ........... 95

3.3.1. Назначение технологических параметров ....... . 95

3.3.2. Формование образцов и обработка информации.....97

3.4. Анализ экспериментальных данных ........... 99

3.4.1. Характер заполнения формы бетонной смесью......99

3.4.2. Влияние технологических параметров на скорость формования.....................107

3.4.3. Определение вибрационных параметров.........114

3.4.4. Анализ расходования энергии на формование ..... .118

3.4.5. Распределение давлений бетонной смеси при

формовании................... . .121

3.4.6. Построение физической модели формовочного процесса. .128

3.4.7. Оценка качества отформованных образцов.......134

3.5. Выбор оптимальной скорости формования.........140

3.6. Выводы........................147

Глава 4. ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫХ РЕШЕНИЙ..........150

4.1. Описание технологической линии............150

4.1.1. Компоновка технологической линии..........150

4.1.2. Конструкция стенда.................153

4.1.3. Конструкция формы..................153

4.1.4. Конструкция бетоноукладчика........... . .157

4.2. Опытно-производственная проверка результатов работы . .162

4.3. Рекомендации по изготовлению армоцементных изделий и перспективы совершенствования формовочного процесса . .175

4.4. Внедрение результатов исследований..........182

4.4.1. Автопавильоны и другие сооружения из

армоцементных плит.................182

4.4.2. Армоцементные элементы силовых ограждений на искусственных сооружениях..............184

4.5. Технико-экономическое обоснование предложенных

решений....................... . 189

4.6. Выводы........................191

ОБЩЕ ВЫВОДЫ..........................193

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................197

ПРИЛОЖЕНИЯ:

1. Таблицы экспериментальных данных .......... .215

2. Акты и справки по внедрению..............219

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития страны предпочтение отдается экономичной и конкурентоспособной продукции. Применение облегченных конструкций с низкой материалоемкостью и высокими эксплуатационными свойствами представляет собой перспективный путь дальнейшего прогресса в строительстве. Одним из материалов, удовлетворяющих этому требованию, является армоцемент.

Наша страна занимает одно из ведущих мест по исследованиям в области армоцемента и его практическому использованию. Рекомендации по применению мелкозернистого бетона, а также конструктивные требования к армоцементным конструкциям изложены в официально изданных строительных нормах и правилах - СНиП 2.03.03-85 [1363 и пособии по проектированию армоцементных конструкций к этому СНиП [111].

Армоцементные конструкции нашли применение в различных отраслях строительства - промышленном, гражданском, транспортном, гидротехническом, сельскохозяйственном, индивидуальном и др. [25, 27-29, 31,45,47-53,56,57,59,63-69,73,76,79,86-88,90,94-99,101,112,113,115, 141,142,147-151,153,154,159-161,1633. Такой размах предопределяет обширную номенклатуру армоцементных изделий. Из этого материала выполняются конструкции покрытий и перекрытий, элементы опор и пролетных строений мостов, резервуары для хранения жидкостей, трубы, водозащитные сооружения галерей метрополитена и др. Это приводит к разнообразию размеров и конфигурации армоцементных изделий. Известны балки, плиты, арки, оболочки, пространственные конструкции.

Сечение армоцементных элементов может быть плоским, ребристым, складчатым, коробчатым, волнистым, цилиндрическим. Часто изделия имеют переменное сечение со всевозможными утолщениями и приливами для размещения стержневой арматуры и закладных деталей. Армоцементные конструкции бывают обычными и преднапряженными. Эти особенности

армоцементных изделий ставят технологов в жесткие рамки и заставляют их учитывать при разработке способов изготовления все технологические особенности армоцемента, вытекающие из конструктивных.

Как конструкционный материал, армоцемент был впервые использован в 1854 г. французом Ламбо. Он изготовил гребную лодку, корпус которой состоял из проволочного каркаса с нанесенным на него це-ментно-песчаным бетоном. В 1855 г. ему был выдан патент на изобретение нового материала, который по существу являлся армоцёментом. Однако в то время этот материал не получил широкого применения. Спустя почти 100 лет итальянский архитектор Нерви исследовал свойства армоцемента и изготовил из него ряд оригинальных сооружений.

Из зарубежных стран, в которых ведутся разработки в области армоцемента следует отметить Великобританию, Польшу, Вьетнам, Китай, Японию, Бразилию, Кубу, США, Эквадор и др. В этих странах исследуется работа "армоцементных элементов в конструкциях, изучается возможность применения для их армирования нетрадиционных материалов, много внимания уделяется вопросам защиты конструкций [164-180].

С середины пятидесятых годов текущего столетия армоцемент активно внедряется в нашей стране, что обусловлено рядом существенных преимуществ, которые он имеет перед обычным железобетоном - уменьшение расхода материалов, отсутствие в конструкциях дорогостоящего щебня, значительное снижение собственного веса элементов. Период наиболее бурного освоения армоцементных конструкций приходится на 60-70 гг, когда было построено значительное количество сооружений с применением армоцемента, появился ряд унифицированных конструкций.

Вместе с тем, применение армоцемента в масштабах страны могло быть более обширным. В предперестроечные годы темпы внедрения этих конструкций несколько снизились. Причиной тому послужило наличие в строительстве основных показателей отчетности по валу и стоимости,

а также сложности, возникающие при освоении новой технологии, сопряженные с необходимостью изготовления нестандартного оборудования.

Следствием такого положения стало и временное свертывание сопутствующих научно-исследовательских разработок. Происходящие в стране перемены открыли новые возможности для внедрения армоцемент-ных изделий. Ведущие ученые в области армоцемента видят в его развитии перспективный путь дальнейшего прогресса в строительстве [99].

В настоящее время ведутся работы по использованию этого материала в несущих конструкциях транспортных сооружений, например в пролетных строениях мостов и силовых элементах ограладений на автодорогах [28,63,64,112,113]. Расширение сфер применения армоцемент-ных изделий влечет за собой необходимость дальнейшей проработки и технологических вопросов. Это особенно актуально в отношении армо-цементных элементов транспортного назначения, обладающих определенными конструктивными особенностями и требующими специального подхода при их изготовлении. Одним из эффективных путей решения этой проблемы является формование локально-ориентированным вибрированием.

Научная новизна работы:

- раскрыт механизм локально-ориентированного высокочастотного вибрирования, заключающийся в резком снижении вибровязкости смеси непосредственно в зоне ее укладки за счет концентрированного интенсивного вибровоздействия, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена его эффективность при формовании армоцементных изделий;

- установлены закономерности изменения прочности и плотности мелкозернистого бетона в зависимости от варьирования частоты вибрации, водоцементного отношения, времени виброуплотнения и максимальной крупности зерен песка в пределах, наиболее употребимых в технологии армоцемента, и показано, что переход от вибрирования со стан-

дартной частотой 50 Гц к высокочастотному вибрированию при 180 Гц дает увеличение прочности на 10-25 %;

- выявлены зависимости показателей качества армоцемента от различных технологических факторов при высокочастотном вибрировании и установлены границы их значений, гарантированно обеспечивающих достижение требуемых нормативных характеристик армоцементных изделий для транспортного строительства;

- путем обобщения полученных результатов доказано, что параметры формовочного процесса устройством, включающим глубинные вибраторы, в охваченном диапазоне изменения исследуемых величин вписываются в рассчетный аппарат теории поверхностного формования и выведена зависимость по определению динамического давления в смеси для случая внутреннего вибрирования;

- установлено, что скорость распространения переднего фронта напорной волны смеси в процессе формования густоармированных элементов переменна и определяется степенью насыщения арматурой, в связи с чем уточнено значение Карм для армоцементных изделий с многослойным армированием, который в диапазоне количества слоев сеток (nc) N 10-1.0 от 4 до 8 принимается из соотношения Карм = 1/пс;

- разработана технология изготовления армоцементных изделий и формующее устройство, позволяющее за один проход выполнить все операции по укладке, распределению и уплотнению бетонной смеси, а также отделку поверхности изделия.

Практическое значение работы:

На основе результатов исследований разработаны рекомендации по технологии изготовления армоцементных конструкций транспортных сооружений. Налажена и функционирует технологическая линия по производству армоцементных изделий для транспортного строительства при полигоне ЖБИ ДСУ-7 управления "Краснодаравтодор" в г. Гулькевичи.

Предложена новая конструкция армоцементных-элементов силовых ограждений безопасности на автомобильных дорогах и мостах.

Результаты работы внедрены в практику строительства и реконструкции искусственных сооружений транспортного назначения: построено и эксплуатируется четыре автопавильона из армоцементных плит (фактический экономический эффект от их строительства и использования составляет 15,5 тыс. руб. в ценах 1998 г.), на одиннадцати мостах и путепроводах общей протяженостью 700 м устроены силовые ограждения безопасности с применением армоцементных элементов.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены:

- на YII и YIII научных конференциях молодых ученых и специалистов КПИ (г. Краснодар, 1986-1987 гг.);

- на заседаниях Рабочей комиссии по армоцементу Национального Комитета СССР Международной ассоциации по пространственным конструкциям (ИАСС) (г. Краснодар, 1987 г., г. Калининград, 1989 г. и г. Ленинград, 1990 г,);

- на III и IY краевых научно-технических конференциях "Проблемы дорожного хозяйства и пути их решения" (г. Анапа, 1990-1991 гг.);

- на Юбилейной научно-технической конференции "Актуальные проблемы автомобильного транспорта и дорожного хозяйства, пути их решения" (г. Сочи, 1998 г.);

Материалы исследований были также направлены на IY Международный симпозиум по армоцементу на Кубе (г. Гавана, 1991 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в десяти опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 180 наименовали , двух приложений. Работа изложена на 223 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков и 37 таблиц.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Армоцемент в транспортных сооружениях Армоцементные конструкции в транспортном строительстве в начале использовали в перекрытиях сооружений на магистралях. В Риге, например, из гнутоформованных оболочек было выполнено висячее покрытие дебаркадеров автовокзала [79]. Покрытие типового навеса платформы на станции аэровокзала Домодедово также состоит из складчатых армоцементных элементов [149]. На станции Крюково Октябрьской железной дороги навесы пассажирских платформ устроены из армоцементных панелей [57].

В дальнейшем армоцемент стал одним из наиболее прогрессивных материалов для конструкций транспортных сооружений [55]. Высокие физико-механические и эксплуатационные характеристики этого материала по сравнению с обычным железобетоном - большая однородность, повышенная прочность при растяжении, высокая трещиностойкость, лучшее сопротивление динамическим нагрузкам - предопределили его использование в ответственных конструкциях, например в пролетных строениях мостов. Инициатором применения армоцемента в качестве материала для несущих элементов явилась кафедра мостов МАДИ, на которой исследования проводились под руководством профессора Гибшмана Е.Е. В Москве был построен пешеходный мост с предварительно-напряженными армоцементными клееными пролетными строениями [25].

Пролетные строения опытного моста были выполнены из армоцементных элементов толщиной 20-30 мм, армированных ткаными сетками из проволоки диаметром 0,7 мм с ячейкой 7x7 мм из расчета 3 слоев на 1 см толщины.' Для изготовления элементов был применен мелкозернистый бетон марки 600, приготовленный из цемента марки 700-800 и

песка с крупностью зерен до 3 мм. Формование производилось в металлической опалубке, состоящей из горизонтального листа с бортами из уголков. Цементно-песчаная смесь состава Ц:П от 1:1,6 до 1:1,65 при В/Ц от 0,34 до 0,38 укладывалась вручную слоем 2-3 см и обрабатывалась на вибростоле в течение 15-20 мин. Армоцементные клееные конструкции были впервые применены в мостостроении, поэтому при их изготовлении многие операции выполнялись вручную.

По результатам испытаний пролетных строений был сделан принципиальный вывод: применение клееных армоцементных пролетных строений практически возможно, причем они позволяют сократить расход основных материалов и уменьшить вес конструкций по сравнению с типовыми.

В дальнейшем проводились работы по использованию армоцемента в более ответственных сооружениях - автодорожных мостах. В МАДИ и в ЛИСИ изыскивалась возможность изготовления из этого материала элементов проезжей части. Исследования моделей армоцементных пролетных строений были проведены в Новочеркасском политехническом институте [473. Однако наибольший интерес представляет опыт, накопленный в Хабаровском и Краснодарском политехнических институтах.

1.2. Армоцементные конструкции в автодорожных

мостах

1.2.1. Пролетные строения с применением армоцемента С 1965 года на кафедре мостов ХабПИ начались широкие работы по исследованию мостовых конструкций с применением тонкостенного железобетона на основе армоцемента [473. Разработки проводились под руководством Дарагана К.А. В ходе опытного проектирования перекрытий пролетом 5-24 м были отобраны конструкции балочного типа.

Первые опытные конструкции пролетных строений мостов с использованием армоцемента были сборно-монолитные. В 1967 году на кафедре

был разрабо