автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Особотяжелый мелкозернистый бетон для подводных трубопроводов

Введение.

Глава 1. Опыт применения подводных трубопроводов и особотяжелого бетона. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1. Характеристика материалов.

2.1.1. Цемент.

2.1.2. Заполнители.

2.1.3. Вода.

2.1.4 Добавки.

2.1.5. Арматура.

2.2. Методы исследований.

Глава 3. Оптимизация зернового состава заполнителя для особотяжелого мелкозернистого бетона.

3.1. Заполнители из баритовой руды месторождения Нгеан.

3.2. Заполнители из лимонитовой руды месторождения Хатинь.

Глава 4. Исследование свойств особотяжелого мелкозернистого бетона.

4.1. Технологические свойства особотяжелой мелкозернистой бетонной смеси.

4.2. Структура особотяжелого мелкозернистого бетона.

4.3. Плотность и прочность.

4.4. Прочность сцепления с трубой и арматурой.

4.5. Проницаемость особотяжелого мелкозернистого бетона.

Глава 5. Внедрение в производство.

5.1. Технология производства и практика опробования.

5.1. Технология производства и практика опробования.

5.2. Контроль качества труб, покрытых особотяжелым мелкозернистым бетоном.

5.3.Технико-экономическая эффективность производства и применения особотяжелого мелкозернистого бетона для подводных трубопроводов.

Актуальность. Развитие нефте - и газодобычи на морских шельфах, например во Вьетнаме, требует прокладки транспортных трубопроводов. В качестве балласта и защиты таких трубопроводов применяют тяжелые бетоны. В этом случае использовать бетоны на заполнителях с повышенной средней плотностью.

Для трубопроводов небольшого диаметра применение тяжелых бетонов на крупных заполнителях не эффективно.

Решение задачи связано с применением особотяжелых бетонов. Однако это требует выбора заполнителя, оптимизации его зернового состава с учетом минимальной толщины армированного бетонного покрытия на трубах и обеспечения требуемых эксплуатационных свойств бетона.

Работа выполнена в соответствии с комплексной государственной программой развития строительных материалов во Вьетнаме на период 1998-2003г. и планом научно-исследовательских работ по межвузовской научно-технической программе "Архитектура и строительство". Она одобрена и использована компанией "Вьетсовпетро".

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и применение особотяжелого мелкозернистого бетона на заполнителе из баритовых и лимонитовых руд для покрытия подводных трубопроводов на шельфе Вьетнама.

Достижение цели потребовало решения ряда основных задач: -обоснование возможности получения особотяжелого мелкозернистого бетона на заполнителях из баритовых и лимонитовых руд месторождений Вьетнама с требуемыми физико-механическими свойствами;

-изучение свойств заполнителей из баритовых и лимонитовых руд, в том числе их сцепления с цементным камнем;

-оптимизация зернового состава трехфракционного заполнится из баритовых и лимонитовых руд методом математического планирования эксперимента;

-получение зависимостей основных физико-механических свойств особотяжелого мелкозернистого бетона различных составов;

-разработка технологии нанесения особотяжелого мелкозернистого бетона на стальную трубу;

-разработка технических требований к стальным трубам, покрытым особотяжелым мелкозернистым бетоном плотностью от 2700 до 3100 кг/м3;

-оценка технико-экономической эффективности производства и применения особотяжелого мелкозернистого бетона для балластировки подводных трубопроводов во Вьетнаме.

Научная новизна. Обоснована возможность получения особотяжелого мелкозернистого бетона путем использования трехфракционного заполнителя из баритовых и лимонитовых руд в комплексе с пластифицирующей добавкой.

Получены многофакторные математические модели, выражающие зависимости средней насыпной плотности и пустотности заполнителя от его зернового состава.

Установлены зависимости, позволяющие оптимизировать зерновые составы заполнителей из лимонита и барита необходимые для получения состава особотяжелого мелкозернистого бетона с заданными свойствами.

Установлены зависимости свойств бетонной смесей и бетонов от зернового состава и минералогии заполнителя

С помощью методов РФА и ДТА установлены минеральный состав заполнителей и характер новообразований в контактной зоне между цементным камнем и заполнителем, представленный в основном гидросиликатами кальция.

С помощью электронной микроскопии и ртутной порометрии выявлена микроструктура и характер пор цементного камня.

Установлена взаимосвязь между плотностью особотяжелого мелкозернистого бетона и сцеплением с арматурой и поверхностью трубы.

Практическая значимость. Разработаны составы особотяжелых мелкозернистых бетонов плотностью от 2700 до 3100 кг/м3 и прочностью от 30 до 45 МПа.

Разработана технология нанесения на стальные трубы балластно-защитного слоя требуемой толщины из армированного особотяжелого мелкозернистого бетона.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научной конференции в Ханойском строительном университете в 2002г.

По теме диссертации опубликованы четыре статьи.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технической документации НИПИморнефтегаз: "Технические требования на трубы стальные, изолированные и обетонированные в форме".

Внедрение результатов работы осуществляется в 1999г во Вьетнаме на заводе СП Вьетсовпетро в г. ВунгТау при изготовлении секций подводных трубопроводов.

На защиту диссертации выносятся:

-обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения особотяжелого мелкозернистого бетона (ОТМБ) на заполнителе из баритовых и лимонитовых руд;

-технология и свойства особотяжелых мелкозернистых бетонов, применительно к условиям Вьетнама;

-многофакторные зависимости зернового состава тяжелых заполнителей от их насыпной плотности и пустотности.

-результаты опытно-промышленного опробования.

Работа выполнена на кафедре «Технология строительных материалов» Ханойского строительного университета и на кафедре «Технология вяжущих веществ и бетонов» Московского государственного строительного университета под руководством профессора, кандидата технических наук JL Д. Чумакова, которому автор глубоко признателен за постоянное руководство и большую помощь.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору, доктору технических наук, академику РААСН Ю. М. Баженову за ценные советы и поддержку, а также коллективу кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, за содействие и помощь при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1, Обоснована возможность получения особотяжелого мелкозернистого бетона путем использования трехфракционного заполнителя из баритовых и лимонитовых руд в комплексе с пластифицирующей добавкой.

2, Получены особотяжелые мелкозернистые бетоны средней плотности и прочности на сжатие:

-на барите -2,9.3,1 т/м3 и 35.45МПа; -на лимоните -2,8.2,9 т/м3 и 30.35МПа; л

-на лимоните и кварцевом песке -2,6.2,8т/м и 30. .40 МПа

3, Разработана технология получения тонкого армированного слоя (42мм) из особотяжелого мелкозернистого бетона на стальных трубах диаметром 219 и 324мм, включающая изготовление специальной арматурной сетки и ее закрепления на трубе с противокоррозионным покрытием, приготовление и транспортирование и укладку особотяжелой мелкозернистой бетонной смеси, ее уплотнение в форме длиной 12м на ударно-вибрационной установке, твердение и уход за бетоном в естественных климатических условиях.

4, Получены многофакторные математические модели, выражающие зависимость средней насыпной плотности и пустотности заполнителя от его зернового состава.

5, Установлены рекомендуемые границы оптимального зернового состава трехфракционного заполнителя для его назначения при подборе состава особотяжелого бетона, % массы:

-барит фракции, мм от 0,15 до 2,5 - 54.62%; св. 2,5 до 5,0 -8. 16; св.5,0 до 10-30.38

-лимонит фракции, мм от 0,15 до 2,5-68.76; св. 2,5 до 5,0 -4. 12; св.5,0 до 10-20.28.

6, Получены зависимости технологических свойств бетонных смесей от вида заполнителя и применения пластифицирующей добавки, необходимые для определения количества воды затвердения в пробных замесах.

7, Получены зависимости прочности на сжатие от величины В/Ц для различных составов ОТМБ, выявлена динамика роста их прочности в условиях влажного жаркого климата Вьетнама.

8, Методами РФ А, ДТА, электронной микроскопии и ртутной порометрии установлено, что заполнитель имеет плотный контакт с цементным камнем, способствующий улучшению адгезии ОТМБ. В цементном камне преобладают переходные поры и микропоры со средним размером 0,06мкм. Небольшое количество макропор (5. 10%) сводит к минимуму проницаемость ОТМБ для воды.

9, Производственное внедрение результатов работы осуществлено в «Вьетсовпетро» г. Вунг Тау. Разработаны «Технические требования на трубы стальные, изолированные и обетонированные в форме», а также методы контроля качества бетонного покрытия на трубах (трешиностойкость при транспортировании и монтаже, сцепление с трубой)

10, За период с 1999 г проложены подводные армированным особотяжелым мелкозернистым бетоном, общей протяженностью около 400км, позволившие сократить капиталовложения в их строительство и получить значительный экономический эффект

1. Алексеев С.Н. Коррозия и зашита в бетоне. М.,1968.

2. Алимов Л.А., Воронин В.В., Горчаков Г.И. Структурные характеристики бетона. Бетон и железобетон . 1972 № 9 .

3. Афанасьев А.А. Технология импульсного уплотнения бетонных смесей. М., 1987.

4. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М., 1981.

5. Баженов Ю.М. Технология бетона. М., 1987.

6. Баженов Ю.М. , Алимов Л.А., Воронин В.В., Магдеев У.Х. Мелкозернистные бетоны. МГСУ 1999.

7. Баженов Ю.М. Бетоннополимеры. М.,1983.

8. Баженов Ю.М. Вознесенский В.А. Перспективы применения математических методов в технологии сборного железобетона. М.,1974.

9. Баженов Ю.М. Высокопрочный мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций. Гостройиздат 1963.

10. Баженов Ю.М. и др. Мелкозернистые бетоны. М.,1998.

11. Баженов Ю.М. Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.,1984.

12. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов. М., 1975.

13. Баландин Г.П., Павленко С.И. Разработка технологии изготовлении и исследования свойств строительных растворов на основе золы ТЭС Кузбасса/Новокузнецк., 1975.

14. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно строительных машин . М.,1981.

15. Бондарь А.Г., Статюха Е.А. Планирование эксперимента в химической технологии. Киев 1976.

16. Воробьев В. А. Лабораторный практикум по общему курсу ^ строительных материалов. М., 1972 .

17. Бородавкин П.П., Березин В. Л., Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы . М., 1979 .

18. Бродер Д.Л., Зайцев Л.Н., Комогков М.М., Мальков В.В., Сычев Б.С. Бетон в защите ядерных установок. М., 1966.

19. Волженсий А.В.,Иванов И.А., Виноградов Б.Н. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. М.,1984.

20. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М., 1986.

21. Волженский А.В., Чистов Ю.Д., Борисюк Е.А. Улучшение поровой структуры песчаного бетона введением тонкодисперсных песков. Строительные материалы 1989 .

22. ВСН 51- 9-86. Мингазпром « проектирование морских подводных нефтегазопроводов. М., 1987.

23. ВСН 51-9-91. Мингазпром и Воздействие волн и течений на подводный трубопровод.

24. Герщбер^^О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий.1. К(1. М., 1970.

25. Гладков Д.И. Физико-химические основа прочности бетона. М., 1998.

26. Горчаков Г.И. Строительные материалы. М., 1981.

27. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М., 1986.

28. Горчаков Г.И., Орентлихер Л.П., Савин В.И. и др. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.,1976.

29. ГОСТ 10832 — 91 Песок и щебень перлитовые вспученные. Технические условия.

30. ГОСТ 22263 — 76* Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия.

31. ГОСТ 22856 — 89 Щебень и песок декоративные из природного камня. Технические условия.

32. ГОСТ 23254 — 78 Щебень для строительных работ из попутно добываемых пород и отходов горно-обогатительных предприятий. Технические условия.

33. ГОСТ 23735 — 79 Смеси песчано-гравийные для строительных работ. Технические условия.

34. ГОСТ 24100 — 80 Сырье для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ. Технические требования и методы испытаний.

35. ГОСТ 25137 — 82 Материалы нерудные строительные, щебень и. песок плотные из отходов промышленности, заполнители для бетонов пористые. Классификация.

36. ГОСТ 25592 — 91 Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.

37. ГОСТ 25818 — 91 Зола-унос тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.

38. ГОСТ 26193 — 84 Материалы из отсевов дробления изверженных горных пород для строительных работ. Технические условия.

39. ГОСТ 26633 — 91 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.

40. ГОСТ 26644 — 85 Щебень и песок из шлаков тепловых электростанций для бетона. Технические условия.

41. ГОСТ 26873 — 86 Материалы из отсевов дробления осадочных горных пород для строительных работ. Технические условия.

42. ГОСТ 8267 — 93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.

43. ГОСТ 8269.0 — 97 Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.

44. ГОСТ 8269.1 — 97 Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы химического анализа.

45. ГОСТ 8735 — 88 Песок для строительных работ. Методы испытаний.

46. ГОСТ 8736 — 93 Песок для строительных работ. Технические условия.

47. ГОСТ 9757 — 90 Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия.

48. ГОСТ 9758 — 86 Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний.

49. Гусев Б.В и др. Ударно вибрационная технология уплотнения бетонных смесей. М., 1982.

50. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона. Киев 1991.

51. Десов А.Е. Технология и свойства тяжелых бетонов. Трубы НИИЖБ. М., 1959.

52. Динь Дык Ньуан, Ле Ван Тхань, Построение карт технического климата Вьетнама Ханой 1984.

53. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М., 1977.

54. Дубровский В.Б., Аблевич 3. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений. М., 1983.

55. Зинковский Н.Б. Подводные работы на нефтепромыслах. Ленинград " Судостроение " 1984.

56. Ицкрвич С.М. Чумаков Л.Д., Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. М., 1991.

57. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М., 1971 .

58. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.,1983.

59. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология производства строительных материалов. М., 1990.

60. Комаровский А.Н. Строительство ядерных установок. М., 1969.

61. Королев К.М. Производство бетонной смеси и раствора. М., 1973.

62. Левин С.И. Подводные трубопроводы. М., 1970.

63. Левин С.И. Проектирование и строительство подводных трубопроводов. Гостоптехиздат 1960.

64. Лещинский М.Ю. Испытание бетона. М.,1980.

65. Литвин А.Н. Методы подбора состава бетона. Эффективность метода подбора состава бетона. М., 1962.

66. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их зашиты. М.,1980.

67. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статические методы планирования экспериментальных экспериментов. М., 1965.

68. Нгуен Дык Тханг. Повышение эксплуатационных свойств монолитного бетона в условиях влажного жаркого климата. Дис. т.т.н. М., 2002.

69. Нгуен Минь Нгок. Комплексная добавка на основе продуктов переработки тросника и ее влияние на свойства бетона в условиях Вьетнама. Дис. к. т. н. Ростов-на Дону 1991.

70. Нгуен Тхук Туен. Развитие теории и совершенствование технологии бетона с учетом особенностей влажного жаркого климата. Дис. д.т.н. М.,1984.

71. НИИЖБ. Методические рекомендации по определению прочности по исследованию усадки и ползучести бетона. MP — 1 — 75 . М., 1976.

72. Осмаков С.А. , Брауде Ф. Г. Виброударные формовочные машины. Л., 1976.

73. Павленко С.И. Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное из использование в строительстве // Сборник докладов Всесоюзной конференции под общей редакцией С.И. Павленко . Том 1. Новокузнецк, 1990.

74. Павленко С.И. Эйзенах А.В., Савкин А.И. Реконструкция заводов стройиндустрии в Кузбассе // Шахтное строительство. М., 1985

75. Павленко С.И., Рехтин И.В. Мелкозернистый бетон повышенной морозостойкости и водонепроницаемости. Резервы производствастроительных материалов. Сборник трудов региональной конференции 2-4 октября 1991. Барнаул, 1991.

76. Павленко С.И., Середкин O.JI. Разработка составов морозостойких и водостойких мелкозернистых бетонов для конструкций кровли жилых зданий. Новокузнецк, 1990.

77. Перехвальский B.C., Салов А.Н., Угланов М.А. Подводно-технические работы на речном транспорте. М., 1986 .

78. Попов А.Н. Бетонные и железобетонные трубы. М.,1973.

79. Программа и методика приемочных испытаний бетонированных стальных труб Ф 214 х 12,7 мм в береговых условиях. Ханой 1996.

80. Проектирование состава бетона М., 1968.

81. Ратимов В.Б., Розенберг Г.И. Добавки в бетоне. М.,1973.

82. Ратинов В.Б., Розенберг Т.Н. Добавки в бетон . М., 1989.

83. Рекомендации по применению добавок сусперпластификаторов в производстве сборного и монолитного железобетона. НИИЖБ, ЦНИИОМТП. М.,1987.

84. Руководство по подбору тяжелого бетона. М.,1979.

85. Руководство по применению химических добавок в бетоне. М.,1981.

86. Сизов В.П. Рациональный подбор состав тяжелого бетона. М., 1995.

87. Сизов В.П. Проектирование состава тяжелого бетона. М., 1974.

88. Сизов В.П. Как ускорять определение активности цемента в бетоне /ускоренная методика определения БСТ 1992 № 9/.

89. Сизов В.П. О рекомендациях по подбору составов тяжелого бетона и облегченного бетона. Бетон и железобетон 1989 - № 1.

90. Сизов В.П. Проектирование состава тяжелого бетона. М., 1979.

91. СНИП 2-05 -06-85. Магистральные трубопроводы.

92. Стефанов Б.В., Русанова Н.Г., Волянский А.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. Киев, 1982

93. Та Минь Хоанг. Мелкозернистый бетон с добавкой метакаолина. Дис. к.т.н. М., 2001.

94. Технические требования на трубы стальные изолированные и бетонированные формы. Г. Вунг Тау 1996.98. ^Утверждение СП «Вьетсовпетро» 02 02 - 1996 .

95. J ,, Чан Нгок Тинь, Чумаков Л.Д. "Особотяжелый бетон для подводных трубопроводов", журнал "Строительство" №5, 2003.

96. Чумаков Л.Д. Технология заполнителей бетона. М., 1999.

97. Ablewicz Z., Jozwik В., Budownictwo W. Technice jadrowej Arkady Warsrawa 1978.

98. British standard 1981, part 4 1970, methods of testing concrete for strength.

99. DNV 1996. « Правила для системы подводных трубопроводов».

100. Lam Khai Binh . Xac suat Thong ke va qui hoach thuc nghiem. Ha noi 1993.// Вероятность и планирование

101. Nguyen Вас Van. Xac suat va so lieu thong ke . Nha xuat ban giao due. 1996.// Вероятность и планирование.

102. Nguyen Tan Quy, Nguyen Thien Rue, Cong nghe xi mang. Т. 1. //Нгуен Тан Куи, Нгуен Тхиен Руе Технология цементобетона. Том 1 Ханой

103. Nguyen Tan Quy, Phan Duy Huu, Nguyen Thuc Tuyen. Giao trinh thi nghiem VLXD. Nha xuat ban dai hoc va trung hoc chuyen nghiep.//HryeH Тан Куи, Фам Зуи Хыу, Нгуен Тхук Туен. Лабораторный практикум по общему курсу строительных материалов.

104. Nguyen Van Phieu , Nguyen Thien Rue, Tran Ngoc Tinh Cong nghe xi mang. T.2.// Нгуен Ван Фиеу, Нгуен Тхиен Руе, Чан Нгок Тинь. Технология цементного бетона. Том 2. Ханой 2000

105. Oil a Gas J. vol 50, N0 22,23, 1951.

106. Phung Van Lu, Pham Duy Huu, Phan Khac Tri. Vat lieu xay dung// Фунг Ван Лы, Фам Зуи Хыу, Фан Хак Чи Строительные материалы.

107. Pige Line indyctiy vol, 26,N0 5 ; 1967

108. Stoll T.M., Evstratov G.I. Building in hot klimat // Translated from the Russian by A.B. Kuznetsov Moscow, 1987.

109. TCVN 4088 1985. So lieu khi hau dung trong thiet ke xay dung - Ha noi, 1987. (Вьетнамский ГОСТ 4088 - 1985. Климатические данные для проектирования в строительстве-Ханой, 1987).

110. Tecnhical documentation of equipment for production of external concrete coating plan with diameter range from 219 530. Ferrostral. Aktiengesellschaft.

111. Tourase. M. Les hetons lourds properties physique et essais mechaniques. Second united Naton International Conference on the peaceful Uses of Atomic Energy. P /1152, 1158.

112. Tran Van Tuan, Truong Quoc Binh, Luu Due Thanh. Control of impacting vibration machine and autoregulated capacity. Proceeding of the international conference on applied dynamics. Sience Hanoi 1996.

113. Tran Van Tuan. Co so tinh toan, thiet ke may tao hinh va lam chat cau kien be tong bang cong nghe va rung. Tap chi xay dung. 1/1993.

114. Tuyen tap tieu chuan xay dung cua Viet nam. Hanoi 1987// Proceedigs of Vietnam construction standards// Вьетнамский строительный стандарт. Ханой 1987